Kaj je fiber laser?
Optična vlakna so okrajšava za optična vlakna in so običajno cilindrični valovod za svetlobne valove. Uporablja princip popolnega odboja, da omeji svetlobne valove na jedro in jih vodi v smeri osi vlakna. Zamenjava bakrene žice s kremenčevim steklom je spremenila svet.
Kot medij za prevajanje svetlobnih valov se optična vlakna pogosto uporabljajo od leta 1966, ko jih je predstavil Charles Kao, zahvaljujoč visoki komunikacijski zmogljivosti, visoki odpornosti proti motnjam, majhnim izgubam pri prenosu, veliki razdalji releja, dobri zaupnosti, prilagodljivosti, majhnosti , majhna teža in bogati viri surovin. Kao, znan kot "oče optičnih vlaken", je za svoje delo leta 2009 prejel Nobelovo nagrado za fiziko. Z naraščajočo popolnostjo in praktičnostjo optičnih vlaken je revolucionirala telekomunikacijsko industrijo in v veliki meri nadomestila bakreno žico kot osrednjo komponento sodobnih komunikacij.
Komunikacijski sistem z optičnimi vlakni je komunikacijski sistem, ki uporablja svetlobo kot nosilec informacij in optična vlakna kot valovodni medij. Ko optično vlakno prenaša informacije, se električni signal pretvori v optični signal, ki se nato prenaša znotraj vlakna. Kot nastajajoča komunikacijska tehnologija je komunikacija z optičnimi vlakni že od samega začetka pokazala neprimerljivo superiornost ter pritegnila veliko zanimanja in široke pozornosti. Široka uporaba optičnih vlaken v komunikacijah je pripomogla tudi k hitremu razvoju optičnih ojačevalnikov in optičnih vlaken hkrati. Poleg komunikacij se sistemi z optičnimi vlakni uporabljajo tudi v številnih aplikacijah v medicini, zaznavanju in na drugih področjih.
Optična vlakna
Ojačevalni medij laserja z vlakni je aktivno vlakno. Glede na svojo strukturo lahko razdelimo na enomodna vlakna, dvojno platirana vlakna in tri fotonska kristalna vlakna.
Enomodovna optična vlakna Enomodovna vlakna so sestavljena iz jedra, ovoja in prevlečne plasti, kjer je lomni količnik materiala jedra n1 višji od lomnega količnika n2 materiala ovoja, ko je vpadni kot vpadne svetlobe večji od slika s kritičnim kotom, svetlobni žarek v jedru polne emisije, tako da se vlakno lahko veže na svetlobni žarek v jedru širjenja. Notranja obloga enomodnih vlaken ne more imeti omejevalne vloge za večmodovno črpalno svetlobo, numerična apertura jedra pa je nizka, zato je za pridobitev laserskega izhoda mogoče uporabiti samo enomodno črpalno svetlobo v jedro. Zgodnji laserji z vlakni so uporabljali to enomodno vlakno, kar je povzročilo nizko učinkovitost sklopitve in laserje z izhodno močjo v območju milivatov.
Dvojno obložena vlakna
Maurer (R. Maurer) je leta 1974 prvič predlagal koncept dvojno oblečenih vlaken, da bi presegel omejitve običajnih enomodnih vlaken, dopiranih z iterbijem (Yb3 plus ), dopiranih z enim plaščem, glede učinkovitosti pretvorbe in izhodne moči. Od takrat so se šele leta 1988, ko so E. Snitzer in drugi predlagali tehnologijo črpanja z oblogo [3], hitro razvili visoko zmogljivi laserji/ojačevalniki z vlakni, dopiranimi z Yb.
Dvojno oplaščeno vlakno je optično vlakno s posebno strukturo, ki običajnemu vlaknu doda notranjo ovojno plast, sestavljeno iz prevlečne plasti, notranje ovojne plasti, zunanje ovojne plasti in dopiranega vlaknenega jedra. Tehnologija črpanja ovoja temelji na vlaknu z dvojno oblogo, katerega jedro omogoča prenos večmodne svetlobe črpalke v notranji ovoj in lasersko svetlobo, ki se prenaša v jedru, kar omogoča učinkovitost pretvorbe črpanja in izhodno moč laser z vlakni je treba močno izboljšati. Struktura dvojno obloženega vlakna, oblika notranjega ovoja in metoda spajanja svetlobne črpalke so ključ do te tehnologije.
Jedro vlakna z dvojno oblogo je sestavljeno iz silicijevega dioksida (SiO2), dopiranega z elementi redkih zemelj, ki je tako laserski medij kot prenosni kanal laserskega signala v vlaknenem laserju, ki ustreza delovni valovni dolžini. Prečna velikost (desetkrat večja od premera običajnega jedra) in numerična apertura notranjega ovoja sta veliko večji kot pri jedru, lomni količnik pa je manjši od premera jedra, kar popolnoma omejuje širjenje laserske svetlobe. znotraj jedra. To ustvari optični valovod z velikim prerezom in veliko numerično aperturo med jedrom in zunanjo oblogo, ki omogoča, da se velika numerična apertura, velik prečni prerez in večnačinovna močna črpana svetloba sklopijo v vlakno in omejijo na prenos znotraj notranja obloga brez difuzije, kar olajša vzdrževanje optičnega črpanja z visoko gostoto moči. Zunanja obloga je sestavljena iz polimernega materiala z manjšim lomnim količnikom kot notranja obloga; najbolj zunanja plast je zaščitna plast, sestavljena iz organskega materiala. Območje sklopitve vlakna z dvojno oblogo na črpano svetlobo je določeno z velikostjo notranjega ovoja, za razliko od običajnih enomodnih vlaken, ki jih določa samo jedro. Po eni strani to izboljša učinkovitost sklopitve moči laserja s človeškimi vlakni, kar omogoča, da svetloba črpalke večkrat preide skozi notranjo oblogo, da vzbudi dopirane ione za lasersko sevanje; po drugi strani pa je kakovost izhodnega žarka določena z naravo jedra vlakna in uvedba notranje obloge ne uniči kakovosti žarka izhoda laserja z vlakni.
Sprva je bila notranja obloga iz dvojno obloženih vlaken cilindrično simetrična in razmeroma enostavna za izdelavo ter enostavna za spajanje s pletenico laserske diode črpalke (LD), vendar je njena popolna simetrija povzročila veliko število spiralnih žarkov svetlobe črpalke v notranja obloga, ki nikoli ni dosegla območja jedra, tudi po dovolj odbojih, da bi jih jedro absorbiralo, tako da tudi pri Even z daljšimi vlakni še vedno obstaja velika količina uhajanja svetlobe, zaradi česar je težko izboljšati učinkovitost pretvorbe. Zaradi tega je treba porušiti cilindrično simetrijo notranje obloge.
Fotonska kristalna vlakna
Pri običajnih vlaknih z dvojno oblogo geometrija jedra določa izhodno moč laserja. Numerična apertura določa kakovost žarka izhodnega laserja. Zaradi omejitev nelinearnih učinkov, optičnih poškodb in drugih fizičnih mehanizmov v optičnih vlaknih en sam način povečanja premera jedra ne more izpolniti povpraševanja po enonačinskem delovanju pri visoki izhodni moči v vlaknih z dvojno oblogo polja velikega načina. Pojav posebnih vlaken, kot so fotonska kristalna vlakna (PCF), zagotavlja učinkovito tehnično rešitev za ta izziv.
Koncept fotonskih kristalov je prvi uvedel E. Yablonovitch leta 19871 kot periodično strukturo z različnimi dielektričnimi konstantami v eni, dveh ali treh dimenzijah, ki omogoča širjenje svetlobe v fotonskem prevodnem pasu in prepoveduje širjenje svetlobe v fotonski pasovni vrzeli ( PBG). PCF so dvodimenzionalni fotonski kristali, znani tudi kot mikrostrukturirana vlakna ali porozna vlakna, leta 1996 pa sta JC Knight et al. izdelal prve PCF z mehanizmom za vodenje svetlobe, podobnim tistemu pri običajnih vlaknih s popolnim notranjim odbojem. Po letu 2005 sta se zasnova in priprava PCF z velikim načinom polja začela diverzificirati s pojavom različnih oblik, vključno s PCF s puščajočimi kanali, PCF v obliki palice, PCF z velikim korakom in večjedrnimi PCF. Skladno s tem se je še naprej povečevala tudi površina modnega polja vlakna.
Po videzu so PCF-ji zelo podobni običajnim enomodnim vlaknom, vendar mikroskopsko gledano kažejo zapletene strukture lukenj. Prav te strukturne lastnosti dajejo PCF-jem edinstvene in neprimerljive prednosti pred običajnimi vlakni, kot so enomodni prenos brez prekinitev, velika površina polja polja, nastavljiva disperzija in nizka omejitvena izguba, ki lahko premaga številne izzive običajnih laserjev. . Na primer, PCF lahko doseže enomodno delovanje v velikem območju polja načina, hkrati pa zagotavlja kakovost žarka, znatno zmanjša gostoto moči laserja v vlaknu, zmanjša nelinearne učinke v vlaknu in poveča prag poškodbe vlakna; lahko doseže veliko numerično odprtino, kar pomeni, da je mogoče doseči večjo optično sklopko črpalke in večjo moč laserskega izhoda. Zaradi tega je postal nov raziskovalni poudarek na področju laserjev z vlakni, ki igra vse pomembnejšo vlogo pri uporabi laserjev z vlakni visoke moči.
Izum fiber laserja
Laserji, ki kot medij laserskega pridobivanja uporabljajo optična vlakna, so znani kot laserji z vlakni. Tako kot druge vrste laserjev je sestavljen iz treh delov: ojačevalnega medija, vira črpalke in resonančne votline. laserji z vlakni uporabljajo aktivno vlakno z jedrom, dopiranim z redkimi zemeljskimi elementi, kot ojačitveni medij. Kot vir črpalke se običajno uporablja polprevodniški laser. Resonančna votlina je na splošno sestavljena iz odsevnih zrcal, končnih površin vlaken, zrcalnih obročev iz vlaken ali rešetk iz vlaken.
Glede na značilnosti časovne domene laserja z vlakni ga lahko razdelimo na laser z neprekinjenimi vlakni in laser z impulznimi vlakni; glede na strukturo resonančne votline ga lahko razdelimo na laser z vlakni z linearno votlino, laser z vlakni s porazdeljeno povratno zvezo in laser z vlakni z obročno votlino; glede na ojačana vlakna in različne metode črpanja ga lahko razdelimo na laser z vlakni z enojno oblogo (črpanje jedra vlaken) in laser z vlakni z dvojno oblogo (črpanje z oblogo).
Leta 1961 je Snitzer odkril lasersko sevanje v steklenih valovodih, dopiranih z neodimom (Nd). 1966 je Kao podrobno proučil glavne vzroke slabljenja svetlobe v optičnih vlaknih in opozoril na glavne tehnične probleme, ki jih je treba rešiti za praktično uporabo optičnih vlaken v komunikacijah. 1970 je Corning v ZDA razvil optična vlakna z dušenjem manj kot 20 dB/km, kar je postavilo temelje za razvoj industrije optičnih komunikacij in optoelektronike. To je postavilo temelje za razvoj industrije optičnih komunikacij in optoelektronike. V 1970-ih in 1980-ih sta zorenje in komercializacija polprevodniške laserske tehnologije zagotovila zanesljiv in raznolik vir črpanja za razvoj vlaknenih laserjev. Hkrati se zaradi razvoja metode nanašanja s kemično paro izgube pri prenosu optičnih vlaken stalno zmanjšujejo. Tudi vlakenski laserji se hitro razvijajo v smeri diverzifikacije, z vlakni, dopiranimi z različnimi elementi redkih zemelj, kot so erbij (Er3 plus), iterbij (Yb3 plus), neodim (Nd3 plus), samarij (Sm 3 plus), tulij (Tm3 plus), holmij (Ho3 plus), prazeodim (Pr3 plus), disprozij (Dy3 plus), bizmut (Bi3 plus) in tako naprej. Odvisno od dopiranih ionov je mogoče doseči različne valovne dolžine laserskega izhoda. Za izpolnitev zahtev različnih aplikacij.
Lastnosti optičnih laserjev visoke moči
Prednosti optičnih laserjev visoke moči so naslednje.
(1) Dobra kakovost žarka. Struktura valovoda optičnega vlakna omogoča enostavno pridobitev izhoda v enem prečnem načinu, vpliv zunanjih dejavnikov pa je zelo majhen, da se doseže laserski izhod visoke svetlosti.
(2) Visoka učinkovitost. Z vlaknastim laserjem lahko z izbiro valovne dolžine emisije in absorpcijskih lastnosti dopiranih redkozemeljskih elementov polprevodniškega laserja za vir črpalke dosežete zelo visoko učinkovitost pretvorbe svetlobe v svetlobo. Za laserje z visoko zmogljivimi vlakni, dopiranimi z iterbijem, na splošno izberite 915 nm ali 975 nm polprevodniške laserje, zaradi preproste strukture ravni energije Yb3 plus je manj verjetno, da bo prišlo do pretvorbe navzgor, absorpcije v vzbujenem stanju in izbruhov koncentracije, življenjska doba fluorescence je daljša in lahko učinkovito shranjuje energijo za delovanje z visoko močjo. Celotna elektrooptična učinkovitost komercialnih laserjev z vlakni znaša kar 25 odstotkov, kar prispeva k zmanjšanju stroškov, varčevanju z energijo in varovanju okolja.
(3) Dobre lastnosti odvajanja toplote. Vlakneni laserji se uporabljajo kot medij za lasersko pridobivanje z uporabo tankih vlaken, dopiranih z redkimi zemeljskimi elementi, z zelo velikim razmerjem med površino in prostornino. Približno 1000-krat večji laser s trdnimi bloki ima naravno prednost v smislu zmogljivosti odvajanja toplote. Za ohišja nizke in srednje moči ni potrebno posebno hlajenje vlaken, za ohišja z visoko močjo pa se uporablja vodno hlajenje, s čimer se prav tako učinkovito izognemo poslabšanju kakovosti žarka in učinkovitosti zaradi toplotnih učinkov, ki so običajno prisotni v polprevodniških laserjih.
(4) Kompaktna struktura, visoka zanesljivost. Ker laser z vlakni uporablja majhno in prožno vlakno kot medij za pridobitev laserja, pomaga stisniti količino in prihraniti stroške. Vir črpalke se uporablja tudi v majhnih, enostavnih modularnih polprevodniških laserjih, komercialni izdelki so na splošno na voljo z izhodom s pletenico, v kombinaciji z vlakneno Braggovo rešetko in drugimi napravami z optičnimi vlakni, če so te naprave spojene med seboj, da se doseže polno vlakno, odpornost na okoljske motnje z visoko stabilnostjo lahko prihrani čas in stroške vzdrževanja.
Optični laserji visoke moči imajo tudi slabosti, ki jih je težko premagati: ena je ranljivost za nelinearne učinke. Vlakneni laserji imajo zaradi geometrije svojih valovodov veliko efektivno dolžino in nizek prag za različne nelinearne učinke. Nekateri škodljivi nelinearni učinki, kot so vzbujeno Ramanovo sipanje (SRS), samofazna modulacija (SPM) itd., lahko povzročijo fazna nihanja in prenos energije v spektru ali celo poškodbe laserskega sistema, kar omejuje razvoj visokozmogljivih vlaken laserji. Drugi je učinek zatemnitve fotona. S povečanjem časa črpanja lahko učinek zatemnitve fotonov vodi do visoke koncentracije dopinga učinkovitosti pretvorbe moči vlaken, dopiranih z redkimi zemeljskimi elementi, monotono nepopravljivega upada, kar omejuje dolgoročno stabilnost in življenjsko dobo visokozmogljivih laserjev z vlakni, kar je še posebej očitno v visokozmogljivih optičnih laserjih, dopiranih z iterbijem.
Z napredkom polprevodniških laserjev z vlakni visoke svetlosti in tehnologije dvojno oblečenih vlaken so se izhodna moč, učinkovitost pretvorbe optika v optiko in kakovost žarka visokozmogljivih laserjev z vlakni znatno razvili. V industrijski obdelavi, usmerjenem energijskem orožju, telemetriji dolgega dosega, LIDAR in drugih aplikacijah velikega povpraševanja, predvsem v Združenih državah Amerike Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) in Nemčija Tong Express Group raziskovalne enote o neprekinjenem valovanju, raziskave in razvoj visoko zmogljivega laserja z pulznimi valovi so uvedle bogato linijo izdelkov. O vznemirljivih rezultatih so poročale tudi številne enote na Kitajskem, vključno z univerzo Tsinghua, nacionalno univerzo za obrambno tehnologijo, šanghajskim inštitutom za optiko in precizne stroje kitajske akademije znanosti in četrtim raziskovalnim inštitutom kitajske vesoljske znanosti in Industrijska korporacija.
Tehnologija za izboljšanje moči laserskega vlakna
Zaradi nelinearnih učinkov v vlaknenem laserju, toplotnih učinkov in omejitev praga materialne škode je izhodna moč posameznega vlaknenega laserja omejena do določene mere, in ko moč narašča, se kakovost žarka postopoma zmanjšuje, kar zahteva uporabo tehnologije nadzora načina in oblikovanja posebne strukture novega vlakna za izboljšanje kakovosti žarka. Dawson (JW Dawson) et al. so teoretično analizirali mejno vrednost izhodne moči posameznega vlakna in izračunali, da lahko v laserjih s širokopasovnimi vlakni eno vlakno doseže največjo moč laserskega izhoda blizu meje uklona 36 kW, medtem ko je pri laserjih z vlakni z ozko širino črte največja moč je 2 kW. Da bi dodatno povečali izhodno moč laserja z vlakni in ojačevalnika, je učinkovita metoda sinteza moči več laserjev z vlakni s tehnologijo koherentne sinteze. V zadnjih letih je postal mednarodna raziskovalna točka.
Koherentno sintezo dosežemo z nadzorom faze, frekvence in polarizacije vsakega laserskega žarka z določeno konsistenco, tako da izpolnjuje pogoj koherence in pridobi homogen fazno zaklenjen izhod, ki lahko doseže veliko višjo intenzivnost vrha kot preprost nekoherentni superpozicija in ohranja dobro kakovost žarka. Zgodovina razvoja tehnologije koherentne sinteze je skoraj tako dolga kot zgodovina samih laserjev in vključuje različne vrste plinskih laserjev, kemičnih laserjev, polprevodniških laserjev, polprevodniških laserjev itd. Vendar pa zaradi nezrelosti različnih naprav v zgodnjih dneh eksperimentalni rezultati, doseženi s tehnologijo koherentne sinteze, takrat niso presegli največje izhodne moči ustreznega laserja z enojno povezavo, zato učinek ni bil zelo očiten. Od leta 1990 naprej je pojav laserjev z vlakni povzročil hiter razvoj tehnik koherentne sinteze. Poleg edinstvenih prednosti laserjev z vlakni in potrebe po taktični uporabi več sto kilovatov je veliko naprav (tj. konusnih spojnikov vlaken, vlaken z več jedri, faznih modulatorjev s pigtaili in akustično-optičnih frekvenčnih preklopnikov itd.) odigralo vlogo. odločilno vlogo pri komercialni uvedbi komunikacij z optičnimi vlakni. Spojniki s stožčastimi vlakni in večjedrna vlakna olajšajo pasivno fazno krmiljenje na podlagi sklopitve z vbrizgavanjem laserske energije in sklopitve s hitrimi valovi, medtem ko fazni modulatorji s pigtaili in akustično-optičnimi frekvenčnimi preklopniki omogočajo aktivno fazno krmiljenje z megaherčnimi krmilnimi pasovnimi širinami, ki se lahko uporabljajo za nadzor faznih nihanj pri pogoji visoke moči in doseganje fazno zaklenjenih izhodov. Raziskovalci so predlagali številne značilne sheme koherentne sinteze.
Spektralna sinteza je tehnika nekoherentne sinteze, ki uporablja eno ali več uklonskih rešetk za uklon več podžarkov v isto zaslonko, kar ima za posledico eno samo zaslonko z dobro kakovostjo žarka. Spektralna sinteza laserjev z vlakni lahko v celoti izkoristi široko pasovno širino laserjev z vlakni, dopiranimi z Yb, za kompenzacijo omejene izhodne moči laserja z enim vlaknom.
