Trasmissione di energia Connessione in fibra ottica e applicazione

Trasmissione di energia Connessione in fibra ottica e applicazione

L'applicazione delle fibre ottiche a trasmissione di energia nei laser si misura principalmente in base all'efficienza di accoppiamento con il laser, o all'efficienza di trasmissione laser della fibra (che può essere rappresentata anche dalla perdita di inserzione o dalla perdita di connessione). Ciò include la connessione tra il laser e la fibra di trasmissione di energia, nonché le connessioni tra le fibre di trasmissione di energia stesse o tra le fibre di trasmissione di energia e le normali fibre monomodali.

Nel corso di diversi decenni di commercializzazione, la connessione delle fibre convenzionali a nucleo largo è diventata semplice come quella delle fibre ordinarie monomodali, grazie alle macchine di giunzione a nucleo largo disponibili in commercio. Tuttavia, per le fibre geometriche speciali a nucleo largo, che hanno diametri e strutture del nucleo diversi dalle normali fibre monomodali e possono avere requisiti diversi a seconda dell'applicazione, i metodi di connessione sono generalmente più complessi.

Ad esempio, nelle applicazioni che prevedono componenti di fasci di fibre laser, una fibra a nucleo quadrato viene utilizzata per combinare le uscite di più moduli laser a semiconduttore in un'unica fibra quadrata, per ottenere una maggiore energia laser in uscita. Le fibre a nucleo cavo di grandi dimensioni, a causa della loro particolare struttura capillare del rivestimento, sono soggette a collasso e deformazione durante la giunzione. Inoltre, il diametro del campo di modalità delle fibre a nucleo cavo spesso differisce da quello delle normali fibre monomodali, causando un'elevata perdita di giunzione o addirittura il fallimento quando vengono giuntate direttamente. Pertanto, garantire una caratteristica di trasmissione strutturalmente intatta, a bassa perdita e coerente della fibra a nucleo cavo dopo la giunzione è una sfida fondamentale per il suo utilizzo pratico.

Nel 2016, J.R. Hayes e colleghi dell'Optoelectronics Research Centre dell'Università di Southampton hanno introdotto una fibra di transizione con corrispondenza del campo di modalità tra fibra monomodale e fibra a cristalli fotonici a nucleo cavo anti-risonante. In questo modo si è ottenuta una perdita di giunzione totale di 2,1 dB tra la fibra monomodale, la fibra a cristalli fotonici a nucleo cavo antirisonante e di nuovo la fibra monomodale[5]. Nel 2018, il team del professor Wang Yingying dell'Università di Tecnologia di Pechino ha migliorato questo metodo, riducendo la perdita di giunzione tra fibre a cristallo fotonico a nucleo cavo con bandgap e fibre monomodali a 0,844 dB[6]. Nel 2021, il team del professor Xiao Limin della Fudan University ha ulteriormente ridotto la perdita totale di giunzione tra fibra monomodale, fibra a nucleo cavo antirisonante e di nuovo fibra monomodale a 0,88 dB.

Per quanto riguarda il collegamento di accoppiamento tra la sorgente laser e la fibra di trasmissione dell'energia, esistono principalmente due metodi:

1.Accoppiamento diretto: L'estremità della fibra è installata vicino alla sorgente laser, consentendo al laser generato di accoppiarsi direttamente alla fibra. Per migliorare l'efficienza dell'accoppiamento, l'estremità della fibra viene spesso trasformata in forme microstrutturate come sferica, conica o parabolica.

2.Accoppiamento indiretto: Il laser viene accoppiato alla fibra attraverso una lente. La lente può essere singola o un sistema di lenti multiple, di vari tipi come lenti cilindriche, sferiche o emisferiche, ognuna delle quali offre combinazioni e usi diversi.

Nelle applicazioni pratiche, la fibra per la trasmissione di energia si presenta tipicamente sotto forma di cavi per la trasmissione di energia e viene spesso utilizzata insieme a testine di uscita ad alta potenza, connettori a fascio e altri componenti per la trasmissione di energia. L'interfaccia principale della testa di uscita oggi sul mercato è il tipo QBH (Quartz Block Head), proposto dall'azienda svedese Optoskand AB. Include un modulo di raffreddamento ad acqua e può trasmettere laser ad alta potenza (>5 kW di potenza media). Con i progressi della produzione, i cavi commerciali per la trasmissione di energia ad alta potenza che utilizzano interfacce QD o Q+ sono ora in grado di trasmettere potenze laser di decine di kilowatt.

Sintesi

La funzione principale delle fibre a grande nucleo per la trasmissione di energia è quella di fungere da mezzo per la trasmissione laser. Con il rapido sviluppo dell'industria laser, in particolare della tecnologia laser in fibra che rappresenta la terza generazione di laser - attualmente i laser in fibra di livello industriale in Cina possono produrre stabilmente fino a 100 kW[10] - è iniziata una nuova era di applicazioni laser. Nel frattempo, lo sviluppo della fibra per la trasmissione di energia è stato rinvigorito dalle esigenze della rete di comunicazione completamente ottica.

In prospettiva, la direzione principale dello sviluppo della fibra per la trasmissione di energia si concentrerà ancora su due aspetti: maggiore efficienza di trasmissione e maggiore potenza di trasmissione. Una maggiore efficienza di trasmissione comporterà principalmente progressi nella tecnologia di accoppiamento e di connessione delle fibre per la trasmissione di energia. Una maggiore potenza di trasmissione può essere ottenuta ottimizzando le fibre per la trasmissione di energia esistenti o progettando strutture di fibre completamente nuove. Inoltre, la ricerca di nuovi materiali, in particolare quelli in grado di gestire meglio la trasmissione di energia laser a lunghezza d'onda infrarossa (poiché gli attuali materiali in vetro di silice sono inefficaci per questo scopo), sarà essenziale per ulteriori progressi.