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Großkernige Glasfasertechnologie für die Übertragung von Hochenergielasern

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Großkernige Glasfasertechnologie für die Übertragung von Hochenergielasern

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Energieübertragungsfaser: Ein Schlüsselinstrument für hochenergetische Laserleistung

Nach Atomenergie, Computern und Halbleitern sind Laser eine weitere große Errungenschaft des 20. Jahrhunderts. Mit ihrer hervorragenden Richtwirkung, Monochromatizität, Kohärenz und hohen Helligkeit werden Laser in vielen Branchen eingesetzt, z. B. in der Fertigung, der Landwirtschaft, der Kommunikation, der Unterhaltung, dem Gesundheitswesen, der Forschung und der Verteidigung. Die Lasertechnologie ist im Informationszeitalter zu einem integralen Bestandteil der Hightech-Industriekette geworden.

Seit ihrer Erfindung ist der Laser eng mit der Militärtechnik verbunden. Anwendungen der Laserbearbeitung, wie Laserschneiden, -schweißen und Oberflächenwärmebehandlung, haben den Laser immer weiter in Richtung höherer Leistungen getrieben. Heute hat die Forschung im Bereich der Hochleistungslaser bedeutende Fortschritte erzielt. Für die sichere, effiziente und flexible Übertragung von Hochenergielasern über große Entfernungen sind Energieübertragungsfasern auf Siliziumdioxidbasis unerlässlich, was die Fasertechnologie zu einem wichtigen Forschungsgebiet macht.

Energieübertragungsfaser

Energieübertragungsfasern, die zur Übertragung von Laserenergie verwendet werden, haben hervorragende Eigenschaften wie hohe Leistungsübertragung, geringe Verluste, gute Flexibilität und eine hohe Schadensschwelle. In Kombination mit Energieübertragungskomponenten können diese Fasern Lichtenergie präzise auf Zielbereiche lenken und spielen damit eine wichtige Rolle bei Laseranwendungen. Bei den auf dem Markt erhältlichen Fasern zur Übertragung von Laserenergie handelt es sich hauptsächlich um Großkernfasern aus Quarzglas, einschließlich der folgenden Typen: herkömmliche Großkernfasern, spezielle geometrische Großkernfasern mit Endflächen und Hohlkernfasern.

Laser-Energieübertragungsfaser

Warum Quarzglas als Material wählen?

Wie herkömmliche Kommunikationsfasern bestehen auch Laser-Energieübertragungsfasern aus Quarzglas als Hauptmaterial. Quarzglas ist aus mehreren Gründen ideal: Es ist reichlich vorhanden und kostengünstig, da es aus Siliziumdioxid, dem Hauptbestandteil von Sand, gewonnen wird. Mit nur einem Kilogramm hochreinem Quarzglas können Zehntausende von Kilometern an Fasern hergestellt werden, was erhebliche Kosten- und strategische Vorteile mit sich bringt. Darüber hinaus besitzt Quarzglas eine hohe Lichtdurchlässigkeit, mechanische Festigkeit und chemische Stabilität, was es zu einem hervorragenden Übertragungsmedium macht. Quarzglas kann auch mit verschiedenen Elementen dotiert werden, um unterschiedliche optische Eigenschaften zu erzielen, was die Grundlage für weitere Entwicklungen bildet.

Arten und Strukturdesigns von großkernigen Übertragungsfasern

Konventionelle Großkernfasern Großkernfasern, die ähnlich wie Singlemode-Kommunikationsfasern aufgebaut sind, bestehen aus einem Kern und einem Mantel, wobei der Kerndurchmesser in der Regel über 50 μm beträgt (im Vergleich zu 9-10 μm bei Singlemode-Fasern). Dieser große Kern ermöglicht eine hohe Kopplungseffizienz und Energieübertragung. Das Mantelmaterial kann je nach Anwendung aus Kunststoff oder fluordotiertem Quarz bestehen. Der Kunststoffmantel bietet eine hohe Zugfestigkeit und Strahlungsbeständigkeit und eignet sich für die Energieübertragung, Kurzstreckenkommunikation, medizinische Laser und faseroptische Beleuchtung. Fluordotiertes Quarzglas mit seiner hohen Bandbreite und seinem geringen Verlust wird für Fasersensoren, optische Geräteanschlüsse, Langstreckenkommunikation und Kabelfernsehen verwendet.

Spezielle geometrische Endflächen-Großkernfasern Spezielle geometrische Endflächen-Großkernfasern haben nicht kreisförmige Kerne (z. B. quadratisch, polygonal, ringförmig oder elliptisch), um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. So verbessern beispielsweise quadratische Fasern mit ihrem quadratischen oder rechteckigen Kern die Kopplungseffizienz mit Laserdioden. Fasern mit quadratischem Kern können außerdem gaußförmige Laserstrahlen in flache Strahlen umwandeln, was beim Laserreinigen, -schneiden oder -markieren von Vorteil ist, da die Oberflächenbeschädigung reduziert wird.

Ringförmige Fasern mit großem Kern, bei denen der zentrale Kern von einem ringförmigen Kern umgeben ist, bieten Lösungen für Spritzerprobleme beim Laserschweißen von Profilen wie Edelstahl oder Aluminium. Dieser "Bullseye"-Ringpunkt kontrolliert die Wärmeeinflusszone, reduziert Spritzer und verbessert die Schweißqualität.

Hohlkernfasern Im Gegensatz zu Vollkernfasern bieten Hohlkernfasern aus photonischen Kristallen (HC-PCF) einzigartige Vorteile für die Übertragung von Laserenergie. Mit einem luftgefüllten Kern vermeiden HC-PCFs Absorptions- und Reflexionsverluste bei der Laserkopplung. Die hohe Gleichmäßigkeit von Luft als Übertragungsmedium minimiert Streuverluste, sorgt für eine hohe Qualität der Strahlausgabe und hat eine hohe Energieschwelle bei guter Wärmeableitung. Obwohl Hohlkernfasern einige Nachteile wie eine begrenzte Biegefestigkeit und eine kleine numerische Apertur aufweisen, sind sie aufgrund ihrer Vorteile ein vielversprechender Typ von Energieübertragungsfasern.

Basierend auf den Prinzipien der Lichtleitung können Hohlkernfasern in Hohlkern-Bandlückenfasern (HC-PBGF) und antiresonante Hohlkernfasern (HC-ARF) unterteilt werden.

Hohlkern-Bandlückenfasern (HC-PBGF): Diese Fasern leiten Licht nach dem Prinzip der photonischen Bandlücke, wobei der Mantel aus periodischen Luftlöchern besteht, die in einer photonischen Bandlückenstruktur angeordnet sind. Das Licht innerhalb des Bandlückenbereichs wird im Luftkern eingeschlossen.

Hohlkern-Anti-Resonanz-Faser (HC-ARF): Diese Fasern nutzen das Prinzip des antiresonanten Reflexionswellenleiters, mit Quarz mit hohem Brechungsindex im Mantel und Luft mit niedrigem Brechungsindex. Die HC-ARFs umgeben den Luftkern mit mehreren Quarzkapillaren und begrenzen das Licht innerhalb des Luftkerns, indem sie nicht-resonantes Licht zurückreflektieren. Die Resonanzwellenlänge wird durch die Quarzkapillardicke und die Resonanzordnung bestimmt.