Antecedents de la investigació i pistes recents
Les fibres de vidre de sílice de nucli sòlid han dominat durant molt de temps el camp de la transmissió òptica eficient i flexible, especialment en telecomunicacions i industrials.làsers.
Tanmateix, per a aplicacions industrials que requereixen transmissió làser d'alta potència, les fibres òptiques convencionals s'enfronten a molts reptes.
A causa de processos no lineals com l'efecte Kerr, la dispersió Raman excitada i les limitacions del llindar de dany del vidre de sílice, les fibres convencionals sovint no són capaces de transmetre làsers d'alta potència, cosa que limita molt la densitat de potència lliurable.
L'aparició de les fibres de nucli buit (HCF) aporta noves idees per resoldre aquest problema. En els HCF, més del 99,99% de la llum guiada es concentra en un nucli central ple d'aire (o buit), obviant moltes de les limitacions dels nuclis de silici sòlid o de les fibres òptiques convencionals.
L'any 2022, un equip de Southampton, Regne Unit, va demostrar amb èxit els beneficis d'un nou disseny HCF, transmetent 1 kW de llum infraroja propera d'ona contínua a través d'1 km de longitud, demostrant plenament l'enorme potencial d'aquesta tecnologia.
En l'últim estudi, l'equip va ampliar encara més el rang d'aplicació dels HCF transmetent amb èxit polsos làser de 520 nm amb una potència màxima de quilowatts a través d'un 300-metre HCF.
Aquest avenç no només amplia la capacitat dels HCF a les longituds d'ona verdes, sinó que també és important per a moltes aplicacions industrials.
Tanmateix, el desenvolupament de HCF a longituds d'ona visibles s'enfronta a reptes de fabricació a causa de les seves minúscules característiques estructurals. Per superar aquests reptes, l'equip d'investigació va realitzar un estudi no lineal complet d'una fibra de nucli buit de llarg recorregut inflada real.
Van trobar que els efectes no lineals dels HCF són més pronunciats a la regió visible en comparació amb la regió infraroja, cosa que s'atribueix tant a la mida del nucli reduïda com a la longitud d'ona operativa més curta.
Fibres de nucli buit per a la transmissió de potència làser verd
L'HCF utilitzat en aquest treball empra el principi de la llum guiada anti-ressonància. La llum guiada està limitada per una sèrie de pel·lícules de vidre primes que envolten el nucli de la fibra. Aquest disseny es realitza mitjançant un únic anell format per set capil·lars de revestiment, les set capes de revestiment aconseguint un bon equilibri entre pèrdua, pèrdua per flexió i morfologia.
La fibra es va fabricar mitjançant el mètode d'apilament i estirament amb vidre de sílice fos Heraeus F300, amb un diàmetre central d'uns 20,7 µm i un diàmetre de camp de mode de 14,5 µm, i és capaç de guiar la llum de 515 nm a 618 nm amb pèrdues inferiors a 30 dB/km.
Tot i que la longitud informada de la fibra és de 300 metres, l'equip d'investigació de Southampton ha estat capaç de produir diversos quilòmetres de fibra mitjançant el procés.
La fibra també és relativament insensible a la pèrdua de flexió, que és inferior a 0,1 dB/m per a corbes de més de 13 cm de diàmetre a la longitud d'ona de funcionament de 520 nm.
Aquest avenç proporciona un suport tecnològic clau per al processament de materials d'alta precisió i alta eficiència, especialment en l'aplicació de làsers verds.
En el futur, s'espera que aquesta tecnologia tingui un paper important en indústries com la fabricació de vehicles elèctrics, especialment en aspectes clau com la producció de bateries.
