Page 1
Faculteit Toegepaste Wetenschappen
Vakgroep Informatietechnologie
Voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. LAGASSE
Onderzoeksgroep TFCG
Fabricage van eindfacetten aan polymere optische
vezels met behulp van laserablatie
door
Erwin BOSMAN
Promotor: Prof. Dr. Ir. P. VAN DAELE
Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van
Burgerlijk Elektrotechnisch Ingenieur
Academiejaar 2003-2004
Page 2
Faculteit Toegepaste Wetenschappen
Vakgroep Informatietechnologie
Voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. LAGASSE
Onderzoeksgroep TFCG
Fabricage van eindfacetten aan polymere optische
vezels met behulp van laserablatie
door
Erwin BOSMAN
Promotor: Prof. Dr. Ir. P. VAN DAELE
Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van
Burgerlijk Elektrotechnisch Ingenieur
Academiejaar 2003-2004
Page 3
Voorwoord
Een eindejaarsthesis vraagt gedurende het hele jaar de nodige aandacht en inzet
van een student, maar de toegewijde inzet, aandacht en steun van de hem omringende
mensen tijdens deze periode maakt dit alles een aangename en leerrijke belevenis .
Daarom wil ik van deze gelegenheid gebruik maken om mijn oprechte dank te betuigen
aan deze mensen.
Veel dank aan mijn promotor Prof. Dr. Ir. P. Van Daele die in de eerste plaats de
mogelijkheid tot deze thesis heeft gecreëerd en die gedurende het hele jaar bijzonder
hulpzaam was en steeds de goede richtlijnen wist aan te halen om deze thesis tot een
geslaagd werk te brengen.
Ook mijn begeleiders wil ik hartelijk bedanken voor hun grote inzet tijdens dit
werk. Met name Geert Van Steenbergen voor de zeer accurate en leerrijke hulp tijdens de
scriptie en tijdens het jaar, Steven Van Put voor de eindeloze trappen die hij heeft
“afgepikkeld” om mij op praktisch gebied op weg te helpen en de kuren van de laser te
verhelpen, Peter Geerink voor de talloze langdurige opdampprocessen die hij voor mij
heeft doorstaan, Liesbet Van Landschoot ook voor het opdampen maar vooral het fit
houden van Steven, Hendrik Sergeant voor het oplosssen van de talrijke
computerkwaaltjes, Pat Vanroelen voor de goede raad bij enkele belangrijke beslissingen
en tenslotte alle mensen die ik hier tijdens het jaar heb leren kennen of al kende voor de
Technicumdagen om te vormen tot een aangename, leerrijke tijd die mij nog lang zal
heugen.
Tenslotte wil ik bij deze ook mijn dank getuigen aan mijn ouders voor de
jarenlange onvoorwaardelijke steun tijdens deze studies en daarbij mag ik zeker Gerd en
Inge niet vergeten.
Allemaal hartelijk bedankt !
Page 5
Toelating tot bruikleen
“ De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en
delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik.
Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met
betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van
resultaten uit deze scriptie.”
Erwin Bosman, mei 2004
Page 6
Fabricage van eindfacetten aan polymere optische
vezels met behulp van laserablatie
door
Erwin BOSMAN
Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van
Burgerlijk Elektrotechnisch Ingenieur
Academiejaar 2003-2004
Promotor: Prof. Dr. Ir. P. VAN DAELE
Faculteit Toegepaste Wetenschappen
Universiteit Gent
Vakgroep Informatietechnologie
Voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. LAGASSE
Onderzoeksgroep TFCG
Samenvatting
Hoofdstuk 1 bespreekt de situering en het doel van dit afstudeerwerk. Hierin wordt mede vermeld
wat het nut en de voordelen zijn van laserablatie ten opzichte van de bestaande
terminatiemethoden.
Hoofdstuk 2 legt het ablatieproces zelf uit met de verschillende eigenschappen van het proces.
Deze theorie wordt specifiek geprojecteerd op het gebruik van een excimeerlaser en de toepassing
ervan op PMMA.
Hoofdstuk 3 toont ons de werking en karakteristieke parameters van de gebruikte apparatuur
evenals de opstellingen en het gebruik ervan.
Hoofdstuk 4 omvat alle omschrijvingen, bevindingen en resultaten van de uitgevoerde
experimenten alsook een gedetailleerde beschrijving van het uiteindelijk bekomen eindfacet.
Hoofdstuk 5 vat de algemene besluiten samen omtrent de resultaten en de toekomstperspectieven.
Trefwoorden
POF, laserablatie, excimeerlaser, CO2-laser
Page 7
INHOUDSTAFEL i
Inhoudstafel
1 Inleiding 1
1.1 Polymere Optische Vezel (POF) …………………………………………. ……… 1
1.2 Toepassingen POF………………………………………………………………………. 4
1.3 Belang van terminatie van POF..……………………………………………………….. 4
1.4 Terminatiemethoden……………………………………………………………………. 7
1.4.1 Mechanisch doorklieven………………………………………………………… 7
1.4.1.1 Cold knife………………………………………………………….. ……… 7
1.4.1.2 Hot knife……………………………………………………………………. 8
1.4.2 Bewerken van eindfacet…………………………………………………………. 9
1.4.2.1 Polijsten……………………………………………………………………. 9
1.4.2.2 Warm vervlakken……………………………………………….………….. 10
1.4.2.3 Lijmterminatie……………………………………………………………… 11
1.4.2.4 Zagen……………………………………………………………………….. 12
1.4.2.5 Halogeen-verhitting………………………………………………………… 12
1.4.2.6 Vergelijking van mechanische kliefprocessen……………………………… 13
1.4.3 Niet mechanisch klieven…………………………………………………………. 14
1.5 Doel van de thesis……………………………………………………………………….. 18
2 Laserablatie 19
2.1 Het ablatieproces………………………………………………………………….……... 19
2.1.1 Aborptie van fotonen…………………………………………………….………. 19
2.1.2 Dissociatie en ablatie…………………………………………………….………. 20
2.1.3 Pulsduur en pulsfrequentie………………………………………………………. 21
2.2 Excimeer laserablatie……………………………………………………………………. 22
2.2.1 Excimeerlaser……………………………………………………………………. 22
2.2.2 Laserbundel……………………………………………………………………… 22
2.2.3 Dynamische ablatie……………………………………………………………… 22
2.2.4 Voordelen excimeerlaser als ablatielaser………………………………………… 23
2.3 Ablatie van polymere optische vezels ………………………………………………….. 23
2.3.1 Lage verwerkingstemperatuur…………………………………………………… 23
2.3.2 Incubatie-effecten………………………………………………………………... 24
2.3.3 Pulsfrequentie……………………………………………………………………. 24
2.3.4 Thermische beschadiging………………………………………………………… 25
2.3.5 Oppervlakteruwheid na ablatie…………………………………………………... 25
3 Gebruikte apparatuur 27
3.1 Laser set-up TFCG………………………………………………………………………. 27
3.1.1 Opstelling………………………………………………………………………… 27
3.1.2 Gebruik van de opstelling ……………………………………………….………. 30
Page 8
INHOUDSTAFEL ii
3.1.3 De Excimeerlaser………………………………………………………………… 31
3.1.3.1 Algemeen…………………………………………………………………… 31
3.1.3.2 Technische data…………………………………………………….………. 32
3.1.4 De CO2 laser…………………………………………………………………….. 34
3.1.4.1 Algemeen…………………………………………………………………… 34
3.1.4.2 Technische data…………………………………………………………...… 35
3.1.5 De YAG-laser……………………………………………………………………. 35
3.1.5.1 Algemeen…………………………………………………………………… 35
3.1.5.2 Technische data…………………………………………………………….. 35
3.2 De Lichtmicroscoop……………………………………………………………………... 36
3.3 De Elektronenmicroscoop……………………………………………………………….. 36
3.3.1 Algemeen………………………………………………………………………… 36
3.3.2 De werking………………………………………………………………………. 38
3.4 Wyko…………………………………………………………………………………….. 38
3.4.1 Algemeen………………………………………………………………………… 38
3.4.2 Werking………………………………………………………………………….. 39
4 Experimenten 40
4.1 Opstelling………………………………………………………………………………... 40
4.2 Invloed van ablatieparameters …………………………………………………………... 41
4.2.1 Pulsenergie……………………………………………………………………….. 43
4.2.2 Pulsfrequentie……………………………………………………………………. 46
4.2.3 Translatiesnelheid………………………………………………………………... 48
4.2.4 Grootte van het masker…………………………………………………………... 51
4.2.5 Vorm van het masker…………………………………………………………….. 55
4.2.6 Dynamisch / statische ablatie…………………………………………………….. 58
4.2.7 Ablatiehoek………………………………………………………………………. 60
4.2.8 Vezeldiameter……………………………………………………………………. 62
4.2.9 Afzuiging debris…………………………………………………………………. 64
4.2.10 Type laser………………………………………………………………………… 67
4.3 Bewerken van eindfacet…………………………………………………………………. 68
4.3.1 De excimeerlaser…………………………………………………………………. 68
4.3.2 CO2-laser…………………………………………………………………………. 69
4.4 Eigenschappen eindfacet………………………………………………………………… 78
4.4.1 Het lens-effect …………………………………………………………………… 78
4.4.2 Groeven…………………………………………………………………………... 79
4.4.3 Halve maan………………………………………………………………………. 82
4.4.4 Debris…………………………………………………………………………….. 83
4.5 Inwerking op een ferrule………………………………………………………………… 84
4.6 Besluiten…………………………………………………………………………………. 86
5 Besluit 87
Bibliografie 88
Page 9
INLEIDING 1
Hoofdstuk 1
Inleiding
1.1 Polymere Optische vezel (POF) Telecommunicatie beheerst steeds sterker de hedendaagse samenleving en kan niet meer
worden weggedacht. De hoeveelheid informatie die de wereld rondgestuurd wordt, groeit elke
dag. Het intensief gebruik van Internet is daar een goed voorbeeld van. Om de steeds grotere
stroom van informatie goed te kunnen blijven versturen is er een groeiende behoefte aan nieuwe,
snellere systemen. De huidige systemen maken nog altijd veel gebruik van elektrische pulsen als
informatiedragers. Deze worden getransporteerd door kabels, gemaakt van koper. Indien echter
licht in plaats van elektriciteit gebruikt wordt als informatiedrager, kan de hoeveelheid signalen
die verstuurd kan worden met een aantal grootte-ordes worden vergroot. Daarenboven kan men
stellen dat de elektronische datatransmissie stilaan zijn snelheidslimiet bereikt heeft en dat er
tevens bij de optische datatransmissie geen sprake is van elektromagnetische stoorsignalen en
warmtedissipatie.
Voor het transport van lichtpulsen zijn optische glasvezels ontwikkeld. Sterk
vereenvoudigd bestaat een optische kabel uit een zeer transparante kern met een transparante
claddingslaag. De claddingslaag moet een lagere brekingsindex hebben dan die van het
kernmateriaal. Als dit het geval is zal licht door het fysische principe van totale interne reflectie
door de vezel getransporteerd worden.
Het materiaal glas is superieur als het gaat om transparantie. Helaas laten de mechanische
eigenschappen te wensen over. Glas is broos en als gevolg daarvan moeten vezels een zeer kleine
diameter hebben om toch enige buigzaamheid te verkrijgen. Gangbare diameters zijn 10 m voor
de kern van een mono-mode vezel en 50 of 62.5 m voor een multimode vezel, samen met de
cladding bekomt men typisch een standaardmaat van 125 m. Hierdoor wordt het koppelen van
Page 10
1.1. Polymere Optische Vezel (POF) 2
vezels erg lastig, zeker op het gebied van de alignatie. Dat betekent dat het gebruik van optische
glasvezels voor lokale vezelnetwerken (veelal t.b.v. computernetwerken) een erg dure optie is.
Polymeren zijn veel taaier dan glas en daarom kunnen polymere vezels een grotere kerndiameter
bezitten zonder dat de buigzaamheid van de vezels een probleem wordt. Polymeren hebben echter
het nadeel dat zij minder transparant zijn dan glas (zie Figuur 1.1). Het transporteren van
lichtsignalen over grote afstanden brengt dan ook grote verliezen met zich mee. Het toepassen
van polymere optische vezels voor lokale vezelnetwerken, waar de afstanden klein zijn, is echter
geen probleem. Bovendien hebben glasvezel en POF andere golflengtes voor optimale
datatransmissie (1550 nm of 1310 nm voor glasvezel, 633 nm en 850 nm voor POF).
Polymeren die gebruikt worden voor POF-vezels zijn polymethylmethacrylaat (PMMA),
polystyreen, polycarbonaat en CYTOP. PMMA is het meest transparante bulkpolymeer dat we
tegenwoordig kennen en wordt daarom voor polymere optische vezels het meest toegepast.
PMMA heeft echter een lage werkingstemperatuur. Dit houdt in dat bij temperaturen van 80 oC of
hoger de vezeleigenschappen verloren gaan, hetgeen de toepasbaarheid sterk beperkt. Polymeren
met hogere verwekingstemperaturen, zoals polycarbonaat, zijn dan nog wel toepasbaar. Echter,
polycarbonaat heeft het probleem van hogere lichtverliezen als gevolg van zijn chemische
structuur.
Figuur 1.1 : Het transmissieverlies in POF-vezels in functie van de golflengte van de
datadraaggolf bij PMMA (bovenste curve), gedopeerde POF (D-PMMA), Cytop en standaard
glasvezel (onderste curve).
Page 11
1.1. Polymere Optische Vezel (POF) 3
Voordelen POF Nadelen POF
+ hogere alignatietoleranties omwille van
grotere kerndiameter (goedkopere connectoren
tot gevolg)
- grotere attenuatie ( 0.001 dB/m voor glas
en 0.15 dB/m voor PMMA) en bijgevolg niet
geschikt voor lange afstand
+ geringere kans op breuk, minder broos - slechts bij temperaturen onder 80 C (voor
PMMA)
+ goedkoop testmateriaal - minder grote bandbreedte (ongeveer
11gbps voor PMMA tegenover 40 gbps
voor glasvezel)
+ hogere flexibiliteit
+ goedkoper
+ eenvoudigere terminatie (geen meervoudige
polijstprocessen nodig zoals bij glasvezel)
+ duurzaam
+ kleinste attenuatie voor golflengtes binnen
het zichtbaar licht dit is handig tijdens
onderzoek op gebied van alignatie (zie Figuur
1.1)
Tabel 1.1 : Voor- en nadelen van polymere optische vezel ten opzichte van glasvezel.
Page 12
1.2. Toepassingen POF 4
1.2 Toepassingen POF
Automobielindustrie. Toenemend aantal elektronische apparaten in de auto zorgen voor
datastromen die tot 25 Mbit/s kunnen bedragen (microfoon voor stemherkenning, interactief
beveiligingssysteem, actieve geluidsprekers, CD Rom, DVD, GPS, Video Camera,
geïntegreerde celtelefoon, LCD display met Windows Interface, CD lader, Digitale radio met
antenne, TV, gameconsoles met plug and play mogelijkheden, ondersteuning van real-time
audio en gecompresseerde video)
Vliegtuigindustrie
Industriele applicaties: Sensoren (zowel op medisch als industrieel gebied van onmiskenbaar
belang), databussen, robotica,…
Home-networks, office-networks, LAN’s (Local Area Networks)
1.3 Belang van terminatie van POF
Bij interconnectie van twee vezels (zie Figuur 1.2) of bij de interconnecie van een vezel
met een in Silicium geïntegreerd optisch circuit of golfgeleider treden er verschillende
verliesfactoren op:
Verschillende vezelkerndiameter (Figuur 1.2 a)
Figuur 1.2 a : Verschil in kerndiameter.
Een deel van het licht gaat steeds verloren bij transmissie van de vezel met grotere
kerndiameter naar de vezel met kleinere kerndiameter.
Verschillende numerieke aperturen (Figuur 1.2 b)
Figuur 1.2 b : Verschil in numerieke apertuur.
Page 13
1.3. Belang van terminatie POF 5
In dit geval worden de verliezen afhankelijk van de propagatierichting van het licht.
Licht dat uit een een vezel komt met een grotere apertuur is richtingsgevoeliger dan
een met een kleine apertuur.
Laterale misalignatie (Figuur 1.2 c)
Figuur 1.2 c: Verschil in laterale positie.
Het is logisch om in te zien dat de twee vezels niet optimaal gekoppeld zijn en er een
deel van het licht verloren gaat.
Angulaire misalignatie (Figuur 1.2 d)
Figuur 1.2 d : Verschil in lengte-as richting
Opnieuw een verlies door misalignatie en tevens het creëren van een luchtlaag tussen
beide vezels wat op zich weer Fresnel-verliezen (zie verder) veroorzaakt.
Afstand tussen de twee vezels (Figuur 1.2 e)
Figuur 1.2 e : Onvoldoende aansluiting in lengte-richting
Dit zorgt voor inkoppel- en terugkaatsingsverliezen. Bovendien gaat een deel van de
inkomende conus verloren.
Fresnel reflectie-verliezen (Figuur 1.2 f)
Figuur 1.2 f : Fresnel verschijnselen.
Page 14
1.3. Belang van terminatie POF 6
Back-reflection of Fresnel-reflectie is het gevolg van een verschil in brekingsindex
tussen lucht en PMMA waardoor ongewenste reflecties ontstaan. Bij een gemiddeld
gepolijst vlak eindfacet treedt er door het Fresnel-verschijnsel een terugkaatsing op
van ongeveer 5 % en kan een connectie met een luchtgat niet minder dan 0.3 dB
verlies hebben.
Lichtverstrooiing aan het vezeleinde tengevolge van ruwheid (Figuur 1.2 g)
Figuur 1.2 g : Ruwheid aan oppervlakte eindfacet.
Ruwheid en onzuiverheden zoals stofdeeltjes zorgen voor verstrooiing van het licht
zowel bij binnengaan van de ene vezel als bij buitengaan van de andere. Men heeft er
dus alle baat bij om de ruwheid van het eindfacet te minimaliseren.
Niet-laterale einfacetten (Figuur 1.2 h)
Figuur 1.2 h : Eindfacetten staan niet loodrecht op lengte-as.
Opnieuw hebben we een luchtgat met Fresnel verschijnselen en extra weerkaatsing
ten gevolge van angulaire misalignatie.
De performantie van een transmissiesysteem wordt o.a. bepaald door de kwaliteit van de
interconnecties. Het komt er dus op aan deze connectieverliezen tot een minimum te beperken. In
deze thesis gaan we ons volledig focussen op de minimalisering van de oppervlakteruwheid van
de einfacetten van polymere optische vezels. Dit om het luchtgat, de lichtverstrooiing t.g.v.
onzuiverheden en ruwheid en de Fresnel verliezen te beperken. We zoeken dus naar een procede
volgens hetwelke polymeer optische vezels dienen getermineerd te worden om een zo vlak
mogelijk oppervlak te bekomen.
Bovendien blijkt dat bij commerciële optische vezels veel “falende” vezels
(geproduceerde en getermineerde vezels die niet voldoen aan de voorgeschreven normen) kunnen
vermeden worden door een betere terminatietechniek te ontwikkelen, o.a door laserablatie.
Page 15
1.3. Belang van terminatie POF 7
Tabel 1.2 toont de resultaten van een studie naar het falen van vezels door Fluke
Networks (dit is voor glasvezels en POF-vezels samen).
Tabel 1.2 : Oorzaken van afgekeurde vezels : Enquete door Fluke Networks bij haar klanten.
1.4 Terminatiemethoden
We hebben nu aangetoond wat het belang is van een zo vlak mogelijk oppervlak.
De vraag is nu welke nieuwe mogelijkheden laserablatie biedt en wat de voordelen ervan zijn.
Daarom eerst een kort overzicht van reeds gebruikte terminatiemethoden.
1.4.1 Mechanisch doorklieven
1.4.1.1 Cold knife
Figuur 1.3 : Toestellen voor terminatie van POF-vezels door middel van een scheermesje.
Page 16
1.4. Terminatiemethoden 8
POF-vezels in transmissiesystemen met lage eisen qua verliezen worden eenvoudigweg
met een scheermesje (Figuur 1.3) doorgekliefd wat een sterk gegroefd oppervlak oplevert. Toch
is dit resultaat beter dan het facet dat we bekomen door enkel een schaar te gebruiken t.g.v. van
de twee schaarbladen die voor een torsie in de vezel zorgen en zodoende tot een niet-laterale
doorsnede leidt.
1.4.1.2 Hot knife
Figuur 1.4 : Hot knife, toestellen met elektrisch verwarmd mesje voor het termineren van POF-
vezels.
Wanneer de vezel met een warm mesfacet (Figuur 1.4) wordt gesneden, wordt de
ruwheid gereduceerd t.o.v. de werking met een cold knife. De temperartuur van het mesje wordt
op ongeveer 110 °C gehouden en de vezel wordt zo in smelttoestand gesneden. Dit zorgt ervoor
dat er geen druk moet uitgevoerd worden op de vezel waardoor vervormingen door
samendrukkingen sterk gereduceerd worden. Voorbeeld hiervan zien we in Figuur 1.5.
Figuur 1.5 : POF eindfacet getermineerd met een warm mesje (hot knife)
Page 17
1.4. Terminatiemethoden 9
1.4.2 Bewerken van eindfacet
Eens de terminatie mechanisch gebeurd is, kan het eindfacet nog op verschillende
manieren bewerkt worden om alzo het eindoppervlak te reinigen en verder uit te vlakken.
1.4.2.1 Polijsten
Figuur 1.6 : Polijstschijf, polijstcreme en polijstbladen met polijstkorrels voor de bewerking van
POF-eindfacetten.
Bij de polijstprocedure wordt het eindfacet afgevlakt door een 8-vormige beweging te
maken op speciale bladen (Figuur 1.6). Deze bladen zijn voorzien van een soort schuurpapier met
ingebedde polijstkorrels met verschillende korrelgrootte (12 m ; 1 m ; 0.3 m ; dalende grootte
per processtap) afhankelijk van de vereiste polijstsnelheid en kwaliteit van het eindfacet. De
inbedding van de polijstkorrels zorgen ervoor dat de korrels zich niet ingraven in het zachte
polymere materiaal. Zowel CeOx als AlOx worden hiervoor aangewend. In de laatste fase van het
polijsten waar de fijnste afwerking van het eindfacet wordt verwacht, wordt gebruik gemaakt van
AlOx omwille van de ronde, zachtere korrel.
Dit alles gebeurt bij bevochtiging met een speciale vloeistof die het polijstproces
optimaliseert en die een beschermende laag achterlaat op het oppervlak. Een gepolijst oppervlak
ziet er dan uit als in Figuur 1.7.
Tenslotte vermelden we dat polijstprocessen bij polymere vezels veel sneller en
eenvoudiger gebeuren dan bij glasvezels.
Page 18
1.4. Terminatiemethoden 10
Figuur 1.7 : gepolijst POF einfacet
1.4.2.2 Warm vervlakken
Figuur 1.8 Principeschets van het warm vervlakkingsproces
Dit proces wordt in de literatuur meestal “hot plate” genoemd.
Door het eindfacet met lichte druk tegen een warme, vlakke glasplaat te drukken, wordt
het profiel van de plaat in het facet gecopieerd (Figuur 1.8). Hierbij moet de glasplaat wel vrij
zijn van contaminatie.
Het voordeel van deze methode is dat het proces veel sneller gaat dan de andere
processen, maar daartegenover staan dan weer enkele vervelende nadelen als onvolledige
reproduceerbaarheid (proces is zeer gevoelig aan parameters als plaattemperatuur, druk en
contacttijd) en lichte verbreding van de vezel in laterale richting wat problematisch is wanneer de
vezels door alignatiegaatjes met lage toleranties, moeten gestoken worden. In Figuur 1.9 staat dit
geïllustreerd.
Een voorbeeld van zulks een facet zien we in Figuur 1.10.
Page 19
1.4. Terminatiemethoden 11
Figuur 1.9 : Schets van POF-eindfacet voor en na het warm vervlakkingsproces.
Figuur 1.10 : Foto van POF-eindfacet na het warm vervlakkingsproces.
1.4.2.3 Lijmterminatie
Het facet wordt van een optisch vlakke en transparante harde laag voorzien door gebruik
te maken van een elastomeer. Zo kunnen zachte delicate vezelfacetten worden beschermd en
kleine ruwheden worden uitgevlakt. Dit proces gebeurt door een UV-uithardende lijm met een
geschikte brekings-index en glastransitietemperatuur op het facet aan te brengen. Daarna wordt
een optisch vlakke elastomeer tegen de lijm aangedrukt, waarna de lijm wordt uitgehard.
Tenslotte wordt het elastomeer verwijderd en heeft de lijm de vorm aangenomen van het
elastomeer. Het principe wordt in Figuur 1.11 gevisualiseerd.
Page 20
1.4. Terminatiemethoden 12
Figuur 1.11 : Principe van het lijmterminatieproces
1.4.2.4 Zagen
Met behulp van een rondraaiend zaagblad, met polijstkorrels bezet, (zie Figuur 1.12)
wordt de vezel gekliefd en gepolijst tegelijk .
Figuur 1.12 : Zaagtoestel voor het termineren van POF-vezels
1.4.2.5 Halogeen-verhitting
Het “Fraunhofer Institute for manufacturing Engineering and Automation” in Stuttgart,
Duitsland, ontwikkelde een vezel-eindfacet-terminatieproces gebruik makend van de hitte van
Warmte
Page 21
1.4. Terminatiemethoden 13
halogeen licht. De halogeenlamp bestaat uit een eenvoudige halogeenbuis met sferische armatuur
en een lens die de straling focust op ongeveer 100 mm afstand van de lens. De diameter van het
focuspunt is 2 mm en de lichtenergie in het focuspunt bedraagt 10 tot 15 W. Het principe is
voorgesteld in Figuur 1.13 en de opstelling in Figuur 1.14. Het bekomen eidfacet zien we in
Figuur 1.15.
Figuur 1.13 : Principe van het Halogeen verhittingsproces.
Figuur 1.14 : Opstelling van het halogeen verhittingsproces.
Figuur 1.15 : Foto van een POF-eindfacet na het halogeen verhittingsproces.
1.4.2.6 Vergelijking van mechanische kliefprocessen
In de doctoraatsthesis van Dr. Ir. An Van Hove, uitgebracht in het academiejaar 2000-
2001 "Terminatie- en interconnectietechnologie voor paralelle Opto-Elektronische Systemen"
Page 22
1.4. Terminatiemethoden 14
werd de kwaliteit van enkele belangrijke terminatieprocessen experimenteel gemeten. Hierbij
werden 2 connectoren die getermineerd werden door één van de bovenstaande principes
gekoppeld en werden de optische vezels geëxciteerd over de volledige apertuur. De opgemeten
koppelingsverliezen ten gevolge van de verschillende terminaties zijn te zien in Tabel 1.3.
Polijsten Warm
vervlakken
Hot knife Lijmterminatie Hot knife +
Polijsten
Warm vervlakken +
polijsten
0.4 dB 0.45 dB 0.5 dB 0.55 dB 0.2 dB 0.35 dB
Tabel 1.3 : Koppelverliezen na verschillende terminatie en/of bewerkingsstappen.
We zien in deze tabel duidelijk dat een combinatie van een terminatie en een
eindfacetbewerking betere resultaten oplevert dan de afzonderlijke terminaties. We kunnen dus
verwachten dat dit bij laserablatie ook het geval zal zijn.
1.4.3 Niet mechanisch klieven
Tot nu toe is er slechts één methode om een POF-vezel te klieven op een niet-
mechanische methode en dat is deze van de laserablatie. Deze methode werd reeds uitgebreid
onderzocht in de thesis van Ir. Pat Van Roelen van het academiejaar 2002-2003, “Studie van
laserablatie bij de terminatie van polymere optische vezels”. Hierbij werd een excimeer-laser
gebruikt bij 193 nm en bij 248 nm. De resultaten bij 193 nm waren vergelijkbaar met deze van
een hot knife wat zeker perspectieven opent, maar deze bij 248 nm brachten geen bruikbare
resultaten voort. Eén van de beste resultaten die tijdens zijn werk werd bekomen zien we in
Figuur 1.16.
Figuur 1.16 : POF-eindfacet getermineerd door laserablatie
Page 23
1.4. Terminatiemethoden 15
Het is de bedoeling om deze resultaten verder te optimaliseren en reproduceerbaar te
maken.
Laserablatie heeft enkele specifieke verschillen met andere terminatiemethodes die deze
methode aantrekkelijk maken:
Bijna alle bestaande terminatiemethoden en eindfacetbewerkingen vereisen een speciale
montage van de vezel zelf of de houder (ferrule bijvoorbeeld) van de vezel. Dit kan een zeer
omslachtige processtap zijn en kan schade aanbrengen aan de vezel of de houder ervan. Bij
laserablatie kan de vezel eenvoudig op de translatietafel gelegd worden of kan de vezel ook
gekliefd worden wanneer deze is opgenomen in een optisch systeem.
Bij laserablatie wordt er geen druk uitgeoefend op het eindfacet of op de vezel in het
algemeen, wat eventuele vervormingen en beschadiging tegengaat.
Het proces gebeurt bij kamertemperatuur en atmosferische omstandigheden waardoor de
vezel ook kan gekliefd worden wanneer die is opgenomen in een optisch systeem. De rest van
de schakeling blijft dan onaangetast. Ook het ontbreken van chemische stoffen of vloeistoffen
is op dit gebied een goede zaak.
De kwaliteit van het ablatieproces is vergelijkbaar met dit van het hot-knife principe, maar
het is natuurlijk de bedoeling in deze thesis de kwaliteit op te drijven.
Laserablatie zorgt voor een minimale thermische schade aan het omringend materiaal wat de
tranparantie van de optische vezel voor de golflengtes die de datastroom voeren, zo weinig
mogelijk reduceert.
Er is mogelijkheid tot een ingewikkelder profiel van het eindfacet indien dit zou nodig
zijn.(buigende, focusserende of getrapte oppervlakken)
Er is geen fysisch contact met de te ableren vezel, wat wel het geval is met de besproken
terminatieprocessen. Dit brengt mee dat het klieven "vanop afstand" kan gebeuren en dat
men hierdoor het risico op beschadiging van de vezel zelf en omringende materie reduceert.
Page 24
1.4. Terminatiemethoden 16
Er is geen slijtage zoals bij mechanisch gereedschap waardoor het ablatieproces veel meer
kans maakt op reproduceerbaarheid dan andere processen (slijtage mesjes, polijstbladen,
zaagbladen)
Bij de studie rond paralelle optische connectoren in het doctoraat van Dr. Ir. An Van Hove
bleken ook enkele problemen op te duiken die door laserablatie van de baan kunnen geholpen
worden:
Een eerste manier om een twee-dimensionele matrix van POF-vezels te aligneren voor latere
connectie is ze door een aantal PMMA-plaatjes te trekken waarin gaatjes gemaakt zijn met
nauwe tolerantie (zie Figuur 1.17). Hierdoor worden de vezels lateraal gealigneerd. In de
richting van de vezel zelf moet er steeds een extra stuk van de vezel uit de PMMA-plaatjes
steken om het klieven mogelijk te maken en bij onvoldoende gladheid van het eindfacet nog
extra bewerking toe te laten. Op die manier wordt de alignatie in de richting van de vezel niet
evident. Dit kan wel gebeuren door het gelijktijdig klieven van al de vezels wanneer ze reeds
op hun plaats zitten in het PMMA-plaatje.
Om in dit geval de vezels te klieven bekijken we de verschillende mogelijkheden:
Warm vervlakken: onmogelijk omwille van de geringe warmteweerstand van de PMMA
plaat.
Hot knife: alle vezels tegelijk doorklieven is in dit geval veel moeilijker aangezien een
hele vezel-rij een veel grotere weerstand biedt. Dit wil zeggen dat het proces ofwel te
traag verloopt - wat een te grote opwarming van het omringende materiaal met zich mee
brengt - ofwel dat er meer druk moet gezet worden, wat zoals besproken nadelig is.
Cold knife: zelfde opmerking met betrekking tot de hogere weerstand.
Polijsten : Vanwege de zachte aard van PMMA zorgt dit voor een te grote beschadiging
van het PMMA-plaatje.
Laserablatie: Doordat dit een "koud" proces zoder fysisch contact met het PMMA-plaatje
worden de voorgaande problemen opgelost. Blijft echter de vraag of het PMMA-plaatje
niet teveel wordt aangetast door de laserbundel. Dit wordt later in de thesis onderzocht.
Page 25
1.4. Terminatiemethoden 17
Figuur 1.17 : Matrix van POF-vezels, lateraal gealigneerd door PMMA-plaatje met
lasergeableerde alignatiegaten.
Een tweede manier om een twee-dimensionele matrix van POF-vezels te aligneren voor latere
connectie is door ze op te spannen in de groeven van een lasergeableerd plaatje (zie Figuur
1.18). Hierna worden de vezels gealigneerd en gefixeerd met UV-uithardende lijm.
Om nu deze vezels te termineren doet men er best aan het gegroefde plaatje en de vezels
tegelijk te klieven. Het spreekt voor zich dat ook hier laserablatie de beste methode is.
Figuur 1.18 : POF-vezel rij, gealigneerd door lasergeableerde groeven in de
vezelrichting, gefixeerd en getermineerd door laserablatie.
Het geheel van deze argumenten toont onmiskenbaar het belang aan van laserablatie bij
het termineren van polymere optische vezels en een degelijke studie hierover is dan ook
onmisbaar.
Page 26
1.5. Doel van de thesis 18
1.5 Doel van de thesis
De thesis beoogt het verderbouwen op het lopend onderzoek rond het gebruik van een
excimeer-laser voor het nauwkeurig klieven van een optische vezel. Dit met de bedoeling de
oppervlakteruwheid van het eindfacet van de polymere optische vezel te minimaliseren en
zodoende de connectieverliezen aan het oppervlak te drukken wat op zich de performantie van
een geheel optisch netwerk sterk ten goede komt. Hierbij moet de reproduceerbaarheid van de
experimenten nagegaan worden.
Tevens is het de bedoeling om na het klieven te onderzoeken wat de mogelijkheden zijn
om het eindfacet te bewerken met opnieuw een laser, zij het een YAG-, excimer- of CO2-laser en
uiteindelijk karakteristieke metingen te kunnen doorvoeren op de finale resultaten.
Page 27
LASERABLATIE 19
Hoofdstuk 2
Laserablatie
Wanneer een lichtbundel met voldoende hoog vermogen invalt op een materiaal, dringt
dit vermogen binnen in dit materiaal, dat op zijn beurt de energie van de invallende fotonen
absorbeert. Wanneer deze energietoevoer sneller gebeurt dan de warmtediffusie kan opvangen,
zal er lokaal voldoende energie opgeslagen worden om sommige moleculaire bindingen te
doorbreken. Op die manier dissocieert het materiaal ter plaatse tot restproducten met een volume
dat vele malen groter is dan in de originele materiaalstructuur. Het gevolg is een explosieve
verwijdering van het gedissocieerde materiaal. Dit proces wordt het ablatieproces genoemd.
2.1 Het ablatieproces
2.1.1 Absorptie van fotonen
De lichtbundel die het oppervlak van een meteriaal bereikt wordt gedeeltelijk gereflecteerd en
dringt gedeeltelijk in het materiaal binnen. Geen enkel materiaal heeft perfecte transparantie-
eigenschappen en er zal dus afhankelijk van het materiaal aan lichtintensiteit moeten ingeboet
worden wanneer de bundel door het materiaal propageert. De absorptie gebeurt door excitatie
van electronische, vibrationele of rotationele toestanden van de moleculen, afhankelijk van de
Page 28
2.1 Het ablatieproces 20
golflengte van de invallende bundel. Bij organische materialen worden in het UV-gebied de
elektronen in de covalente bindingen geëxciteerd. Dit gebeurt vooral bij π-bindingen en minder
bij de sterkere σ-bindingen. De functionele groepen die de absorberende bindingen bevatten
worden chromoforen genoemd en het is duidelijk dat meer aanwezige chromoforen voor een
grotere energieabsorptie zorgen.
2.1.2 Dissociatie en ablatie
Eenmaal een elektron geëxciteerd is, zal het naar zijn grondtoestand willen terugkeren.
Dit kan gebeuren door interne conversie met vrijgeving van vibratiönele energie (fotothermische
reactie), m.a.w. warmte. Een tweede manier is zonder warmte vrij te geven met fotochemische
reacties. Bij het vrijkomen van deze energievormen tijdens het terugkeren naar de grondtoestand
kan lokaal de gedeponeerde energie groter worden dan de dissociatie-energie van het organische
materiaal, waardoor dit gaat dissocieren. Hierbij ontstaan restproducten die een intrinsiek volume
beslaan dat veel groter is dan het vaste materiaal met de oorspronkelijke molecuulstructuur.
Doordat dit volume-verschil bij polymeren zo groot is onstaat er een explosief verschijnsel
waardoor het gedissocieerde materiaal wordt weggeslingerd van het vaste materiaal. Zie Figuur
2.1 voor verduidelijking.
Bij voldoende dissociatie van het materiaal zullen de moleculen klein genoeg zijn om in
gasvorm het niet-gedissocieerde materiaal te verlaten, maar dit is niet steeds het geval. In de
pluim van de ablatie bevinden zich ook macroscopische partikels (debris genoemd) tengevolg
van onvoldoende dissociatie of agglomeratie van kleinere partikels. Deze zijn veel zwaarder dan
hun soortgenoten in gasvorm en zullen terugvallen op het geableerde oppervlak of in de buurt
ervan.
Figuur 2.1 : Absorptie, dissociatie en volume-expansie tijdens het ableerproces.
Page 29
2.1 Het ablatieproces 21
Wanneer we veronderstellen dat er eerst volledige absorptie plaatsvindt en pas daarna de
dissociatie kunnen we een vereenvoudigd model gebruiken voor het ablatieproces, nl. het Beer-
Lambert model. Uit de wet van Beer-Lambert kan de etsdiepte per laserpuls bepaald worden :
d = (1/α) ln((1-R)F/Fth)
Hierin is d de ablatiediepte per puls, R de reflectie aan het materiaaloppervlak, F de
energiepulsdichtheid en Fth de minimale pulsenergiedichtheid nodig voor ablatie.
De dissociatieverschijnselen treden enkel op wanneer er plaatselijk voldoende energie is
geabsorbeerd. Processen die deze energieophoping tegenwerken zijn de energiediffusie en
herstelmechanismen die respectievelijk de energie ruimtelijk verdelen en de energie gebruiken
om eerdere dissociaties weer ongedaan te maken. Dit verklaart de Fth uit de formule voor de
etsdiepte. Wanneer de pulsenergiedichtheid niet boven deze waarde komt zullen de
relaxatieprocessen de strijd winnen van de dissociatieprocessen zodanig dat er geen ablatie
optreedt.
2.1.3 Pulsduur en pulsfrequentie
Indien we verschillende laserpulsen na elkaar doen invallen op het materiaal zal er bij
voldoende grote pulsfrequentie een cumulatie zijn van de plaatselijk opgeslagen energie wat het
ablatieproces versnelt. De pulsduur zelf heeft ook een invloed op het ablatieproces. Hoe groter
deze is hoe meer schade er wordt toegebracht aan het omringend materiaal en dit ten gevolge van
warmteontwikkeling door interne conversie (energie van invallend licht wordt omgezet in
vibrationele energie). Bij een te lange puls gaat het ablatieproces zelfs over in een geleidelijke
oppervlakteverdamping. Dit is een gevolg van het feit dat de tijdsconstanten van de thermische
diffusie niet meer verwaarloosbaar zijn ten opzichte van die van het ablatieproces. Ditzelfde
fenomeen doet zich voor wanneer de pulsen zichzelf te snel opvolgen. Ter vollediging dient
gezegd dat de absorptie in het polymeer kan satureren omdat het aantal aanwezige chromoforen
beperkt is.
Page 30
2.2 Excimeer laserablatie 22
2.2 Excimeer laserablatie
2.2.1 Excimeerlaser
In een excimeerlaser is het winstmedium een gasmengsel bestaande uit een edelgas
(Ar,Kr of Xe) en een halogeen (F of Cl), verdund met een inert buffergas (Ne of He). Via een
elektrische ontlading in de lasercaviteit worden er geëxciteerde diatomische moleculen
gecreëerd, bestaande uit een halogeen- en een edelgasatoom. Wanneer deze dissociëren wordt er
excimeerstraling opgewekt met een golflengte ahankelijk van het gebruikte gas. Een beschrijving
van de gebruikte Excimer-laser van TFCG vindt u terug in Hoofdstuk 3.
2.2.2 Laserbundel
Een lichtbundelpuls geproduceerd door een excimeerlaser heeft op zich een
pulsenergiedichtheid die onvoldoende is om laserablatie uit te voeren (mede uit
veiligheidsoverwegingen). Dit wordt opgelost door het focusseren van de bundel of het
demagnificeren : hoe kleiner de spot hoe groter de energiedichtheid. Er moet echter een
compromis gevonden worden tussen de maximaal aanvaardbare spotgrootte en een minimale
afstand tussen lens en het te ableren materiaal met het oog op de bescherming van de dure optiek.
2.2.3 Dynamische ablatie
Bij de meeste structuren die men wenst te maken door middel van laser-ablatie dient men
de laserbundel te bewegen over het materiaaloppervlak. Ook bij het klieven van POF-vezels is dit
vaak het geval. De lokale invallende energie en daaruit resulterende ablatiediepte is dan
afhankelijk van de translatiesnelheid en de bundelgrootte (hangt zelf af van gebruikte masker en
demagnificatie). Voor een rechthoekige laserspot met een lengte a langsheen de translatie-as die
beweegt met een constante snelheid v, kan men de lokale ablatiediepte schatten op:
diepte = d f a / v
Hierbij is d de etsdiepte per puls en f de pulsfrequentie.
2.2.4 Voordelen excimeerlaser als ablatielaser
Page 31
2.2 Excimeer laserablatie 23
Algemeen heeft de excimeerlaser in verband met ablatieprocessen enkele uitgesproken
voordelen vergeleken met andere lasers:
De excimeerlaser werkend met KrF gas werkt bij een golflengte in het verre UV-
gebied (248 nm) en dit is een golflengte die door de meeste materialen sterk wordt
geabsorbeerd, dus ook door polymeren wat voor ons het belangrijkste is.
Het fotochemisch proces zorgt voor een efficiënte verwijdering van het materiaal en
brengt minder thermische schade toe aan het omliggend materiaal.
De relatief korte pulsduur van de excimeerlaser brengt minder warmte-effecten met
zich mee.
De excimeerlaser heeft in vergelijking met andere lasers een vrij hoge pulsenergie
wat een grotere ablatiesnelheid geeft.
2.3 Ablatie van polymere optische vezels
Voor het vervaardigen van polymere optische vezels wordt gebruik gemaakt van
polymethylmethacrylaat (PMMA), polystyreen (PS) en polycarbonaat (PC). PMMA is het meest
transparante bulkpolymeer dat we tegenwoordig kennen en wordt daarom voor POF-vezels het
meest toegepast. Maar dit PMMA heeft op het gebied van laserablatie enkele bijzondere
kenmerken, dewelke nu zullen besproken worden.
2.3.1 Lage verwerkingstemperatuur
PMMA heeft een lage verwerkingstemperatuur wat inhoudt dat bij temperaturen van
80°C of hoger de vezeleigenschappen verloren gaan. PMMA zal dus bij de
temperatuursverschijnselen die zich voordoen tijdens de laserablatie extra gevoelig zijn.
Polycarbonaat bijvoorbeeld is op dat gebied veel minder gevoelig.
2.3.2 Incubatie-effecten
Page 32
2.3 Ablatie van polymere optische vezels 24
PMMA is een laagabsorberende polymeer bij golflengte 248 nm. Hierdoor gebeurt het
soms dat er chemische veranderingen worden vastgesteld bij blootstelling aan excimeerpulsen.
Zo zal bij de eerste pulsen met voldoende lage pulsenergiedichtheid geen ablatie worden
veroorzaakt, maar wel een modificatie van het materiaal zodanig dat het later wel kan geableerd
worden.
Deze incubatie-verschijnselen zorgen er ook voor dat bij lage pulsenergiedichtheden de
ablatiediepte niet eenduidig evenredig is met het aantal pulsen.
2.3.3 Pulsfrequentie
Hogere pulsfrequenties zorgen voor snellere fabricage wat dus in ieders voordeel is.
Bij alle polymeren blijkt de ablatiesnelheid vrijwel onafhankelijk te zijn van de pulssnelheid.
Enkel PMMA is hier een uitzondering op: bij hogere pulsfrequenties in het KrF regime zal
Figuur 2.2 Ablatiediepte per puls in functie van de pulsenergiedichtheid.
de etssnelheid toenemen. Dit is het gevolg van een cumulatieve opwarming van het materiaal dat
tussen twee pulsen onvoldoende tijd heeft om af te koelen ten gevolge van de lage
temperatuursdiffusie. De hogere temperatuur geeft vervolgens aanleiding tot een grotere
thermische dissociatie en dus snellere ablatie. Figuur 2.2 toont de duidelijk snellere ablatie van
PMMA aan bij stijgende lokale energiedichtheden.
2.3.4 Thermische beschadiging
Page 33
2.3 Ablatie van polymere optische vezels 25
Na ablatie van een materiaallaagje blijft er een zone achter die een onvoldoende gedeelte
van de puls heeft geabsorbeerd om te worden geëjecteerd. De thermische energie die in deze laag
werd gedeponeerd, is evenredig met Fth (de minimale pulsenergiedichtheid voor ablatie). Gezien
de lage absorptiecoëfficiënt van PMMA heeft dit materiaal een vrij hoge waarde voor Fth . De
opgeslagen energie bij dit proces zorgt voor extra opwarming van het materiaal en dus ook voor
meer schade aan het omliggend materiaal, wat gezien het voorgaande bij PMMA wel een
probleem is waar rekening moet mee gehouden worden.
2.3.5 Oppervlakteruwheid na ablatie
Wanneer een caviteit wordt geableerd in een polymeer zal er meestal een glad oppervlak
op de bodem te zien zijn met een typische rms ruwheid van 200 nm voor een cavitiet van 40 m
diep of 0.5 % van de totale diepte. Dit is echter niet het geval bij PMMA waar een veel grotere
ruwheid wordt vastgesteld. Bovendien wordt bij de KrF golflengte 248 nm meestal een
gesmolten oppervlak weergevonden met sporen van gebarsten gasblaasjes mede ten gevolge van
de hierboven beschreven processen.
Wanneer er geen sprake is van smelting hebben we nog steeds te maken met de grootste
ruwheid in het geval van PMMA. Dit zien we duidelijk in Figuur 2.3 waar de geableerde
caviteiten voor zowel Polycarbonaat (PC), polyimide (PI), Polyethyleen tereftalaat (PET) en
PMMA afgebeeld staan bij een KrF-ablatie. Dit zal zonder enige twijfel een weerslag hebben op
de proeven die tijdens deze thesis zullen uitgevoerd worden,aangezien er gewerkt wordt met
POF-vezels van PMMA-materiaal. Figuur 2.4 toont de relatieve rms ruwheid (t.o.v. de totale
caviteitsdiepte) waarop we een asymptotische curve zien die naar een constante waarde gaat ten
gevolge van de saturatie van de absorptie (zie eerder). Bovendien kan opgemerkt worden dat
voor PMMA bij lage F waarden (lage pulsenergiedichtheid) de incubatie-effecten zorgen voor
een ruwer oppervlak. Wat we ook kunnen afleiden en zeer belangrijk is bij het doorklieven van
een relatief "dikke" optische vezel (250-500-750 m), is dat we bij een diepe ablatie te maken
krijgen met een grotere absolute rms ruwheid. We kunnen dus verwachten dat de klief niet over
heel de breedte van de vezel even diep zal zijn.
Wel moet hier vermeld worden dat we in deze thesis met een pulsenergiedichtheid op de plaats
van het geableerde materiaal werken met een waarde van 5 J/cm2
, wat ver buiten de grafiek op
Figuur 2.4 valt en we hebben dus te maken met saturatie.
Page 34
2.3 Ablatie van polymere optische vezels 26
Figuur 2.3: Geableerde caviteiten in ( linksboven naar rechtsonder) PMMA, PET, PI en PC.
Figuur 2.4 : Relatieve rms ruwheid (in verhouding tot caviteitsdiepte) van een lasergeableerde
caviteit in PMMA materiaal in functie van de pulsenergiedichtheid en dit voor zowel 20
laserpulsen als 100 laserpulsen.
Page 35
GEBRUIKTE APPARATUUR 27
Hoofdstuk 3
Gebruikte apparatuur
De terminatie van de polymere optische vezels wordt verwezenlijkt met de laser-
opstelling van de onderzoeksgroep TFCG , waarbij de excimer-laser en de YAG-laser gebruikt
worden voor het klieven van de vezels en de CO2-laser voor het polijsten van het eindfacet. Na
het klieven worden de vezels door een opdampprocedure bedekt met een dun laagje goud (± 20
nm) teneinde een betere visualisatie van het eindfacet mogelijk te maken met een
elektronenmicroscoop (SEM). Deze visualisatie bepaalt de kwalitatieve eindbeoordeling. Later
werden op de beste resultaten ruwheidsmetingen uitgevoerd op basis van
interferentieverschijnselen met een non-contact optische profielmeter (WYKO NT2000).
3.1 Laser set-up TFCG
3.1.1 Opstelling
Figuur 3.1 toont de ablatieopstelling van TFCG met de Excimeer-, YAG- en CO2-laser.
Drie laserbundels (YAG, CO2, Excimer) worden samengebracht op een optimale
focusseringshoogte. Deze hoogte kan manueel aangepast worden met een simpel
schroefmechanisme. De lasers zelf bevinden zich onder, achter en naast de eigenlijke werktafel.
KrF Excimer Laser Frequency tripled CO2 Laser Nd-YAG Laser
248 nm 355 nm 9.6 m
Page 36
3.1.1 Opstelling 28
Figuur 3.1 : Laseropstelling van YAG, Excimeer en CO2-laser van TFCG.
Pad van de laserbundel van de excimeerlaser (Figuur 3.2)
Wanneer de bundel de laser horizontaal verlaat wordt hij opwaarts geleid door een
spiegel en dan opnieuw door een spiegel horizontaal gebracht.
Hierna wordt hij door een masker gestuurd. Verschillende maskers worden op een
roterend wiel geplaatst dat via de PC exact kan worden gepositioneerd. Aangezien de
laserbundel dan nog niet gefocusseerd is zal het masker niet aangetast worden en
kunnen hiervoor eenvoudige materialen zoals polyimides (Kapton) gebruikt worden
die zelf door laserablatie kunnen worden gecreëerd.
De bundel die nu door het masker vorm heeft gekregen wordt door een spiegel naar
beneden richting de werktafel gestuurd. Als laatste gaat de bundel nog door de hoge-
resolutie focuslens waarvan we de tilt en de focus nog kunnen sturen.
Een zoom microscoop zorgt voor een kijk op het proces onder een bepaalde hoek. Deze
camera kan nog afgesteld worden in magnificatie, focus en centering.
Page 37
3.1.1 Opstelling 29
Figuur 3.2 : Schema van het pad dat de Excimeer laserbundel aflegt vanaf de laser tot
het sample.
Pad van de laserbundel van de CO2 - laser (Figuur 3.3)
De bundel wordt met een spiegel naar boven gestuurd (laser bevindt zich onder de
werktafel), gaat door een gat in de werktafel en door een energy-controller waarmee
er eventuele attenuatie van de bundelenergie kan toegepast worden.
Vervolgens gaat de bundel door een condensorlens
Na nog een spiegel wordt de bundel in horizontale richting door een masker gestuurd
dat net zoals bij de excimer-laser op een roteerbaar wiel bevestigd is .
Een laatste spiegel brengt de bundel naar beneden naar de projectielens die een
gedemagnificeerd beeld van het masker op het voorwerp projecteerd (Er zijn 3
lenzen met verschillende demagnificatie beschikbaar x 2.08, x 4.05 en x 10.06).
Page 38
3.1.1 Opstelling 30
Figuur 3.3 : Schema van het pad dat de CO2 laserbundel aflegt vanaf de laser tot het
sample.
3.1.2 Gebruik van de opstelling
De meeste parameterwijzigingen werden geautomatiseerd met een centrale control unit
aangedreven door een PC met bijhorende software. Enkel focussering gebeurt manueel zowel bij
CO2 als bij YAG als bij excimeer- laser.
Het pulsvermogen van de laser wordt telkens bij de laser zelf ingesteld met een aparte
sturingseenheid. Figuur 3.4 toont het gebruikte softwareprogramma.
- Links onderaan wordt het masker gekozen dat men wil gebruiken. Dit komt neer op een
positionering van het wiel waar de maskers op gemonteerd zitten. Daarbij is nog enige sturing
mogelijk indien het masker niet ideaal recht steekt in zijn houdertje.
- Rechts kunnen we de repetitiefrequentie van de laserpulsen instellen, de
translatiesnelheid en richting, samen met de translatieafstand die moet afgelegd worden. We
kunnen ook het aantal pulsen instellen.
Page 39
3.1.2 Gebruik van de opstelling 31
Figuur 3.4 : Printscreen van de gebruikte software voor de aansturing van de laseropstelling
- Links bovenaan zien we de rechtstreekse camerabeelden van de in de opstelling
gemonteerde off-axis camera. Er bestaat de mogelijkheid om hier de afstand tussen 2 punten
nauwkeurig te bepalen en ook om een alignatie door te voeren van het camerabeeld en de
eigenlijke plaats waar de laserbundel invalt (zie het rode kruis op Figuur 3.4).
3.1.3 De Excimeerlaser
3.1.3.1 Algemeen
Een excimeerlaser is een gaslaser en afhankelijk van het gebruikte gas wordt er laserlicht
geëmiteerd met een golflengte van 193 nm (ArF), 248 nm (KrF) of 308 nm (Xe Cl), allen in het
UV-gebied. Doordat de ablatie met de excimeerlaser voor bijna 100 % fotochemisch is (en dus
niet fotothermisch), bekomt men een vrij preciese ablatie zonder teveel thermische effecten.
Excimeerlasers emitteren een laserbundel met een vrij grote doorsnede, wat met zich meebrengt
dat de bundel nog met een projectielens moet gefocusseerd worden.
Excimeerlasers worden vooral toegepast op polymere materialen en minder voor PCB
(Printed Circuit Board)-bewerkingen vanwege het nog iets te lage vermogen, de hoge kost en
hoge vereisten voor maskerafmetingen. Bovendien is de excimeerlaser minder geschikt voor het
Page 40
3.1.2 Excimeerlaser 32
ableren van metalen. Bij metalen is de absorptie niet zo slecht, maar is het eerder de hoge
reflectiviteit die het probleem vormt.
3.1.3.2 Technische data
Voor het onderzoek rond de laserablatie zijn er twee opstellingen ter beschikking, nl.
deze van Intec en deze van TFCG. De Excimer-laser die tijdens deze thesis gebruikt wordt is die
van TFCG [ATLEX-300I]. Tabel 3.1 toont de voornaamste parameters.
Opstelling TFCG (ATLEX 300i)
Lasermedium KrF
Golflengte (nm) 248
Energie / puls (mJ) 1.0-20.0
Pulsduur (FWHM) (ns) 3-7
Gemiddeld vermogen (mW) 300-5000
Divergentie (mrad) 1.7*0.9 (50%, volledige hoek)
Laserbundel dimensies (mm) (3-4)*6
Maximale pulsfrequentie (Hz) 300
Resolutie afbeelding masker ( m) <2
Tabel 3.1 : Technische data van de Excimeerlaser van TFCG.
Opstelling INTEC (LUMONIX PulseMaster 848)
Lasermedium ArF KrF
Golflengte (nm) 193 248
Energie / puls (mJ) 230 450
Pulsduur (FWHM) (ns) 12-20 ns
Gemiddeld vermogen (mW) 30.000 80.000
Laserbundel dimensies (mm) 10*20 10*20
Maximale pulsfrequentie (Hz) 200 200
Tabel 3.2 : Technische data van de Excimeerlaser van Intec.
Page 41
3.1.2 Excimeerlaser 33
Het termineren van POF-vezels met behulp van laserablatie werd reeds in het
academiejaar 2002-2003 onderzocht door Ir. Pat Vanroelen (“Studie van laserablatie bij de
terminatie van polymere optische vezels”). Dit onderzoek werd op de opstelling van Intec
uitgevoerd en ter vergelijking toont Tabel 3.2 de belangrijkste parameters hiervan. Opvallend
zijn hier het veel grotere gemiddeld vermogen, pulsduur en energie per pulsduur bij Intec. Er
moet wel gezegd worden dat in die opstelling gebruikt werd gemaakt van een attenuator voor het
vermogen te regelen en dat bijna alle tests die uitgevoerd werden , de attenuator op 25, 50 of 75
% werd gezet. Bij een attenuatie van 25% heeft deze opstelling een pulsenenergiedichtheid op de
plaats van de ablatie die vergelijkbaar is met deze van de opstelling van TFCG ondanks de
grotere gemiddelde vermogens in Tabel 3.2. Dit omdat bij de opstelling van TFCG de
laserbundel kleiner is. Het grote verschil tussen de opstellingen ligt vooral aan de veel grotere
pulsduur bij de opstelling van Intec . De vezels gekliefd met de excimer-laser met Kr-F gas (248
nm golflengte) waren dan ook vrij hard gesmolten. Zie Figuur 3.5 voor een voorbeeld hiervan (50
% attenuatie). Bij de opstelling van TFCG wordt enkel met KrF gewerkt met een golflengte van
248 nm. Deze golflengte wordt efficiënt geabsorbeerd door polymeren, met een cleane ablatie en
weinig thermische effecten (zie hoofdstuk 2 : Laserablatie)
Figuur 3.5 : Voorbeeld van een POF eindfacet, gesmolten na laserablatie met de
excimeer-laser (KrF gas) met de opstelling van Intec.
In de meeste literatuur over laserablatie wordt niet gesproken over gemiddeld vermogen,
bundelparameters, pulsenergiedictheid van de laser zelf of maximaal vermogen.
De eigenlijke pulsenergiedichtheid op het ablatieoppervlak zelf is bijzonder afhankelijk van de
opstelling (maskerafmetingen, projectielensparameters, demagnificatie, enz.). Daarom wordt in
de literatuur deze parameter als de “fluence” gedefinieerd.
Page 42
3.1.2 CO2-laser 34
In deze thesis werd meestal met een laserpulsenergie van 10 mJ gewerkt.
Samen met de parameters van de opstelling kunnen we de fluence F berekenen :
Dosis per puls = fluence = F =
10 mJ / (0.3 x 0.5 cm2) x demagnification2 = 5046 mJ/cm
2 (of 5J/cm
2)
Demagnificatie projectie lens = 8.7
0.3 x 0.5 cm2 zijn de afmetingen van de laserbundel.
3.1.4 De CO2 laser
3.1.4.1 Algemeen
CO2 lasers emitteren infrarood licht met een golflengte tussen de 9 en 11 m.
Bij deze golflengte worden de laserpulsen door polymeren goed geabsorbeerd.
CO2 lasers worden door hun selectief karakter gebruikt om micro-via’s te ableren in materialen
die bovenop koper liggen, zonder dit koper te beschadigen. Ook kan men het koper zelf etsen
door dit op de juiste plaatsen te oxideren (geoxideerd koper absorbeerd wel de CO2 laser
golflengtes).
De CO2-laser blijkt echter later in deze thesis niet geschikt voor ablatie van polymere
optische vezels, maar zorgt eerder voor smelting van het sampleoppervlak. Hier kunnen we
handig gebruik van maken om het eindfacet van de POF te polijsten. In dit geval wordt de vezel
in het verlengde van de laserbundel gemonteerd om zodanig loodrecht op het facet te ableren en
het facet door lichte smelting extra af te vlakken.
3.1.4.2 Technische data
Page 43
3.1.2 CO2-laser 35
De technische data over de CO2-laser worden in Tabel 3.3 getoond.
GSIL Impact SSM 2150 CO2 laser
Golflengte ( m) 9.3
Maximale energie / puls (mJ) 400
Pulsduur (FWHM)(ns) 70
Maximaal vermogen (W) 60
Maximale pulsfrequentie (Hz) 150
Laserbundeldimensies (cm*cm) 1*1
Tabel 3.3 : Technische data van de CO2 laser van TFCG.
3.1.5 De YAG-laser
3.1.5.1 Algemeen
Oospronkelijk produceert de Nd:YAG laser laserlicht met een golflengte van 1064 nm.
Met behulp van optische kristallen wordt de lichtfrequentie verdrievoudigd en bekomen we een
golflengte van 355 nm in het UV-gebied.
Zowel organische materialen als metalen absorberen deze golflengte goed. Daarom is de YAG-
laser een zeer handige tool voor het maken van via’s in metaal en hij vindt hiervoor dan ook zijn
grootste toepassing in de PCB-productie. Focussering van de bundel is wel nodig om voldoende
enrgie te bekomen voor metaalablatie.
3.1.5.2 Technische data
In Tabel 3.4 staan de belangrijkste parameters omtrent de gebruikte YAG-laser:
LWE 210-355-5000 YAG-LASER
Page 44
3.1.2 De YAG-laser 36
Golflengte (nm) 355
Maximum energie / puls ( J/puls) 500
Pulsduur (ns) 30
Gemiddeld vermogen (W) 5
Beam waist ( m) 200
Pulsfrequentie (kHz) 10-100
Tabel 3.4 : Technische data van de YAG laser van TFCG.
3.2 De Lichtmicroscoop
Na elke ablatie werden de samples eerst onder een gewone lichtmicroscoop bekeken om
een idee te krijgen van de ruwheid van het eindfacet en op die manier de parameters van het
ablatieproces ter plekke te optimaliseren. Hiervoor werd gebruik gemaakt van een
lichtmicroscoop van TFCG met een typische vergroting van x 50 . Door het sample steeds onder
dezelfde helling te leggen kan met het oog reeds een kwalitatieve beoordeling gemaakt worden.
Onder meer de diepte van de groeven en de graad waarin het facet “gesmolten” is, kunnen
redelijk goed beoordeeld worden.
3.3 De Elektronenmicroscoop
3.3.1 Algemeen
De beste visualisatie kunnen we bereiken met behulp van een Scanning Electron
Microscope (SEM). Hiervoor werd de SEM van ELIS gebruikt (zie Figuur 3.7). Deze visualisatie
is in de thesis van groot belang aangezien het uitzicht van het vezel-eindfacet ons veel zegt over
de ruwheid van het oppervlak en deze ruwheidsmaat gaat onafscheidelijk gepaard met de
optische data- en vermogenverliezen aan oppervlakteovergangen tussen twee vezels of tussen
vezel en andere lichtgeleiders.
Page 45
3.1.2 De lichtmicroscoop 37
Om de samples te kunnen bestuderen worden ze met het eindfacet naar boven op een
daartoe voorzien cilindrisch houdertje geplaatst (zie Figuur 3.6 links). Dit houdertje wordt in de
specimenkamer gezet die vacuum wordt gezogen (zie Figuur 3.6 rechts).
Om een optimale werking van de SEM te garanderen wordt er op de samples een
goudlaagje opgedampt van ongeveer 20 nm. Dit om de elektronenbundel waarvan gebruik
gemaakt wordt in de SEM met betere resolutie en met minder diffractie te weerkaatsen of
absorberen (zie werking SEM).
In Figuur 3.7 wordt de Elektronenmicroscoop weergegeven die tijdens deze thesis wordt
gebruikt.
Figuur 3.6 : Links : Afbeelding van een houdertje voor de SEM (hiertegen werd een vezel
bevestigd met een stukje tape). Rechts : Het sample wordt in een specimen-kamer geplaatst die
dan na sluiting wordt vacuüm gezogen.
Figuur 3.7 : Scanning Electron Microscoop van ELIS.
Page 46
3.3 De elektronenmicroscoop 38
3.3.2 De werking
In vacuum worden elektronen geproduceerd door een filament dat als kathode fungeert.
De anode staat op een positieve spanning t.o.v. het filament zodat de elektronen naar de anode
toe versneld worden. Via een lenzensysteem wordt de elektronenbundel dan gefocusseerd op het
sample. Bij de interactie met het sample kunnen verschillende reacties optreden. Hierbij worden
vanuit het sample verstrooide bundelelektronen, secundaire elektronen, Auger-elektronen, X-
stralen en kathodeluminescentie verstuurd. Het SEI-signaal (Secondary Elektron Image) bestaat
uit de detectie van de secundaire elektronen. Dit signaal is het meest geschikt om de topografie
van een sample te bestuderen. De secundaire elektronen zijn specimenelektronen die vrijkomen
door inelastische botsingen met de invallende elektronenbundel en hebben een zeer lage
kinetische energie. Daardoor zullen enkel de secundaire elektronen die zich in de omgeving van
het oppervlak bevinden uit het sample kunnen ontsnappen en de detector bereiken. Op deze
manier wordt het hele oppervlak afgescand met de smalle elektronenbundel en worden de
secundaire elektronen gedetecteerd als functie van de positie van de primaire elektronenbundel.
Het contrast wordt mogelijk gemaakt door de orientatie: het gedeelte van het oppervlak dat
gericht is naar de detector zal iets helder oplichten dan de andere oppervlakken.
Rotatie is in deze thesis heel belangrijk aangezien de zichtbaarheid van de groeven
afhangt van de helling waaronder het sample gebracht wordt. Daarom werd getracht deze helling
gedurende de hele thesis constant te houden.
3.4 Wyko
3.4.1 Algemeen
Na beoordeling van de verkregen resultaten onder de SEM worden deze op
reproduceerbaarheid getest door de desbetreffende proeven te herhalen met gebuik van dezelfde
opstelling en parameters en opnieuw te observeren. De beste resultaten worden dan aan een
objectieve ruwheidsmeting onderworpen met een non-contact profielmeter (WYKO NT2000).
Deze staat opgesteld in de VUB te Jette en heeft daar als voornaamste doel het doorsnede-profiel
van microlenzen te bestuderen en op te meten.
Page 47
3.4 WYKO 39
3.4.2 Werking
De Wyko is gebaseerd op een Mirau interferentiemicroscoop waarbij een witte
lichtbundel door een splitter gaat die de helft van de bundel naar een referentieoppervlak stuurt
en de andere helft naar het sample. Het licht dat door het sample en door het referentieoppervlak
wordt gereflecteerd worden dan terug samengevoegd aan de splitter om zo interferentiefranjes te
vormen. Het systeem meet dan de graad van franjemodulatie of het franjecontrast. Omdat wit
licht een korte coherentie-afstand heeft, zijn er enkel interferentiefranjes over een beperkte diepte
voor elk focuspunt. Tijdens het afscannen van het oppervlak wordt het referentieoppervlak in
vertikale richting verschoven om zodoende op verschillende hoogten te kunnen scannen. Een
gelinealiseerde piëzo-elektrische omvormer controleert deze beweging zorgvuldig. Op elke
hoogte wordt zo het hele oppervlak gescand en door computeralgoritmen wordt een beeld
gevormd van het oppervlak en kunnen peak-to-peak- , rms- en gemiddelde ruwheid berekend
worden.
Figuur 3.8 toont het meetinstrument en het werkingsprincipe.
Figuur 3.8 Foto en principeschets van Wyko.
sample
Mirau
Interferometer
Microscoop
objectief
Bundel-
splitser
Signaal
Aperture
stop Field
stop
Halogeen
lamp
Page 48
EXPERIMENTEN 40
Hoofdstuk 4
Experimenten
4.1 Opstelling
Aanvankelijk werd de volgende opstelling gebruikt op de translatietafel: De POF vezels
worden met behulp van tape vastgekleefd op 2 glazen plaatjes die op 1 mm van elkaar liggen om
de laserbundel door te laten. De glasplaatjes zelf rusten op een koperen raampje dat ervoor zorgt
dat de hele opstelling niet in contact komt met de translatietafel en dat de glasplaatjes niet
verschuiven ten opzichte van elkaar wanneer de opstelling met de hand op de translatietafel wordt
gelegd. Figuur 4.1 toont deze opstelling.
Figuur 4.1 : Aanvankelijke opstelling.
glasplaatjes Tape POF-vezels
Koperen
raam
Page 49
4.1 Opstelling 41
Naarmate de experimenten vorderden werd al snel duidelijk dat de tape nog teveel
verchuiving van de vezel toelaat tijdens de ablatie. Daarom werden de vezels van dan af
vastgeklemd tussen twee metalen blokjes die stevig tegen de glasplaatjes werden aangedrukt met
tape. Op deze manier werd de bewegingsvrijheid van de vezels sterk verminderd (zie Figuur 4.2).
Figuur 4.2 : Opstelling met verbeterde positionering van de POF-vezel.
4.2 Invloed van ablatieparameters
Ter inleiding even een kort overzicht van de ablatieparameters :
Pulsenergie (mJ) : Energie van één puls over de volledige laserbundeldoornede wanneer deze
de laser verlaat.
Pulsfrequentie (Hz) : Aantal pulsen die per seconde door de laser verstuurd worden (tot 300
Hz)
Translatiesnelheid ( m / s) : Bij dynamische ablatie wordt tijdens de ablatie de translatietafel
met daarop de POF-vezel verschoven aan een vooraf ingestelde snelheid. Hierdoor kan de
ablatie over heel de breedte van de POF-vezel uitgevoerd worden. De snelheid waarmee de
translatietafel dan verschoven wordt noemen we de translatiesnelheid.
Grootte masker ( m): Zoals reeds besproken in Hoofdstuk 3 gaat de laserbundel eerst door
een masker vooraleer hij wordt gefocusseerd en op het sample belandt. Met “grootte masker “
worden de letterlijke afmetingen van de opening in het masker gegeven afhankelijk van de
Metalen
blokjes
Page 50
4.2 Invloed van ablatieparameters 42
vorm van het masker. Er dient wel gezegd dat die vorm op het sample wordt geprojecteerd
met een demagnificatie van 8,7. De afmetingen van de geprojecteerde vorm op het
ablatieoppervlak zijn dus 8,7 maal kleiner dan de vermelde afmetingen van het masker zelf.
Vorm masker: Het gebruikte masker kan om het even welke vorm gegeven worden. Voor
deze thesis zijn enkele relevante vormen gebruikt zoals een cirkel (diameter
0.200,0.400,0.600,0.800,1.000 mm), een rechthoek (0.200 x 2.500 mm en 0.600 x 6.000 mm)
en een vierkant (0.600 x 0.600 mm ).
Dikte vezel ( m): bij commerciële POF-vezels zijn er verschillende vezeldiktes verkrijgbaar.
Het is wel te verwachten dat de ablatieresultaten bij verschillende diktes van de vezel, ook
verschillend zullen zijn. Hier werd gewerkt met vezeldiktes 250, 500 en 750 m.
Ablatiehoek : Dit is de hoek die de translatiebeweging met de as van de vezel maakt. Bij
bijna alle proeven nemen we hiervoor 90 graden, m.a.w. we ableren dwars over de vezel.
Dynamische / Statische ablatie: We kunnen zelf kiezen of we het klieven verwezenlijken door
translatie toe te passen of de vezel volledig in stilstand te klieven.
De fume-afzuiging: Om debris te vermijden wordt de fume van de ablatie weggezogen. Hoe
dit wordt gedaan, kan zelf worden geïmplementeerd.
Type laser : In hoofdzaak wordt de excimeerlaser toegepast, maar is het klieven ook mogelijk
met andere lasers ?
Bij elke foto of meting van een bepaald experiment worden deze parameters in tabelvorm
bijgevoegd. Tabel 4.1 toont hiervan een voorbeeld.
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Snelheid
m / s
Grootte masker
m
Vorm masker
Dikte vezel
m
Tabel 4.1 : Voorbeeld van een ablatieparametertabel.
Page 51
4.2.1 Pulsenergie 43
4.2.1 Pulsenergie
De pulsenergie van de excimeerlaser wordt via een speciale controle-eenheid ingegeven.
Deze pulsenergie geeft de energie van de volledige laserbundel weer die uit de excimeerlaser
komt. Deze laserbundel wordt echter nog door een masker gestuurd en daarna gefocusseerd met
een demagnificatie van 8,7. De pulsenergiedichtheid op het ablatiefront zelf (“fluence”) wordt
dan als volgt berekend :
“fluence” = pulsenergie van de excimeerlaser / laserbundeldoorsnede (0.3 x 0.5 cm2) x demagnificatie 8.7
J/cm2 = J / cm
2 x (geen eenheid)
De eerste experimenten werden uitgevoerd met een pulsenergie van 10 mJ en bleken
redelijk goede resultaten op te leveren. Later werd onderzocht welke impact een verlaging van de
pulsenergie op de resultaten zou hebben, maar verandering van pulsenergie blijkt over de gehele
lijn dezelfde invloed op de resultaten te hebben dan de verandering in pulsfrequentie.
Bij een grotere “fluence” zal de plaatselijke opgeslagen energiedichtheid in het polymeer op de
plaats van de invallende laserbundel groter worden, alsook de verhittingseffecten. Dit uit zich in
een grotere fotothermische ablatie (zie H2 puntje 2.1). Het gevolg hiervan is dat door omzetting
van de geabsorbeerde pulsenergie in warmte en door warmtediffusie het materiaal in de directe
omgeving van het ablatiefront thermische schade oploopt. Hierdoor zijn ook dikwijls sporen van
ontplofte gasbelletjes terug te vinden in het eindfacet wanneer met een te hoge energie wordt
gewerkt.
We verkrijgen dus een meer gesmolten eidfacet wanneer hogere pulsenergieën word
toegepast. Smelting op zich is enerzijds niet echt gewenst aangezien er een lichte welving
ontstaan op het eindfacet, anderzijds kan lichte smelting wel zorgen voor het uitvlakken van
kleine putjes en debris.
We moeten dus trachten een compromis te vinden tussen dit voordeel en nadeel.
Gezien voor een pulsenergie van 10 mJ reeds goede resultaten werden gevonden en er
met de overige ablatieparameters nog voldoende vrijheid is voor optimalisatie, werden bijna alle
proeven verricht met die pulsenergie van 10 mJ.
Page 52
4.2.1 Pulsenergie 44
Om dit voorgaande toch enigzins experimenteel te bevestigen, werden proeven verricht
met een pulsdichtheid van 10 mJ en met 6 mJ om een vergelijking te maken.
Figuur 4.3 toont deze vergelijkingen met inbegrip van al de gebruikte ablatieparameters tijdens
deze experimenten : Links de samples bij 6 mJ en rechts de samples bij 10 mJ, telkens met andere
parameters.Van boven naar beneden werd een grotere pulsfrequentie toegepast.
We zien dus een duidelijke grotere smelting bij 10 mJ dan bij 6 mJ. Het verschil is echter veel
beter te zien bij grotere pulsfrequenties. Dit is te verklaren door het feit dat er bij lage frequenties
minder diepe ablatie plaatsvindt. Hiedoor moet de translatietafel meerdere malen heen en weer
gaan om volledig door de vezel te geraken. Tabel 4.2 toont het aantal translaties die moeten
uitgevoerd worden overeenkomstig met de foto’s uit Figuur 4.3.
6 mJ 10 mJ
100 Hz 12 6
200 Hz 6 3
300 Hz 3 2
Tabel 4.2 : Aantal translatiebewegingen overeenkomstig met de resultaten van Figuur 4.3
We zien dat het verschil in aantal translaties relatief daalt met de pulsfrequentie. Bij lage
pulsfrequenties betekent dit dat het sample bij 10 mJ meer zou moeten gesmolten zijn, maar dit
niet het geval is omdat bij het sample van 6 mJ veel meer translaties gebeurd zijn en daardoor op
zijn beurt meer smelting zou moeten tonen.
We kunnen dus stellen dat de invloed van de pulsenergie kleiner en gelijkaardig is aan de
invloed van de pulsfrequentie. Omdat de pulsfrequentie makkelijker en sneller in te stellen is als
de pulsenergie doen we er beter aan ons toe te leggen op het veranderen van de pulsfrequentie en
de pulsenergie constant te houden.
Page 53
4.2.1 Pulsenergie 45
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Snelheid
m / s
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 6 100 300 1000 rond 500
Rechts boven 10 100 300 1000 rond 500
Midden links 6 200 50 600 rond 500
Midden rechts 10 200 50 600 rond 500
Onder links 6 300 150 600 rond 500
Onder rechts 10 300 150 600 rond 500
Figuur 4.3 : Foto’s bekomen bij het onderzoek naar de invloed van de pulsenegie tijdens de
ablatie.
6 mJ 10 mJ
Puls-
Fequentie:
100 Hz
Puls-
Fequentie:
100 Hz
Puls-
Fequentie:
200 Hz
Page 54
4.2.2 Pulsfrequentie 46
4.2.2 Pulsfrequentie
Zoals in vorig puntje uitgelegd, is de pulsfrequentie de belangrijkste parameter als het
aankomt op het toelaten van smelting of niet. Dit blijkt uit bijna alle proeven. We doen er ook
best aan eerst deze parameter op peil te brengen alvorens verdere optimalisatie met andere
parameters door te voeren.
De reden tot meer smelting bij hogere pulsfrequenties is te wijten aan de slechte
warmtegeleiding van PMMA die ervoor zorgt dat de warmte die gecreëerd wordt bij het invallen
van een laserbundel niet voldoende snel wordt gediffundeerd. Dit zorgt voor een cummulatieve
opwarming wanneer meerdere pulsen te snel na mekaar komen. Hoe sneller de pulsen elkaar
opvolgen, hoe groter de overlap van de warmtecurven van elke puls, hoe groter de warmte-
ophoping, hoe meer smelting.
Figuur 4.4 toont 3 experimenten met telkens een andere vezeldikte. Het is hier heel
duidelijk dat de smelting bij de hoogste pulsfrequentie inderdaad het grootst is.
Page 55
4.2.2 Pulsfrequentie 47
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Snelheid
m / s
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 150 150 600 rond 250
Rechts boven 10 200 150 600 rond 250
Midden links 10 150 150 600 rond 750
Midden rechts 10 200 150 600 rond 750
Onder links 10 100 150 600*600 vierkant 500
Onder rechts 10 200 150 600*600 vierkant 500
Figuur 4.4 : foto’s bekomen bij de onderzoek naar de invloed van de pulsfrequentie bij de ablatie.
Vezel-
Dikte :
250 m
150 Hz
200 Hz 100 Hz
200 Hz
Vezel-
Dikte :
500 m
Vezel-
Dikte :
750 m
150 Hz 200 Hz
Page 56
4.2.3 Translatiesnelheid 48
4.2.3 Translatiesnelheid
Met de translatiesnelheid wordt de snelheid van de translatietafel (en dus de POF-vezel)
bedoeld. Het is logisch dat bij een grotere snelheid de translatie die verloopt tussen twee
opeenvolgende pulsen groter zal zijn. Om een vezel volledig te kunnen klieven mogen we de
snelheid niet te hoog opdrijven en we houden de snelheid daarom terecht klein genoeg.
De hoogste waarde van de snelheid waarmee werd gewerkt is 400 m /s en de maximum
pulsfrequentie is 300 Hz. Passen we dit toe op een vezel van 500 m dik dan kunnen we
berekenen hoeveel pulsen er per translatie over de vezel verdeeld worden:
Tijd die de translatietafel erover doet om de laserbundel over de gehele breedte van de vezel te
laten gaan:
500 m / 400 m /s = 1.25 s
Aantal pulsen die over de breedte van vezel wordt verdeeld:
1.25 s x 300 pulsen/s = 375 pulsen
Afstand die de translatietafel aflegt tijdens 1 puls:
400 m /s x 7 ns = 2.8 pm
Afstand die de translatietafel aflegt tussen 2 pulsen:
500 m / 375 pulsen = 1.3 m /puls
Diameter van het ablatiefront:
200 m (kleinste diameter van gebruikte maskers)/ 8.7 demagnificatie = 22.9 m
Aantal pulsen die in een vast punt op de vezel toekomen:
22.9 m ablatiefront / 1.3 m /puls = 18 pulsen
Het is duidelijk dat hoe sneller we over de vezel ableren hoe minder pulsen er terecht
komen op de vezel en hoe meer translaties we moeten uitvoeren om het klieven te
verwezenlijken. Men heeft er dus geen baat bij om de translatiesnelheid te blijven opdrijven. We
zien ook dat er in het slechtste geval met het kleinste masker een ablatiefront van 22.9 m lang in
de dwarsrichting van de vezel beweegt terwijl er bij 300 Hz pulsfrequentie bij elke puls 1.3 m
wordt afgelegd. We hoeven dus niet te vrezen dat er geen overlap tussen de verschillende
Page 57
4.2.3 Translatiesnelheid 49
pulsfronten is. De afstand waarover de translatietafel beweegt tijdens een puls blijkt tevens
verwaarloosbaar te zijn tegenover de afstand die wordt afgelegd tussen 2 pulsen. Wanneer we de
snelheid opdrijven moeten we wel opmerken dat het aantal pulsen die op een referentiepunt op de
vezel toekomt, lineair zal stijgen met de snelheid. De frequentie waaraan dit gebeurt is echter
onafhankelijk van de translatiesnelheid.
We zien dus dat de snelheid enkel bepaalt hoeveel pulsen er op een bepaalde plaats
worden gegeven, maar niet hoe snel ze na elkaar komen en het is juist dit laatste dat de
warmtecummulatie in het materiaal bepaalt. We kunnen dus verwachten dat de snelheid enkel een
invloed zal hebben op hoeveel translaties er moeten plaatsvinden, maar niet op de mate waarin
het eindfacet wordt gesmolten.
Figuur 4.5 toont 2 experimenten. De eerste 4 foto’s zijn bij een translatiesnelheid van
respectievelijk 50, 100, 200 en 400 m /s. De laatste 2 foto’s bij 200 en 300 m /s. We zien
inderdaad wat we verwachtten, nl. weinig verschil in resultaat. Enkel bij de eerste foto met een
translatiesnelheid van 50 m /s zien we een iets grotere smelting. Dit is over het algemeen wel de
trend : indien we bij wat te lage snelheden gaan werken treedt er globale opwarming op omdat de
laserbundel te lang op een zelfde plaats blijft. Dit mag wel niet verward worden met de
cummulatieve opwarming die gebeurt bij toenemende pulsfrequentie. Men kan ook duidelijk zien
dat de extra smelting ten gevolge van een te lage snelheid veel kleiner is dan de smelting die we
zagen bij te een te hoge pulsfrequentie.
Op Figuur 4.6 zien we een zijaanzicht van een vezel die geableerd werd met 6
translatiebewegingen en dit voor 3 verschillende translatiesnelheden (van links naar rechts 100,
200 en 300 m /s). Er is duidelijk te zien dat een kleinere snelheid een diepere ablatie
veroorzaakt, zoals verwacht. Wel moeten we constateren dat de ablatiediepten niet echt lineair
verlopen met de translatiesnelheid terwijl we dit net wel verwacht hadden. Er onstaat als het ware
- bij een gelijkblijvende pulsfrequentie - een saturatie voor de ablatiediepte naarmate men trager
gaat . Men mag wel niet te traag gaan anders krijgen we opnieuw de globale opwarming die
hierboven beschreven werd.
Page 58
4.2.3 Translatiesnelheid 50
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Snelheid
m / s
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 100 50 600 rond 750
Rechts boven 10 100 100 600 rond 750
Midden links 10 100 200 600 rond 750
Midden rechts 10 100 400 600 rond 750
Onder links 6 100 200 1000 rond 500
Onder rechts 6 100 300 1000 rond 500
Figuur 4.5 : Foto’s bekomen bij onderzoek naar de invloed van de translatiesnelheid op de
ablatie.
50 m/s 100 m/s
200 m/s 400 m/s
Puls-
energie :
10 mJ
Puls-
energie :
6 mJ
Puls-
energie :
10 mJ
200 m/s 300 m/s
Page 59
4.2.4 Grootte van het masker 51
Figuur 4.6 : zijaanzicht van een half-gekliefde POF-vezel bij een translatiesnelheid van
links: 100 m /s ; midden: 200 m /s ; rechts: 300 m /s.
4.2.4 Grootte van het masker
In hetgeen volgt zal blijken dat de grootte van het masker een belangrijke invloed heeft
op zowel de ablatiediepte en de hoeveelheid debris die achterblijft op het eindfacet van een POF-
vezel.
Figuur 4.7 toont 4 maal dezelfde proef met een vezel met doorsnede 750 m, maar met
een verschillend maskergrootte. Wanneer het masker te klein genomen wordt (grens ligt rond 200
m) kan er niet genoeg vermogen door om tot ablatie toe te komen wat gebleken is uit dezelfde
proef maar met een masker met diameter 200 m. Er dient hier wel gezegd dat bij zulke kleine
afmetingen de correctheid van de afmetingen van het masker zelf in vraag kan gesteld worden.
Wanneer wordt overgegaan op een masker met diameter 400 m komt er wel ablatie tot stand
maar de klief wordt pas gerealiseerd na 32 translaties. Bij de maskers met diameter 600, 800 en
1000 m is dit respectievelijk 18, 15 en 13 translaties, wat er op wijst dat grotere maskers voor
grotere ablatiediepten zorgen. Bovendien zien we dat het oppervlak pas vanaf maskers met een
diameter groter of gelijk aan 600 m goed en reproduceerbaar wordt. Op de 2e foto van Figuur 4
zien we een deel dat is afgebroken, maar dat doet in dit puntje niet ter zake aangezien het gaat om
de ruwheid van het reeds geableerde gedeelte.
In Figuur 4.8 vergelijken we in 2 andere omstandigheden (andere ablatieparameters) het
geableerde oppervlak met maskers van 600 en 1000 m. Wat nu meer opvalt dan in de vorige
figuur is dat er veel meer debris op het oppervlak aanwezig is wanneer we gebruik maken van het
Page 60
4.2.4 Grootte van het masker 52
grootste masker met diameter 1000 m. De onderste 2 foto’s zijn uitvergrotingen van de
middenste 2 en tonen nog duidelijker het verschil in debris aan.
We zullen dus naar een compromis moeten zoeken tussen enerzijds meer debris en
anderzijds een sneller ablatie proces. Het hoeft geen betoog dat we kiezen voor een oppervlak
zonder debris dan een snellere ablatie gezien het de bedoeling is om koppelverliezen te
minimaliseren (zie Hoofdstuk 1, puntje 1.2). Deze laatste foto’s zijn wel van experimenten met
een dunnere vezel, nl. die van 500 m dik. Hiervoor zijn minder translaties nodig, maar het
verschil is toch nog duidelijk : 5 translaties voor het masker met diameter van 1000 m en 9
translaties voor het masker met diameter van 600 m. Een verklaring voor de grotere hoeveelheid
debris bij gebruik van een groter masker moeten we zoeken in het dissocatieproces : Hoe groter
de laserbundel die invalt, hoe groter het volume dat de dissociatie ondergaat en dus hoe groter de
kans dat er grotere partikels vrijkomen die zich dan als debris gaan afzetten op de omgeving .
Bovendien wordt er meer materiaal gedissociëerd waardoor de afzuiging van de fume minder
efficiënt verloopt en er opnieuw meer debris aanwezig is.
Waarom de ablatiediepte groter is bij grotere maskers moeten we ook in die richting gaan
zoeken: hoe groter de stukken die worden weggeableerd, hoe kleiner het totale dissociatie-
oppervlak (dit is het grensvlak tussen 2 moleculaire verbindingen die door dissociatie worden
gescheiden). Het is net op dat dissociatievlak dat de intermoleculaire verbindingen moeten
verbroken worden en hoe kleiner dat is, hoe minder bindingen er moeten verbroken worden en
hoe minder er van de geabsorbeerde invallende energie wordt verbruikt. Hierdoor blijft er
plaatselijke meer geabsorbeerde energie over om tot nieuwe dissociaties over te gaan.
Page 61
4.2.4 Grootte van het masker 53
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Snelheid
m / s
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 100 300 400 rond 750
Rechts boven 10 100 300 600 rond 750
Links onder 10 100 300 800 rond 750
Rechts onder 10 100 300 1000 rond 750
Figuur 4.7 : Foto’s van resultaten bekomen bij het onderzoek naar de invloed van de
maskergrootte bij de ablatie.
400 m 600 m
800 m 1000 m
Page 62
4.2.4 Grootte van het masker 54
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Snelheid
m / s
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 100 200 1000 rond 500
Rechts boven 10 100 200 600 rond 500
Midden en
onder links
10 100 150 1000 rond 500
Midden en
onder rechts
10 100 150 600 rond 500
Figuur 4.8 : Foto’s van de resultaten bekomen bij het onderzoek naar de invloed van de
maskergrootte bij de ablatie
1000 m 600 m
Tanslatie-
snelheid :
200 m
Tanslatie-
snelheid :
150 m
Tanslatie-
snelheid :
150 m
Page 63
4.2.5 Vorm van het masker 55
4.2.5 Vorm van het masker.
Doordat de laserbundel door het masker gaat alvorens te worden gefoccuseerd kunnen we
polymeren gebruiken als maskermaterialen zonder dat deze aangetast worden. Op die manier kan
men met laserablatie zelf maskerprofielen maken. Naast de ronde profielen die reeds uitvoerig in
vorig puntje werden besproken, bespreken we nu ook de vierkante en rechthoekige maskers.
Figuur 4.11 toont de beste resultaten na het zoeken van de optimale parameters voor elke vorm
van masker.
De eerste drie fotos zijn deze bij respectievelijk een rond (600 m), vierkant (600*600
m) en rechthoekig (600*6000 m) masker. Hierbij werd het rechthoekig masker dwars op de
vezel geprojecteerd: zie Figuur 4.9.
Figuur 4.9 : Richting van de translatie van de vezel ten opzichte van de projectie van het
rechthoekige masker.
We zien bij alle 3 de maskervormen gelijkaardige resultaten, dus we kunnen ervan
uitgaan dat we bij de optimalisatie niet echt moet verdergaan worden op de vorm van het masker.
Het is wel opmerkelijk dat bij het rechthoekige masker gelijkaardige resultaten bekomen worden,
aangezien bij dit masker een referentiepunt op de vezel gedurende een veel langere tijd pulsen
ontvangt tijdens de translatie. Toch is het mits enige aanpassing van de pulsfrequentie mogelijk
om dezelfde ablatie te bekomen.
De opmerkingen over de grotere maskers in puntje 4.2.4 zijn hier wel niet van toepassing.
Het gaat hier wel degelijk om een groter masker (600*6000 m), maar het volume dat
uiteindelijk wordt weggeableerd is hezelfde als dit het geval was bij een cirkelvormig masker met
diameter 600 m.
Wanneer we met hetzelfde rechthoekige masker en dezelfde ablatieparameters ableren,
maar met een andere positionering van de vezel t.o.v. het masker (zie Figuur 4.10), moeten we
Projectie van het masker POF-vezel
Page 64
4.2.5 Vorm van het masker 56
een veel groter volume wegableren (10 x groter : van 60 m breed naar 600 m breed). Het
resultaat hiervan ziet u als de 4e foto van Figuur 4.11 en ziet er zoals verwacht niet goed uit.
Figuur 4.10 : richting van de translatie van de vezel ten opzichte van de projectie van het
rechthoekige masker.
Ten slotte zien we als laatste 2 fotos in Figuur 4.11 een vergelijking tussen het
cirkelvormig en rechthoekig masker (rond : 600 m en vierkant 600*600 m), beiden met alle
andere parameters gelijk. Er zijn geen echte verschillen waar te nemen.
Page 65
4.2.5 Vorm van het masker 57
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Snelheid
m / s
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 100 150 600 rond 500
Rechts boven 10 150 150 600*600 vierkant 500
Midden links 10 20 150 600*6000 rechthoekig 500
Midden rechts 10 20 150 600*6000 rechthoekig 250
Links onder 10 100 150 600 rond 500
Rechts onder 10 100 150 600*600 vierkant 500
Figuur 4.11: Resultaten bekomen bij het onderzoek naar de invloed van de maskervorm bij de
ablatie.
rond vierkant
Rechthoekig, dwars over de vezel Rechthoekig, evenwijdig met de vezel
rond vierkant
Page 66
4.2.6 Dynamische / statische ablatie 58
4.2.6 Dynamische / statische ablatie
Al de experimenten besproken buiten dit puntje zijn dynamische ablaties waarbij de
laserbundel de gehele breedte van de vezel ableert door de translatietafel waar de vezel op
gemonteerd is, te verplaatsen aan een constante gecontroleerde snelheid. Met statische ablatie
wordt bedoeld dat er geen translatie plaatsvindt en dat de vezel ten opzichte van de laserbundel
steeds op dezelfde plaats blijft liggen gedurende de ablatie. Om dit te verwezenlijken wordt het
lange rechthoekige masker gebruikt (600*6000 m) dat dan dwars over de vezel wordt
geprojecteerd, zie Figuur 4.12 :
Figuur 4.12 : Positie van de laserbudel ten opzichte van de vezel.
Na demagnificatie is de laserbundel net niet breed genoeg om een vezel van 500 m te
klieven en voor deze experimenten wordt dan ook gebruik gemaakt van de vezel van 250 m
breedte. In Figuur 4.13 zijn de resultaten van de statische ablatie afgebeeld. De eerste 4 foto’s
tonen de resultaten bij oplopende pulsfrequenties (respectievelijk 2, 5, 20 en 50 Hz).We zien een
vrij vlak oppervlak met kleine putjes die ontstaan door opengebarsten gasbelletjes. Hier kunnen
we goed zien dat de hoeveelheid en grootte van de gaatjes afneemt naarmate de pulsfrequentie
daalt en het PMMA dus minder warmtecummulatie ondervindt.
Om toch een vergelijking te kunnen maken met dynamische ablatie werden enkele vezels
met een breedte van 500 m statisch gekliefd en daarna manueel afgebroken omdat zoals reeds
vermeld niet over de gehele breedte kan worden geableerd. De resultaten hiervan zijn te zien in
de onderste 2 foto’s van Figuur 4.13. Deze zien er vrij goed uit en zeker vergelijkbaar met de
resultaten van dynamische ablatie. Enige beperkende factoren zijn de maximale afmetingen van
de maskerhoudertjes en zodanig ook van de maskers. Mits een grotere laserbundel zou dit euvel
opgelost kunnen worden en biedt de statische ablatie heel goede mogelijkheden met het voordeel
dat er buiten de beginpositionering van de vezel geen translatie meer nodig is.
Page 67
4.2.6 Dynamische / statische ablatie 59
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Aantal
pulsen
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 2 150 600*6000 rechthoekig 250
Rechts boven 10 5 120 600*6000 rechthoekig 250
Midden links 10 20 120 600*6000 rechthoekig 250
Midden rechts 10 50 120 600*6000 rechthoekig 250
Links onder 10 10 500 600*6000 rechthoekig 500
Rechts onder 10 20 300 600*6000 rechthoekig 500
Figuur 4.13: Resultaten bij statische ablatie.
Vezel-
dikte:
250 m
20 Hz
Hz
20 Hz
10 Hz
50 Hz
Vezel-
dikte:
500 m
Vezel-
dikte:
250 m
2 Hz
5 Hz
Page 68
4.2.7 Ablatiehoek 60
4.2.7 Ablatiehoek
Tot nu toe werd er steeds loodrecht op de vezel geableerd, maar het is wel eens
interessant om te onderzoeken welke mogelijkheden er zijn om onder een bepaalde hoek te
ableren. In Figuur 4.14 staan bovenaan foto’s van een vezel gekliefd onder een hoek van
ongeveer 45 graden en toont dezelfde kwaliteit als eerder gevonden bij het loodrecht ableren. Bij
de onderste foto’s daarentegen, geableerd onder een kleine hoek, duiken er enkele probleempjes
op.
Zo kan men in de onderste foto links een lichte torsie van het oppervlak waarnemen wat zeker
een groot nadeel is. Deze torsie zou het gevolg kunnen zijn van een lichte verplaatsing van de
vezel tijdens de ablatie zelf. Bovendien is aan de uiteinden van het ovale oppervlak het te ableren
volume kleiner en zal daar de ablatie vlugger afgelopen zijn, waardoor de ablatie die daarna nog
volgt kan zorgen voor een diepere uitholling aan de uiteinden (zie ook puntje 4.4.1 van dit
hoofdstuk).
Een ander probleem is de gevoeligheid van scherpe kantjes zoals bovenaan in de 4e foto
(foto rechts onder). Er is duidelijk te zien hoe de cladding aan de bovenzijde voor
onregelmatigheden zorgt.
Page 69
4.2.7 Ablatiehoek 61
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Aantal
pulsen
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links en
rechts boven
10 100 150 600 rond 500
Links en
rechts onder
10 100 150 600 rond 500
Figuur 4.14: Resultaten bekomen bij het onderzoek naar de invloed van de ablatiehoek bij de
ablatie.
Page 70
4.2.8 Vezeldiameter 62
4.2.8 Vezeldiameter
Zoals reeds vermeld wordt er gewerkt met vezels met verschillende diameter (250, 500
en 750 m). Het ligt voor de hand dat elke vezeldikte een eigen stel optimale parameters zal
hebben. Passen we bijvoorbeeld de optimale parameters van een 500 m dikke vezel toe op
vezels van een andere diameter, dan krijgen we de bovenste 2 foto’s van Figuur 4.15 (250 m
links en 750 m rechts).
De reden waarom dezelfde parameters bij verschillende vezeldiameters andere resultaten
opleveren is dat er bij dikkere vezels veel meer translaties nodig zijn om de vezel te kunnen
klieven (zie Tabel 4.3).
Vezeldiameter ( m) Aantal translaties
250 4
500 9
750 24
Tabel 4.3 : Gemiddeld aantal translaties die nodig zijn om een POF-vezel te klieven in functie
van de vezeldiameter.
Een groter aantal translaties zorgt voor meer thermische schade aan het gedeelte van de
klief dat reeds geableerd is terwijl de ablatie van het overige gedeelte bezig is, daarom moeten de
ablatieparameters lichtjes aangepast worden om een vergelijkbare kwaliteit te bekomen voor het
eindfacet.
De onderste 2 foto’s van Figuur 4.15 tonen de optimale resultaten voor een vezeldiameter
van 250 m en 750 m. De parameters die hiervoor gebruikt werden, kan u terugvinden in de
tabel erboven.
Page 71
4.2.8 Vezeldiameter 63
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequenti
e
Hz
Aantal
pulsen
Grootte
masker
m
Vorm
masker
Dikte
vezel
m
Links boven 10 100 150 600 rond 250
Rechts boven 10 100 150 600 rond 750
Links onder 10 100 300 600 rond 250
Rechts onder 10 150 150 600 rond 750
Figuur 4.15: Resultaten bekomen bij het onderzoek naar de invloed van de ablatiehoek bij de
ablatie.
250 m
750 m
750 m
250 m
Page 72
4.2.9 Afzuiging debris 64
4.2.9 Afzuiging debris
Debris onstaat wanneer in de fume van de ablatie partikels voorkomen die te groot zijn
om in gasvorm afgevoerd te worden en dan terug neervallen op het geableerde gebied daarrond.
Dit is een zeer ongewenste factor bij het ablatieproces aangezien dat elke vorm van onzuiverheid
of oneffenheid de koppelverliezen in de hand werken. Bovendien zal verder aangetoond worden
dat ze deels de oorzaak kunnen zijn van de groeven die op het geableerde oppervlak te zien zijn.
Om dit debris in de mate van het mogelijke te vermijden wordt in de opstelling een zuigerpomp
voorzien die via een beweegbare arm met rechthoekig uiteinde (evenwijdig met de klief
geplaatst) voor afzuiging van de ablatie-fume kan zorgen, zeer dicht bij de plaats waar de ablatie
plaatsvindt. Zo werd in eerste instantie de opstelling van Figuur 4.16 gebruikt.
Figuur 4.16 : Opstelling van de arm van de zuigerpomp
We zuigen de fume weg in de richting van de translatiebeweging. De vraag is nu of men
er beter aan doet om enkel te ableren naar de zuigarm toe of net weg van de zuigarm. Een klein
vergelijkend experiment levert ons redelijk duidelijke informatie op. Hierbij bewegen we enkel in
één richting en doen we de omgekeerde translatie zonder te ableren. In Figuur 4.18 zien we de
resultaten hiervan : de bovenste 2 foto’s tonen experimenten met translatie weg van de zuigarm.
In Figuur 4.16 betekent dit naar beneden. Bij de middenste 2 foto’s werd naar de zuigarm toe
gekliefd. In Figuur 4.16 betekent dit naar boven. Er is in beide gevallen weinig debris te
bespeuren, maar op het gebied van oppervlakteruwheid behalen we de beste resultaten door naar
de zuigarm toe te ableren en in het terugkeren helemaal niet te ableren.
We kunnen nu de fume-extractie nog efficiënter maken door eerst de vezel te klieven op
de vorige manier en dan een laagje van ongeveer 30 m van het verkregen oppervlak weg te
ableren door de laser 30 m op te schuiven in de richting van de vezel. Figuur 4.17 verduidelijkt
Page 73
4.2.9 Afzuiging debris 65
deze werkwijze. Op die manier moet de debris niet uit een gleuf gezogen worden, maar kan hij
rechtstreeks van het geableerde oppervlak weggezogen worden.
Figuur 4.17: Schets van fume-afzuiging methode : boven : vezel wordt eerst gekliefd door
laserablatie en vervolgens onder : de laserbundel wordt 30 m verplaatst naar links en er wordt
opnieuw geableerd, maar dan met optimale fume-afzuiging.
Opnieuw wordt met dezelfde parameters als het experiment hierboven een vezel gekliefd
en bekeken onder de elektronenmicroscoop. De 2 onderste foto’s in Figuur 4.18 tonen het
resultaat hiervan. Nogmaals blijkt dat door een efficiëntere fume-afzuiging betere resultaten
worden geboekt waaruit blijkt dat de oorzaak van de groeven die steeds waargenomen worden
gedeeltelijk zou te wijten zijn aan het debris dat zorgt voor een niet-heterogene inwerking van het
laserbundel.
Om de laatste resten van debris te verwijderen en indien mogelijk de groeven af te
vlakken doet men er goed aan om na het klieven van de vezel nog gedurende enkele translaties te
blijven ableren. Dit werd ook toegepast bij de laatste foto van Figuur 4.18 .
Page 74
4.2.9 Afzuiging debris 66
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Aantal
pulsen
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 100 150 600 rond 500
Rechts boven 10 100 150 600 rond 500
Midden links 10 100 150 600 rond 500
Midden rechts 10 100 150 600 rond 500
Links onder 10 100 150 600 rond 500
Rechts onder 10 100 150 600 rond 500
Figuur 4.18: Resultaten bekomen bij het onderzoek naar de invloed van de fume-afzuiging tijdens
de ablatie.
Page 75
4.2.10 Type laser 67
4.2.10 Type laser
De werking van de verschillende beschikbare lasers werd reeds in Hoofdstuk 3 beproken.
Daaruit blijkt ook dat voor het klieven van polymere optische vezels het best gebruik wordt
gemaakt van de excimeerlaser. Alle tot nu uitgevoerde experimenten werden dan ook met de
excimeerlaser uitgevoerd.
De CO2 en YAG laser werden ook getest maar bij alle mogelijke instelbare parameters
werden gekliefde vezels bekomen die totaal niet het kwaliteitsniveau behaalden dat wel met de
excimeerlaser werd behaald. Het polymeer wordt nooit echt geableerd maar wordt in sterke mate
gesmolten zodanig dat het vezel-eindfacet sterk gezwollen is en niet meer kan gebruikt worden .
Het best bekomen resultaat werd met de YAG-laser gerealiseerd en wordt in Figuur 4.19
afgebeeld.
Figuur 4.19 : POF-vezel eindfacet geableerd met de YAG-laser (23 ADC, 20000 Hz, 150 m /s)
Page 76
4.3 Bewerken van het eindfacet 68
4.3 Bewerken van eindfacet
We kunnen nu door middel van laserablatie een vezel klieven met een eindfacet dat een
veel hogere kwaliteit behaald dan de bestaande methoden. De bestaande nabewerkingen op het
eindfacet zoals polijsten geven echter resultaten die er nog beter uitzien dan de tot hiertoe
bekomen resultaten met behulp van laserablatie. Daarom loont het zeker de moeite om de
mogelijkheden van eindfacetbewerking met laserablatie te onderzoeken, aangezien dit opnieuw
de voordelen (t.o.v. de bestaande bewerkingsmethoden) oplevert die we bij het klieven ook
hadden (geen fysisch contact, geen slijtage, enz..).
Om een poging te doen het eindfacet te vervlakken door laserablatie wordt de POF-vezel
vertikaal onder de laserbundel geplaatst. Om de vezel staande te houden, wordt deze bevestigt op
een SEM-houdertje, wat meteen nuttig is voor het achteraf bekijken van de sample met de SEM.
Figuur 4.20 visualiseert deze opstelling. Bovenop het SEM-houdertje wordt een klein stukje tape
gekleefd en alvorens op de vezel te ableren, wordt eerst eens op dit stukje tape geableerd om op
de juiste hoogte te kunnen focussen en voor er zeker van te zijn dat het camerabeeld en de plaats
van ablatie goed zijn gealigneerd. Met andere woorden, komt de bundel wel terecht waar we hem
willen. Dit is belangrijk aangezien we bij dit proces soms slechts één puls gebruiken en we willen
zeker zijn dat deze puls op het eindfacet terechtkomt.
Figuur 4.20 Opstelling voor het bewerken van het einfacet van een POF-vezel met behulp van
laserablatie
4.3.1 De excimeerlaser
We bekijken eerst de mogelijkheden van de excimeerlaser voor deze doeleiden en stellen
het vezel-eindfacet bloot aan enkele laserpulsen. In Figuur 4.21 is hiervan het resultaat te zien. De
laserbundel
POF-vezel
Tape
Proefablatie
voor
alignatie
SEM
houdertje
Page 77
4.3.1 Excimeer laser 69
vezels werden eerst gekliefd door laserablatie met de parameters vermeld in Tabel 4.4. De
bovenste 2 foto’s werden bekomen door gebruik te maken van een masker dat groot genoeg is
om het hele eindfacet te ableren en de onderste met een kleiner masker (diameter 1000 m) waar
we duidelijk de projectie van het ronde masker kunnen zien. Geen van deze 4 resultaten geeft het
beoogde resultaat. De 4e foto is bekomen door 1 puls met een energie van 2 mJ. Kleiner dan deze
energie werkt de excimeerlaser niet meer in zijn optimaal werkingsgebied en we kunnen dus
stellen dat de excimeerlaser niet geschikt is voor het bewerken van een PMMA vezeleindfacet.
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Translatiesnelheid
m /s
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
10 100 150 1000 rond 500
Tabel 4.4: Parameters van het ablatieproces voor het klieven van de vezels die gebruikt worden
voor het testen van de eindfacetbewerking met behulp van laserablatie.
4.3.2 CO2-laser
Bij de CO2-laser zijn er andere ablatieparameters dan bij de excimeerlaser, daarom een kleine
opsomming :
Attenuatie (graden) : in tegenstelling tot de excimeerlaser waar de pulsenergie elektronisch
werd ingegeven door middel van een speciale controle-eenheid, moet dit bij de CO2-laser
manueel via een attenuator gebeuren, wat minder correct is. Bovendien staat de attenuator
nogal ongelukkig opgesteld waardoor men met het oog niet helemaal vóór de schaal kan gaan
staan. Om onjuistheden op dit gebied te vermijden wordt de attenuatie steeds op de maximale
hoek gezet, nl. 80 graden. Uit proeven bij een kleinere attenuatiehoek blijkt echter dat de
beste resultaten voorkomen bij een maximale attenuatie, waardoor dit euvel geen invloed
heeft op de optimalisatie van dit proces.
Demagnificatie : We beschikken over 3 demagnificatielenzen die we manueel kunnen
vervangen.
Ze hebben allen een verschillende demagnificatie (Lens 1: 11.41 ; Lens 2: 4.56 ; Lens 3:
2.55).
Aantal pulsen : Het aantal pulsen die op het eindfacet wordt losgelaten.
Page 78
4.3.1 Excimeer laser 70
Pulsenergie
mJ
Aantal
pulsen
Grootte masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 10 open rond 500
Rechts boven 5 1 open rond 500
Links onder 4 1 1000 rond 500
Rechts onder 2 1 1000 rond 500
Figuur 4.21: Eindfacetten na bewerking met de excimeerlaser.
Masker ( m): De vorm van het masker heeft geen belang zolang de projectie van het masker
maar het volledige eindfacet beslaat. Daarom gebruiken we steeds een rond masker met een
diameter die voldoende groot is. Soms gebruiken we een iets te klein masker om slechts een
gedeelte van het oppervlak te ableren om een vergelijking te kunnen maken tussen het
geableerde en het niet-geableerde gedeelte.
Page 79
4.3.2 CO2-laser 71
De vezels werden eerst doorgekliefd met dezelfde parameters als bij vorig puntje, zie tabel
4.4. Vervolgens werden ze vertikaal gemonteerd en met verschillende parameter-sets bewerkt.
Figuur 4.22 geeft deze parameter-sets samen met de bekomen resultaten. Hieruit kunnen we
afleiden dat lens 1 en lens 2 een te grote demagnificatie hebben waardoor de energiedichtheid van
de puls te hoog is. Met lens 3 is dit niet meer het geval. De pulsfrequentie heeft ook een invloed
op de smelting: hoe hoger deze is, hoe groter de smelting. Zo zien we bijvoorbeeld in de 4e foto
dat 50 Hz te veel is. Nu blijft enkel de parameter van het aantal pulsen nog over. Wanneer we
minder dan 5 pulsen gebruiken zoals in de 2 onderste foto’s krijgen we de lichte smelting en
uitvlakking van oneffenheden die we beoogd hadden. We kunnen dan zelf de mate van smelting
kiezen door het aantal pulsen te wijzigen : 5 pulsen zorgen voor een over-all smelting zonder
vorming van gasbelletjes en zonder dat de vezel op het uiteinde breder wordt, wat bijvoorbeeld in
de 3e foto wel duidelijk te zien is; 3 pulsen zorgen voor een veel kleinere smelting die dan ook
een kleinere vervlakking van het oppervlak geeft ; bij 1 of 2 pulsen is de smelting al moeilijker te
zien maar ze is er wel degelijk.
Dit experiment is vele malen uitgevoerd en op verschillende oppervlakken met een
verschillende ruwheid en het blijkt dat de conclusies die hier werden genomen, zeer betrouwbaar
zijn en het procédé goed reproduceerbaar is.
Om een idee te krijgen van het effect van deze bewerkingstechniek , klieven we 3 vezels op
een verchillende manier (met verschillende parameterset ) en vergelijken we de oorspronkelijk
gekliefde vezel met diezelfde vezel na bewerking met de CO2-laser. De parameters waarmee de
vezels eerst werden gekliefd staan in de tabel van Figuur 4.23. De parameters van de CO2
bewerking staan in Tabel 4.5
Attenuatie
graden
Demagnificatie Aantal
pulsen
Grootte
masker
m
Vorm
masker
m
Dikte
vezel
m
Puls-
Frequentie
Hz
CO2-laser 80 Lens3 : 2.55 5 3000 rond 500 10
Tabel 4.5: Parameters bij de eindfacetbewerking met de CO2-laser in Figuur 4.23.
Page 80
4.3.2 CO2-laser 72
Attenuatie
graden
Demagnificatie Aantal
pulsen
Grootte
masker
m
Vorm
masker
m
Dikte
vezel
m
Puls-
Frequentie
Hz
Links boven 80 Lens1 : 11.41 1 open rond 500 -
Rechts boven 80 Lens2 : 4.56 1 3000 rond 500 -
Midden links 45 Lens2 : 4.56 1 open rond 500 -
Midden rechts 80 Lens3 : 2.55 10 1000 rond 500 50
Links onder 80 Lens3 : 2.55 5 2000 rond 500 10
Rechts onder 80 Lens3 : 2.55 3 2000 rond 500 10
Figuur 4.22: Eindfacetten na bewerking met de de CO2-laser.
Lens 1 Lens 2
Lens 2
Lens 3
Lens 3
Lens 3
10 pulsen
50 Hz
3 pulsen
10 Hz
5 pulsen
10 Hz
Page 81
4.3.2 CO2-laser 73
In Figuur 4.23 staan de drie vezels onder elkaar, met links de oorspronkelijk facetten en
rechts de met de CO2-laser bewerkte facetten. Hierbij moeten we opmerken dat er bij smelting
van het oppervlak een lichte golving aan de buitenzijde zichtbaar is ten gevolge van de
oppervlaktespanning van materialen in vloeibare toestand. Wanneer we een vlak oppervlak willen
bewerken zoals de eerste vezel van Figuur 4.23, doen we er beter aan om minder pulsen te
gebruiken en slechts een oppervlakkige smelting door te voeren. Op die manier is de golving veel
minder of helemaal niet aanwezig en worden de laatste groefjes, putjes en dedris toch afgevlakt.
Bij de 2e en de 3
e vezel werd opzettelijk gekozen voor facetten met putjes. We kunnen
duidelijk zien dat deze putjes worden toegesmolten met de CO2-laserbewerking. In dit geval is
het gebruik van de CO2 laser dus zeker aangewezen.
Gaan we er echter van uit dat we te maken hebben met een reeds mooi gekliefd
oppervlak, dan moeten we ons wel de vraag stellen of een licht gesmolten oppervlak minder
koppelverliezen veroorzaakt dan een niet gesmolten oppervlak. Bij de optimalisatie van de
laserablatie bij het termineren van POF-vezels was het de bedoeling om de groeven te vermijden
omdat deze duidelijk meer koppelverliezen tot gevolg hebben. Maar eens we het facet vlak
genoeg krijgen is het de vraag of we de voorkeur moeten geven aan een geableerd oppervlak met
geringe ruwheid of een gesmolten oppervlak met iets minder ruwheid. Smelting kan anisotropie
veroorzaken van het materiaal aan het eindfacet.
Om na te gaan wat nu het nadeligste is (kleine ruwheid of lichte smelting) zullen we
metingen moeten verrichten op het gebied van propagatieverliezen, koppelingsverliezen en
directiviteit van het licht dat moet getransporteed worden door de vezel. Hiervoor is een optische
karakterisatie van de koppelingsverliezen noodzakelijk.
Om de vervlakking die de CO2-laser doorvoert te karakteristieken, worden de 3 samples
van Figuur 4.23 onder de WYKO gelegd om de gemiddelde ruwheid, de rms-ruwheid en de peak-
to-peak-waarden van het oppervlak te meten. Het principe van de WYKO werd besproken in
Hoofdstuk 3 puntje 3.6.
Tabel 4.6 vergelijkt voor elk van de 3 samples de ruwheidskarakteristieken vóór en ná de
CO2-laser behandeling. (Ter verduidelijking : het gaat hier over de 3 samples uit Figuur 4.23 in de
volgorde van boven naar onder, bovenste sample is het eerste, enz..). Bij elk sample werden 2
metingen gedaan : over de gehele doorsnede van de vezel en over een stukje dat steeds in het
midden van de vezel werd gekozen. Op die manier kan men een goede vergelijking maken. De
laatste kolom geeft het procentueel verschil dat wordt bekomen.
Page 82
4.3.2 CO2-laser 74
Figuur 4.24 bovenaan toont het reliëf-diagram dat werd opgemeten door de WYKO. De
rangschikking is links het eerste sample, in het midden het tweede en rechts het derde sample.
Bovenaan zijn de oorspronkelijk geableerde samples en onderaan dezelfde, maar dan bewerkt met
de CO2-laser.
Figuur 4.24 onderaan toont dezelfde resultaten maar dan steeds na inzooming op het
midden van het vezeleindfacet.
Sample 1 : De gemiddelde ruwheid over de gehele doorsnede blijkt met 11 % te zijn
toegenomen. Dit is het gevolg van de lichte golving in het oppervlak ten gevolge van
de smelting die reeds eerder werd aangehaald. Het eerste sample had reeds een mooi
glad oppervlak, maar we zien toch dat de rms-waarde van de ruwheid met 5 % kan
teruggebracht worden door nabehandeling. We zitten dus met twee tegenstrijdige
ruwheidsveranderingen en het ligt niet voor de hand of de gemiddelde- of de rms-
waarde de “voorkeur” geniet. Indien men liever de rms-ruwheid wil doen dalen ten
nadele van de gemiddelde ruwheid, is het aangewezen de CO2-laserbehandeling door
te voeren. Is het verlies aan rms-ruwheid daarentegen ondergeschikt aan de winst aan
gemiddelde ruwheid, laat men beter de nabehandeling achterwege.
De peak-to-peak waarden kennen een enorme daling doordat de groeven vervlakken
door de smelting. Zoals verwacht zijn de peak-to-peak waarden bij het eerste sample
kleiner dan bij de andere 2 wanneer we inzoomen. Dit is niet het geval bij de gehele
doorsnede. Er moet wel gezegd worden dat de peak-to-peak waarde over de gehele
doorsnede weinig informatie bevat over de ruwheid aangezien de claddinglaag steeds
voor grille vormen zorgt aan de buitenzijde van de vezel en een klein uitstekend
stukje kan de peak-to-peak waarde de hoogte insturen.
Sample 2 en 3 : We zien dat over de gehele doorsnede de ruwheid wordt verminderd,
maar vergeleken met sample 1 zien we vooral dat er een opmerkelijke grotere
reductie van de ruwheid is, wanneer we inzoomen. Dit komt omdat de putjes lokaal
een veel groter aandeel in de ruwheid hebben dan wanneer we de volledige
doorsnede beschouwen. Het is juist het toesmelten van die gaatjes dat ervoor zorgt
dat zowel de rms-ruwheid als de peak-to-peak waarde sterk afneemt.
De nabehandeling van oppervlakken die nog veel oneffenheden hebben is dus ten
sterkste aangewezen.
Page 83
4.3.2 CO2-laser 75
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Translatiesn
elheid
m /s
Grootte
masker
m
Vorm
masker
Dikte vezel
m
Links boven 10 150 50 600*600 vierkant 500
Rechts boven 10 150 50 600*600 vierkant 500
Midden links 10 100 10 600*600 vierkant 500
Midden rechts 10 100 10 600*600 vierkant 500
Links onder 10 300 400 600*600 vierkant 500
Rechts onder 10 300 400 600*6 00 vierkant 500
Figuur 4.23: Vergelijking van vezeleindfacetten vóór en ná de CO2-laserbehandeling.
VOOR NA
Page 84
4.3.2 CO2-laser 76
1e sample : over de gehele doorsnede
Oorspronkelijk sample Sample na CO2-laser %
Gemiddelde ruwheid ( m) 1.58 1.76 +11
Rms ruwheid ( m) 2.27 2.15 -5
Peak-to-peak afstand ( m) 38.39 19.03 -50
1e sample : ingezoomd op het midden van de vezel
Oorspronkelijk sample Sample na CO2-laser
Gemiddelde ruwheid ( m) 0.425 0.392 -8
Rms ruwheid ( m) 0.537 0.508 -5
Peak-to-peak afstand ( m) 5.9 4.56 -23
2e sample : over de gehele doorsnede
Oorspronkelijk sample Sample na CO2-laser
Gemiddelde ruwheid ( m) 1.46 1.41 -3
Rms ruwheid ( m) 1.95 1.84 -6
Peak-to-peak afstand ( m) 24.65 19.21 -22
2e sample : ingezoomd op het midden van de vezel
Oorspronkelijk sample Sample na CO2-laser
Gemiddelde ruwheid ( m) 0.453 0.335 -26
Rms ruwheid ( m) 0.586 0.413 -30
Peak-to-peak afstand ( m) 7.70 4.47 -42
3e sample : over de gehele doorsnede
Oorspronkelijk sample Sample na CO2-laser
Gemiddelde ruwheid ( m) 1.55 1.47 -5
Rms ruwheid ( m) 1.96 1.79 -9
Peak-to-peak afstand ( m) 25.90 20.31 -22
3e sample : ingezoomd op het midden van de vezel
Oorspronkelijk sample Sample na CO2-laser
Gemiddelde ruwheid ( m) 0.517 0.415 -20
Rms ruwheid ( m) 0.647 0.567 -12
Peak-to-peak afstand ( m) 8.37 9.04 +8
Tabel 4.6: Resultaten van ruwheidsmetingen (met WYKO) bij 3 verschillende vezelfacetten en 2
verschillende vergrotingen.
Bij de peak-to-peak waarde voor het 3e sample zien we dat de er een stijging is bij
inzooming. Waarschijnlijk gaat het hier om een groef die niet ontstaan is tijdens de ablatie zelf
aangezien ze loodrecht op de invallende laserbundel staat en dit bij geen enkele andere proef
reeds is voorgevallen. Aangezien bij die vergroting de meting hier extra gevoelig voor is,
bekomen we een niet-representatieve waarde.
Page 85
4.3.2 CO2-laser 77
Figuur 4.24: Reliëfprofielen van verschillende eindfacetten vóór en ná de CO2-laser behandeling,
gemeten door het WYKO-toestel.
Ingezoomd op het midden van het vezeleindfacet
VOOR
NA
Volledige vezeleindfacet
VOOR
NA
Page 86
4.3.2 CO2-laser 78
Page 87
4.4 Eigenschappen eindfacet 78
4.4 Eigenschappen eindfacet
4.4.1 Het lens-effect.
Metingen met het WYKO-toestel (beschrijving zie Hoofdstuk 3) tonen aan dat het
eindfacet een buiging vertoont over het hele oppervlak als een lens. Figuur 4.25 bovenaan toont
het oppervlakteprofiel van de vezel dwars op de richting van de laserbundel waarmee de vezel
werd gekliefd. Er wordt een maximaal verschil gemeten van ongeveer 5 m, wat zeer
verontrustend is. Er rest ons dus de vraag of bij koppeling deze lichte bolling van het oppervlak
een nadeel of net een voordeel is. Bij koppeling worden de vezels tegen elkaar gedrukt en het is
de vraag of de 5 m protrusie niet te veel is.
De reden voor dit lenseffect is dat aan de buitenzijden evenveel geableerd wordt dan aan
de binnenzijde terwijl er aan de buitenzijde juist een minder groot volume aan materiaal is om te
ableren. Daarom is de vezel aan de buitenzijde sneller doorgeableerd dan aan de binnenzijde.
Vanaf het moment dat de buitenzijde doorgeableerd is, zorgen de verdere laserpulsen voor het
verder wegableren van het materiaal aan de binnenzijde , maar aan de buitenzijde voor het
verbreden van de gleuf die reeds geableerd werd. Hierdoor zal de gleuf (de ruimte die is
weggeableerd) aan de buitenzijde breder zijn . Een manier om dit tegen te gaan is een gestuurde
ablatie die ervoor zorgt dat er enkel nog wordt geableerd op plaatsen waar de laserpulsen nog niet
door de hele dikte van de vezel zijn geraakt. Een andere manier is een gedistribueerde
translatiesnelheid te gebruiken waarbij op de buitenste gedeeltes een grotere translatiesnelheid
wordt ingesteld, die dan gradueel afneemt naarmate men dichter naar het midden van de vezel
gaat.
Figuur 4.25 onderaan geeft ook een buiging aan in de richting van de invallende
laserbundel. Deze buiging is analoog aan die dwars op de laserbundel, maar kleiner (ongeveer 1.6
m). Waar de laserbundel binnenvalt, nl. bovenaan de vezel, zullen er meer pulsen langsgeweest
zijn dan onderaan, waar pas op het einde van het klieven laserpulsen toekomen. Dit verklaart dat
bovenaan de gleuf iets breder is . Onderaan daarentegen wordt de gleuf ook breder, zoals te zien
is op het profiel. De reden hiertoe is nog onduidelijk.
Page 88
4.4.1 Het lens-effect 79
Figuur 4.25: Profielmetingen met het WYKO-toestel bij een doorsnede dwars op de invallende
laserbundel (bovenaan) en evenwijdig ermee (onderaan).
4.4.2 Groeven
Bij elke vezel die tot dusver door laserablatie werd gekliefd zijn er op het eindfacet
groeven zichtbaar. Deze groeven lopen in de richting van de invallende laserbundel en worden
het diepst aan het uiteinde waar de laserbundel uit de vezel komt (onderaan, laserbundel valt
bovenaan in). Om het proces dat hiertoe aanleiding geeft beter te begrijpen, moeten we eens
kijken hoe de ablatie nu juist verloopt.
Door eerst de vezel te klieven en daarna de laserbundel 30 m op te schuiven ( zoals
besproken in puntje 4.2.9 van dit hoofdstuk ) kan men op het scherm het ablatieproces
rechtstreeks volgen. Er was duidelijk te zien dat de ablatie in “snokken ” gebeurde en niet
geleidelijk aan zoals men verwacht bij de ablatie van een homogeen materiaal. Beschouw Figuur
4.26 voor een verduidelijking, waarbij het witte gedeelte reeds geableerd werd. Van links boven
naar rechts onder wordt het ablatieproces gevisualiseerd in discrete stappen, net zoals het in het
Page 89
4.4.2 Groeven 80
echt met discrete stappen verloopt, terwijl men eigenlijk een continu verloop zoals in Figuur 4.27.
zou verwachten.
Figuur 4.26: Visualisatie van het ablatieverloop bij het klieven van een POF-vezel.
Figuur 4.27: Visualisatie van het verwachtte ablatieverloop bij het klieven van een POF-vezel.
We kunnen dus stellen dat de groeven het gevolg zijn van deze discrete tijdsstappen
aangezien die al bij de aanvang van de ablatie ontstaan. Wanneer nu meerdere translaties worden
uitgevoerd, dan wordt dit patroon verder gezet : op plaatsen waar de rug van een groef is, zal er
tijdens een puls minder diep kunnen geableerd kunnen worden dan op plaatsen waar er het dal is
van een groef. Om die reden zijn de groeven tot helemaal onderaan de vezel te zien. Ze worden
naar onder toe zelfs nog dieper. Dit komt om de net aangehaalde reden, maar ook door het feit dat
het debris dat uit het dal van de groeven komt, zich afzet op de rug van de groeven. Dit kunnen
we duidelijk zien op Figuur 4.28 waar het debris zich ophoopt op de ruggen van de groeven en er
daardoor voor zorgt dat de ablatie van de rug van de groef nog meer werd afgeremd. Bovendien
werden met een beter fume-afzuiging kleinere groeven waargenomen.
Op die manier wordt bij elke translatie en dus hoe dieper we in de vezel ableren de groef steeds
iets dieper.
De hamvraag is nu wat de reden van dit discrete proces is. Onregelmatigheden met de
cladding zijn niet de oorzaak : er werd meermaals geableerd na eerst de claddinglaag verwijderd
te hebben en toch traden er nog groeven op. Er moet dus iets fundamenteel in het ablatieproces
Page 90
4.4.2 Groeven 81
plaatsvinden dat ervoor zorgt dat het ableren dan eens heel snel en dan eens veel trager verloopt.
Figuur 2.3 uit Hoofdstuk 2 toonde ook al aan dat er bij PMMA een grotere ruwheid werd
vastgesteld dan bij andere polymeren, met andere woorden is het eigen aan PMMA dat er op de
één plaats dieper wordt geableerd dan op een andere plaats.
Figuur 4.28: Close-up foto van groeven met debris op de rug van de groeven.
Gaan we nu eens het ablatieproces halverwege onderbreken en naar het ablatiefront
kijken met de elektronenmicroscoop dan krijgen we de foto’s in Figuur 4.29 : hierin zijn talrijke
gasbelletjes te zien die ontstaan in het volume dat geableerd wordt. Deze gesbelletjes kunnen
voor een niet homogene ablatiediepte zorgen. Op plaatsen waar een groot gasbelletjes ontstaat,
zal er minder materiaal aanwezig zijn dat moet verdampen of dissociëren en zal de ablatie ter
plekke van het gasbelletjes dieper zijn dan elders (zie figuur 4.30). Het gaat dan wel over de
gasbelletjes die zich het dichtst tegen de kant van het overblijvende facet bevinden, aangezien het
probleem van de groeven zich daar afspeelt. De gasbelletjes zijn niet-homogeen verdeeld en dit
kan het grillige verloop van de ablatiediepte verklaren.
Figuur 4.29: Foto’s van het ablatiefront genomen na het onderbreken van de ablatie.
Page 91
4.4.3 Halve maan 82
Figuur 4.30: Schtes van de invloed van gasbelletjes op de groeven tijdens het ableren.
Onregelmatigheden in de pulsenergie zouden voor onregelmatigheden in de ablatiediepte
kunnen zorgen, maar dan zouden bij een grotere translatiesnelheid de groeven verder uit elkaar
moeten liggen, wat niet geval is en we er kunnen van uitgaan dat dit niet te reden kan zijn. Stel
bijvoorbeeld dat de pulsenergie een sinuosidaal verloop zou hebben, dan zouden bij een grotere
translatiesnelheid de sinuspieken verder uit elkaar liggen.
We kunnen dus besluiten dat de groeven initieel ontstaan door een gasbelletje of debris-
deeltje en dat eens de groeven zijn geïnitialiseerd, er een sneeuwbaleffect voor zorgt dat de
groeven over de hele breedte van de vezel in stand worden gehouden en zelf meer uitgesproken
worden. Meer debris zorgt voor een groter sneeuwbaleffect zoals hierboven aangetoond (debris
op de rug van de groef).
4.4.3 Halve maan
Bij vele experimenten is er bij de groeven een halve maan vormig patroon terug te
vinden, zie ook op de linkse foto van Figuur 4.31. De reden hiervoor is al enkele malen
aangehaald in het voorgaande : doordat de zijkanten van de vezel minder dik zijn dan het midden
van de vezel, zullen deze zijkanten sneller doorgeableerd zijn. Wanneer we één translatie
uitvoeren dan krijgen we de rechtse foto van Figuur 4.31, waarop we duidelijk de halve maan
zien. Zo zal voor het middenstuk nog enkele translaties nodig zijn, waarbij de zijkanten geen
Laserbundel verplaatst
zich naar rechts
Gasbelletje
Groef
Page 92
4.4.4 Debris 83
neerwaartse ablatie meer ondervinden en het gebied dat tijdens deze laatste translaties nog moet
geableerd worden zal dus een licht verschillende structuur vertonen.
Figuur 4.31: Links: een voorbeeld van het halve maan verschijnsel, rechts:een vezelfacet na
ablatie met 1 translatiebeweging.
4.4.4 Debris
Wanneer bij de dissociatie die tijdens het ablatieproces plaatsvindt, partikels gevormd
worden die te groot zijn om in gasvorm te worden weggezogen, nestelen zij zich neer op het
geableerde oppervlak of errond. Dit heeft natuurlijk een nadelige invloed op de
oppervlakteruwheid en dient dus zo goed mogelijk vermeden te worden. In puntje 4.2.9 van dit
hoofdstuk werd het fume-afzuigsysteem geoptimaliseerd om zo efficiënt mogelijk het debris uit
de fume van de ablatie weg te zuigen.
Bovendien werd in puntje 4.2.4 aangetoond dat een kleiner masker voor minder debris op
het eindfacet zorgt. Rekening houdend met deze ondervindingen kan het uiteindelijke debris sterk
gereduceerd worden. Wel dient men de vezel na het klieven in een stofvrije omgeving te houden
om het afzetten van partikels uit de lucht op het vezelfacet tegen te gaan.
Een gedeelte van de debris wordt ook afgezet op de buitenzijde van de POF-vezels, naast de gleuf
waar geableerd wordt. Figuur 4.32 toont dit. Dit debris kan bij verdere behandeling of montage
van de vezel heel storend zijn, wanneer we bijvoorbeeld met vezels werken die moeten worden
ingebed in geableerde groeven zoals besproken in Hoofdstuk 1 ( puntje 1.3.3 ). Hierbij is de
Page 93
4.5 Inwerking op een ferrule 84
alignatie van de vezels in de groeven van doorslaggevend belang. Men kan dit probleem oplossen
door de vezel te bedekken met een laagje fotolak en na ablatie door ontwikkeling dit laagje en dus
ook de debris te verwijderen.
Figuur 4.32: Close-up foto van een gleuf die werd weggeableerd en het debris dat zich aan de
rand afzet.
4.5 Inwerking op een ferrule.
Bij paralelle optische meer-kanaalsconnectoren worden de POF-vezels in een matrix
gealigneerd en daarna getermineerd. In Hoofdstuk 1 puntje 1.3.3 werden de voordelen aangehaald
van het termineren door laserablatie. Natuurlijk moet dan onderzocht worden of de ferrule
(connector waarin de vezelmatrix is opgenomen) zelf niet wordt aangetast door de laserablatie.
Meer en meer worden speciaal ontwikkelde polymere materialen gebruikt voor het aanmaken van
ferrules vanwege de goedkopere materiaal- en fabricagekost, terwijl de klassieke ferrules uit
keramieke materialen gemaakt zijn. Keramieke materialen zullen minder aangetast worden
tijdens de ablatie maar bij polymere materialen moet daar toch extra aandacht aan gegeven
worden.
Ook bij de alignatiemethoden ontwikkeld in het doctoraat van Dr. Ir. An Van Hove
(“Terminatie- en interconnectietechnologie voor paralelle opto-elektronische systemen”) is de
vezelmatrix ingebed in polymeer materiaal.
Bij de ablatieparameters die gangbaar waren bij de uitgevoerde kliefexperimenten zullen we nu
een ferrule blootstellen aan een laserbundel die gedeeltelijk op en gedeeltelijk langs de ferrule
terechtkomt. Figuur 4.33 illustreert dit.
Page 94
4.5 Inwerking op een ferrule 85
Figuur 4.33: Zijaanzicht van de invallende laserbundel op de ferrule.
Figuur 4.34 geeft het resultaat weer. De ablatieparameters die hierbij gebruikt werden
vindt u terug in Tabel 4.7. De volgorde in tabel 4.7 (van boven naar onder) is dezelfde als in
Figuur 4.34 (van links naar rechts). We zien dat de ferrule wel degelijk wordt aangetast door de
ablatie. Dit zal de alignatie van de POF-matrix niet echt in de weg staan, maar in sommige
toepassingen zal men er toch rekening moeten mee houden. Bovendien zorgt de ablatie van de
ferrule voor extra debris die op het vezeleindfacet terecht zou kunnen komen.
Pulsenergie
mJ
Pulsfrequentie
Hz
Translatiesnelheid
m /s
Grootte masker
m
Vorm
masker
Aantal
Translaties
10 100 200 1000 Rond 20
10 100 200 1000 Rond 20
10 300 50 1000 Rond 5
10 100 50 1000 Rond 5
Tabel 4.7: De ablatieparameters gebruikt bij het ableren van de ferrule uit Figuur 4.34.
Figuur 4.34: Ferrule na inwerking van een laserbundel met verschillende parameters.
Page 95
4.6 Besluiten 86
4.6 Besluiten
Wat het klieven van POF-vezels betreft kunnen we stellen dat de kwaliteit van het
eindfacet veel hoger is dan met de bestaande terminatiemethoden (cold en hot knife). Wanneer
we echter kijken naar eindfacetten bekomen door hot plate en polijsten dan zijn deze toch nog iets
beter. Laserablatie heeft echter enkele belangrijke voordelen (zie Hoofdstuk 1 puntje 1.4.3) en in
sommige toepassingen waar deze voordelen vereist zijn, kan men vanaf nu dus de voorkeur geven
aan laserablatie gezien het kwaliteitsverlies ten opzichte van bestaande
eindfacetbewerkingsmethoden gering is.
Door optimalisatie van de ablatieparameters kunnen de onzuiverheden aan het eindfacet,
waarvan groeven, putjes en debris de belangrijkste zijn, geminimaliseerd worden en kunnen we
zelf een mate van smelting invoeren door het aanpassen van de pulsenergie en pulsfrequentie. Om
de groeven te minimaliseren moet het masker en dus de invallende laserbundel klein genoeg zijn
en moet de fume-afzuiging optimaal zijn. Zo bekomen we een lokale rms ruwheid van 500 nm
(nanometer) en groeven van 4.5 m diep (peak-to-peak).
De tijd om een vezel door te klieven variëert van 5 seconden voor dunne vezels en 2
minuten voor dikke vezels. Deze tijd kan gereduceerd worden door verhoging van de pulsenergie
of pulsenergie of vergroting van het masker, dit steeds met een verlaging van de
eindfacetkwaliteit weliswaar.
De resultaten werden bekomen door translatiebewegingen van de vezel, maar statische
ablatie is voor kleine vezeldiameters (<500 m) ook geschikt als kliefmethode en levert
gelijkaardige ruwheden op.
Het volgende onderzoek dat in de lijn van deze thesis zou kunnen gevoerd worden, is de
optische karakterisatie om na te gaan of een lichte smelting van het eindfacet al dan niet voor
verlaagde koppelverliezen zorgt. Bovendien kan dan nagegaan worden of het lens-effect bij
koppeling een voordeel, dan wel een nadeel is.
Het nabewerken van het eindfacet door loodrechte ablatie met de CO2-laser zorgt voor
een daling van de rms-ruwheid al naar gelang de oorspronkelijke ruwheid van het eindfacet. De
resultaten die hiermee bekomen werden zijn wél vergelijkbaar met die van hot plate en polijsten.
Bovendien is dit proces heel goed regelbaar door het aantal pulsen die men loslaat op het
eindfacet.
Alle resultaten bekomen bij zowel klieven als nabewerken zijn vrij goed reproduceerbaar zolang
men maar met exact dezelfde ablatieparameters werkt
Page 96
BESLUIT 87
Hoofdstuk 5
Besluit
Laserablatie voor het klieven en bewerken van polymere optische vezels heeft meer voordelen
dan de huidige methodes en levert bovendien een vergelijkbare kwaliteisniveau.
Wegens de goede regelbaarheid, reproduceerbaarheid en automatiseerbaarheid van het
ablatieproces is dit de aangewezen methode om POF vezels in de toekomst te klieven.
Het is echter een vrij kostelijke methode en dient dus vooral gebruikt te worden wanneer hoge
eisen worden gesteld aan facetkwaliteit, automatisatie van het kliefproces en de duur van het hele
kliefproces. Eens de optimale ablatieparameters zijn ingesteld is het enkel nog een kwestie van
het positioneren van de laserbundel, wat zeer snel en precies kan gebeuren.
Om laserablatie voor het klieven van POF-vezels volledig op punt te stellen is wel nog een
grondige studie van de optische eigenschappen van het eindfacet vereist.