Hva er en fiberlaser?
Optisk fiber er en forkortelse for optisk fiber og er vanligvis en sylindrisk bølgeleder for lysbølger. Den bruker prinsippet om total refleksjon for å begrense lysbølger til kjernen og lede dem i retning av fiberaksen. Å erstatte kobbertråd med kvartsglass forandret verden.
Som et medium for å lede lysbølger har optisk fiber blitt mye brukt siden 1966 da den ble introdusert av Charles Kao, takket være sin høye kommunikasjonskapasitet, høye interferensimmunitet, lavt overføringstap, lang reléavstand, god konfidensialitet, tilpasningsevne, liten størrelse , lett vekt og rikelig med kilder til råvarer. Kjent som "fiberoptikkens far", ble Kao tildelt Nobelprisen i fysikk i 2009 for sitt arbeid. Med den økende perfeksjonen og funksjonaliteten til fiberoptikk har den revolusjonert telekommunikasjonsindustrien og har i stor grad erstattet kobbertråd som kjernekomponenten i moderne kommunikasjon.
Optisk fiberkommunikasjonssystem er et kommunikasjonssystem som bruker lys som informasjonsbærer og optisk fiber som bølgeledermedium. Når optisk fiber overfører informasjon, transformeres det elektriske signalet til et optisk signal, som deretter overføres inne i fiberen. Som en fremvoksende kommunikasjonsteknologi har fiberoptisk kommunikasjon vist enestående overlegenhet helt fra begynnelsen og har tiltrukket seg stor interesse og bred oppmerksomhet. Den utbredte bruken av optiske fibre i kommunikasjon har også bidratt til den raske utviklingen av fiberoptiske forsterkere og fiberlasere på samme tid. I tillegg til kommunikasjon, brukes fiberoptiske systemer også i en lang rekke bruksområder innen medisin, sansing og andre felt.
Optiske fibre
Forsterkningsmediet til en fiberlaser er den aktive fiberen. I henhold til strukturen kan den deles inn i single-mode fiber, dobbeltkledd fiber og fotonisk krystallfiber tre.
Single-mode optisk fiber single-mode fiber består av en kjerne, kledning og belegglag, der brytningsindeksen til kjernematerialet n1 er høyere enn kledningsmaterialets brytningsindeks n2, når innfallsvinkelen til det innfallende lyset er større enn kritisk vinkel bilde, lysstrålen i kjernen av den fulle emisjonen, slik at fiberen kan bindes til lysstrålen i kjerneforplantningen. Den indre kledningen av enkeltmodusfibre kan ikke spille en begrensende rolle for multimodus pumpelys, og den numeriske blenderåpningen til kjernen er lav, så bare enkeltmodus pumpelyskobling inn i kjernen kan brukes for å oppnå laserutgang. Tidlige fiberlasere brukte denne enkeltmodusfiberen, noe som resulterte i lav koblingseffektivitet og lasere med utgangseffekt i milliwattområdet.
Dobbeltkledde fibre
For å overvinne begrensningene til konvensjonelle enkelt-modus, enkeltkledde ytterbium-dopet (Yb3 pluss) fibre på konverteringseffektivitet og utgangseffekt, foreslo Maurer (R. Maurer) først konseptet med dobbeltkledde fibre i 1974. Siden den gang var det ikke før i 1988, da E. Snitzer og andre foreslo kledningspumpeteknologi [3], at høyeffekt Yb-dopede fiberlasere/forsterkere ble raskt utviklet.
En dobbeltkledd fiber er en optisk fiber med en spesiell struktur som tilfører et indre kledningslag til den konvensjonelle fiberen, bestående av et belegglag, et indre kledningslag, et ytre kledningslag og en dopet fiberkjerne. Pumpeteknologien for kledning er basert på en dobbeltkledd fiber, hvis kjerne skal tillate at multimodus pumpelys overføres i den indre kledningen og laserlys kan overføres i kjernen, slik at pumpekonverteringseffektiviteten og utgangseffekten til fiberlaseren skal forbedres betydelig. Strukturen til den dobbeltkledde fiberen, formen på den indre kledningen og pumpelyskoblingsmetoden er nøklene til denne teknologien.
Kjernen i den dobbeltkledde fiberen er sammensatt av silisiumdioksid (SiO2) dopet med sjeldne jordelementer, som er både lasermediet og overføringskanalen til lasersignalet i fiberlaseren, tilsvarende arbeidsbølgelengden. Tverrstørrelsen (ti titalls ganger diameteren til en konvensjonell kjerne) og den numeriske åpningen til den indre kledningen er mye større enn kjernens, og brytningsindeksen er mindre enn kjernens, noe som begrenser spredningen av laserlys fullstendig. innenfor kjernen. Dette skaper en optisk bølgeleder med stor tverrsnitt, stor numerisk blenderåpning mellom kjernen og den ytre kledningen, som gjør at stor numerisk blenderåpning, stort tverrsnitt og multi-modus høyeffektpumpet lys kan kobles inn i fiberen og begrenses til overføring innenfor den indre kledningen uten diffusjon, forenkler vedlikeholdet av optisk pumping med høy effekttetthet. Den ytre kledningen er sammensatt av et polymermateriale med en mindre brytningsindeks enn den indre kledningen; det ytterste laget er et beskyttende lag som består av organisk materiale. Koblingsarealet til den dobbeltkledde fiberen til det pumpede lyset bestemmes av størrelsen på den indre kledningen, i motsetning til konvensjonelle enkeltmodusfibre, som bestemmes av kjernen alene. På den ene siden forbedrer dette kraftkoblingseffektiviteten til den menneskelige fiberlaseren, og lar pumpelyset passere gjennom den indre kledningen flere ganger for å eksitere dopede ioner for laseremisjon; på den annen side bestemmes utgangsstrålekvaliteten av fiberkjernens natur, og innføringen av den indre kledningen ødelegger ikke strålekvaliteten til fiberlaserutgangen.
Opprinnelig var den indre kledningen av dobbeltkledde fibre sylindrisk symmetrisk og relativt enkel å fremstille og lett å koble til pigtailen til pumpelaserdioden (LD), men dens perfekte symmetri resulterte i et stort antall spiralstråler av pumpelys i den indre kledningen som aldri nådde kjerneområdet selv etter nok refleksjoner til å bli absorbert av kjernen, slik at selv med en Selv med lengre fibre er det fortsatt en stor mengde lyslekkasje, noe som gjør det vanskelig å forbedre konverteringseffektiviteten. Av denne grunn må den sylindriske symmetrien til den indre kledningen brytes.
Fotoniske krystallfibre
I vanlige dobbeltkledde fibre bestemmer geometrien til kjernen den utgående lasereffekten. Den numeriske blenderåpningen bestemmer strålekvaliteten til utgangslaseren. På grunn av begrensningene til ikke-lineære effekter, optiske skader og andre fysiske mekanismer i optiske fibre, kan ikke en enkelt måte å øke kjernediameteren møte etterspørselen etter enkeltmodusdrift ved høy effekt i stormodusfelt dobbeltkledningsfibre. Fremveksten av spesielle fibre, som fotoniske krystallfibre (PCF), gir en effektiv teknisk løsning på denne utfordringen.
Konseptet med fotoniske krystaller ble først introdusert av E. Yablonovitch i 19871 som en periodisk struktur med forskjellige dielektriske konstanter i én, to eller tre dimensjoner som tillater lys å forplante seg i det fotoniske ledningsbåndet og hindrer lys å forplante seg i det fotoniske båndgapet ( PBG). PCF-er er todimensjonale fotoniske krystaller, også kjent som mikrostrukturerte fibre eller porøse fibre, og i 1996 JC Knight et al. produserte de første PCF-ene med en lysledende mekanisme som ligner på konvensjonelle fibre med total intern refleksjon. Etter 2005 begynte utformingen og forberedelsen av stormodusfelt-PCF-er å diversifisere seg, med fremveksten av forskjellige former, inkludert lekkende kanal-PCF-er, stavformede PCF-er, PCF-er med stor tonehøyde og PCF-er med flere kjerner. Modusfeltarealet til fiberen har også fortsatt å øke tilsvarende.
Utseendemessig ligner PCF-er veldig på konvensjonelle enkeltmodusfibre, men mikroskopisk viser de komplekse hullstrukturer. Det er disse strukturelle egenskapene som gir PCF-er unike og uovertrufne fordeler i forhold til konvensjonelle fibre, slik som avskjæringsfri enkeltmodusoverføring, stort modusfeltområde, justerbar spredning og lavt begrensende tap, som kan overvinne mange av utfordringene til konvensjonelle lasere. . For eksempel kan PCF oppnå enkeltmodusdrift i et stort modusfeltområde, samtidig som det sikrer strålekvalitet, reduserer lasereffekttettheten i fiberen betydelig, reduserer ikke-lineære effekter i fiberen og øker skadeterskelen til fiberen; den kan oppnå en stor numerisk blenderåpning, noe som betyr mer pumpeoptisk kobling og høyere effekt laserutgang kan oppnås. Dette har gjort det til et nytt forskningshøydepunkt innen fiberlasere, og spiller en stadig viktigere rolle i bruken av fiberlasere med høy effekt.
Oppfinnelsen av fiberlaseren
Lasere som bruker optiske fibre som laserforsterkningsmedium er kjent som fiberlasere. Som andre typer lasere består den av tre deler: forsterkningsmediet, pumpekilden og resonanshulrommet. fiberlasere bruker en aktiv fiber med en kjerne dopet med sjeldne jordartselementer som forsterkningsmedium. En halvlederlaser brukes vanligvis som pumpekilde. Resonanshulrommet er vanligvis sammensatt av reflekterende speil, fiberendeflater, fiberringspeil eller fibergitter.
I henhold til tidsdomenekarakteristikkene til fiberlaseren, kan den deles inn i kontinuerlig fiberlaser og pulserende fiberlaser; i henhold til resonanshulestrukturen kan den deles inn i lineær hulromfiberlaser, distribuert feedbackfiberlaser og ringhulromfiberlaser; i henhold til forsterkningsfiberen og de forskjellige pumpemetodene, kan den deles inn i enkeltkledningsfiberlaser (fiberkjernepumping) og dobbeltkledningsfiberlaser (kledningspumping).
I 1961 oppdaget Snitzer laserstråling i neodym (Nd)-dopet glassbølgeledere. I 1966 studerte Kao i detalj hovedårsakene til lysdemping i optiske fibre og påpekte de viktigste tekniske problemene som må løses for praktisk anvendelse av optiske fibre i kommunikasjon. I 1970 utviklet Corning i USA optiske fibre med demping mindre enn 20 dB/km, noe som la grunnlaget for utviklingen av den optiske kommunikasjons- og optoelektronikkindustrien. Dette la grunnlaget for utviklingen av den optiske kommunikasjons- og optoelektronikkindustrien. På 1970- og 1980-tallet ga modning og kommersialisering av halvlederlaserteknologi en pålitelig og mangfoldig pumpekilde for utvikling av fiberlasere. Samtidig reduserer utviklingen av kjemisk dampavsetningsmetode overføringstapet av fiberoptikk kontinuerlig. Fiberlasere utvikler seg også raskt i retning av diversifisering, med fibre dopet med en rekke sjeldne jordartselementer, slik som erbium (Er3 pluss ), ytterbium (Yb3 pluss ), neodym (Nd3 pluss ), samarium (Sm 3 pluss ), thulium (Tm3 pluss ), holmium (Ho3 pluss ), praseodym (Pr3 pluss ), dysprosium (Dy3 pluss ), vismut (Bi3 pluss ) og så videre. Avhengig av ionene dopet, kan forskjellige bølgelengder av laserutgang oppnås. For å møte kravene til forskjellige applikasjoner.
Funksjoner av fiberlasere med høy effekt
Fordelene med fiberlasere med høy effekt er som følger.
(1) God strålekvalitet. Bølgelederstrukturen til den optiske fiberen gjør det enkelt å oppnå en enkelt tverrmodusutgang, og påvirkningen av eksterne faktorer er svært liten, for å oppnå en laserutgang med høy lysstyrke.
(2) Høy effektivitet. Fiberlaser ved å velge emisjonsbølgelengde og dopede sjeldne jordelementers absorpsjonsegenskaper til halvlederlaseren for pumpekilden, kan du oppnå en meget høy lys- og lyskonverteringseffektivitet. For ytterbium-dopede fiberlasere med høy effekt, velg vanligvis 915nm eller 975nm halvlederlasere, på grunn av den enkle energinivåstrukturen til Yb3 plus, er det mindre sannsynlig at oppkonvertering, eksitert tilstandsabsorpsjon og konsentrasjonsutbrudd oppstår, fluorescenslevetiden er lengre og kan effektivt lagre energi for drift med høy effekt. Den totale elektro-optiske effektiviteten til kommersielle fiberlasere er så høy som 25 prosent, noe som bidrar til kostnadsreduksjon, energisparing og miljøvern.
(3) Gode varmespredningsegenskaper. Fiberlasere brukes som et laserforsterkningsmedium ved bruk av en tynn, sjeldne jordartselement-dopet fiber med et veldig stort overflateareal til volumforhold. Omtrent 1000 ganger solid block laser, når det gjelder varmeavledningskapasitet har en naturlig fordel. Ingen spesiell kjøling av fiberen er nødvendig for lav- og mediumeffekttilfeller, og vannkjøling brukes til høyeffekttilfeller, som også effektivt unngår forringelse av strålekvalitet og effektivitet på grunn av termiske effekter som vanligvis finnes i solid-state lasere.
(4) Kompakt struktur, høy pålitelighet. Ettersom fiberlaseren bruker en liten og fleksibel fiber som laserforsterkningsmedium, hjelper den å komprimere volumet og spare kostnader. Pumpekilden brukes også i små, enkle å modulære halvlederlasere, kommersielle produkter er generelt tilgjengelige med pigtail-utgang, kombinert med fiber Bragg-gitter og andre fiberoptiske enheter, så lenge disse enhetene er smeltet sammen for å oppnå full fiber, immunitet mot miljøforstyrrelser, med høy stabilitet, kan spare vedlikeholdstid og kostnader.
Fiberlasere med høy effekt har også ulemper som er vanskelige å overvinne: den ene er sårbarheten for ikke-lineære effekter. Fiberlasere har en lang effektiv lengde og en lav terskel for ulike ikke-lineære effekter på grunn av geometrien til deres bølgeledere. Noen skadelige ikke-lineære effekter som eksitert Raman-spredning (SRS), selvfasemodulasjon (SPM) osv. kan forårsake fasesvingninger og energioverføring på spekteret, eller til og med skade på lasersystemet, noe som begrenser utviklingen av høyeffektfiber. lasere. Den andre er fotonformørkingseffekten. Med økningen i pumpetid kan fotonformørkingseffekten føre til høy dopingkonsentrasjon av sjeldne jordelement-dopet fibereffektkonverteringseffektivitet monotont irreversibel nedgang, noe som begrenser den langsiktige stabiliteten og levetiden til høyeffektfiberlasere, noe som er spesielt tydelig. i ytterbium-dopede fiberlasere med høy effekt.
Med utviklingen av fiberkoblede halvlederlasere med høy lysstyrke og dobbeltkledd fiberteknologi, har utgangseffekten, effektiviteten av optisk-til-optisk konvertering og strålekvaliteten til fiberlasere med høy effekt utviklet seg betydelig. I industriell prosessering, rettet energivåpen, langdistanse-telemetri, LIDAR og andre applikasjoner med stor etterspørselskraft, til USA Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) og Tyskland Tong Express Group, hovedsakelig Forskningsenheter på kontinuerlig bølge, pulsbølge høyeffekts fiber laser forskning og utvikling, lanserte en rik produktlinje. Spennende resultater har også blitt rapportert av en rekke enheter i Kina, inkludert Tsinghua University, National University of Defense Technology, Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery ved Chinese Academy of Sciences og Fourth Research Institute of the China Aerospace Science og Industry Corporation.
Energiforbedringsteknologi for fiberlaser
På grunn av de ikke-lineære effektene i fiberlaseren, termiske effekter og terskelbegrensninger for materiell skade, er utgangseffekten til en enkelt fiberlaser begrenset til en viss grad, og etter hvert som effekten øker, reduseres strålekvaliteten gradvis, noe som krever bruk av moduskontrollteknologi og utformingen av en spesiell struktur av den nye fiberen for å forbedre strålekvaliteten. Dawson (JW Dawson) et al analyserte teoretisk utgangseffektgrensen for en enkelt fiber og beregnet at i bredbåndsfiberlasere kan en enkelt fiber oppnå en maksimal effekt på 36 kW nær diffraksjonsgrensen laserutgang, mens for fiberlasere med smal linjebredde, den maksimale effekt er 2 kW. For ytterligere å forbedre utgangseffekten til fiberlaseren og forsterkeren, er kraftsyntese av flere fiberlasere ved hjelp av koherent synteseteknologi en effektiv metode. Det har blitt et internasjonalt forskningshotspot de siste årene.
Koherent syntese oppnås ved å kontrollere fasen, frekvensen og polariseringen til hver laserstråle med en viss konsistens, slik at den oppfyller koherensbetingelsen og oppnår en homogen faselåst utgang, som kan oppnå en mye høyere toppintensitet enn enkel ikke-koherent. superposisjon og opprettholde god strålekvalitet. Historien om utviklingen av koherent synteseteknologi er nesten like lang som selve lasernes historie, og involverer ulike typer gasslasere, kjemiske lasere, halvlederlasere, solid-state lasere osv. Men på grunn av umodenhet til ulike enheter i de tidlige dagene brøt ikke de eksperimentelle resultatene oppnådd med koherent synteseteknologi gjennom den maksimale utgangseffekten til den tilsvarende enkeltlenkelaseren på den tiden, så effekten var ikke særlig åpenbar. Fra 1990-tallet og utover førte fremkomsten av fiberlasere til en rask utvikling av sammenhengende synteseteknikker. I tillegg til de unike fordelene med fiberlasere og behovet for taktisk bruk av hundrevis av kilowatt, har flere enheter (dvs. fiberkjeglekoblere, flerkjernefibre, fasemodulatorer med pigtails og akusto-optiske frekvensskiftere, etc.) spilt en avgjørende rolle i den kommersielle utrullingen av fiberoptisk kommunikasjon. Fiberkjeglekoblinger og flerkjernefibre letter passiv fasekontroll basert på laserenergiinjeksjonskobling og rask bølgekobling, mens fasemodulatorer med pigtails og akusto-optiske frekvensskiftere muliggjør aktiv fasekontroll med megahertz kontrollbåndbredder, som kan brukes til å kontrollere fasesvingninger ved høye effektforhold og oppnå faselåste utganger. Forskere har foreslått en rekke karakteristiske sammenhengende synteseopplegg.
Spektralsyntese er en ikke-koherent synteseteknikk som bruker ett eller flere diffraksjonsgitter for å diffraktere flere delstråler inn i samme blenderåpning, noe som resulterer i en enkelt blenderåpning med god strålekvalitet. Spektralsyntese av fiberlasere kan utnytte den brede forsterkningsbåndbredden til Yb-dopet fiberlasere for å kompensere for den begrensede utgangseffekten til en enkelt fiberlaser.
