Nanostrukturalne włókno światłowodowe do laserów dużej mocy z możliwością bezpośredniego zapisu zwierciadeł laserowych.

02-10-2019

Nanostrukturalne włókno światłowodowe do laserów dużej mocy z możliwością bezpośredniego zapisu zwierciadeł laserowych jest unikalnym rozwiązaniem w skali światowej. Oryginalność rozwiązania wynika z zastosowanej technologii, która pozwala na wytworzenie światłowodu posiadającego własności aktywne, niezbędne do wzmocnienia ukierunkowanego promieniowania świetlnego, jak i własności fotoczułe pozwalające na implementację wnęki rezonansowej lasera. Dotychczas stosowane technologie nie potrafią wytworzyć światłowodu, który byłby jednocześnie aktywny i fotoczuły, i który mógłby znaleźć zastosowanie na skalę przemysłową.

fotoniczne1

Rys.1. Zastosowanie włókien światłowodowych w układach laserowych: a) standardowe włókna aktywne oraz fotoczułe połączone spawami, b) nanostrukturalne włókno światłowodowe będące jednocześnie włóknem aktywnym i fotoczułym. FBG – światłowodowa siatka Bragga.

W standardowych rozwiązaniach laserów światłowodowych, do budowy tzw. wnęki rezonansowej lasera, używa się obecnie światłowodu aktywnego oraz światłowodów fotoczułych, które muszą być ze sobą połączone poprzez spawanie (Rys. 1a). Spawanie włókien światłowodowych wymaga przeprowadzenia dodatkowego procesu technologicznego, co angażuje zasoby i jest kosztowne w procesie produkcji. Z technologicznego punktu widzenia spawy umieszczone w laserze światłowodowym wnoszą dodatkowe straty energii oraz są niekorzystne ze względu na niezawodność końcowego produktu. To właśnie na spawach najczęściej występują defekty lasera światłowodowego i konieczność kosztownej i pracochłonnej naprawy. Nanostrukturalne włókno światłowodowe jest pozbawione tych niedogodności, ponieważ funkcjonuje jako pojedynczy element, przejmując jednocześnie funkcje włókna aktywnego i włókien fotoczułych (Rys.1b).

Eliminując konieczność spawania upraszczamy proces produkcji lasera światłowodowego, co jest ogromną zaletą produktu w kontekście aplikacyjnym.  

Zastosowanie przemysłowe:

Nanostrukturalne włókno światłowodowe to nowy typ światłowodu do rozwijania technologii koherentnych źródeł światła dużej mocy i energii, znajdujących zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, cięciu i obróbce metali, telekomunikacji, energetyce, medycynie, a także w rolnictwie.

Idea nanostrukturyzacji

Nanostrukturalne włókno światłowodowe wykorzystuje technologię umożliwiającą umieszczenie w rdzeniu światłowodu niezależnych od siebie i wyodrębnionych obszarów aktywnych oraz fotoczułych o rozmiarach podfalowych, rozwiązując w ten sposób ograniczenia obecnie stosowanych technologii. Podfalowa wielkość obszarów aktywnych i fotoczułych wynosząca 1/5 długości fali światła sprawia, że elekromagnetyczna fala świetlna „nie widzi” niniejszych obszarów jako oddzielnych, ale „traktuje” jako medium o połączonych właściwościach. Zatem obszary aktywne oraz obszary fotoczułe są fizycznie odseparowane, natomiast dla światła, są one nierozróżnialne. Ta niezwykła cecha nanostrukturalnego włókna pozwala na łączenie cech szkieł, które dotychczas technologicznie nie mogły być łączone i otwiera nowe możliwości projektowe. W niniejszym konkursie prezentujemy produkt – nanostrukturalne włókno światłowodowe do laserów dużej mocy z możliwością bezpośredniego zapisu zwierciadeł laserowych, które zawiera w rdzeniu obszary domieszkowane iterbem (podstawowy pierwiastek wykorzystywany w laserach dużej mocy) oraz obszary domieszkowane germanem (pierwiastek decydujący o fotoczułości włókna).

fotoniczne1

Rys. 2. Zdjęcia z mikroskopu elektronowego przekroju światłowodu nanostrukturalnego nanoYG-8/112: a) włókno o kształcie ośmiokątnym, b) nanostrukturyzowany rdzeń, c) powiększenie fragmentu rdzenia – widoczne inkluzje z Ge i Yb.

Testy walidacyjne

Włókno testowe zostało poddane standardowemu procesowi implementacji światłowodowej siatki Bragga metodą maski fazowej za pomocą lasera ekscymerowego KrF o długości fali 248nm, energii impulsu Ep = 3mJ, czasie trwania impulsu t=10ns oraz repetycji f=500Hz. Maska fazowa była zaprojektowana na implementację zwierciadła Bragga na długość fali 1060nm. W zależności od czasu naświetlania uzyskano siatkę Bragga o współczynniku odbicia o wartościach 2.0 - 98.6%. W siatce o długości 1 cm, uzyskano maksymalny współczynnik sprzężenia κ=281 m-1.

W laboratoryjnym układzie lasera uzyskano generację fali świetlnej o spodziewanej długości fali 1059.8nm i szerokości spektralnej 0.9nm. Jakość wiązki generacji wyniosła M2<1.1, co świadczy o bardzo dobrej jakości generacji i jednomodowości lasera. Przeprowadzono testy stabilności lasera, wyniku których uzyskano stabilność +/- 2.5%, co jest rezultatem porównywalnym z wynikami uzyskiwanymi w przypadku komercyjnych włókien.

fotoniczne1

Rys.3. Laser światłowodowy skonstruowany na nanostrukturalnym włóknie światłowodowym z możliwością bezpośredniego zapisu zwierciadeł laserowych. Widoczna generacja w postaci modu podstawowego o bardzo dobrej jakości wiązki M2<1.1.

Ochrona patentowa

Własność intelektualna do wynalazku jest chroniona przez dwa niezależne patenty i wnioski patentowe: udzielony patent przez Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych (USPTO - US Patent 10,132,993) oraz promesę Europejskiego Urzędu Patentowego (EPO) wystawionych na podstawie polskiego zgłoszenia wniosku patentowego do Urzędu Patentowego RP (UPRP) dotyczących nanostrukturalnych światłowodów aktywnych, a także zgłoszeniem patentowym do UPRP i EPO, dotyczącym światłowodów nanostrukturalnych z siatką Bragga.

 

fotoniczne3

 

 

 

specyfikacja - światłowód nanostrukturalny nanoYbGe-8/112

specification - nanostructured core fiber nanoYbGe-8/112