Изготовление оптоволоконных наконечников

Соединение и изготовление оптоволоконных наконечников

В этих исследованиях, ученые изучали разрушение 6-ти различных оптоволоконных наконечников из материалов: фторцирконат (ZrF₄ - BaF₂ - LaF₂ - AlF₃ - NaF - SrF₂ - HfF₄), фтороалюминат (AlF₃ - AlCl₃ - NaF - ZrF₄ - YF₃ - SrF₂ - BaF₂ - LaF₂), фторгерманат (GeO₂ - ZnO - PbO - K₂O - PbF₂), диоксид кремния (SiO₂) и монокристалл сапфира (Al₂O₃). Спецификация на материалы наконечников представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Спецификация на оптоволоконные наконечники, где b – показатель преломления на 3 мкм, c – коэффициент температурного расширения, d – температура перехода, e – температура плавления, f – диаметр сердцевины волокна, g – длина

Кварцевое волокно было вытянуто с использованием преформы Heraus, состоящей из сердцевины, материал которой чистый диоксид кремния F-300, и оболочки из диоксида кремния, легированного фтором F-320. Изготовление оптоволоконных наконечников из монокристаллического волокна Er³⁺: YAG (Y₃Al₅O₁₂), легированного на 50%, также было изучено с учетом отсутствия нелегированного волокна YAG. Материалы наконечников будут называться их основными составляющими, например ZrF₄ – фторцирконат.

Оптоволоконные наконечники были спаяны с пассивным волокном ZrF₄ с использованием системы Vytran GPX, оснащенной иридиевой нитью (Vytran, FRAV4). Для оптоволоконных наконечников из фторцирконата, нить накала располагалась в точке спайки между волокном и наконечником. Все другие наконечники были спаяны с волокном из ZrF₄ путем смещения продольного положения нити в направлении наконечника волокна. После того, как было сделано сращивание, материал наконечников был разрезан на заданную длину с помощью скалывателя Vytran LDC. Финальные виды 3-х волокон после изготовления изображены на рисунках 2(a) - 2(c). Типичные потери выходной мощности на длине волны 2.83 мкм после спаивания фторида и GeO₂ были около 4% и 8% соответственно, включая потери волокна на пропускании и френелевском отражении от выходной поверхности наконечника и места спайки.

Перед испытанием на разрушение, сборка была закреплена с помощью полимера с низким показателем преломления УФ-отверждения в медной V-образной канавке для обеспечения хорошей теплопроводности от торца к радиатору. Особое внимание было уделено ограничению длины, выступающей из медной V-образной канавки. В эксперименте была выбрана теплопроводность в качестве охлаждения, как более эффективный метод, ограничивая таким образом максимальную температуру торцевой поверхности волокна.

Рисунок 2(a) – 2(c). Фотографии различных оптоволоконных наконечников, сделанные с помощью системы Vytran GPX

В отличие от волокон фторида и GeO₂, волокна из диоксида кремния, Er³⁺: YAG и Al₂O₃ не образуют термических связей при спайке со стекловолокном ZrF₄. Чтобы преодолеть это ограничение, путем контролируемого проталкивания волокна на основе оксида в ZrF₄ волокно, после того как первое было достаточно нагрето, создается постоянное и прочное соединение, как показано на рисунках 2(d) - 2(f).

Рисунок 2(d) – 2(f). Фотографии различных оптоволоконных наконечников, сделанные с помощью системы Vytran GPX

Сильное соединение обеспечивается за счет стекла ZrF₄, которое плотно оборачивается вокруг волокна на основе оксида, когда точка стыка остывает. По факту, все сварные соединения, полученные в результате данной процедуры сращивания, были протестированы на растяжение 200 г (примерно 4.4 МПа) перед использованием в испытаниях. Типичные потери выходной мощности на длине волны 2.83 мкм после спайки оптоволоконных наконечников SiO₂, Er³⁺: YAG и Al₂O₃ были соответственно равны 8%, 10% и 16%.

В случае наконечников из SiO₂ и Er³⁺: YAG можно было расколоть материал волокна после процесса сращивания, как показано на рисунках 2(d)-2(e) и охладить сборку также, как охлаждались оптоволоконные наконечники на основе фторида и GeO₂. Следует отметить, что длина SiO₂ наконечника была максимально укорочена из-за высоких потерь на поглощение (около 25 дБ/м) на длине волны 2.825 мкм.

Для Er³⁺: YAG наконечника скалывание было значительно упрощено за счёт того, что кристаллические плоскости Er³⁺: YAG волокна перпендикулярны оптической оси. Фотография стыка между волокном ZrF₄ и наконечником из SiO₂ и Er³⁺: YAG показана на рисунках 3(a)-3(b). Из этих изображений видно, что граница раздела между наконечником SiO₂ и волокном ZrF₄ гладкая и не ухудшает качество лазерного пучка. Для Er³⁺: YAG наконечника можно увидеть несколько пузырьков на границе раздела, которые могут ухудшить качество пучка, если будут располагаться на пути хода лучей. Однако считаем, что оптимизация способа сварки может предотвратить образование пузырьков и обеспечить безупречное соединение, аналогичное соединению с наконечником SiO₂.

Для волокна на основе монокристалла сапфира сколоть или отполировать материал волокна было невозможно без нарушения точки спая. Это связано с тем, что кристаллические плоскости расположены под 45 градусов к оптической оси волокна и также из-за его высокой механической прочности. Поэтому полная длина сапфирового волокна (50 см) была сохранена для испытаний на фотодеградацию. Учитывая, что сапфировое волокно не имеет сердцевины, любые попытки охлаждения концов волокна с использованием описанной выше медной сборки приводили к утечке сигнала на 3 мкм со стороны и, в конечном итоге, к поломке сборки. Поэтому конец сапфирового волокна был протестирован в условиях естественной конвекции, а не теплопроводности, как у других оптоволоконных наконечников.

Рисунок 3(a)-3(b). Фотография соединения ретрансляционного волокна ZrF₄ и (a) наконечника из SiO₂, (b) наконечника из Er³⁺: YAG

Это первая статья, в которой материалы на основе оксида сращиваются и перерабатываются в оптоволоконные наконечники на выходе фторидного волокна. Тем не менее все оксидные материалы продемонстрировали явное повышение температуры с течением времени, что, полагают, связано с диффузией ОН в матрице стекла GeO₂ и SiO₂ или, предположительно, с адсорбцией ОН в случае Al₂O₃.

Aydin Y. O. et al. Endcapping of high-power 3 µm fiber lasers //Optics Express. – 2019. – Т. 27. – №. 15. – С. 20659-20669.