Cette nouvelle série d'articles de FOC se concentrera sur la production de fibres dopées aux terres rares. Le premier article de cette série, Fibres dopées aux terres rares, a discuté de l'évolution des principaux procédés de fabrication de préformes en fibres dopées. Cet article traite des facteurs liés à la manipulation des dopants de terres rares lors de la fabrication de préformes MCVD, en utilisant le thulium comme exemple. Des concentrations de thulium plus élevées sont intéressantes pour plusieurs applications. Le procédé MCVD est bien adapté pour le dopage au thulium, mais il existe des défis associés à l'utilisation de produits chimiques aux halogénures de terres rares, à la minimisation de la teneur en eau et à l'optimisation de la «recette» du thulium et des co-dopants. Les articles suivants de cette série examineront plus en détail d'autres types de fibres et facteurs de production de préformes.
Amélioration de la conception des fibres et des processus de fabrication
Après 60 ans de R&D, les fabricants de fibres dopées ont amélioré la conception des fibres et les processus de fabrication pour traiter des facteurs tels que la stabilité du gain-média, la durée de vie, les matériaux de verre hôte optimaux, le contrôle des concentrations de dopant, l'utilisation de co-dopants, le diamètre du noyau, l'ouverture numérique du noyau , profils d'index et géométries de gaine pour un couplage pompe-puissance optimal. Avec des décennies de progrès, les fibres dopées prennent désormais en charge une large gamme de lasers et d'amplificateurs optiques commerciaux.
La R&D sur les fibres dopées au thulium (TDF) remonte aux années 1980. Le thulium, comme les autres dopants aux terres rares, possède plusieurs lignes de transition. Cela signifie que les dopants ont des bandes d'absorption et d'émission à plusieurs longueurs d'onde. Les laboratoires et les entreprises développant des fibres dopées ont souvent des raisons d'étudier ces transitions ou longueurs d'onde offrant le plus grand gain en termes de puissance de sortie par quantité de dopant, par volume de fibre dopée ou par unité de puissance de pompe (entrée). Les travaux sur le thulium se sont concentrés sur les caractéristiques de gain des transitions tombant dans une région de longueurs d'onde de 1.47 à 2.10 µm.
D'autres travaux de R&D sur les dopants de terres rares se sont concentrés sur la région de gain de l'erbium de 1.51 à 1.62 µm, la région de gain du néodyme de 0.92 à 1.10 µm, la région de gain de l'ytterbium de 0.98 à 1.14 µm et la région de gain de l'holmium de 2.04 à 2.17 µm. Le thulium a donc suscité un intérêt considérable car il offre une large région de longueurs d'onde à étudier. De plus, les longueurs d'onde supérieures à 1.8 µm sont particulièrement intéressantes car elles ont des caractéristiques de pénétration et d'absorption de puissance qui sont utiles dans diverses applications de traitement de matériaux. Au fil des années, des groupes de R&D ont également travaillé sur de nombreuses fibres avec plusieurs dopants ou co-dopants de terres rares pour optimiser une pompe spécifique et gagner des longueurs d'onde moyennes.
Une autre caractéristique intéressante du thulium est qu'un photon de pompe de 790 nm peut produire deux ions à l'état excité. En d'autres termes, un photon de pompe peut générer deux photons dans un laser ou un amplificateur TDF. Ce phénomène «deux pour un» résulte des transitions de niveau d'énergie qui favorisent un ion vers un état excité et qui transfèrent l'énergie entre les ions dans le thulium. Ce phénomène rend le thulium attractif pour le développement de lasers avec une plus grande efficacité, une puissance plus élevée et des boîtiers plus compacts.
Les lasers TDF peuvent être conçus pour des longueurs d'onde spécifiques dans la région de 1.47 à 2.10 µm en adaptant le matériau du verre hôte, la longueur d'onde de la pompe, la concentration de dopant, l'utilisation d'autres dopants et l'utilisation d'éléments de conception laser, tels que les réseaux de Bragg, fin - revêtements de face et autres composants optiques. Les longueurs d'onde dans cette bande sont bien adaptées aux procédures de diagnostic médical et thérapeutiques, lidar, détection chimique et autre, spectroscopie, contre-mesures militaires et applications de traitement de matériaux.
Dans un hôte de silice, par exemple, la bande de longueur d'onde plus longue du thulium est intéressante pour les procédures chirurgicales. Un laser TDF peut être réglé sur 1.97 µm, qui est un pic d'absorption d'eau. Le TDF présente également des avantages par rapport aux autres lasers à fibre en termes de sécurité oculaire et de capacité à être pompé avec des modules de diodes haute puissance 790 nm largement disponibles. TDF a également été étudié pour des applications dans les amplificateurs optiques, en plus des lasers.
Travailler vers des puissances supérieures
Actuellement, les entreprises ou les groupes travaillant sur la technologie laser à fibre dopée peuvent coupler régulièrement 6 à 10 kW de puissance de pompage dans une fibre à double gaine et obtenir des sorties laser de l'ordre de 3 à 4 kW. Deux facteurs clés pour atteindre de tels niveaux de puissance sont 1.) le couplage efficace de la puissance de la pompe dans la région de gain, et 2.) l'optimisation de la concentration de dopant du milieu de gain.
Les configurations à double gaine jouent un rôle déterminant dans le premier facteur - le couplage de la puissance de la pompe dans le noyau dopé. Avec les préformes fabriquées selon le procédé MCVD, les matériaux du noyau sont déposés à l'intérieur d'un tube de substrat en silice. Cela est vrai à la fois dans les systèmes chélate et halogénure. Ensuite, le tube est replié en une tige, de sorte que les matériaux déposés deviennent le noyau et le matériau du tube de silice devient une partie de la gaine.
L'étape suivante serait de mettre un matériau à faible indice à l'extérieur de la silice. Dans certaines fibres, ceci est réalisé avec une couche de silice fluorée. Cependant, l'utilisation de fluor limite l'ouverture numérique (NA) à 0.22. Pour les fibres dopées, un NA élevé est préférable pour coupler autant de puissance de pompage que possible dans la fibre.
Une autre approche consiste à utiliser un revêtement d'acrylate à faible indice comme deuxième revêtement. Ceci est appliqué pendant le processus d'étirage, et il en résulte des fibres avec un 0.48 NA. Des puissances de sortie de 3 à 4 kW sont possibles avec un revêtement acrylate à faible indice.
Avec une étape ultérieure, le premier revêtement peut être mis en forme. Une gaine cylindrique n'obtient pas le meilleur couplage de la puissance de la pompe dans le noyau. Avec un revêtement profilé, comme un octogone, les surfaces vont mélanger les modes pour permettre une meilleure absorption dans le noyau. En utilisant une telle mise en forme, un système à pompage d'extrémité est en fait pompé latéralement, car une grande partie de la puissance de la pompe pénètre dans la gaine, rebondit et pénètre dans le noyau latéralement à travers l'interface noyau-gaine.
Le deuxième facteur clé pour obtenir des puissances de sortie plus élevées - des concentrations de dopant plus élevées - dépend du processus de préforme, mais il nécessite également de se concentrer sur les matières premières. Les gens veulent des concentrations plus élevées de Tm, mais comment y parvenir est un gros problème.
Les deux procédés en phase vapeur les plus courants qui utilisent des systèmes MCVD pour fabriquer des fibres dopées aux terres rares sont le procédé aux halogénures et le procédé au chélate. Le processus de chelate peut être utilisé à des températures plus basses, disons 200 ° C, mais le processus aux halogénures offre des avantages en minimisant la contamination OH dans le noyau, ce qui peut entraîner une perte élevée du verre final à la longueur d'onde d'intérêt. En outre, le procédé aux halogénures offre une efficacité de conversion élevée et le potentiel d'atteindre des concentrations de dopant plus élevées. Le procédé aux halogénures peut également être utilisé avec deux ou plusieurs dopants, tout comme le procédé chélate.
Comme indiqué, le thulium offre un pompage deux pour un, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles des concentrations de dopant plus élevées sont intéressantes, en particulier pour les groupes développant des lasers TDF haute puissance. Avec d'autres dopants de terres rares, tels que l'erbium, le néodyme et l'ytterbium, un phénomène appelé «trempe» signifie que des concentrations plus élevées ne sont pas avantageuses. Des concentrations de dopant d'environ 1% en poids de l'ion de terre rare sont utilisées dans ces cas. Avec le thulium, par contre, on s'intéresse à des concentrations de 5% en poids ou plus. En utilisant le procédé aux halogénures, une préforme contenant plus de 8.5% en poids de Tm a été fabriquée avec la fibre suivante démontrant une efficacité de pente laser record.
Pour atteindre des concentrations de dopant aussi élevées, il faut se familiariser avec la manière dont les produits chimiques sont préparés et transportés et comment ils réagissent. Une préparation et une manipulation soigneuses des halogénures de terres rares, par exemple, sont un facteur critique de concentration de dopant et de faible contamination par OH.
Conseil en fabrication de préformes
Rick Tumminelli, co-inventeur du pompage laser à fibre double gaine, s'est associé à Larry Donalds, expert en fabrication de préformes, travaille directement avec les fabricants de préformes et de fibres optiques spéciales pour répondre aux applications spécifiques des clients et aux critères de performance.
Afin de faire avancer leur mission d'être la ressource de conseil en fabrication de préformes préférée de l'industrie, ces deux leaders respectés renforcent le partenariat de trois décennies que FOC a eu avec SG Controls Ltd avec une équipe complète à la fois de la connaissance approfondie des processus avec une expertise en ingénierie et en logiciel et le gamme complète d'équipements et d'outils de pointe pour la fabrication de préformes et de fibres optiques. SG Controls Ltd, combine cette connaissance approfondie des processus avec une expertise en ingénierie et en logiciels pour produire une gamme complète d'outils pour la fabrication de préformes et de fibres optiques.
Pour plus d'informations sur les procédures clés utilisées dans la fabrication de préformes en fibre dopée avec le MCVD, veuillez contacter le FOC au FiberOpticCenter@focenter.com.
