Čo je vláknový laser?
Optické vlákno je skratka pre optické vlákno a zvyčajne ide o valcový vlnovod pre svetelné vlny. Využíva princíp úplného odrazu na obmedzenie svetelných vĺn v jadre a ich vedenie v smere osi vlákna. Výmena medeného drôtu za kremenné sklo zmenila svet.
Ako médium na vedenie svetelných vĺn sa optické vlákno široko používa od roku 1966, keď ho zaviedol Charles Kao, vďaka svojej vysokej komunikačnej kapacite, vysokej odolnosti proti rušeniu, nízkej strate prenosu, dlhej vzdialenosti prenosu, dobrej dôvernosti, prispôsobivosti, malej veľkosti. , nízka hmotnosť a bohaté zdroje surovín. Kao, známy ako „otec vláknovej optiky“, získal za svoju prácu v roku 2009 Nobelovu cenu za fyziku. So zvyšujúcou sa dokonalosťou a praktickosťou optických vlákien spôsobila revolúciu v telekomunikačnom priemysle a vo veľkej miere nahradila medený drôt ako základný komponent modernej komunikácie.
Komunikačný systém s optickými vláknami je komunikačný systém, ktorý využíva svetlo ako nosič informácií a optické vlákno ako vlnovodné médium. Keď optické vlákno prenáša informácie, elektrický signál sa transformuje na optický signál, ktorý sa potom prenáša vo vnútri vlákna. Komunikácia z optických vlákien ako novovznikajúca komunikačná technológia od samého začiatku preukázala bezkonkurenčnú prevahu a pritiahla veľký záujem a širokú pozornosť. Široké používanie optických vlákien v komunikáciách tiež prispelo k rýchlemu vývoju optických zosilňovačov a vláknových laserov súčasne. Okrem komunikácií sa systémy s optickými vláknami používajú aj v širokej škále aplikácií v medicíne, snímaní a iných oblastiach.
Optické vlákna
Médium zisku vláknového lasera je aktívne vlákno. Podľa svojej štruktúry možno rozdeliť na vlákno s jedným režimom, vlákno s dvojitým plášťom a vlákno z fotonického kryštálu tri.
Jednovidové optické vlákno jednovidové vlákno sa skladá z jadra, plášťa a poťahovej vrstvy, kde index lomu materiálu jadra n1 je vyšší ako index lomu obkladového materiálu n2, keď je uhol dopadu svetla väčší ako kritický uhol obrazu, svetelný lúč v jadre s plnou emisiou, takže vlákno môže byť viazané na svetelný lúč pri šírení jadra. Vnútorné opláštenie jednovidových vlákien nemôže hrať obmedzujúcu úlohu pre svetlo multimódovej pumpy a numerická apertúra jadra je nízka, takže na získanie laserového výstupu možno použiť iba jednovidové spojenie svetla pumpy do jadra. Prvé vláknové lasery používali toto jednovidové vlákno, čo malo za následok nízku účinnosť spojenia a lasery s výstupným výkonom v rozsahu miliwattov.
Vlákna s dvojitým plášťom
Aby sa prekonali obmedzenia konvenčných jednovidových, jednoplášťových vlákien dopovaných ytterbiom (Yb3 plus), pokiaľ ide o účinnosť konverzie a výstupný výkon, Maurer (R. Maurer) prvýkrát v roku 1974 navrhol koncepciu dvojplášťových vlákien. Odvtedy až v roku 1988, keď E. Snitzer a ďalší navrhli technológiu čerpania plášťa [3], sa rýchlo vyvinuli vysokovýkonné vláknové lasery/zosilňovače dopované Yb.
Vlákno s dvojitým plášťom je optické vlákno so špeciálnou štruktúrou, ktoré ku konvenčnému vláknu pridáva vnútornú obalovú vrstvu, ktorá pozostáva z obalovej vrstvy, vnútornej obalovej vrstvy, vonkajšej obalovej vrstvy a dopovaného jadra vlákna. Technológia čerpania plášťa je založená na dvojplášťovom vlákne, ktorého jadrom je umožniť prenos svetla multimódového čerpadla vo vnútornom plášti a prenos laserového svetla v jadre, čo umožňuje účinnosť konverzie čerpania a výstupný výkon vláknový laser výrazne zlepšiť. Štruktúra vlákna s dvojitým plášťom, tvar vnútorného plášťa a metóda spojenia svetla s čerpadlom sú kľúčom k tejto technológii.
Jadro dvojito plátovaného vlákna je zložené z oxidu kremičitého (SiO2) dopovaného prvkami vzácnych zemín, ktorý je laserovým médiom aj prenosovým kanálom laserového signálu vo vláknovom laseri, zodpovedajúci pracovnej vlnovej dĺžke. Priečna veľkosť (desaťnásobok priemeru bežného jadra) a numerická apertúra vnútorného plášťa sú oveľa väčšie ako u jadra a index lomu je menší ako u jadra, čo úplne obmedzuje šírenie laserového svetla. v jadre. To vytvára veľký prierezový optický vlnovod s veľkou numerickou apertúrou medzi jadrom a vonkajším plášťom, ktorý umožňuje veľké numerické apertúrne, veľké prierezové a multimódové vysokovýkonné čerpané svetlo, aby sa spojilo do vlákna a obmedzilo sa na prenos vnútri vlákna. vnútorný plášť bez difúzie, čo uľahčuje udržiavanie optickej pumpy s vysokou hustotou výkonu. Vonkajší plášť je zložený z polymérneho materiálu s menším indexom lomu ako vnútorný plášť; vonkajšia vrstva je ochranná vrstva zložená z organického materiálu. Oblasť spojenia vlákna s dvojitým plášťom k čerpanému svetlu je určená veľkosťou vnútorného plášťa, na rozdiel od bežných jednovidových vlákien, ktoré sú určené samotným jadrom. Na jednej strane to zlepšuje účinnosť väzby energie lasera s ľudskými vláknami, čo umožňuje, aby svetlo pumpy niekoľkokrát prešlo vnútorným plášťom, aby excitovalo dotované ióny pre laserovú emisiu; na druhej strane je kvalita výstupného lúča určená povahou jadra vlákna a zavedenie vnútorného plášťa nezničí kvalitu lúča výstupu vláknového lasera.
Spočiatku bol vnútorný plášť z dvojito plátovaných vlákien valcovo symetrický a relatívne jednoduchý na výrobu a ľahko sa pripájal k pigtailu pumpy laserovej diódy (LD), ale jeho dokonalá symetria viedla k veľkému počtu špirálových lúčov svetla pumpy. vnútorný plášť, ktorý nikdy nedosiahol oblasť jadra ani po dostatočnom množstve odrazov na to, aby bol absorbovaný jadrom, takže aj pri dlhších vláknach stále dochádza k veľkému úniku svetla, čo sťažuje zlepšenie účinnosti konverzie. Z tohto dôvodu musí byť porušená valcová symetria vnútorného obkladu.
Vlákna fotonického kryštálu
V normálnych vláknach s dvojitým plášťom určuje výstupný výkon lasera geometria jadra. Číselná apertúra určuje kvalitu lúča výstupného lasera. V dôsledku obmedzení nelineárnych efektov, optického poškodenia a iných fyzikálnych mechanizmov v optických vláknach nemôže jediný prostriedok na zväčšenie priemeru jadra uspokojiť požiadavku na prevádzku v jednom režime pri vysokom výkone vo vláknach s dvojitým plášťom s veľkým režimom poľa. Vznik špeciálnych vlákien, ako sú vlákna z fotonických kryštálov (PCF), poskytuje efektívne technické riešenie tejto výzvy.
Koncept fotonických kryštálov prvýkrát predstavil E. Yablonovitch v roku 19871 ako periodickú štruktúru s rôznymi dielektrickými konštantami v jednom, dvoch alebo troch rozmeroch, ktorá umožňuje šírenie svetla vo fotonickom vodivostnom pásme a bráni svetlu šíriť sa vo fotonickom pásme ( PBG). PCF sú dvojrozmerné fotonické kryštály, známe tiež ako mikroštruktúrované vlákna alebo porézne vlákna, a v roku 1996 JC Knight et al. vyrobili prvé PCF s mechanizmom vedenia svetla podobným mechanizmu konvenčných vlákien s úplným vnútorným odrazom. Po roku 2005 sa dizajn a príprava PCF s veľkým rozstupom začali diverzifikovať so vznikom rôznych tvarov, vrátane PCF s netesným kanálom, tyčovitých PCF, PCF s veľkým rozstupom a viacjadrových PCF. Oblasť módového poľa vlákna sa tiež primerane zväčšovala.
Vo vzhľade sú PCF veľmi podobné konvenčným jednovidovým vláknam, ale mikroskopicky vykazujú zložité štruktúry dierového poľa. Sú to práve tieto štrukturálne vlastnosti, ktoré dávajú PCF jedinečné a bezkonkurenčné výhody oproti konvenčným vláknam, ako je jednorežimový prenos bez prerušenia, oblasť poľa s veľkým režimom, laditeľná disperzia a nízke obmedzujúce straty, ktoré môžu prekonať mnohé z výziev konvenčných laserov. . Napríklad PCF môže dosiahnuť jednorežimovú prevádzku v oblasti poľa s veľkým režimom, pričom zaisťuje kvalitu lúča, výrazne znižuje hustotu výkonu lasera vo vlákne, znižuje nelineárne efekty vo vlákne a zvyšuje prah poškodenia vlákna; môže dosiahnuť veľkú numerickú apertúru, čo znamená väčšiu optickú väzbu čerpadla a vyšší výkon lasera. To z neho urobilo nový vrchol výskumu v oblasti vláknových laserov, ktorý zohráva čoraz dôležitejšiu úlohu pri aplikácii vysokovýkonných vláknových laserov.
Vynález vláknového lasera
Lasery, ktoré používajú optické vlákna ako médium zisku lasera, sú známe ako vláknové lasery. Rovnako ako ostatné typy laserov sa skladá z troch častí: zosilňovacieho média, zdroja pumpy a rezonančnej dutiny. vláknové lasery využívajú ako médium zisku aktívne vlákno s jadrom dopovaným prvkami vzácnych zemín. Ako zdroj pumpy sa vo všeobecnosti používa polovodičový laser. Rezonančná dutina sa vo všeobecnosti skladá z reflexných zrkadiel, koncových povrchov vlákien, zrkadiel s vláknitými prstencami alebo vláknitých mriežok.
Podľa charakteristík časovej oblasti vláknového lasera ho možno rozdeliť na kontinuálny vláknový laser a pulzný vláknový laser; podľa štruktúry rezonančnej dutiny sa dá rozdeliť na laser s lineárnymi dutinami, laser s distribuovanou spätnou väzbou a laser s kruhovými dutinami; podľa ziskového vlákna a rôznych metód čerpania ho možno rozdeliť na laser s jednoduchým plášťom (čerpanie jadra vlákna) a laser s dvojitým plášťom (čerpanie plášťa).
V roku 1961 Snitzer objavil laserové žiarenie v sklenených vlnovodov dopovaných neodýmom (Nd). 1966, Kao podrobne študoval hlavné príčiny útlmu svetla v optických vláknach a poukázal na hlavné technické problémy, ktoré je potrebné vyriešiť pre praktickú aplikáciu optických vlákien v komunikáciách. V roku 1970 Corning v USA vyvinul optické vlákna s útlmom menším ako 20 dB/km, čo položilo základ pre rozvoj optického komunikačného a optoelektronického priemyslu. To položilo základ pre rozvoj optického komunikačného a optoelektronického priemyslu. V 70. a 80. rokoch 20. storočia dozrievanie a komercializácia technológie polovodičových laserov poskytla spoľahlivý a rôznorodý zdroj čerpadiel pre vývoj vláknových laserov. Vývoj metódy chemického nanášania pár zároveň neustále znižuje prenosové straty optických vlákien. Vláknové lasery sa tiež rýchlo rozvíjajú smerom k diverzifikácii, pričom vlákna sú dopované rôznymi prvkami vzácnych zemín, ako je erbium (Er3 plus), yterbium (Yb3 plus), neodým (Nd3 plus), samárium (Sm 3 plus), thulium (Tm3 plus ), holmium (Ho3 plus ), prazeodym (Pr3 plus ), dysprosium (Dy3 plus ), bizmut (Bi3 plus ) a tak ďalej. V závislosti od dopovaných iónov je možné dosiahnuť rôzne vlnové dĺžky laserového výstupu. Na splnenie požiadaviek rôznych aplikácií.
Vlastnosti vysokovýkonných vláknových laserov
Výhody vysokovýkonných vláknových laserov sú nasledovné.
(1) Dobrá kvalita lúča. Štruktúra vlnovodu optického vlákna uľahčuje získanie výstupu s jedným priečnym režimom a vplyv vonkajších faktorov je veľmi malý, aby sa dosiahol vysoký jas laserového výstupu.
(2) Vysoká účinnosť. Vláknový laser výberom emisnej vlnovej dĺžky a absorpčných charakteristík dopovaných prvkov vzácnych zemín polovodičového lasera pre zdroj pumpy môžete dosiahnuť veľmi vysokú účinnosť premeny svetla a svetla. Pre ytterbiom dopované vysokovýkonné vláknové lasery vo všeobecnosti zvoľte 915nm alebo 975nm polovodičové lasery, kvôli jednoduchej štruktúre energetickej hladiny Yb3 plus je menej pravdepodobný výskyt vzostupnej konverzie, absorpcie excitovaného stavu a koncentračných výbuchov, životnosť fluorescencie je dlhšia a môže efektívne ukladať energiu. pre vysokovýkonnú prevádzku. Celková elektrooptická účinnosť komerčných vláknových laserov je až 25 percent, čo prispieva k zníženiu nákladov, úspore energie a ochrane životného prostredia.
(3) Dobré vlastnosti rozptylu tepla. Vláknové lasery sa používajú ako médium na zisk lasera pomocou tenkého vlákna dopovaného prvkami vzácnych zemín s veľmi veľkým pomerom plochy povrchu k objemu. Približne 1000-násobok pevného bloku lasera má z hľadiska kapacity rozptylu tepla prirodzenú výhodu. Pre prípady nízkeho a stredného výkonu nie je potrebné žiadne špeciálne chladenie vlákna a pre prípady vysokého výkonu sa používa vodné chladenie, ktoré tiež účinne zabraňuje zhoršeniu kvality a účinnosti lúča v dôsledku tepelných efektov, ktoré sa bežne vyskytujú v pevnolátkových laseroch.
(4) Kompaktná konštrukcia, vysoká spoľahlivosť. Keďže vláknový laser používa ako médium zisku lasera malé a flexibilné vlákno, pomáha zmenšiť objem a šetriť náklady. Zdroj čerpadla sa používa aj v malých, ľahko modulárnych polovodičových laseroch, komerčné produkty sú vo všeobecnosti dostupné s výstupom pigtailu v kombinácii s vláknovou Braggovou mriežkou a inými optickými zariadeniami, pokiaľ sú tieto zariadenia navzájom spojené, aby sa dosiahli plné vlákna, odolnosť voči vplyvom prostredia s vysokou stabilitou môže ušetriť čas a náklady na údržbu.
Vysokovýkonné vláknové lasery majú tiež nevýhody, ktoré je ťažké prekonať: jednou z nich je zraniteľnosť voči nelineárnym účinkom. Vláknové lasery majú dlhú efektívnu dĺžku a nízky prah pre rôzne nelineárne efekty v dôsledku geometrie ich vlnovodov. Niektoré škodlivé nelineárne efekty, ako je excitovaný Ramanov rozptyl (SRS), samofázová modulácia (SPM) atď., môžu spôsobiť kolísanie fáz a prenos energie v spektre alebo dokonca poškodenie laserového systému, čo obmedzuje vývoj vysokovýkonných vlákien. lasery. Druhým je efekt stmavnutia fotónov. S predĺžením času čerpania môže efekt stmavnutia fotónov viesť k vysokej koncentrácii dopingu prvkov vzácnych zemín dopovaných vláknitým vláknom, účinnosť konverzie energie monotónne ireverzibilným poklesom, čo obmedzuje dlhodobú stabilitu a životnosť vysokovýkonných vláknových laserov, čo je obzvlášť zrejmé. vo vysokovýkonných vláknových laseroch dopovaných ytterbiom.
S pokrokom v oblasti polovodičových laserov s vysokým jasom a technológie s dvojitým plášťom sa výrazne zvýšil výstupný výkon, účinnosť konverzie optiky na optiku a kvalita lúča vysokovýkonných vláknových laserov. V oblasti priemyselného spracovania, zbraní s riadenou energiou, telemetrie s dlhým dosahom, LIDAR a iných aplikácií s obrovským dopytom, najmä do Spojených štátov amerických Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) a Nemecka Tong Express Group. výskumné jednotky na nepretržitú vlnu, výskum a vývoj vysokovýkonného vláknového lasera s pulznou vlnou, spustili bohaté produktové rady. Vzrušujúce výsledky oznámilo aj množstvo jednotiek v Číne, vrátane univerzity Tsinghua, Národnej univerzity obranných technológií, Šanghajského inštitútu optiky a presných strojov Čínskej akadémie vied a Štvrtého výskumného inštitútu Čínskej leteckej a kozmickej vedy a Priemyselná korporácia.
Technológia zvýšenia výkonu vláknového lasera
V dôsledku nelineárnych efektov vo vláknovom laseri, tepelných efektov a obmedzení prahu poškodenia materiálu je výstupný výkon jednovláknového lasera do určitej miery obmedzený a so zvyšujúcim sa výkonom sa kvalita lúča postupne znižuje, čo si vyžaduje použitie technológie riadenia režimu a dizajn špeciálnej štruktúry nového vlákna na zlepšenie kvality lúča. Dawson (JW Dawson) a kol. teoreticky analyzovali limit výstupného výkonu jedného vlákna a vypočítali, že v širokopásmových vláknových laseroch môže jediné vlákno získať maximálny výkon 36 kW blízko difrakčného limitu laserového výstupu, zatiaľ čo pre vláknové lasery s úzkou šírkou čiary je maximálny výkon je 2 kW. Na ďalšie zvýšenie výstupného výkonu vláknového lasera a zosilňovača je efektívnou metódou výkonová syntéza viacvláknových laserov technológiou koherentnej syntézy. V posledných rokoch sa stal medzinárodným výskumným centrom.
Koherentná syntéza sa dosiahne riadením fázy, frekvencie a polarizácie každého laserového lúča s určitou konzistenciou tak, aby spĺňal podmienku koherencie a získal homogénny fázovo uzamknutý výstup, ktorý môže získať oveľa vyššiu špičkovú intenzitu ako jednoduchý nekoherentný superpozíciu a zachovať dobrú kvalitu lúča. História vývoja technológie koherentnej syntézy je takmer taká dlhá ako história samotných laserov a zahŕňa rôzne typy plynových laserov, chemické lasery, polovodičové lasery, pevnolátkové lasery atď. Avšak vzhľadom na nevyspelosť rôznych zariadení v prvých dňoch experimentálne výsledky dosiahnuté technológiou koherentnej syntézy neprerazili maximálny výstupný výkon zodpovedajúceho jednočlánkového lasera v tom čase, takže efekt nebol príliš zrejmý. Od 90. rokov 20. storočia viedol nástup vláknových laserov k rýchlemu rozvoju koherentných techník syntézy. Okrem jedinečných výhod vláknových laserov a potreby taktického využitia stoviek kilowattov, niekoľko zariadení (tj vláknové kužeľové spojky, viacjadrové vlákna, fázové modulátory s vrkôčikmi a akusticko-optické frekvenčné meniča atď. kľúčovú úlohu pri komerčnom zavádzaní komunikácií z optických vlákien. Vláknové kužeľové spojky a viacjadrové vlákna uľahčujú pasívnu fázovú kontrolu založenú na laserovom vstrekovaní energie a rýchlej vlnovej väzbe, zatiaľ čo fázové modulátory s pigtails a akusticko-optické frekvenčné posúvače umožňujú aktívne fázové riadenie s megahertzovými riadiacimi šírkami pásma, ktoré možno použiť na riadenie fázových fluktuácií pri vysoký výkon a dosiahnuť fázovo uzamknuté výstupy. Výskumníci navrhli množstvo charakteristických koherentných schém syntézy.
Spektrálna syntéza je technika nekoherentnej syntézy, ktorá využíva jednu alebo viacero difrakčných mriežok na difrakciu viacerých čiastkových lúčov do rovnakej apertúry, výsledkom čoho je výstup jednej clony s dobrou kvalitou lúča. Spektrálna syntéza vláknových laserov môže plne využiť šírku pásma so širokým ziskom vláknových laserov dopovaných Yb na kompenzáciu obmedzeného výstupného výkonu jednovláknového lasera.
