Ověřená technologie výroby thuliem dopovaného optického vlákna pro vláknové lasery

0472823 - ÚFE 2017 RIV CZ cze Z - Poloprovoz, ověřená technologie, odrůda/plemeno
Kašík, Ivan - Kamrádek, Michal - Podrazký, Ondřej - Proboštová, Jana
Ověřená technologie výroby thuliem dopovaného optického vlákna pro vláknové lasery.
[Technology of thulium-doped optical fiber for fiber lasers.]
Interní kód: Technologie TDF_2016 ; 2016
Technické parametry: Výroba vláken dopovaných thuliem v koncentracích 500-10 000 ppm, s mezní vlnovou délkou 1500-2000 nm (jednovidových), nízkým základním útlumem < 20 dB/km a delší fluorescenční dobou života na hladině 3F4 > 500 µs
Ekonomické parametry: Zavedení výroby o ročním objemu 750 m
Grant CEP: GA TA ČR(CZ) TH01010997
Institucionální podpora: RVO:67985882
Klíčová slova: Optical fiber * Thulium doped * MCVD
Kód oboru RIV: BH - Optika, masery a lasery

Thuliem dopovaná optická vlákna jsou klíčovou součástí thuliových vláknových laserů. Tyto lasery emitují na vlnové délce okolo 1900-2000 nm. Jsou vhodné pro použití v medicíně, pro bezdrátový komunikační přenos, pro vojenské účely a pro zpracování plastů a textilu.
Lasery mohou být čerpány jádrem nebo přes obal. V navržené technologii je okolí iontů thulia tvořeno na základě nanočástic Al2O3 o nižší fononové energii než má matrice okolního křemenného skla. Přítomnost Al2O3 v bezprostředním okolí thuliových iontů vede k žádoucímu prodlužování jejich fluorescenční doby života. Důležitá je též skelná matrice, ve které jsou umístěny ionty thulia společně s Al2O3. Musí být vysoce transparentní, stabilní a schopná tvořit vlákno. Všechny tyto požadavky splňuje matrice křemenného skla SiO2.
Optická vlákna se připravují tažením z tyček – preforem. Preformy byly připravovány metodou Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD). Vyvinutý postup umožnil připravovat preformy nejen pomocí roztoků AlCl3, ale i pomocí suspenzí nanočástic Al2O3. Vlákna tažená z takových preforem vykazovala nižší základní útlum a delší dobu života thuliových iontů. Pro výrobu takových vláken bylo zapotřebí při depozici jádra optimalizovat průtok SiCl4, teplotu, koncentraci používaného roztoku, způsob sušení a slinování jádra a kolaps preformy. Vlákna s kruhovým průřezem určená pro čerpání jádrem obsahovala asi 2000 ppm thulia (max. absorpce > 50 dB/m), měla základní útlum pod 20 dB/km a fluorescenční dobu života 500-700 µs. Vlákna s nekruhovým průřezem určená pro čerpání přes obal byla tažena z preforem o podobném obsahu thuliových iontů vybroušených do hexagonu; výsledný rozměr vlákna byl ~260 µm.

Thulium-doped optical fibers are the key component of thulium fiber lasers. Such lasers generate emission at wavelengths around 1900-2000 nm. They are well fitting for application in medicine, for wifi transmission, for defense and for machining of plastics or textile.
The lasers can be performed as core pumped and cladding pumped. Vicinity of thulium ions represents other important parameter. Within the proposed technology, such vicinity is based on nanoparticles of Al2O3 of phonon energy lower than that of surrounding silica glass. Presence of Al2O3 in the vicinity of thulium ions leads to desired increase of fluorescence lifetime of thulium ions. Glassy matrix for embedding of thulium ions and Al2O3 nanoparticles represents next parameter important for laser performance. Such matrix must be of high transparency, high durability, good stability and capability of fiberization. Glassy matrix of silica glass fulfills all these requirements.
Optical fibers are fabricated from preforms by drawing. Preforms were fabricated by the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) method. Developed process made us possible to prepare preforms not only using AlCl3 solutions but also using Al2O3 nanoparticle suspensions. Fibers drawn from such preforms exhibited lower background losses and longer fluorescence lifetime of thulium ions. Process parameters like flow rate of SiCl4, deposition temperature, dopant concentration of solution and drying, sintering, collapsing processes had to be optimized for industrial fabrication of such fibers. Optical fibers of circular cross section designed for core pumped lasers contained of around 2000 ppm of thulium ions (peak absorption > 50 dB/m), exhibited background losses below 20 dB/km and thulium lifetimes between 500-700 µs. Fibers of non-circular cross section designed for cladding-pumped lasers were drawn from preforms containing around 2000 ppm thulium ions which were ground to hexagonal shape; fiber dimensions were of around 260 µm
Trvalý link: http://hdl.handle.net/11104/0270045