Što je fiber laser?
Optičko vlakno je skraćenica za optičko vlakno i obično je cilindrični valovod za svjetlosne valove. Koristi princip potpune refleksije kako bi ograničio svjetlosne valove na jezgru i vodio ih u smjeru osi vlakna. Zamjena bakrene žice kvarcnim staklom promijenila je svijet.
Kao medij za provođenje svjetlosnih valova, optičko vlakno se široko koristi od 1966. kada ga je predstavio Charles Kao, zahvaljujući velikom komunikacijskom kapacitetu, visokoj otpornosti na smetnje, malom gubitku prijenosa, velikoj udaljenosti releja, dobroj povjerljivosti, prilagodljivosti, maloj veličini , mala težina i bogati izvori sirovina. Poznat kao "otac optičkih vlakana", Kao je za svoj rad 2009. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku. S povećanjem savršenstva i praktičnosti optičkih vlakana, ona je revolucionirala telekomunikacijsku industriju i uvelike zamijenila bakrenu žicu kao temeljnu komponentu modernih komunikacija.
Komunikacijski sustav s optičkim vlaknima je komunikacijski sustav koji koristi svjetlost kao prijenosnik informacija i optičko vlakno kao medij za vođenje valova. Kada optičko vlakno prenosi informacije, električni signal se transformira u optički signal, koji se zatim prenosi unutar vlakna. Kao komunikacijska tehnologija u nastajanju, optička komunikacija pokazala je neusporedivu superiornost od samog početka te je privukla veliko zanimanje i široku pozornost. Raširena uporaba optičkih vlakana u komunikacijama također je pridonijela brzom razvoju optičkih pojačala i svjetlovodnih lasera u isto vrijeme. Osim u komunikacijama, optički sustavi također se koriste u širokom rasponu primjena u medicini, senzorima i drugim područjima.
Optička vlakna
Sredstvo pojačanja fiber lasera je aktivno vlakno. Prema svojoj strukturi može se podijeliti na jednomodna vlakna, dvostruko presvučena vlakna i tri fotonska kristalna vlakna.
Jednomodno optičko vlakno Jednomodno vlakno sastoji se od jezgre, obloge i sloja prevlake, gdje je indeks loma materijala jezgre n1 veći od indeksa loma materijala omotača n2, kada je upadni kut upadne svjetlosti veći od slika kritičnog kuta, svjetlosni snop u jezgri pune emisije, tako da se vlakno može vezati na svjetlosni snop u jezgri širenja. Unutarnji omotač monomodnih vlakana ne može igrati ulogu ograničavanja višemodnog svjetla pumpe, a numerička apertura jezgre je niska, tako da se samo spajanje jednomodnog svjetla pumpe u jezgru može koristiti za dobivanje laserskog izlaza. Rani vlaknasti laseri koristili su jednomodno vlakno, što je rezultiralo niskom učinkovitošću spajanja i laserima s izlaznom snagom u rasponu milivata.
Dvostruko presvučena vlakna
Kako bi se prevladala ograničenja konvencionalnih monomodnih vlakana dopiranih iterbijem (Yb3 plus ) s jednom presvlakom na učinkovitost pretvorbe i izlaznu snagu, Maurer (R. Maurer) je prvi predložio koncept dvostruko presvučenih vlakana 1974. godine. Od tada, tek 1988. godine, kada su E. Snitzer i drugi predložili tehnologiju pumpanja omotača [3], vlaknasti laseri/pojačala visoke snage dopirani Yb-om brzo su se razvili.
Dvostruko presvučeno vlakno je optičko vlakno s posebnom strukturom koje dodaje unutarnji sloj omotača konvencionalnom vlaknu, koji se sastoji od sloja premaza, unutarnjeg sloja omotača, vanjskog sloja omotača i dopirane jezgre vlakna. Tehnologija pumpanja obloge temelji se na vlaknu s dvostrukom presvlakom, čija jezgra omogućuje prijenos svjetla pumpe s više modova u unutarnjoj oblogi i prijenos laserskog svjetla u jezgri, omogućujući učinkovitost pretvorbe pumpanja i izlaznu snagu vlaknasti laser biti uvelike poboljšan. Struktura dvostruko obloženog vlakna, oblik unutarnjeg omotača i metoda spajanja svjetla pumpe ključni su za ovu tehnologiju.
Jezgra dvostruko presvučenog vlakna sastoji se od silicijevog dioksida (SiO2) dopiranog elementima rijetkih zemalja, koji je ujedno i laserski medij i prijenosni kanal laserskog signala u fiber laseru, koji odgovara radnoj valnoj duljini. Poprečna veličina (desetke puta veći od promjera konvencionalne jezgre) i numerička apertura unutarnjeg omotača mnogo su veći od indeksa loma jezgre, što u potpunosti ograničava širenje laserske svjetlosti unutar jezgre. Ovo stvara optički valovod velikog poprečnog presjeka s velikom numeričkom aperturom između jezgre i vanjske obloge, što omogućuje spajanje velike numeričke aperture, velikog poprečnog presjeka i višemodne pumpane svjetlosti velike snage u vlakno i ograničeno na prijenos unutar unutarnja obloga bez difuzije, olakšavajući održavanje optičke pumpe velike gustoće snage. Vanjska obloga sastoji se od polimernog materijala s manjim indeksom loma od unutarnje obloge; krajnji vanjski sloj je zaštitni sloj sastavljen od organskog materijala. Područje spajanja dvostruko obloženog vlakna na pumpano svjetlo određeno je veličinom unutarnjeg omotača, za razliku od konvencionalnih jednomodnih vlakana, koja su određena samo jezgrom. S jedne strane, ovo poboljšava učinkovitost povezivanja snage lasera s ljudskim vlaknima, dopuštajući svjetlu pumpe da prođe kroz unutarnju oblogu nekoliko puta kako bi pobudilo dopirane ione za lasersku emisiju; s druge strane, kvaliteta izlazne zrake određena je prirodom jezgre vlakna, a uvođenje unutarnje obloge ne uništava kvalitetu zrake izlaza optičkog lasera.
U početku je unutarnja obloga od dvostruko presvučenih vlakana bila cilindrično simetrična i relativno jednostavna za izradu i lako spajanje na pigtail laserske diode pumpe (LD), ali njezina savršena simetrija rezultirala je velikim brojem spiralnih zraka svjetla pumpe u unutarnja obloga koja nikada nije dosegla područje jezgre čak ni nakon dovoljno refleksije da je jezgra apsorbira, tako da čak i kod Even s dužim vlaknima još uvijek postoji velika količina curenja svjetlosti, što otežava poboljšanje učinkovitosti pretvorbe. Zbog toga se mora narušiti cilindrična simetrija unutarnje obloge.
Fotonska kristalna vlakna
U normalnim dvostrukim vlaknima, geometrija jezgre određuje izlaznu snagu lasera. Numerička apertura određuje kvalitetu zrake izlaznog lasera. Zbog ograničenja nelinearnih učinaka, optičkih oštećenja i drugih fizičkih mehanizama u optičkim vlaknima, samo jedan način povećanja promjera jezgre ne može zadovoljiti zahtjeve za jednomodnim radom pri visokoj izlaznoj snazi u dvostrukim omotačima vlakana velikog moda polja. Pojava posebnih vlakana, kao što su fotonska kristalna vlakna (PCF), pruža učinkovito tehničko rješenje za ovaj izazov.
Koncept fotonskih kristala prvi je uveo E. Yablonovitch 1987. godine kao periodičku strukturu s različitim dielektričnim konstantama u jednoj, dvije ili tri dimenzije koja omogućuje širenje svjetlosti u fotonskom vodljivom pojasu i zabranjuje širenje svjetla u fotonskom pojasu ( PBG). PCF su dvodimenzionalni fotonski kristali, također poznati kao mikrostrukturirana vlakna ili porozna vlakna, a 1996. JC Knight i sur. proizveli su prve PCF-ove s mehanizmom za vođenje svjetlosti sličnim onom kod konvencionalnih vlakana s potpunom unutarnjom refleksijom. Nakon 2005. dizajn i priprema PCF-ova s velikim načinom rada počeli su se diverzificirati, s pojavom različitih oblika, uključujući PCF-ove s curećim kanalima, PCF-ove u obliku šipke, PCF-ove s velikim korakom i višejezgrene PCF-ove. Područje polja moda vlakna također se nastavilo povećavati u skladu s tim.
Po izgledu, PCF-ovi su vrlo slični konvencionalnim jednomodnim vlaknima, ali mikroskopski gledano pokazuju složene strukture niza rupa. Upravo ove strukturne značajke PCF-ima daju jedinstvene i neusporedive prednosti u odnosu na konvencionalna vlakna, kao što je jednomodni prijenos bez prekida, veliko područje polja moda, prilagodljiva disperzija i mali ograničavajući gubitak, koji mogu prevladati mnoge izazove konvencionalnih lasera. . Na primjer, PCF može postići jednomodni rad u velikom području polja moda, uz osiguravanje kvalitete zrake, značajno smanjenje gustoće snage lasera u vlaknu, smanjenje nelinearnih učinaka u vlaknu i povećanje praga oštećenja vlakna; može postići veliku numeričku aperturu, što znači da se može postići veća optička sprega pumpe i laserski izlaz veće snage. To ga je učinilo novim vrhuncem istraživanja u fiber laserima, igrajući sve važniju ulogu u primjeni fiber lasera velike snage.
Izum fiber lasera
Laseri koji koriste optička vlakna kao medij laserskog pojačanja poznati su kao vlaknasti laseri. Kao i druge vrste lasera, sastoji se od tri dijela: medija pojačanja, izvora pumpe i rezonantne šupljine. vlaknasti laseri koriste aktivno vlakno s jezgrom dopiranom elementima rijetke zemlje kao medij pojačanja. Kao izvor pumpe općenito se koristi poluvodički laser. Rezonantna šupljina općenito se sastoji od reflektirajućih zrcala, završnih površina vlakana, prstenastih zrcala vlakana ili rešetki vlakana.
Prema karakteristikama vremenske domene fiber lasera, može se podijeliti na kontinuirani fiber laser i pulsni fiber laser; prema strukturi rezonantne šupljine, može se podijeliti na laser s vlaknima s linearnom šupljinom, laser s vlaknima s distribuiranom povratnom spregom i laser s vlaknima s prstenastom šupljinom; prema pojačanju vlakana i različitim metodama pumpanja, može se podijeliti na laser s jednostrukim omotačem vlakana (pumpanje jezgre vlakna) i laser s dvostrukim omotačem (pumpanje omotačem).
Godine 1961. Snitzer je otkrio lasersko zračenje u staklenim valovodima dopiranim neodimijem (Nd). Kao je 1966. detaljno proučio glavne uzroke slabljenja svjetlosti u optičkim vlaknima i ukazao na glavne tehničke probleme koje je potrebno riješiti za praktičnu primjenu optičkih vlakana u komunikacijama. 1970., Corning u SAD-u razvio je optička vlakna s prigušenjem manjim od 20 dB/km, što je postavilo temelje za razvoj industrije optičkih komunikacija i optoelektronike. Time su postavljeni temelji za razvoj industrije optičkih komunikacija i optoelektronike. U 1970-ima i 1980-ima, sazrijevanje i komercijalizacija tehnologije poluvodičkih lasera pružilo je pouzdan i raznolik izvor pumpi za razvoj fiber lasera. U isto vrijeme, razvoj metode kemijskog taloženja iz pare kontinuirano smanjuje gubitak prijenosa optičkih vlakana. Svjetlovodni laseri također se brzo razvijaju u smjeru diverzifikacije, s vlaknima dopiranim raznim elementima rijetke zemlje, kao što su 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) i tako dalje. Ovisno o dopiranim ionima, mogu se postići različite valne duljine laserskog izlaza. Za ispunjavanje zahtjeva različitih aplikacija.
Značajke fiber lasera velike snage
Prednosti fiber lasera velike snage su sljedeće.
(1) Dobra kvaliteta snopa. Struktura valovoda optičkog vlakna olakšava dobivanje izlaza s jednim poprečnim modom, a utjecaj vanjskih čimbenika vrlo je mali, kako bi se postigao laserski izlaz visoke svjetline.
(2) Visoka učinkovitost. Vlaknasti laser odabirom valne duljine emisije i apsorpcijskih karakteristika dopiranih elemenata rijetke zemlje poluvodičkog lasera za izvor pumpe, možete postići vrlo visoku učinkovitost pretvorbe svjetla u svjetlo. Za vlaknaste lasere velike snage dopirane iterbijem, općenito odaberite poluvodičke lasere od 915 nm ili 975 nm, zbog jednostavne strukture razine energije Yb3 plus, manje je vjerojatno da će doći do pretvorbe, apsorpcije pobuđenog stanja i eksplozija koncentracije, život fluorescencije je duži i može učinkovito pohraniti energiju za rad velike snage. Ukupna elektro-optička učinkovitost komercijalnih lasera s vlaknima je čak 25 posto, što je pogodno za smanjenje troškova, uštedu energije i zaštitu okoliša.
(3) Dobre karakteristike rasipanja topline. Vlaknasti laseri koriste se kao medij za lasersko pojačanje koristeći tanko vlakno dopirano elementima rijetke zemlje s vrlo velikim omjerom površine i volumena. Oko 1000 puta veći laser od čvrstog bloka, u smislu kapaciteta rasipanja topline ima prirodnu prednost. Za kućišta male i srednje snage nije potrebno posebno hlađenje vlakana, a za kućišta velike snage koristi se vodeno hlađenje, čime se također učinkovito izbjegava degradacija kvalitete snopa i učinkovitosti zbog toplinskih učinaka koji se obično nalaze u krutim laserima.
(4) Kompaktna struktura, visoka pouzdanost. Budući da vlaknasti laser koristi mala i fleksibilna vlakna kao medij laserskog pojačanja, pomaže u kompresiji volumena i uštedi troškova. Pumpni izvor također se koristi u poluvodičkim laserima male veličine, jednostavnim za modularne poluvodičke lasere, komercijalni proizvodi općenito su dostupni s pigtail izlazom, u kombinaciji s fiber Bragg rešetkom i drugim optičkim uređajima, sve dok su ti uređaji međusobno spojeni kako bi se postiglo puno vlakno, otpornost na smetnje iz okoline, uz visoku stabilnost, može uštedjeti vrijeme i troškove održavanja.
Vlaknasti laseri velike snage također imaju nedostatke koje je teško prevladati: jedan je osjetljivost na nelinearne efekte. Svjetlovodni laseri imaju veliku efektivnu duljinu i nizak prag za razne nelinearne efekte zbog geometrije njihovih valovoda. Neki štetni nelinearni učinci kao što je pobuđeno Ramanovo raspršenje (SRS), samofazna modulacija (SPM) itd. mogu uzrokovati fazne fluktuacije i prijenos energije u spektru ili čak oštetiti laserski sustav, ograničavajući razvoj vlakana velike snage laseri. Drugi je efekt zatamnjenja fotona. S povećanjem vremena pumpanja, učinak zatamnjivanja fotona može dovesti do visoke koncentracije dopinga vlakana dopiranih rijetkim zemnim elementima, učinkovitost pretvorbe snage monotono ireverzibilnog pada, ograničavajući dugoročnu stabilnost i životni vijek vlaknastih lasera velike snage, što je posebno očito u vlaknastim laserima velike snage dopiranim iterbijem.
S napretkom poluvodičkih lasera s vlaknima visoke svjetline i tehnologije dvostrukih vlakana, izlazna snaga, učinkovitost optičko-optičke pretvorbe i kvaliteta snopa vlaknastih lasera velike snage značajno su se razvili. U industrijskoj obradi, usmjerenom energetskom oružju, dalekometnoj telemetriji, LIDAR-u i drugim aplikacijama velike potražnje, uglavnom u Sjedinjenim Državama Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) i Njemačka Tong Express Group, istraživačke jedinice na kontinuiranom valu, pulsni val visoke snage fiber laser istraživanja i razvoja, pokrenula bogate linije proizvoda. Uzbudljive rezultate također su izvijestile brojne jedinice u Kini, uključujući Sveučilište Tsinghua, Nacionalno sveučilište za obrambenu tehnologiju, Šangajski institut za optiku i precizne strojeve Kineske akademije znanosti i Četvrti istraživački institut Kineske svemirske znanosti i Industrijska korporacija.
Tehnologija poboljšanja snage optičkog lasera
Zbog nelinearnih učinaka u laseru s vlaknima, toplinskih učinaka i ograničenja praga oštećenja materijala, izlazna snaga pojedinačnog lasera s vlaknima ograničena je do određene mjere, a kako se snaga povećava, kvaliteta zrake postupno opada, zahtijevajući upotrebu tehnologije kontrole moda i dizajna posebne strukture novog vlakna za poboljšanje kvalitete snopa. Dawson (JW Dawson) i suradnici teoretski su analizirali granicu izlazne snage jednog vlakna i izračunali da u laserima s vlaknima širokopojasnog vlakna jedno vlakno može dobiti maksimalnu snagu od 36 kW blizu granice difrakcije, dok je za lasere s vlaknima uske širine linije maksimalna snaga je 2 kW. Kako bi se dodatno povećala izlazna snaga fiber lasera i pojačala, sinteza snage više fiber lasera tehnologijom koherentne sinteze je učinkovita metoda. Posljednjih godina postao je međunarodno žarište istraživanja.
Koherentna sinteza postiže se kontroliranjem faze, frekvencije i polarizacije svake laserske zrake s određenom dosljednošću, tako da ispunjava uvjet koherencije i dobiva homogeni fazno zaključani izlaz, koji može postići puno veći vršni intenzitet od jednostavnog nekoherentnog superpoziciju i održavati dobru kvalitetu snopa. Povijest razvoja tehnologije koherentne sinteze duga je gotovo kao i povijest samih lasera, a uključuje razne vrste plinskih lasera, kemijskih lasera, poluvodičkih lasera, lasera čvrstog stanja itd. Međutim, zbog nezrelosti raznih uređaja u ranim danima, eksperimentalni rezultati postignuti tehnologijom koherentne sinteze nisu probili maksimalnu izlaznu snagu odgovarajućeg lasera s jednom vezom u to vrijeme, tako da učinak nije bio vrlo očit. Od 1990-ih nadalje, pojava vlaknastih lasera dovela je do brzog razvoja tehnika koherentne sinteze. Uz jedinstvene prednosti vlaknastih lasera i potrebu za taktičkom upotrebom stotina kilovata, nekoliko uređaja (tj. spojnice s konusnim vlaknima, višejezgrena vlakna, fazni modulatori s pigtailima i akusto-optički mjenjači frekvencije, itd.) odigrali su veliku ulogu. ključnu ulogu u komercijalnom uvođenju optičkih komunikacija. Vlaknasti konusni spojnici i višejezgrena vlakna olakšavaju pasivnu faznu kontrolu temeljenu na sprezi laserskog ubrizgavanja energije i sprezi brzog vala, dok fazni modulatori s pigtailovima i akusto-optičkim pomacima frekvencije omogućuju aktivnu faznu kontrolu s megahercnim kontrolnim pojasnim širinama, koje se mogu koristiti za kontrolu faznih fluktuacija na uvjetima velike snage i postići fazno zaključane izlaze. Istraživači su predložili niz karakterističnih shema koherentne sinteze.
Spektralna sinteza je tehnika nekoherentne sinteze koja koristi jednu ili više difrakcijskih rešetki za difrakciju višestrukih podzraka u isti otvor, što rezultira izlazom s jednim otvorom s dobrom kvalitetom snopa. Spektralna sinteza vlaknastih lasera može u potpunosti iskoristiti široku propusnost pojačanja vlaknastih lasera dopiranih Yb kako bi se kompenzirala ograničena izlazna snaga jednog svjetlovodnog lasera.
