Bối cảnh nghiên cứu và các dẫn chứng gần đây
Sợi thủy tinh silica lõi rắn từ lâu đã thống trị lĩnh vực truyền dẫn quang hiệu quả và linh hoạt, đặc biệt là trong viễn thông và công nghiệp.tia laser.
Tuy nhiên, đối với các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi truyền dẫn laser công suất cao, sợi quang thông thường phải đối mặt với nhiều thách thức.
Do các quá trình phi tuyến như hiệu ứng Kerr, tán xạ Raman bị kích thích và giới hạn ngưỡng hư hỏng của thủy tinh silica, các sợi thông thường thường không có khả năng truyền tia laser công suất cao, điều này hạn chế đáng kể mật độ năng lượng có thể cung cấp.
Sự xuất hiện của sợi lõi rỗng (HCF) mang lại những ý tưởng mới để giải quyết vấn đề này. Trong HCF, hơn 99,99% ánh sáng dẫn hướng tập trung vào lõi chứa không khí (hoặc chân không) trung tâm, bỏ qua nhiều hạn chế của lõi silicon rắn hoặc sợi quang thông thường.
Trở lại năm 2022, một nhóm nghiên cứu ở Southampton, Vương quốc Anh, đã trình diễn thành công lợi ích của thiết kế HCF mới, truyền 1kW ánh sáng cận hồng ngoại sóng liên tục qua chiều dài 1km, thể hiện đầy đủ tiềm năng to lớn của công nghệ này.
Trong nghiên cứu mới nhất, nhóm đã mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của HCF bằng cách truyền thành công xung laser 520 nm với công suất cực đại là kilowatt thông qua HCF 300-mét.
Bước đột phá này không chỉ mở rộng khả năng của HCF sang bước sóng xanh mà còn có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều ứng dụng công nghiệp.
Tuy nhiên, việc phát triển HCF ở bước sóng khả kiến phải đối mặt với những thách thức chế tạo do đặc điểm cấu trúc nhỏ bé của chúng. Để vượt qua những thách thức này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một nghiên cứu phi tuyến toàn diện về sợi lõi rỗng đường dài được bơm phồng thực tế.
Họ phát hiện ra rằng tác động phi tuyến của HCF rõ rệt hơn ở vùng khả kiến so với vùng hồng ngoại, nguyên nhân là do kích thước lõi giảm và bước sóng hoạt động ngắn hơn.
Sợi lõi rỗng để truyền năng lượng laser xanh
HCF được sử dụng trong công việc này sử dụng nguyên lý ánh sáng dẫn hướng chống cộng hưởng. Ánh sáng dẫn hướng được giới hạn bởi một loạt màng thủy tinh mỏng bao quanh lõi sợi. Thiết kế này được thực hiện thông qua một vòng duy nhất bao gồm bảy mao mạch bọc, bảy lớp bọc đạt được sự cân bằng tốt giữa tổn thất, tổn thất uốn và hình thái.
Sợi được chế tạo bằng phương pháp xếp chồng lên nhau và kéo căng bằng thủy tinh silica nung chảy Heraeus F300, có đường kính lõi khoảng 20,7 µm và đường kính trường mode là 14,5 µm và có khả năng dẫn ánh sáng từ 515 nm đến 618 nm với tổn thất dưới 30 dB/km.
Mặc dù chiều dài được báo cáo của sợi là 300 mét nhưng nhóm nghiên cứu của Southampton đã có thể sản xuất được vài km sợi bằng quy trình này.
Sợi cũng tương đối không nhạy cảm với suy hao do uốn, nhỏ hơn 0,1 dB/m đối với các uốn cong có đường kính lớn hơn 13 cm ở bước sóng hoạt động 520 nm.
Bước đột phá này cung cấp sự hỗ trợ công nghệ quan trọng cho quá trình xử lý vật liệu có độ chính xác và hiệu quả cao, đặc biệt là trong ứng dụng tia laser xanh.
Trong tương lai, công nghệ này dự kiến sẽ đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp như sản xuất xe điện, đặc biệt là các lĩnh vực then chốt như sản xuất pin.
