فیبرهای نوری جدید دارای کاربردهای گسترده ای هستند از عمل های جراحی ظریف گرفته تا ماشین های لیزری پرقدرت. از جمله کاربردهای مهم این فیبرها می توان به انتقال پالس های فوق کوتاه لیزرهای پرتوان اشاره کرد که در ادامه شرح داده شده است.

آقای جف هشت[۱] نویسنده این مقاله بیان دارد: “چند سال پیش یک زمین شناس به من گفت فیبر نوری جان او را نجات داده است. ظاهراً پزشک توانسته بود با استفاده از فیبر نوری جراحی ظریفی در داخل جمجمه او انجام دهد که در غیر این صورت، جراحی امکانپذیر نبود. نمی توانم جزئیات داستان او را به یاد بیاورم، اما خوشحالی او از زنده بودن را به خاطر می آورم.”

نتایج حاصل از انتقال پرتو توسط فیبر نوری آن چنان چشمگیر است که نمی توان اهمیت آن را دست کم گرفت. کارهایی اعم از جراحی لاپاروسکوپی تا جوشکاری لیزری نیاز به حرکت دقیق پرتوهای لیزر دارند که قبلاً برای این کار به بازوهای مفصلی حجیم شبیه به مته های دندانپزشکی، نیاز بود. در حال حاضر، فیبرهای نوری قابل انعطاف به سادگی و با دقت زیاد، با دستان جراح متخصص در اتاق عمل یا با بازوهای برنامه ریزی شده یک روبات در خطوط تولید، اداره می شوند. طراحی های جدید فیبر نوری نویدبخش پیشرفت های بیشتر هستند.

توان و انعطاف پذیری

انتقال پرتو بوسیله فیبر نوری در دهه ۱۹۹۰ توسط فیبرهای چند مد هسته بزرگ با ضریب شکست پله ای[۲] انجام می گرفت. این فیبرها، نور پیوسته (CW) لیزرهای دیود پرقدرت و حالت جامد را برای کاربردهای صنعتی منتقل می کردند. یک بازوی روباتیک، نوک فیبر را بر روی قطعه کار جابجا می کرد و لیزر و قطعه کار ثابت بودند. این انتقال پرتو با فیبر زمانی که توان لیزرهای فیبری به حد صنعتی رسید، یک امر طبیعی بود. در حال حاضر استفاده از فیبر نوری در بسیاری از کاربردها حتی تا توان­ کیلووات به صورت استاندارد درآمده است [۱].  

متداول ترین فیبرهای انتقال پرتو، دارای قطر هسته ۱۰۰ میکرون از جنس سیلیس خالص، دهانه عددی حدود ۰٫۲۲ و قطر بیرونی ۳۶۰ میکرون هستند. طیف گسترده ای از انواع دیگر فیبرها برای انتقال پرتو ارائه شده است که دارای قطر هسته از چند میکرون تا یک میلی متر هستند. چالش امروز تولید انواع جدیدی از فیبرها است که قادر به رفع نیازهای چالش برانگیز از جمله ارسال پالس های فوق کوتاه با توان قله بالا و یا سفارشی کردن پرتوی منتقل شده مطابق با نیازهای درخواستی است.

فیبر انتقال دهنده سرتخت[۳]

در مجله فوتونیک SPIE سال ۲۰۱۶، خانم کلمنت ژولیت[۴] از Nufern آمریکا و همکارانش نوع جدیدی از فیبر نوری را معرفی کردند که با آمیختن مدها می توانست پرتو ورودی تک مد را به یک پرتو خروجی سرتخت تبدیل کند. فیبرها با قطر هسته ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ میکرون، دارای پرتوهای خروجی سرتخت با کیفیت پرتو[۵] (BPPs) 2، ۴ و ۸ میلی متر-میلی رادیان بودند [۲].

[۱] Jeff Hecht

[۲] Step-Index

[۳] Flat-Top Delivery Fiber

[۴] Clémence Jollivet

[۵] Beam Parameter Products

شکل۱- ساختار یک فیبر انتقال دهنده سرتخت.

 

شکل ۱ ساختار یک فیبر سرتخت را نشان می دهد که هسته سیلیس ۱۰۰ میکرون آن از المان های ترکیب مدی نامشخص تشکیل شده است و همچنین توسط یک لایه آلائیده با فلوئور با ضریب شکست پایین تر و یک روکش سیلیس خالص احاطه شده است. با افزودن فاکتور ترکیب مد، اتلاف فیبر به کمی بالاتر از سیلیس خالص افزایش می یابد، اما برای طول موج های بین ۷۵۰ تا ۱۳۳۰ نانومتر اتلاف کمتر از  dB/km5 است. این فیبر نوری می تواند خروجی لیزر تک مد را به یک پرتو سرتخت با  BPP 3.8 میلیمتر-میلی رادیان تبدیل کند، درحالیکه اگر همان منبع لیزر به فیبر استاندارد تزویج شود، خروجی آن دارای BPP 2.6 میلیمتر-میلی رادیان می شود (شکل ۲). همچنین فیبر سرتخت پرتوهای منبع لیزر چند مد را یکنواخت می کند.

[۱] Flat-Top Delivery Fiber

[۱] Clémence Jollivet

[۱] Beam Parameter Products

شکل ۲- خروجی منبع لیزر تک مد بعد از عبور از یک فیبر استاندارد (شکل بالا) و عبور از یک فیبر سرتخت (شکل پایین) مقایسه شده است. به تفاوت قابل توجه یکنواختی پرتو توجه داشته باشید.

 

آقای جف واجتکوویچ[۱] از نوفرن بیان دارد: “شرکت نوفرن فیبرهای سرتخت را به عنوان یک فناوری جدید، و نه به عنوان یک محصول استاندارد عرضه می کند. نتایج کار منتشر شده است، اما هر فیبر باید متناسب با ورودی و خروجی مورد نظر ساخته شود.”

فیبرهای فوتونیک کریستال با هسته توخالی[۲]

فیبرهای سیلیکایی با هسته جامد برای پرتوهای پیوسته بسیار مناسب هستند اما برای پالس های فوق ­کوتاه با توان قله بالا مناسب نیستند. سیلیس مستعد آسیب اپتیکی است، پاشندگی طیفی بالایی دارد و به اثرات غیرخطی قوی بسیار حساس است.

یکی از گزینه های جایگزین، انتقال پرتو از طریق موئینه های شیشه ای توخالی[۳] است که داخل آن با فلز پوشیده شده تا بازتاب را افزایش دهد. انتقال پالس فمتوثانیه توسط این فیبرها انجام می شود، اما این لوله های توخالی نسبت به اتلاف خمشی بسیار حساس هستند .[۳]

جایگزینی دیگر، استفاده از باندگپ[۴] فوتونی برای هدایت نور در امتداد هسته فیبر فوتونیک-کریستال توخالی است. آزمایشی در سال ۲۰۰۵ به رکورد اتلاف dB/km 1.7 رسید [۴]. با این حال، حدود ۱٪ از مد هدایت شده در هسته، با روکش همپوشانی کرده و آستانه را به آسیب ناشی از لیزر کاهش داده و بنابراین استفاده از آن برای پالس های قدرتمند فوق کوتاه محدود می شود.

فیبر توخالی باندگپ فوتونی در حال توسعه است. علاوه بر اتلاف کم بالقوه، این فیبرها خم شدن را به خوبی تحمل می کنند و می توانند قطبش و یک تک مد عرضی را در هسته حفظ کنند. نوع جدیدی از این فیبرها توسط آقای متیو میشلیتو[۵] و همکارانش از شرکت NKT Photonics از دانمارک ساخته شده است. در این نوع فیبر دیواره های هسته ضد تشدید[۶] هستند و مدها در هسته در طول موج های کاملاً مشخصی هدایت می شوند [۵]. آن ها به این نتیجه رسیدند که فیبری با هفت لایه غیرتماسی[۷]، بهترین ترکیب برای حذف مدهای مرتبه بالا با کمترین محدودیت و اتلاف خمش است و اتلاف dB/km 30 در ۱۰۹۰ نانومتر دارد. به گفته آن ها کار بیشتری در زمینه ساخت باید انجام شود و امیدوارند فیبرهای آینده بتوانند توان بیش از ۱۰۰ وات را در طول ۱۰ کیلومتر تحمل کنند.

گروه های دیگر نتایج دلگرم کننده ای را در مورد فیبرهای فوتونیک کریستال با هسته توخالی در مجله SPIE Photonics West در سال ۲۰۱۶ گزارش کرده اند. آقایان جورن ودل[۸] و مکس فانک[۹] از (PT) Photonic Tools آلمان، فیبرهای هسته توخالی میکروساختاری را گزارش کرده اند که برای پالس های فوق کوتاه با انرژی صدها میکروژول و توان های متوسط صدها وات بهترین کیفیت پرتو را حفظ می کنند. راندمان انتقال از طریق کابل های ۳ تا ۵ متر از ۹۰% بیشتر شده است و پاشندگی کم تر از چند پیکوثانیه در هر کیلومتر به ازای هر نانومتر، اجازه انتقال پالس های فمتوثانیه را فراهم کرده است.

آقای ودل بیان دارد: “ما سیستم های کامل انتقال پرتو با بسته بندی کامل فیبر به سیستم ارائه می دهیم.” پالس های لیزر از طریق اتصال دهنده ها وارد فیبر می شوند (شکل ۳) و سپس تا ۱۰ متر در فیبر انتخاب شده متناسب با نیاز کاربر منتقل می شوند. این فیبر می تواند پالس های تک مد را درحالیکه یک سر پردازش مدولار[۱۰] در قسمت انتهایی فیبر، شکل پرتو را به مدل دلخواه تبدیل می کند انتقال دهد. سر پردازش کننده، می تواند درصورت نیاز شامل المان های اپتیکی دوبرابرکننده فرکانس نیز باشد.

 

[۱] Jeff Wojtkiewicz

[۲] Hollow-Core

[۳] Hollow Glass Capillaries

[۴] Bandgap

[۵] Mattia Michieletto

[۶] Anti-Resonant

[۷] Non-Touching Tubes

[۸] Björn Wedel

[۹] Max Funck

[۱۰] Modular Processing Head

شکل ۳- در این سیستم انتقال پرتو، پالس های لیزر ورودی از طریق یک سیستم انتقال پرتو به فیبر تزویج شده و سپس تا ۱۰ متر در فیبر انتقال می یابند.

 

فیبرهای کاگوم[۱]

این ریزساختار که “kagome” (کاگوم) نامیده می شود، بدلیل آنکه حلقه­ سلول های توخالی آن الگوی کاشی کاری مشخصی دارد (شکل ۴) جالب توجه است. تفاوت اساسی این فیبر با فیبر فوتونیک-کریستالی توخالی معمول در این است که دیواره های داخلی این فیبر به جای دور شدن از مرکز، به درون فیبر انحنا دارد. این امر سبب می شود همپوشانی مد هسته با روکش به ۰٫۰۱٪ کاهش یابد و پهنای طیفی فیبر گسترده شود. فیبرهای کاگوم پر شده از گاز علاوه بر انتقال پالس ها می توانند آن ها را فشرده سازند. در آزمایشی در ETH زوریخ (Zurich, Switzerland)، فشرده شدن یک پالس ۸۶۰ فمتوثانیه در طول موج ۱۰۳۰ نانومتر تا ۴۸ فمتوثانیه نشان داده شد [۶].   

[۱] Kagome

شکل ۴- روکش فیبر kagome که برای انتقال پرتو استفاده می شود [۷].

 

فیبرهای کاگوم را می توان با اتلاف اندک و آسیب پذیری پایین در برابر لیزر تولید کرد. در سال ۲۰۱۳، محققین پژوهشگاه XLIM لیموژز فرانسه (Limoges, France) فیبر هیپوسیکلوئید[۱] کاگوم ۱۹ سلولی را با اتلاف کم سابقه  dB/km 17 در طول موج ۱۰۶۴ نانومتر ساختند. آن ها چنین ویژگی‌ را برای انتقال پالس های لیزری فوق کوتاه، بسیار جذاب می دانند.  

گروه لیموژز با مشارکت آقای سباستین پریکینگ[۲] و همکارانش در شرکت لیزری ترامف آلمان، در انتقال پالس های تک مد زیر پیکوثانیه در طول موج ۱۰۳۰ نانومتر از طریق فیبر کاگوم هیپوسیکلوئید پر شده از هوا همکاری کرده است. در کنفرانس SPIE Photonics West 2015، آن ها اتلاف dB/km 20 و راندمان انتقال ۸۰% با کیفیت پرتو M2 1.15 را گزارش کرده اند [۷]. در کنفرانس SPIE Photonics West 2016 نیز پریکینگ و همکارانش ادغام تطبیق مدی[۳] و کوپلاژ اپتیکی به سر لیزر، اتصال فیبر از طریق اتصالات  LLK-Dو نوع جدیدی از هوابندی فیبر در لوله نگه دارنده که ثبت اختراع نیز شده است را گزارش داده اند. آن ها انتقال پالس های تا ۵۰۰ میلی ژول را با میانگین توان تا ۱۵۰ وات را از طریق فیبر ۵ متری گزارش کرده اند. بسته به طول فیبر، آن ها به راندمان کلی بالاتر از ۸۵٪ و کیفیت پرتو ۱٫۳ M2 <دست یافته اند. شاید از همه چشم گیرتر این باشد که این نوع تزویج به فیبر طی چند هفته کارکرد و بدون هدایت فعال پرتو محکم باقی می ماند [۸].

شرکت GLOphotonics فرانسه که از گروه لیموژز جدا شده، دو نوع فیبر کاگوم و فوتونیک-کریستال تو خالی با هدایت باندگپ تولید می کند. محصولات استاندارد آن ها شامل فیبرهای فوتونیک-کریستال توخالی ۷ سلولی و فیبر کاگوم ۱ ، ۷ و ۱۹ سلولی، با اتلاف dB/km 50 در فیبر ۷ سلولی که برای انتقال طول موج ۱۰۳۰ نانومتر طراحی شده اند، است. آقای فتاه بنابید[۴]، مدیرعامل گروه XLIM و مشاور GLOphotonics، نحوه کار خود را با جزئیات در نسخه سپتامبر ۲۰۱۴ شرح داده است [۹].

انتقال پرتو در باندهای فرکانسی دیگر

فیبرهای کاگوم در فرکانس های تراهرتز نیز به کار گرفته شده اند [۱۰]. موئینه های شیشه ای با هسته توخالی با ساختارهای داخلی فلز/دی الکتریک می توانند طول موج های مادون قرمز را فراتر از محدوده عبور سیلیس انتقال دهند. شرکتPolymicro Technologies  آمریکا بخش داخلی موئینه ها با قطر داخلی ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ میکرون را با لایه های نقره و یدید نقره پوشش می دهد. این کار برای انتقال باریکه های ۱۰ میکرونی لیزر دی اکسید کربن (CO₂) برای جراحی های معمولی و لاپاروسکوپی بهینه است. فیبرهای توخالی دیگر نیز برای لیزر erbium-YAG  با طول موج ۲٫۹۴ میکرون موجود است که در جراحی نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

آقای آنجلو سامپائولو[۵] و همکارانش در دانشگاه باری آلدو مورو ایتالیا (Bari, Italy) انتقال تک مد در ۵٫۱۱ تا ۱۰٫۵ میکرون را از طریق موجبرهای توخالی قابل انعطاف با قطر داخلی ۲۰۰ میکرون تا طول ۵۰ سانتی متر گزارش کرده اند [۱۱]. با این کار طیف وسیعی از لیزرهای آبشار کوانتومی تحت پوشش قرار می گیرند.

سایر چالش های جدید مربوط به فیبرهای هسته جامد است. گروه جایانتا ساهو[۶] در دانشگاه ساوت همپتون[۷] انگلستان نوع جدیدی از فیبر را مطالعه کرده اند که چندین شیار نازک با ضریب شکست پایین[۸]، هسته را احاطه کرده است و برای استفاده در ناحیه مرئی و ماوراء بنفش بکار می روند. این فیبر چند شیاری، از طریق رسوب بخار شیمیایی[۹] (CVD) شکل می گیرد و آن را برای تولید انبوه مناسب می کند. در این فیبر مدهای مرتبه بالاتر به شدت تضعیف می شوند که در نتیجه امکان انتقال مؤثر تک مد در طول موج ۴۰۵ نانومتر و در فضای مؤثر ۱۰ میکرون هسته فراهم می شود. نویسندگان اذعان دارند که مزیت بزرگ فیبر چند شیاری، اتصال و تولید آسان تر آن نسبت به فیبر فوتونیک-کریستالی است [۱۲].

چشم انداز

انتقال پرتو با استفاده از فیبر کاربردهای بسیاری دارد. چالش بزرگ در استفاده از فیبر، توسعه ی آن است، به خصوص در زمینه رو به رشد کاربردهای پالس فوق کوتاه که به دلیل قله توان بالا، فشار بیشتری بر فیبر تحمیل می شود. امروزه شاهد افزایش تخصصی شدن فیبرهای جدید هستیم که برای انتقال پرتو با پروفایل خاص ساخته می شوند. در کاربردهای پزشکی به نوآوری های بیشتری نیاز است تا سیستم های انتقال پرتو زیست سازگار باشند. بنابراین دفعه بعد که شخصی به من گفت فیبر نوری جانش را نجات داده است، تعجب نخواهم کرد.

 

References

[۱] B. Wedel and M. Funck, “Industrial fiber beam delivery enhances ultrafast laser machining,” Industrial Laser Solutions, 31, 1, 28–۳۰ (Jan/Feb 2016).

[۲] C. Jollivet et al., “Specialty flat-top beam delivery fibers with controlled beam parameter product,” Proc. SPIE, 9727, Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XVIII, 97270T (Mar. 8, 2016); doi:10.1117/12.2209348.

[۳] B. Debord et al., Opt. Express, 21, 23, 28597 (Nov. 18, 2013); doi:10.1364/oe.21.028597.

[۴] P. J. Roberts et al., Opt. Express, 13, 1, 236–۲۴۴ (۲۰۰۵).

[۵] M. Michieletto et al., “High-power picosecond pulse delivery through hollow core photonic band gap fibers,” Proc. SPIE, 9728, Fiber Lasers XIII: Technology, Systems, and Applications, 97282Z (Mar. 11, 2016); doi:10.1117/12.2211324.

[۶] F. Emaury et al., Opt. Express, 21, 4, 4986–۴۹۹۴ (۲۰۱۳); doi:10.1364/oe.21.004986.

[۷] S. Pricking et al., “Hollow core fiber delivery of sub-ps pulses from a TruMicro 5000 Femto edition thin disk amplifier,” Proc. SPIE, 9356, High-Power Laser Materials Processing: Lasers, Beam Delivery, Diagnostics, and Applications IV, 935602 (Mar. 9, 2015); doi:10.1117/12.2079289.

[۸] S. Pricking et al., “Industrial grade fiber-coupled laser systems delivering ultrashort high-power pulses for micromachining,” Proc. SPIE, 9741, High-Power Laser Materials Processing: Lasers, Beam Delivery, Diagnostics, and Applications V, 974109 (Mar. 18, 2016); doi:10.1117/12.2213356.

[۹] F. Benabid et al., “Kagome PC fiber goes to extremes in ultrashort-pulse lasers,” Laser Focus World, 50, 9, 29–۳۴ (Sep. 2014).

[۱۰] J. Anthony et al., “Air-core microstructured fibers provide low-loss, broadband terahertz guidance,” Laser Focus World, 48, 3 (Mar. 2012).

[۱۱] A. Sampaolo et al., Opt. Express, 23, 1, 195–۲۰۴ (۲۰۱۵); doi:10.1364/oe.23.000195.

[۱۲] D. Jain et al., Opt. Lett., 40, 5026 (Nov. 1, 2015).

•  
•  

Sources: This website uses cookies to ensure you get the best experience on our website. View our privacy policy

Got it!

https://www.laserfocusworld.com/fiber-optics/article/16547064/photonic-frontiers-fiber-for-laser-beam-delivery-new-fibers-deliver-the-laser-beams

 

[۱] Hypocycloid

[۲] Sebastian Pricking

[۳] Integrating Mode-Matching

[۴] Fetah Benabid

[۵] Angelo Sampaolo

[۶] Jayanta Sahu’s Group

[۷] Southampton

[۸] Multiple Thin Low-Index “Trenches”

[۹] Chemical Vapor Deposition