Какво представлява фибролазерът?
Оптичното влакно е съкращение от оптично влакно и обикновено е цилиндричен вълновод за светлинни вълни. Той използва принципа на пълно отражение, за да ограничи светлинните вълни до сърцевината и да ги насочи в посоката на оста на влакното. Замяната на медна тел с кварцово стъкло промени света.
Като среда за провеждане на светлинни вълни, оптичното влакно се използва широко от 1966 г., когато е въведено от Чарлз Као, благодарение на своя висок комуникационен капацитет, висока устойчивост на смущения, ниски загуби при предаване, голямо релейно разстояние, добра поверителност, адаптивност, малък размер , леко тегло и изобилие от източници на суровини. Известен като "бащата на оптичните влакна", Као беше удостоен с Нобелова награда за физика през 2009 г. за работата си. С нарастващото съвършенство и практичност на оптичните влакна, те направиха революция в телекомуникационната индустрия и до голяма степен замениха медния проводник като основен компонент на съвременните комуникации.
Комуникационна система с оптични влакна е комуникационна система, която използва светлина като носител на информация и оптично влакно като вълноводна среда. Когато оптичното влакно предава информация, електрическият сигнал се трансформира в оптичен сигнал, който след това се предава във влакното. Като нововъзникваща комуникационна технология, оптичната комуникация показа несравнимо превъзходство от самото начало и привлече голям интерес и широко внимание. Широкото използване на оптични влакна в комуникациите също допринесе за бързото развитие на оптични усилватели и влакнести лазери в същото време. В допълнение към комуникациите, оптичните системи се използват и в широк спектър от приложения в медицината, сензорите и други области.
Оптични влакна
Средата за усилване на влакнестия лазер е активното влакно. Според структурата си могат да бъдат разделени на едномодови влакна, влакна с двойна облицовка и три фотонни кристални влакна.
Едномодово оптично влакно Едномодовото влакно се състои от сърцевина, обвивка и слой покритие, където индексът на пречупване на материала на сърцевината n1 е по-висок от индекса на пречупване на материала на обвивката n2, когато ъгълът на падане на падащата светлина е по-голям от картина с критичен ъгъл, светлинният лъч в сърцевината на пълното излъчване, така че влакното може да бъде свързано със светлинния лъч в сърцевината на разпространение. Вътрешната обвивка на едномодовите влакна не може да играе ограничителна роля за многомодова светлина на изпомпване, а числената апертура на сърцевината е ниска, така че само свързване на едномодова светлина на изпомпване в сърцевината може да се използва за получаване на лазерен изход. Ранните оптични лазери използват това едномодово влакно, което води до ниска ефективност на свързване и лазери с изходна мощност в миливатов диапазон.
Двойно облечени влакна
За да се преодолеят ограниченията на конвенционалните едномодови влакна, легирани с итербий (Yb3 plus) с единична обвивка, върху ефективността на преобразуване и изходната мощност, Маурер (R. Maurer) за първи път предложи концепцията за влакна с двойна обвивка през 1974 г. Оттогава едва през 1988 г., когато E. Snitzer и други предложиха технология за изпомпване на обвивка [3], лазерите/усилвателите с високомощни Yb влакна бяха разработени бързо.
Влакното с двойна обвивка е оптично влакно със специална структура, която добавя вътрешен облицовъчен слой към конвенционалното влакно, състоящ се от покривен слой, вътрешен облицовъчен слой, външен обвивен слой и легирана влакнеста сърцевина. Технологията за изпомпване на обвивката се основава на влакно с двойна обвивка, чиято сърцевина позволява предаването на многомодова светлина на изпомпване във вътрешната обвивка и лазерна светлина да се предава в ядрото, което позволява ефективността на преобразуване на изпомпване и изходната мощност на фибролазерът да бъде значително подобрен. Структурата на влакното с двойна обвивка, формата на вътрешната обвивка и методът на свързване на светлината на помпата са ключовете към тази технология.
Сърцевината на влакното с двойна обвивка се състои от силициев диоксид (SiO2), легиран с редкоземни елементи, който е както лазерната среда, така и каналът за предаване на лазерния сигнал във влакнестия лазер, съответстващ на работната дължина на вълната. Напречният размер (десетки пъти диаметъра на конвенционална сърцевина) и числовата апертура на вътрешната обвивка са много по-големи от тези на сърцевината, а индексът на пречупване е по-малък от този на сърцевината, което ограничава изцяло разпространението на лазерната светлина в рамките на ядрото. Това създава оптичен вълновод с голямо напречно сечение и голяма цифрова апертура между сърцевината и външната обвивка, което позволява голяма цифрова апертура, голямо напречно сечение и многомодова изпомпвана светлина с висока мощност да бъде свързана към влакното и ограничена до предаване вътре вътрешната обвивка без дифузия, улесняваща поддържането на оптично изпомпване с висока плътност на мощността. Външната обвивка е съставена от полимерен материал с по-малък индекс на пречупване от вътрешната обвивка; най-външният слой е защитен слой, съставен от органичен материал. Зоната на свързване на влакното с двойна обвивка към изпомпваната светлина се определя от размера на вътрешната обвивка, за разлика от конвенционалните едномодови влакна, които се определят само от сърцевината. От една страна, това подобрява ефективността на свързване на мощността на лазера с човешки влакна, позволявайки на светлината на помпата да премине през вътрешната обвивка няколко пъти, за да възбуди легирани йони за лазерно излъчване; от друга страна, качеството на изходния лъч се определя от естеството на сърцевината на влакното и въвеждането на вътрешна обвивка не разрушава качеството на лъча на изхода на влакнестия лазер.
Първоначално вътрешната обвивка от влакна с двойно покритие беше цилиндрично симетрична и сравнително лесна за производство и лесна за свързване към пигтейла на лазерния диод на помпата (LD), но перфектната й симетрия доведе до голям брой спирални лъчи на светлина на помпата в вътрешната обвивка, която никога не е достигнала областта на сърцевината дори след достатъчно отражения, за да бъде погълната от сърцевината, така че дори при дори с по-дълги влакна все още има голямо количество изтичане на светлина, което затруднява подобряването на ефективността на преобразуване. Поради тази причина трябва да се наруши цилиндричната симетрия на вътрешната обшивка.
Фотонни кристални влакна
При нормалните влакна с двойна обвивка геометрията на сърцевината определя изходната лазерна мощност. Числовата апертура определя качеството на лъча на изходния лазер. Поради ограниченията на нелинейните ефекти, оптичните повреди и други физически механизми в оптичните влакна, едно средство за увеличаване на диаметъра на сърцевината не може да отговори на търсенето за еднорежимна работа при висока изходна мощност във влакна с двойна обвивка в голям режим. Появата на специални влакна, като фотонни кристални влакна (PCF), осигурява ефективно техническо решение на това предизвикателство.
Концепцията за фотонни кристали е въведена за първи път от Е. Яблонович през 1987 г.1 като периодична структура с различни диелектрични константи в едно, две или три измерения, която позволява на светлината да се разпространява във фотонната проводяща лента и забранява на светлината да се разпространява във фотонната забранена лента ( PBG). PCF са двумерни фотонни кристали, известни също като микроструктурирани влакна или порести влакна, а през 1996 г. JC Knight et al. произвежда първите PCF с механизъм за насочване на светлина, подобен на този на конвенционалните влакна с пълно вътрешно отражение. След 2005 г. проектирането и подготовката на PCF с голямо поле на режим започна да се диверсифицира с появата на различни форми, включително PCF с изтичащ канал, PCF с форма на пръчка, PCF с голяма стъпка и многоядрени PCF. Площта на режимното поле на влакното също продължи да се увеличава съответно.
На външен вид PCF са много подобни на конвенционалните едномодови влакна, но микроскопски те показват сложни структури от дупки. Именно тези структурни характеристики дават на PCF уникални и несравними предимства пред конвенционалните влакна, като едномодово предаване без прекъсване, голяма област на полето на мода, регулируема дисперсия и ниски ограничаващи загуби, които могат да преодолеят много от предизвикателствата на конвенционалните лазери . Например, PCF може да постигне еднорежимна работа в поле на голям режим, като същевременно гарантира качество на лъча, значително намалява плътността на мощността на лазера във влакното, намалява нелинейните ефекти във влакното и повишава прага на повреда на влакното; може да постигне голяма цифрова апертура, което означава, че може да се постигне по-голямо оптично свързване на помпата и лазерен изход с по-висока мощност. Това го превърна в нов изследователски акцент във влакнестите лазери, играейки все по-важна роля в приложението на високомощни влакнести лазери.
Изобретяването на фибролазера
Лазерите, които използват оптични влакна като среда за лазерно усилване, са известни като влакнести лазери. Подобно на други видове лазери, той се състои от три части: усилваща среда, източник на помпа и резонансна кухина. влакнестите лазери използват активно влакно със сърцевина, легирана с редкоземни елементи като усилваща среда. Като източник на помпа обикновено се използва полупроводников лазер. Резонансната кухина обикновено се състои от отразяващи огледала, влакнести крайни повърхности, влакнести пръстени огледала или влакнести решетки.
Според характеристиките на времевата област на влакнестия лазер, той може да бъде разделен на непрекъснат влакнен лазер и импулсен влакнен лазер; според структурата на резонансната кухина, той може да бъде разделен на влакнест лазер с линейна кухина, влакнест лазер с разпределена обратна връзка и влакнест лазер с пръстеновидна кухина; според коефициента на влакно и различните методи на изпомпване, той може да бъде разделен на лазер с влакна с единична облицовка (изпомпване на сърцевината на влакното) и лазер с влакна с двойна облицовка (изпомпване с облицовка).
През 1961 г. Snitzer открива лазерно лъчение в стъклени вълноводи, легирани с неодим (Nd). През 1966 г. Као изучава подробно основните причини за отслабването на светлината в оптичните влакна и посочва основните технически проблеми, които трябва да бъдат решени за практическото приложение на оптичните влакна в комуникациите. 1970 г. Corning в САЩ разработва оптични влакна със затихване под 20 dB/km, което поставя основата за развитието на оптичните комуникации и оптоелектронната индустрия. Това постави основата за развитието на индустриите на оптичните комуникации и оптоелектрониката. През 70-те и 80-те години на миналия век съзряването и комерсиализацията на полупроводниковата лазерна технология осигури надежден и разнообразен източник на помпа за разработването на фибровлакнести лазери. В същото време, развитието на метода за химическо отлагане на пари прави загубата на предаване на оптични влакна непрекъснато намалена. Влакнестите лазери също се развиват бързо в посока на диверсификация, с влакна, легирани с различни редкоземни елементи, като ербий (Er3 плюс), итербий (Yb3 плюс), неодим (Nd3 плюс), самарий (Sm 3 плюс), тулий (Tm3 плюс), холмий (Ho3 плюс), празеодим (Pr3 плюс), диспрозий (Dy3 плюс), бисмут (Bi3 плюс) и т.н. В зависимост от легираните йони могат да се постигнат различни дължини на вълната на лазерния изход. За да отговори на изискванията на различни приложения.
Характеристики на оптични лазери с висока мощност
Предимствата на високомощните оптични лазери са следните.
(1) Добро качество на лъча. Структурата на вълновода на оптичното влакно улеснява получаването на единичен напречен режим на изход и влиянието на външните фактори е много малко, за да се постигне лазерен изход с висока яркост.
(2) Висока ефективност. Оптичен лазер, като изберете дължината на вълната на излъчване и абсорбционните характеристики на легираните редкоземни елементи на полупроводниковия лазер за източник на помпа, можете да постигнете много висока ефективност на преобразуване на светлина в светлина. За високомощни влакнести лазери с добавка на итербий обикновено избирайте 915nm или 975nm полупроводникови лазери, поради простата структура на енергийното ниво на Yb3 plus, преобразуването нагоре, абсорбцията във възбудено състояние и изблиците на концентрация са по-малко вероятни, животът на флуоресценцията е по-дълъг и може ефективно да съхранява енергия за работа с висока мощност. Общата електрооптична ефективност на търговските оптични лазери е до 25 процента, което води до намаляване на разходите, спестяване на енергия и опазване на околната среда.
(3) Добри характеристики на разсейване на топлината. Влакнестите лазери се използват като среда за лазерно усилване, като се използва тънко влакно, легирано с редкоземни елементи, с много голямо съотношение повърхностна площ към обем. Около 1000 пъти лазерът с твърди блокове по отношение на капацитета на разсейване на топлината има естествено предимство. Не се изисква специално охлаждане на влакното за кутии с ниска и средна мощност, а водно охлаждане се използва за кутии с висока мощност, което също така ефективно избягва влошаването на качеството и ефективността на лъча поради топлинни ефекти, често срещани в твърдотелните лазери.
(4) Компактна структура, висока надеждност. Тъй като влакнестият лазер използва малко и гъвкаво влакно като среда за усилване на лазера, той помага да се компресира обемът и да се спестят разходи. Източникът на помпа се използва и в малки размери, лесни за модулиране полупроводникови лазери, търговските продукти обикновено се предлагат с изход от коси опашки, комбиниран с фиброва решетка на Bragg и други оптични устройства, стига тези устройства да са слети едно към друго, за да се постигне пълно влакно, имунитет към смущения в околната среда, с висока стабилност, може да спести време и разходи за поддръжка.
Високомощните оптични лазери също имат недостатъци, които са трудни за преодоляване: единият е уязвимостта към нелинейни ефекти. Влакнестите лазери имат голяма ефективна дължина и нисък праг за различни нелинейни ефекти поради геометрията на техните вълноводи. Някои вредни нелинейни ефекти като възбудено раманово разсейване (SRS), самофазова модулация (SPM) и т.н. могат да причинят фазови флуктуации и трансфер на енергия в спектъра или дори повреда на лазерната система, ограничавайки развитието на влакна с висока мощност лазери. Вторият е ефектът на фотонно потъмняване. С увеличаването на времето за изпомпване, ефектът на фотонно потъмняване може да доведе до висока концентрация на допинг на ефективността на преобразуване на мощността на влакната, легирани с редкоземни елементи, монотонно необратим спад, ограничавайки дългосрочната стабилност и експлоатационния живот на лазерите с висока мощност на влакна, което е особено очевидно във високомощни оптични лазери с добавка на итербий.
С напредъка на полупроводниковите лазери с висока яркост, свързани с влакна и технологията за влакна с двойна обвивка, изходната мощност, ефективността на оптичното към оптично преобразуване и качеството на лъча на мощните влакнести лазери се развиха значително. В промишлената обработка, насочени енергийни оръжия, телеметрия на далечни разстояния, LIDAR и други приложения с огромно търсене, главно за Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) и Германия Tong Express Group, главно изследователски звена за непрекъсната вълна, пулсова вълна с висока мощност на влакнесто лазерно изследване и развитие, пуснаха богата продуктова линия. Вълнуващи резултати бяха отчетени и от редица звена в Китай, включително университета Цинхуа, Националния университет по отбранителни технологии, Шанхайския институт по оптика и прецизни машини на Китайската академия на науките и Четвъртия изследователски институт на Китайската аерокосмическа наука и Индустриална корпорация.
Технология за повишаване на мощността на оптичния лазер
Поради нелинейните ефекти във влакнестия лазер, топлинните ефекти и ограниченията на прага на материалните щети, изходната мощност на единичен влакнен лазер е ограничена до известна степен и с увеличаването на мощността качеството на лъча постепенно намалява, което изисква използването на на технологията за контрол на режима и дизайна на специална структура на новото влакно за подобряване на качеството на лъча. Доусън (JW Dawson) et al теоретично анализираха границата на изходната мощност на едно влакно и изчислиха, че в лазерите с широколентови влакна едно влакно може да получи максимална мощност от 36 kW близо до границата на дифракция, докато за лазерите с влакна с тясна ширина на линията максималната мощността е 2 kW. За да се подобри допълнително изходната мощност на фибролазера и усилвателя, синтезът на мощност на множество фибролазери чрез технология за кохерентен синтез е ефективен метод. През последните години се превърна в международна изследователска гореща точка.
Кохерентният синтез се постига чрез контролиране на фазата, честотата и поляризацията на всеки лазерен лъч с определена консистенция, така че да отговаря на условието за кохерентност и да получи хомогенен фазово заключен изход, който може да получи много по-висок пиков интензитет от обикновения некохерентен суперпозиция и поддържане на добро качество на лъча. Историята на развитието на технологията за кохерентен синтез е почти толкова дълга, колкото историята на самите лазери и включва различни видове газови лазери, химически лазери, полупроводникови лазери, лазери в твърдо състояние и т.н. Въпреки това, поради незрялостта на различните устройства в ранните дни експерименталните резултати, постигнати от технологията на кохерентния синтез, не надминаваха максималната изходна мощност на съответния лазер с една връзка по това време, така че ефектът не беше много очевиден. От 90-те години нататък появата на оптични лазери доведе до бързо развитие на техники за кохерентен синтез. В допълнение към уникалните предимства на влакнестите лазери и необходимостта от тактическо използване на стотици киловати, няколко устройства (т.е. влакнести конусни съединители, многоядрени влакна, фазови модулатори с пигтейли и акусто-оптични превключватели на честотата и т.н.) изиграха роля решаваща роля в търговското внедряване на оптични комуникации. Влакнести конусни съединители и многоядрени влакна улесняват пасивния контрол на фазата на базата на свързване с инжектиране на лазерна енергия и свързване на бързи вълни, докато фазовите модулатори с пигтейли и акусто-оптични превключватели на честотата позволяват активен фазов контрол с мегахерцови контролни ленти, които могат да се използват за контролиране на фазовите флуктуации при условия на висока мощност и постигане на фазово заключени изходи. Изследователите са предложили редица отличителни кохерентни схеми за синтез.
Спектралният синтез е некохерентна техника за синтез, която използва една или повече дифракционни решетки за дифракция на множество подлъчи в една и съща бленда, което води до извеждане на единичен отвор с добро качество на лъча. Спектралният синтез на влакнести лазери може да използва пълноценно широката честотна лента на усилването на легираните с Yb влакнести лазери, за да компенсира ограничената изходна мощност на единичен влакнест лазер.
