Background della ricerca e piste recenti
Le fibre di vetro di silice a nucleo solido dominano da tempo il campo della trasmissione ottica efficiente e flessibile, soprattutto nel settore delle telecomunicazioni e dell'industrialaser.
Tuttavia, per le applicazioni industriali che richiedono trasmissione laser ad alta potenza, le fibre ottiche convenzionali devono affrontare molte sfide.
A causa di processi non lineari come l’effetto Kerr, lo scattering Raman eccitato e le limitazioni della soglia di danno del vetro di silice, le fibre convenzionali spesso non sono in grado di trasmettere laser ad alta potenza, il che limita notevolmente la densità di potenza erogabile.
L’emergere delle fibre a nucleo cavo (HCF) fornisce nuove idee per risolvere questo problema. Negli HCF, oltre il 99,99% della luce guidata è concentrata in un nucleo centrale riempito d'aria (o vuoto), superando molte delle limitazioni dei nuclei in silicio solido o delle fibre ottiche convenzionali.
Nel 2022, un team di Southampton, nel Regno Unito, ha dimostrato con successo i vantaggi di un nuovo design HCF, trasmettendo 1 kW di luce nel vicino infrarosso a onda continua per una lunghezza di 1 km, dimostrando pienamente l’enorme potenziale di questa tecnologia.
Nell'ultimo studio, il team ha ulteriormente esteso il campo di applicazione degli HCF trasmettendo con successo impulsi laser da 520 nm con una potenza di picco di kilowatt attraverso un 300-metro HCF.
Questa innovazione non solo estende la capacità degli HCF alle lunghezze d’onda verdi, ma è anche significativa per molte applicazioni industriali.
Tuttavia, lo sviluppo di HCF a lunghezze d'onda visibili deve affrontare sfide di fabbricazione a causa delle loro minuscole caratteristiche strutturali. Per superare queste sfide, il gruppo di ricerca ha condotto uno studio completo e non lineare su una vera fibra a nucleo cavo a lungo raggio gonfiata.
Hanno scoperto che gli effetti non lineari degli HCF sono più pronunciati nella regione del visibile rispetto alla regione dell’infrarosso, il che è attribuito sia alla dimensione ridotta del nucleo che alla lunghezza d’onda operativa più breve.
Fibre a nucleo cavo per la trasmissione di potenza del laser verde
L'HCF utilizzato in questo lavoro sfrutta il principio della luce guidata antirisonanza. La luce guidata è confinata da una serie di sottili pellicole di vetro che circondano il nucleo della fibra. Questo design è realizzato attraverso un unico anello costituito da sette capillari di rivestimento, i sette strati di rivestimento raggiungono un buon equilibrio tra perdita, perdita di flessione e morfologia.
La fibra è stata fabbricata utilizzando il metodo stack-and-stretch con vetro di silice fuso Heraeus F300, con un diametro del nucleo di circa 20,7 µm e un diametro del campo modale di 14,5 µm, ed è in grado di guidare la luce da 515 nm a 618 nm con perdite inferiori a 30 dB/km.
Sebbene la lunghezza della fibra dichiarata sia di 300 metri, il gruppo di ricerca di Southampton è riuscito a produrre diversi chilometri di fibra utilizzando questo processo.
La fibra è anche relativamente insensibile alla perdita da flessione, che è inferiore a 0,1 dB/m per curve superiori a 13 cm di diametro alla lunghezza d'onda operativa di 520 nm.
Questa innovazione fornisce un supporto tecnologico fondamentale per la lavorazione dei materiali ad alta precisione ed efficienza, in particolare nell’applicazione dei laser verdi.
In futuro, si prevede che questa tecnologia svolgerà un ruolo importante in settori come la produzione di veicoli elettrici, soprattutto in aspetti chiave come la produzione di batterie.
