Wielomodowe, grubordzeniowe i z plastykowym pokryciem włókna. Przewężki i mikroelementy Multimode, Large-Core, and Plastic Clad Fibers. Tapered Fibers and Specialty Fiber Microcomponents
Wprowadzenie Włókna o dużym rdzeniu Wysoko-aperturowe włókna Włókno z twardym polimerowym płaszczem Mikroelementy śwaitłowodowe: Przewężka Soczewka Rozpraszacz Wyjście kątowe
Wprowadzenie Wiele przemysłowych (spektroskopia) i medycznych zastosowań wymaga włókien wielomodowych typu skokowego o specjalnej geometrii, stosunku płaszcza do rdzenia i aperturze numerycznej. Średnica rdzenia może być od 100 um do 1000 um, zaś stosunek średnic płaszcz-rdzeń od 1.05 aż powyżej 1.20. Ogólnie, większa wartość NA pozwala na na stosowanie mniejszych pozostałych dwu parametrów, które to z kolei pozwalają na mniejszą ekspansję elastycznego włókna w strukturę. FIG. 1 Włókno typu step-index. Czysto krzemowe rdzenie w całkowicie krzemowych włóknach mają mozliwość na osiągnięcie NA od 0,30 aż do 0.60 i pozwalają na operowanie zarówno w UV jak i w NIR. Włókna te o konstrukcji pokazanej obok mają odpowiednie zewnętrzne pokrycie zabezpieczające, które pozwala na desgnowanie ich do zastosowań w różnorodnych reżimach termicznych.
Włókna z dużym rdzeniem Standardowe włókna oferują niskie tłumienie w zakresie od 215 do 254 nm jednakże poddane działaniu deuterowego źródła UV, ich transmisja spada o ponad 50% w okresie 24 godzin, albowiem rozwijają centra kolorowe pod działaniem impulsowego (10.0000) ekcimerowego laserowego promieniowania (193 nm). To nasłonecznienie zostało ograniczone we włóknie firmy OPTRAN - UVNS (UV Non- Solarizing fiber). Preforma UFNS jest wytworzona w technologii MPCVD (Modified Plasma Chemical Vapor Deposition). NA= 0.22 może być zmodyfikowana do 0.26-0.30 (co daje wzrost 86% tzw. acceptance circle) w sumie zastosowanie w medycynie i w spektroskopii. FIG. 2 Zmiana czasowa oraz zależność spektralna dla transmisji włókna UVNS
Wysoko-aperturowe włókna Mała inwazyjność włókna w strukturę tkanki wymaga włókien o dużym stosunku rdzeń/płaszcz, małym zewnętrznym wymiarze oraz posiadania wysokiej wartości NA co ułatwia wprowadzenie i wyprowadzenie wiązki. Całkowicie krzemowe włókna dla zastosowań do VIS do NIR mogą być wytwarzane z NA w zakresie aż do 0.53. Dla NA<0.30 konstrukcja włókna wykorzystuje czysto krzemionkowy rdzeń z domieszkowanym krzemionkowym płaszczem. Dla NA>0.37 krzemionkowy rdzeń musi być domieszkowany.. Wzrost NA powoduje wzrost obszaru akceptancji o 550% jak na Rys. 3. Zastosowania: współpraca z wysokomocowymi diodami laserowymi, układy oświetleniowe szczególnie gdy koniec włókna nie jest w powietrzu. (optamologia), układy oświetleniowe w hełmach FIG. 3 Zmiana kąta akceptancji i stratność
Włókno z twardy polimerowym płaszczem Włókno z plastykowym płaszczem PCS (Plastic Clad Silica) mają wokół krzeminokowego rdzenia cienki płaszcz plastykowy. Ponieważ płaszcz taki nie jest utwardzany przez UV zatem mają one lepsze własności transmisyjne dla UV i są trudniejsze do zerwania ze względu na oddziaływanie płaszcza ale także są trudniejsze w wytwarzaniu. NA rzędu 0.37 0.48. Zakres pracy 196 o C + 125 o C. Poprzez produkcję struktury z niskim lub wysokim OH zakres spektralny od UV, VIS, NIR (stratność 1 db/m@300nm, 1.5 db/m@275nm) FIG. 4 PCS typu HPCS (twardy PCS) FIG. 5 Charakterystyka transmisyjna HPCS
Mikroelementy światłowodowe Podstawowe kategorie mikroelementów światłowodowych to: przewężki, soczewki rozpraszacze boczne-wyświetlacze zakończenia kątowe Wspólne czynniki ich użyteczności to: minimalny promień zgięcia konieczny w zastosowaniu włókna, ograniczenia przestrzenne sprzęganego lasera, NA źródła, rozmiar, kształt i gęstość mocy optycznej plamki wejściowej, długość fali działania, wymagany wzorzec wyjściowego światła kierunek wiązki wyjściowej Wszystko uzależnione od wykorzystania patrz tabela obok. FIG. 6 Przykłady mikroelementów
Przewężka zwiększa lub zmniejsza średnicę rdzenia przez co uzyskuje się zmianę NA oraz obszar prowadzenia fali. FIG. 7 Tzw. down oraz up taper pozwalający na zwiększenie oraz zmniejszenie NA 10 FIG. 9 Transformacja apertur FIG. 8 Zależność strat od NA dla różnych długości przewężek
Soczewki dowolnego typu (wklęsłe, wypukłe, sferyczne) celem modyfikacji rozbieżności wiązki oraz rozmiaru plamki. Pozwalają na poprawę sprzężenia z laserem, redukcję strat Fresnela, zmianę ogniskowej, etc, FIG. 10 Zinegrowana dodatnia (wypukła) mikrosoczewka światłowodowa FIG. 11 Zinegrowana ujemna (wklęsła) mikrosoczewka światłowodowa FIG. 12 Zinegrowana sferyczna (ball)) mikrosoczewka światłowodowa
Rozpraszacze dyfuzery są stosowane na wyjściu włókien celem zmiany kierunku oraz rozproszenia mocy optycznej nawet w 360 stopniowym kącie wokół kierunku wyjścia z włókna. Wytwarza się je poprzez odpowiednie mechaniczne nacięcie włókna, tak by uzyskać rozproszenie wiązki prowadzonej. Zastosowanie teriapia fotodynamiczna, ablacja laserowa tkanki, etc. FIG. 13 Rozpraszacz światłowodowy
Wyjście kątowe (side-fire) zazwyczaj w kącie 40-43 stopni od osi włókna, wówczas wiązka wychodzi pod kątem około 90 stopni. Wykonywane jest poprzez ucięcie włókna pod danym kątem i zakończenia go szklanym kapturkiem.. Zastosowanie tam gdzie jest potrzeba zmiany kierunku wiązki w bardzo ograniczonej przestrzeni, takich jak ablacja tkanki, cięcie, perforacja TMR (in vivo medical applications). Inne to cięcie 7-10 stopniowe dla redukcji odbić wstecznych. FIG. 14 Side-fire microcomponent