Fabricage van eindfacetten aan polymere optische vezels...

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

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 !

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

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

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

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

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

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).

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.

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.

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.


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.


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.

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)


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.


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.


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.


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


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"


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


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.


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.


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.

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.

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

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.

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.

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

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

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


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.


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.

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

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.

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).

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 excimeerlaser.

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.

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

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.

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.

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.


3.1.2 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.


In Tabel 3.4 staan de belangrijkste parameters omtrent de gebruikte YAG-laser:

LWE 210-355-5000 YAG-LASER

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.

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.

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.

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

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

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

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.

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.


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.


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

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.

4.2.2 Pulsfrequentie 47

Pulsenergie

mJ

Pulsfrequentie

Hz

Snelheid

m / s

Grootte masker

m

Vorm

masker

Dikte vezel

m





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

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


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.


Pulsenergie

mJ

Pulsfrequentie

Hz

Snelheid

m / s

Grootte masker

m

Vorm

masker

Dikte vezel

m





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

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


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.


Pulsenergie

mJ

Pulsfrequentie

Hz

Snelheid

m / s

Grootte masker

m

Vorm

masker

Dikte vezel

m



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


Pulsenergie

mJ

Pulsfrequentie

Hz

Snelheid

m / s

Grootte masker

m

Vorm

masker

Dikte vezel

m

Links boven 10 100 200 1000 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

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


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.


Pulsenergie

mJ

Pulsfrequentie

Hz

Snelheid

m / s

Grootte masker

m

Vorm

masker

Dikte vezel

m


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


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

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.

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

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.

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.

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.

4.2.8 Vezeldiameter 63

Pulsenergie

mJ

Pulsfrequenti

e

Hz

Aantal

pulsen

Grootte

masker

m

Vorm

masker

Dikte

vezel

m





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

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


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 .


Pulsenergie

mJ

Pulsfrequentie

Hz

Aantal

pulsen

Grootte masker

m

Vorm

masker

Dikte vezel

m







Figuur 4.18: Resultaten bekomen bij het onderzoek naar de invloed van de fume-afzuiging tijdens

de ablatie.

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)

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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





Rms ruwheid ( m) 1.95 1.84 -6





Rms ruwheid ( m) 0.586 0.413 -30





Rms ruwheid ( m) 1.96 1.79 -9





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.

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

4.3.2 CO2-laser 78

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.

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

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

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.

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

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

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.

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.

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

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.

Fabricage van eindfacetten aan polymere optische vezels...

Documents

Transcript of Fabricage van eindfacetten aan polymere optische vezels...