Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona2/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   53

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Warszawa 2010

Opiniodawcy



Anna Cysewska-Sobusiak, Politechnika Poznańska

Jan Dorosz, Politechnika Białostocka

Waldemar Wójcik, Politechnika Lubelska

© Copyright by Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010


Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich.
ISBN

Księgarnia internetowa Oficyny Wydawniczej PW www.wpw.pw.edu.pl


Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, ul. Polna 50, 00-644 Warszawa, tel. 825-75-18

Wydanie I. Arkuszy drukarskich 10. Druk ukończono w 2010r. Zam. Nr ---/2010

Drukarnia Oficyny Wydawniczej PW, ul. Kopińska 12/16, 02-321 Warszawa, tel. 234-40-26


Spis treści
Rozdział 1 Definicja światłowodu kapilarnego 6

1.1 Optyczna kapilara – funkcjonalny element światłowodowy 6

1.2 Parametry światłowodów kapilarnych 7

1.3 Transmisja fali w światłowodach kapilarnych 7

1.4 Wytwarzanie światłowodów kapilarnych 8

1.5 Rodzaje i nazwy światłowodów kapilarnych 9

1.6 Zastosowania światłowodów kapilarnych 12

1.7 Badania nad światłowodami kapilarnymi 13

1.8 Zakres monografii o światłowodach kapilarnych 14

1.9 Podsumowanie 17

Literatura 19
Rozdział 2 Projektowanie światłowodów kapilarnych 26

2.1 Parametry projektowe światłowodów kapilarnych 26

2.2 Refrakcja i geometria światłowodów kapilarnych 28

2.3 Mechanizmy transmisji i rodzaje fal w światłowodach kapilarnych 30

2.4 Pole elektromagnetyczne i struktura modowa

w refrakcyjnych światłowodach kapilarnych 33

2.5 Dyspersyjne charakterystyki modowe refrakcyjnych światłowodów kapilarnych 35

2.6 Fotoniczny światłowód kapilarny 47

2.7 Podsumowanie 54

Literatura 56


Rozdział 3 Wytwarzanie światłowodów kapilarnych 58

3.1 Wyciąganie szklanych włókien optycznych 58

3.2 Przepływ lepki roztopionego szkła podczas procesu wyciągania światłowodu 60

3.3 Rozwiązanie równań Naviera – Stokesa dla szklanego światłowodu kapilarnego 66

3.4 Rozwiązanie równań Hagen-Poissuille’a dla włókna optycznego 73

3.5 Metoda wytwarzania światłowodu z zastosowaniem dyszy

z naddźwiękowym przepływem gazu inercyjnego 82

3.6 Eksperymenty technologiczne ze światłowodami kapilarnymi 84

3.7 Wpływ parametrów procesu technologicznego na geometrię

światłowodu kapilarnego 89

3.8 Kształtowanie profilu refrakcyjnego światłowodu kapilarnego 97

3.9 Podsumowanie 101

Literatura 102
Rozdział 4 Charakteryzacja światłowodów kapilarnych 105

4.1 Parametry materiałów światłowodowych 105

4.2 Parametry światłowodu kapilarnego 107

4.3 Parametry geometryczne 108

4.4 Parametry optyczne 109

4.4.1 Refrakcja i apertura numeryczna 109

4.4.2 Profil refrakcyjny 110

4.4.3 Charakterystyki spektralne tłumienia 112

4.4.4 Straty mikrozgięciowe 115

4.4.5 Charakterystyki modowe 116

4.4.6 Dyspersja chromatyczna 117

4.4.7 Charakterystyki wrażliwościowe 118

4.4.8 Pole bliski i pole dalekie oraz profile luminancji 119

4.5 Parametry mechaniczne 122

4.5.1 Rozkład statystyczny wytrzymałości 122

4.5.2 Wytrzymałość dynamiczna i zmęczenie statyczne 124

4.5.3 Właściwości mechaniczne, naprężenia wewnętrzne, promień zgięcia 126

4.6 Parametry termiczne 129

4.7 Pokrycie zewnętrzne światłowodu 129

4.8 Kondycjonowanie powierzchni otworu kapilarnego w światłowodzie 129

4.9 Kompatybilność z kapilarą chemiczną i inne parametry 130

4.10 Podsumowanie 130

Literatura 131
Rozdział 5 Zastosowania światłowodów kapilarnych 133

5.1 Zjawisko kapilarne i klasyczne techniki kapilarowe 133

5.1.1 Rodzaje i budowa światłowodów kapilarnych dla zastosowań chemicznych 136

5.1.2 Techniki manipulacji laboratoryjnej kapilarą optyczną 137

5.1.3. Nanodyspensery, pipety i pęsety kapilarne 138

5.1.4 Kapilarna chromatografia gazowa i cieczowa 139

5.1.5 Elektroforeza kapilarna 139

5.1.6 Wiskometria kapilarna 140

5.1.7 Podsumowanie 140

Literatura 142


5.2 Czujniki fotoniczne ze światłowodami kapilarnymi 144

5.2.1 Funkcjonalny moduł kapilarny z ruchomą mikrokroplą 144

5.2.2 Refraktometria kapilarna 146

5.2.3 Turbidymetria i nefelometria kapilarna 148

5.2.4. Mikrooptyka i mikromechanika kapilarna 148

5.2.5 Chemiczne czujniki kapilarne 149

5.2.6 Powierzchniowy rezonans plazmonowy w SK 153

5.2.7 Systemy czujnikowe Typu MOEMS i Lab-on-Chip 154

5.2.8 Podsumowanie 154

Literatura 155


5.3 Kapilarna optyka rentgenowska 158

Literatura 162


5.4 Światłowody kapilarne do transmisji dużej mocy optycznej 163

5.4.1 Mechanizm propagacji w światłowodzie IR 164

5.4.2 Całkowite wewnętrzne odbicie 164

5.4.3 Całkowite zewnętrzne odbicie 164

5.4.4. Stratne odbicie od powierzchni metalu 165

5.4.5 Propagacja dyfrakcyjno-interferencyjna 165

5.4.6 Warunki propagacji dużej mocy w fotonicznym światłowodzie kapilarnym 166

5.4.7 Powietrzny rdzeń światłowodu 166

5.4.8 Apertura numeryczna 167

5.4.9 Wnikanie pola modowego w szkło 167

5.4.10 Struktura modowa 167

5.4.11 Fotoniczne pasmo transmisyjne 167

5.4.12 Przezroczystość szkła 167

5.4.13 Wypełnienie rdzenia 168

5.4.14 Właściwości mechaniczne i termiczne światłowodu 168

5.4.15 Pokrycie zewnętrzne światłowodu 168

5.4.16 Chłodzenie światłowodu 168

5.4.17 Transmisja fali ciągłej IR w fotonicznym światłowodzie kapilarnym 168

5.4.18 Transmisja fali impulsowej IR w fotonicznym światłowodzie kapilarnym 170

5.4.19 Podsumowanie 170

Literatura 171
5.5 Światłowody kapilarne w telekomunikacji 172

5.5.1 Rodzaje światłowodów kapilarnych w telekomunikacji 172

5.5.2 Dlaczego światłowód kapilarny w telekomunikacji? 173

5.5.3 Ograniczenia pojemności transmisyjnej kanału światłowodowego 174

5.5.4 Telekomunikacyjny światłowód kapilarny z porowatym płaszczem 175

5.5.5 Mody powierzchniowe w światłowodzie kapilarnym 176

5.5.6. Powierzchniowa fala kapilarna 177

5.5.7 Podsumowanie 180

Literatura 181
5.6 Transmisja koherentnej fali deBroglie w światłowodzie kapilarnym 182

5.6.1 Optyka atomowa 182

5.6.2 Rodzaje światłowodów kapilarnych dla optyki atomowej 183

5.6.3 Eksperymenty z transmisją i pułapkowaniem zimnych atomów w światłowodzie 184

5.6.4 Atomy rubidu 184

5.6.5 Atomy chromu 184

5.6.6 Atomy cezu 186

5.6.7 Atomy helu 186

5.6.8 Podsumowanie 187

Literatura 188


5.7 Podsumowanie – zastosowania światłowodów kapilarnych 189

5.7.1 Baza danych technologicznych i użytkowych SK i ich udostępnianie 192


Rozdział 6 Rozwój światłowodów kapilarnych 195

Literatura 197


Capillary Optical Fibers – Summary 198

Definition of capillary optical fiber

Technology of optical fiber capillaries

Optical and mechanical properties of capillary optical fibers

Applications of capillary optical fibers

High power optical fiber capillaries

Transmission of coherent deBroglie wave in capillary optical fiber

Optical fiber capillaries in trunk telecommunications



Wykaz oznaczeń i skrótów 203

Skorowidz 210

Rozdział 1

DEFINICJA ŚWIATŁOWODU KAPILARNEGO
Badania nad nowymi materiałami i wykonanymi z nich nowymi strukturami oraz integracja, wydawałoby się odległych, technologii – mechanicznych, elektronicznych, optoelektronicznych i fotonicznych, w celu otrzymania nowych elementów funkcjonalnych są obecnie bardzo silnym czynnikiem postępu naukowo-technicznego. Integracja wymienionych technologii dokonała się, w pewien sposób samoistnie, między innymi poprzez znaczne zmniejszenie wymiaru integrowanego funkcjonalnie elementu mechanicznego, elektronicznego, czy fotonicznego, ale także wymiaru reaktora chemicznego w którym zachodzą badane procesy (nawet do objętości sub-nanolitrowych). Granicą zmniejszania wymiarów niektórych elementów funkcjonalnych jest ograniczenie kwantowe. Powstały techniki MOEMS, lab-on-chip, i inne rodzaje mikro i nanosystemów fotoniczno-elektroniczno-mechanicznych, a także chemicznych. Okazało się, że przy wymiarach nanometrowych dobroć rezonatora mechanicznego może być wyższa niż w innych rozwiązaniach. Spektakularnym znakiem znaczenia tej technologii jest powrót producentów zegarków szwajcarskich do rozwiązań mechanicznych, obecnie mikrosystemowych, analogicznych do techniki MOEMS, a odwrót od rozwiązań czysto elektronicznych i klasycznych elektromechanicznych (rezonator kwarcowy). Jednym z takich kluczowych elementów, który znalazł szerokie zastosowania w budowie pewnej klasy mikrosystemów, chemicznych, optoelektronicznych i fotonicznych, jest światłowód kapilarny – rodzaj połączenia konstrukcyjnego klasycznej kapilary chemicznej ze szklanym światłowodem włóknowym.
1.1 Optyczna kapilara – funkcjonalny element światłowodowy

Szklany światłowód kapilarny (SK), inaczej kapilarne włókno optyczne [1] składa się, w klasycznym rozwiązaniu konstrukcyjnym, które nie wyczerpuje innych rodzajów rozwiązań, z pierścieniowego optycznego rdzenia szklanego z otworem kapilarnym w środku, płaszcza optycznego i pokrycia. Rdzeń o wysokiej refrakcji otacza mikrootwór ciągnący się wzdłuż całej długości włókna. Płaszcz optyczny ma mniejszą refrakcję od rdzenia i oprócz funkcji optycznej (część wewnętrzna płaszcza przyległa do rdzenia) ma funkcję konstrukcyjną (część zewnętrzna płaszcza). Płaszcz optyczny pokryty jest polimerowym płaszczem (pokryciem zewnętrznym) zabezpieczającym szkło przed oddziaływaniem szkodliwych czynników środowiskowych, takich jak woda, jony aktywne, mikrocząstki absorbujące. Propagacja fali świetlnej, w takim dziurawym włóknie szklanym, odbywa się w rdzeniu optycznym i zależy zasadniczo od rozkładu geometrycznego obszaru otworu w przekroju poprzecznym światłowodu i rozkładu refrakcji w pobliżu granicy szkło-powietrze. Światłowody kapilarne mają dwa zasadnicze rodzaje rozkładu refrakcji w płaszczu, na granicy rdzenia i płaszcza. Struktura refrakcyjna płaszcza jest jednorodna, w klasycznym światłowodzie kapilarnym (SK), albo występuje depresja refrakcyjna wokół rdzenia, w światłowodzie kapilarnym z depresją refrakcyjną (SKD).

Światłowód kapilarny należy do szerszej rodziny światłowodów mikrostrukturalnych, inaczej nazywanych instrumentalnymi, instrumentacyjnymi lub czasami nie-telekomunikacyjnymi. Grupa ta obejmuje włókna optyczne o złożonych profilach refrakcyjnych, złożonych kształtach, złożonej strukturze wewnętrznej (np. z elementami metalowymi lub półprzewodnikowymi), wielordzeniowe, fotoniczne, o nie refrakcyjnym mechanizmie propagacji światła, itp. Klasa światłowodów instrumentalnych ulega ciągłemu dynamicznemu rozwojowi od ponad 30 lat. Światłowody instrumentalne służą, najogólniej rzecz ujmując, do prostego, jednostopniowego, lub złożonego, wieloetapowego przetwarzania transmitowanej fali optycznej. Znajdują liczne zastosowania jako elementy funkcjonalne w telekomunikacji światłowodowej i aparaturze optoelektronicznej.
1.2 Parametry światłowodów kapilarnych

Światłowód kapilarny jest niskostratnym, wielowarstwowym włóknem optycznym zbudowanym ze szkła [2] lub polimeru amorficznego [3], w którym istnieje unikatowa możliwość jednoczesnej, współbieżnej lub przeciwbieżnej propagacji na duże odległości, fali elektromagnetycznej [5] łącznie ze strumieniem lub falą materii [6]. Otwór osiowy w SK może być idealnie cylindryczny [7], quasi-cylindryczny, wielokątny, z periodycznym – kątowo rozłożonym i celowo wprowadzonym zaburzeniem powierzchni, podobnie jak w światłowodach fotonicznych w celu usunięcia modów powierzchniowych [8], eliptyczny [9], kwadratowy [10], lub ma kształt złożony. Otwór osiowy w SK jest jednorodny wzdłużnie, liniowo lub eksponencjalnie stożkowy [11,12], w celu wytworzenia sprzęgacza włókno – włókno [11] lub zogniskowania mocy optycznej [12], periodycznie lub aperiodycznie zaburzony za pomocą ‘nano-zmarszczek’ powierzchni w celu wywołania przemiany modowej dla modów fal prowadzonych lub radiacyjnych. Nano-zmarszczki na powierzchni otworu kapilarnego są zamrożoną podczas wyciągania włókna termodynamiczną falą powierzchniową w szkle.

Pusty osiowy otwór rdzeniowy może być odpompowany z powietrza (próżnia) lub wypełniony medium aktywnym, jak np: parą wodną [13], gazem [14], np. wodorem [15], czy metanem [16], cieczą [17,18], ciekłym kryształem [19-21], samoorganizującym się kryształem koloidalnym [22] lub strumieniem pojedynczych, zimnych, niebalistycznych, prowadzonych optycznie cząsteczek [23,24] takich jak atomy, molekuły lub nanokrystality. Celem wypełnienia pustego otworu kapilary jest ograniczenie obszaru oddziaływania pomiędzy falą i materią do niewielkiego rozmiaru części przekroju poprzecznego SK, ale dla znacznej długości włókna optycznego. Proces interakcji ulega ‘wzmocnieniu’ (wiele rzędów wielkości), wskutek występowania znacznych gradientów pola optycznego (a nie wyłącznie wskutek dużego natężenia pola) oraz z powodu znacznej długości drogi oddziaływania.

Powierzchnia wewnętrzna światłowodu kapilarnego jest czystą, ‘dziewiczą’ powierzchnią szkła – pozostającą w warunkach izolacji w próżni od momentu wytworzenia włókna [25], lub jest powierzchnią kondycjonowaną – silanizowaną, hydratyzowaną, pasywowaną względem niezwiązanych mostków tlenowych [26] albo pokrytą różnymi immobilizowanymi cienkimi warstwami aktywującymi [27,28], np. elektrostatycznie samo-porządkującymi się warstwami o dużej sile przylegania [29,30]. Celem kondycjonowania lub pokrywania wewnętrznej powierzchni SK jest przygotowanie jej do pełnienia roli: jako podłoża reakcji, matrycy immobilizatora, katalizatora pomiędzy różnymi oddziaływującymi strumieniami materii i fali oraz jako elementu czujnikowego lub elementu znieczulającego na dany rodzaj oddziaływania materii i fali. Po przeprowadzeniu reakcji pomiędzy falą i materią oraz wykonaniu pomiaru optycznego, rodzaj kondycjonowania lub/i warstwa pokrywająca może być wywołana, spolimeryzowana, optycznie czy chemicznie zmodyfikowana lub też całkowicie usunięta w celu przygotowania powierzchni wewnętrznej SK dla takiego samego, nieco zmienionego lub całkowicie innego procesu.



1.3 Transmisja fali w światłowodach kapilarnych

Charakterystyki propagacyjne SK (włączając w to światłowód jednomodowy i wielomodowy oraz mody silnie związane i słabo upływowe), zależą od stanu powierzchni wewnętrznej włókna [31], względnych wymiarów obszaru pustego w stosunku do długości fali świetlnej oraz refrakcyjnej/dyfrakcyjnej struktury szkła i innych warstw tworzących włókno [32,33]. Warstwy, pokrywające wewnętrzną powierzchnię kapilary, mogą być dielektryczne, np. poliolefiny, półprzewodnikowe [34], np. german, a także z cienkich warstw metali szlachetnych [35] otaczających rdzeń optyczny. Znaczna różnica współczynników załamania na wewnętrznej granicy szkło-powietrze w rdzeniu SK powoduje, że mod podstawowy LP01, w przeciwieństwie do klasycznego światłowodu włóknowego o skokowym profilu refrakcji, może mieć, dla pewnych rodzajów SK, skończoną i różną od zera wartość częstotliwości odcięcia. Wartość częstotliwości odcięcia modu podstawowego w SK, analogicznie jak w światłowodach o profilu typu W i M, zależy od konstrukcji włókna optycznego. Warunkiem posiadania przez mod podstawowy, w jednomodowym SK, niezerowej częstotliwości odcięcia jest, aby refrakcja średnia w obszarze rdzeniowym, obejmującym także otwór kapilarny, była mniejsza od średniej refrakcji obszaru płaszcza. Obszar optyczny światłowodu o takich właściwościach nazywany jest ujemną objętością dielektryczną [36]. Istnienie niezerowej częstotliwości odcięcia w SK czyni z niego przestrajalny, rozłożony filtr modowy. W praktyce, taki filtr jest wytwarzany ze stożkowego odcinka SK. Gdy rdzeń SK jest eliptyczny lub cylindryczny ale zniekształcony mechanicznie, wówczas SK wykazuje dwójłomność i charakteryzuje się utrzymywaniem stanu polaryzacji prowadzonej fali.

Mod podstawowy SK, ze względu na rozkład pola z praktycznie zerowym natężeniem na osi, nazywany jest ciemną pustą wiązką światła (CPW) [37]. CPW ma liczne zastosowania np. w optyce atomowej, mikrooptyce, mikrosystemach i telekomunikacji. Gradient natężenia pola optycznego wewnątrz CPW wywołuje potencjał odpychający cząsteczki (przy odpowiednim odstrojeniu od rezonansu cząstek), utrzymując je na osi SK. Mod podstawowy SK (w postaci wiązki CPW) może być prawie bezstratnie konwertowany do postaci wiązki Gaussa (mod podstawowy światłowodu klasycznego), i odwrotnie, w stożkowym konwerterze modowym o wyjściowym wymiarze rdzenia dopasowanym do sprzężonego klasycznego światłowodu jednomodowego. Transformator modowy wykonany jest z odcinka SK tak, że po obu jego stronach znajdują się transmisyjne odcinki odpowiednich światłowodów jednomodowych, klasycznego i SK. Jest to jedna z podstawowych zalet SK.

Wielomodowy SK o niewielkiej liczbie modów, jest używany do pobudzania określonego zakresu modów wyższego rzędu klasycznego telekomunikacyjnego światłowodu wielomodowego. Taki sposób pobudzania transmisyjnego światłowodu wielomodowego jest wykorzystywany do kompensacji dyspersji wielomodowej w sieciach gigabitowego Ethernetu, a także do budowy przestrajalnych spektralnie filtrów światłowodowych. Pierścieniowy kształt rdzenia optycznego ułatwia sprzęganie dużej mocy optycznej do SK z powodu znacznej wartości stosunku powierzchni rdzenia do płaszcza, w porównaniu do klasycznego światłowodu jednomodowego o skokowym profilu refrakcyjnym. Jednomodowy SK spełnia następujące warunki: ma rdzeń o dużej powierzchni, w którym propagowany jest mod LP01 bez obecności modu LP02, mod podstawowy może mieć niezerową i praktycznie realizowalną częstotliwość odcięcia, możliwa jest eliminacja modów radiacyjnych czy też stymulowanego rozpraszania Ramana (SRR) w pewnym zakresie długości fal oraz transmisja w SK fali SRR w innym zakresie długości fal.


1.4. Wytwarzanie światłowodów kapilarnych

Wytwarzanie światłowodów kapilarnych jest w dużej mierze podobne do metod stosowanych dla światłowodów klasycznych, z tym, że we włóknie szklanym musi być zachowany otwór osiowy. Wykorzystano także doświadczenia wyciągania wysokiej jakości kapilar chemicznych z precyzyjnie kalibrowanych rurek krzemionkowych. Techniki wytwarzania dyskretnych SK różnią się dla czystych i słabo domieszkowanych szkieł krzemionkowych oraz dla szkieł wieloskładnikowych. Techniki te obejmują metody: niedokończonego kolapsu preformy MCVD, preformy dziurawej, preformy składanej rurka w rurce, preformy wierconej, oraz ciśnieniową tyglową [38-40]. Kapilary optyczne o niewielkiej długości do kilkudziesięciu cm (częściej do kilku cm), osadzone w podłożu krzemowym, są także produkowane metodami lokalnego utleniania lub LPCVD [41]. Podstawowym zagadnieniem wytwarzania SK jest: utrzymanie stałości rozmiaru otworu kapilarnego wzdłuż całej długości włókna, zapewnienie wysokiej jakości wewnętrznej powierzchni optycznej kapilary. Innym problemem wytwarzania SK, związanym z minimalizacją kosztów produkcji, jest umiejętność wyciągania włókien o różnych średnicach otworu z jednej i tej samej preformy podczas tego samego procesu technologicznego. Wynika to z faktu, że przygotowanie preformy z najwyższej jakości szkła optycznego jest kosztowne. Preforma jest na ogół dość duża (rzędu kilograma) i wystarcza na wytworzenie znacznej ilości włókna. Zapotrzebowanie, zarówno badawcze, jak i instrumentalne, dotyczy niewielkich ilości kapilar optycznych o bardzo zmiennych parametrach. Umiejętność zmieniania wewnętrznych parametrów geometrycznych kapilary optycznej, przy zachowaniu niezmienionych wymiarów zewnętrznych, w czasie jednego procesu technologicznego, jest koniecznością ekonomiczną.



1.5 Rodzaje i nazwy światłowodów kapilarnych

Światłowody kapilarne (capillary optical fibers – COF, lub optical fiber capillary -OFC) są nazywane w literaturze często także światłowodami pustymi (hollow optical fibers - HOF) lub dziurawymi (holey optical fibers). Określane są również poprzez nazwy szersze np. światłowody mikrostrukturalne (microstructured optical fibers - MOF), instrumentalne (instrumentation) czy też kształtowane (tailored optical fibers). Znaczna liczba nazw wynika z konstrukcji SK i znacznej różnorodności stosowanych terminologii i technologii oraz dużej ilości rozwiązań tych światłowodów, a także przynależności SK do szerszej klasy włókien o podobnych właściwościach odnośnie sposobu przetwarzania transmitowanej fali optycznej. Na przykład, nazwy te stosowane są także do niektórych rozwiązań dziurawych światłowodów fotonicznych (photonic crystal fibers – PCF, lub photonic optical fiber - POF) o strukturze mikroporowatej gęstej lub rzadkiej. Mówimy, że światłowód mikrostrukturalny porowaty jest gęsty jeśli ma niewiele powietrza w przekroju poprzecznym i odwrotnie - światłowód mikrostrukturalny jest rzadki, tym rzadszy, im efektywna refrakcja neff jest bliższa jedności.

Kapilarny światłowód fotoniczny może mieć jedną centralną kapilarę, lub kilka kapilar, oraz wokół niej sieć nanokapilar. Tak więc konieczny jest dodatkowy opis o jaki światłowód chodzi, gdy mówimy o kapilarze optycznej. Światłowód dziurawy (holey core fiber - HCOF) oznacza najczęściej światłowód z zabronioną przerwą fotoniczną (photonic bandgap fiber - PBF), gdzie prowadzenie światła w obszarze niskiej refrakcji jest zapewnione przez periodyczne zaburzenie refrakcji, czyli strukturę kryształu fotonicznego. SK fotoniczny określany jest także terminem hollow-core holey fiber - HCHF (pusty światłowód dziurkowany), lub air core PBF - ACPBF.

Jeśli kapilara nie jest położona osiowo, to mówimy także o światłowodzie dziurawym, ale bocznym (side hole optical fiber – SHOF). Termin „światłowód dziurawy” używany jest także dla rurek szklanych lub szklano-polimerowych do transmisji znacznej mocy optycznej w zakresie IR, np.10,6 µm. Światłowód dziurawy jest włóknem z makrokapilarą, gdzie średnica otworu jest znacznie większa od długości fali optycznej. W odróżnieniu od tego, w SK jednomodowych refrakcyjnych i fotonicznych średnica kapilary jest współmierna z długością fali optycznej.

Fala świetlna propagowana jest w SK z wykorzystaniem dwóch głównych mechanizmów fizycznych: refrakcyjnego, fotonicznego (dyfrakcyjno-interferencyjnego) lub mieszanego, gdzie oba rodzaje fal ulegają wzajemnej transformacji lub współistnieją w jednej strukturze SK. Przez SK refrakcyjny (SKR) rozumiana jest struktura bez fotonicznego pasma zabronionego, ale z osiową kapilarą o optycznej jakości powierzchni wewnętrznej, cylindrycznym rdzeniem optycznym o profilu skokowym lub gradientowym, otoczonym płaszczem optycznym, jednorodnym (SK) lub z depresją refrakcyjną (SKD). Przez SK fotoniczny (SKF) rozumiana jest struktura z osiową kapilarą otoczoną kryształem fotonicznym z cylindryczną fotoniczną przerwą zabronioną. Najczęściej używanymi skrótami w anglojęzycznej literaturze przedmiotu są PCF, PBF dla światłowodów fotonicznych (także o strukturze kapilarnej, ale i bez centralnej kapilary) oraz COF dla światłowodów z dyskretną kapilarą. Należy zwrócić uwagę, że skrót PCF (plastic clad fiber), lub PCS (polymer clad silica) używany jest także dla określenia światłowodu z czystej krzemionki, grubo-rdzeniowego pokrytego przezroczystym, niskostratnym płaszczem silikonowym i przeznaczonego do transmisji dużej mocy optycznej.

Te nazwy ulegają dalszej ewolucji i zróżnicowaniu wraz z tworzeniem nowych rodzajów światłowodów kapilarnych, np. z zawieszonym rdzeniem (suspedned core OFC), z nanokapilarą sub-falową (subwavelength HOF), z płaszczem pajęczynowym (cobweb clad PCOF), itp.

W nieco innym ujęciu, światłowody wykorzystujące strukturę pojedynczej lub wielokrotnej kapilary można podzielić na cztery grupy:


  • światłowody fotoniczne z pustym (makro-kapilarnym) lub pełnym (wypełnionym) rdzeniem optycznym, wokół którego układ kapilar tworzy dwuwymiarową, cylindryczną strukturę fotoniczną, wyznaczającą jeden kierunek rozprzestrzeniania się fali świetlnej. Te światłowody będą nazywane w pracy w skrócie SKF. Dwa rodzaje SKF to włókno porowate - SKFP, oraz Bragga SKFB.

  • falowody kapilarne, w których światło prowadzone jest kapilarą, często o metalizowanych ściankach, lub metalizowanych i pokrytych dielektrykiem. Te światłowody będą nazywane w pracy w skrócie SKM.

  • światłowody kapilarowe, dziurawe (side-hole optical fibers) o zmiennym usytuowaniu cylindrycznego rdzenia względem otworu kapilary dla prowadzenia ustalonego stanu polaryzacji fali lub oddziaływania kapilary z falą optyczną w rdzeniu, poprzez pole zanikające rdzenia. Takie światłowody będą nazywane w pracy w skrócie SD.

  • światłowody kapilarne, o rdzeniu optycznym pierścieniowym, usytuowanym wokół otworu kapilary, i wyłącznie refrakcyjnym mechanizmie propagacji będą nazywane w pracy w skrócie SKR. Dwa rodzaje SKR to włókno o konstrukcji podstawowej – SK i z depresją refrakcyjną – SKD.

Światłowody zawierające powietrze (puste przestrzenie) w swojej strukturze wewnętrznej są, jak wspomniano powyżej, różnie nazywane i klasyfikowane, np: kapilarne, mikrokanalikowe, mikrostrukturalne, dziurawe, z makro-otworem i mikrootworami, fotoniczne, porowate gęste i rzadkie, super-rzadkie - o strukturze pajęczyny lub o zawieszonym rdzeniu. Niektóre z tych struktur spełniają a niektóre z nich nie spełniają warunku modelu pasmowego kryształu fotonicznego. Wspólną cechą tych struktur jest obecność kanałów powietrznych (próżniowych) wzdłuż całej długości światłowodu. Kapilary, wszystkie lub tylko ich część, mogą być wypełnione gazem lub cieczą. Klasyfikacji tych światłowodów dokonuje się w zależności od ilości kanałów, ich wymiarów względem wymiaru całkowitego światłowodu (mierzone stosunkiem powierzchni szkła do powietrza) i względem długości propagowanej fali optycznej, rozmieszczenia kanałów w przekroju poprzecznym światłowodu, a w szczególności względem osi włókna szklanego.

W tabeli 1 zebrano krótkie opisy, nazwy i ich skróty dla niektórych najczęściej opisywanych w literaturze światłowodów kapilarnych, mikrostrukturalnych, fotonicznych, refrakcyjnych, oraz włókien optycznych z makrokapilarą i włókien pokrewnych.





Tabela 1. Klasyfikacja światłowodów kapilarnych

Nazwa skrócona

Opis, budowa, mechanizm propagacji, rodzaj propagowanej wiązki światła

SKR

Światłowód kapilarny refrakcyjny, całkowite odbicie wewnętrzne, wysokorefrakcyjny rdzeń cylindryczny, niskorefrakcyjny płaszcz optyczny. Całkowicie refrakcyjny mechanizm propagacji fali we włóknie.

SK

Światłowód kapilarny refrakcyjny, rozwiązanie podstawowe, propaguje ciemną pustą wiązkę (CPW) światła

SKD

Światłowód kapilarny refrakcyjny, jak rodzaj SK z dodatkową płaszczową depresją refrakcyjną

SKM

Światłowód kapilarny z otworem pokrytym metalem szlachetnym (lub metalem i dielektrykiem), odbicie fali świetlnej od lustrzanej powierzchni metalu, propaguje wielomodową wiązkę światła o dużej mocy i równomiernym rozkładzie natężenia w przekroju poprzecznym

SD

SD IR


SD side-hole

Termin światłowód dziurawy używany jest w odniesieniu do dwóch typów włókien: rurka szklana do transmisji mocy optycznej, np. w zakresie IR, analogicznie do SKM ale nie pokryta metalem, na ogół bez dodatkowej struktury refrakcyjnej; oraz światłowód dziurawy z bocznym usytuowaniem otworu kapilary względem osi włókna i rdzenia optycznego (side-hole). Na ogół jest to światłowód klasyczny, refrakcyjny jednomodowy z otworem w pobliżu rdzenia w celu dostępu do pola zanikającego fali prowadzonej w rdzeniu. Otwarta wersja SK side hole, bez otworu kapilarnego, nazywana jest światłowodem typu D.

SKK

SKKR


SKKF

Światłowód kapilarny kompozytowy. Może mieć, oprócz centralnego otworu kapilarnego otoczonego refrakcyjnym rdzeniem optycznym, lub płaszczem Bragga, także inne otwory do prowadzenia np. kanału metalowego lub półprzewodnikowego.

SK z zawie-

szon. rdzen.




Rodzaj światłowodu kapilarnego o refrakcyjnym mechanizmie propagacji SKR, w którym rdzeń o wymiarze subfalowym jest zawieszony na osi włókna przez np. trzy ultracienkie szklane podpory. Całość struktury wykonana na ogół z jednego rodzaju szkła. Kontrast refrakcji jest tworzony przez układ szkło-powietrze a nie szkło-szkło. Płaszcz optyczny tworzą trzy otwory kapilarne - obszary próżni/powietrza. Płaszcz konstrukcyjny tworzy zewnętrzna rurka szklana o wymiarach standardowych.

SKF

Światłowód kapilarny fotoniczny, fotoniczny mechanizm propagacji fali świetlnej, wyznaczony jedyny dozwolony kierunek propagacji fali, propaguje Gaussowska wiązkę światła. W każdym SKF światło jest ograniczone do obszaru pustego rdzenia poprzez odbicia Bragga od periodycznej struktury płaszcza. Tak więc SKF można ogólnie nazwać światłowodami kapilarnymi Bragga, SKB.

SKFP

SKF-cob-web



SKF porowaty, z otworem kapilarnym rdzeniowym oraz nanokapilarami w obszarze płaszczowym światłowodu, SKFP może być o strukturze gęstej lub rzadkiej. Braggowski mechanizm ograniczenia i propagacji fali w rdzeniu. Podgrupą SKFP jest włókno SKF cobweb o trzech lub czterech warstwach dużych subtelnych otworów tworzących siateczkę szklaną wokół rdzenia, a właściwie trzy cienkie warstwy Bragga rozdzielone powietrzem.

SKFB

SKF Bragga, z otworem kapilarnym rdzeniowym i cylindryczną siatką Bragga o znacznym kontraście w obszarze płaszcza optycznego światłowodu. Braggowski mechanizm ograniczenia i propagacji fali w rdzeniu. Siatka Bragga jest tu poprzeczna B(r) a nie podłużna B(z). W literaturze światłowodem Bragga nazywa się włókno o siatce podłużnej.

SKX

Multi-kapilarny światłowód rentgenowski; całkowite, stratne odbicie zewnętrzne oraz dyspersja anomalna, bardzo mały kąt propagacji wiązki,

SKC, SC, SKG

Rodzaj SK z obszarem otworu kapilarnego wypełnionego cieczą; zazwyczaj refrakcja cieczy jest mniejsza od refrakcji pierścieniowego rdzenia optycznego i wówczas światłowód ma cechy podobne do bazowego rozwiązania SKR; jeśli refrakcja cieczy jest większa, to jest to światłowód z rdzeniem cieczowym lub inaczej światłowód cieczowy SC; SG – światłowód kapilarny gazowy

W, M, SP

Rodzaje światłowodów nie będących SK ale o podobnych właściwościach propagacyjnych do SKR poprzez analogiczną strukturę geometryczną i refrakcyjną; W, M-światłowód o profilu refrakcyjnym typu W i typu M, SP-światłowód pierścieniowy

Głównym przedmiotem analizy i opisu w niniejszej pracy są SKR w obu wersjach SK i SKD. Dodatkowo, pewne fragmenty pracy poświęcono opisowi niektórych podstawowych właściwości światłowodów SKF i ich porównaniom ze światłowodami SKR. Omówiono zastosowania SKR i SKF. Pozostałe rodzaje światłowodów kapilarnych są cytowane jedynie w celu porównania właściwości w ramach wspólnej rodziny włókien optycznych. Światłowody SKR porównywano także, pod względem projektowym i propagacyjnym do światłowodów typu W, M i SP.
1.6 Zastosowania światłowodów kapilarnych

Zastosowania SK wynikają albo z klasycznych właściwości kapilar chemicznych, albo zmodyfikowanych, mających nowe dodane właściwości. Te właściwości to: miniaturyzacja, integracja funkcji i wielofunkcyjność, adaptacja do technologii planarnych, wbudowana inteligencja czujników, nadmiarowość, niezawodność. Ogólne obszary zastosowań SK można sklasyfikować następująco: lasery światłowodowe, mikroobróbka, pomiary optyczne, ko-propagacja materii (w tym także wiązki cząstek elementarnych i złożonych) i fali, oddziaływanie fali zanikającej [42]. Dziedziny zastosowań dyskretnych SK i optycznych kapilar zintegrowanych, planarnych, można ogólnie podzielić na następujące obszary:



  • klasyczna technologia kolumnowych kapilar chemicznych, jak elektroforeza kapilarna i chromatografia [43,44];

  • nowe złożone i zminiaturyzowane chemiczne techniki kapilarne, jak łączenie reaktantów, derywatyzacja, etykietowanie, reakcje w objętościach mikro i nanolitrowych, mikrofluidyka, określanie wzorców w przepływach bąbelkowych gaz-ciecz [45-47] a także układy typu laboratorium w kapilarze [48];

  • techniki kapilar chemicznych rozszerzone o oddziaływanie i pomiar optyczny, jak np. absorbancja fali zanikającej [49], spektroskopia ultradźwiękowa i optyczna [50] oraz spektrofluorometria [51];

  • typowe zastosowania światłowodowe to transmisja w SK ultraniskostratnym małej mocy optycznej, modulowanej, na duże odległości [52,53]; transmisja dużej mocy optycznej na krótsze odległości [54,55] w SK pustym lub cieczowym [56-59]; elementy funkcjonalne dla złączy światłowodowych np. kalibrowane rurki [60,61], elementy dla mikrooptyki, mikrostruktur i mikrosystemów [62], konwertery modowe; specjalizowane linie transmisyjne do przetwarzania sygnału optycznego;

  • SK cieczowe o dużych wymiarach i dużej wartości apertury numerycznej NA dla celów oświetleniowych w zakresach spektralnych UV, widzialnym i IR [63];

  • transmisja dużej mocy w zakresie widzialnym i IR w SK o złożonej konstrukcji wielowarstwowej [64] dla laserów na swobodnych elektronach, z metalowymi warstwami pokrytymi dielektrykiem [65], wytworzone ze szkieł tlenkowych [66,67], szkieł chalkogenkowych [68], lub SK wiązkowe [69];

  • SK dużej mocy do transmisji promieniowania lasera CO2 oraz dla laserów UV dużej mocy [70-73];

  • SK fotoniczne o mechanizmie propagacji bazującym na fotonicznej przerwie zabronionej [74,75];

  • mikrooptyka kapilarna dla transmisji promieniowania X [76,77];

  • SK dla optyki atomowej, transmisja fali materialnej deBroglie, transmisja cząstek w studni potencjału tworzonej przez jednomodową, ciemną, pustą wiązkę światła (CPWS), chłodzenie atomów, kontrolowana propagacja atomów, kontrolowane osadzanie atomów, utrzymywanie nanoobiektów w polu CPWS [78-81];

  • wykorzystanie SKF do budowy odwrotnego lasera na swobodnych elektronach, typu I-FEL, przyspieszanie i tworzenie femtosekundowych zgęstek elektronowych w ciągłej wiązce elektronowej ko-propagującej z wiązką światła w SKF; deceleracja cząstek;

  • światłowody nanokapilarne, porowate [82];

  • systemy typu laboratorium na układzie scalonym, laboratorium w kapilarze, mikrosystemy chemiczne, chemiczne systemy typu MOEMS [83-89], ewoluujące w kierunku złożonych hybrydowych układów scalonych z wykorzystaniem SK do transmisji materii i energii;

  • lasery na SK [90-95], lasery planarne z kapilarą zintegrowaną,

  • fotoniczne SK wykorzystujące mechanizm transmisji Von Neumanna – Wignera stanów związanych i quasi-związanych wewnątrz kontinuum [96,97].


1.7 Badania nad światłowodami kapilarnymi

Światłowody kapilarne są przedmiotem badań, zarówno podstawowych dotyczących nowych zjawisk propagacji światła w strukturach szklano – powietrznych, jak i badań aplikacyjnych – w kierunku czujników i fotonicznych elementów funkcjonalnych. Bieżące badania nad SK i bazującymi na nich czujnikami oraz fotonicznymi elementami funkcjonalnymi koncentrują się na takich zagadnieniach jak: wielokanałowe transmisyjne systemy kapilarne [98], pomiary fali zanikającej [99], optrody jonowe dla metali ciężkich, jak np. chrom [100], spektroskopia absorpcyjna [101], spektroskopia sub-mikrolitrowa [102], spektroskopia Ramanowska w wysokim ciśnieniu [103], światłowodowa elektroforeza wielofalowa [104,105], refraktometria [106,107], wiskometria [108], mikrofluidyka [109,110] z warstwą półprzewodnika osadzoną wewnątrz SK, detekcja gazów [111-113], bioczujniki [114,115], czujniki medyczne [116], czujniki chemiczne [117], fluorymetria [118] z wykorzystaniem SK wypełnionych ciekłymi kryształami, czujniki temperatury [119] z wykorzystaniem SK z siatką Bragga, laserowe pułapkowanie nanokrystalitów w SK [120], optyka atomowa, konwertery i filtry modowe dla telekomunikacji optycznej [121-123], tłumiki stymulowanego rozpraszania Ramana [124], lasery na SK, i wiele innych.

Prace badawcze w kraju nad światłowodami kapilarnymi i ich zastosowaniami były finansowane częściowo przez Program PBZ-MIN-009/T11/2003 pt. „Elementy i moduły optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie środowiska i technice wojskowej”, realizowanego w latach 2004-2008. Światłowody kapilarne do badań i pomiarów wyciągano w Katedrze Promieniowania Optycznego (KPO) Politechniki Białostockiej. Unikatowe w skali kraju laboratorium technologiczne światłowodów kształtowanych, o wieloletnim doświadczeniu badawczym jest zlokalizowane na terenie KPO PB. Przez dłuższy czas Laboratorium to było ściśle związane z lokalnym przemysłem szklarskim. Laboratorium powstało w wyniku współpracy Politechniki Białostockiej z Hutą Szkła Białystok. Konstrukcja sprzętu w oparciu o wielomodowe i jednomodowe światłowody kapilarne podejmowane są w kilku miejscach w kraju, między innymi w Instytucie Optyki Stosowanej, w IMiO Politechniki Warszawskiej, Politechnice Białostockiej oraz na AGH. Dwa główne obszary zastosowań to: fotoniczne SK [125] produkowane w Lublinie na UMCS [126] i w ITME oraz nie-fotoniczne SK [127] produkowane w Białymstoku [128] i w ITME.

W ramach tego programu [129-131], koordynowanego przez Politechnikę Warszawską [132] oraz ITME [133], wyniki prac nad SK wzbudziły zainteresowanie, wśród wielu laboratoriów, badaniami nad praktycznymi zastosowaniami dostępnych w kraju rodzajów SK [2,134]. Niektóre z tych zastosowań obejmują: SK o znacznej wytrzymałości mechanicznej [135], manipulację nanolitrową kroplą cieczy wewnątrz SK łączonymi metodami optycznymi, elektrycznymi i mechanicznymi [136-139], wieloparametrowy czujnik typu „laboratorium w światłowodzie” [140-142], reflektometrię [143-144], nefelometrię i turbidymetrię w systemie MOEMS na kapilarze [145], refraktometrię [146], termometrię [147], wpływ na strukturę modową [148,149], zintegrowane elektroforetyczne mikrokomponenty kapilarne [150], telekomunikację [151], transmisję dużej mocy optycznej [152], modelowanie współ-propagacji fali i materii [153], SK domieszkowane ziemiami rzadkimi i światłowody o rdzeniach pierścieniowych [154], światłowody o rdzeniach ciekłokrystalicznych [155-160], oraz znaczną liczbę innych rodzajów czujników i elementów funkcjonalnych. Prace w kraju nad zastosowaniami kapilar optycznych i światłowodów o ciekłym rdzeniu w celach transmisyjnych [161] i czujnikowych [162,163] prowadzone są od dawna. Dzięki dostępności wielu rodzajów takich światłowodów o różnych właściwościach prace te są intensywnie kontynuowane zarówno w kraju [164-166], jak i zagranicą [167].

Światłowody włóknowe z falą zanikającą, gdzie znaczna część pola optycznego rozprzestrzenia się w powietrzu, są rodzajem włókien optycznych przeznaczonych do badań propagacji fali optycznej w długich strukturach szkło–powietrze dla celów budowy kryształów fotonicznych oraz do budowy mikroczujników optoelektronicznych przeznaczonych do pomiaru następujących wielkości: optycznych, np. refrakcji, chemicznych, np. obecność specyficznych substancji, mechanicznych, np. naprężeń, temperatury, przepływów kapilarnych. Zmiana usytuowania rdzenia względem otworu w światłowodzie z kapilarą boczną, czy refrakcja i wymiary rdzenia pierścieniowego wokół otworu kapilary decydują o wielkości pola optycznego w otworze. Istnieją rozwiązania SK, w których znaczna cześć pola jest propagowana w powietrzu. Światłowody dziurawe – kapilarne ze szkieł miękkich, przeznaczone do badań naukowych, są trudno dostępne na rynku światowym. Nieliczne grupy tych włókien są produkowane na skalę laboratoryjną w kraju i za granicą. Wiele grup tych światłowodów jest zupełnie niedostępnych, np. wytwarzanych ze szkieł wieloskładnikowych metodą tyglową oraz pręt-rura i wieloetapowymi metodami hybrydowymi, a także ze szkieł domieszkowanych, o projektowanych właściwościach fizyko-chemicznych.

W zależności od wymienionych parametrów światłowody kapilarne mają różne parametry optyczne i sygnałowe. Część tych parametrów nie została dokładnie zbadana lub jest właśnie badana w laboratoriach światłowodowych. Niedawno odkryto szereg interesujących charakterystyk światłowodów dziurawych, na przykład: bardzo wysokie poziomy czułości na ciśnienie dla światłowodów typu side-hole przy niewielkiej ich czułości na temperaturę, zdolność utrzymywania stanu polaryzacji fali światłowodów z makro-kapilarą, modulacyjne właściwości światłowodów z makro-kapilarą, anomalne zwiększenie wymiaru pola modowego w gęstych światłowodach dziurawych, generacja światła białego w rzadkich światłowodach dziurawych, anomalna dyspersja w rzadkich światłowodach dziurawych.



1.8 Zakres monografii o światłowodach kapilarnych

W książce starano się przedstawić jak najbardziej pełny portret światłowodów kapilarnych, rozpoczynając od próby ich definicji (rozdział 1), a obejmujący takie zagadnienia jak: projektowanie (rozdział 2), wytwarzanie (rozdział 3), pomiary (rozdział 4), zastosowania (rozdział 5), oraz podsumowanie i dalszy rozwój (rozdział 6). Głównym przedmiotem monografii są SK refrakcyjne. Niektóre z zagadnień technologicznych i technicznych związanych z SK fotonicznymi poruszono tutaj ze względu na chęć stworzenia w miarę pełnego portretu kapilary optycznej. Kapilara optyczna ma dwojaką naturę: refrakcyjną i fotoniczną. SK fotoniczne stanowią obecnie tak szeroki obszar badawczy, że zasługują na odrębną obszerną monografię.

Wiele z przedstawionych charakterystyk światłowodów kapilarnych dotyczy włókien optycznych wytworzonych w laboratoriach krajowych metodą składania preformy. Zmiany proporcji geometrycznych SK wytwarzanych z pojedynczej preformy są możliwe on-line poprzez kontrolę nadciśnienia i warunków termicznych w obszarze menisku wypływowego szkła. Ta możliwość znacznie obniża koszty produkcji SK. Takie warunki wytwarzania SK znajdują się wśród rozwiązań równań Naviera-Stokesa adaptowanych do geometrii procesu wyciągania światłowodów i rozkładu temperatury w piecu. Rozwiązania równań Naviera-Stokesa, nazywane polami prędkości, określają szereg wielkości będących przedmiotem zainteresowania producentów światłowodów, takich jak: prędkość przepływu gorącego szkła, siła wyciągania włókna, oraz geometria wynikowego włókna. Jeśli SK jest wyciągany metodą wielotyglową lub metodą hybrydową, tyglowo-preformową, gdzie gorące szkło przepływa przez koncentryczny układ dyszy, to geometrię tworzonego światłowodu można przewidzieć z rozwiązań równań Hagena-Poisseuilla. Jeśli zestaw szkieł budowanego SK ma mobilne jony, to kształtowany w czasie wysokotemperaturowego etapu technologii profil refrakcyjny (obszar kontaktu różnych szkieł w strumieniach wypływowych z tygli i w menisku wypływowym) można przewidzieć z rozwiązań równań dyfuzji.

Wyniki obliczeń projektowych i eksperymentów technologicznych przedstawiono dla światłowodów kapilarnych o następujących zakresach parametrów: średnica wewnętrzna od 2 μm do 200 μm, średnica zewnętrzna od 30 μm do 350 μm, niepewność poprzecznych wymiarów geometrycznych wzdłuż włókna (włączając w to eliptyczność) mniejsza niż 1%. Parametry wytwarzanych SK z wysokiej jakości szkieł wieloskładnikowych o niskich stratach są to: straty <100 dB/km dla λ≈0,5÷1,2 µm, wytrzymałość mechaniczna ponad 1GPa ze współczynnikiem Weibulla w zakresie 3-7, wewnętrzna apertura numeryczna 0,1-0,3, zewnętrzna apertura numeryczna 0,1-0,3, refrakcja rdzenia 1,5-1,8, refrakcja płaszcza 1,5-1,7, zakres spektralny przezroczystości od 0,4 μm do 2 μm, termicznie lub chemicznie kondycjonowana powierzchnia wewnętrzna, podwójna zewnętrzna zabezpieczająca warstwa poliamidowa lub silikonowa, zewnętrzne pokrycie twarde lub miękkie. Światłowody dla eksperymentów są zakończone konektorem. Produkowane światłowody były stosowane w układach własnych oraz w szeregu laboratoriów, którym je udostępniono do eksperymentów. Zastosowania obejmują: spektroskopię, refraktometrię, mikrofluidykę, oraz elementy funkcjonalne dla mikrooptyki.

W rozdziale 2 przedstawiono konsekwencje wyboru refrakcji i geometrii światłowodu kapilarnego (czyli jego projektu) na strukturę propagowanej w nim fali optycznej. Porównano właściwości propagacyjne SK ze światłowodami klasycznymi, jednomodowymi i wielomodowymi oraz ze światłowodami o pokrewnych profilach refrakcyjnych typu W i M. Pokazano, że SK może mieć niezerową, skończoną wartość częstotliwości odcięcia modu podstawowego.

Przedmiotem rozdziału 3 jest proces technologiczny wytwarzania światłowodów kapilarnych. Przedstawiono metodę tyglową i preformową. Najistotniejszymi parametrami kapilary optycznej jest wymiar otworu, proporcja geometryczna pomiędzy szkłem i powietrzem w przekroju poprzecznym, oraz skupienie energii optycznej w pobliżu otworu kapilary. Pokazano jak metodami technologicznymi można optymalizować te parametry. Kapilary dyskretne, o wysokiej jakości mechanicznej, optycznej i geometrycznej, są elementami wyjściowymi do produkcji multi-kapilarowych światłowodów fotonicznych.

Szkło jest materiałem bardzo kruchym. Światłowody szklane pełne i kapilarne znajdują zastosowania w telekomunikacji i systemach instrumentalnych, gdzie muszą spełniać określone normy wytrzymałości mechanicznej, chemicznej, środowiskowej, jak np. odporności na wilgoć, odporności na zrywanie, zapewniać możliwość bezpiecznego wyginania do pewnego granicznego kąta – wynikającego z potrzeb zastosowania. W rozdziale 4 zebrano niektóre zasady badania teoretycznego i praktycznego oraz pomiarów wytrzymałości mechanicznej światłowodów. W szczególności przedstawiono pomiary i obliczenia wytrzymałości mechanicznej oraz pomiary niektórych parametrów optycznych światłowodów kapilarnych do zastosowań instrumentalnych. Badane światłowody kapilarne były wytwarzane w Katedrze Promieniowania Optycznego Politechniki Białostockiej.

W rozdziale 5 dokonano uaktualnionego przeglądu zastosowań światłowodów kapilarnych w takich obszarach jak: opto-chemiczne, transmisja dużej mocy, transmisja fali deBroglie i telekomunikacja. Niektóre z tych zastosowań wynikają z klasycznych właściwości kapilar i urządzeń kapilarowych wykorzystywanych w takich dziedzinach jak reometria, elektroforeza czy chromatografia kolumnowa, ale niektóre są związane ściśle ze współpropagacją mikromasy z falą optyczną zanikającą o znacznym gradiencie lub falą optyczną o znacznym natężeniu. W pierwszym przypadku fala optyczna jest propagowana, na zasadzie czysto refrakcyjnej, w cienkim (w coraz częstszych zastosowaniach jednomodowym) pierścieniowym rdzeniu przylegającym do otworu kapilary. W drugim przypadku, maksimum natężenia fali optycznej jest na osi światłowodu, a więc w otworze, i fala jest propagowana nie na zasadzie refrakcyjnej a w falowodzie Bragga (jednowymiarowe fotoniczne pasmo dozwolone). W otworze jest próżnia lub ośrodek materialny propagowany kapilarą (gaz, ciecz, pojedyncze atomy, szereg uporządkowanych cząsteczek). Kapilary optyczne włóknowe i wbudowane stają się fundamentalnym elementem nano- i mikrosystemów typu MOEMS.

Szklane światłowody kapilarne, w różnych rozwiązaniach, początkowo klasycznych (refrakcyjnych i refleksyjnych), a obecnie fotonicznych (dyfrakcyjnych i interferencyjnych), mogą transmitować duże moce optyczne fali ciągłej i impulsowej. Wynika to z faktu, że moc optyczna jest prowadzona prawie całkowicie w powietrzu, gazie szlachetnym lub próżni a nie w szkle. Poziom optycznych zjawisk nieliniowych w powietrzu jest ok. tysiąckrotnie mniejszy niż w szkle światłowodowym. W rozdziale 5 przedyskutowano: możliwe mechanizmy propagacji w kapilarze optycznej oraz zalety/wady tych mechanizmów przy transmisji dużej mocy, optymalne parametry światłowodu dużej mocy, rodzaje stosowanych materiałów, oraz podkreślono istniejące obecnie ograniczenia techniczne i uzyskiwane wyniki transmisyjne. Przedstawiono także tendencje rozwojowe nowej generacji fotonicznych światłowodów kapilarnych dużej mocy.

Poruszono podstawowe problemy związane z potencjalną możliwością zastosowania, w przyszłości, w kablowej telekomunikacji optycznej, jednomodowych światłowodów kapilarnych (tzn. z rdzeniem powietrznym) zamiast jednomodowych światłowodów klasycznych z rdzeniem szklanym domieszkowanym erbem. Podjęto próbę odpowiedzi na następujące pytania: skąd obecnie wynikają ograniczenia pojemności informacyjnej kanału światłowodowego, jakie są hipotetyczne parametry kanału informacyjnego ze światłowodem kapilarnym, jakie są podstawowe proponowane rozwiązania konstrukcyjne światłowodów kapilarnych dla telekomunikacji, z czego wynikają ograniczenia konstrukcyjne telekomunikacyjnych światłowodów kapilarnych. Omówiono perspektywy rozwoju podstawowych typów światłowodów kapilarnych oraz przedstawiono przykłady prowadzonych badań i obecnych zastosowań światłowodów kapilarnych w telekomunikacji światłowodowej.



Omówiono nową metodę transmisji atomowej fali deBroglie w jednomodowym światłowodzie kapilarnym. Odstrojona nieznacznie w kierunku fal niebieskich, od rezonansu atomowego, optyczna fala zanikająca, tzw. ciemna pusta wiązka światła (CPW), w jednomodowym rdzeniu pierścieniowym kapilary stanowi barierę potencjału dla współpropagującej lub przeciwpropagującej się w kapilarze fali deBroglie. Także odwrotnie, odstrojona w kierunku fal czerwonych wiązka gaussowska propagowana w otworze kapilarnym przyciąga w kierunku osi światłowodu falę materialną. Długość stosowanych fal optycznych, związanych z wykorzystywanymi do transmisji fali deBroglie przejściami atomowymi, zawierała się w zakresie od 400 nm do1100 nm. Transmitowano w światłowodzie, początkowo wielomodowym a następnie jednomodowym, z różną skutecznością, wzbudzone, metastabilne, zimne atomy chromu, rubidu, cezu, helu, metali alkalicznych i inne. Rozważane są wstępnie perspektywy zastosowań tej nowej metody transmisji fali deBroglie do budowy koherentnych źródeł zimnych atomów, interferometrów atomowych i urządzeń odwrotnej litografii atomowej, będącej, być może w przyszłości, konkurencją fotolitografii krótkofalowej.
1.9 Podsumowanie

  • Światłowodem kapilarnym nazywamy rodzaj włókna optycznego, na ogół szklanego, wysokokrzemionkowego lub ze szkła wieloskładnikowego, ale także z polimeru, posiadającego właściwości niskostratnej transmisji fali optycznej wielomodowej lub jednomodowej na znaczne odległości (w porównaniu z długością fali) i jednocześnie posiadającego właściwości klasycznej kapilary, pozwalające na transport niewielkich ilości materii, współbieżnie lub przeciwbieżnie do fali optycznej. Światłowód kapilarny składa się z: otworu kapilarnego, rdzenia i płaszcza optycznego oraz zabezpieczającego pokrycia zewnętrznego. Przekrój poprzeczny najprostszego rozwiązania światłowodu kapilarnego refrakcyjnego jest analogiczny do klasycznej kapilary chemicznej z tą różnicą, że wyróżniony jest obszar niskostratnego pierścieniowego rdzenia optycznego, okalającego bezpośrednio otwór kapilarny.

  • Trendy rozwojowe SK wywodzą się w dwóch zasadniczo różnych dziedzin: chemii i optyki. Wydaje się zasadne wykorzystanie dodatkowych możliwości, interakcji z falą świetlną i pomiaru za pomocą fali świetlnej, dostępnych w optycznej kapilarze chemicznej, która jest w wielu przypadkach nieznacznie zmodyfikowaną klasyczną kapilarą chemiczną.

  • Rdzeniem optycznym w SKR jest cienka, niskostratna, wysokorefrakcyjna, pierścieniowa warstwa bezpośrednio przyległa do otworu kapilarnego lub odseparowana od niego cienką warstwą transformującą o niższej refrakcji.

  • W rdzeniu pierścieniowym SKR fala optyczna jest propagowana metodą refrakcyjną (modem podstawowym jest HE11) – i jest podzielona na dyskretne mody. SK może być wielomodowy i jednomodowy. Mod podstawowy ma postać ciemnej pustej wiązki światła CPWS. Jeśli rdzeń pierścieniowy jest stosunkowo wąski, to pewna część mocy optycznej (fala zanikająca) wnika w otwór kapilary, stanowiąc podstawę do szeregu aplikacji wykorzystujących oddziaływanie silnego gradientu fali zanikającej z materią.

  • Rdzeniem optycznym w SKF jest pusty (próżnia) lub wypełniony (powietrzem, innym gazem, cieczą, itp) otwór kapilarny. Zawsze refrakcja obszaru otworu kapilarnego pustego lub wypełnionego jest znacznie mniejsza od refrakcji obszaru przylegającego szkła.

  • W otworze kapilarnym SKF fala optyczna jest propagowana metodą fotoniczną (dyfrakcyjno-interferencyjną) – i jest również podzielona na dyskretne mody. SKF może być jednomodowy i wielomodowy. Fotoniczny mod podstawowy ma postać wiązki Gaussowskiej. Z rdzeniowymi kapilarnymi modami fotonicznymi w SKF współistnieją refrakcyjne mody powierzchniowe.

  • Propagacja fali optycznej o małej gęstości mocy w otworze kapilary o znacznym, ale jednomodowym rozmiarze na wielkie odległości stanowi podstawę do potencjalnie nowego kierunku rozwoju telekomunikacji światłowodowej bazującej na SKF.

  • Telekomunikacja typu SKF różni się zasadniczo od klasycznej telekomunikacji światłowodowej. Nawet do 99% mocy fali optycznej może być prowadzone w próżni lub powietrzu. W klasycznej telekomunikacji światłowodowej 100% mocy optycznej jest prowadzone w szkle.

  • Propagacja fali optycznej o dużej gęstości mocy w otworze kapilary o niewielkim wymiarze na znaczną odległość, w światłowodzie SKF, stanowi podstawę do aplikacji wykorzystujących oddziaływanie takiej fali z materią.

  • O właściwościach transmisyjnych światłowodu kapilarnego w dużej mierze decyduje proporcja szkło-powietrze (a raczej próżnia lub inne wypełnienie otworu) jaką widzi propagowana fala optyczna. Stąd, kapilary mogą być stosowane do transmisji dużych mocy optycznych, spektroskopii niewielkich ilości współ-propagowanej materii, wspomaganej optycznie chromatografii, elektroforezy i reologii, szczególnie w przyszłościowych układach typu MOEMS. Kapilary optyczne posiadają anomalne właściwości dyspersyjne, mogą wykazywać silne optyczne cechy nieliniowe, stanowią elementarny składnik znacznej rodziny włóknowych światłowodów fotonicznych – multi-kapilarnych.

  • SK znajdują coraz częstsze zastosowania w modyfikowanych układach kapilar chemicznych oraz w technice mikrosystemów jako fotoniczne transmisyjne elementy funkcjonalne, czujniki, reaktory chemiczne i części systemów MOEMS.

  • SK refrakcyjne i fotoniczne należą do szerokiej klasy światłowodów instrumentalnych [168], w literaturze krajowej nazywanych nietelekomunikacyjnymi. Wyjątkiem są SKF telekomunikacyjne.

  • Na rys. 1 i 2 przedstawiono fotografie dwóch głównych klas SK, refrakcyjnego – SKR oraz fotonicznego – SKF.

a) b)


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna