Шта је фибер ласер?

Шта је фибер ласер?

Оптичко влакно је скраћеница за оптичко влакно и обично је цилиндрични таласовод за светлосне таласе. Користи принцип потпуне рефлексије да ограничи светлосне таласе на језгро и води их у правцу осе влакана. Замена бакарне жице кварцним стаклом променила је свет.

Као медиј за провођење светлосних таласа, оптичко влакно се широко користи од 1966. године када га је представио Чарлс Као, захваљујући свом високом комуникационом капацитету, високој отпорности на сметње, малом губитку у преносу, великој удаљености релеја, доброј поверљивости, прилагодљивости, малој величини , мала тежина и обилни извори сировина. Познат као „отац оптичких влакана“, Као је за свој рад добио Нобелову награду за физику 2009. године. Са повећањем савршенства и практичности оптичких влакана, она је револуционисала телекомуникациону индустрију и у великој мери заменила бакарну жицу као основну компоненту модерних комуникација.

Комуникациони систем оптичких влакана је комуникациони систем који користи светлост као носилац информација и оптичко влакно као медијум за вођење таласа. Када оптичко влакно преноси информације, електрични сигнал се трансформише у оптички сигнал, који се затим преноси унутар влакна. Као комуникациона технологија у настајању, оптичка комуникација је од самог почетка показала неупоредиву супериорност и привукла је велико интересовање и широку пажњу. Широка употреба оптичких влакана у комуникацијама такође је допринела брзом развоју оптичких појачала и оптичких ласера ​​у исто време. Поред комуникација, оптички системи се такође користе у широком спектру примена у медицини, сенсингу и другим областима.

Оптичка влакна

Медијум за појачање оптичког ласера ​​је активно влакно. Према својој структури може се поделити на једномодно влакно, двоструко обложено влакно и фотонско кристално влакно три.

Једномодно оптичко влакно Једномодно влакно се састоји од језгра, омотача и слоја превлаке, где је индекс преламања материјала језгра н1, већи од индекса преламања материјала омотача н2, када је упадни угао упадне светлости већи од слика критичног угла, светлосни сноп у језгру пуне емисије, тако да се влакно може везати за светлосни сноп у ширењу језгра. Унутрашња облога једномодних влакана не може да игра ограничавајућу улогу за светлост вишемодних пумпи, а нумерички отвор језгра је низак, тако да се само једномодно спајање светлости пумпе у језгро може користити за добијање ласерског излаза. Рани ласери са влакнима користили су ово једномодно влакно, што је резултирало ниском ефикасношћу спајања и ласерима са излазном снагом у опсегу миливата.

Двоструко обложена влакна

Да би се превазишла ограничења конвенционалних једномодних, једноструко обложених влакана допираних итербијумом (Иб3 плус) у погледу ефикасности конверзије и излазне снаге, Маурер (Р. Маурер) је први предложио концепт двоструко обложених влакана 1974. године. Од тада, тек 1988. године, када су Е. Снитзер и други предложили технологију пумпања омотача [3], брзо су се развили ласери/појачивачи са влакнима допиране Иб-ом велике снаге.

Двоструко обложено влакно је оптичко влакно са посебном структуром која додаје унутрашњи слој омотача конвенционалном влакну, који се састоји од слоја превлаке, унутрашњег слоја омотача, спољашњег слоја омотача и допираног језгра влакна. Технологија пумпања омотача заснована је на двоструко обложеном влакну, чије језгро треба да омогући пренос светлости вишемодних пумпи у унутрашњој облоги и да се ласерско светло преноси у језгру, омогућавајући ефикасност конверзије пумпања и излазну снагу ласер са влакнима треба знатно побољшати. Структура двоструко обложених влакана, облик унутрашње облоге и метода спајања светлости пумпе су кључ ове технологије.

Језгро двоструко обложеног влакна је састављено од силицијум диоксида (СиО2) допираног елементима ретких земаља, који је и ласерски медијум и канал за пренос ласерског сигнала у ласеру са влакнима, који одговара радној таласној дужини. Попречна величина (десетине пута већи од пречника конвенционалног језгра) и нумерички отвор унутрашње облоге су много већи од величине језгра, а индекс преламања је мањи од индекса језгра, што у потпуности ограничава ширење ласерске светлости унутар језгра. Ово ствара оптички таласовод великог попречног пресека, великог нумеричког отвора између језгра и спољашње облоге, који омогућава велики нумерички отвор, велики попречни пресек и вишемодну пумпану светлост велике снаге да се повеже у влакно и ограничи на пренос унутар унутрашња облога без дифузије, олакшава одржавање оптичког пумпања велике густине снаге. Спољашња облога је састављена од полимерног материјала са мањим индексом преламања од унутрашње облоге; најудаљенији слој је заштитни слој састављен од органског материјала. Подручје спајања двоструко обложеног влакна са пумпаним светлом је одређена величином унутрашње облоге, за разлику од конвенционалних једномодних влакана, која су одређена само језгром. С једне стране, ово побољшава ефикасност спајања снаге ласера ​​са људским влакнима, дозвољавајући светлости пумпе да прође кроз унутрашњу облогу неколико пута како би побудила допиране јоне за ласерску емисију; с друге стране, квалитет излазног снопа је одређен природом језгра влакна, а увођење унутрашње облоге не уништава квалитет снопа излазног ласерског влакна.

У почетку, унутрашња облога од двоструко обложених влакана била је цилиндрично симетрична и релативно једноставна за производњу и лако спојена на пигтаил ласерске диоде пумпе (ЛД), али је њена савршена симетрија резултирала великим бројем спиралних зрака светлости пумпе у унутрашња облога која никада није стигла до региона језгра чак ни након довољно рефлексија да би је апсорбовала језгро, тако да чак и са дужим влакнима и даље постоји велика количина цурења светлости, што отежава побољшање ефикасности конверзије. Из тог разлога, цилиндрична симетрија унутрашње облоге мора бити прекинута.

Фотонска кристална влакна

У нормалним двоструко обложеним влакнима, геометрија језгра одређује излазну снагу ласера. Нумеричка бленда одређује квалитет зрака излазног ласера. Због ограничења нелинеарних ефеката, оптичких оштећења и других физичких механизама у оптичким влакнима, једно средство за повећање пречника језгра не може задовољити потражњу за једномодним радом при великој излазној снази у влакнима са двоструком облогом поља великог мода. Појава специјалних влакана, као што су фотонска кристална влакна (ПЦФ), пружа ефикасно техничко решење за овај изазов.

Концепт фотонских кристала је први увео Е. Иаблоновитцх 19871. године1 као периодичну структуру са различитим диелектричним константама у једној, две или три димензије која дозвољава светлости да се шири у појасу фотонске проводљивости и забрањује светлости да се шири у фотонском појасу ( ПБГ). ПЦФ су дводимензионални фотонски кристали, такође познати као микроструктурна влакна или порозна влакна, а 1996. ЈЦ Книгхт ет ал. произвео прве ПЦФ са механизмом за вођење светлости сличним оном код конвенционалних влакана са тоталном унутрашњом рефлексијом. После 2005. године, дизајн и припрема ПЦФ поља великог мода почели су да се диверзификују, са појавом различитих облика, укључујући ПЦФ-ове са пропусним каналима, ПЦФ-ове у облику шипке, ПЦФ-ове великог нагиба и ПЦФ-ове са више језгара. Сходно томе, површина поља модова влакна је такође наставила да се повећава.

По изгледу, ПЦФ-ови су веома слични конвенционалним једномодним влакнима, али микроскопски показују сложене структуре низа рупа. Управо ове структурне карактеристике дају ПЦФ-овима јединствене и неупоредиве предности у односу на конвенционална влакна, као што су једномодни пренос без прекида, област поља великог мода, подесива дисперзија и ниски гранични губици, који могу да превазиђу многе изазове конвенционалних ласера . На пример, ПЦФ може да постигне рад у једном режиму у области поља великог режима, истовремено обезбеђујући квалитет зрака, значајно смањујући густину снаге ласера ​​у влакну, смањујући нелинеарне ефекте у влакну и повећавајући праг оштећења влакна; може постићи велики нумерички отвор, што значи да се може постићи више оптичке спреге пумпе и ласерски излаз веће снаге. Ово га је учинило новим нагласком у истраживању фибер ласера, који игра све важнију улогу у примени ласера ​​са влакнима велике снаге.

Проналазак ласера ​​са влакнима

Ласери који користе оптичка влакна као медијум за појачавање ласера ​​познати су као ласери са влакнима. Као и други типови ласера, састоји се од три дела: медијума за појачавање, извора пумпе и резонантне шупљине. фибер ласери користе активно влакно са језгром допираним елементима ретких земаља као медијум за појачање. Полупроводнички ласер се углавном користи као извор пумпе. Резонантна шупљина је генерално састављена од рефлектујућих огледала, крајњих површина влакана, прстенастих огледала од влакана или решетки од влакана.

Према карактеристикама временског домена ласера ​​са влакнима, може се поделити на ласер са континуираним влакнима и ласер са импулсним влакнима; према структури резонантне шупљине, може се поделити на ласер са линеарном шупљином, фибер ласер са дистрибуираном повратном спрегом и ласер са прстенастим влакнима; према појачању влакана и различитим методама пумпања, може се поделити на ласер са једним омотачем (пумпање језгра влакана) и ласер са двоструким омотачем (пумпање са плаштом).

Године 1961. Снитзер је открио ласерско зрачење у стакленим таласоводима допираним неодимијумом (Нд). 1966, Као је детаљно проучавао главне узроке слабљења светлости у оптичким влакнима и указао на главне техничке проблеме које је потребно решити за практичну примену оптичких влакана у комуникацијама. 1970. године, Цорнинг у САД је развио оптичка влакна са слабљењем мањим од 20 дБ/км, што је поставило темеље за развој индустрије оптичких комуникација и оптоелектронике. Тиме су постављени темељи за развој индустрије оптичких комуникација и оптоелектронике. Током 1970-их и 1980-их, сазревање и комерцијализација полупроводничке ласерске технологије обезбедиле су поуздан и разнолик извор пумпе за развој ласера ​​са влакнима. У исто време, развој методе хемијског таложења паре чини губитак преноса оптичких влакана континуирано смањен. Фибер ласери се такође брзо развијају у правцу диверсификације, са влакнима допираним разним елементима ретких земаља, као што су ербијум (Ер3 плус), итербијум (Иб3 плус), неодимијум (Нд3 плус), самаријум (См 3 плус), тулијум (Тм3 плус), холмијум (Хо3 плус), празеодимијум (Пр3 плус), диспрозијум (Ди3 плус), бизмут (Би3 плус) и тако даље. У зависности од допираних јона, могу се постићи различите таласне дужине ласерског излаза. За испуњавање захтева различитих апликација.

Карактеристике ласера ​​са влакнима велике снаге

Предности ласера ​​са влакнима велике снаге су следеће.

(1) Добар квалитет зрака. Таласноводна структура оптичког влакна олакшава добијање излаза једног попречног мода, а утицај спољних фактора је веома мали, да би се постигао ласерски излаз високе светлости.

(2) Висока ефикасност. Фибер ласер одабиром таласне дужине емисије и апсорпционих карактеристика допираних реткоземних елемената полупроводничког ласера ​​за извор пумпе, можете постићи веома високу ефикасност конверзије светлости. За ласере са влакнима велике снаге допиране итербијумом, генерално бирајте полупроводничке ласере од 915 нм или 975 нм, због једноставне структуре енергетског нивоа Иб3 плус, мања је вероватноћа да ће доћи до претворбе, апсорпције узбуђеног стања и рафала концентрације, век трајања флуоресценције је дужи и може ефикасно да складишти енергију за рад велике снаге. Укупна електрооптичка ефикасност комерцијалних ласера ​​са влакнима је чак 25 процената, што доприноси смањењу трошкова, уштеди енергије и заштити животне средине.

(3) Добре карактеристике одвођења топлоте. Фибер ласери се користе као медијум за појачање ласера ​​користећи танко влакно допирано елементима ретких земаља са веома великим односом површине и запремине. Око 1000 пута већи ласер од чврстог блока, у смислу капацитета одвођења топлоте, има природну предност. Није потребно посебно хлађење влакана за случајеве мале и средње снаге, а водено хлађење се користи за кућишта велике снаге, што такође ефикасно избегава деградацију квалитета зрака и ефикасности услед топлотних ефеката који се обично налазе у чврстим ласерима.

(4) Компактна структура, висока поузданост. Пошто ласер са влакнима користи мала и флексибилна влакна као медиј за појачавање ласера, помаже у компримовању запремине и уштеди трошкова. Извор пумпе се такође користи у малим величинама, лаким за модуларне полупроводничке ласере, комерцијални производи су генерално доступни са пигтаил излазом, у комбинацији са Брагг решетком од влакана и другим уређајима са оптичким влакнима, све док су ови уређаји спојени један са другим да би се постигла пуна влакна, отпорност на еколошке поремећаје, са високом стабилношћу, може уштедети време и трошкове одржавања.

Ласери са влакнима велике снаге такође имају недостатке које је тешко превазићи: један је рањивост на нелинеарне ефекте. Ласери са влакнима имају дугу ефективну дужину и низак праг за различите нелинеарне ефекте због геометрије њихових таласовода. Неки штетни нелинеарни ефекти као што су побуђено Раманово расејање (СРС), самофазна модулација (СПМ) итд. могу изазвати флуктуације фазе и пренос енергије на спектру, или чак оштетити ласерски систем, ограничавајући развој влакана велике снаге ласери. Други је ефекат замрачења фотона. Са повећањем времена пумпања, ефекат затамњења фотона може довести до високе концентрације допинга влакана допираних елементима ретких земаља ефикасности монотоно иреверзибилног пада, ограничавајући дугорочну стабилност и радни век ласера ​​са влакнима велике снаге, што је посебно очигледно у ласерима са влакнима велике снаге допираним итербијумом.

Са напретком полупроводничких ласера ​​са спојеним влакнима велике светлости и технологије двоструко обложених влакана, излазна снага, ефикасност оптичке конверзије у оптичку и квалитет снопа ласера ​​са влакнима велике снаге су се значајно развили. У индустријској обради, усмерено енергетско оружје, телеметрија дугог домета, ЛИДАР и друге примене велике потражње, углавном у Сједињеним Државама Апацхе Пхотоницс (ИПГ Пхотоницс), Нуферн (Нуферн), Нлигхт (Нлигхт) и Немачкој Тонг Екпресс Гроуп, углавном истраживачке јединице за континуирани талас, пулсно таласно истраживање и развој ласерског ласера ​​велике снаге, покренуле су богату линију производа. Узбудљиве резултате известиле су и бројне јединице у Кини, укључујући Универзитет Тсингхуа, Национални универзитет за одбрамбену технологију, Шангајски институт за оптику и прецизне машине Кинеске академије наука и Четврти истраживачки институт Кинеске аерокосмичке науке и Индустри Цорпоратион.

Технологија повећања снаге ласерског влакна

Због нелинеарних ефеката у ласеру са влакнима, термичких ефеката и ограничења прага оштећења материјала, излазна снага ласера ​​са једним влакном је ограничена до одређене мере, а како се снага повећава, квалитет зрака постепено опада, што захтева употребу технологије контроле режима и дизајна посебне структуре новог влакна за побољшање квалитета зрака. Давсон (ЈВ Давсон) и сарадници су теоретски анализирали ограничење излазне снаге једног влакна и израчунали да у широкопојасним ласерима са влакнима једно влакно може добити максималну снагу од 36 кВ близу границе дифракције ласерског излаза, док је за ласере са влакнима уске ширине линије максимални снага је 2 кВ. Да би се додатно побољшала излазна снага ласера ​​са влакнима и појачала, синтеза снаге вишеструких ласера ​​са влакнима помоћу технологије кохерентне синтезе је ефикасан метод. Последњих година је постао међународна истраживачка тачка.

Кохерентна синтеза се постиже контролисањем фазе, фреквенције и поларизације сваког ласерског зрака са одређеном конзистенцијом, тако да испуњава услов кохерентности и добија хомогени фазно закључан излаз, који може да добије много већи вршни интензитет од једноставног некохерентног суперпозиција и одржавање доброг квалитета зрака. Историја развоја технологије кохерентне синтезе дуга је скоро као и историја самих ласера, а укључује разне врсте гасних ласера, хемијских ласера, полупроводничких ласера, ласера ​​на чврстом стању, итд. Међутим, због незрелости различитих уређаја у раним данима, експериментални резултати постигнути технологијом кохерентне синтезе нису пробили максималну излазну снагу одговарајућег једнолинког ласера ​​у то време, тако да ефекат није био баш очигледан. Од 1990-их па надаље, појава ласера ​​са влакнима довела је до брзог развоја техника кохерентне синтезе. Поред јединствених предности оптичких ласера ​​и потребе за тактичком употребом стотина киловата, неколико уређаја (тј. конусних спојница са влакнима, влакана са више језгара, фазних модулатора са пигтаилима и акусто-оптичким фреквентним померачима, итд.) одиграло је велику улогу. кључну улогу у комерцијалном увођењу оптичких комуникација. Конусни спојници и влакна са више језгара олакшавају пасивну фазну контролу засновану на спрези убризгавања ласерске енергије и спајању брзих таласа, док фазни модулатори са пигтаилима и акусто-оптичким померачима фреквенције омогућавају активну контролу фазе са мегахерцним контролним опсегом, који се може користити за контролу флуктуација фаза на услове велике снаге и постизање фазно закључаних излаза. Истраживачи су предложили бројне карактеристичне кохерентне шеме синтезе.

Спектрална синтеза је некохерентна техника синтезе која користи једну или више дифракционих решетки за дифракцију више подзракова у исти отвор, што резултира једним излазом бленде са добрим квалитетом зрака. Спектрална синтеза ласера ​​са влакнима може у потпуности да искористи широк опсег појачања ласера ​​са влакнима допираним Иб да би се компензовала ограничена излазна снага једног ласера ​​са влакнима.