RU138570U1

RU138570U1 - RADIATION INPUT DEVICE IN SAPPHIRE FIBER

Info

Publication number: RU138570U1
Application number: RU2013149749/28U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Олегович Стрюков; Ирина Алексеевна Шикунова; Владимир Николаевич Курлов
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2014-03-20

Abstract

1. Устройство ввода лазерного излучения в волокно, содержащее оптическое многомодовое волокно, снабженное линзой в форме сферы, охватывающей волокно, отличающееся тем, что линза выполнена из сапфира и представляет собой единый монокристалл с сапфировым оптическим волокном.2. Устройство ввода лазерного излучения в волокно по п.1, в котором на линзу или ее часть или часть волокна нанесено просветляющее покрытие.1. A device for introducing laser radiation into a fiber containing an optical multimode fiber equipped with a sphere-shaped lens spanning a fiber, characterized in that the lens is made of sapphire and is a single crystal with a sapphire optical fiber. The fiber laser input device of claim 1, wherein an antireflective coating is applied to the lens or part or part of the fiber.

Description

Полезная модель относится к области техники, в частности волоконной оптике, и может быть использована для создания световодов для передачи излучения высокой мощности и расширенного спектрального диапазона для целей лазерной медицины и других.The utility model relates to the field of technology, in particular fiber optics, and can be used to create optical fibers for transmitting high-power radiation and an extended spectral range for laser medicine and others.

Сапфировые световоды (окно прозрачности от 150 нм до 5 мкм) являются альтернативой громоздким зеркальным шарнирным рукавам, используемым в области длин волн ИК-излучения, где кварц неэффективен или непрозрачен. Сапфир - один из немногих материалов, пригодных для изготовления световодов, работающих на длине волны 2.94 нм EnYAG лазера для доставки излучения к инструменту хирурга или дантиста. Сапфир биологически инертен и может быть стерилизован любым способом.Sapphire optical fibers (transparency window from 150 nm to 5 μm) are an alternative to bulky specular hinged sleeves used in the infrared wavelength region where quartz is inefficient or opaque. Sapphire is one of the few materials suitable for the manufacture of optical fibers operating at a wavelength of 2.94 nm EnYAG laser for delivering radiation to the instrument of a surgeon or dentist. Sapphire is biologically inert and can be sterilized in any way.

Сапфировые монокристаллические волокна выращивают из расплава методом EFG/Степанова [A.P. Pryshlak, J.R. Dugan, and J.J. Fitzgibbon, "Advancements in sapphire optical fibers for the delivery of Er:YAG laser energy and IR sensor applications," in Biomedical Fiber Optics, A. Katzir and J. A. Harrington, eds., SPIE 2677, 35-42 (1996).] и методом лазерного нагрева с пьедестала [R.S. Feigelson "Growth of fiber crystals", in E. Kaldis "Crystal Growth of Electronic Materials", (1985) p. 127. ISBN 0-444-86919-0] диаметром от 100 мкм и более. Сапфировые волокна могут иметь оптическую оболочку или используются без оболочки. У сапфирового волокна без оболочки числовая апертура NA больше единицы (NA~(n_серд ²-n_об ²)^1/2, где n_серд и n_об - коэффициенты преломления сердцевины и оболочки, коэффициент преломления сапфира 1,76). Это значит, что обнаженное сапфировое волокно должно захватывать и передавать все лучи попадающие на торец волокна. На практике из-за рассеяния на объемных приповерхностных дефектах и рассеяния на поверхности волокна, в нем распространяются преимущественно приосевые пучки и говорят об «эффективной» числовой апертуре NA_эфф. NA_эффф определяется как синус угла ввода, при которым эффективность спадает до 50% по сравнению эффективностью при нормальном падении (0 град.). Для волокна 300 мкм при передаче излучения от EnYAG лазера числовая апертура определена на уровне 0,35 (двойной угол около 40 град.) [R.K. Nubling, J.A. Harrington "Optical properties of single-crystal sapphire fiber" - Applied optics vol. 36, №24, 1997 5934-5940].Sapphire single crystal fibers are grown from a melt by the EFG / Stepanov method [AP Pryshlak, JR Dugan, and JJ Fitzgibbon, "Advancements in sapphire optical fibers for the delivery of Er: YAG laser energy and IR sensor applications," in Biomedical Fiber Optics, A. Katzir and JA Harrington, eds., SPIE 2677, 35-42 (1996).] and a laser heating method from a pedestal [RS Feigelson "Growth of fiber crystals", in E. Kaldis "Crystal Growth of Electronic Materials", (1985) p . 127. ISBN 0-444-86919-0] with a diameter of 100 microns or more. Sapphire fibers can have an optical sheath or are used without a sheath. In a sapphire fiber without a shell, the numerical aperture NA is greater than unity (NA ~ (n _crad ² -n _r ² ) ^1/2 , where n _crad and n _rev are the refractive indices of the core and shell, the refractive index of sapphire is 1.76). This means that the exposed sapphire fiber must capture and transmit all the rays falling on the end of the fiber. In practice, due to scattering by bulk near-surface defects and scattering on the fiber surface, predominantly axial beams propagate in it and speak of the “effective” numerical aperture NA _eff. NA _{effff is} defined as the sine of the input angle, at which the efficiency drops to 50% compared with the efficiency with a normal drop (0 deg.). For a 300 μm fiber, when transmitting radiation from an EnYAG laser, the numerical aperture is determined at 0.35 (double angle of about 40 degrees) [RK Nubling, JA Harrington "Optical properties of single-crystal sapphire fiber" - Applied optics vol. 36, No. 24, 1997 5934-5940].

Для того чтобы ввести излучение лазерного диода или лазерный пучок в оптическое волокно требуется фокусирующая система, которая также может компенсировать ошибки взаимного расположения источника излучения и входного торца волокна. В случае сапфировых волокон выбор должен быть сделан в пользу системы с минимальным числом актов преломления и отражения при передаче излучения в волокно для снижения световых потерь.In order to introduce the radiation of a laser diode or a laser beam into an optical fiber, a focusing system is required, which can also compensate for errors in the relative position of the radiation source and the input end of the fiber. In the case of sapphire fibers, the choice should be made in favor of a system with a minimum number of refraction and reflection events when transmitting radiation to the fiber to reduce light losses.

Известно использование шариковых линз, в том числе сапфировых, для фокусировки оптического излучения на выходе кварцевых волокон [R.M. Verdaasdonk, C. Borst "Ray tracing of optically modified fiber tips 1.spherical probes" Applied Optic vol. 30, No. 16 (1991), pp. 2159-2171]. «Перетяжка» лазерного пучка формируется на небольшом расстоянии от вершины шарика. Использование в качестве материала шарика сапфира позволяет получать фокусированную область и при работе в водной среде (коэффициент преломления сапфира высок: 1,762-1,778), которая исчезает с кварцевым шариком. Очевидно, верно предположение о том, что шариковая линза хорошо подходит для обратной задачи: эффективной передачи в волокно пучков, близких к коллимированным (параллельным, нерасходящимся), а также для ввода в волокно излучения от источника с расходимостью в пределах 40 градусов, расположенного на некотором небольшом расстоянии от вершины сферы (например, лазерного диода).It is known to use ball lenses, including sapphire, for focusing optical radiation at the output of quartz fibers [R.M. Verdaasdonk, C. Borst "Ray tracing of optically modified fiber tips 1.spherical probes" Applied Optic vol. 30, No. 16 (1991), pp. 2159-2171]. The “constriction” of the laser beam is formed at a small distance from the top of the ball. The use of a sapphire ball as a material allows one to obtain a focused region when working in an aqueous medium (the refractive index of sapphire is high: 1.762-1.778), which disappears with a quartz ball. Obviously, the assumption is true that the ball lens is well suited for the inverse problem: efficient transmission of beams close to collimated (parallel, non-divergent) into the fiber, as well as for introducing into the fiber radiation from a source with a divergence of 40 degrees located at some a small distance from the top of the sphere (for example, a laser diode).

Известно устройство [Патент РФ 2325676 C2 Устройство ввода лазерного излучения в волокно, опубл. 27.05.2008] ввода излучения в оптическое волокно с микролинзой в форме сферы. Шариковая линза изготовлена из материала, показатель преломления которого выше показателя преломления сердцевины волокна. Торец волокна выполнен в виде поперечной цилиндрической линзы. Цилиндрическая поверхность позволяет согласовать разницу расходимостей в перпендикулярных направлениях излучения от лазерного диода и, таким образом, повысить эффективность ввода.A device is known [RF Patent 2325676 C2 Device for inputting laser radiation into a fiber, publ. May 27, 2008] introducing radiation into an optical fiber with a microlens in the shape of a sphere. The ball lens is made of a material whose refractive index is higher than the refractive index of the fiber core. The end face of the fiber is made in the form of a transverse cylindrical lens. The cylindrical surface makes it possible to coordinate the divergence difference in the perpendicular directions of radiation from the laser diode and, thus, increase the input efficiency.

Недостатком устройства является наличие границ раздела материалов с разными показателями преломления, которое ведет к появлению энергетических потерь. Такие потери, особенно при использовании сапфировых волокон с высоким показателем преломления, снижают эффективность ввода и могут приводить к разогреву узла при высокой мощности передаваемого излучения. Кроме того, для сохранения полного диапазона оптического пропускания сапфирового волокна, элементы фокусирующей системы также должны быть выполнены из сапфира.The disadvantage of this device is the presence of material interfaces with different refractive indices, which leads to the appearance of energy losses. Such losses, especially when using sapphire fibers with a high refractive index, reduce the input efficiency and can lead to the heating of the assembly at high transmitted radiation power. In addition, to maintain the full range of optical transmission of sapphire fiber, the elements of the focusing system must also be made of sapphire.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности ввода излучения в сапфировое волокно, сохранении диапазона длин волн излучения, вводимого в сапфировое волокно.The technical result of the proposed utility model is to increase the efficiency of radiation input into the sapphire fiber, maintaining the wavelength range of the radiation introduced into the sapphire fiber.

Указанный технический результат достигается за счет применения сапфировой шариковой линзы, монолитной с сапфировым волокном, в устройстве ввода излучения в сапфировое волокно, содержащем сапфировое оптическое волокно, снабженное охватывающей волокно линзой в форме сферы, при этом линза выполнена из сапфира и представляет собой единый монокристалл с сапфировым оптическим волокном.The specified technical result is achieved through the use of a sapphire ball lens, monolithic with sapphire fiber, in a device for inputting radiation into a sapphire fiber containing a sapphire optical fiber equipped with a sphere-shaped lens, the lens being made of sapphire and is a single single crystal with sapphire optical fiber.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве на сапфировую шариковую линзу или ее часть или часть волокна нанесено просветляющее покрытие.In addition, this technical result is achieved by the fact that in the proposed device on the sapphire ball lens or its part or part of the fiber is coated.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами на Фиг. 1-3 и описанием.The invention is illustrated by the graphic materials in FIG. 1-3 and description.

На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device.

На Фиг. 2 представлен ход лучей коллимированного пучка в и примыкающей части сапфирового волокна.In FIG. Figure 2 shows the beam path of the collimated beam in and the adjacent part of the sapphire fiber.

На Фиг. 3 приведена фотография сапфировой шариковой линзы на сапфировом волокне диаметром 1 мм.In FIG. Figure 3 shows a photograph of a sapphire ball lens on a sapphire fiber with a diameter of 1 mm.

Предлагаемое устройство содержит сапфировое монокристаллическое волокно 2 и сапфировую шариковую линзу 1, центр которой лежит на продолжении оси волокна, сапфировая шариковая линза 1 составляет единый монокристалл с сапфировым волокном.The proposed device contains a sapphire single crystal fiber 2 and a sapphire ball lens 1, the center of which lies on the continuation of the axis of the fiber, sapphire ball lens 1 is a single crystal with sapphire fiber.

Сапфировое волокно 2 может иметь диаметр порядка 100..1000 мкм. Сферическая поверхность линзы имеет диаметр, предпочтительно вдвое превышающий диаметр волокна.Sapphire fiber 2 may have a diameter of the order of 100..1000 μm. The spherical surface of the lens has a diameter, preferably twice the diameter of the fiber.

С целью уменьшения потерь на отражение на сферическую поверхность сапфировой шариковой линзы 1 наносят просветляющее покрытие на расчетную длину волны излучения.In order to reduce reflection losses, an antireflection coating is applied to the calculated radiation wavelength on the spherical surface of the sapphire ball lens 1.

Предлагаемое устройство работает следующим образом, Фиг. 1. Ось сапфирового волокна 2 с сапфировой шариковой линзой 1 совмещена с осью источника излучения. Расстояние от вершины сферы до источника выбирается с таким расчетом, чтобы максимальное число лучей попадало на поверхность сферы.The proposed device operates as follows, FIG. 1. The axis of the sapphire fiber 2 with the sapphire ball lens 1 is aligned with the axis of the radiation source. The distance from the top of the sphere to the source is chosen so that the maximum number of rays hits the surface of the sphere.

При использовании источника лазерного излучения, лазерный пучок диаметром 1..4 мм падает на переднюю полусферу сапфировой шариковой линзы 1. Излучение, пройдя через шарик, фокусируется у оси в форме перетяжки из-за сильной сферической аберрации шариковой линзы (более сильное преломление для крайних лучей по сравнению с приосевыми). Наибольшая плотность энергии в теоретическом фокусе линзы достигается на расстоянии примерно 1,14 радиуса сферы, т.е. лежит в объеме волокна Фиг. 2When using a laser radiation source, a laser beam with a diameter of 1..4 mm is incident on the front hemisphere of a sapphire ball lens 1. Radiation passing through the ball is focused on the axis in the form of a constriction due to strong spherical aberration of the ball lens (stronger refraction for extreme rays compared with axial). The highest energy density in the theoretical focus of the lens is achieved at a distance of about 1.14 of the radius of the sphere, i.e. lies in the volume of the fiber of FIG. 2

При падении наклонного пучка в пределах числовой апертуры волокна (двойной угол 40 град), перетяжка смещается в объеме волокна 2 в радиальном направлении, величина смещения не превышает радиус волокна.When the inclined beam falls within the numerical aperture of the fiber (double angle of 40 degrees), the constriction shifts in the volume of fiber 2 in the radial direction, the displacement does not exceed the radius of the fiber.

Устройство также может быть использовано для захвата излучения с целью фото и спектометрического анализа. В этом случае оно работает эффективнее, чем волокно с плоским приемным торцем. Если поместить центр сапфировой сферы устройства в центр равномерно светящейся полусферы, то устройством захватывается и передается по волокну около 1,3% излучения. Захватывается в основном излучение, испущенное сферой в пределах двойного угла 40 град вдоль оси волокна. В то же время волокно с плоским торцем передаст порядка 0,6% излучения, захваченного в тех же угловых пределах.The device can also be used to capture radiation for the purpose of photo and spectrometric analysis. In this case, it works more efficiently than a fiber with a flat receiving end. If you place the center of the sapphire sphere of the device in the center of a uniformly luminous hemisphere, about 1.3% of the radiation is captured and transmitted through the fiber. It mainly captures the radiation emitted by a sphere within a double angle of 40 degrees along the fiber axis. At the same time, a fiber with a flat end will transmit about 0.6% of the radiation captured in the same angular limits.

На Фиг. 3 приведена фотография сапфировой шариковой линзы на сапфировом волокне диаметром 1 мм, полученной способом Степанова. С помощью данного способа возможно непосредственно в процессе роста кристалла изготавливать предлагаемое устройство без дополнительной механической обработки. При этом потери излучения, передаваемого устройством, являются минимальными, так как все сапфировые поверхности являются ростовыми, атомно гладкими поверхностями.In FIG. Figure 3 shows a photograph of a sapphire ball lens on a sapphire fiber with a diameter of 1 mm, obtained by the Stepanov method. Using this method, it is possible directly in the process of crystal growth to produce the proposed device without additional mechanical processing. In this case, the loss of radiation transmitted by the device is minimal, since all sapphire surfaces are growth, atomically smooth surfaces.

Claims

1. A device for introducing laser radiation into a fiber containing an optical multimode fiber equipped with a sphere-shaped lens spanning a fiber, characterized in that the lens is made of sapphire and is a single crystal with a sapphire optical fiber.

2. The device for introducing laser radiation into the fiber according to claim 1, in which an antireflection coating is applied to the lens or its part or part of the fiber.