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Tecnologia delle fibre ottiche a grande nucleo per la trasmissione laser ad alta energia

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Tecnologia delle fibre ottiche a grande nucleo per la trasmissione laser ad alta energia

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Fibra per la trasmissione di energia: Uno strumento chiave per l'uscita laser ad alta energia

Dopo l'energia atomica, i computer e i semiconduttori, i laser sono un'altra grande conquista del XX secolo. Grazie all'eccellente direttività, alla monocromaticità, alla coerenza e all'elevata luminosità, i laser sono ampiamente utilizzati in settori quali la produzione, l'agricoltura, le comunicazioni, l'intrattenimento, la sanità, la ricerca e la difesa. La tecnologia laser è diventata parte integrante della catena industriale high-tech nell'era dell'informazione.

Fin dalla loro invenzione, i laser sono stati strettamente legati alla tecnologia militare. Le applicazioni di lavorazione laser, come il taglio laser, la saldatura e il trattamento termico delle superfici, hanno costantemente spinto i laser verso livelli di potenza più elevati. Oggi la ricerca sui laser ad alta potenza ha compiuto progressi significativi. Per trasmettere in modo sicuro, efficiente e flessibile laser ad alta energia su lunghe distanze, le fibre di trasmissione dell'energia a base di silice sono essenziali, rendendo la tecnologia delle fibre un'area critica di studio.

Fibre per la trasmissione di energia

La fibra per la trasmissione di energia, utilizzata per trasmettere l'energia laser, ha caratteristiche eccellenti come l'alta potenza di trasmissione, la bassa perdita, la buona flessibilità e l'alta soglia di danno. Se combinate con componenti per la trasmissione di energia, queste fibre possono indirizzare con precisione l'energia luminosa verso aree mirate, svolgendo un ruolo fondamentale nelle applicazioni laser. Le comuni fibre per la trasmissione di energia laser presenti sul mercato sono principalmente fibre a nucleo largo in vetro di quarzo, tra cui i seguenti tipi: fibra a nucleo largo convenzionale, fibra a nucleo largo con superficie geometrica speciale e fibra a nucleo cavo.

Fibre per la trasmissione di energia laser

Perché scegliere il vetro di quarzo come materiale?

Le fibre di trasmissione laser, come le fibre di comunicazione tradizionali, utilizzano il vetro di quarzo come materiale principale. Il vetro di quarzo è ideale per diversi motivi: è abbondante e poco costoso, essendo derivato dalla silice, il componente principale della sabbia. Con un solo chilogrammo di vetro di quarzo di elevata purezza si possono produrre decine di migliaia di chilometri di fibra, con notevoli vantaggi economici e strategici. Inoltre, il vetro di quarzo ha un'elevata trasmittanza luminosa, resistenza meccanica e stabilità chimica, che lo rendono un eccellente mezzo di trasmissione. Il quarzo può anche essere drogato con vari elementi per ottenere diverse proprietà ottiche, gettando le basi per ulteriori sviluppi.

Tipi e design strutturale delle fibre di trasmissione a grande nucleo

Fibra convenzionale a nucleo largo La fibra a nucleo largo, simile per struttura alla fibra di comunicazione monomodale, è costituita da un nucleo e da un rivestimento, con un diametro del nucleo tipicamente superiore a 50 μm (rispetto ai 9-10 μm della fibra monomodale). Questo nucleo di grandi dimensioni consente un'elevata efficienza di accoppiamento e trasmissione di energia. Il materiale di rivestimento può essere plastica o quarzo drogato con fluoro, a seconda dell'applicazione. Il rivestimento in plastica offre un'elevata resistenza alla trazione e alle radiazioni ed è adatto alla trasmissione di energia, alle comunicazioni a breve distanza, ai laser medicali e all'illuminazione a fibre ottiche. Il rivestimento in quarzo drogato con fluoro, grazie all'elevata larghezza di banda e alla bassa perdita, è utilizzato nei sensori in fibra, nei connettori di apparecchiature ottiche, nelle comunicazioni a lunga distanza e nella trasmissione televisiva via cavo.

Fibre a nucleo largo con superficie geometrica speciale Le fibre a nucleo largo con superficie geometrica speciale hanno nuclei non circolari (ad esempio, quadrati, poligonali, anulari o ellittici) per soddisfare esigenze applicative specifiche. Ad esempio, la fibra a nucleo quadrato, con il suo nucleo quadrato o rettangolare, migliora l'efficienza di accoppiamento con i diodi laser. Le fibre a nucleo quadrato possono anche trasformare i fasci laser gaussiani in fasci a sommità piatta, utili per la pulizia, il taglio o la marcatura laser, riducendo i danni alla superficie.

Le fibre anulari a nucleo largo, con un nucleo anulare che circonda il nucleo centrale, forniscono soluzioni ai problemi di spruzzi nella saldatura laser di profili come l'acciaio inossidabile o l'alluminio. Questo punto anulare "a occhio di bue" controlla la zona colpita dal calore, riducendo gli spruzzi e migliorando la qualità della saldatura.

Fibra a nucleo cavo A differenza delle fibre a nucleo solido, le fibre a cristallo fotonico a nucleo cavo (HC-PCF) offrono vantaggi unici per la trasmissione di energia laser. Grazie al nucleo pieno d'aria, le HC-PCF evitano le perdite di assorbimento e di riflessione durante l'accoppiamento laser. L'elevata uniformità dell'aria come mezzo di trasmissione riduce al minimo le perdite per dispersione, garantisce un'emissione del fascio di alta qualità e ha un'elevata soglia di danno energetico con una buona dissipazione del calore. Sebbene le fibre a nucleo cavo presentino alcuni svantaggi, come una limitata resistenza alla piegatura e una piccola apertura numerica, i loro vantaggi le rendono un tipo promettente di fibra per la trasmissione di energia.

In base ai principi di conduzione della luce, le fibre a nucleo cavo possono essere classificate in fibre a bandgap a nucleo cavo (HC-PBGF) e fibre a nucleo cavo anti-risonanti (HC-ARF).

Fibre a nucleo cavo con bandgap (HC-PBGF): Queste fibre guidano la luce secondo il principio del bandgap fotonico, con un rivestimento costituito da fori d'aria periodici disposti in una struttura di bandgap fotonico. La luce all'interno del bandgap viene confinata nel nucleo d'aria.

Fibra antirisonante a nucleo cavo (HC-ARF): Queste fibre utilizzano il principio della guida d'onda a riflessione antirisonante, con quarzo ad alto indice di rifrazione nel rivestimento e aria a basso indice di rifrazione. Circondando il nucleo d'aria con diversi capillari di quarzo, le HC-ARF confinano la luce all'interno del nucleo d'aria riflettendo la luce non risonante. La lunghezza d'onda risonante è determinata dallo spessore del capillare di quarzo e dall'ordine di risonanza.