Pozadina istraživanja i nedavni kontakti
Vlakna od silicijevog stakla s čvrstom jezgrom dugo su dominirala područjem učinkovitog i fleksibilnog optičkog prijenosa, posebno u telekomunikacijama i industrijilaseri.
Međutim, za industrijske primjene koje zahtijevaju laserski prijenos velike snage, konvencionalna optička vlakna suočavaju se s mnogim izazovima.
Zbog nelinearnih procesa kao što su Kerrov efekt, pobuđeno Ramanovo raspršenje i ograničenja praga oštećenja silicijevog stakla, konvencionalna vlakna često nisu sposobna prenositi lasere velike snage, što uvelike ograničava isporučivu gustoću snage.
Pojava vlakana sa šupljom jezgrom (HCF) daje nove ideje za rješavanje ovog problema. U HCF-ovima, više od 99,99% vođene svjetlosti koncentrirano je u središnjoj jezgri ispunjenoj zrakom (ili vakuumom), zaobilazeći mnoga ograničenja čvrstih silicijskih jezgri ili konvencionalnih optičkih vlakana.
Godine 2022. tim u Southamptonu, UK, uspješno je demonstrirao prednosti novog dizajna HCF-a, odašiljajući 1 kW kontinuiranog vala bliskog infracrvenog svjetla kroz duljinu od 1 km, u potpunosti pokazujući golemi potencijal ove tehnologije.
U najnovijoj studiji, tim je dodatno proširio raspon primjene HCF-a uspješnim prijenosom laserskih impulsa od 520 nm s vršnom snagom od kilovata kroz 300-metarski HCF.
Ovo otkriće ne samo da proširuje sposobnost HCF-a na zelene valne duljine, već je također značajno za mnoge industrijske primjene.
Međutim, razvoj HCF-a na vidljivim valnim duljinama suočava se s izazovima izrade zbog njihovih sitnih strukturnih značajki. Kako bi prevladao te izazove, istraživački tim proveo je sveobuhvatnu nelinearnu studiju stvarnog napuhanog dugolinijskog vlakna sa šupljom jezgrom.
Otkrili su da su nelinearni učinci HCF-a izraženiji u vidljivom području u usporedbi s infracrvenim područjem, što se pripisuje i smanjenoj veličini jezgre i kraćoj radnoj valnoj duljini.
Vlakna sa šupljom jezgrom za prijenos energije zelenog lasera
HCF koji se koristi u ovom radu koristi princip antirezonantnog vođenog svjetla. Vođeno svjetlo ograničeno je nizom tankih staklenih filmova koji okružuju jezgru vlakna. Ovaj dizajn je ostvaren kroz jedan prsten koji se sastoji od sedam kapilara obloge, pri čemu sedam slojeva obloge postižu dobru ravnotežu između gubitka, gubitka na savijanje i morfologije.
Vlakno je proizvedeno metodom stack-and-stretch s Heraeus F300 fuzioniranim silicij-dioksidnim staklom, s promjerom jezgre od oko 20,7 µm i promjerom modnog polja od 14,5 µm, te je sposobno voditi svjetlost od 515 nm do 618 nm s gubici ispod 30 dB/km.
Iako je prijavljena duljina vlakna 300 metara, istraživački tim iz Southamptona je ovim postupkom uspio proizvesti nekoliko kilometara vlakana.
Vlakno je također relativno neosjetljivo na gubitak savijanjem, koji je manji od 0,1 dB/m za zavoje veće od 13 cm u promjeru pri radnoj valnoj duljini od 520 nm.
Ovo otkriće pruža ključnu tehnološku podršku za visokopreciznu i visokoučinkovitu obradu materijala, posebno u primjeni zelenih lasera.
Očekuje se da će ova tehnologija u budućnosti igrati važnu ulogu u industrijama kao što je proizvodnja električnih vozila, posebno u ključnim aspektima kao što je proizvodnja baterija.
