About / Advertise
Hundratals längsgående hål ger optiska fibrer med nya finesser
Fotoniska kristallfibrer är en ny klass av optiska fibrer som fått stor uppmärksamhet på sistone. Fiberns mantel innehåller ett antal längsgående mikrometerstora hål och ljuset transporteras antingen i en solid kärna, vanligtvis odopad, eller i ett hålrum.
Fotoniska kristallfibrer är en ny klass av optiska fibrer som fått stor uppmärksamhet på sistone. Fiberns mantel innehåller ett antal längsgående mikrometerstora hål och ljuset transporteras antingen i en solid kärna, vanligtvis odopad, eller i ett hålrum.
| Bandgapsfenomen fångar ljuset i kärnan. Bandgapsspridningen i Hollow-fibern kommer av Bragg-reflektioner, som är en ny mekanism för optiska fibrer. Kortfattat kan man säga att en periodisk struktur ger en koherent interferens om två material med olika brytningsindex varvas och tjockleken på respektive material är en multipel av halva ljusvåglängden. Ljuset med en viss våglängd reflekteras alltså tillbaka in i fiberns mitt, som bildar en vågledare. Ju fler hål fibern har, desto smalbandigare blir den. |
Hålfibrer finns i två varianter, en kallad Holey med solid kärna och en kallad Hollow med ihålig kärna. Vanligast är den förstnämnda. I denna fiber transporteras ljuset med hjälp av samma princip som i en vanlig optisk fiber. Brytningsindex är således något högre i kärnan än i manteln.
Ljuset går i luft
En Holeyfiber kan byggas av glas. Den solida kärnan får då brytningsindex 1,5 medan de många små luftfyllda hålen sänker brytningsindex i manteln. Om hålens diameter görs små jämfört med ljusvåglängden i kärnan upplever ljuset att manteln utgörs av ett material med lägre brytningsindex än glas. Därmed behöver glaset inte dopas för att överföra ljus.
- Men det är mycket viktigt att hålens väggar görs väldigt smala, mindre än en mikrometer. Annars leds ljuset ut av glasväggarna och försvinner, säger Walter Margulis, expert på optiska fibrer på forskningsinstitutet Acreo i Kista.
Hålen måste däremot inte ligga absolut periodiskt för att tekniken ska fungera. Det kräver dock den andra fibervarianten. I Hollowfibern är det nämligen ett bandgapsfenomen som leder ljuset framåt (se faktaruta).
- Det intressanta är att en kärna av luft kan guida ljuset. Kärnan kan också fyllas med gas eller vatten och fortfarande guida ljus, säger Walter Margulis.
Genom att fiberkärnan kan fyllas med vätska kan den användas till en mängd nya tillämpningar, exempelvis till biologiska prover som DNA- och blodanalyser.
För Holeyfibern finns redan intressanta tillämpningar. En sådan är bredbandiga ljuskällor kallade supercontinuum sources.
Buntar med många små rör
Tekniken går ut på att en fiber pumpas med en stark laser, varvid ett vitt ljus kommer ut. Våglängdsspridningen orsakas av att de många väldigt små hålen stänger in den höga intensiteten i kärnan. Därmed uppstår olinjära effekter som ökar kraftigt med ökad ljusintensitet.
Visserligen kan man få samma fenomen med vanliga optofibrer men då krävs det väldigt höga optiska effekter och således dyra lasrar. Denna begränsning har inte hålfibrer, som kan utnyttja billigare lasrar i våglängdsområdet från 600 till 1 600 nm.
Ett av de mest kritiska momenten i fibertillvekningen är att ta fram utgångsmaterialet, den så kallade preformen. Till klassiska fibrer används normalt en glasstav, cirka en meter lång med en diameter på några centimeter.
Det absolut vanligaste sättet att skapa en preform till hålfibrer är att bunta ihop en mängd kapillärrör för hand. Kapillärrören läggs i ett önskat mönster. I mitten placeras endera ett fyllt glasrör eller ett tomt rör, beroende av fibersort som ska tillverkas.
Helheten värms till runt 2 000 grader C, så att glasrören mjuknar och fäster vid varandra. Därefter dras preformen på ett mycket kontrollerat sätt ut till en fiber på några kilometer, normalt med en diameter på 125 μm och en kärna som är cirka 2 till 3 μm bred. Fibern kan ha flera hundra hål, med en diameter som vanligtvis är 0,5 till 5 μm.
Läs även: Acreo borrar fram fiberlaser
Anna Wennberg
