Forschungshintergrund und aktuelle Hinweise
Quarzglasfasern mit festem Kern dominieren seit langem den Bereich der effizienten und flexiblen optischen Übertragung, insbesondere in der Telekommunikation und IndustrieLaser.
Bei industriellen Anwendungen, die eine Hochleistungslaserübertragung erfordern, stehen herkömmliche optische Fasern jedoch vor vielen Herausforderungen.
Aufgrund nichtlinearer Prozesse wie dem Kerr-Effekt, der angeregten Raman-Streuung und der Beschränkungen der Schadensschwelle von Quarzglas sind herkömmliche Fasern oft nicht in der Lage, Hochleistungslaser zu übertragen, was die lieferbare Leistungsdichte stark einschränkt.
Das Aufkommen von Hohlkernfasern (HCFs) liefert neue Ideen zur Lösung dieses Problems. Bei HCFs werden mehr als 99,99 % des geführten Lichts in einem zentralen, mit Luft (oder Vakuum) gefüllten Kern konzentriert, wodurch viele der Einschränkungen von massiven Siliziumkernen oder herkömmlichen optischen Fasern umgangen werden.
Bereits im Jahr 2022 demonstrierte ein Team in Southampton, Großbritannien, erfolgreich die Vorteile eines neuartigen HCF-Designs, indem es 1 kW kontinuierliches Nahinfrarotlicht über eine Länge von 1 km sendete und damit das enorme Potenzial dieser Technologie vollständig demonstrierte.
In der neuesten Studie erweiterte das Team den Anwendungsbereich von HCFs weiter, indem es erfolgreich 520-nm-Laserimpulse mit einer Spitzenleistung von Kilowatt durch einen 300- Meter hohen HCF sendete.
Dieser Durchbruch erweitert nicht nur die Leistungsfähigkeit von HCFs auf grüne Wellenlängen, sondern ist auch für viele industrielle Anwendungen von Bedeutung.
Die Entwicklung von HCFs im sichtbaren Wellenlängenbereich ist jedoch aufgrund ihrer winzigen Strukturmerkmale mit Herausforderungen bei der Herstellung verbunden. Um diese Herausforderungen zu meistern, führte das Forschungsteam eine umfassende nichtlineare Studie einer tatsächlich aufgeblasenen Langstrecken-Hohlkernfaser durch.
Sie fanden heraus, dass die nichtlinearen Effekte von HCFs im sichtbaren Bereich stärker ausgeprägt sind als im Infrarotbereich, was sowohl auf die geringere Kerngröße als auch auf die kürzere Betriebswellenlänge zurückzuführen ist.
Hohlkernfasern für die Energieübertragung grüner Laser
Der in dieser Arbeit verwendete HCF nutzt das Prinzip des antiresonanzgeführten Lichts. Das geführte Licht wird durch eine Reihe dünner Glasfilme begrenzt, die den Kern der Faser umgeben. Dieses Design wird durch einen einzelnen Ring realisiert, der aus sieben Mantelkapillaren besteht, wobei die sieben Mantelschichten ein gutes Gleichgewicht zwischen Verlust, Biegeverlust und Morphologie erreichen.
Die Faser wurde im Stack-and-Stretch-Verfahren aus Quarzglas Heraeus F300 mit einem Kerndurchmesser von etwa 20,7 µm und einem Modenfelddurchmesser von 14,5 µm hergestellt und ist in der Lage, Licht von 515 nm bis 618 nm zu leiten Verluste unter 30 dB/km.
Obwohl die gemeldete Länge der Faser 300 Meter beträgt, konnte das Forschungsteam aus Southampton mit dem Verfahren mehrere Kilometer Faser herstellen.
Die Faser ist außerdem relativ unempfindlich gegenüber Biegeverlusten, die bei Biegungen mit einem Durchmesser von mehr als 13 cm bei der Betriebswellenlänge von 520 nm weniger als 0,1 dB/m betragen.
Dieser Durchbruch liefert wichtige technologische Unterstützung für eine hochpräzise und hocheffiziente Materialbearbeitung, insbesondere bei der Anwendung grüner Laser.
Es wird erwartet, dass diese Technologie in Zukunft eine wichtige Rolle in Branchen wie der Herstellung von Elektrofahrzeugen spielen wird, insbesondere in Schlüsselaspekten wie der Batterieproduktion.
