A kutatás háttere és a legutóbbi eredmények
A szilárd magos szilícium-dioxid üvegszálak régóta uralják a hatékony és rugalmas optikai átvitel területén, különösen a távközlésben és az iparbanlézerek.
A nagy teljesítményű lézerátvitelt igénylő ipari alkalmazásoknál azonban a hagyományos optikai szálak számos kihívással néznek szembe.
A nemlineáris folyamatok, például a Kerr-effektus, a gerjesztett Raman-szórás és a szilícium-dioxid üveg károsodási küszöbértékei miatt a hagyományos szálak gyakran nem képesek nagy teljesítményű lézerek továbbítására, ami nagymértékben korlátozza a leadható teljesítménysűrűséget.
Az üreges magszálak (HCF) megjelenése új ötleteket ad a probléma megoldására. A HCF-ekben az irányított fény több mint 99,99%-a egy központi levegővel (vagy vákuummal) töltött magban koncentrálódik, megkerülve a szilárd szilíciummagok vagy a hagyományos optikai szálak számos korlátját.
Még 2022-ben egy csapat Southamptonban (Egyesült Királyság) sikeresen bemutatta az új HCF-konstrukció előnyeit, amely 1 kW folyamatos hullámú közeli infravörös fényt bocsát ki 1 km-en keresztül, teljes mértékben demonstrálva e technológiában rejlő hatalmas lehetőségeket.
A legutóbbi tanulmányban a csapat tovább bővítette a HCF-ek alkalmazási tartományát azáltal, hogy sikeresen továbbította az 520 nm-es lézerimpulzusokat kilowatt csúcsteljesítménnyel egy 300-méteres HCF-en.
Ez az áttörés nem csak kiterjeszti a HCF-ek képességét a zöld hullámhosszokra, hanem számos ipari alkalmazás számára is jelentős.
A HCF-ek látható hullámhosszon történő fejlesztése azonban gyártási kihívásokkal néz szembe apró szerkezeti jellemzőik miatt. E kihívások leküzdése érdekében a kutatócsoport átfogó nemlineáris vizsgálatot végzett egy ténylegesen felfújt, hosszú távú üreges szálon.
Azt találták, hogy a HCF-ek nemlineáris hatásai kifejezettebbek a látható tartományban, mint az infravörös tartományban, ami mind a csökkent magméretnek, mind a rövidebb működési hullámhossznak tulajdonítható.
Üreges magszálak a zöld lézeres erőátvitelhez
Az ebben a munkában használt HCF az anti-rezonancia irányított fény elvét alkalmazza. Az irányított fényt a szál magját körülvevő vékony üvegfólia korlátozza. Ez a kialakítás egyetlen gyűrűn keresztül valósul meg, amely hét burkolókapillárisból áll, és a hét burkolati réteg jó egyensúlyt biztosít a veszteség, a hajlítási veszteség és a morfológia között.
A szál stack-and-stretch módszerrel készült, Heraeus F300 olvasztott szilícium-dioxid üveggel, amelynek magátmérője körülbelül 20,7 µm, üzemmód-mező átmérője 14,5 µm, és képes 515 nm-ről 618 nm-re irányítani a fényt. 30 dB/km alatti veszteség.
Bár a szál bejelentett hossza 300 méter, a southamptoni kutatócsoport több kilométer szálat tudott előállítani az eljárás segítségével.
A szál viszonylag érzéketlen a hajlítási veszteségre is, amely 520 nm-es működési hullámhosszon 13 cm-nél nagyobb átmérőjű hajlítások esetén kisebb, mint 0,1 dB/m.
Ez az áttörés kulcsfontosságú technológiai támogatást nyújt a nagy pontosságú és nagy hatékonyságú anyagfeldolgozáshoz, különösen a zöld lézerek alkalmazása során.
A jövőben ez a technológia várhatóan fontos szerepet fog játszani az olyan iparágakban, mint az elektromos járművek gyártása, különösen olyan kulcsfontosságú területeken, mint az akkumulátorgyártás.
