Energieübertragung Glasfaseranschluss und Anwendung

Energieübertragung Glasfaseranschluss und Anwendung

Die Anwendung von Energieübertragungsfasern in Lasern wird in erster Linie an ihrer Kopplungseffizienz mit dem Laser oder der Laserübertragungseffizienz der Faser gemessen (die auch als Einfügedämpfung oder Verbindungsverlust bezeichnet werden kann). Dies gilt sowohl für die Verbindung zwischen dem Laser und der Energieübertragungsfaser als auch für die Verbindungen zwischen den Energieübertragungsfasern selbst oder zwischen Energieübertragungsfasern und normalen Singlemode-Fasern.

Im Laufe der Jahrzehnte der Kommerzialisierung ist die Verbindung von konventionellen Großkernfasern dank handelsüblicher Großkernspleißmaschinen genauso einfach geworden wie die von gewöhnlichen Singlemode-Fasern. Bei speziellen geometrischen Großkernfasern, deren Kerndurchmesser und -struktur sich von denen gewöhnlicher Singlemode-Fasern unterscheiden und die je nach Anwendung unterschiedliche Anforderungen stellen, sind die Verbindungsmethoden jedoch im Allgemeinen komplexer.

Bei Anwendungen mit Laser-Faserbündelkomponenten wird beispielsweise eine Quadratkernfaser verwendet, um die Leistungen mehrerer Halbleiterlasermodule in einer einzigen quadratischen Faser zu bündeln und so eine höhere Laserenergie zu erzielen. Großkernige Hohlfasern neigen aufgrund ihrer speziellen Mantelkapillarstruktur dazu, beim Spleißen zusammenzubrechen und sich zu verformen. Darüber hinaus unterscheidet sich der Modenfelddurchmesser von Hohlkernfasern oft von dem gewöhnlicher Singlemode-Fasern, was zu hohen Spleißverlusten oder sogar zum Versagen beim direkten Spleißen führt. Daher ist die Gewährleistung einer strukturell intakten, verlustarmen und konsistenten Übertragungscharakteristik der Hohlkernfaser nach dem Spleißen eine zentrale Herausforderung für ihren praktischen Einsatz.

Im Jahr 2016 stellten J.R. Hayes und Kollegen vom Optoelectronics Research Centre der Universität Southampton eine Übergangsfaser mit Modenfeldanpassung zwischen Singlemode-Faser und antiresonanter photonischer Kristallhohlfaser vor. Damit wurde ein Gesamtspleißverlust von 2,1 dB zwischen Singlemode-Faser, antiresonanter photonischer Kristallhohlkernfaser und zurück zu Singlemode-Faser erreicht[5]. Im Jahr 2018 verbesserte das Team von Professor Wang Yingying von der Technischen Universität Peking diese Methode und reduzierte den Spleißverlust zwischen photonischen Kristallfasern mit Hohlkern-Bandlücke und Singlemode-Fasern auf 0,844 dB[6]. Im Jahr 2021 konnte das Team von Professor Xiao Limin von der Fudan-Universität den Gesamtverlust beim Spleißen zwischen Singlemode-Fasern, antiresonanten Hohlkernfasern und zurück zu Singlemode-Fasern auf 0,88 dB reduzieren.

Für die Kopplungsverbindung zwischen der Laserquelle und der Energieübertragungsfaser gibt es hauptsächlich zwei Methoden:

1.Direkte Kopplung: Das Faserende wird in der Nähe der Laserquelle installiert, so dass der erzeugte Laser direkt in die Faser einkoppeln kann. Um die Kopplungseffizienz zu verbessern, wird das Faserende häufig in mikrostrukturelle Formen wie sphärisch, konisch oder parabolisch gebracht.

2.Indirekte Kopplung: Der Laser wird durch eine Linse in die Faser eingekoppelt. Bei der Linse kann es sich um eine einzelne Linse oder um ein System aus mehreren Linsen handeln, wobei es verschiedene Arten von Linsen gibt, wie z. B. Zylinderlinsen, sphärische Linsen oder halbkugelförmige Linsen, die jeweils unterschiedliche Kombinationen und Einsatzmöglichkeiten bieten.

In praktischen Anwendungen kommen Energieübertragungsfasern in der Regel in Form von Energieübertragungskabeln vor und werden häufig in Verbindung mit Hochleistungs-Ausgangsköpfen, gebündelten Steckern und anderen Energieübertragungskomponenten verwendet. Die gängigste Ausgangskopfschnittstelle auf dem Markt ist der Typ QBH (Quartz Block Head), der von der schwedischen Firma Optoskand AB vorgeschlagen wurde. Er umfasst ein Wasserkühlungsmodul und kann Hochleistungslaser (>5 kW Durchschnittsleistung) übertragen. Dank der Fortschritte bei der Herstellung sind kommerzielle Hochleistungs-Energieübertragungskabel mit QD- oder Q+-Schnittstellen heute in der Lage, Laserleistungen von mehreren zehn Kilowatt zu übertragen.

Zusammenfassung

Die Hauptfunktion von Großkern-Energieübertragungsfasern besteht darin, als Medium für die Laserübertragung zu dienen. Mit der rasanten Entwicklung der Laserindustrie, insbesondere der Faserlasertechnologie, die die dritte Generation von Lasern darstellt - derzeit können in China industrietaugliche Faserlaser eine stabile Leistung von bis zu 100 kW erbringen[10] - hat eine neue Ära von Laseranwendungen begonnen. In der Zwischenzeit wurde die Entwicklung von Energieübertragungsfasern durch die Anforderungen des volloptischen Kommunikationsnetzes vorangetrieben.

In Zukunft wird sich die Entwicklung von Energieübertragungsfasern weiterhin auf zwei Aspekte konzentrieren: höhere Übertragungseffizienz und höhere Übertragungsleistung. Für eine höhere Übertragungseffizienz sind in erster Linie Durchbrüche bei der Kopplungs- und Verbindungstechnologie für Energieübertragungsfasern erforderlich. Eine höhere Übertragungsleistung kann durch die Optimierung bestehender Energieübertragungsfasern oder die Entwicklung völlig neuer Faserstrukturen erreicht werden. Darüber hinaus wird die Erforschung neuer Werkstoffe, insbesondere solcher, die besser für die Übertragung von Laserenergie im Infrarotbereich geeignet sind (da die derzeitigen Quarzglaswerkstoffe hierfür nicht geeignet sind), für weitere Fortschritte von entscheidender Bedeutung sein.