Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Optikai szálak

Optikai szálak

Az optikai szálak (másképpen: száloptikák, optikai kábelek) használata az utóbbi 10-20 évben széleskörben elterjedtté vált a különböző technológiai, orvosi, spektroszkópiai és szenzorikai területeken. Spektroszkópiai alkalmazásokban nagymértékű flexibilitást, robusztusságot kínálnak a fénynyalábok kezelése terén, ezért előnyösen használhatók az összetett és kompakt optikai elrendezésekben egyaránt. Ma már az UV, Vis és NIR fénytovábbításra egyaránt használatosak. Egy optikai szál lényegét tekintve két koncentrikus rétegből áll. A belsőt magnak („core”), a külsőt burkolatnak („cladding”) nevezzük. Ezeket a védelem érdekében kívülről egy puffer bevonattal (poli-imid, akril- vagy fluoropolimer) és egy flexibilis műanyagból vagy fémrétegből készült köpennyel („jacket”) vonják be. A mag törésmutatója a továbbítandó fény hullámhosszán nagyobb, mint a burkolaté, ezért a száloptika egyik végén betáplált fénynyaláb a szálban tova fog terjedni a mag-burkolat határrétegben bekövetkező „teljes” visszaverődése miatt. A szálak alapanyaga nagytisztaságú ömlesztett szilika (SiO2), amelynek törésmutatóját adalékolással állítják be a kívánt értékre (pl. Ge és P dópolása növeli, míg B és F dópolása csökkenti a törésmutatót. A törésmutató meghatározza a teljes visszaverődés szöget, ami viszont a befogadási fénykúp nyílásszögét határozza meg.

Az optikai szálak felépítésének és működésének vázlata

Méret és felhasználás tekintetében kétféle száltípus különböztethető meg: egymódusú szálak 4-10 µm magmérettel és multimódusú szálak 50-1500 µm magmérettel. A multimódusú szálakban többféle hullámhosszúságú fény is továbbhaladhat, de a különböző szög alatt belépő fénysugarak különböző fényutakat tesznek meg a szálban való továbbhaladásuk során az eltérő számú visszaverődés miatt. Egy rövid idejű lézerimpulzus áthaladása során időbeli diszperziót is fog szenvedni (az impulzus időbeli szélessége megnő). Ezzel szemben az egymódusú szálakon csak egy keskeny sávszélességű tartományba eső fény tud áthaladni az igen kis szálátmérő miatt; ez a fénynyaláb azonban csak igen kis gyengülést és diszperziót fog szenvedni. Az optikai szálak átmérője abból a szempontból is fontos paraméter, hogy mekkora fényteljesítmény továbbítható anélkül, hogy a szál anyaga megsérülne; minden anyagra jellemző ugyanis a sérülést (megolvadást) eredményező küszöb teljesítménysűrűség („damage threshold”). Például a szilikátüvegre vonatkozó ezen küszöbérték kb. 109 W/m2, ami azt jelenti, hogy egy 8 µm-es egymódusú szálon továbbítható csúcsteljesítmény kb. 50 mW, addig egy 200 µm-es multimódusú szálon ez az érték kb. 30 W.

Az elmondottak miatt jól elkülönül a két száloptika típus alkalmazási területei. Az egymódusú szálakat kis fényteljesítményű, keskeny sávszélességű, gyors fényimpulzusok továbbítására optimális használni (pl. telekommunikáció, képalkotás, szinkronizációs lézerjelek, stb.), míg spektroszkópiai alkalmazásokban, ahol széles sávszélességű sugárzás továbbítása szükséges, esetenként nagy fényteljesítmény mellett, csak a multimódusú szálak használatosak. Érdemes még megemlíteni, hogy a fent említett, keresztmetszetében homogén törésmutatójú anyagból készült száloptikáknál („step index fiber”) magasabb minőségi kategóriát jelentenek a középvonaltól kifelé folytonosan változó törésmutatójú anyagból készült maggal ellátott száloptikák („graded index fiber”), mivel ez a cikk-cakk mintázatú fényút helyett inkább szinuszoidális fényutat eredményez, ami csökkenti a diszperziót.

Mind a spektroszkópiai alkalmazásokban, mind a nagy fényteljesítmények továbbítása során kiemelt jelentőségű jellemző a száloptika transzmissziója. Értelemszerűen ennek ideálisan a hullámhossztól nagymértékben függetlennek kellene lennie spektroszkópiai alkalmazás esetén. A transzmissziót leginkább a szennyezések, adalékok határozzák meg. A szálak szilika alapanyagának hidroxil (-OH) csoporttartalma például jelentős hatással van a transzmisszióra, így például a nagy OH-tartalmú száloptikák UV transzmissziója jelentősen jobb, de mindez a 700-1400 nm környékén (NIR) jelentkező megnövekedett veszteségek (abszorpciós sávok) árán jön létre. Emiatt az alacsony OH-tartalmú szálakat érdemes használni a Vis-NIR tartományban. A szennyezések másik fontos kategóriáját képezik a halogén szennyezések, amelyek UV fénnyel való megvilágítás hatására ún. színcentrumok (megnövekedett fényelnyelés) képződéséhez vezetnek 214 nm környékén. Ezt az effektust szolarizációnak is nevezik. A szilika alapú optikai szálak transzmissziója rövid (1-2 méteres) hossz esetén a Vis-NIR tartományban igen jó, mintegy 98-99%. Az UV tartományban azonban részben a szolarizáció miatt, részben a Rayleigh szórás erősödése miatt, amit a szilika rendezetlen szerkezete okoz, a transzmisszió jelentősen kisebb; még a legjobb száloptikákkal is csak kb. 30-40% transzmissziót lehet elérni.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Ismertesse az optikai szálak felépítését!

  2. Mit nevezünk multimódusú és egymódusú optikai szálnak?

  3. Milyen jellemzőkkel bíró optikai szálakat használunk spektroszkópiában?