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Letzte Aktualisierung: März 5, 2021

Diese neue Artikelserie von FOC wird sich auf die Herstellung von mit Seltenen Erden dotierten Fasern konzentrieren. Der erste Artikel in dieser Reihe, Seltenerddotierte Faserndiskutierten die Entwicklung der Hauptprozesse zur Herstellung dotierter Faservorformlinge. Dieser Artikel beschreibt Faktoren beim Umgang mit Seltenerd-Dotierstoffen während der Herstellung von MCVD-Vorformlingen am Beispiel von Thulium. Höhere Thuliumkonzentrationen sind für verschiedene Anwendungen von Interesse. Das MCVD-Verfahren eignet sich gut für die Thuliumdotierung, es gibt jedoch Herausforderungen bei der Verwendung von Seltenerdhalogenidchemikalien, der Minimierung des Wassergehalts und der Optimierung des „Rezepts“ für Thulium und Co-Dotierstoffe. Nachfolgende Artikel in dieser Reihe werden andere Fasertypen und Preform-Produktionsfaktoren genauer untersuchen.

Verbesserte Faserdesigns und Herstellungsprozesse

Nach 60 Jahren Forschung und Entwicklung haben die Hersteller dotierter Fasern die Faserdesigns und Herstellungsprozesse verbessert, um Faktoren wie die Stabilität der Verstärkungsmedien, die Lebensdauer, optimale Wirtsglasmaterialien, die Kontrolle der Dotierstoffkonzentrationen, die Verwendung von Co-Dotierstoffen, den Kerndurchmesser und die numerische Kernöffnung zu berücksichtigen , Indexprofile und Mantelgeometrien für eine optimale Pump-Power-Kopplung. Mit jahrzehntelangem Fortschritt unterstützen dotierte Fasern nun eine breite Palette kommerzieller Laser und optischer Verstärker.

Die Forschung und Entwicklung zu Thulium-dotierten Fasern (TDFs) geht auf die 1980er Jahre zurück. Thulium hat wie andere Seltenerd-Dotierstoffe mehrere Übergangslinien. Dies bedeutet, dass die Dotierstoffe Absorptions- und Emissionsbanden bei mehreren Wellenlängen aufweisen. Laboratorien und Unternehmen, die dotierte Fasern entwickeln, haben häufig Gründe, die Übergänge oder Wellenlängen zu untersuchen, die den größten Gewinn in Bezug auf die Ausgangsleistung pro Dotierstoffmenge, pro Volumen dotierter Fasern oder pro Einheit Pumpleistung (Eingangsleistung) bieten. Die Arbeit an Thulium konzentrierte sich auf die Verstärkungseigenschaften von Übergängen, die in einen Wellenlängenbereich von 1.47 bis 2.10 um fallen.

Andere frühe Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu Seltenerd-Dotierstoffen konzentrierten sich auf die Erbium-Verstärkungsregion von 1.51 bis 1.62 um, die Neodym-Verstärkungsregion von 0.92 bis 1.10 um, die Ytterbium-Verstärkungsregion von 0.98 bis 1.14 um und die Holmium-Verstärkungsregion von 2.04 bis 2.17 um. Thulium hat daher großes Interesse auf sich gezogen, da es einen weiten Bereich von Wellenlängen zur Untersuchung bietet. Außerdem sind Wellenlängen von mehr als 1.8 um besonders interessant, da sie Penetrations- und Leistungsabsorptionseigenschaften aufweisen, die für verschiedene Materialverarbeitungsanwendungen nützlich sind. Im Laufe der Jahre haben Forschungs- und Entwicklungsgruppen auch an vielen Fasern mit mehreren Seltenerd-Dotierstoffen oder Co-Dotierstoffen gearbeitet, um bestimmte Pumpen zu optimieren und mittlere Wellenlängen zu gewinnen

Ein weiteres interessantes Merkmal von Thulium ist, dass ein 790-nm-Pumpphoton zwei Ionen im angeregten Zustand erzeugen kann. Mit anderen Worten kann ein Pumpphoton zwei Photonen in einem TDF-Laser oder -Verstärker erzeugen. Dieses "Zwei für Eins" -Phänomen resultiert aus den Übergängen des Energieniveaus, die ein Ion in einen angeregten Zustand befördern und Energie zwischen Ionen in Thulium übertragen. Dieses Phänomen macht Thulium attraktiv für die Entwicklung von Lasern mit höherer Effizienz, höherer Leistung und kompakteren Gehäusen.

TDF-Laser können für bestimmte Wellenlängen im Bereich von 1.47 bis 2.10 um ausgelegt werden, indem das Wirtsglasmaterial, die Pumpwellenlänge, die Dotierstoffkonzentration, die Verwendung anderer Dotierstoffe und die Verwendung von Laserdesignelementen wie Bragg-Gittern am Ende angepasst werden Oberflächenbeschichtungen und andere optische Komponenten. Die Wellenlängen in diesem Band eignen sich gut für medizinische diagnostische und therapeutische Verfahren, Lidar-, chemische und andere Sensorik, Spektroskopie, militärische Gegenmaßnahmen und Materialverarbeitungsanwendungen.

In einem Silica-Wirt ist beispielsweise das längere Wellenlängenband von Thulium für chirurgische Eingriffe attraktiv. Ein TDF-Laser kann auf 1.97 um eingestellt werden, was ein Wasserabsorptionspeak ist. TDF hat auch Vorteile gegenüber anderen Faserlasern hinsichtlich der Augensicherheit und der Fähigkeit, mit weit verbreiteten 790-nm-Hochleistungsdiodenmodulen gepumpt zu werden. TDF wurde neben Lasern auch für Anwendungen in optischen Verstärkern untersucht.

Thulium-dotierte Fasern

Auf höhere Mächte hinarbeiten

Derzeit können Unternehmen oder Gruppen, die routinemäßig an der Lasertechnologie mit dotierten Fasern arbeiten, 6 bis 10 kW Pumpleistung in eine doppelt plattierte Faser einkoppeln und Laserleistungen im Bereich von 3 bis 4 kW erzielen. Zwei Schlüsselfaktoren beim Erreichen solcher Leistungspegel sind 1.) effizientes Einkoppeln der Pumpleistung in den Verstärkungsbereich und 2.) Optimieren der Dotierstoffkonzentration des Verstärkungsmediums.

Doppelmantelkonfigurationen spielen eine wichtige Rolle beim ersten Faktor - der Einkopplung der Pumpenleistung in den dotierten Kern. Bei Vorformlingen, die im MCVD-Verfahren hergestellt wurden, werden die Kernmaterialien in einem Silica-Substratrohr abgeschieden. Dies gilt sowohl für das Chelat- als auch für das Halogenidsystem. Als nächstes wird das Rohr zu einem Stab zusammengeklappt, so dass die abgeschiedenen Materialien zum Kern werden und das Silica-Rohrmaterial Teil des Mantels wird.

Der nächste Schritt wäre, ein Material mit niedrigem Index auf die Außenseite der Kieselsäure aufzubringen. In einigen Fasern wird dies mit einer fluorierten Siliciumdioxidschicht 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 Pumpleistung wie möglich in die Faser einzukoppeln.

Ein alternativer Ansatz besteht darin, eine Acrylatbeschichtung mit niedrigem Index als zweiten Mantel zu verwenden. Dies wird während des Ziehvorgangs angelegt und führt zu Fasern mit einer NA von 0.48. Mit einer Acrylatbeschichtung mit niedrigem Index sind Ausgangsleistungen von 3 bis 4 kW möglich.

Mit einem nachfolgenden Schritt kann die erste Ummantelung geformt werden. Eine zylindrische Ummantelung erzielt nicht die beste Einkopplung der Pumpleistung in den Kern. Bei einer geformten Ummantelung wie einem Achteck mischen die Oberflächen die Moden, um eine bessere Absorption im Kern zu ermöglichen. Bei Verwendung einer solchen Formgebung wird ein endgepumptes System tatsächlich seitlich gepumpt, da ein Großteil der Pumpleistung in die Ummantelung eintritt, herumspringt und seitlich durch die Schnittstelle zwischen Kern und Ummantelung in den Kern eintritt.

Der zweite Schlüsselfaktor für die Erzielung höherer Ausgangsleistungen - höhere Dotierstoffkonzentrationen - hängt vom Vorformprozess ab, erfordert jedoch auch die Konzentration auf die Ausgangsmaterialien. Die Menschen wollen höhere Konzentrationen von Tm, aber wie dies erreicht werden kann, ist ein großes Problem.

Die beiden häufigsten Dampfphasenprozesse, bei denen MCVD-Systeme zur Herstellung von mit Seltenen Erden dotierten Fasern verwendet werden, sind der Halogenidprozess und der Chelatprozess. Das Chelatverfahren kann bei niedrigeren Temperaturen, beispielsweise 200ºC, verwendet werden, aber das Halogenidverfahren bietet Vorteile bei der Minimierung der OH-Verunreinigung im Kern, was dazu führen kann, dass das endgültige Glas bei der interessierenden Wellenlänge einen hohen Verlust aufweist. Darüber hinaus bietet das Halogenidverfahren eine hohe Umwandlungseffizienz und das Potenzial, höhere Dotierstoffkonzentrationen zu erreichen. Das Halogenidverfahren kann ebenso wie das Chelatverfahren mit zwei oder mehr Dotierstoffen angewendet werden.

Wie bereits erwähnt, bietet Thulium ein Zwei-für-Eins-Pumpen. Dies ist einer der Gründe, warum höhere Dotierstoffkonzentrationen von Interesse sind, insbesondere für Gruppen, die Hochleistungs-TDF-Laser entwickeln. Bei anderen Seltenerd-Dotierstoffen wie Erbium, Neodym und Ytterbium bedeutet ein Phänomen, das als "Quenchen" bezeichnet wird, dass höhere Konzentrationen nicht vorteilhaft sind. In diesen Fällen werden Dotierstoffkonzentrationen von etwa 1 Gew .-% des Seltenerdions verwendet. Bei Thulium besteht dagegen Interesse an Konzentrationen von 5 Gew .-% oder mehr. Unter Verwendung des Halogenidverfahrens wurde ein Vorformling hergestellt, der mehr als 8.5 Gew .-% Tm enthielt, wobei die nachfolgende Faser eine Rekordlasersteigungseffizienz demonstrierte.

Um solch hohe Dotierstoffkonzentrationen zu erreichen, muss man wissen, 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 Dotierstoffkonzentration und die geringe OH-Kontamination.

Beratung zur Herstellung von Preforms

Rick Tumminelli, Miterfinder des doppelt plattierten Faserlaserpumpens, arbeitet in Zusammenarbeit mit Larry Donalds, Experte für die Herstellung von Vorformlingen, direkt mit Herstellern von optischen Spezialvorformlingen und -fasern zusammen, um bestimmte Kundenanwendungen und Leistungskriterien zu erfüllen.

Um ihre Mission als branchenweit bevorzugte Beratungsressource für die Herstellung von Preforms voranzutreiben, stärken diese beiden angesehenen Führungskräfte die drei Jahrzehnte lange Partnerschaft, die FOC mit SG Controls Ltd eingegangen ist, mit einem vollständigen Team aus umfassendem Prozesswissen mit Engineering- und Software-Know-how und dem vollständige Palette führender Geräte und Werkzeuge für die Herstellung von Preforms und optischen Fasern. SG Controls Ltd kombiniert dieses umfassende Prozesswissen mit Engineering- und Software-Know-how, um eine vollständige Palette von Werkzeugen für die Herstellung von Preforms und optischen Fasern herzustellen.

Weitere Informationen zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung dotierter Faservorformlinge mit dem MCVD erhalten Sie von FOC unter FiberOpticCenter@focenter.com.

Autor

Richard Tummelli, AFO-Berater für Fiber Optic Center, Inc. (FOC), begann seine Karriere bei FOC im Jahr 2020 als Experte für seltenerddotierte Glasfasern, Prozessentwicklungs- und Fertigungsberater. Rick hat sich kürzlich von seiner Position als Director of Engineering am Coherent-Faserstandort in Salem, NH, zurückgezogen und arbeitet seit 40 Jahren auf dem Gebiet der mit seltenen Erden dotierten Glasfasern. Vor dieser Position leitete er die Spezialfasergruppe bei JDS Uniphase, die sich auf doppelt ummantelte Fasern für Faserlaser und erbiumdotierte Fasern spezialisierte. Richard hatte auch Positionen in der Optikgruppe bei Draper Laboratories inne und war Mitglied des Polaroid-Faseroptikteams unter der Leitung von Dr. Elias Snitzer, das einen Großteil der bahnbrechenden Arbeit an mit seltenen Erden dotierten Fasern, Faserlasern und Verstärkern leistete. Er ist Miterfinder des Doppelmantel-Faserlaserpumpens, ihm wurden 22 Patente erteilt und er hat 20 Veröffentlichungen zu Faserlasern und Verstärkern verfasst.

Thulium-dotierte Fasern
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