Włókna na średnią i daleką podczerwień, z eliptycznym rdzeniem oraz typu D Mid- and Long- Infrared as well as Elliptical Core and D-shape Fibers
Wprowadzenie Włókna ze szkieł domieszkowanych: HMFG HMGG halogenkowe Włókna krystaliczne: Polikrystalicznej jedno-kryształowe Włókna z eliptycznym rdzeniem D - włókna
Wprowadzenie Włókna na podczerwień obejmują materiały umożliwiające transmisje w zakresie fal od 2 do 20 mm. Historycznie pierwsze włókna powstały w połowie lat 60 ubiegłego wieku z transparentnych dla IR szkieł tlenkowych (pierwiastki siarki, arszeniku mogą tworzyć ciemno czerwone szkła transparentne powyżej 2 mm). Włókna te mają wysokie straty rzędu 10 db/m oraz duża stratność z powodu 31% fresnelowskiego odbicia (n=2.3). Zastosowanie militarne dla detektorów MIR i LIR jako ośrodek do transmisji szerokopasmowej, systemy transmisyjne mocy chirurgicznych laserów na CO 2. Podział na trzy zasadnicze kategorie włókien szklanych, krystalicznych oraz dziurowe (omawiane uprzednio tu inny materiał). FIG. 1 Główne kategorie włókien na podczerwień wraz z przykładami.
W porównaniu do włókien krzemionkowych cechuje je wyższa stratność, wyższa wartość współczynnika załamania oraz czułość termiczna (dn/dt), niższa temperatura mięknięcia materiału oraz wyższy współczynnik ekspansji termicznej, często brak klasycznego płaszcza FIG. 2 Stratność głównych grup włókien IR.
Włókna ze szkieł domieszkowanych Włókna na IR zawierają szkła fluorowe domieszkowane metalami ciężkimi HMFG heavy metal fluoride glass (na MIR) oraz szkła germanowe domieszkowane metalami ciężkimi HMGG heavy metal germanate glass (na LIR). Włokna te nie zawierają krzemionki a tlenki metali ciężkich celem przesunięcia IR ogona absorpcyjnego do dłuższych fal. W stosunku do HMFG włókna germanowe mają wyższa temperaturę topnienia zatem są bardziej odporne na niszczące działanie wiązki laserowej dużej mocy, jednakże są one bardziej stratne. WŁÓKNA HMFGs Ze względu na temperaturę szklenia kilka razy niższą od włókien krzemionkowych włókna fluorowe, wytwarzane w technologii podobnej do klasycznych włókien, obecnie są oferowane w dwu wariantach:
FIG. 3 Stratność najlepszych (British Telecom) i typowych (Infrared Fiber System) włókien ZBLAN w porównaniu do włókien fluoroaluminiowych. WŁÓKNA HMGGs Włókna te są desygnowane dla fal powyżej 3 um. Zawierają one kompozycję GeO 2 (30-78%)-RO 915-43%)-XO (3-20%), gdzie R oznacza metal ziem alkaicznych, zaś X element grupy IIIA. Mają one temperaturę szklenia rzędu 680 deg, duża wytrzymałość oraz n=1.84. WŁÓKNA chalogenkowe Zawierają takie pierwiastki jak As, Ge, Sb, P, Te, Se, S, które ogrzane i mieszane w środowisku beztlenowym dają stabilne szkła, zaś otrzymane tą drogą włókna IR znajdują zastosowania w czujnikach chemicznych i temperaturowych oraz obrazowodach na IR, zaś dla CO 2 lasera na 9.3 um pozwalają na transmisję 2.6 W
FIG. 4 Stratność włókna HMGG wytwarzanego przez Infrared Fiber System FIG. 5 Stratność halogenkowego włókna. A w strukturze rdzeń/płaszcz Te-Se-As-I. B- bez płaszcza Te-Se-I
Włókna krystaliczne Krystaliczne włókna IR są atrakcyjną alternatywą dla szklanych IR włókien, gdyż większość nietlenkowych krystalicznych materiałów może przenosić dłuższe fale niż szklane IR włókna, a w przypadku szafiru mają dodatkowe istotne własności fizyczne. Problem z produkcją gdyż brak obszaru szklistego uniemożliwia użycia wieży doi ich wyciągania. Włókna te wytwarzane są drogą zmodyfikowanych technik wzrostu kryształów w których to włókno jest wyciągane z stopionego lub ogrzanego kryształu do temperatury poniżej punktu mięknięcia a następnie poprzez zastosowanie wysokich ciśnień. Istnieją dwa typy włókien krystalicznych: - Polikrystaliczne (PC) pierwszy w 1976 KRS-5 (TiBrI) dla militarnych zastosowań w zakresie > 20 um. Obecnie najlepszy to kryształy halogenku srebra stratność 0.3 db/m@10.6 um. Inny to Ag-halogenkowy PC włókno dla krótkofalowych systemach czujnikowych oraz w pewnych zastosowaniach laserów niskich mocy. Problemy: stażeniowy wzrost strat, fotoczułość zwiększająca stratność, corozyjność z wieloma materiałami (czarny płaszcz, konektory z Ti, Au, ceramicznych materiałow), słabość mechaniczna - tylko naprężenie podłużne do 80 MPa, NIE wolno ich giąć bo się w tych miejscach przełamują.. - Jednokryształowe (SC) dużej mocy, jednakże są one bardziej stratne. Głównie na bazie szafiru (ekstremalnie twarde i chemicznie obojętny materiał) dla transmisji w zakresie 0.5-3.2 um, n=1.73, wsp. ekspansji termicznej 10-, zaś moduł Younga 6 krotnie wyższy od krzemionki. 10mW@ 2.94 um Er/YAG laser.(włókno do 2 m, 100 do 300 um średnicy bez płaszcza z pokryciem polimerowym termotuba teflonowa
FIG. 6 Stratność szafirowego włókna SC wyhodowanego według EFG (edge-defined film-fed growth) oraz LHPG(laser heated pedestal growth)
Włókna z eliptycznym rdzeniem To PM włókno, o teoretycznych korzeniach z roku 1961. FIG. 7 Etapy preformy a) krzemionkowa tuba, b) szlifowanie przeciwstawnych powierzchni, c) naniesienie obniżonego płaszcza oraz rdzenia, d) próżniowe zaciśnięcie preformy e) ewentualne szlifowanie do D kształtu FIG. 8 Pole elektryczne i rozkład mocy dla modów włókna z eliptycznym rdzeniem
Częstotliwość znormalizowana: Dwójłomność: Dwójłomność grupowa: Silnie zależna od długości fali. Znormalizowana długość fali odcięcia wyższych modów: FIG. 9 Znormalizowana dwójłomność włókna z eliptycznym rdzeniem
D- włókno D-typu PM włókno z eliptycznym rdzeniem posiada dwie dodatkowe istotne dla włókien PM właściwości: 1. Dokładną kątową lokalizację osi dwójłomności, 2. Dostęp do pól optycznych Elementy na D-włóknie: - Sprzęgacze polaryzacyjne - FLM lustro pętlowe - Polaryzator - Sprzęgacz dotykowy (but-coupling) - Siatki Bragga,. FIG. 10 Różne kształty włókien D-typu FIG. 11 Układ do monitorowania procesu trawienia płaszcza celem dostępu do rdzenia