Les fibres qui transmettent l’énergie laser et les fibres qui transmettent les signaux sont-elles fabriquées dans le même matériau de verre ?
Les fibres optiques qui transmettent l’énergie laser et celles qui transmettent les signaux sont principalement constituées du même matériau de base, le verre de quartz de dioxyde de silicium de haute pureté (c’est-à-dire SiO_2), mais elles présentent des différences d’ingénierie très significatives en termes de matériau de dopage du cœur, de conception de la structure du diamètre du cœur et d’exigences de propriétés physico-chimiques.
Voici une analyse des principales différences sous l’angle de la physique des matériaux et de l’ingénierie optique :
1. Différences de matériaux de dopage du cœur (cœur en silicium pur vs. cœur dopé au germanium)
- Fibre optique de transmission de signal (par exemple, fibre monomode standard G.652D) :
- Cœur (Core) : Généralement, le dioxyde de germanium (GeO_2) est dopé pour augmenter l’indice de réfraction du cœur, créant ainsi une différence d’indice de réfraction avec la gaine en silice pure, afin de guider la transmission du signal lumineux.
- Gaine (Cladding) : Généralement en verre de silice pure.
- Fibre optique de transmission d’énergie laser (généralement fibre à grand diamètre de cœur) :
- Cœur (Core) : Afin de supporter une densité de puissance laser extrêmement élevée, le cœur des fibres d’énergie utilise généralement un cœur en silicium pur (Pure Silica Core). En effet, sous une irradiation laser de forte puissance, un cœur dopé au germanium est plus susceptible de générer des centres colorés et des effets non linéaires, voire de provoquer un effet de « fusible de fibre » (Fiber Fuse, c’est-à-dire une fusion de la fibre le long de sa ligne) au niveau des défauts d’extrémité ou des micro-courbures.
- Gaine (Cladding) : Comme le cœur est déjà en silicium pur, pour créer la différence d’indice de réfraction nécessaire à la réflexion totale, la gaine doit être dopée en dépression, par exemple avec du fluor (F) ou du bore (B) pour réduire son indice de réfraction.
2. Différences dans la sélection de la teneur en hydroxyles (-OH)
Le matériau vitreux des fibres d’énergie est également strictement différencié en fonction de sa teneur en groupes hydroxyles (Hydroxyl), en fonction de la longueur d’onde du laser qu’il transmet :
- Fibre à haute teneur en OH (High-OH) : Convient à la transmission dans les longueurs d’onde de l’ultraviolet et du visible (par exemple, de 200\ \text{nm} à 800\ \text{nm}). Une teneur élevée en groupes hydroxyles peut réparer efficacement les défauts générés dans le verre par irradiation UV, empêchant ainsi la fibre de subir une « solarisation » qui entraînerait une augmentation drastique de l’atténuation.
- Fibre à faible teneur en OH (Low-OH) : Convient à la transmission de lasers infrarouges et proches infrarouges (par exemple, la bande de 1080\ \text{nm} couramment utilisée par les lasers industriels de forte puissance). Comme les groupes hydroxyles ont des pics d’absorption très forts autour de 1383\ \text{nm} et 2200\ \text{nm}, un matériau à faible teneur en OH peut réduire considérablement la perte par absorption des lasers infrarouges dans cette bande, empêchant la fibre de surchauffer et de brûler en absorbant de l’énergie.
3. Différences de structure et de taille (grand diamètre de cœur vs. petit diamètre de cœur)
- Fibre de signal : Pour garantir la transmission monomode et limiter la dispersion modale, son diamètre de cœur est extrêmement faible. Par exemple, le diamètre du cœur d’une fibre de signal monomode standard n’est que d’environ 9\ \mu\text{m}.
- Fibre d’énergie : L’un des objectifs principaux est de réduire la densité de puissance lumineuse par unité de surface (\text{W/cm}^2) sur la section transversale de la fibre, afin d’éviter de dépasser le seuil de dommages du verre. Par conséquent, les fibres d’énergie adoptent inévitablement une structure à grand diamètre de cœur (Large-Core), dont le diamètre du cœur est généralement de 105\ \mu\text{m}, 200\ \mu\text{m}, 400\ \mu\text{m}, voire jusqu’à plus de 800\ \mu\text{m}.
Fibres optiques à grand diamètre de cœur OFSCN®
OFSCN® s’engage à fournir des fibres optiques spéciales de haute qualité. Pour la transmission laser de forte puissance, l’analyse spectrale multi-longueurs d’onde et les conditions d’exploitation difficiles, nous avons lancé la OFSCN® Polyimide Large-Core Optical Fiber (fibre optique à grand diamètre de cœur en polyimide résistant aux hautes températures).
Principaux indicateurs techniques :
- Plage de température de fonctionnement : -200^\circ\text{C} à 350^\circ\text{C} (ou -270^\circ\text{C} à 350^\circ\text{C}), utilisant un revêtement en polyimide résistant aux hautes températures, qui étend considérablement les limites physiques de la transmission d’énergie.
- Série de diamètres cœur/gaine/revêtement :
- 105/125/155\ \mu\text{m}
- 200/220/245\ \mu\text{m}
- 300/330/360\ \mu\text{m}
- 400/440/470\ \mu\text{m}
- 600/660/700\ \mu\text{m}
- 800/880/910\ \mu\text{m}
- Longueurs d’onde applicables : 200\ \text{nm} à 2400\ \text{nm}, couvrant un large spectre de l’ultraviolet profond au proche infrarouge.
- Personnalisation de l’encapsulation : Peut être personnalisée avec des tubes en acier sans soudure, ETFE, PFA et autres encapsulations loose tube ou tight buffer, en fonction des besoins spécifiques du système de transmission d’énergie.