Šta je fiber laser?
Optičko vlakno je skraćenica za optičko vlakno i obično je cilindrični talasovod za svjetlosne valove. Koristi princip potpune refleksije da ograniči svjetlosne valove na jezgro i vodi ih u smjeru ose vlakna. Zamjena bakarne žice kvarcnim staklom promijenila je svijet.
Kao medij za provođenje svjetlosnih valova, optičko vlakno se široko koristi od 1966. godine kada ga je predstavio Charles Kao, zahvaljujući svom visokom komunikacijskom kapacitetu, visokoj otpornosti na smetnje, malom gubitku u prijenosu, velikoj udaljenosti releja, dobroj povjerljivosti, prilagodljivosti, maloj veličini , mala težina i obilni izvori sirovina. Poznat kao "otac optičkih vlakana", Kao je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 2009. za svoj rad. Sa sve većom savršenošću i praktičnošću optičkih vlakana, ona je revolucionirala telekomunikacijsku industriju i u velikoj mjeri zamijenila bakrenu žicu kao ključnu komponentu modernih komunikacija.
Komunikacioni sistem sa optičkim vlaknima je komunikacioni sistem koji koristi svetlost kao nosilac informacija i optičko vlakno kao talasni medij. Kada optičko vlakno prenosi informaciju, električni signal se pretvara u optički signal, koji se zatim prenosi unutar vlakna. Kao komunikacijska tehnologija u nastajanju, optička komunikacija je od samog početka pokazala neusporedivu superiornost i privukla je veliko interesovanje i široku pažnju. Široka upotreba optičkih vlakana u komunikacijama također je doprinijela brzom razvoju optičkih pojačala i optičkih lasera u isto vrijeme. Osim u komunikacijama, optički sistemi se također koriste u širokom spektru primjena u medicini, senzoričkoj i drugim oblastima.
Optička vlakna
Medij za pojačanje optičkog lasera je aktivno vlakno. Prema svojoj strukturi može se podijeliti na jednomodno vlakno, dvostruko obloženo vlakno i fotonsko kristalno vlakno tri.
Jednomodno optičko vlakno Jednomodno vlakno se sastoji od jezgre, omotača 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 kritični ugao slike, svjetlosni snop u jezgri pune emisije, tako da se vlakno može vezati za svjetlosni snop u širenju jezgre. Unutrašnja obloga jednomodnih vlakana ne može igrati ulogu sputavanja za višemodnu pumpu svjetlosti, a numerički otvor jezgre je nizak, tako da se samo jednomodno spajanje svjetla pumpe u jezgro može koristiti za dobivanje laserskog izlaza. Rani laseri sa vlaknima koristili su ovo jednomodno vlakno, što je rezultiralo niskom efikasnošću spajanja i laserima sa izlaznom snagom u opsegu miliwata.
Dvostruko obložena vlakna
Da bi se prevazišla ograničenja konvencionalnih jednomodnih, jednostruko obloženih vlakana dopiranih iterbijem (Yb3 plus) u pogledu efikasnosti konverzije i izlazne snage, Maurer (R. Maurer) je prvi predložio koncept dvostruko obloženih vlakana 1974. godine. Od tada, tek 1988. godine, kada su E. Snitzer i drugi predložili tehnologiju pumpanja obloge [3], brzo su se razvili laseri/pojačala s vlaknima velike snage dopirane Yb.
Dvostruko obloženo vlakno je optičko vlakno sa posebnom strukturom koja dodaje unutrašnji sloj omotača konvencionalnom vlaknu, koji se sastoji od sloja prevlake, unutrašnjeg sloja omotača, vanjskog sloja omotača i dopirane jezgre vlakna. Tehnologija pumpanja omotača zasnovana je na dvostruko obloženom vlaknu, čija jezgra omogućava prijenos svjetla višemodnih pumpi u unutrašnjoj oblogi i laserskog svjetla da se prenosi u jezgru, omogućavajući efikasnost pretvorbe pumpanja i izlaznu snagu vlaknasti laser treba znatno poboljšati. Struktura dvostruko obloženog vlakna, oblik unutrašnje obloge i metoda spajanja svjetla pumpe su ključ ove tehnologije.
Jezgro dvostruko obloženog vlakna se sastoji od silicijum dioksida (SiO2) dopiranog elementima retkih zemalja, koji je istovremeno i laserski medij i kanal za prenos laserskog signala u fiber laseru, koji odgovara radnoj talasnoj dužini. Poprečna veličina (desetine puta veći od prečnika konvencionalnog jezgra) i numerički otvor unutrašnje obloge su mnogo veći od jezgre, a indeks loma je manji od indeksa jezgre, što u potpunosti ograničava širenje laserske svetlosti unutar jezgra. Ovo stvara optički talasovod velikog poprečnog presjeka, velikog numeričkog otvora između jezgre i vanjskog omotača, koji omogućava veliki numerički otvor, veliki poprečni presjek i višemodnu pumpanu svjetlost velike snage da se poveže u vlakno i ograniči na prijenos unutar unutrašnja obloga bez difuzije, olakšava održavanje optičkog pumpanja velike gustine snage. Vanjska obloga je sastavljena od polimernog materijala s manjim indeksom prelamanja od unutrašnje obloge; krajnji vanjski sloj je zaštitni sloj sastavljen od organskog materijala. Područje spajanja dvostruko obloženog vlakna i dizanog svjetla određena je veličinom unutrašnjeg omotača, za razliku od konvencionalnih jednomodnih vlakana, koja su određena samo jezgrom. S jedne strane, ovo poboljšava efikasnost spajanja snage lasera s ljudskim vlaknima, dozvoljavajući svjetlosti pumpe da prođe kroz unutrašnju oblogu nekoliko puta da potakne dopirane jone za lasersku emisiju; s druge strane, kvalitet izlaznog snopa je određen prirodom vlaknastog jezgra, a uvođenje unutrašnje obloge ne uništava kvalitet snopa izlaznog laserskog vlakna.
U početku je unutrašnja obloga od dvostruko obloženih vlakana bila cilindrično simetrična i relativno jednostavna za izradu i lako spojena na pigtail laserske diode pumpe (LD), ali njena savršena simetrija rezultirala je velikim brojem spiralnih zraka svjetlosti pumpe u unutrašnja obloga koja nikada nije stigla do područja jezgre čak ni nakon dovoljno refleksija da bi je apsorbirala jezgra, tako da čak i sa dužim vlaknima i dalje postoji velika količina curenja svjetlosti, što otežava poboljšanje efikasnosti konverzije. Iz tog razloga, cilindrična simetrija unutrašnje obloge mora biti narušena.
Fotonska kristalna vlakna
U normalnim dvostruko obloženim vlaknima, geometrija jezgre određuje izlaznu snagu lasera. Numerička blenda određuje kvalitet zraka izlaznog lasera. Zbog ograničenja nelinearnih efekata, optičkih oštećenja i drugih fizičkih mehanizama u optičkim vlaknima, jedno sredstvo za povećanje promjera jezgre ne može zadovoljiti zahtjeve za rad u jednom modu pri velikoj izlaznoj snazi u vlaknima s dvostrukom oblogom velikog moda polja. Pojava specijalnih vlakana, kao što su fotonska kristalna vlakna (PCF), pruža efikasno tehničko rešenje za ovaj izazov.
Koncept fotonskih kristala prvi je uveo E. Yablonovitch 19871. godine1 kao periodičnu strukturu s različitim dielektričnim konstantama u jednoj, dvije ili tri dimenzije koja dozvoljava svjetlosti da se širi u pojasu fotonske provodljivosti i zabranjuje svjetlosti da se širi u fotonskom pojasu ( PBG). PCF su dvodimenzionalni fotonski kristali, također poznati kao mikrostrukturirana vlakna ili porozna vlakna, a 1996. JC Knight et al. proizveo prve PCF-ove sa mehanizmom za vođenje svjetlosti sličnim onom kod konvencionalnih vlakana sa totalnom unutrašnjom refleksijom. Nakon 2005. godine, dizajn i priprema polja PCF-a velikog moda počeli su da se diverzifikuju, pojavom različitih oblika, uključujući PCF-ove sa propusnim kanalima, PCF-ove u obliku šipke, PCF-ove velikog nagiba i PCF-ove sa više jezgara. Shodno tome, površina polja modova vlakna je takođe nastavila da se povećava.
Po izgledu, PCF-ovi su vrlo slični konvencionalnim jednomodnim vlaknima, ali mikroskopski pokazuju složene strukture niza rupa. Upravo ove strukturne karakteristike daju PCF-ovima jedinstvene i neusporedive prednosti u odnosu na konvencionalna vlakna, kao što su jednomodni prijenos bez prekida, velika površina polja modova, podesiva disperzija i niski granični gubici, koji mogu prevladati mnoge izazove konvencionalnih lasera . Na primjer, PCF može postići rad u jednom modu u velikom području polja, istovremeno osiguravajući kvalitet zraka, značajno smanjujući gustinu laserske snage u vlaknu, smanjujući nelinearne efekte u vlaknu i povećavajući prag oštećenja vlakna; može postići veliki numerički otvor, što znači da se može postići više optičke sprege pumpe i veće snage laserskog izlaza. To ga je učinilo novim istraživačkim fokusom na laserima s vlaknima, koji igra sve važniju ulogu u primjeni lasera s vlaknima velike snage.
Izum fiber lasera
Laseri koji koriste optička vlakna kao medij za pojačavanje lasera poznati su kao laseri s vlaknima. Kao i drugi tipovi lasera, sastoji se od tri dijela: medija za pojačavanje, izvora pumpe i rezonantne šupljine. fiber laseri koriste aktivno vlakno sa jezgrom dopiranim elementima retkih zemalja kao medij za pojačanje. Poluprovodnički laser se uglavnom koristi kao izvor pumpe. Rezonantna šupljina se općenito sastoji od reflektirajućih ogledala, krajnjih površina vlakana, zrcala od vlakana ili rešetki od vlakana.
Prema karakteristikama vremenskog domena fiber lasera, može se podijeliti na laser s kontinuiranim vlaknima i laser s impulsnim vlaknima; prema strukturi rezonantne šupljine, može se podijeliti na laser s linearnom šupljinom, vlaknasti laser s distribuiranom povratnom spregom i vlaknasti laser s prstenastom šupljinom; prema pojačanju vlakana i različitim metodama pumpanja, može se podijeliti na laser s jednim omotačem (pumpanje jezgre vlakana) i laser s dvostrukim omotačem (pumpanje u omotaču).
Godine 1961. Snitzer je otkrio lasersko zračenje u staklenim talasovodima dopiranim neodimijumom (Nd). 1966, Kao je detaljno proučavao 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 je razvio optička vlakna sa slabljenjem manjim od 20 dB/km, što je postavilo temelje za razvoj optičkih komunikacija i optoelektronske industrije. Time su postavljeni temelji za razvoj industrije optičkih komunikacija i optoelektronike. Tokom 1970-ih i 1980-ih, sazrijevanje i komercijalizacija poluvodičke laserske tehnologije pružila je pouzdan i raznolik izvor pumpe za razvoj lasera s vlaknima. U isto vrijeme, razvoj metode hemijskog taloženja parom čini gubitak prijenosa optičkih vlakana kontinuirano smanjen. Fiber laseri se također brzo razvijaju u smjeru diversifikacije, sa vlaknima dopiranim raznim elementima rijetkih zemalja, kao što su erbij (Er3 plus), iterbijum (Yb3 plus), neodim (Nd3 plus), samarijum (Sm 3 plus), tulij (Tm3 plus), holmijum (Ho3 plus), prazeodim (Pr3 plus), disprozijum (Dy3 plus), bizmut (Bi3 plus) i tako dalje. U zavisnosti od dopiranih jona, mogu se postići različite talasne dužine laserskog izlaza. Za ispunjavanje zahtjeva različitih aplikacija.
Karakteristike fiber lasera velike snage
Prednosti optičkih lasera velike snage su sljedeće.
(1) Dobar kvalitet zraka. Struktura talasovoda optičkog vlakna olakšava dobijanje izlaza jednog transverzalnog moda, a uticaj spoljnih faktora je veoma mali, da bi se postigao laserski izlaz velike svetlosti.
(2) Visoka efikasnost. Fiber laser odabirom talasne dužine emisije i apsorpcionih karakteristika dopiranih retkozemnih elemenata poluprovodničkog lasera za izvor pumpe, možete postići veoma visoku efikasnost konverzije svetlosti. Za vlaknaste lasere velike snage dopirane iterbijem, općenito birajte poluvodičke lasere od 915 nm ili 975 nm, zbog jednostavne strukture energetskog nivoa Yb3 plus, manja je vjerovatnoća da će doći do pretvorbe, apsorpcije pobuđenog stanja i rafala koncentracije, život fluorescencije je duži i može učinkovito pohraniti energiju za rad velike snage. Ukupna elektrooptička efikasnost komercijalnih lasera s vlaknima je čak 25 posto, što doprinosi smanjenju troškova, uštedi energije i zaštiti okoliša.
(3) Dobre karakteristike odvođenja toplote. Fiber laseri se koriste kao medij za pojačanje lasera koristeći tanko vlakno dopirano elementima retkih zemalja sa veoma velikim odnosom površine i zapremine. Oko 1000 puta veći laser od čvrstog bloka, u smislu kapaciteta odvođenja toplote, ima prirodnu prednost. Nije potrebno posebno hlađenje vlakana za slučajeve male i srednje snage, a vodeno hlađenje se koristi za kućišta velike snage, što takođe efikasno izbegava degradaciju kvaliteta i efikasnosti snopa usled toplotnih efekata koji se obično nalaze u laserima u čvrstom stanju.
(4) Kompaktna struktura, visoka pouzdanost. Kako fiber laser koristi mala i fleksibilna vlakna kao medij za pojačavanje lasera, pomaže u komprimiranju volumena i uštedi troškova. Izvor pumpe se također koristi u malim veličinama, lakim za modularno moduliranje poluprovodničkih lasera, komercijalni proizvodi su općenito dostupni sa pigtail izlazom, u kombinaciji s vlaknastim Braggovim rešetkama i drugim optičkim uređajima, sve dok su ovi uređaji međusobno spojeni kako bi se postigla puna vlakna, otpornost na ekološke poremećaje, uz visoku stabilnost, može uštedjeti vrijeme i troškove održavanja.
Laseri sa vlaknima velike snage takođe imaju nedostatke koje je teško prevazići: jedan je ranjivost na nelinearne efekte. Fiber laseri imaju veliku efektivnu dužinu i nizak prag za različite nelinearne efekte zbog geometrije njihovih talasovoda. Neki štetni nelinearni efekti poput pobuđenog Ramanskog raspršenja (SRS), samofazne modulacije (SPM) itd. mogu uzrokovati fluktuacije faze i prijenos energije na spektru, ili čak oštetiti laserski sistem, ograničavajući razvoj vlakana velike snage laseri. Drugi je efekat zamračenja fotona. Sa povećanjem vremena pumpanja, efekat zamračenja fotona može dovesti do visoke koncentracije dopinga vlakana dopiranih rijetkim elementima, efikasnosti monotono ireverzibilnog pada, ograničavajući dugoročnu stabilnost i vijek trajanja vlaknastih lasera velike snage, što je posebno očito u vlaknastim laserima velike snage dopiranim iterbijem.
Sa napretkom poluvodičkih lasera spojenih s vlaknima velike svjetline i tehnologije dvostrukih vlakana, izlazna snaga, efikasnost optičke u optičku konverziju i kvalitet snopa lasera s vlaknima velike snage značajno su se razvili. U industrijskoj preradi, usmjereno energetsko oružje, telemetrija dugog dometa, LIDAR i druge primjene velike potražnje, uglavnom u Sjedinjene Američke Države Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) i Njemačku Tong Express Group, uglavnom istraživačke jedinice o kontinuiranom talasu, pulsnom talasu visoke snage fiber laser istraživanja i razvoja, pokrenuo je bogatu liniju proizvoda. Uzbudljive rezultate objavile su i brojne jedinice u Kini, uključujući Univerzitet Tsinghua, Nacionalni univerzitet za odbrambenu tehnologiju, Šangajski institut za optiku i precizne mašine Kineske akademije nauka i Četvrti istraživački institut Kineske aerokosmosne nauke i Industry Corporation.
Tehnologija povećanja snage laserskog vlakna
Zbog nelinearnih efekata u laseru s vlaknima, termičkih efekata i ograničenja praga oštećenja materijala, izlazna snaga jednog lasera s vlaknima je ograničena do određene mjere, a kako se snaga povećava, kvaliteta zraka postupno opada, što zahtijeva upotrebu tehnologije upravljanja modom i dizajna posebne strukture novog vlakna za poboljšanje kvalitete zraka. Dawson (JW Dawson) i saradnici su teoretski analizirali ograničenje izlazne snage jednog vlakna i izračunali da u širokopojasnim optičkim laserima jedno vlakno može postići maksimalnu snagu od 36 kW laserskog izlaza blizu granice difrakcije, dok je za lasere s vlaknima uske širine linije maksimalni snaga je 2 kW. Kako bi se dodatno poboljšala izlazna snaga lasera s vlaknima i pojačala, sinteza snage višestrukih lasera s vlaknima pomoću tehnologije koherentne sinteze je efikasna metoda. Posljednjih godina postao je međunarodno žarište istraživanja.
Koherentna sinteza se postiže kontrolom faze, frekvencije i polarizacije svakog laserskog snopa sa određenom konzistencijom, tako da ispunjava uslov koherentnosti i dobije homogenu fazno zaključanu izlaznu snagu, koja može dobiti mnogo veći vršni intenzitet od jednostavne nekoherentne superpozicija i održavanje dobrog kvaliteta zraka. Istorija razvoja tehnologije koherentne sinteze duga je skoro kao i istorija samih lasera, a uključuje različite vrste gasnih lasera, hemijskih lasera, poluprovodničkih lasera, lasera na čvrstom stanju, itd. Međutim, zbog nezrelosti različitih uređaja u ranim danima, eksperimentalni rezultati postignuti tehnologijom koherentne sinteze nisu probili maksimalnu izlaznu snagu odgovarajućeg lasera sa jednom vezom u to vrijeme, tako da efekat nije bio baš očigledan. Od 1990-ih pa nadalje, pojava lasera s vlaknima dovela je do brzog razvoja tehnika koherentne sinteze. Pored jedinstvenih prednosti fiber lasera i potrebe za taktičkom upotrebom stotina kilovata, nekoliko uređaja (npr. konusni spojnici od vlakana, višežilna vlakna, fazni modulatori sa pigtailima i akusto-optički frekventni pomerači, itd.) su odigrali veliku ulogu. ključnu ulogu u komercijalnom uvođenju optičkih komunikacija. Vlaknasti konusni spojnici i višejezgrena vlakna olakšavaju pasivnu faznu kontrolu baziranu na spajanju ubrizgavanja laserske energije i spajanju brzih talasa, dok fazni modulatori sa pigtailima i akusto-optičkim pomeračima frekvencije omogućavaju aktivnu kontrolu faze sa megahercnim kontrolnim propusnim opsegom, koji se može koristiti za kontrolu faznih fluktuacija na visoke snage i postizanje fazno zaključanih izlaza. Istraživači su predložili brojne karakteristične sheme koherentne sinteze.
Spektralna sinteza je nekoherentna tehnika sinteze koja koristi jednu ili više difrakcijskih rešetki za difrakciju više podzrakova u isti otvor, što rezultira jednim izlazom blende s dobrim kvalitetom zraka. Spektralna sinteza optičkih lasera može u potpunosti iskoristiti široki opseg pojačanja lasera s vlaknima dopiranim Yb kako bi se kompenzirala ograničena izlazna snaga jednog lasera s vlaknima.
