Hoe werkt een fiber ?

De geschiedenis van LASERS

Het woord LASER staat voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling). De allereerste laser werd in 1960 gebouwd door Theodore H. Maiman, een Amerikaanse ingenieur en natuurkundige die voor zijn uitvinding talrijke onderscheidingen ontving. Het was echter Elias Snitzer die in 1961 de eerste optische fiber en fiber demonstreerde. Sindsdien heeft fiber zich alleen maar verder ontwikkeld en wordt ze voor allerlei doeleinden gebruikt in tal van sectoren, waaronder de industrie, de geneeskunde en de telecommunicatie.

Hoe een laser werkt

Ten eerste zetten laserdiodes uit een stroombron elektriciteit om in fotonen. Ze creëren dus in feite licht dat vervolgens in een fiber wordt gepompt.

 Maar als het niet door een specifiek mechanisme wordt geregeld, zal licht alle kanten op gaan en we hebben gezien hoe smal en gericht een laserstraal is. Daar komen we nog wel, maar eerst moeten we begrijpen hoe licht door de fiber reist.

 

• De kern is de geleider waardoor het licht zich voortbeweegt. Deze is gemaakt van silicaglas en gecoat met zeldzame aardmetalen (in dit geval ytterbium) en heeft een hoge brekingsindex.
• De bekleding is de laag rondom de kern met een lage brekingsindex.
• De coating is een dikkere plastic laag die als buffer fungeert om schokken op te vangen en te voorkomen dat de kern verbuigt.

Het belang van refractie

 

Als je aan breking denkt, stel je je meestal voor dat licht vanuit de lucht in glas of water terechtkomt en van hoek verandert. Dit gebeurt omdat zowel glas als water dichter zijn dan lucht en een hogere brekingsindex hebben, waardoor licht langzamer gaat als het erdoorheen gaat. Deze verandering in snelheid zorgt voor de verandering in hoek. Wanneer licht het dichtere medium verlaat en weer in de lucht terechtkomt, neemt de snelheid toe en verandert de hoek weer naar de oorspronkelijke hoek, zoals te zien is in de afbeelding:

Wat heeft breking te maken met onze fiber ? We willen niet dat het licht door de mantel gaat en onder een andere hoek naar buiten komt. We willen het binnen de kern houden.

Hier komen we een beetje in de natuurkunde terecht. Volgens de wet van breking (de wet van Snell) bestaat er zoiets als de 'kritische hoek'. De kritische hoek is de grootste invalshoek waarbij nog steeds breking kan optreden in een bepaald medium. Het licht zal dus alleen breken zolang de invalshoek (de hoek waaronder het licht op de bekleding valt) kleiner is dan de kritische hoek.

Als de invalshoek groter is dan de kritische hoek, zal de lichtstraal zo sterk buigen dat er een fenomeen optreedt dat 'totale interne reflectie' wordt genoemd. Totale interne reflectie betekent dat het licht terugkaatst naar het eerste medium (de kern), en dat is precies wat we nodig hebben. Afbeelding 4 in het onderstaande diagram toont totale interne reflectie:

 

Zonder de mantel zou het licht alle kanten opgaan en uit de kern treden. Dankzij de lage brekingsindex van de mantel, de hoge brekingsindex van de kern en de smalle diameter van de kabel, valt het licht onder een hoek die groter is dan de kritische hoek op de mantel en kaatst het keer op keer terug, waardoor het door de optische fiber reist.

Hoe wordt licht versterkt?

Weet u nog dat LASER staat voor 'Light Amplification' (lichtversterking), wat wordt bereikt door 'Stimulated Emission' (gestimuleerde emissie)? Laten we eens kijken hoe die versterking tot stand komt.

 Zoals we eerder al vermeldden, is de kern fiberbekleed met het zeldzame element ytterbium. In de natuurkunde wordt dit een 'gedoteerde' fiber genoemd. Wanneer deeltjes uit deze gedoteerde fiber met licht (fotonen), worden hun elektronen geëxciteerd, wat betekent dat ze naar een hoger energieniveau stijgen. Uiteindelijk vallen de elektronen terug naar hun oorspronkelijke niveau, maar omdat energie nooit verloren gaat, geven ze bij het vallen energie vrij in de vorm van fotonen, waardoor er meer licht wordt geproduceerd (of versterkt).

Maar daar houdt de lichtversterking niet op. De fiber heeft ookFiber Gratings' (FBG), wat simpel gezegd een reeks regelmatig geplaatste spiegels zijn die fotonen heen en weer weerkaatsen.

De meeste lichtgolflengten worden door de roosters doorgelaten, maar een specifieke lichtgolflengte wordt teruggekaatst. Nu hebben we dus deze gereflecteerde fotonen die zich voegen bij de constante stroom fotonen die door de diodes in de bron worden gepompt. Het toegenomen aantal fotonen raakt allemaal opgewonden deeltjes, waardoor er nog MEER fotonen ontstaan voor exponentiële lichtversterking. Als gevolg van deze gestimuleerde emissie ontstaat de laserstraal.

Hoe wordt licht omgezet in een gebundelde straal?

Om deze ultra-gerichte straal te genereren waar lasers bekend om staan, heb je een collimatorlens nodig. Collimatie is het proces waarbij licht zo wordt uitgelijnd dat de stralen parallel lopen en minimaal verspreid zijn. Afhankelijk van de lens kan de gecollimeerde straal worden gekalibreerd tot een specifieke diameter en op een specifiek punt worden gefocust. Deze supergerichte straal verlaat vervolgens de fiber de open lucht en komt in contact met de metalen plaat, die met uitzonderlijke nauwkeurigheid wordt gesneden.

Elk type fiber genereert slechts één specifieke golflengte, afhankelijk van het doteringselement van de kern. Daarom is zichtbaar laserlicht monochromatisch en kan het blauw, groen of rood zijn. Ytterbium-gedoteerde fiber , zoals die worden gebruikt voor het snijden van metaal, genereren echter een golflengte tussen 1000 en 1100 nanometer, waardoor ze bijna infrarood zijn en dus onzichtbaar voor het menselijk oog. Bij het snijden van metaal met een fiber is het enige licht dat het oog kan zien dus het licht van de vonken die door de laser worden gecreëerd wanneer deze in contact komt met het metaal.