Optická vlákna metody přípravy a použití pro vláknové senzory, zesilovače a lasery Ústav fotoniky a elektroniky AVČR, v.v.i. www.ufe.cz/dpt240, www.ufe.cz/~kasik
Optická vláknametody přípravy a použití pro vláknové senzory,
zesilovače a lasery
Ústav fotoniky a elektroniky AVČR, v.v.i.
www.ufe.cz/dpt240, www.ufe.cz/~kasik
Ústav fotoniky a elektroniky AVČR
ZÁKLADNÍ VÝZKUM
Optické biosensory (SPR Homola)
Vláknové lasery a nelineární optika (Honzátko)
Nanomateriály (SIMS Lorinčík)
Bioelectrodynamika (Cifra)
Státní etalon času a frekvence (Kuna)
Optická vlákna ...
Hlavní sídlo : Praha 8, Kobylisy
Fotonika
Optická vlákna ...
FOTONIKA = věda zabývající se vlastnostmi a využitím fotonůFOTON = elementární kvantum energie EMN záření
λλλλ
c = 299 792 458 m/s
Optika :kvantová (foton)fyzikální (vlna)geometrická (paprsky)
f = c / λλλλ
Proč optické komunikace ?
Optická vlákna ...
Kosmickézáření
γ X UV VIS IR Mikrovlny TV Radio
Frekvence [ ]Hz
10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-3 1 10 10
2 103
1022 1020 1018 1016 1015 1011 108 106
103 1021 MHz 1 kHz
f = c / λ
400 450 500 550 650600 750700 800
λ/nm
Elektricképole
Vlnová délka [ ]m
Spektrum - transmise
Optická vlákna ...
200 300 400 500 600 7001000 2000 3000 40000
20
40
60
80
100
absorpceTloušťka vrstvy 1cm
VIS Suprasil 300 Infrasil Optické sklo BK 7 Tabulové sklo
Pro
pust
nost
[%]
Rozklad Skládání
Optická vlákna ...
Spektrum - optické ztráty
600 800 1000 1200 1400 1600
1
10
100
1000 PCS prvni generace GI-telekomunikacni SM-telekomunikacni Plastova-polystyren
OH-
10-10
0,01
0,1
0,316
0,794
Pre
nese
ny o
ptic
ky v
ykon
Utlu
m [d
B/k
m]
Vlnova delka [nm]
α (λ) = -(10/L) . log (Poutput/Pinput) [dB/km]
Optická vlákna ...
Princip - totální odraz
n2< n1
αD
αO
αL=90°
n1
αO= αD
sinαD n1sin 90° n2
=
sinααααC = n1 / n2
sinαD n1sin αL n2
=
=αC
Zákon odrazu, lomuW. Snell (1620) : totální odraz
Optická vlákna ...
Vlnovodný princip - optické vlákno
n2
n1
1Vakuum
1,0003Vzduch
1,330Voda
1,457Křemenné sklo
Index lomu (n=c/v)
J. Tyndall (1853)
n1 > n2
Optické vlákno : dielektrická struktura, L>> r, njádro > nobal
Optická vlákna ...
Podmínka : čistota materiálu (↓ztráty)
Útlum optických vláken- nejlepší vlákna 0.2 dB/km ~ po 1 km se ztratí jen 5% výkonu- 3 mm okenního skla odpovídají cca 2 km optického vlákna
Nobelova cena2009
Charles K. Kaovelmi čisté materiály
FO Optipurmax obsah nečistot v
řádu ppb = 10-9
ČISTÉ TECHNOLOGIE
Příprava optických vláken
Optická vlákna ....
MCVD
2. Tažení
1. Preforma
Ultra-čisté technologie : preforma
MCVD – Chemical Vapor Deposition
Optická vlákna ...
1. Depozice vrstev
1700°C
O +2
Substrátová r kat ub
Skelné vrstvy
SiCl4
2100°C
2. olapsK
SMĚS PLYNŮ SKLO A - PREFORM
SiO2destilovaný
• Postupná depozice tenkých skelných vrstev (tloušťka 1-10 µm) na vnitřní stěnu trubice => preforma (tyčka)
• Vysoká čistota (~ 101 ppb nečistot), vysoká přesnost (>1 %)
Tažení optického vlákna z preformy
• Průměr
80-1000 µm
• Teplota1800-2000°C
Optická vlákna ...
• ne textil• ne termoizolace
Optická vlákna ...
Telekomunikačnívlákna(kabely)
Vláknové lasery,zesilovače
telekomunikace,„hrubá síla“
VláknovésenzoryMedicína,
životní prostředí ...
Speciální vlákna
Použití optických vláken
Vlákna pro telekomunikaceVláknové lasery a zesilovače
Optická vlákna ...
zesilovačzdroj
Pumpa
100 km detektor
telekom vlákno
VláknadopovanáDouble-Cladvícejádrová
Testování 200 km telekom linky
Optické komunikace
Optická vlákna ...
přístupovásíť
přístupovásíť
domácísíť
přenosovásíť
zesilovač(EDFA)
Optická vlákna ...
Interakce fotonů s atomyStimulovaná emise → laser
Absorpce
E1
E2
Spontánní emise -fluorescence
E1
E2
Stimulovaná emise
E1
E2
Prvkyvzácných
zemin
Optická vlákna ...
tyč (preforma) →dopované vlákno →
vláknový laser
Stimulovaná emise → laserAmplification by Stimulated Emission of Radiation
* H. Jelínková, Čs. Časopis pro fyziku, No. 4-5, 2011
Optická vlákna ....
Vláknové lasery s vysokým výkonem
svařování a řezání < 2kWúspory, rychlostPALS
Intenzita světla Slunce 63 MW/m21W-fiber laser 12.7 GW/m2
Er- fiber laser, pulzní 197 fs,5m rezonátorLiekki
Source Detector
Source
Detector
Vhodné pro : remote sensinghořlavé a výbušné látky prostředí s vysokým napětím lidské tělodistribuovanou detekci
Optická vlákna ...
Optické vláknové senzory
Kontinuální monitorování(bio)chemických látek a jejich koncentrace
Refraktometrický sensor uhlovodíků
Optická vlákna ...
Mez detekce ~ 3-5 mg/l (srovnatelné s limity EU)Odezva ~ sekundy
Detekce ropných úniků
Optická vlákna ....
Fluorescenční sensor pH
Zdroj
DetektorØ 18 µm
Detekce pH v mikroobjemech (kapkách, buňkách)
FBG sensor napětí – monitoring staveb
Optická vlákna ...
* Panorama 21. století 3/2012
Literatura• J. M. Senior : Optical fiber communications - Principle and
practise, Pearson Education Limited, Harlow, England, 2009.• A. Mendez, F.T. Morse : Specialty optical fibers handbook,
Elsevier Science & Technol, USA, 2006• J. Schrofel, K. Novotný : Optické vlnovody, SNTL, 1986 • Saaleh, Fotonika (1 - 4), Matfyzpres
• Československý časopis pro fyziku 1/2010, 4-5/2010, 1/2011• Jemná mechanika a optika 55 (2010)• Sdělovací technika 3/2011• Panorama 21. století 3/2012• ČT2 – PORT : Co dokážou lasery - 29/9/2010• ČT2 – Věda a vědci : Zkrocené světlo - 6/10/2010 • ČT1 – České hlavy – 10/2/2006• http://cas.msite.cesnet.cz/CESNET/Catalog/catalogs/default.aspx
Optická detekce ... (2012)
Optická vlákna ...
Optická vlákna ...
I TY se staň UFEm !• STUDIUM
ČVUT – FJFI, FEL ...fyzikální elektronika,
inženýrství povrchů,
elektromag. pole,
mikroelektronika,
optoelektronika
UK – MFF, PřF
chemická fyzika a optika,
fyzika
VŠCHT
sklo, analytika, anorganika,
materiálové inženýrství
Studentské projektyDiplomové práceDoktorské prácewww.ufe.cz/dpt240* Měřící aparatura NA optických vláken - upgrade
www.ufe.cz
* Měřicí aparatura pro porovnáváníčasových stupnic atomových hodin
www.elmag.org/cs/projekty/bio
* Mikrovlnná spektroskopie biomolekulárních nanostruktur
* Návrh integrovaných obvodů pro měření elektromagnetické aktivity živých buněk aj.
Optická vlákna ...
I TY se staň UFEm !
UPLATNĚNÍ V OBORU
Příjmy absolventů VŠ po 5 letech praxe
MFD 22/9/20110 10 20 30 40 50
Janáčkova akademie múzických umění v Brně
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně
Akademie múzických umění v Praze
Univerzita Palackého v Olomouci
Veterinární a farmaceutická univerzita Brno
Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí n. Labem
Masarykova univerzita
Technická univerzita v Liberci
Vysoká škola báňská - Technická univ. Ostrava
Univerzita Karlova v Praze
Vysoké učení technické v Brně
Česká zemědělská univerzita v Praze
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
České vysoké učení technické v Praze
Vysoká.škola podnikání, a. s., Ostrava
Vysoká škola ekonomická v Praze
Plat (tis. Kč/měs.)
LABO a bezpečnost
Optická vlákna ...
Během exkurze se, prosím, zdržte vlastnínezávislé výzkumné činnosti.
LABO : MCVD+tažení
Děkujeme za pozornost