Diese neue Reihe von Artikeln aus dem FOC konzentriert sich auf die Produktion von Faser mit Seltenerd. Der erste Artikel in dieser Serie, Seltener erd dotierte Fasern , erörterte die Entwicklung der Hauptprozesse zur Herstellung dotierter Faser -Vorverformungen. In diesem Artikel werden Faktoren bei der Behandlung von Seltenerds-Dotierstoffen während der MCVD-Preform-Herstellung unter Verwendung von Thulium als Beispiel erörtert. Höhere Thuliumkonzentrationen sind für mehrere Anwendungen von Interesse. Der MCVD-Prozess ist gut für Thulium-Doping geeignet, aber es gibt Herausforderungen, die mit der Verwendung von Seltenerd-Halidchemikalien, der Minimierung des Wassergehalts und der Optimierung des „Rezepts“ für Thulium und Co-Dopien verbunden sind. Nachfolgende Artikel in dieser Serie werden andere Fasertypen und Voraussetzungsfaktoren im Detail untersucht.
Verbesserte Faserdesigns und Herstellungsprozesse
Nach 60 Jahren F & E haben dotierte Faserhersteller verbesserte Faserkonstruktionen und Herstellungsprozesse, um Faktoren wie Gain-Media-Stabilität, Lebensdauer, optimale Wirtsglasmaterialien, Kontrolle der Dotiermittelkonzentrationen, Verwendung von Co-Dopien, Kerndurchmesser, Kernnumerische Apertur zu behandeln , Indexprofile und Verkleidungsgeometrien für eine optimale Pumpenkraftkopplung. Mit jahrzehntelangen Fortschritten unterstützen dotierte Fasern nun eine breite Palette von kommerziellen Lasern und optischen Verstärkern.
F & E auf Thulium-dotierten Fasern (TDFs) stammt aus den 1980er Jahren. Thulium hat wie andere Seltenerds-Dotierstoffe mehrere Übergangslinien. Dies bedeutet, dass die Dotiermittel Absorptions- und Emissionsbanden bei mehreren Wellenlängen haben. Laboratorien und Unternehmen, die dotierte Fasern entwickeln, haben häufig Gründe, diese Übergänge oder Wellenlängen zu untersuchen, die den größten Gewinn in Bezug auf die Ausgangsleistung pro Menge Dotiermittel pro Volumen dotierter Faser oder pro Einheit Pumpen (Eingabe) bieten. Die Arbeit an Thulium hat sich auf die Gewinneigenschaften von Übergängen konzentriert, die in einen Wellenlängenbereich von 1,47 bis 2,10 µm fallen.
Andere frühe F & E auf Seltenerdedotanten konzentrierten sich auf Erbiums Gewinnregion von 1,51 bis 1,62 uM, die Verstärkungsregion von Neodym von 0,92 bis 1,10 µm, die Gewinnregion von Ytterbium von 0,98 bis 1,14 µm und die Gewinnregion von Holmium von 2,04 bis 2,17 µm. Thulium hat daher ein beträchtliches Interesse geweckt, da es eine breite Region von Wellenlängen bietet, um zu untersuchen. Außerdem sind die Wellenlängen von mehr als 1,8 µm besonders interessant, da sie Penetrations- und Leistungsabsorptionsmerkmale aufweisen, die bei verschiedenen Materialverarbeitungsanwendungen nützlich sind. Im Laufe der Jahre haben F & E
Ein weiteres interessantes Merkmal von Thulium ist, dass ein 790-nm-Pump-Photon zwei angeregte Ionen produzieren kann. Mit anderen Worten, ein Pumpenphoton kann zwei Photonen in einem TDF -Laser oder Verstärker erzeugen. Dieses „zwei für ein“ Phänomen resultiert aus den Übergängen auf Energieebene, die ein Ion zu einem angeregten Zustand fördern und die Energie zwischen Ionen im Thulium übertragen. Dieses Phänomen macht Thulium für die Entwicklung von Lasern mit größerer Effizienz, höherer Leistung und kompakteren Paketen attraktiv.
TDF-Laser können für bestimmte Wellenlängen im Bereich von 1,47 zu 2.10-µm ausgelegt werden -Face -Beschichtungen und andere optische Komponenten. Wellenlängen in diesem Band eignen sich gut für medizinische diagnostische und therapeutische Verfahren, Lidar-, Chemikal- und andere Erfassungen, Spektroskopie, militärische Zählermessungen und Materialverarbeitungsanwendungen.
In einem Silica -Wirt beispielsweise ist Thuliums längeres Wellenlängenband für chirurgische Eingriffe attraktiv. Ein TDF -Laser kann auf 1,97 µm abgestimmt werden, was einem Wasserabsorptionspeak ist. TDF hat auch Vorteile gegenüber anderen Faserlasern in Bezug auf die Augensicherheit und die Fähigkeit, mit weit verbreiteten 790-nm-Hochleistungs-Diodenmodulen gepumpt zu werden. TDF wurde neben Lasern auch auf Anwendungen in optischen Verstärkern untersucht.
Auf höhere Mächte hinarbeiten
Derzeit können Unternehmen oder Gruppen, die an Dotierfaser-Lasertechnologie arbeiten, routinemäßig 6 bis 10 kW Pumpenleistung in eine doppelt gekleidete Faser koppeln und Laserausgaben im Bereich von 3 bis 4 kW erhalten. Zwei Schlüsselfaktoren bei der Erzielung solcher Leistungsniveaus sind 1.) Effizient die Pumpenleistung in den Verstärkungsbereich und 2.) Optimierung der dotierten Konzentration des Verstärkungsmediums.
Doppelverkleidungskonfigurationen sind im ersten Faktor maßgeblich-die Kopplung der Pumpenleistung in den dotierten Kern. Bei den mit dem MCVD -Verfahren hergestellten Vorformuligkeiten werden die Kernmaterialien in einem Silica -Substratrohr abgelagert. Dies gilt sowohl für Chelate- als auch in Halogenidsystemen. Als nächstes wird das Rohr in eine Stange zusammengebrochen, so dass die abgelagerten Materialien zum Kern werden und das Kieselrohrmaterial Teil der Verkleidung wird.
Der nächste Schritt wäre, ein Material mit niedrigem Index an die Außenseite der Kieselsäure zu setzen. In einigen Fasern wird dies mit einer fluorierten Silica -Schicht erreicht. Die Verwendung von Fluor begrenzt jedoch die numerische Apertur (Na) auf 0,22. Bei dotierten Fasern ist eine hohe NA besser, um so viel Pumpenleistung in die Faser wie möglich zu koppeln.
Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung einer niedrigen Index -Acrylatbeschichtung als zweite Verkleidung. Dies wird während des Ziehprozesses angezeigt und führt zu Fasern mit einem Na von 0,48. Ausgangsleistungen von 3 bis 4 kW sind mit einer Acrylatbeschichtung mit niedrigem Index möglich.
Mit einem nachfolgenden Schritt kann die erste Verkleidung geformt werden. Eine zylindrische Verkleidung erreicht nicht die beste Kopplung der Pumpenleistung in den Kern. Mit einer geformten Verkleidung wie einem Octagon mischen die Oberflächen die Modi, um eine bessere Absorption in den Kern zu ermöglichen. Mit einer solchen Formgebung wird ein endgepumptes System tatsächlich seitlich gepumpt, da ein Großteil der Pumpenleistung in die Verkleidung eintritt, herumspringt und seitlich durch die Kernverkleinerungsschnittstelle in den Kern eintritt.
Der zweite Schlüsselfaktor bei der Erzielung höherer Ausgangskraft - höhere Dotiermittelkonzentrationen - hängt vom Vorformprozess ab, erfordert jedoch auch die Fokussierung auf die Ausgangsmaterialien. Menschen wollen höhere TM -Konzentrationen, aber wie man das erreicht, ist ein großes Problem.
Die beiden häufigsten Dampfphasenprozesse, bei denen MCVD-Systeme zur Herstellung von Fasern mit seltenerds dotiertem Fasern verwendet werden, sind der Halogenidprozess und der Chelatprozess. Der Chelatprozess kann bei niedrigeren Temperaturen verwendet werden, z. B. 200o C, aber der Halogenidprozess bietet Vorteile bei der Minimierung der OH -Kontamination im Kern, was dazu führen kann, dass das endgültige Glas bei der Wellenlänge von Interesse einen hohen Verlust aufweist. Darüber hinaus bietet der Halogenidprozess eine hohe Umwandlungseffizienz und das Potenzial, um höhere Dotiermittelkonzentrationen zu erzielen. Der Halogenidprozess kann auch mit zwei oder mehr Dotierstoffen verwendet werden, ebenso wie der Chelatprozess.
Wie bereits erwähnt, bietet Thulium zwei-zu-Eins-Pumpen, was einer der Gründe ist, warum höhere Dotiermittelkonzentrationen von Interesse sind, insbesondere für Gruppen, die Hochleistungs-TDF-Laser entwickeln. Bei anderen Seltenerds-Dotierstoffen wie Erbium, Neodym und Ytterbium bedeutet ein Phänomen, das als „Quenching“ bezeichnet wird, dass höhere Konzentrationen nicht vorteilhaft sind. In diesen Fällen werden dotierte Konzentrationen von etwa 1 Gew .-% des Iones Seltenerds verwendet. Bei Thulium hingegen besteht Interesse an Konzentrationen von 5 Gew .-% oder mehr. Unter Verwendung des Halidprozesses wurde ein Preform mit mehr als 8,5 Gew .-% TM mit der nachfolgenden Faserfaser hergestellt, die die Effizienz von Rekordlaserneigung zeigt.
Um so hohe Dotiermittelkonzentrationen zu erreichen, ist es vertraut, wie die Chemikalien hergestellt und transportiert werden und wie sie reagieren. Eine sorgfältige Vorbereitung und Handhabung der Seltenerdhalogenide ist beispielsweise ein kritischer Faktor für die Dotiermittelkonzentration und die niedrige OH-Kontamination.
Beratung vor der Herstellung vorformen
Rick Tumminelli, Co-Erfinder des Doppel-Faser-Laserpumpens, arbeitete mit Larry Donalds zusammen, der Expertin vor der Herstellung von Preform Fabrication zusammenarbeitet.
Um ihre Mission als die bevorzugte Beratungsressource der Branche vorzubereiten, stärken diese beiden angesehenen Führungskräfte das drei zehnjährige Partnerschafts -FOC mit SG Controls Ltd mit einem vollständigen Team von umfassenden Prozesskenntnissen mit Engineering und Software -Expertise und der Vollständige Auswahl an führenden Geräten und Werkzeugen für die Herstellung von Vorformungen und optischen Fasern. SG Controls Ltd kombiniert dieses umfangreiche Prozesswissen mit Engineering und Software -Expertise, um eine breite Palette von Werkzeugen für die Herstellung von Vorformungen und faserfasern zu produzieren.
Weitere Informationen zu wichtigen Verfahren zur Herstellung von dotierten Fasern mit der MCVD wenden Sie sich bitte an FOC unter fiberopticcenter@focenter.com .
