Pozadina istraživanja i nedavni kontakti
Silika staklena vlakna sa čvrstim jezgrom dugo su dominirala u polju efikasnog 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 poput Kerrovog efekta, pobuđenog Ramanovog raspršenja i ograničenja praga oštećenja silikatnog stakla, konvencionalna vlakna često nisu sposobna odašiljati lasere velike snage, što uvelike ograničava isporučivu gustinu snage.
Pojava vlakana sa šupljim jezgrom (HCF) daje nove ideje za rješavanje ovog problema. U HCF-ima, više od 99,99% vođene svjetlosti koncentrisano je u centralnom jezgru ispunjenom zrakom (ili vakuumom), zaobilazeći mnoga ograničenja čvrstih silikonskih jezgara ili konvencionalnih optičkih vlakana.
Davne 2022. godine, tim u Sautemptonu, u Velikoj Britaniji, uspješno je demonstrirao prednosti novog dizajna HCF, prenoseći 1kW neprekidnog talasa bliskog infracrvenog svjetla kroz dužinu od 1km, u potpunosti demonstrirajući ogroman potencijal ove tehnologije.
U najnovijoj studiji, tim je dodatno proširio opseg primjene HCF-a uspješnim prijenosom laserskih impulsa od 520 nm sa vršnom snagom od kilovata kroz 300-metar HCF.
Ovaj proboj ne samo da proširuje sposobnost HCF-a na zelene valne dužine, već je također značajan za mnoge industrijske primjene.
Međutim, razvoj HCF-a na vidljivim talasnim dužinama suočava se sa izazovima proizvodnje zbog njihovih sićušnih strukturnih karakteristika. Da bi prevazišao ove izazove, istraživački tim je proveo sveobuhvatnu nelinearnu studiju stvarnog napuhanog dugolinijskog šupljeg vlakna.
Otkrili su da su nelinearni efekti HCF-a izraženiji u vidljivom području u odnosu na infracrveno područje, što se pripisuje i smanjenoj veličini jezgra i kraćoj radnoj talasnoj dužini.
Vlakna sa šupljim jezgrom za prijenos energije zelenog lasera
HCF korišten u ovom radu koristi princip antirezonantnog vođenog svjetla. Vođena svjetlost je ograničena nizom tankih staklenih filmova koji okružuju jezgro vlakna. Ovaj dizajn je realizovan kroz jedan prsten koji se sastoji od sedam kapilara obloge, od kojih sedam slojeva obloge postižu dobar balans između gubitka, gubitka savijanja i morfologije.
Vlakno je proizvedeno metodom stack-and-stretch sa Heraeus F300 topljenim silicijumskim staklom, sa prečnikom jezgre od oko 20,7 µm i prečnikom modalnog polja od 14,5 µm, i sposobno je da vodi svetlost od 515 nm do 618 nm sa gubici ispod 30 dB/km.
Iako je prijavljena dužina vlakna 300 metara, istraživački tim iz Southamptona uspio je proizvesti nekoliko kilometara vlakana koristeći ovaj proces.
Vlakno je također relativno neosjetljivo na gubitke savijanja, koji su manji od 0.1 dB/m za krivine veće od 13 cm u prečniku na radnoj talasnoj dužini od 520 nm.
Ovaj proboj pruža ključnu tehnološku podršku za visokopreciznu i visokoefikasnu obradu materijala, posebno u primjeni zelenih lasera.
Očekuje se da će u budućnosti ova tehnologija igrati važnu ulogu u industrijama kao što je proizvodnja električnih vozila, posebno u ključnim aspektima kao što je proizvodnja baterija.
