Jasnější nad tisíc sluncí

Ne, nejde o inspiraci snímkem Christophera Nolana „Oppenheimer“ a výbuchem pumy Trinity v Nevadské poušti v závěru filmu. Řeč sice bude o jasu až o mnoho řádů vyšším, než je jas na povrchu Slunce, jenže jen na malinkaté plošce několika desítek mikrometrů čtverečních uvnitř jádra optického vlákna pro optické komunikace, senzory, medicínu i pro hrubou sílu pro řezání a sváření v průmyslu… a nakonec i v obraně, ve vláknových laserech pro zbraně se směrovanou energií. Již více než třicet let rozvíjíme velkou výzkumnou infrastrukturu vláknových laserů a technologie optických vláken a jsme hrdí na to, že v těchto oborech jsme na světové špičce. Nabízíme vám nahlédnutí do dvou našich výzkumných oblastí: našeho tradičního tématu aktivních vláken a nedávno zahájeného výzkumu hypocykloidních vláken se vzduchovým jádrem.

Aktivní vlákna pro lasery a zesilovače

Výzkumný tým vláknových laserů a nelineár­ní optiky z ÚFE systematicky rozvíjí technologii dopování preforem nanočásticemi. Základní principy této technologie publikoval tento tým jako první na světě už v r. 2007 a postupně zdokonaloval a aplikoval na různé typy dopantů – yterbium, erbium, thulium a holmium. Yterbiová optická vlákna se používají v průmyslových laserech s výkonem typicky do 10 kW na vlnové délce ~1,07 μm. Erbiová optická vlákna našla uplatnění v telekomunikacích pro zesilování optických signálů. Thuliová optická vlákna mají šanci na využití v kilowattových laserech. Pracují na vlnové délce kolem 2 μm, která je téměř dvojnásobkem vlnové délky yterbiových laserů. Dají se proto využít pro řezání a sváření některých materiálů, které jsou pro yterbiové lasery transparentní. Jejich svazky se méně rozptylují v atmosféře, což je činí zajímavým pro vojenské využití. Dnes tým z ÚFE dokáže připravit thuliová optická vlákna s účinností 64 %, která je vyšší než účinnost komerčně dostupných thuliových vláken.

V posledních letech tým vyvinul dvě technologie přípravy preforem: s kompozitním pláštěm a s kompozitním jádrem (obr. 1). Tyto technologie umožňují připravovat optická vlákna s komplexní vnitřní strukturou, např. optická vlákna s trojitým pláštěm a velkou plochou jádra pro výkonové lasery nebo vlákna s extrémně velkou plochou jádra pro zesilovače pulzů s vysokou energií.

Optické vlákno s kompozitním jádrem.

Na výzkumu optických vláken s kompozitním jádrem tým spolupracuje s týmem prof. Ryszarda Buczynského z Varšavské univerzity. Výsledkem této spolupráce byla mj. bezpedestalová thuliová vlákna, která zachovávají kvalitu svazku a současně usnadňují sváření s ostatními vláknovými součástkami.

Z výzkumu thuliových vláken se skládaným pláštěm vzešlo pro projekt TALOS (Tactical Advanced Laser Optical System), financovaný Evropskou obrannou agenturou vlákno pro protidronové laserové systémy (obr. 2). Toto vlákno bylo použité zahraničním partnerem projektu ve výkonových zesilovacích stupních.

Optické vlákno s kompozitním pláštěm, připravené pro mezinárodní projekt TALOS.

Na základě svých vláken tým vyvíjí mnohasetwattové yterbiové a thuliové lasery vhodné pro průmyslové použití. Zkoumá též cesty k prolomení stávající 1kW výkonové hranice thuliových laserů. Tým je členem Národního centra kompetence s názvem Centrum pokročilé elektronové a fotonové optiky, financovaného Technologickou agenturou ČR, a koordinuje velký infrastrukturní projekt LasApp, spolufinancovaný EU, který je zaměřený na rozvoj centra excelence a kompetence výzkumu laserových technologií a jejich aplikací. V obou těchto velkých projektech neseme zodpovědnost za rozvoj vláknově optických technologií.

Hypocykloidní optická vlákna

Standardní křemenná vlákna našla široké uplatnění v telekomunikacích nejenom kvůli nízkému útlumu, ale také díky excelentním mechanickým vlastnostem, odolnosti a životnosti. Útlum moderních optických vláken je z větší části daný rozptylem na nehomogenitách indexu lomu, které jsou způsobené dopováním jádra křemenného vlákna oxidem germaničitým, a z menší části absorpcí na poruchách v chemických vazbách a na příměsích. Útlum se pohybuje kolem hodnoty 0,2 dB/km, to znamená, že na 15 km vlákna se rozptýlí či jinak poztrácí polovina fotonů.

Nízký útlum světla se ovšem u konvenčních křemenných vláken dosahuje v nepříliš širokém rozsahu kolem vlnové délky 1550 nm. Na obě strany od této vlnové délky útlum strmě narůstá a to omezuje přenosovou kapacitu optických vláken. I tak se v r. 2023 podařilo po jediném křemenném vlákně přenést informace rychlostí 22,9 petabitů za sekundu.

Pokud je zapotřebí přenášet po konvenčním křemenném optickém vlákně světlo na jiných vlnových délkách, je nutné smířit se kvůli vyššímu útlumu s menším dosahem. Zkoumají se sice optická vlákna vyrobená z alternativních materiálů, ale postrádají dobré mechanické vlastnosti křemenných vláken a navíc je velmi obtížné je svářet. Syntetický křemen, ze kterého jsou konvenční optická vlákna vyrobena, je totiž velmi tvrdý a taví se při vysokých teplotách kolem 2000 °C. To může na první pohled vypadat jako komplikace při spojování optických vláken svářením, ale kvůli pomalé změně viskozity s rostoucí teplotou je dnes sváření optických vláken rutinním způsobem jejich spojování i v polních podmínkách.

Optická vlákna pro střední infračervenou oblast lze připravit z fluoridového, teluridového nebo chalkogenidového skla. Tato skla se taví při mnohem nižších teplotách, ale snížení jejich viskozity s teplotou je strmé a koeficient teplotní roztažnosti je vysoký, což značně komplikuje spojování těchto vláken svářením. Ani mechanické vlastnosti optických vláken vyrobených ze zmíněných měkkých skel nejsou příznivé.

Ráznou odpovědí na volání po kvalitních optických vláknech pro střední infračervenou nebo ultrafialovou (UV) spektrální oblast jsou hypocykloidní křemenná vlákna s dutým jádrem. V těchto vláknech se světlo šíří vzduchem, popřípadě jiným plynem, kterým je jádro naplněné. Dnešní křemenná hypocykloidní vlákna dosahují menšího útlumu než konven­ční vlákna na všech cílových vlnových délkách včetně vlnové délky 1550 nm. Jsou přitom připravená ze stejného základního materiálu, který je prověřený desetiletími. Jejich transmisní charakteristika je však pásová, tj. mají spektrální intervaly s nízkým útlumem, které jsou oddělené rezonančními pásy s obrovským útlumem. Někdy se jim proto říká antirezonanční optická vlákna.

Výzkumný tým vláknových laserů a neli­neární optiky z ÚFE postupně zdokonaluje technologii přípravy hypocykloidních křemenných optických vláken revolverového typu s jednoduchými a vnořenými kapilárami. Ukázky těchto vláken jsou na obr. 3.

Hypocykloidní křemenná optická vlákna revolverového typu (A) s jednoduchými a (B) vnořenými kapilárami, připravená v ÚFE.

Výzkum byl spolufinancován Evropskou unií a státním rozpočtem ČR v rámci Operačního programu Jan Amos Komenský MŠMT, projektem ­LasApp CZ.02.01.01/00/22_008/0004573.