УСТРОЙСТВО ВВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ В САПФИРОВОЕ ВОЛОКНО

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.
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.
серд
об
серд
об
эфф.
эффф
2
2
1/2
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 -n ), где n и n - 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 NA 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].
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.
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).
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.
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.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности ввода излучения в сапфировое волокно, сохранении диапазона длин волн излучения, вводимого в сапфировое волокно.
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.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве на сапфировую шариковую линзу или ее часть или часть волокна нанесено просветляющее покрытие.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами на Фиг. 1-3 и описанием.
На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.
На Фиг. 2 представлен ход лучей коллимированного пучка в и примыкающей части сапфирового волокна.
На Фиг. 3 приведена фотография сапфировой шариковой линзы на сапфировом волокне диаметром 1 мм.
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.
Сапфировое волокно 2 может иметь диаметр порядка 100..1000 мкм. Сферическая поверхность линзы имеет диаметр, предпочтительно вдвое превышающий диаметр волокна.
С целью уменьшения потерь на отражение на сферическую поверхность сапфировой шариковой линзы 1 наносят просветляющее покрытие на расчетную длину волны излучения.
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.
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. 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.
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.
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.