art photonics Technical Note 007
Sowohl polykristalline Silberhalogenid-Fasern (PIR) als auch Hohlwellenleiter (HWG) von art photonics übertragen bis zu 85–90 % der CO₂-Laserstrahlung (10,6 µm) durch ein 1 m langes Hochleistungskabel. Wählen Sie eine PIR-Faser, wenn das Kabel gebogen oder bewegt werden muss oder lange Strecken überbrücken soll: Eine volle 360°‑Schlaufe kostet nur etwa 1,5 % der Transmission. Wählen Sie einen Hohlwellenleiter, wenn Sie einen Ausgangsstrahl mit geringer Divergenz benötigen (etwa 5,7° voller Winkel) und das Kabel weitgehend gerade verlaufen kann.
art photonics GmbH fertigt beide Technologien selbst in Berlin, für die Übertragung hoher Laserleistung im mittleren Infrarot. Richtig optimiert erreichen sie eine ähnliche Transmission, sind aber für unterschiedliche Einsatzbedingungen ausgelegt. Dieser Beitrag erklärt, wie beide funktionieren, vergleicht ihre wichtigsten Parameter für die Führung von CO₂-Laserstrahlung und gibt eine einfache Auswahlregel. Steckertypen (SMA, FC/PC, FC/APC), Biegeradien und weitere Details finden Sie in den Produktdatenblättern, die am Ende verlinkt sind.
Was sind PIR-Fasern und Hohlwellenleiter?
PIR-Faser: polykristalline Silberhalogenid-Faser mit festem Kern
Eine PIR-Faser ist eine Kern-Mantel-Faser aus festen Mischkristallen von Silberchlorid und Silberbromid (AgClxBr1−x). Bei der PIR-Faser von art photonics besteht der Kern aus AgCl0,25Br0,75 und der Mantel aus AgCl0,5Br0,5. Das Licht wird durch Totalreflexion geführt.
PIR-Fasern haben geringe Biegeverluste und eine hohe numerische Apertur (NA). Da Silberhalogenide einen hohen Brechungsindex haben, würden unbehandelte Faserendflächen einen Teil des Lichts reflektieren (Fresnel-Reflexion). art photonics unterdrückt diese Verluste mit einer antireflektierenden Mikrostruktur auf den Endflächen, der sogenannten SMART-Behandlung, die bei der Kabelkonfektionierung erzeugt wird.
Hohlwellenleiter (HWG): Quarzglaskapillare mit Luftkern
Ein Hohlwellenleiter ist eine Quarzglaskapillare mit Luftkern, deren Innenwand eine reflektierende Silber/Silberiodid-Beschichtung (Ag/AgI) trägt. Die Kapillare ist durch eine Acrylatschicht und einen Polymer-Schutzmantel geschützt. Das Licht breitet sich im Luftkern aus und wird durch Reflexion an der beschichteten Wand geführt.
Da der Kern aus Luft besteht, hat ein HWG keine Fresnel-Reflexion an den Endflächen, und sein Ausgangsstrahl hat eine geringe Divergenz. Transmission und Strahlqualität hängen jedoch von der Einkoppeloptik ab und davon, wie stark der Wellenleiter gebogen wird.
PIR vs. HWG: wichtige Parameter bei 10,6 µm (CW)
| Parameter | PIR-Faser | Hohlwellenleiter (HWG) |
|---|
| Verfügbarer Kern- / Innendurchmesser | 240–900 µm Kern (multimode) | 500–1000 µm Innendurchmesser (multimode) |
| Dämpfung bei 10,6 µm | 0,2–0,4 dB/m | 0,3–0,7 dB/m |
| Biegeverlust, eine volle 360°‑Schlaufe mit 40 cm Durchmesser 1 | ≈ 0,05 dB | ≈ 0,5–1 dB |
| Absoluter Transmissionsverlust des gebogenen Kabels (eine 360°‑Schlaufe, 40 cm Durchmesser) 1 | ≈ 1,5 % | ≈ 14 % |
| Wie die Transmission verbessert wird | Antireflektierende Mikrostrukturen auf den Faserendflächen (SMART-Behandlung, bei der Kabelkonfektionierung erzeugt) | Einkoppeloptik mit optimaler Blendenzahl (f‑Zahl bzw. NA) |
| Transmission von CO₂-Laserstrahlung durch ein 1 m langes Hochleistungskabel 1 | Bis zu 85–90 % (900 µm Kern) | Bis zu 85–90 % (1000 µm Innendurchmesser) |
| Ausgangs-NA / voller Divergenzwinkel | Effektiv: NA = 0,30 / 35° 2 | Effektiv: NA ≈ 0,05 (folgt der Eingangs-NA) / 5,7° |
| Maximale Kabellänge | 15 m | 3 m (fertigungsbedingt) |
| Empfohlene maximale CW-Leistung 3 | 35 W | 30 W |
| Weitere Merkmale | - Verbesserte Transmission im Bereich 8–17 µm
- Ausgezeichnete Langzeitstabilität mit minimaler Alterung
- Nicht hygroskopisch und ungiftig
| - Hohler Kern
- Keine Fresnel-Reflexion an den Endflächen
- Doppelte Polymerbeschichtung für hohe Flexibilität
|
| Empfohlen für | - Stabile Leistungsübertragung bei gebogenem Kabel
- Vakuumdurchführungen
- Systeme mit hoher NA oder hoher Strahldivergenz
| - Laserstrahlführung mit geringer Divergenz
- Gasspektroskopie mit langem optischem Weg durch den Wellenleiter
|
1 Gemessen bei 10,6 µm mit einer Einkopplungs-NA von ≈ 0,05 für eine PIR-Faser mit 900 µm Kern und SMART-Behandlung bzw. einen Hohlwellenleiter mit 1000 µm Innendurchmesser.
2 Abhängig von der Kabellänge. Bei niedriger Eingangs-NA (etwa 0,03–0,05) kann die Ausgangs-NA der PIR-Faser kleiner sein, etwa 0,10–0,20.
3 Für einen CO₂-Laser (10,6 µm) mit einer Einkopplungs-NA von ≈ 0,05, eine PIR-Faser mit 900 µm Kern und SMART-Behandlung bzw. einen Hohlwellenleiter mit 1000 µm Innendurchmesser. Die empfohlene maximale CW-Leistung hängt vom Kern- bzw. Innendurchmesser ab; die Werte für jede Größe finden Sie in den Datenblättern.
Was die Unterschiede in der Praxis bedeuten
Biegung: PIR bleibt stabil, HWG verliert mehr
Die Biegung ist der größte praktische Unterschied. In einer vollen Schlaufe mit 40 cm Durchmesser verliert ein PIR-Kabel etwa 1,5 % seiner Transmission, ein Hohlwellenleiter dagegen etwa 14 %, also rund neunmal mehr. PIR ist daher die bessere Wahl für Kabel in bewegten Systemen und überall dort, wo das Kabel um Hindernisse herum verlegt werden muss.
Divergenz des Ausgangsstrahls: HWG liefert einen schmaleren Strahl
Ein Hohlwellenleiter erhält die niedrige NA des Eingangsstrahls: Bei einer Einkopplungs-NA von etwa 0,05 beträgt die volle Ausgangsdivergenz etwa 5,7°. Eine PIR-Faser hat eine effektive Ausgangs-NA von 0,30, also etwa 35° volle Divergenz (0,10–0,20 bei niedriger Eingangs-NA). Wenn ein eng kollimierter oder leicht refokussierbarer Strahl wichtig ist, ist ein Hohlwellenleiter die bessere Wahl.
Einkoppeltoleranz und Verluste an den Endflächen
PIR-Fasern tolerieren Dejustage, eine hohe Eingangs-NA und hohe Strahldivergenz. Ihr hoher Brechungsindex würde an den Endflächen Fresnel-Reflexion verursachen, die die antireflektierende SMART-Behandlung unterdrückt. Hohlwellenleiter haben gar keine Endflächenreflexion, erreichen ihre beste Transmission und Strahlqualität aber nur mit einer Einkoppeloptik mit optimaler Blendenzahl.
Länge, Spektralbereich und Einsatzumgebung
PIR-Kabel sind bis 15 m Länge erhältlich, Hohlwellenleiter bis 3 m. PIR-Fasern transmittieren zudem gut im Bereich 8–17 µm, sind nicht hygroskopisch und ungiftig, altern kaum und lassen sich durch Vakuumdurchführungen führen. Der hohle Kern eines HWG kann dagegen einen Gas- oder Luftstrom führen oder als langer optischer Weg für die Gasspektroskopie dienen.
Welche Technologie ist die richtige?
Faustregel: Muss das Kabel gebogen oder bewegt werden oder lang sein, wählen Sie PIR. Muss der Ausgangsstrahl eine geringe Divergenz haben und kann das Kabel gerade bleiben, wählen Sie HWG.
Wählen Sie eine PIR-Faser, wenn:
- eine stabile Transmission bei Biegung wichtig ist;
- das Kabel gebogen oder durch ein bewegtes System geführt werden muss, in dem Biegeverluste unerwünscht sind;
- größere Kabellängen benötigt werden (bis 15 m);
- eine hohe Eingangs-NA oder hohe Strahldivergenz aufgenommen werden muss;
- eine Vakuumdurchführung oder breitbandige IR-Transmission (8–17 µm) erforderlich ist.
Wählen Sie einen Hohlwellenleiter (HWG), wenn:
- eine geringe Ausgangsdivergenz die wichtigste Anforderung ist;
- Biegeverluste toleriert werden können;
- das Kabel weitgehend gerade bleiben kann (bis 3 m);
- ein Gas- oder Luftstrom durch das Kabel geführt werden soll;
- ein langer optischer Weg durch den Hohlwellenleiter benötigt wird, z. B. für die Gasspektroskopie.
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