ELEKTRONIKA, nr 5/2006

Transkrypt

1 ELEKTRONIKA, nr 5/2006 Światłowody kapilarne dużej mocy Ryszard Romaniuk, Instytut Systemów Elektronicznych, WEiTI, Politechnika Warszawska Streszczenie Szklane światłowody kapilarne, w różnych rozwiązaniach, początkowo klasycznych (refrakcyjnych i refleksyjnych), a obecnie fotonicznych (dyfrakcyjnych i interferencyjnych), mogą transmitować duże moce optyczne fali ciągłej i impulsowej. Wynika to z faktu, że moc optyczna jest prowadzona prawie całkowicie w powietrzu, gazie szlachetnym lub próżni a nie w szkle. Poziom optycznych zjawisk nieliniowych w powietrzu jest ok krotnie mniejszy niż w szkle światłowodowym. W artykule dyskutowano: możliwe mechanizmy propagacji w kapilarze optycznej i zalety/wady tych mechanizmów przy transmisji dużej mocy, optymalne parametry światłowodu dużej mocy, rodzaje stosowanych materiałów, podkreślono istniejące obecnie ograniczenia techniczne i uzyskiwane wyniki transmisyjne. Przedstawiono tendencje rozwojowe nowej generacji fotonicznych światłowodów kapilarnych. Słowa kluczowe: światłowody kapilarne, światłowody dziurawe, światłowody braggowskie, światłowody fotoniczne, duża moc optyczna, transmisja światłowodowa, High power optical fiber capillaries Abstract Optical fiber glass capillaries, in a variety of solutions, initially classical (refractive or reflective), and now photonic (diffractive and interference), are able to transmit high levels of optical power CW and pulsed. It stems from the fact that the optical IR power is carried nearly totally in air, noble gas or vacuum, but not in solid glass. The level of optical nonlinear effects in air is approximately 1000 lower than in the fiber grade glass. The paper discusses: possible propagation mechanisms in optical capillaries and good/bad sides of these mechanisms for transmission of high optical power, optimal high power fiber capillary parameters, types of used materials. There are underlined existing technical confinements and obtained transmission results. The development tendencies of a new generation of optical fiber capillaries are presented. Key words: optical fibre capillaries, high power optical fibres, hollow core photonic optical fibres, optical fiber power transmission, Światłowody kapilarne do transmisji, na duże odległości, znacznej energii wiązki laserowej budzą, nie bez przyczyny, poważne zainteresowanie od wielu dziesięcioleci [1]. Transmisja dużej mocy fali elektromagnetycznej, z podczerwonego zakresu spektralnego (nazywanego w skrócie IR, czasami z określeniem podczerwień bliska, średnia i daleka), w postaci wąskiej, kierowanej wiązki promieniowania, w zakresie od setek W do kilku a nawet kilkunastu kw, ciągłej i impulsowej, jest możliwa do przeprowadzenia w światłowodzie kapilarnym [4,8]. Nadzieje na budowę bardzo skutecznych (o stratności poniżej 0,1dB/m) światłowodów dużej mocy (kw) o znacznej długości (setki m) daje fotoniczna metoda transmisji w próżni [5]. Dotychczasowe rozwiązania falowodowego, elastycznego prowadzenia wiązki dużej mocy, korzystały z takich materiałów, uformowanych w elastyczne cienkie włókna, jak kryształy np. szafir (Al 2 O 3 ), polikryształy np. chlorobromek srebra, szkła ołowiowo-germanowe, cyrkonowo-fluorowe ZBLAN, siarczkowe, tellurkowoselenowe [6]. Budowano także falowody metalowe i dielektryczne lub kompozytowe, analogicznie do technik mikrofalowych, tylko proporcjonalnie mniejsze w rozmiarach [2,3].

2 Zainteresowanie światłowodową transmisją dużej mocy optycznej na znaczne odległości jest powodowane możliwościami aplikacyjnymi takiej techniki: dostarczanie energii optycznej na odległość; szerokopasmowe, niskostratne linie transmisyjne IR do zastosowań wojskowych służące do łączenia głowicy obserwacyjnej z detekcyjną; aktywne lub pasywne linie transmisyjne do czujników chemicznych[15], ultraczułe czujniki termiczne bazujące na promieniowaniu ciała doskonale czarnego; linie transmisyjne dla noży chirurgicznych i przemysłowych spawarek laserowych; szerokopasmowe linie transmisyjne dla spektroskopii, urządzenia LIDAR, itp. Jak dotąd jednak, ze względu na niedogodności poprzedniej generacji światłowodów dużej mocy (o refrakcyjnym i refleksyjnym mechanizmie propagacji) dla pasma IR, w przemyśle do laserowej obróbki materiałów (wykrawanie, krojenie, wiercenie, nagrzewanie punktowe, zgrzewanie, spawanie, itp.) stosuje się wyłącznie sztywne, łamane połączenia zwierciadlane z szeroką wiązką kolimowaną lasera CO 2. Wydaje się, że wyłącznie przełamanie hegemonii tej klasycznej techniki, może doprowadzić do zasadniczego przełomu w zastosowaniach światłowodów kapilarnych dużej mocy. Artykuł, w miarę obiektywnie, stara się pokazać, jak jeszcze odległe są to szanse. Zakres spektralny podczerwieni jest bardzo szeroki, od długofalowej granicy światła widzialnego 0,7µm, aż do fal submilimetrowych rzędu 100µm. Oddziaływanie tych fal z materią, a więc i sposób ich prowadzenia kierowanego, jest zasadniczo różny dla odległych obszarów tego spektrum. Obszar niskich strat światłowodów z ultraczystego, topionego kwarcu, najlepszego jak dotąd materiału światłowodowego pod względem optycznym i mechanicznym oraz odporności chemicznej, kończy się na poziomie α=1db/m dla λ=2,5µm. Dla λ=3µm szkło kwarcowe posiada molekularne straty absorpcyjne IR rzędu α=60db/m, a więc jest praktycznie bezużyteczne. Wiele z pod-zakresów spektralnych IR cieszy się specjalnym zainteresowaniem, bądź to z powodu istnienia wydajnych źródeł światła i detektorów (a więc możliwości budowy układów transmisyjnych i spektroskopowych), bądź to z powodu istnienia w tym zakresie interesujących zjawisk (np. ciesząca się ostatnio wielkim zainteresowaniem badawczym tomografia terahercowa. Zakres spektralny 3-5µm budzi zainteresowanie z powodu obecności w tym obszarze silnych molekularnych pasm absorpcji wielu gazów, np. CH 4. Dostępność niskostratnych i wytrzymałych mechanicznie kapilarnych światłowodów jednomodowych (interferometria) i wielomodowych (spektrometria) w tym zakresie jest wysoce pożądana. Interesującym zainteresowaniem jest takie wykorzystanie optycznej kapilary wielomodowej, szczególnie w paśmie 3-5µm, gdzie rdzeń światłowodu jest jednocześnie komorą pomiarową spektrometru gazowego. Mechanizmy propagacji fali w światłowodzie IR W światłowodzie przeznaczonym do transmisji fali elektromagnetycznej w zakresie λ=2-30µm (nazywamy ją nadal często optyczną, a jest to zakres bliskiej, średniej i dalekiej podczerwieni -IR) mogą być wykorzystane teoretycznie takie mechanizmy propagacji jak: refrakcyjna - całkowite wewnętrzne odbicie, całkowite zewnętrzne odbicie, odbicie od lustrzanej powierzchni metalu, dyfrakcyjno-interferencyjna inaczej nazywana fotoniczną. Za wyjątkiem pierwszej metody (gdzie fala jest propagowana w ośrodku materialnym rdzenia), w pozostałych trzech do transmisji fali jest używany światłowód kapilarny (fala jest propagowana w powietrzu, gazie szlachetnym lub próżni). Za wyjątkiem ostatniej metody, która jest relatywnie najnowsza, wszystkie pozostałe były intensywnie testowane pod względem technologicznym przez ostatnie kilkadziesiąt lat, dając na ogół rezultaty zaledwie na pograniczu opłacalności zastosowania komercyjnego. Największą zaletą kierowanej propagacji fali w próżni jest teoretyczny brak ograniczeń spektralnych (w wymienionych materiałach o poziomie stratności do 10dB/m, jest to ograniczone do niewiele ponad 20µm)

3 oraz możliwość propagacji znacznie większej mocy niż w ośrodku materialnym. Z każdą z metod propagacji wiążą się inne mechanizmy ograniczające transmisję dużej mocy optycznej w światłowodzie. Całkowite wewnętrzne odbicie Podobnie jak w klasycznym światłowodzie telekomunikacyjnym, rdzeń optyczny posiada większy współczynnik załamania niż płaszcz optyczny. Mechanizm transmisji fali jest niskostratny, czysto refrakcyjny, przy zachowanej zależności n r >n p >1. Materiał takiego światłowodu musi być przezroczysty a dokładniej mówiąc niskostratny dla wybranego zakresu długości fal. W zależności od zastosowania (np. wymaganej długości światłowodu transmisyjnego i poziomu transmitowanej mocy optycznej) straty jednostkowe nie powinny przekraczać kilku db/m lub ułamka db/m. Szkłami przezroczystymi w tym zakresie spektralnym są: ciężkie szkła tlenkowe (przezroczyste do kilku µm), ciężkie szkła halogenkowe -fluorkowe, szkła chalkogenkowe (przezroczyste do kilkunastu µm), oraz szkła mieszane [6]. Szkła te posiadają nieporównywalnie słabsze parametry optyczne (znacznie większe i trudne do eliminacji straty absorpcyjne problem z ultraoczyszczaniem), mechaniczne i chemiczne (podatność na rekrystalizację, łamliwość, higroskopijność, słaba adhezja). Światłowód klasyczny (tzn. wykorzystujący mechanizm całkowitego wewnętrznego odbicia) może być optymalizowany na transmisje dużej mocy optycznej. Konstrukcja takiego światłowodu to rdzeń o znacznej średnicy (rzędu kilkuset µm) wykonany z ultraczystego niedomieszkowanego szkła krzemionkowego. Płaszcz musi mieć mniejszy współczynnik załamania a więc może to być tylko niskostratna fluorokrzemionka, wówczas jednak światłowód taki ma niewilką aperturę numeryczną. Częściej stosuje się niskostratne pokrycie polimerowe i światłowód określany jest jako typu PCS (polymer clad silica) grubordzniowy. Światłowodami typu PCS transmitowano moce ciągłe rzędu kilkudziesięciu W. A w konstrukcjach chłodzonych do kilkuset. W światłowodach PCS można transmitować falę efektywnie do ok. 2-2,5µm długości. Dłuższe fale transmitowane są w światłowodach grubordzeniowych ze szkieł niekrzemionkowych. Uzyskiwano transmisję na poziomie kilkuset W mocy ciągłej na odległość od 1 do kilku m. Całkowite zewnętrzne odbicie Niektóre materiały, wskutek anomalnej dyspersji (zjawisko o charakterze rezonansowym związane z oddziaływaniem energii fotonu ze strukturą molekularną materiału), mogą posiadać, dla pewnego wąskiego zakresu długości fal, współczynnik załamania mniejszy od jedności. Wówczas, taki materiał może stanowić (tylko dla wybranych długości fal) w sąsiedztwie z powietrzem (próżnią) układ rdzeń-płaszcz optyczny. Rdzeń stanowi otwór wypełniony powietrzem w rurce kapilarnej utworzonej z materiału anomalnie dyspersyjnego. Propagacja ma charakter stratny czysto refrakcyjny, i spełniany jest warunek 1=n r >n p. Współczynnik załamania n p jest w rzeczywistości wielkością zespoloną. Fala odbija się całkowicie (z pewnymi stratami) od ośrodka gęstszego, nie wchodząc do niego dokładnie odwrotnie niż w przypadku całkowitego wewnętrznego odbicia [4]. Straty całkowitego zewnętrznego odbicia silnie rosną w funkcji zagięcia światłowodu i mogą być bardzo niskie tylko dla małych kątów propagacji (tzw. kąty ślizgowe). Z tej zasady wynika relatywnie mała wartość apertury numerycznej takiego światłowodu. Straty propagacji opartej na zasadzie całkowitego zewnętrznego odbicia wzrastają silnie w funkcji promienia otworu kapilarnego, w proporcji 1/r 3, gdzie r jest porównywalne z długością propagowanej fali. Z tej zależności wynika praktyczny brak możliwości utworzenia w tej technologii światłowodu jednomodowego.

4 Tą metodę wykorzystuje się do transmisji na krótkie odległości promieniowania rentgenowskiego w światłowodzie multikapilarnym. Transmitowane są moce o znacznej gęstości. Taką metodą transmitowano także promieniowanie lasera 10,6µm o mocy ciągłej kilkudziesięciu-kilkuset W, przy niezbyt dużych wygięciach światłowodu. Materiały na światłowody były następujące: szkła niskokrzemionkowe ołowiowo-germanowe oraz szafir. Dla prostych światłowodów o średnicy otworu kapilarnego w zakresie µm uzyskiwano niskie straty na poziomie 0,1dB/m. We włóknie szafirowym (które ze względu na dużą wartość modułu Younga, nie może być bardzo wyginane) chłodzonym wodą, uzyskiwano transmisję ciągłą mocy ponad 2kW. Stratne odbicie od powierzchni metalu Odbicie światła od gładkiej lustrzanej powierzchni metalu lub powierzchni metalu pokrytego cienką warstwą dielektryka jest zawsze stratne [2,3,4]. Światłowód konstruowany jest w ten sposób, że na powierzchni otworu kapilarnego w kawrcowej rurce szklanej nanoszona jest cienka lustrzana warstwa metalu szlachetnego i na tą warstwę nanoszona jest cienka, na ogół submikronowa, warstwa dielektryka przezroczystego i niskostratnego dla propagowanej długości fali (np. dla promieniowania lasera CO 2 λ=10,6µm, jest to jodek srebra). Zjawiska interferencyjne w cienkiej warstwie wzmacniają transmisję dla wąskiego wycinka możliwego do propagacji spektrum, poprawiając charakterystyki światłowodu kapilarnego. Światłowody takie są bardzo czułe na zgięcia oraz są wyłącznie wielomodowe, o bardzo dużej ilości modów. Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami przenoszenia dużej mocy optycznej fali ciągłej, do kilku kw dla λ=10,6µm. Jakość przenoszonej wiązki jest słaba. Najlepsze światłowody kapilarne wykorzystujące odbicie od powierzchni metalu transmitowały kilkaset W mocy ciągłej laser CO 2 bez chłodzenia oraz ponad 4kW z chłodzeniem wodnym. Typowe średnice otworów kapilarnych były w zakresie µm. Oprócz mocy lasera CO 2 transmitowano także dużą moc impulsową z lasera Er:YAG o długości fali ok. 3µm. W światłowodzie o otworze kapilarnym 1000µm transmitowano moc średnią rzędu 10W. Dla mniejszych średnic rdzenia, rzędu 250µm uzyskiwano mniejsze poziomy mocy ale lepszą jakość wiązki lasera Er:YAG. Jakość wiązki a szczególnie jej jednomodowość jest ważna dla zapewnienia możliwości skupiania do ogniska o małych rozmiarach, a więc znacznej gęstości mocy. Propagacja dyfrakcyjno-interferencyjna Propagacja dyfrakcyjno-interferencyjna zachodzi w tzw. strukturze fotonicznej, gdzie rdzeń stanowi otwór kapilary, a płaszcz kapilary jest uformowany jako zabroniona przerwa fotoniczna. Taka przerwa jest technologicznie budowana jako cylindryczne zwierciadło Bragga tworzone wokół rdzenia, w postaci cienkich warstw refrakcyjnych bądź układu mikrokapilar bocznych otaczających rdzeń (płaszcz porowaty). Mówimy o dwóch rodzajach fotonicznych światłowodów kapilarnych braggowskim i porowatym. Mówiąc opisowo, w płaszczu optycznym, dla pewnego zakresu długości fal, nie ma warunków propagacji światła. Jedynym obszarem dozwolonej propagacji jest, dla tego zakresu długości fal, rdzeń powietrzny. Z płaszcza fala jest odbijana z powrotem bardzo skutecznie (tzn. bezstratnie) do rdzenia gdzie podlega pozytywnej interferencji zgodnie z układem modów własnych rdzenia. Praktyczne rozwiązania takich światłowodów były wykonywane dla celów transportu ultrakrótkich (o czasie trwania rzędu fs) impulsów optycznych o bardzo dużej mocy [8,10,13,15] (rzędu MW) i dużej energii (rzędu µj) oraz czujniki gazów [11]. Jeszcze inaczej mówiąc, kapilarny światłowód fotoniczny prowadzi światło w pełnym dwuwymiarowym paśmie fotonicznym, które przecina linię powietrza β=k o (granica pomiędzy warunkiem propagacji i zanikania fali w próżni) w kierunku regionu o warunku

5 propagacji β<k o, gdzie β jest składową wzdłużną wektora falowego a k o jest wektorem falowym próżni [7]. Stąd istnieje możliwość pułapkowania światła w powietrznym rdzeniu. Zakres k o >β dla którego pasmo fotoniczne istnieje jest ograniczony. Stąd, zakres długości fal dla których istnieje pasmo fotoniczne jest ściśle ograniczony i zdefiniowany konstrukcją światłowodu. Pasmo fotoniczne, definiowane poprzez subtelną periodyczną strukturę płaszcza światłowodu kapilarnego może być utworzone technologicznie w kilka różnych sposobów. Historycznie pierwsza była struktura płaszcza porowatego dwuparametrowego średnica otworu nanokapilary, oraz odległość pomiędzy osiami nanokapilar. Te dwa parametry definiowały trzeci uniwersalny parametr wypełnienie powietrzem przekroju poprzecznego światłowodu. Mówiono o światłowodach kapilarnych rzadkich (powyżej 80% powietrza w przekroju poprzecznym) i gęstych (poniżej 60% powietrza). Inna możliwość to budowa rdzenia kompozytowego bez powietrza złożonego z wielu (kilkudziesięciu-kilkaset) cienkich warstw (o indywidualnej grubości rzędu kilkudziesięciu nm), okresie periodyczności rzędu nm, i o różnej refrakcji [17]. Światłowody kapilarne o fotonicznym transporcie energii są wykonywane ze szkieł krzemionkowych, szkieł wieloskładnikowych wysokorefrakcyjnych [7], szkieł chalkogenkowych [9], szkieł pokrytych metalem [5]. W odróżnienie od wszystkich mechanizmów propagacji z wyjątkiem pierwszego, kapilarny światłowód fotoniczny jest słabo czuły na wygięcia, oczywiście przy odpowiedniej konstrukcji. Warunki propagacji dużej mocy w fotonicznym światłowodzie kapilarnym Światłowód kapilarny, zarówno braggowski jak i porowaty, może być optymalizowany dla prowadzenia dużej mocy optycznej. Poniżej wymieniono podstawowe czynniki projektowe, konstrukcyjne i technologiczne podlegające optymalizacji. Zazwyczaj wybór wielkości danego parametry jest kompromisem pomiędzy przeciwstawnymi wpływami. Celem jest zwiększenie mocy transmitowanej a czynnikami przeciwstawnymi, między innymi są:, pogorszenie struktury modowej światłowodu, niska jakość wiązki, zwiększenie strat (rozproszeniowych, absorpcyjnych, upływnościowych), zmniejszenie elastyczności, mała apertura numeryczna, mały dopuszczalny kąt wygięcia, itp. Powietrzny rdzeń światłowodu Średnica rdzenia powietrznego światłowodu powinna być jak największa, gdyż przy stałej dopuszczalnej gęstości mocy, pozwala to na transmisję większej mocy całkowitej. Współczynnik nieliniowości optycznej szkła wynosi n 2 =2,9x10-19 cm 2 /W, i jest ok.1000 razy mniejszy od nieliniowości szkła krzemionkowego. Jeśli tylko fala optyczna nie wnika zbyt głęboko w szkło to dopuszczalna gęstość mocy w rdzeniu powietrznym jest znacznie większa niż w światłowodzie klasycznym całkowicie szklanym. Średnica rdzenia nie powinna być zbyt duża gdyż światłowód propaguje wielką liczbę modów wyższego rzędu sprzęgniętych z modami powierzchniowymi i płaszczowymi upływowymi. Apertura numeryczna Apertura numeryczna decyduje o kątowej zdolności akceptacji mocy optycznej przez światłowód oraz o głębokości wnikania pola w szkło. Odmienne technologiczne warunki tworzenia apertury numerycznej występują w światłowodzie kapilarnym braggowskim i porowatym. W światłowodzie braggowskim duży kontrast pomiędzy rdzeniem i płaszczem tworzony jest przez wiele cienkich nanometrowych warstw refrakcyjnych na zasadzie podobnej jak w światłowodzie gradientowym, wieloskokowym, o profilach typu W i M, lub braggowskim zwierciadle rozłożonym w laserach półprzewodnikowych typu DBM, DFB. Apertura zależy od ilości warstw, kontrastu między nimi i rozmiarów takiej nanometrowej superstruktury periodycznej (liniowa, modulowana rodzaj sztucznej sieci krystalicznej).

6 Technologicznie jest to zagadnienie, na obecnym rozwoju technologii światłowodów szklanych, bardzo trudne. W światłowodzie kapilarnym porowatym aperturę numeryczną tworzy się poprzez poprzednio wymienione parametry: średnicę nanokapilar, odległość między osiami nanokapilar, czyli poprzez współczynnik wypełnienia powietrzem w p światłowodu. Dla współczynników powyżej w p >90% apertura wynosi praktycznie w pobliżu jedności. Wnikanie pola modowego w szkło Im mniejsze wnikanie pola modowego w szkło płaszcza, tym potencjalnie mniejsze straty propagacji absorpcyjne wynikające z interakcją ze szkłem, oraz rozproszeniowe wynikające z mieszania modowego. Struktura modowa Im więcej modów tym więcej mocy można potencjalnie wprowadzić do światłowodu. Im mniej modów tym lepsza struktura prowadzonej wiązki. Ideałem jest prowadzenie jednego modu podstawowego o gaussowskim kształcie i jak największej średnicy efektywnego pola modowego A eff. Efektywny współczynnik nieliniowości γ jest proporcjonalny do niliniowego współczynnika załamania n 2 oraz odwrotnie proporcjonalny do efektywnego pola modowego γ=2πn 2 /λa eff. Fotoniczne pasmo transmisyjne Fotoniczne pasmo transmisyjne (kształtowane w sposób technologiczny) musi być odpowiednio usytuowane wobec powietrznego rdzenia, właściwości spektralnych materiałów użytych do budowy światłowodu, docelowego pasma transmisyjnego światłowodu. Istotne jest także istnienie obok pasma pierwotnego, pasm wtórnych wyższego rzędu, do których moc może być transferowana różnymi drogami. Istotna jest szerokość tego pasma, wewnętrzna struktura modowa obejmująca mod podstawowy i ewentualnie dyskryminację modów powierzchniowych. Przezroczystość szkła Ten parametr odgrywa odmienną rolę niż w światłowodzie klasycznym (całkowicie szklanym). Możliwe jest używanie szkieł i materiałów o zwiększonej absorpcji, pod warunkiem niewielkiego wnikania pola. Dla światłowodów kapilarnych dużej mocy (a także ultraniskostratnych do transmisji dalekosiężnej) szczególnie straty absorpcyjne powinny być na jak najmniejszym poziomie. Wypełnienie rdzenia W zwykłych rozwiązaniach zakłada się wypełnienie rdzenia kapilarnego powietrzem. W specjalnych zastosowaniach w rdzeniu może być próżnia (dalsze obniżenie poziomu optycznych zjawisk nieliniowych) lub gaz szlachetny (usunięcie rozpraszania i przesunięcia częstotliwości Rayleigha), a także (rzadziej) ciecze. Kosztem specjalnego wypełnienia rdzenia jest zwiększona komplikacja układu sprzężenia światła do włókna. Właściwości mechaniczne i termiczne światłowodu Światłowód do transmisji dużej mocy optycznej powinien charakteryzować się znaczną wytrzymałością mechaniczną, termiczną i chemiczną. Niestety materiały szkliste przezroczyste w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni mają relatywnie słabe właściwości fizykochemiczne. Pokrycie zewnętrzne światłowodu Pokrycie zewnętrzne może wzmacniać światłowód, ograniczać stopień wygięć oraz stanowi interfejs mechaniczny i termiczny z otoczeniem. Pokrycie zewnętrzne powinno być kompatybilne ze sposobem mocowania światłowodzie w układzie laboratoryjnym i aplikacyjnym. Chłodzenie światłowodu Chłodzenie światłowodu może być aktywne, przepływowe lub pasywne stacjonarne, a także zewnętrzne lub wewnętrzne. Przy dużych średnicach kapilary rdzeniowej testowano

7 przepływ zimnego suchego gazu chłodzącego, np. Xe. Najczęstszy rodzaj chłodzenia w zastosowaniach dużej mocy to klasyczne chłodzenie wodne płaszczowe. Transmisja fali ciągłej IR w fotonicznym światłowodzie kapilarnym W paśmie λ=3-5µm wiele ze szkieł miękkich (tlenkowych, wieloskładnikowych) jest przezroczystych. Wiele z ich posiada straty w tym paśmie poniżej 1dB/m, co w światłowodzie fotonicznym gwarantowałoby straty poniżej 0,1dB/m Jednak żadne z nich nie dorównuje parametrami mechanicznymi włóknom krzemionkowym. Zakładającą proporcje wnikania pola transportowanej fali na poziomie mniejszym od 1% [16], straty absorpcyjne w kapilarze krzemionkowej będą stosunkowo niewielkie, w światłowodzie jednomodowym. Ocenia się takie straty, dla optymalizowanego światłowodu kapilarnego na poziom poniżej α<0,5db/m. W celu sprawdzenia tych założeń wykonano eksperyment technologiczny z kapilarnym światłowodem krzemionkowym o następujących parametrach [14]: rdzeń kapilarny utworzony z 19 brakujących periodycznych segmentów struktury fotonicznej, średnica rdzenia optycznego d r =40µm, średnica światłowodu d w =150µm, okres fotonicznej struktury płaszcza Λ=7µm, zwiększona grubość ściany rdzenia w porównaniu ze ścianami nanokapilar płaszczowych, długość próbek kilka m. Optymalizowano strukturę na minimum głębokości wnikania modu podstawowego w szkło. Nie optymalizowano struktury pod względem sprzężenie modu podstawowego z modami powierzchniowymi. Pomiarowy układ optyczny dla λ=3-5µm takiego światłowodu zawiera: jako źródło - gorącą lampę wolframową pracującą jako promieniujące ciało doskonale czarne, jako optykę soczewki z ZnSe, monochromator IR jako detektor. Optymalizacja na minimum wnikania pola w szkło kapilary doprowadziła do obniżenia strat absorpcyjnych w całym paśmie do poziomu kilku db/m. Rezultatem braku optymalizacji pod względem sprzężenia z modami powierzchniowymi była obecność kilku wąskich rezonansowych pasm sprzężeniowej utraty mocy (z modu podstawowego do kolejnych istniejących w tej strukturze modów powierzchniowych). Stopień ograniczenia pola modu podstawowego w tym światłowodzie mierzono metodą przesuwanego ostrza po powierzchni czołowej rdzenia włókna. Ostrzem tym był brzeg szczeliny wejściowej spektrofotometru. Przebieg krzywej pomiarowej porównywano z gaussowskim profilem modowym, uzyskując dobrą zgodność. Szerokość e -2 profilu gaussowakiego wynosiła 15µm. Porównując kształt modu oraz proporcje wymiarowe badanej kapilary IR dla λ=3-5µm z klasycznymi kapilarami fotonicznymi dla λ=1,5µm, można stwierdzić że światłowód jest jednomodowy, dla fali minimalnej absorpcji w tym paśmie λ=3,15µm. Dodatkowo, silna absorpcja pola zanikającego w ściance kapilary jest czynnikiem zapobiegającym transmisji modów wyższego rzędu poprzez znaczne różnicowe tłumienie modowe. Tłumienie światłowodu mierzono metodą obcięcia końca. Zmierzony promień łamiący światłowodu bez zewnętrznego pokrycia polimerowego wynosił 12,5mm. Dla tego promienia wygięcia, nawet tuż przed złamaniem włókna, nie obserwowano mierzalnego wzrostu tłumienia transmisji. Przeprowadzone doświadczenie technologiczne pokazuje możliwość rozszerzenia zastosowań krzemionkowych fotonicznych światłowodów kapilarnych (n=1,46) znacznie poza zakres obecnych zastosowań takich włókien, czyli typowo 1,5µm a maksymalnie ok. 2,5µm. Rozszerzenie wydaje się możliwe do ok. 3,5µm. Dalsze rozszerzenie tego zakresu spektralnego, poza 5µm jest związane z przejściem w konstrukcji kapilar fotonicznych na niskostratne szkła (As)-S-Se-Te o znacznie większych współczynnikach załamania n=1,8-2,7. Dla tych wartości współczynników załamania i współczynników wypełnienia przekroju poprzecznego światłowodu powietrzem stosowanych dla SiO 2 (ok. 80%) pasmo fotoniczne nie istnieje. Współczynnik wypełnienia powietrzem musi być znacznie mniejszy (ok.60%) [7]. Rozszerzenie pasma transmisji fotonicznej IR w drugim kierunku typowego pasma światłowodu SiO 2, czyli w obszar λ= nm jest związane z opanowaniem technologii

8 kapilar fotonicznych o niezniekształconej subtelnej strukturze rdzeń-płaszcz i znacznie mniejszych rozmiarach periodycznych elementów tej struktury. Zamrożona w szkle subtelna periodyczna struktura porowata definiuje fotoniczne pasmo transmisji kapilary optycznej w stosunkowo wąskim zakresie długości fal. Dla typowego pasma transmisyjnego ultraniskostratnych światłowodów krzemionkowych jest to nm. Nadzieje na pracę w znacznie szerszych fotonicznych pasmach transmisyjnych (rzędu kilku µm) daje optyczny płaszcz wielowarstwowy [17]. Dla subtelnych struktur wielowarstwowych sieci fotonicznych uzyskano szerokość fotonicznego pasma transmisji znacznie szerszą, w zakresie 0,85-2,28µm. Światłowód wyciągano ze szkła As 2 S 3. Ze względu na niską wartość T g temperatury przejścia fazowego tego szkła, subtelna struktura płaszcza może być budowana z polimeru. Testowano polimery PES i PEI. Uzyskano straty włókna testowego o średnicy rdzenia 165µm na poziomie kilku db/m dla λ=1600nm. Rozwiązanie tego (nieporowatego) braggowskiego światłowodu kapilarnego skalowano w wymiarach uzyskując fotoniczne pasmo transmisji w obszarze 3,1µm i 3,55µm. Światłowód wyciągano z tej samej preformy co dla pasma poprzedniego. Wymiary zewnętrzne światłowodów były 600µm i 670µm. Średnice rdzenia były 275µm. Światłowód skalowano w wymiarach także dla pasma 10,6µm. Średnica rdzenia była µm a średnica światłowodu µm. Podstawowe pasmo fotoniczne obejmowało zakres 10-11µm. W światłowodzie transmitowano wiązkę lasera CO 2 o mocy 25W. Mierzono straty transmisji na poziomie poniżej 1dB/m. Mierzone straty zgięcia światłowodu dla 10,6µm wynosiły 1,5dB/90 o. Naturalne straty transmisji utraczystego szkła As 2 S 3 dla 10,6µm wynoszą 7dB/m. Straty materiału płaszcza, polimeru PES dla 10,6µm są rzędu 10 5 db/m. Maksymalny poziom gęstości mocy transmitowanej tym światłowodem był 300W/cm 2. Prowadzona jest dokładna analiza mechanizmów ogrzewania braggowskich światłowodów kapilarnych prowadząca do ich optymalizacji konstrukcyjnej na zastosowania w układach transmisji dużej mocy [18] Transmisja fali impulsowej IR w fotonicznym światłowodzie kapilarnym Możliwość kształtowania poziomu dyspersji modowej (do wartości porównywalnej lub większej niż w światłowodzie klasycznym), poprzez głębokość wnikania pola modu podstawowego w szkło i poprzez wykorzystanie pasm dyspersji anomalnej (gdzie współczynnik dyspersji D=-λn /c>0, n =d 2 n/dλ 2, c-prędkość światła w próżni, λ-długość fali, n-efektywny modowy współczynnik załamania) oraz znacznie niższy poziom optycznych zjawisk nieliniowych (nawet do 1000 razy mniejszy) w światłowodzie kapilarnym, pozwala na transmisję solitonów gigantycznych [8]. Do eksperymentu transmisyjnego z falą impulsową o znacznym natężeniu zastosowano światłowód kapilarny porowaty o następujących parametrach: średnica rdzenia 12,7µm, okres porowatości płaszcza 4,7µm, współczynnik wypełnienia powietrzem w p =97%, tłumienność α=13db/km dla λ=1500nm, pasmo fotniczne λ= nm długość fali zera dyspersji λ od =1425nm, dyspersja anomalna prawie w całym paśmie fotonicznym, długość próbki światłowodu l w =3m. Światłowód pobudzano impulsem optycznym o następujących danych wejściowych: czas trwania t i =110fs, λ i =1470nm, energie impulsu w zakresie 450nJ, 900nJ, 1µJ, moc impulsu 2,4MW, natężenie 3,7x10 12 W/cm 2, W wyniku transmisji ramanowskie przesunięcie częstotliwości w powietrznym rdzeniu wyniosło 80nm, przy 65% energii skupionej w solitonie. Próbkę światłowodu o długości 2m wypełniono Xenonem. W ten sposób wyeliminowano ramanowskie przesunięcie częstotliwości. Sprzęgano impulsy o czasie trwania75fs i długości fali 1510nm o kształcie gaussowskim (iloczyn czas-pasmo równy

9 0,48). Dla energii impulsu 400nJ otrzymano odpowiedź bezdyspersyjną. Dla energii impulsu 470nJ otrzymano moc transmitowaną 5,5MW. Podsumowanie Światłowody kapilarne szklane o fotonicznym mechaniźmie propagacji rokują znaczne nadzieje na budowę efektywnych systemów transmisji dużej mocy optycznej na znaczne odległości. Bibliografia [1] E. A. J. Marcatili and R. A. Schmetzer, Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers, Bell Syst. Tech. J (1964). [2] K.Matsumura, Y.Matsumura, J.A.Harrington, Evaluation of gold, silver and dielectric coated hollow glass waveguides, Opt. Eng. 35, (1996). [3] Y.Matsumura, J.A.Harrington, Hollow glass waveguides with three layer dielectric coating fabricated by chemical vapour deposition, J. Opt. Soc. Am. A 14, (1997). [4] J. Harrington, "A review of IR transmitting, hollow waveguides," Fiber and Integrated Optics vol.19, pp (2000). [5] T. Katagiri, Y. Matsuura, and M. Miyagi, Metal-covered photonic bandgap multilayer infrared hollow waveguides, Appl. Opt. 41, (2002). [6] J. S. Sanghera, L. B. Shaw and I. D. Aggarwal, Applications of chalcogenide glass optical fibres, C. R. Chimie, 5, (2002). [7] J. M. Pottage, David Bird, T. D. Hedley, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and P. J. Roberts, Robust photonic band gaps for hollow core guidance in PCF made from high index glass, Opt. Express 11, (2003), [8] D. G. Ouzounov, F. R. Ahmad, D. Muller,N. Venkataraman, M. T. Gallagher, M. G. Thomas, J. Silcox, K. W. Koch, and A. L.Gaeta, Generation of Megawatt Optical Solitons in Hollow-Core Photonic Band-Gap Fibers, Science 301, (2003). [9] L. B. Shaw, J. S. Sanghera, I. D. Aggarwal, and F. H. Hung, "As-S and As-Se based photonic band gap fiber for IR laser transmission," Opt. Express 11, (2003), [10] F. Luan, J. C. Knight, P. St. J. Russell, S. Campbell, D. Xiao, D. T. Reid, B. J. Mangan, and P. J. Roberts, Femtosecond soliton pulse delivery at 800nm in hollow-core photonic bandgap fibres, Opt. Express 12, (2004), [11] T. Ritari, J. Tuominen, H. Ludvigsen, J. C. Petersen, T. Sørensen, T. P. Hansen, and H. R. Simonsen, "Gas sensing using air-guiding photonic bandgap fibers," Opt. Express 12, (2004), [12] F. Benabid, G. Bouwmans, J.C. Knight, P. St. J. Russell, and F. Couny, Ultra-high efficiency laser wavelength conversion in gas-filled hollow core photonic crystal fiber by pure stimulated rotational Raman scattering in molecular hydrogen, Phys. Rev. Lett. 93 (12), (2004). [13] J. D. Shephard, J. D. C. Jones, D. P. Hand, G. Bouwmans, J. C. Knight, P. S. J. Russell, and B. J. Mangan, "High energy nanosecond laser pulses delivered single-mode through hollow-core PBG fibers," Opt. Express 12, (2004), [14] J.D.Shephard, W.N.MacPherson, R.R.J.Maier, J.D.C.Jones, D.P.Hand, Single-mode mid-ir guidance in a hollow-core photonic crystal fiber, Optics Express, 5 September 2005, vol.13, no.18, pp ; [15] J. D. Shephard, F. Couny, P. St. J. Russell, J. D. C. Jones, J. C. Knight, and D. P. Hand, Improved hollow core photonic crystal fiber design for delivery of nanosecond pulses in laser micromachining applications, Appl. Opt. 44, (2005). [16 ] P. J. Roberts, F. Couny, H. Sabert, B. J. Mangan, D. P. Williams, L. Farr, M. W. Mason, A. Tomlinson, T. A. Birks, J. C. Knight, and P. St. J. Russell, Ultimate low loss of hollow-core photonic crystal fibres, Opt. Express 13, (2005), [17] K.Kuriki, O.Shapira, S.D.Hart, Y.Kuriki, J.F.Viens, M.Bayindir, J.D.Joannopoulos, Y.Fink, Hollow multilayer photonic bandgap fibers for NIR applications, Optics Express, 19 April 2004, Vol.12, No.8, pp ;

10 [18] M.Skorobogatiy, S.A.Jakobs, S.G.Johnson, C.Anastasiou, B.Temelkuran, Heating of hollow photonic bragg fibers from field propagation, coupling and bending, Journ. Of Lightwave Technology, Vol.23, No.11, November 2005;