Gesundheit

1 - Grundprinzipien und Konzepte

Autoren: DaudSuzairi Ali, Jalil

  • Bietet eine grundlegende Referenzquelle für die Erforschung von Glasfaser- und Faser-Bragg-Gittern (FBGs)
  • Bietet schrittweise Anleitungen für den Aufbau von Experimenten mit Faser-Bragg-Gittersensoren in Innen- und Außenbereichen
  • Verfügt über eine Fülle an lehrreichen Abbildungen und Tabellen
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  • ISBN 978-3-319-90463-4
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Dieses Buch konzentriert sich auf die Entwicklung und den Aufbau von Faser-Bragg-Gitter- (FBG) und No-Core-Faser- (NCF) Sensoren. Erläutert werden die Eigenschaften der Sensoren und die Modellierung der resultierenden Geräte, einschließlich elektronischer, optoelektronischer, photovoltaischer und spintronischer Geräte. Neben detaillierten Erläuterungen zu den Eigenschaften von FBG- und NCF-Sensoren enthält es eine Fülle von Abbildungen und Tabellen, die zur Veranschaulichung der Funktionen der jeweiligen Geräte beitragen.

Zusammenfassung

Gedanken ohne Inhalt sind leer, Intuitionen ohne Konzepte sind blind.

Schäume können in nassem, trockenem oder festem Zustand vorliegen und sind fast überall zu sehen, im Haushalt, in der umgebenden Natur und in zahlreichen technologischen Anwendungen. Tatsächlich sind sie weit verbreitet, und es ist fast unmöglich, einen ganzen Tag ohne Kontakt mit einer Art flüssigem oder festem Schaum zu verbringen. Sie haben mehrere interessante Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, ein extrem breites Anwendungsspektrum zu erfüllen. Beispielsweise besitzen sie wichtige mechanische, rheologische und Reibungseigenschaften, die es ihnen ermöglichen, sich ähnlich wie Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase zu verhalten. Nasse (sprudelnde) Schäume zeigen unter geringer Scherung ähnliche elastische Eigenschaften wie feste Körper, aber bei hoher Scherung fließen und verformen sie sich ähnlich wie Flüssigkeiten. Bei Anwendung von Druck oder Temperatur auf nasse Schäume ändert sich das Volumen proportional, und dieses Verhalten ähnelt dem von Gasen. Interessanterweise sind es die elastischen und Reibungseigenschaften von Nassschäumen, die zu ihrer Anwendung in Körperpflegeprodukten wie Körperlotionen, Schaumcremes und Rasierschäumen führen. Während der Rasur wird Schaum auf die Haut aufgetragen und die Schicht auf der Klinge läuft glatt über die Oberfläche, wodurch die Möglichkeit von Einkerbungen und Kratzern verringert wird. Ein weiteres Beispiel ist ihre Verwendung als Feuerlöschschaum, bei dem Eigenschaften wie geringe Dichte, einigermaßen gute mechanische Beständigkeit und Wärmestabilität erforderlich sind, um Benzinbrände wirksam zu löschen. Im Wesentlichen bedecken sie die Flammen mit einer dicken, halbstarren Schaumdecke. Die geringe Dichte lässt das Wasser im Schaum schwimmen, obwohl es im Allgemeinen dichter ist als die brennenden Öle. Die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften dieser Schaumtypen können variiert werden, um den Feuerlöschnutzen zu optimieren.

Schäume finden sich auch in vielen Lebensmitteln, entweder in fertigen Produkten oder in einem bestimmten Stadium der Lebensmittelverarbeitung. Sie geben hauptsächlich Cappuccino, Brot, Schlagsahne, Eiscreme, Brot, Kuchen, kohlensäurehaltige Desserts usw. eine Textur. Überraschenderweise wurden in letzter Zeit mehrere neuartige Arten von Lebensmittelschäumen aus Kabeljau, Pilzen und Kartoffeln unter Verwendung speziell entwickelter Schlagsiphons hergestellt angetrieben durch Druckgas mit Lecithin oder Gelatine als alternativen Schaumbildnern als Ersatz für Eier und Cremes (1).

Vortrag zum Thema: "UNIT-II-Röntgenbeugung: Grundlagen, Bragg'sches Gesetz, Pulvermethode, Röntgenbeugungsanwendungen. Defekte in Kristallen: Punktdefekte: Leerstellen," - Vortragsnotiz:

1 UNIT-II-Röntgenbeugung: Grundprinzipien, Braggsches Gesetz, Pulvermethode, Röntgenbeugungsanwendungen. Defekte in Kristallen: Punktdefekte: Leerstellen, Substitutions-, Interstitial-, Frenkel- und Schottky-Defekte - Berechnung der Konzentration, qualitative Behandlung von Linien- (Kanten- und Schraubenversetzungen) -Defekten, Burger-Vektor

2 Grundlagen der Röntgenbeugung, Bragg'sches Gesetz, Pulvermethode, Röntgenbeugungsanwendungen.

3 Einleitung: Röntgenbeugungstechniken sind sehr nützlich für die Kristallstrukturanalyse und die Identifizierung verschiedener Arten von Kristallen. Experimentelle Untersuchungen kristalliner Materialien wurden erst nach der Entdeckung von Röntgenstrahlen möglich. Beugung tritt auf, wenn sich Wellen durch ein Objekt bewegen, dessen Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge liegen. Der typische Atomabstand in Kristallen beträgt 2-5 ° A. Die Röntgenstrahlen haben in diesem Bereich Wellenlängen (0,02 ° A bis 100 ° A). Daher wird Röntgenbeugung verwendet, um die Kristallstrukturen zu untersuchen.

4 Grundprinzip: Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen wie sichtbares Licht. Röntgenstrahlen zeigen daher das Phänomen wie Interferenz und Beugung. Röntgenstrahlen haben jedoch eine sehr kurze Wellenlänge in der Größenordnung von 1A0. Daher ist es nicht möglich, eine Röntgenbeugung unter Verwendung eines Beugungsgitters zu erzeugen. Der Grund dafür ist, dass der Gitterabstand im Vergleich zur Röntgenwellenlänge größer ist (20.000 A0). Es ist jedoch möglich, eine Röntgenbeugung zu erhalten, indem Kristalle verwendet werden, bei denen die Atome in Ebenen gleichmäßig beabstandet und durch einen Abstand in der Größenordnung von 2A0 bis 5A0 voneinander getrennt sind. Daher findet die Beugung von Röntgenstrahlen statt, wenn sie auf die Oberfläche von Kristallen auftreffen. Daher können Röntgenstrahlen zur Untersuchung von Kristallstrukturen verwendet werden

5 Bragg'sches Gesetz: Das Bragg'sche Gesetz besagt, dass die von verschiedenen parallelen Ebenen eines Kristalls reflektierten Röntgenstrahlen konstruktiv interferieren, wenn die Wegdifferenz ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge von Röntgenstrahlen ist. A C D F Betrachten Sie eine Reihe paralleler Gitterebenen eines Kristalls, die durch den in der Abbildung gezeigten Abstand „d“ voneinander getrennt sind. B θ θ G θ θ H d E

6 Es sei angenommen, dass ein schmaler Röntgenstrahl AB und DE unter dem Winkel "θ" auf die Oberfläche des Kristalls auftreffen.
Der Strahl wird von den Atomen verschiedener Atomebenen in alle Richtungen reflektiert. Nach Reflexionen werden diese Strahlen reflektiert (BC & EF) und sind in Phase und stören sich gegenseitig. Erweitern Sie nun die Strahlen AB, um EF bei "H" und CB, um DE bei "G" zu schneiden. Die Weglänge des Strahls DEF ist um einen Betrag größer als die Weglänge von ABC (GE + EH)

7 Daher wird die Wegdifferenz zwischen zwei Strahlen von benachbarten Ebenen reflektiert
GE + EH (1) Betrachten wir> Aus dem Winkel GBE ist Sin θ = GE / BE GE = BE Sin θ = d Sin θ ---- (2) Aus dem Winkel EBH ist Sin θ = EH / BE EH = BE Sin θ = d Sin θ ---- (3) Daher ist die Wegdifferenz = GE + EH = d Sin θ + d Sin θ = 2d Sin θ

8 Für eine konstruktive Interferenz muss die Wegdifferenz jedoch ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge sein, d. H. Nλ mit n = 0,1,2,3 ……. Diese Beziehung wird als Braggs Gesetz bezeichnet. 2d Sin θ = nλ Hinweis: Das Bragg'sche Gesetz gibt die Beugungsmaxima für reflektierte Röntgenstrahlen aus mehreren Ebenen an, wobei θ der Beugungswinkel und ‘n’ die Beugungsordnung ist. Wenn n = 0 ist, wird dies als Beugung nullter Ordnung bezeichnet, d. H. Es ist keine Beugung aufgetreten. Wenn n = 1, Maxima erster Ordnung & thgr; 1 = Sin - 1 & lgr; / 2d

9 Wenn n = 2, Maxima zweiter Ordnung
θ2 = Sin-1 2λ / 2d Wenn n = 3 ist, sind Maxima dritter Ordnung θ3 = Sin-1 3λ / 2d und so weiter Sinθ1: Sinθ2: Sinθ3 = 1: 2: 3 Die Beugungswinkel θ1, θ2 und θ3 sind gemessen mit dem Bragg-Spektrometer.

10 Bedeutung des Braggs-Gesetzes
Die Braggsche Gleichung kann zur Bestimmung der Gitterparameter von kubischen Kristallen verwendet werden. Betrachten wir das Spektrum erster Ordnung aus drei Ebenen des kubischen Kristallsystems. Daher kann durch Kenntnis der Werte des Streuwinkelverhältnisses das Verhältnis des Abstandes zwischen den Ebenen und damit die Art des Gitters identifiziert werden.

11 Röntgenbeugungsmethoden:
Es gibt drei hauptsächliche Röntgenbeugungsmethoden, mit denen die Kristallstrukturen analysiert werden können. Sie sind i). Laue-Methode - Anwendbar auf Einkristall ii). Pulververfahren (Debye-Scherrer-Verfahren) - feinteiliges kristallines oder polykristallines Probenpulver iii). Rotierende Kristallmethode --- Einkristall

12 Pulver (Debye-Scherrer) Methode:
Die Pulvermethode wird verwendet, um den Abstand zwischen den Ebenen zu bestimmen. Die Pulvermethode ist auf fein verteiltes kristallines Pulver anwendbar. Ein monochromatischer Röntgenstrahl trifft auf zufällig orientierte Kristalle in Pulverform (feinkörnige polykristalline Probe), die in einer dünnwandigen Kapillarröhre aufgenommen oder auf eine dünne Glasfaser geklebt wurden. Die Probe befindet sich in der Mitte der kreisförmigen Kamera mit fotografischem Film am Innenumfang (Debye-Scherrer-Kamera).

13 r Einfallendes Röntgenstrahl-Kristallpulver l1 l2 l3
2θ Einfallender Röntgenstrahl Kristallpulver l1 l2 l3 Linien auf dem fotografischen Pulverfilm

14 Raddi dieser Ringe können verwendet werden, um Blickwinkel zu finden.
Ein schmaler Stift mit monochromatischer Röntgenstrahlung wird aus dem Pulver gebeugt und vom fotografischen Film als eine Reihe konzentrischer Kreisringe aufgezeichnet. Raddi dieser Ringe können verwendet werden, um Blickwinkel zu finden. Aufgrund der geringen Breite des Films sind nur Teile von Kreisringen darauf registriert (wie in der obigen Abbildung gezeigt). Die Krümmung der Bögen kehrt sich um, wenn der Beugungswinkel 900 überschreitet. Sei l1, l2 & l3 ... usw. der Abstand zwischen den symmetrischen Linien auf der gestreckten Fotografie und "D" ist der Durchmesser der zylindrischen Folie oder der kreisförmigen Folie, wobei "θ" der Blickwinkel ist

15 Anwendungen der Pulvermethode Untersuchung des d-Abstands. Untersuchung von Gemischen.
Unter Verwendung der Werte von "θ" in Braggs Formel kann der planare Abstand "d" bestimmt werden. Anwendungen der Pulvermethode Untersuchung des d-Abstands. Untersuchung von Gemischen. Untersuchung von Legierungen. Spannungsbestimmung in Metallen. Bestimmung der Partikelgröße.

16 Anwendungen der Röntgenbeugung:
ICH). XRD-Analyseanbieter: a). Analyse von festen und flüssigen Proben. b). Reflexions-, Transmissions- oder Kapillargeometrie bei hohen Temperaturen und in reaktiven Umgebungen. c). Orientierungs- / Texturdaten d). Weidehäufigkeit e). Reflektometrie f). Kralky Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) I). XRD-Analyse Anwendungen: a). Bestimmung der Gitterparameter b). Bestimmung der Korngröße in polykristallinen Blöcken.

17 c). Nanomaterialien: Phasenzusammensetzung, Kristallitgröße und -form, Gitterverzerrungen und -fehler, Zusammensetzungsschwankungen, Orientierung. d). Entwicklung neuer Materialien e). Polymer & Composites: Kristalline Form, Kristallinität, kristalline Perfektion, Orientierung. f). Arzneimittel und organische Stoffe g). Katalysator für Nanomaterialien mit Strukturüberwachung durch Herstellung und Verwendung zur Entwicklung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Einschränkungen der XRD-Analyse: i). Kann amorphe Materialien nicht identifizieren. ii). Keine Tiefenprofilinformationen iii). Minimale Spotgröße von

18 Fehler in Kristallen Punktfehler: Leerstellen, Substitutions-, Interstitial-, Frenkel- und Schottky-Fehler - Berechnung der Konzentration, qualitative Behandlung von Linienfehlern (Kanten- und Schraubenversetzungen), Burger'scher Vektor.

19 Einleitung In einem idealen Kristall ist die atomare Anordnung vollkommen regelmäßig und stetig, aber echte Kristalle sind niemals perfekt. Sie weisen immer erhebliche Dichtedefekte und Unvollkommenheiten auf, die ihre physikalischen, chemischen, mechanischen und elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Kristalline Unvollkommenheiten lassen sich nämlich anhand ihrer Geometrie in vier Hauptabteilungen einteilen

20 Fehler Punktfehler (0-dimensional) Linienfehler 1. Randversetzung
1.Stellen oder Schottky 2.Stellen oder Frenkel 3.Kompositionsfehler. ein. Auswechslung b. Interstitial 4.Elektronische Defekte Defekte an Punkten (0-dimensional) Liniendefekte (1-dimensional) Oberflächendefekte (2-dimensional) Volumendefekte (3-dimensional) 1. Randversetzung 2. Schraubenversetzung 1. Korngrenzen 2. Kippgrenzen 3. Zwillingsgrenzen 4. Stapelfehler 1. Risse 2. Hohlräume oder Luftblasen

21 Punktfehler werden auch als nulldimensionale Fehler bezeichnet.
Punktfehler: Punktfehler werden auch als nulldimensionale Fehler bezeichnet. Ein oder zwei Atomdurchmesser entsprechen der typischen Größe einer Punktfehlstelle. Perfekter Kristall

22 Leerstelle: Eine Leerstelle bezieht sich auf eine atomare Stelle, an der das Atom fehlt.

23 Kompositionsfehler:
Eine Substitutionsverunreinigung ist eine Punktunvollkommenheit und bezieht sich auf ein Fremdatom, das ein Elternatom im Kristall ersetzt oder ersetzt. Ein kleines Atom, das den Hohlraum im Elternkristall einnimmt und die Elternatome von ihren regulären Stellen aus stört, ist eine interstitielle Verunreinigung.

24 Schottky-Defekt: In einem Ionenkristall kann ein Paar aus einem Kataion und einem Anion fehlen (siehe Abbildung). Ein solches Paar von freien Ionenstellen wird als Schottky-Defekt bezeichnet.

25 Frenkel-Defekt: Ein Atom verlässt die reguläre Stelle und nimmt eine interstitielle Position ein. Solche Defekte werden als Frenkel-Defekte bezeichnet. Die Punktmängel in Silberhalogeniden und CaF2 sind vom Frenkel-Typ.

26 Elektronische Defekte Fehler in der Ladungsverteilung in Festkörpern werden als elektronische Defekte bezeichnet. Diese Defekte entstehen, wenn die Zusammensetzung eines Ionenkristalls nicht der exakten stöchiometrischen Formel entspricht.

27 Berechnung der Anzahl der offenen Stellen bei einer bestimmten Temperatur.
Insgesamt sind Kristallleerstellen vorhanden, und die Hauptursache für diese Mängel ist die thermische Bewegung. Nehmen wir an, Ev ist die Energie, die erforderlich ist, um ein Atom von einer Gitterstelle innerhalb des Kristalls zu einer Gitterstelle auf der Oberfläche zu bewegen. Daher kann die Energiemenge, die erforderlich ist, um "n" einzelne Stellen zu schaffen, wie folgt angegeben werden:

28 Die Gesamtzahl der Wege, um 'n' Atome von 'N' Atomen in einem Kristall auf seine Oberfläche zu bewegen, ist Die Zunahme der Entropie aufgrund der Bildung von 'n' Leerstellen kann als geschrieben werden

29 Aber die freie Energie Mit Sterling Näherung log x! = x log x - x

30 Im thermischen Gleichgewicht ist die freie Energie konstant und in Bezug auf „n“ minimal
Daher nimmt die Gleichgewichtskonzentration von Leerstellen mit der Temperatur ab.

31 Berechnung der Anzahl von Schottky-Defekten bei gegebener Temperatur:
In Ionenkristallen kann die Anzahl von Schottky-Defekten bei einer gegebenen Temperatur berechnet werden, wenn eine gleiche Anzahl von positiven und negativen Ionenleerstellen vorhanden ist. Nehmen wir an, "Es" ist die Energie, die erforderlich ist, um ein Ionenpaar von der Gitterstelle innerhalb des Kristalls zu einer Gitterstelle auf der Oberfläche zu bewegen. Daher wird die Energiemenge, die erforderlich ist, um "n" isolierte Ionenpaar-Leerstellen zu erzeugen, betragen

32 Die Gesamtzahl der Möglichkeiten, wie "n" Ionenpaare von "N" Ionenmolekülen in einem Kristall auf die Oberfläche bewegt werden können, ist

33 Die freie Energie Mit Sterling-Annäherung

34 Im thermischen Gleichgewicht ist die freie Energie konstant und in Bezug auf „n“ minimal

35 Berechnung der Anzahl der Frenkel-Defekte bei gegebener Temperatur:
Im Ionenkristall kann ein Ion aus dem regulären Gitter in eine Zwischengitterstelle oder einen Hohlraum verschoben werden. Ist dies der Fall, kommt es zu einer Leerstelle und einem Interstitialdefekt. Unvollkommenheiten von A-Frenkel in Silberhalogeniden und Calciumfluorid sind vom Typ Frenkel. Frenkel- und Schottky-Defekte werden zusammen als intrinsische Defekte bezeichnet.

36 Betrachten wir Ei als die Energie, die erforderlich ist, um ein Atom von einer Gitterstelle im Kristall zu einer Gitterstelle auf der Oberfläche zu bewegen. Die Menge an Energie, die benötigt wird, um „n“ einzelne Stellen zu schaffen…

37 Die Gesamtzahl der Wege, um n Ionen aus N Ionenmolekülen in einem Kristall an die Oberfläche zu bringen, ist

39 Im Gleichgewicht ist die freie Energie konstant und in Bezug auf n minimal, daher

40 Daraus wird geschlossen, dass die Anzahl der Frenkel-Defekte proportional (NNi) 1/2 ist

41 Leitungsfehler Leitungsfehler
Liniendefekte sind eindimensionale Fehler im geometrischen Sinne. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Versetzungen: 1. Kantenversetzung 2. Schraubenversetzung

42 Kantenversetzung In einem perfekten Kristall sind Atome sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Ebene parallel zu den Seitenflächen angeordnet. Wenn sich eine dieser vertikalen Ebenen nicht bis zur vollen Länge erstreckt, sondern in dem Kristall dazwischen endet, wie in der Abbildung gezeigt, spricht man von Kantenversetzung. Kantenversetzungen werden symbolisch durch ┴ oder ┬ dargestellt oder hängen davon ab, ob die unvollständige Ebene oben oder unten im Kristall beginnt. Diese beiden Konfigurationen werden als positive und negative Flankenversetzungen bezeichnet.

43 Perfekter Kristall Eine unvollständige Ebene in einem Kristall führt zu einer Kantenversetzung

44 Perfekter Kristall Zusätzliche Halbebene Gleitebene Randversetzter Kristall

45 Die Kantenversetzung, die eine zusätzliche Ebene von Atomen enthält, die über der positiven Gleitebene (oder) Burgers-Ebene liegt, wird herkömmlicherweise als positive Kantenversetzung bezeichnet. Wenn die zusätzliche Halbebene der Atome unterhalb der Gleitebene liegt, spricht man von der negativen Kantenversetzung.

46 Positive und negative Versetzungen

47 Burgers-Vektor Die Größe und die Richtung der Verschiebung werden durch einen Vektor definiert, der als Burgers-Vektor bezeichnet wird. Betrachten Sie zwei Kristalle, einen perfekten und einen anderen mit Kantenversetzung.

48 Abb. 2. Abb. 1. Eine unvollständige Ebene in einem Kristall führt zu einer Kante
Q b P Eine unvollständige Ebene in einem Kristall führt zu einer Kantenversetzung. Perfekter Kristall

49 Der Burgers-Vektor verläuft senkrecht zur Kantenversetzungslinie.
Aus Abb. 1. Ausgehend von Punkt P steigen wir um 6 Stufen nach oben, bewegen uns dann um 5 Stufen nach rechts und um 6 Stufen nach unten und bewegen uns schließlich um 5 Stufen nach links, um den Startpunkt P zu erreichen. Der Burgerkreislauf wird geschlossen. Ab Abb. 2 landen wir bei Q anstelle des Startpunkts P. Jetzt müssen wir einen zusätzlichen Schritt QP machen, um zu "P" zurückzukehren, um den Burger-Kreislauf zu schließen. Die Größe und Richtung der Stufe definiert den Burgers-Vektor (BV) BV = QP = b Der Burgers-Vektor steht senkrecht auf der Kantenversetzungslinie.

50 Schraubenversetzung: Die zweite grundlegende Art der Versetzung ist die Schrauben- oder Burgerversetzung. Dabei werden die Atome in zwei getrennten Ebenen senkrecht zueinander verschoben. In einer Figur ist die Ebene ABCD die verrutschte Fläche. Der obere Teil des Kristalls wurde relativ zum unteren Teil um einen Atomabstand nach rechts abgeschert. Rechts von AD ist kein Schlupf aufgetreten, und AD ist eine Versetzungslinie.

51 A B C D Schervektor Hier ist die Versetzung parallel zu ihrem Burgers-Vektor oder Schervektor. Die Bezeichnung "Schraube" für diesen Gitterdefekt leitet sich aus der Tatsache ab, dass die Gitterebenen des Kristalls die Versetzungslinie AD spiralisieren.

Geschichte

Das erste faserinterne Bragg-Gitter wurde 1978 von Ken Hill demonstriert. Zunächst wurden die Gitter mit einem sichtbaren Laser hergestellt, der sich entlang des Faserkerns ausbreitete. Im Jahr 1989 demonstrierten Gerald Meltz und Kollegen die viel flexiblere transversale holographische Beschriftungstechnik, bei der die Laserbeleuchtung von der Quelle kam, um die periodische Struktur des Faser-Bragg-Gitters zu erzeugen.

Herstellung

Faser-Bragg-Gitter werden durch "Beschriften" oder "Schreiben" einer systematischen (periodischen oder aperiodischen) Änderung des Brechungsindex in den Kern einer speziellen Art von optischer Faser unter Verwendung einer intensiven Ultraviolett- (UV-) Quelle wie einem UV-Laser erzeugt. Zwei Hauptprozesse werden verwendet: Interferenz, Störung und Maskierung. Das bevorzugte Verfahren hängt von der Art des herzustellenden Gitters ab. Normalerweise wird bei der Herstellung von Faser-Bragg-Gittern eine mit Germanium dotierte Siliciumdioxidfaser verwendet. Die mit Germanium dotierte Faser ist lichtempfindlich, was bedeutet, dass sich der Brechungsindex des Kerns bei Einwirkung von UV-Licht ändert. Das Ausmaß der Änderung hängt von der Intensität und Dauer der Belichtung sowie der Lichtempfindlichkeit der Faser ab. Um ein hochreflektierendes Faser-Bragg-Gitter direkt in die Faser zu schreiben, muss der Grad der Dotierung mit Germanium hoch sein. Es können jedoch Standardfasern verwendet werden, wenn die Lichtempfindlichkeit durch Einweichen der Faser in Wasserstoff erhöht wird. In jüngerer Zeit wurden auch Faser-Bragg-Gitter in Polymerfasern geschrieben, dies ist im PHOSFOS-Eintrag beschrieben.

Betrieb

Als Resonanzstruktur fungiert der FBG als wellenlängenselektiver Spiegel, er ist ein Schmalbandfilter. Dies bedeutet, dass, wenn Licht von einer Breitbandquelle in die optische Faser eingekoppelt wird, nur Licht innerhalb einer sehr engen spektralen Breite, die bei der Bragg-Wellenlänge zentriert ist, vom Gitter zurückreflektiert wird. Das verbleibende Licht wird durch die Glasfaser zum nächsten Bragg-Gitter weitergeleitet, ohne dass es zu Verlusten kommt (Abb. 2).

Die Bragg-Wellenlänge wird durch die Periode der Mikrostruktur und den Brechungsindex des Kerns definiert.

Das FBG ist symmetrisch aufgebaut und reflektiert daher immer Licht mit der Bragg-Wellenlänge, unabhängig davon, von welcher Seite das Licht kommt.

Interferenz, Störung

Dies war das erste weit verbreitete Verfahren zur Herstellung von Faser-Bragg-Gittern und nutzt die Zwei-Strahl-Interferenz. Hier wird der UV-Laser in zwei Strahlen aufgeteilt, die sich gegenseitig stören und eine periodische Intensitätsverteilung entlang des Interferenzmusters erzeugen. Der Brechungsindex der lichtempfindlichen Faser ändert sich entsprechend der Intensität des Lichts, dem sie ausgesetzt ist. Dieses Verfahren ermöglicht eine schnelle und einfache Änderung der Bragg-Wellenlänge, die in direktem Zusammenhang mit der Interferenzperiode und einer Funktion des Einfallswinkels des Laserlichts steht.

Wirkt als Dehnungssensor

Ein FBG hat einzigartige Eigenschaften als Sensor. Wenn beispielsweise die Faser gedehnt oder zusammengedrückt wird, misst das FBG die Dehnung. Dies geschieht, weil die Verformung der Lichtleitfaser zu einer Änderung der Periode der Mikrostruktur und der Bragg-Wellenlänge führt (Abb. 3).

Sequentielles Schreiben

Komplexe Gitterprofile können hergestellt werden, indem eine große Anzahl kleiner, teilweise überlappender Gitter nacheinander freigelegt wird. Erweiterte Eigenschaften wie Phasenverschiebungen und unterschiedliche Modulationstiefen können durch Anpassen der entsprechenden Eigenschaften der Teilbegriffe eingeführt werden. In der ersten Version des Verfahrens wurden durch Bestrahlung mit UV-Impulsen Nebengründe gebildet, aber dieser Ansatz hatte mehrere Nachteile, wie große Energiefluktuationen in den Impulsen und geringe Durchschnittsleistung. Ein sequentielles Schreibverfahren mit kontinuierlicher UV-Strahlung, das diese Probleme überwindet, wurde demonstriert und wird jetzt kommerziell verwendet. Die lichtempfindliche Faser wird durch einen interferometrisch gesteuerten Luftlagerwagen verschoben. Die störenden UV-Strahlen werden auf die Faser fokussiert, und während sich die Faser bewegt, bewegen sich die Streifen entlang der Faser, indem Spiegel in einem Interferometer verschoben werden. Da die Reichweite der Spiegel begrenzt ist, müssen sie in jeder Periode neu eingestellt werden, und die Streifen bewegen sich in einem Sägezahnmuster. Alle Gitterparameter sind in der Steuerungssoftware zugänglich, so dass beliebige Gitterstrukturen ohne Änderungen in der Hardware hergestellt werden können.

Wirkt als Temperatursensor

Die Temperaturempfindlichkeit ist auch einem Faser-Bragg-Gitter eigen. In diesem Fall ist der Hauptfaktor für die Bragg-Wellenlängenänderung die durch den thermooptischen Effekt hervorgerufene Änderung des Siliciumdioxid-Brechungsindex (Abb. 4). Es gibt auch einen Beitrag von der Wärmeausdehnung, die die Periode der Mikrostruktur verändert. Dieser Effekt ist jedoch angesichts des niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliciumdioxid gering.

Fotomaske

Eine Fotomaske mit den beabsichtigten Gittermerkmalen kann auch bei der Herstellung von Faser-Bragg-Gittern verwendet werden. Die Fotomaske ist zwischen der UV-Lichtquelle und der lichtempfindlichen Faser angeordnet. Der Schatten der Fotomaske bestimmt dann die Gitterstruktur auf der Grundlage der durchgelassenen Lichtintensität, die auf die Faser auftrifft. Photomasken werden speziell zur Herstellung von gechirpten Fibre Bragg-Gittern verwendet, die nicht unter Verwendung eines Interferenzmusters hergestellt werden können.

Punkt für Punkt

Ein einzelner UV-Laserstrahl kann auch verwendet werden, um das Gitter Punkt für Punkt in die Faser zu "schreiben". Hier hat der Laser einen schmalen Strahl, der der Gitterperiode entspricht. Der Hauptunterschied dieser Methode liegt in den Wechselwirkungsmechanismen zwischen Infrarotlaserstrahlung und dielektrischem Material - Multiphotonenabsorption und Tunnelionisation. Dieses Verfahren ist speziell auf die Herstellung von langperiodischen Fasergittern anwendbar. Punkt für Punkt wird auch bei der Herstellung von geneigten Gittern verwendet.

Multiplexing

Einer der Hauptvorteile dieser Technologie ist ihre intrinsische Multiplexfähigkeit. Tatsächlich können Hunderte von Faser-Bragg-Gittern auf eine einzelne optische Faser geschrieben werden, die nur wenige Millimeter oder einige Kilometer voneinander entfernt sein kann (Abb. 5). Bei richtiger Verpackung kann jede dieser Mikrostrukturen für andere Parameter als Temperatur oder Dehnung empfindlich gemacht werden. Beispielsweise verleihen Druck, Beschleunigung, Verschiebung usw. der Anordnung von Sensoren eine multifunktionale Eigenschaft. Es ist wichtig zu betonen, dass alle Sensoren mit einer einzigen optischen Quelle angesprochen werden können. Auch die Hinzufügung von immer mehr Sensoren auf derselben Faser führt zu nur geringen Verlusten und keinem Übersprechen, solange für jeden Sensor genügend Spektralband des Lichtspektrums reserviert ist (Abb. 6).

Produktion

Ursprünglich wurden die Herstellung der lichtempfindlichen optischen Faser und das "Schreiben" des Faser-Bragg-Gitters getrennt durchgeführt. Heutzutage ziehen Produktionslinien die Faser in der Regel aus dem Vorformling und schreiben das Gitter in einer einzigen Stufe. Dies reduziert nicht nur die damit verbundenen Kosten und Zeit, sondern ermöglicht auch die Massenproduktion von Faser-Bragg-Gittern. Die Massenproduktion erleichtert insbesondere Anwendungen in intelligenten Strukturen, bei denen eine große Anzahl (3000) von eingebetteten Faser-Bragg-Gittern entlang einer einzelnen Faserlänge verwendet wird.

Leistungen

Als faseroptischer Sensor bietet ein Bragg-Gitter alle Vorteile, die diesen Geräten normalerweise zugeschrieben werden, wie geringe Verluste in Bezug auf die Faserlänge, Störfestigkeit gegen elektromagnetische und Hochfrequenzstörungen, geringe Größe und geringes Gewicht, eigensicherer Betrieb in Umgebungen mit gefährlichen Eigenschaften Materialien, hohe Empfindlichkeit und langfristige Zuverlässigkeit. Darüber hinaus zeigt die Faser-Bragg-Gitter-Technologie eine inhärente Kapazität für serielles Multiplexen und die Fähigkeit, absolute Messungen ohne Referenzierung bereitzustellen. Dies macht es zur natürlichen Alternative zu herkömmlichen elektrischen Sensortechnologien.

Theorie

Das Grundprinzip hinter dem Betrieb eines FBG ist die Fresnel-Reflexion, bei der Licht, das sich zwischen Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bewegt, an der Grenzfläche sowohl reflektiert als auch gebrochen werden kann.

Der Brechungsindex wird sich typischerweise über eine definierte Länge abwechseln. Die reflektierte Wellenlänge (λ B < displaystyle scriptstyle lambda _>), genannt die Bragg-Wellenlänge, wird durch die Beziehung definiert,

λ B = 2 n e Λ < displaystyle lambda _= 2n_ Lambda ,>

Wobei n < displaystyle scriptstyle n_> ist der effektive Brechungsindex des Gitters im Faserkern und Λ < displaystyle scriptstyle Lambda> ist die Gitterperiode. Der effektive Brechungsindex quantifiziert die Geschwindigkeit des sich ausbreitenden Lichts im Vergleich zu seiner Geschwindigkeit im Vakuum. n e < displaystyle scriptstyle n_> hängt nicht nur von der Wellenlänge ab, sondern auch (bei Multimode-Wellenleitern) von der Ausbreitungsart des Lichts. Aus diesem Grund wird es auch Modal Index genannt.

Der Wellenlängenabstand zwischen den ersten Minima (Nullen, siehe Fig. 2) oder dem Band (Δλ) ist (in der starken Gittergrenze) gegeben durch

Δλ = λB < displaystyle Delta lambda = left < frac <2 delta n_ <0> eta> < pi >> right lambda _>

wobei & dgr; n 0 < displaystyle scriptstyle delta n_ <0 >> die Variation des Brechungsindex ist (n 3 - n 2 < displaystyle scriptstyle n_ <3> , - , n_ <2 >>), und η < displaystyle scriptstyle eta> ist der Bruchteil der Leistung im Kern. Beachten Sie, dass diese Annäherung nicht für schwache Gitter gilt, bei denen die Gitterlänge L g < displaystyle scriptstyle L_> ist nicht groß im Vergleich zu λ B < displaystyle scriptstyle lambda _> δ n 0 < displaystyle scriptstyle delta n_ <0 >>.

Die Spitzenreflexion (P B (λ B) < displaystyle scriptstyle P_( lambda _)>) ist ungefähr gegeben durch,

P B (λ B) ≤ tanh 2 ≤ displaystyle P_( lambda _) ca tanh ^ <2> left < frac >> right>

Dabei ist N < displaystyle scriptstyle N> die Anzahl der periodischen Variationen. Die vollständige Gleichung für die reflektierte Leistung (P B (λ) < displaystyle scriptstyle P_( lambda)>) ist gegeben durch

P B (λ) = sinh 2 ≤ cosh 2 ≤ ≤ 2 < displaystyle P_(& lgr;) = < frac < sinh ^ <2> left eta (V) delta n_ <0> < sqrt <1 Gamma ^ <2 >>> < frac < lambda >> right> < cosh ^ <2> left eta (V) delta n_ <0> < sqrt <1- Gamma ^ <2 >>> < frac > ight-Gamma ^<2>>>>

Γ (λ) = 1 η (V) δn 0 < displaystyle Gamma ( lambda) = < frac <1> < eta (V) delta n_ <0 >>> left < frac < Lambda> < lambda _>> - 1 right>

Arten von Gittern

Der Begriff Art bezieht sich in diesem Zusammenhang auf den zugrunde liegenden Lichtempfindlichkeitsmechanismus, durch den Gitterstreifen in der Faser erzeugt werden. Die verschiedenen Methoden zur Erzeugung dieser Streifen wirken sich erheblich auf die physikalischen Eigenschaften des hergestellten Gitters aus, insbesondere auf das Temperaturverhalten und die Fähigkeit, erhöhten Temperaturen standzuhalten. Bisher wurden fünf (oder sechs) FBG-Typen mit unterschiedlichen zugrunde liegenden Lichtempfindlichkeitsmechanismen beschrieben. Diese sind nachfolgend zusammengefasst:

Was sind die Messprinzipien eines Faser-Bragg-Gitters?

Die Bragg-Wellenlänge (λB) wird im wesentlichen durch die Periode der Mikrostruktur (Λ) und den Brechungsindex des Kerns (nef).


Gleichung 1

Ein Faser-Bragg-Gitter hat einzigartige Eigenschaften, um als Sensor zu fungieren. Wenn beispielsweise die Faser gedehnt oder zusammengedrückt wird, misst das FBG die Dehnung. Dies geschieht im wesentlichen deshalb, weil die Verformung der Lichtleitfaser zu einer Veränderung der Periode der Mikrostruktur und damit der Bragg-Wellenlänge führt. Es gibt auch einen gewissen Beitrag von der Variation des Brechungsindex durch den photoelastischen Effekt.

Die Temperaturempfindlichkeit ist auch einem Faser-Bragg-Gitter eigen. In diesem Fall ist der Hauptfaktor für die Änderung der Bragg-Wellenlänge die durch den thermooptischen Effekt hervorgerufene Änderung des Siliciumdioxid-Brechungsindex. Es gibt auch einen Beitrag von der Wärmeausdehnung, die die Periode der Mikrostruktur verändert. Dieser Effekt ist jedoch angesichts des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliciumdioxid gering.

Standard- oder Typ I-Gitter

Typ-I-Gitter, die sowohl aus hydrierten als auch nicht hydrierten Fasern aller Art bestehen, sind in der Regel als Standardgitter bekannt und werden unter allen Hydrierungsbedingungen aus Fasern aller Art hergestellt. Typischerweise sind die Reflexionsspektren eines Gitters vom Typ I gleich 1-T, wobei T die Transmissionsspektren sind. Dies bedeutet, dass die Reflexions- und Transmissionsspektren komplementär sind und ein vernachlässigbarer Lichtverlust durch Reflexion in den Mantel oder durch Absorption auftritt. Typ-I-Gitter sind die am häufigsten verwendeten Gitterarten und die einzigen Gitterarten, die zum Zeitpunkt des Schreibens im Handel erhältlich sind.

Faser-Bragg-Gitter (FBG) -Dehnungsabhängigkeit

Die Dehnungsabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters kann durch Differenzieren der Wellenlänge bestimmt werden:

k - k Faktor des Bragg-Gitters
pe - photoelastische Konstante (Änderung des Brechungsindex mit axialer Spannung)

Die pe für die optische Faser ist


Dies bedeutet, dass die Belastungsempfindlichkeit eines FBG durch den Ausdruck gegeben ist:

For FBG @1550 nm (typical) we can simplify its strain sensitivity to:

Type IA gratings

  • Regenerated grating written after erasure of a type I grating in hydrogenated germanosilicate fiber of all types

Type IA gratings were first observed in 2001 during experiments designed to determine the effects of hydrogen loading on the formation of IIA gratings in germanosilicate fiber. In contrast to the anticipated decrease (or 'blue shift') of the gratings' Bragg wavelength, a large increase (or 'red shift') was observed.

Later work showed that the increase in Bragg wavelength began once an initial type I grating had reached peak reflectivity and begun to weaken. For this reason, it was labeled as a regenerated grating.

Determination of the type IA gratings' temperature coefficient showed that it was lower than a standard grating written under similar conditions.

The key difference between the inscriprion of type IA and IIA gratings is that IA gratings are written in hydrogenated fibers, whereas type IIA gratings are written in non-hydrogenated fibers.

Fiber Bragg Grating (FBG) temperature dependence

Similarly to the strain dependence of a fiber Bragg grating, the temperature dependence can be determined by differentiating the wavelength expression (Equation 1):

Wo:
α – coefficient of thermal expansion of the fiber
ζ– thermo-optic coefficient (dependence of the index of refraction on temperature)

For a temperature sensitivity approximation, we can assume that these values are constant for the temperature range:
α= 0.55x10 -6 /ºC
ζ= 5.77 x10 -6 /ºC

Meaning that the approximate thermal sensitivity is given by

For a typical FBG @ 1550nm we can simplify its temperature sensitivity to:

Type IIA, or type In, gratings

  • These are gratings that form as the negative part of the induced index change overtakes the positive part. It is usually associated with gradual relaxation of induced stress along the axis and/or at the interface. It has been proposed that these gratings could be relabeled type In (for type 1 gratings with a negative index change, type II label could be reserved for those that are distinctly made above the damage threshold of the glass).

Later research by Xie et al. showed the existence of another type of grating with similar thermal stability properties to the type II grating. This grating exhibited a negative change in the mean index of the fiber and was termed type IIA. The gratings were formed in germanosilicate fibers with pulses from a frequency doubled XeCl pumped dye laser. It was shown that initial exposure formed a standard (type I) grating within the fiber which underwent a small red shift before being erased. Further exposure showed that a grating reformed which underwent a steady blue shift whilst growing in strength.

Regenerated gratings

These are gratings that are reborn at higher temperatures after erasure of gratings, usually type I gratings and usually, though not always, in the presence of hydrogen. They have been interpreted in different ways including dopant diffusion (oxygen being the most popular current interpretation) and glass structural change. Recent work has shown that there exists a regeneration regime beyond diffusion where gratings can be made to operate at temperatures in excess of 1,295 °C, outperforming even type II femtosecond gratings. These are extremely attractive for ultra high temperature applications.

Type II gratings

  • Damage written gratings inscribed by multiphoton excitation with higher intensity lasers that exceed the damage threshold of the glass. Lasers employed are usually pulsed in order to reach these intensities. They include recent developments in multiphoton excitation using femtosecond pulses where the short timescales (commensurate on a timescale similar to local relaxation times) offer unprecedented spatial localization of the induced change. The amorphous network of the glass is usually transformed via a different ionization and melting pathway to give either higher index changes or create, through micro-explosions, voids surrounded by more dense glass.

Archambault et al. showed that it was possible to inscribe gratings of

100% (>99.8%) reflectance with a single UV pulse in fibers on the draw tower. The resulting gratings were shown to be stable at temperatures as high as 800 °C (up to 1,000 °C in some cases, and higher with femtosecond laser inscription). The gratings were inscribed using a single 40 mJ pulse from an excimer laser at 248 nm. It was further shown that a sharp threshold was ev >

Grating structure

The structure of the FBG can vary via the refractive index, or the grating period. The grating period can be uniform or graded, and either localised or distributed in a superstructure. The refractive index has two primary characteristics, the refractive index profile, and the offset. Typically, the refractive index profile can be uniform or apodized, and the refractive index offset is positive or zero.

There are six common structures for FBGs,

The first complex grating was made by J. Canning in 1994. Zitat benötigt This supported the development of the first distributed feedback (DFB) fiber lasers, and also la > Zitat benötigt

Apodized gratings

There are basically two quantities that control the properties of the FBG. These are the grating length, L g <displaystyle scriptstyle L_> , given as

L g = N Λ <displaystyle L_=NLambda ,>

and the grating strength, δ n 0 η <displaystyle scriptstyle delta n_<0>eta > . There are, however, three properties that need to be controlled in a FBG. These are the reflectivity, the bandw > δ n 0 <displaystyle scriptstyle delta n_<0>> ) the bandw > N <displaystyle scriptstyle N> , can then be used to set the peak reflectivity, which depends on both the grating strength and the grating length. The result of this is that the side-lobe strength cannot be controlled, and this simple optimisation results in significant side-lobes. A third quantity can be varied to help with side-lobe suppression. This is apodization of the refractive index change. The term apodization refers to the grading of the refractive index to approach zero at the end of the grating. Apodized gratings offer significant improvement in side-lobe suppression while maintaining reflectivity and a narrow bandwidth. The two functions typically used to apodize a FBG are Gaussian and raised-cosine.

Chirped fiber Bragg gratings

The refractive index profile of the grating may be modified to add other features, such as a linear variation in the grating period, called a chirp. The reflected wavelength changes with the grating period, broadening the reflected spectrum. A grating possessing a chirp has the property of adding dispersion—namely, different wavelengths reflected from the grating will be subject to different delays. This property has been used in the development of phased-array antenna systems and polarization mode dispersion compensation, as well.

Long-period gratings

Typically the grating period is the same size as the Bragg wavelength, as shown above. For a grating that reflects at 1,500 nm, the grating period is 500 nm, using a refractive index of 1.5. Longer periods can be used to achieve much broader responses than are possible with a standard FBG. These gratings are called long-period fiber grating. They typically have grating periods on the order of 100 micrometers, to a millimeter, and are therefore much easier to manufacture.

Phase-shifted fiber Bragg gratings

Phase-shifted fiber Bragg gratings (PS-FBGs) are an important > These types of gratings can be reconfigurable through special packaging and system design.

Different coatings of diffractive structure are used for fiber Bragg gratings in order to reduce the mechanical impact on the Bragg wavelength shift for 1.1–15 times as compared to an uncoated wavegu >

Mitteilungen

The primary application of fiber Bragg gratings is in optical communications systems. They are specifically used as notch filters. They are also used in optical multiplexers and demultiplexers with an optical circulator, or optical add-drop multiplexer (OADM). Figure 5 shows 4 channels, depicted as 4 colours, impinging onto a FBG via an optical circulator. The FBG is set to reflect one of the channels, here channel 4. The signal is reflected back to the circulator where it is directed down and dropped out of the system. Since the channel has been dropped, another signal on that channel can be added at the same point in the network.

A demultiplexer can be achieved by cascading multiple drop sections of the OADM, where each drop element uses an FBG set to the wavelength to be demultiplexed. Conversely, a multiplexer can be achieved by cascading multiple add sections of the OADM. FBG demultiplexers and OADMs can also be tunable. In a tunable demultiplexer or OADM, the Bragg wavelength of the FBG can be tuned by strain applied by a piezoelectric transducer. The sensitivity of a FBG to strain is discussed below in fiber Bragg grating sensors.

Fiber Bragg grating sensors

As well as being sensitive to strain, the Bragg wavelength is also sensitive to temperature. This means that fiber Bragg gratings can be used as sensing elements in optical fiber sensors. In a FBG sensor, the measurand causes a shift in the Bragg wavelength, Δ λ B <displaystyle scriptstyle Delta lambda _> . The relative shift in the Bragg wavelength, Δ λ B / λ B <displaystyle scriptstyle Delta lambda _/lambda _> , due to an applied strain ( ϵ <displaystyle scriptstyle epsilon > ) and a change in temperature ( Δ T <displaystyle scriptstyle Delta T> ) is approximately given by,

= C S ϵ + C T Δ T <displaystyle left<frac <Delta lambda _><lambda _>> ight=C_epsilon +C_Delta T>

= ( 1 − p e ) ϵ + ( α Λ + α n ) Δ T <displaystyle left<frac <Delta lambda _><lambda _>> ight=(1-p_)epsilon +(alpha _<Lambda >+alpha _)Delta T>

Here, C S <displaystyle scriptstyle C_> is the coefficient of strain, which is related to the strain optic coefficient p e <displaystyle scriptstyle p_> . Also, C T <displaystyle scriptstyle C_> is the coefficient of temperature, which is made up of the thermal expansion coefficient of the optical fiber, α Λ <displaystyle scriptstyle alpha _<Lambda >> , and the thermo-optic coefficient, α n <displaystyle scriptstyle alpha _> .

Fiber Bragg gratings can then be used as direct sensing elements for strain and temperature. They can also be used as transduction elements, converting the output of another sensor, which generates a strain or temperature change from the measurand, for example fiber Bragg grating gas sensors use an absorbent coating, which in the presence of a gas expands generating a strain, which is measurable by the grating. Technically, the absorbent material is the sensing element, converting the amount of gas to a strain. The Bragg grating then transduces the strain to the change in wavelength.

Specifically, fiber Bragg gratings are finding uses in instrumentation applications such as seismology, pressure sensors for extremely harsh environments, and as downhole sensors in oil and gas wells for measurement of the effects of external pressure, temperature, seismic vibrations and inline flow measurement. As such they offer a significant advantage over traditional electronic gauges used for these applications in that they are less sensitive to vibration or heat and consequently are far more reliable. In the 1990s, investigations were conducted for measuring strain and temperature in composite materials for aircraft and helicopter structures.

Fiber Bragg gratings used in fiber lasers

Recently the development of high power fiber lasers has generated a new set of applications for fiber Bragg gratings (FBGs), operating at power levels that were previously thought impossible. In the case of a simple fiber laser, the FBGs can be used as the high reflector (HR) and output coupler (OC) to form the laser cavity. The gain for the laser is provided by a length of rare earth doped optical fiber, with the most common form using Yb 3+ ions as the active lasing ion in the silica fiber. These Yb-doped fiber lasers first operated at the 1 kW CW power level in 2004 based on free space cavities but were not shown to operate with fiber Bragg grating cavities until much later.

Such monolithic, all-fiber devices are produced by many companies worldwide and at power levels exceeding 1 kW. The major advantage of these all fiber systems, where the free space mirrors are replaced with a pair of fiber Bragg gratings (FBGs), is the elimination of realignment during the life of the system, since the FBG is spliced directly to the doped fiber and never needs adjusting. The challenge is to operate these monolithic cavities at the kW CW power level in large mode area (LMA) fibers such as 20/400 (20 μm diameter core and 400 μm diameter inner cladding) without premature failures at the intra-cavity splice points and the gratings. Once optimized, these monolithic cavities do not need realignment during the life of the device, removing any cleaning and degradation of fiber surface from the maintenance schedule of the laser. However, the packaging and optimization of the splices and FBGs themselves are non-trivial at these power levels as are the matching of the various fibers, since the composition of the Yb-doped fiber and various passive and photosensitive fibers needs to be carefully matched across the entire fiber laser chain. Although the power handling capability of the fiber itself far exceeds this level, and is possibly as high as >30 kW CW, the practical limit is much lower due to component reliability and splice losses.

Process of matching active and passive fibers

In a double-clad fiber there are two wavegu >

Matching fibers for improved pump coupling requires optimization of the clad diameter for both the passive and the active fiber. To maximize the amount of pump power coupled into the active fiber, the active fiber is designed with a slightly larger clad diameter than the passive fibers delivering the pump power. As an example, passive fibers with clad diameters of 395-μm spliced to active octagon shaped fiber with clad diameters of 400-μm improve the coupling of the pump power into the active fiber. An image of such a splice is shown, showing the shaped cladding of the doped double-clad fiber.

The matching of active and passive fibers can be optimized in several ways. The easiest method for matching the signal carrying light is to have >

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