Porównanie wªókien index-guiding i air-guiding

pomi¦dzy strukturami typu index-guiding i air-guiding. Podstawow¡ ró»-nic¡, która ju» zostaªa zarysowana, jest mechanizm oddziaªywania ±wiatªa z o±rodkiem wypeªniaj¡cym wªókno i pojawienie si¦ czynnika czynnika Φ(λ) w równaniu (2.2). Przykªadowo, dla wªókien typu air-guiding w zasadzie caªe

pole elektryczne propaguje si¦ w dziurze powietrznej, st¡d Φ ≈ 100% [38]. W przypadku krzemionkowych wªókien z zawieszonym rdzeniem, ze wzgl¦du na oddziaªywanie tylko w obszarze fali zanikaj¡cejp10, Φ ≈ 5−15% dla wªókna o rozmiarach rdzenia porównywalnych z dªugo±ci¡ fali [57, 62, 63]. Jednak»e powierzchnia modów, zdeniowana zgodnie z równaniem (1.28), silnie zale»y od dªugo±ci fali, tj. obserwuje si¦ jej zwi¦kszanie wraz ze wzrostem dªugo-±ci fali. Wynika z tego, »e przy wzrodªugo-±cie dªugodªugo-±ci fali, mody s¡ coraz sªabiej utrzymywane w rdzeniu i w coraz wi¦kszym stopniu propaguj¡ si¦ poza nim jako fala zanikaj¡ca. Zjawisko to jest szczególnie widoczne we wªóknach z za-wieszonym rdzeniem (rysunek 2.4). Maªa warto±¢ Φ wydaje si¦ by¢ stosunko-wo du»ym ograniczeniem dla zastosowa« spektralnych, gdy» w porównaniu do komórek gazowych o tej samej dªugo±ci co ±wiatªowód, zmniejsza otrzy-mywane widma nawet dwudziestokrotnie. Z drugiej strony, przy wypeªnianiu wªókien cieczami, wspóªczynnik zaªamania pªaszcza znacz¡co si¦ podnosi, (np. dla roztworów wodnych n ≈ 1,33), co ze wzgl¦du na mniejsz¡ ró»ni-c¦ wspóªczynników zaªamania, prowadzi do Φ ≈ 20% dla ±rednicy rdzenia porównywalnej z dªugo±ci¡ fali [61].

Ró»nica w warto±ci Φ w stosunku do wolnej przestrzeni wydaje si¦ by¢ fundamentalnym ograniczeniem wªókien z zawieszonym rdzeniem. Oddziaªy-wanie wyª¡cznie w obszarze fali zanikaj¡cej, tj. w obszarze przypowierzch-niowym rdzenia, otwiera jednak nowe mo»liwo±ci badawcze. Mo»liwe jest bo-wiem badanie zjawisk zachodz¡cych przy silnym oddziaªywaniu cieczy/gazu z powierzchni¡ szkªa.

Drug¡ podstawow¡ ró»nic¡ pomi¦dzy wªóknami index- i air-guiding

p10Tak jak to zostaªo wspomniane wcze±niej, pole wnikaj¡ce do kanaªów ±wiatªowodu ma inne wªa±ciwo±ci ni» fala zanikaj¡ca pojawiaj¡ca si¦ przy odbiciu na granicy dwóch o±rod-ków. W literaturze, okre±lenie pole/fala zanikaj¡ca jest jednak powszechnie stosowane, konwencja ta jest równie» stosowana w niniejszej rozprawie.

Φ

(λ

),

%

λ /r

Rysunek 2.4: Frakcja mocy optycznej propaguj¡cej si¦ w dziurach powietrznych w krzemionkowym wªóknie z zawieszonym rdzeniem. O± pozioma wyskalowana jest w dªugo±ci fali znormalizowanej do promienia rdzenia (zdeniowanego jako promie« najwi¦kszego koªa, które mo»na wpisa¢ w rdze« wªókna). Ró»ne kolory odpowiadaj¡ ró»nym skªadowym polaryzacyjnym modu HE11 [57].

jest zakres dªugo±ci fal, w których mog¡ one prowadzi¢ ±wiatªo. Wªókna fo-toniczne prowadz¡ ±wiatªo w w¡skich przerwach wzbronionych o szeroko±ci spektralnej do 100 nm. Wyj¡tkiem s¡ struktury typu kagome, w których uda-je si¦ znacznie poszerzy¢ obszar dziaªania (np. do zakresu 600−1600 nm [64]), kosztem znacz¡cego wzrostu tªumienia. Uwzgl¦dniaj¡c dodatkowo, »e szero-ko±¢ i pozycja przerwy wzbronionej jest bezpo±rednio zale»na od wspóªczyn-nika zaªamania rdzenia, wprowadzenie do niego cieczy prowadzi do caªkowitej zmiany parametrów wªókna. Dlatego te» wªókna tego typu stosuje si¦ raczej do bada« z gazami, których wspóªczynnik zaªamania jest zbli»ony do jed-no±ci. ‘wiatªowody z zawieszonym rdzeniem nie posiadaj¡ tego ograniczenia i dziaªaj¡ w zakresie, w którym szkªo jest przezroczyste dla promieniowania. Pozwalaj¡ wi¦c na badanie znacznie szerszych widm.

a)

35μ m

b)

40 μ m

Rysunek 2.5: Wªókna z zawieszonym rdzeniem z otwart¡ dziur¡ powietrzn¡ [66].

uwag¦ na jeszcze jeden fakt. W ich przypadku, rozmiar i uªo»enie dziur de-terminuje poªo»enie fotonicznej przerwy wzbronionej. Oznacza to, »e ka»-da manipulacja ksztaªtem i rozmiarem rdzenia wymusza przeprojektowa-nie struktury ±wiatªowodowej. W efekcie rozmiar rdzenia przeprojektowa-nie jest wolnym parametrem. W typowo wytwarzanych strukturach HC-PBF dziaªaj¡cych dla ±wiatªa o dªugo±ci 820 nm, rdze« ma ±rednic¦ okoªo 7,5 µm [65]. Tak nie-wielkie rozmiary utrudniaj¡ wypeªnianie ±wiatªowodu gazami. Sytuacja jest inna w przypadku wªókien typu kagome. Teoretycznie mog¡ one posiada¢ bardzo du»e rdzenie, jednak»e niezb¦dne jest jeszcze opracowanie odpowied-niej technologii ich wytwarzania. Obecnie typowo stosuje si¦ wªókna kagome z rdzeniem o ±rednicy 45 µm [64].

We wªóknach z zawieszonym rdzeniem wyst¦puj¡ trzy du»e kanaªy po-wietrzne, które ª¡cznie mog¡ zajmowa¢ obszar o ±rednicy nawet 60 µm. Bar-dzo uªatwia to wypeªnianie wªókna gazami. Dodatkowo, ksztaªt dziur nie ma bezpo±redniego wpªywu na wªa±ciwo±ci propagacyjne tych ±wiatªowodów. Oznacza to, »e dziury powietrzne i ich ksztaªt mog¡ by¢ modykowane dla po-prawy efektywno±ci wypeªniania. Szczególnym przykªadem wykorzystania tej cechy ±wiatªowodu SCF jest niemal caªkowite boczne otwarcie jednej z dziur powietrznych (rysunek 2.5), co zapewnia praktycznie natychmiastowe

wypeª-nianie obszaru wokóª rdzenia ±wiatªowodu [66,67].

Przy badaniach niektórych efektów optycznych w gazachp11 niezwykle wa»ne jest ograniczenie efektów dekoherencji [68], tj. zjawisk prowadz¡cych do degradacji wytworzonych ±wiatªem stanów kwantowych atomów o±rod-ka wprowadzonego do ±wiatªowodu, które prowadz¡ do pogorszenia obser-wowanych sygnaªów optycznych (np. ich poszerzenia i spadku amplitudy). Gªównym mechanizmem dekoherencji w gazach wypeªniaj¡cych ±wiatªowód s¡ zderzenia ze ±ciankami kanaªów, które wypeªnia gaz. Prowadzi to zwy-kle do poszerzenia sygnaªów optycznych, obserwowanych w dziedzinie dªu-go±ci fali, o kilka rz¦dów w stosunku do analogicznych sygnaªów obserwo-wanych w identycznych warunkach (ci±nienie, nat¦»enie, temperatura, itp.) w ukªadach obj¦to±ciowych (komórki z parami, wi¡zki atomowe lub mole-kularne). Efekt ten jest du»o powa»niejszy w ±wiatªowodach z fotoniczn¡ przerw¡ wzbronion¡ gdzie ±rednica rdzenia nie przekracza 10 µm [69], ni» we wªóknach typu kagome (o ±rednicy rdzenia ∼ 45 µm), gdzie poszerze-nie to jest kilkudziesi¦ciokrotposzerze-nie mposzerze-niejsze [64]. We wªóknach z zawieszonym rdzeniem fundamentalny mechanizm poszerzania rezonansów optycznych jest zwi¡zany z bardzo krótkim oddziaªywaniem molekuª z wi¡zk¡ ±wiatªa ogra-niczonym do czasu przelotu atomów/molekuª przez pole modu ±wiatªowodo-wego, którego rozmiary s¡ rz¦du ∼ 100 nm [70].

Kolejn¡ ró»nic¡ pomi¦dzy ±wiatªowodami index-guiding i air-guiding jest apertura numeryczna. Wªókna fotoniczne posiadaj¡ niewielk¡ apertur¦ numeryczn¡ (rz¦du 0,2 [65]), podczas gdy wªókna z zawieszonym rdzeniem  bardzo wysok¡ (rz¦du 0,7−0,9 [71]). Wysoka apertura numeryczna wymusza stosowanie obiektywów o du»ym powi¦kszeniu, i co za tym idzie, niewielkiej

p11Dotyczy to przede wszystkich koherencyjnych efektów kwantowych, których przykªady opisane s¡ w dalszej cz¦±ci tego rozdziaªu.

ogniskowej. Utrudnia to projektowanie niektórych ukªadów eksperymental-nychp12.

Powy»sze porównanie jasno wskazuje, »e wªókna index-guiding i air-guiding maj¡ istotnie ró»ne wªa±ciwo±ci. Konsekwencj¡ tych ró»nic jest to, »e wªókna typu index-guiding s¡ cz¦±ciej stosowane w spektroskopii cieczy, natomiast wªókna typu air-guiding, w badaniach spektroskopowych gazów. Wªókna z zawieszonym rdzeniem posiadaj¡ jednak wiele zalet, dlatego te» w rozdziale 3 przedstawiona jest dokªadna dyskusja ich parametrów, której celem jest przeanalizowanie potencjalnego zastosowania wªókien tego typu w badaniach gazów.