Mellininfrarøde fibre: frekvenskonvertering og ultrahurtige anvendelser
Innholdsfortegnelse
L'middels infrarødt (MIR, mid-infrared) dekker bølgelengdeområdet 2–20 µm, som ligger like utenfor det nærinfrarøde området som brukes i fiberoptisk telekommunikasjon (850–1550 nm). Fibre som kan overføre dette spekteret åpner for avanserte anvendelser innen molekylær spektroskopi, medisinsk bildediagnostikk, laserkirurgi og atmosfærisk kommunikasjon.
Denne artikkelen forklarer hvordan hulefibre (HCF) Gassfylte celler gjør det mulig å konvertere ultrahurtige laserimpulser fra 1 µm til det midtre infrarøde området gjennom et ikke-lineært fenomen kalt ekstrem Raman-forskyvning, og hvilke industrielle anvendelser denne teknologien åpner for.
Frekvenskonvertering av ultrahurtige pulser har lenge vært begrenset til optiske parametriske forsterkere (OPA), som er komplekse og kostbare systemer. Fibre med hul kjerne fylt med nitrogen endrer situasjonen: samme effektivitet, men like enkelt som en vanlig kabel.
Hva er mellom-infrarødt lys i optikken?
L'middels infrarødt betegner den delen av det elektromagnetiske spekteret som ligger mellom 2 µm og 20 µm (noen definisjoner strekker seg opp til 50 µm). I motsetning til nær-infrarødt (0,78–2 µm), som brukes i alle fiberbaserte telekommunikasjonssystemer, absorberes MIR av vanlig silisiumdioksid — og kan derfor ikke brukes med standard optiske fibre basert på SiO₂.
For å overføre MIR gjennom en fiber må man enten:
- Fluoridfibre (ZBLAN, InF₃) eller kalkogenid (As₂S₃, As₂Se₃) — gjennomsiktige opp til 10 µm, men skjøre og kostbare
- Hulkjernfibre (HCF) der lyset beveger seg gjennom luft eller en gass, uten å bli absorbert av glasset
- Fotonskrystallfibre (PCF) med innesperring ved hjelp av fotonisk forbudssone
De tre typene hule fiber (HCF)
De hule fibre fanger opp lyset i en sentral luftkanal gjennom ulike fysiske mekanismer:
| Type HCF | Mekanisme | Spektralområde | Særtrekk |
|---|---|---|---|
| Fotonsperrebånd (PBG) | Periodisk Bragg-refleksjon | 500 nm – 2 µm | Kompleks produksjon, lite tap i båndet |
| Negativ krumning (NCF) | Veggens antiresonans | 300 nm – 4 µm | Bredbånd, lav dispersjon |
| Bragg-kabelmantel | Flerlags dielektriske lag | 2 – 10 µm | Tilpasset MIR, avansert ingeniørkunst |
HCF-fibrene gjør det mulig å fylle den sentrale kanalen med en valgt gass (argon, nitrogen, xenon), hvis ikke-lineære optiske egenskaper bestemmer de fenomenene som kan utnyttes.
Prinsippet bak ekstrem Raman-forskyvning
L'Raman-effekt er et fenomen knyttet til uelastisk spredning, hvor et innfallende foton avgir en del av sin energi til et vibrasjons- eller rotasjonsnivå i molekylet. I en hulkjernefiber fylt med nitrogen gjennomgår en 1 µm-laserpumpeimpuls en ekstrem Raman-forskyvning mot det infrarøde området (ekstrem Raman-rødforskyvning).
Nøkkelbegrep
En ultrahurtig puls på 200 fs ved 1 µm, som sendes inn i en 5–6 m lang fiber med hul kjerne fylt med nitrogen, kommer ut med en lengre bølgelengde (1,0–1,7 µm) og en varighet 3 ganger kortere (~20 fs). Dette er ekstrem Raman-forskyvning kombinert med selvkomprimering.
De involverte mekanismene:
- Molekylær rotasjon i gassen (nitrogen N₂) i det intense laserfeltet
- Asymmetrisk spektralutvidelse mot de lange bølgelengdene (rødt)
- Spektralfiltrering for å isolere det ønskede infrarøde båndet
- Tidsmessig rekomprimering via bredbånds-chirp-speil
Erfaringer fra TU Wien, INRS og Moskva
Tre forskningsgrupper har eksperimentelt bekreftet denne teknikken:
Parametere for forsøksoppsettene
| Team | HCF-fiber | Pumpeimpuls | Resultat |
|---|---|---|---|
| TU Wien (Østerrike) | 5,5 m × 1 mm innvendig diameter | 200 fs, 1,03 µm, Yb-laser | Forskyvning 1,0–1,7 µm, kompresjon 20 fs |
| INRS (Canada) | 6 m × 0,53 mm innvendig diameter | 200 fs, 1,03 µm + chirp-speil | Optimalisert tids komprimering |
| Zheltikov-konsernet (Moskva) | Teoretisk modellering | N/A | Validerte fysisk modell |
Kombinasjonen av erfaring (TU Wien/INRS) og teori (Moskva) har gjort det mulig å fullstendig bekrefte den underliggende dynamikken og etablere en reproduserbar metode.
Industrielle og medisinske anvendelser
Ultrahurtige laserkilder i det mellom-infrarøde området åpner for viktige anvendelsesområder:
- Molekylspektroskopi — De fleste biologiske og kjemiske molekyler har sine grunnleggende vibrasjonsbånd i MIR-området (2–10 µm). Deteksjon av eksplosiver, kvalitetskontroll av legemidler, atmosfærisk analyse
- Optisk koherens-tomografi (OCT) medisinsk — ikke-invasiv bildediagnostikk med høy oppløsning innen oftalmologi, dermatologi og kardiologi
- Generering av høyfrekvente harmoniske (HHG) — fremstilling av XUV- og røntgenkilder til bruk i attosekundfysikk
- Laserkirurgi — presis vevsfjerning (bølgelengde som absorberes av vann)
- Kommunikasjon i fritt rom (FSO) — MIR-overføringsvinduer i luften
Elfcam-fibre og -utstyr
Vårt standardutvalg dekker det nære infrarøde området (telekommunikasjon 1310/1550 nm). For spesialiserte MIR-applikasjoner kan du kontakte teamet vårt via siden Kundestøtte for et tilpasset tilbud på fluorid- eller kalkogenidfibre (på spesialbestilling).
- OS2-fibre med én modus — telekommunikasjonsstandarder, patchkabler og flertrådskabler
- OM3/OM4-multimodefibre — datasenter med 850 nm laseroptimalisert
- SFP/SFP+-moduler — sender-mottakere på 1310/1490/1550 nm
Standardfiber vs. hulfiber
| Kriterium | Standardfiber (silisiumdioksid) | Hulefiber (HCF) |
|---|---|---|
| Kjernemateriale | Germanium tilsatt silisiumdioksid | Luft eller gass |
| Nyttig spektralområde | 0,4 – 1,8 µm | 0,3 – 10 µm (avhengig av type) |
| Innføringstap | 0,2 dB/km ved 1550 nm | 1–10 dB/km (svært avhengig) |
| Kostnad | Lav (industriproduksjon) | Høy (kompleks produksjon) |
| Anvendelser | Telekommunikasjon, datasenter | Forskning, MIR-laser, sensorer |
| Tilgjengelighet | Fast lagerbeholdning | På spesialbestilling |
Ofte stilte spørsmål — Midt-infrarøde fibre
1Hvorfor kan ikke silisiumdioksid overføre mellom-infrarødt lys?
2Hva er en ultrahurtig impuls?
3Hva er forskjellen mellom OPA og konvertering ved hjelp av hulefiber?
De hule fibre fylt med nitrogen tilbyr et alternativ enkelt og rimelig for bølgelengdeområdet 1,0–1,7 µm, med en ekstra fordel i form av tidsmessig selvkomprimering av impulsene (200 fs → 20 fs).
4Hva er Raman-effekten i fiber?
5Hvor brukes disse fibrene i medisinen?
6Kan man kjøpe en hulkjernefiber fra lager?
7Hvor mye effekt kan føres gjennom en HCF?
8Selger Elfcam løsninger for laserforskning?
Oppsummert
De fibre med mellom-infrarødt lys, blant annet hulefibre (HCF) som er fylt med gass, utgjør et teknologisk gjennombrudd innen ultrahurtig laserfrekvenskonvertering. De gjør MIR-kilder tilgjengelige, noe som tidligere var forbeholdt store laboratorier utstyrt med OPA.
For standard telekomapplikasjoner (FTTH, datasenter, 10G/25G/100G) tilbyr vi fiberoptiske kabler, SFP/SFP+-moduler og adaptere Tradisjonelle silisiumdioksidprodukter er fortsatt standardvalget.
