Оптические волокна для специальных применений. Новинки индустрии

В.Б. Ромашова¹, М.О. Жукова², Н.В. Буров², Болт С.А.^3
1 Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения

² АО «АО «ЛЛС» »

³ ООО «ОЭС Спецпоставка»

Ключевые слова: оптические волокна, специальные волокна, полые волокна, микроструктурированные волокна

Key words:  optical fibers, special fibers, hollow fibers, microstructured fibers

Специальные оптические волокна позволяют эффективно решать большинство задач в широком спектральном диапазоне частот: от ультрафиолета до среднего и дальнего инфракрасного. Современные технологии позволяют изготавливать волокна легированные активными добавками или красителями, фоточуствительные, радиационно-стойкие [1], с защитным покрытием и многие другие. В данной статье мы кратко расскажем о нестандартных версиях и применениях специальных оптических волокон.

ВОЛОКНА, ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ В ВОЛНОВОЙ С ПЛОСКИМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНТЕНСИВНОСТИ

Зачастую некоторые применения, такие как равномерное облучение биотканей [2] или молекулярной среды, гомогенизация лазерного пучка накачки или освещение объекта при спектроскопии [3], требуют равномерного распределения интенсивности на вершине пучка. При взаимодействии гауссова пучка с поверхностью наблюдается неравномерное распределение температуры и энергии по площади [4]. Так называемое Flat-top распределение  (плоское распределение поля, смотри рис. 1) позволяет решить эту задачу.

Рисунок 1 – Волновой фронт волны с гауссовым и плоским (flat-top) распределением поля

Волокна NuBEAM Flat-Top от компании Nufern (США) содержат специальные распределяющие элементы в сердцевине, которые преобразуют излучение по мере его прохождения по волокну. Компания предлагает версии, как для одномодового, так и для многомодового излучения [5].

Рисунок 2 – Принцип преобразования излучения в специальных волокнах NuBEAM Flat-Top [5]

Кроме того, эти волокна были тщательно спроектированы для обеспечения точного управления параметром параметра выходного пучка (BBP) или расхождения лучей, а также подходят для распространения излучения мощностью в несколько кВт.

ФЛЮОРИДНЫЕ ZBLAN ВОЛОКНА

ZBLAN волокна – это волокна, легированные фторидами тяжелых металлов, а именно фторидом циркония (Zr), бария (Ba), лантна (La), алюминия (Al) и натрия (NA). Полная формула составляющих выглядит следующим образом ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF. Изначально данный тип волокна разрабатывался для применения в телекоммуникационных системах – передачи сигнала на длинах волн среднего ИК диапазона (около 2 мкм) [4]. Однако, позже были найдены и другие применения для данного типа волокна. Отличительной особенностью волокон из такого материала является прозрачность в диапазоне до 4 мкм. Помимо этого, время жизни электронов на верхних энергетических уровнях при легировании различных редкоземельных металлов становится достаточно продолжительным для различных типов (видов) лазерных переходов. Такую особенность удачно использовали в реализации лазеров с преобразованием частоты [6]. Таким образом, использование волокон ZBLAN позволяет накачивать среду излучением меньшей энергии и получать на выходе излучение с большей энергией (например, на рисунке 3 представлена схема генерации излучения длины волны 480 нм при накачке излучением 1140 нм).

Рисунок 3 – Генерация излучения длины волны 480 нм в ZBLAN-волокне, легированном тулием, при накачке излучением 1140нм [7]

Одним из производителей ZBLAN волокна является компания FiberLabs (Япония). Их волокно активно используется для генерации суперконтинуума в среднем ИК диапазоне. Например, в недавней работе [8] показана возможность генерации суперконтинуума среднего инфракрасного диапазона от 2,7 до 4,25 мкм с максимальной выходной мощностью 1,75 Вт и общим дифференциальной эффективностью порядка 20,5%.

ПОЛЫЕ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ВОЛОКНА

Микроструктурированные или фотонно-кристаллические волокна активно применяются в нелинейной оптике [9].  Полые микроструктурированные волокна выглядят следующим образом (см. рис. 4).

Рисунок 4 – Полое микроструктурированное волокно [10]

В таких волокнах распространение излучения отличается от традиционного принципа внутреннего отражения на слоях с разным показателем преломления. Как известно, фотонная запрещенная зона охватывает определенный диапазон частот (или длин волн), распространение которых запрещено в кристалле во всех направлениях, при этом падающий на фотонный кристалл свет полностью отражается от него. Именно данный механизм реализован в полых волокнах.

Поскольку более 98% излучения распространяется в воздухе, то  возникает ряд преимуществ перед стандартными волокнами. Например, передача высокомощного излучения без возникновения нелинейностей, практически полное отсутствие чувствительности к радиации. Излучение также не отражается от торца волокна, а радиус изгиба составляет всего 1 см [10].

Одним из лидеров в производстве микроструктурированных  волокон является компания NKT Photonics (Дания). Такие волокна активно используется для создания источников суперконтинуума видимого и ближнего ИК диапазонов. Первый коммерческий суперконтинуумный лазер был выпущен компанией NKT Photonics в 2004 году.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном обзоре рассмотрена лишь малая часть специальных волокон и их возможные применения. Современные предприятия предлагают сцинциляционные, многосердцевинные, аттенюирующие и многие другие волокна, которые позволяют решать уже существующие и постоянно возникающие задачи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.Б. Ромашова, М.О. Жукова, Н.В. Буров Обзор радиационно-стойких волокон от зарубежных и отечественных производителей // Фотон-Экспресс. – 2018. – Т.4. - №148. – С. 9-11.
2. Kakoria A., Sinha-Ray S. A Review on Biopolymer-Based Fibers via Electrospinning and Solution Blowing and Their Applications //Fibers. – 2018. – Т. 6. – №. 3. – С. 45.
3. Garcia-Ruiz A. et al. Distributed photothermal spectroscopy in microstructured optical fibers: towards high-resolution mapping of gas presence over long distances //Optics express. – 2017. – Т. 25. – №. 3. – С. 1789-1805.
4. Звелто О. Принципы лазеров/Пер. под науч. ред. ТА Шмаонова. 4-е изд //Спб.: Издательство «Лань. – 2008.
5. URL: https://www.coherent.com/components-accessories/specialty-optical-fibers (дата обращения: 06.08.2018).
6. Wei C. et al. 34 nm-wavelength-tunable picosecond Ho 3+/Pr 3+-codoped ZBLAN fiber laser //Optics express. – 2017. – Т. 25. – №. 16. – С. 19170-19178.
7. URL: https://www.rp-photonics.com/fluoride_fibers.html (дата обращения: 06.08.2018).
8. Yang L. et al. Watt-level mid-infrared supercontinuum generation from 2.7 to 4.25 μm in an erbium-doped ZBLAN fiber with high slope efficiency //Optics Letters. – 2018. – Т. 43. – №. 13. – С. 3061-3064.
9. Ghunawat A. K. et al. Design Optimization of a Highly Birefringent and Highly Nonlinear Silicon Photonic Crystal Fiber //Optical and Wireless Technologies. – Springer, Singapore, 2018. – С. 301-308.
10. URL: https://www.nktphotonics.com/products/optical-fibers-and-modules/hollow-core-photonic-crystal-fibers/ (дата обращения: 06.08.2018).