Ce este un laser cu fibră?
Fibra optică este prescurtare pentru fibră optică și este de obicei un ghid de undă cilindric pentru undele luminoase. Utilizează principiul reflexiei totale pentru a limita undele luminoase la miez și a le ghida în direcția axei fibrei. Înlocuirea firului de cupru cu sticlă de cuarț a schimbat lumea.
Ca mediu pentru conducerea undelor luminoase, fibra optică a fost utilizată pe scară largă încă din 1966, când a fost introdusă de Charles Kao, datorită capacității sale mari de comunicare, imunitate ridicată la interferențe, pierderi reduse de transmisie, distanță mare de releu, confidențialitate bună, adaptabilitate, dimensiuni reduse. , greutate redusă și surse abundente de materii prime. Cunoscut drept „părintele fibrei optice”, Kao a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică în 2009 pentru munca sa. Odată cu creșterea perfecțiunii și caracterului practic al fibrei optice, aceasta a revoluționat industria telecomunicațiilor și a înlocuit în mare măsură firul de cupru ca componentă de bază a comunicațiilor moderne.
Sistemul de comunicație cu fibră optică este un sistem de comunicație care utilizează lumina ca purtător de informații și fibra optică ca mediu de ghidare a undelor. Când fibra optică transmite informații, semnalul electric este transformat într-un semnal optic, care este apoi transmis în interiorul fibrei. Fiind o tehnologie de comunicare emergentă, comunicarea prin fibră optică a demonstrat de la bun început o superioritate de neegalat și a atras un mare interes și o atenție larg răspândită. Utilizarea pe scară largă a fibrelor optice în comunicații a contribuit, de asemenea, la dezvoltarea rapidă a amplificatoarelor cu fibră optică și a laserelor cu fibră în același timp. Pe lângă comunicații, sistemele cu fibră optică sunt, de asemenea, utilizate într-o gamă largă de aplicații în medicină, detecție și alte domenii.
Fibre optice
Mediul de câștig al unui laser cu fibră este fibra activă. În funcție de structura sa, poate fi împărțit în fibră monomodală, fibră cu două învelișuri și fibre de cristal fotonic trei.
Fibră optică monomod Fibra monomodală constă dintr-un miez, un strat de acoperire și un strat de acoperire, în care indicele de refracție al materialului miezului n1 este mai mare decât indicele de refracție al materialului de acoperire n2, când unghiul de incident al luminii incidente este mai mare decât imaginea unghiului critic, fasciculul de lumină în miezul emisiei complete, astfel încât fibra poate fi legată de fasciculul de lumină în propagarea miezului. Învelișul interioară a fibrelor cu un singur mod nu poate juca un rol de restricție pentru lumina pompei multimode, iar deschiderea numerică a miezului este scăzută, astfel încât numai cuplarea luminii pompei cu un singur mod în miez poate fi utilizată pentru a obține o ieșire laser. Laserele cu fibră timpurii au folosit această fibră monomod, rezultând o eficiență scăzută de cuplare și lasere cu putere de ieșire în intervalul de miliwați.
Fibre cu două învelișuri
Pentru a depăși limitările fibrelor convenționale cu un singur mod, dopate cu itterbiu (Yb3 plus ), cu privire la eficiența de conversie și puterea de ieșire, Maurer (R. Maurer) a propus pentru prima dată conceptul de fibre cu două învelișuri în 1974. De atunci, abia în 1988, când E. Snitzer și alții au propus tehnologia de pompare a placajului [3], au fost dezvoltate rapid laserele/amplificatoarele cu fibră dopate cu Yb de mare putere.
O fibră cu dublă placare este o fibră optică cu o structură specială care adaugă fibrei convenționale un strat de placare interior, constând dintr-un strat de acoperire, un strat de placare interior, un strat de placare exterior și un miez de fibră dopată. Tehnologia de pompare a placajului se bazează pe o fibră dublă, al cărei miez este să permită transmiterea luminii pompei multimodale în placa interioară și a luminii laser în miez, permițând eficiența conversiei de pompare și puterea de ieșire a laserul cu fibră să fie mult îmbunătățit. Structura fibrei cu dublu placare, forma placajului interioară și metoda de cuplare a luminii pompei sunt cheile acestei tehnologii.
Miezul fibrei cu dublu înveliș este compus din dioxid de siliciu (SiO2) dopat cu elemente din pământuri rare, care este atât mediul laser, cât și canalul de transmisie al semnalului laser în laserul cu fibră, corespunzător lungimii de undă de lucru. Dimensiunea transversală (de zeci de ori diametrul unui miez convențional) și deschiderea numerică a placajei interioare sunt mult mai mari decât cea a miezului, iar indicele de refracție este mai mic decât cel al miezului, ceea ce limitează în întregime propagarea luminii laser. în interiorul miezului. Acest lucru creează un ghid de undă optic cu secțiune transversală mare, cu deschidere numerică mare, între miez și placarea exterioară, care permite deschiderea numerică mare, secțiunea transversală mare și luminii pompate de mare putere multimodale să fie cuplate în fibră și limitată la transmisie în interior. placarea interioara fara difuzie, facilitand mentinerea pomparii optice cu densitate mare de putere. Placa exterioară este compusă dintr-un material polimeric cu un indice de refracție mai mic decât placa interioară; stratul exterior este un strat protector compus din material organic. Zona de cuplare a fibrei cu două învelișuri la lumina pompată este determinată de dimensiunea învelișului interioară, spre deosebire de fibrele convenționale cu un singur mod, care sunt determinate numai de miez. Pe de o parte, aceasta îmbunătățește eficiența de cuplare a puterii laserului cu fibră umană, permițând luminii pompei să treacă prin placarea interioară de mai multe ori pentru a excita ionii dopați pentru emisia laser; pe de altă parte, calitatea fasciculului de ieșire este determinată de natura miezului de fibre, iar introducerea învelișului interioară nu distruge calitatea fasciculului de ieșire a laserului cu fibre.
Inițial, placarea interioară a fibrelor cu două învelișuri a fost simetrică cilindric și relativ simplu de fabricat și ușor de cuplat la coada diodei laser a pompei (LD), dar simetria sa perfectă a dus la un număr mare de raze spiralate ale luminii pompei în placa interioară care nu a ajuns niciodată în regiunea miezului chiar și după suficiente reflexii pentru a fi absorbită de miez, astfel încât chiar și cu o Chiar și cu fibre mai lungi există încă o cantitate mare de scurgere de lumină, ceea ce face dificilă îmbunătățirea eficienței conversiei. Din acest motiv, simetria cilindrică a placajei interioare trebuie ruptă.
Fibre de cristal fotonic
În fibrele normale cu înveliș dublu, geometria miezului determină puterea de ieșire a laserului. Diafragma numerică determină calitatea fasciculului laser de ieșire. Datorită limitărilor efectelor neliniare, a deteriorării optice și a altor mecanisme fizice din fibrele optice, un singur mijloc de creștere a diametrului miezului nu poate satisface cererea de funcționare cu un singur mod la o putere mare de ieșire în fibrele cu dublă placare în câmp de mod mare. Apariția fibrelor speciale, cum ar fi fibrele de cristal fotonic (PCF), oferă o soluție tehnică eficientă la această provocare.
Conceptul de cristale fotonice a fost introdus pentru prima dată de E. Yablonovitch în 19871 ca o structură periodică cu diferite constante dielectrice într-una, două sau trei dimensiuni care permite luminii să se propagă în banda de conducție fotonică și interzice luminii să se propagă în banda interzisă fotonică ( PBG). PCF-urile sunt cristale fotonice bidimensionale, cunoscute și sub numele de fibre microstructurate sau fibre poroase, iar în 1996 JC Knight și colab. a produs primele PCF cu un mecanism de ghidare a luminii similar cu cel al fibrelor convenționale cu reflexie internă totală. După 2005, proiectarea și pregătirea PCF-urilor de câmp cu mod mare a început să se diversifice, odată cu apariția diferitelor forme, inclusiv PCF-uri cu canal cu scurgeri, PCF-uri în formă de tijă, PCF-uri cu pas mare și PCF-uri multi-core. Zona mod-câmp a fibrei a continuat să crească în consecință.
În aparență, PCF-urile sunt foarte asemănătoare cu fibrele convenționale monomode, dar la microscop ele prezintă structuri complexe de matrice de găuri. Aceste caracteristici structurale oferă PCF-urilor avantaje unice și de neegalat față de fibrele convenționale, cum ar fi transmisia monomod fără întrerupere, suprafața de câmp mare, dispersia reglabilă și pierderea de limitare scăzută, care pot depăși multe dintre provocările laserelor convenționale. . De exemplu, PCF poate realiza operarea monomod într-o zonă mare de câmp de mod, asigurând în același timp calitatea fasciculului, reducând semnificativ densitatea puterii laserului în fibră, reducând efectele neliniare în fibră și crescând pragul de deteriorare al fibrei; poate obține o deschidere numerică mare, ceea ce înseamnă mai multă cuplare optică a pompei și o putere mai mare de ieșire a laserului. Acest lucru l-a transformat într-un nou punct de referință în cercetarea laserelor cu fibră, jucând un rol din ce în ce mai important în aplicarea laserelor cu fibră de mare putere.
Invenția laserului cu fibră
Laserele care folosesc fibre optice ca mediu de câștig laser sunt cunoscute sub denumirea de lasere cu fibră. Ca și alte tipuri de lasere, acesta este format din trei părți: mediul de câștig, sursa pompei și cavitatea rezonantă. Laserele cu fibră folosesc o fibră activă cu un miez dopat cu elemente de pământ rare ca mediu de câștig. Un laser cu semiconductor este utilizat în general ca sursă de pompă. Cavitatea rezonantă este în general compusă din oglinzi reflectorizante, suprafețe de capăt ale fibrei, oglinzi cu inele de fibre sau grătare de fibre.
În funcție de caracteristicile domeniului timp al laserului cu fibră, acesta poate fi împărțit în laser cu fibră continuă și laser cu fibră pulsată; în funcție de structura cavității rezonante, acesta poate fi împărțit în laser cu fibră cu cavitate liniară, laser cu fibre cu feedback distribuit și laser cu fibre cu cavitate inelă; în funcție de fibra de câștig și diferitele metode de pompare, aceasta poate fi împărțită în laser cu fibre cu placa unică (pompare cu miez de fibre) și laser cu fibre cu placa dublă (pompare cu placare).
În 1961, Snitzer a descoperit radiația laser în ghidurile de undă din sticlă dopată cu neodim (Nd). 1966, Kao a studiat în detaliu principalele cauze ale atenuării luminii în fibrele optice și a subliniat principalele probleme tehnice care trebuie rezolvate pentru aplicarea practică a fibrelor optice în comunicații. 1970, Corning în SUA a dezvoltat fibre optice cu atenuare mai mică de 20 dB/km, care au pus bazele dezvoltării industriei de comunicații optice și optoelectronice. Aceasta a pus bazele dezvoltării industriei de comunicații optice și optoelectronice. În anii 1970 și 1980, maturizarea și comercializarea tehnologiei laser semiconductoare au oferit o sursă de pompă fiabilă și diversă pentru dezvoltarea laserelor cu fibră. În același timp, dezvoltarea metodei de depunere chimică a vaporilor face ca pierderea de transmisie a fibrei optice să fie redusă în mod continuu. Laserele cu fibre se dezvoltă rapid și în direcția diversificării, cu fibre dopate cu o varietate de elemente de pământuri rare, cum ar fi erbiu (Er3 plus ), iterbiu (Yb3 plus ), neodim (Nd3 plus ), samariu (Sm 3 plus ), tuliu (Tm3 plus ), holmiu (Ho3 plus ), praseodimiu (Pr3 plus ), disproziu (Dy3 plus ), bismut (Bi3 plus ) și așa mai departe. În funcție de ionii dopați, pot fi obținute lungimi de undă diferite ale ieșirii laserului. Pentru a satisface cerințele diferitelor aplicații.
Caracteristici ale laserelor cu fibră de mare putere
Avantajele laserelor cu fibră de mare putere sunt următoarele.
(1) Calitate bună a fasciculului. Structura ghidului de undă a fibrei optice facilitează obținerea unei singure ieșiri în mod transversal, iar influența factorilor externi este foarte mică, pentru a obține o ieșire laser cu luminozitate ridicată.
(2) Eficiență ridicată. Laser cu fibră prin alegerea lungimii de undă de emisie și a caracteristicilor de absorbție a elementelor rare dopate ale laserului semiconductor pentru sursa pompei, puteți obține o eficiență de conversie a luminii foarte ridicată. Pentru laserele cu fibră de mare putere dopate cu itterbiu, alegeți în general lasere semiconductoare de 915 nm sau 975 nm, datorită structurii simple a nivelului de energie a Yb3 plus, conversia ascendentă, absorbția în stare excitată și exploziile de concentrare sunt mai puțin probabil să apară, durata de viață a fluorescenței este mai lungă și poate stoca eficient energia. pentru operare cu putere mare. Eficiența electro-optică generală a laserelor cu fibră comerciale este de până la 25%, ceea ce conduce la reducerea costurilor, economisirea energiei și protecția mediului.
(3) Caracteristici bune de disipare a căldurii. Laserele cu fibră sunt utilizate ca mediu de câștig laser folosind o fibră subțire, dopată cu elemente de pământ rar, cu un raport suprafață foarte mare la volum. De aproximativ 1000 de ori laserul bloc solid, în ceea ce privește capacitatea de disipare a căldurii, are un avantaj natural. Nu este necesară răcirea specială a fibrei pentru carcasele de putere mică și medie, iar răcirea cu apă este utilizată pentru carcasele de putere mare, ceea ce evită, de asemenea, în mod eficient degradarea calității și eficienței fasciculului din cauza efectelor termice întâlnite în mod obișnuit la laserele cu stare solidă.
(4) Structură compactă, fiabilitate ridicată. Deoarece laserul cu fibră folosește o fibră mică și flexibilă ca mediu de câștig al laserului, ajută la comprimarea volumului și la economisirea costurilor. Sursa de pompă este, de asemenea, utilizată în lasere semiconductoare de dimensiuni mici, ușor de modular, produsele comerciale sunt în general disponibile cu ieșire coadă, combinate cu rețeaua Bragg cu fibră și alte dispozitive cu fibră optică, atâta timp cât aceste dispozitive sunt fuzionate între ele pentru a obține o fibră completă, imunitate la perturbările mediului, cu stabilitate ridicată, poate economisi timp și costuri de întreținere.
Laserele cu fibră de mare putere au și dezavantaje greu de depășit: unul este vulnerabilitatea la efectele neliniare. Laserele cu fibră au o lungime efectivă mare și un prag scăzut pentru diferite efecte neliniare datorită geometriei ghidurilor lor de undă. Unele efecte neliniare dăunătoare, cum ar fi împrăștierea Raman excitată (SRS), modularea autofază (SPM) etc. pot provoca fluctuații de fază și transfer de energie pe spectru sau chiar deteriorarea sistemului laser, limitând dezvoltarea fibrei de mare putere. lasere. Al doilea este efectul de întunecare a fotonului. Odată cu creșterea timpului de pompare, efectul de întunecare a fotonului poate duce la o concentrație mare de dopaj a eficienței conversiei puterii fibrelor dopate cu elemente de pământ rare, o scădere monotonică ireversibilă, limitând stabilitatea pe termen lung și durata de viață a laserelor cu fibră de mare putere, ceea ce este deosebit de evident în laserele cu fibră de mare putere dopate cu iterbiu.
Odată cu avansarea laserelor semiconductoare cuplate cu fibre de luminozitate ridicată și a tehnologiei cu fibră dublă, puterea de ieșire, eficiența conversiei optice-optice și calitatea fasciculului laserelor cu fibră de mare putere s-au dezvoltat semnificativ. În procesarea industrială, armele cu energie dirijată, telemetria cu rază lungă de acțiune, LIDAR și alte aplicații de tracțiune a cererii uriașe, în Statele Unite ale Americii Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) și Germania Tong Express Group, în principal unități de cercetare privind valul continuu, unda de puls de mare putere cu laser cu fibre de cercetare și dezvoltare, a lansat o linii de produse bogate. Rezultate interesante au fost raportate și de un număr de unități din China, inclusiv Universitatea Tsinghua, Universitatea Națională de Tehnologia Apărării, Institutul de Optică și Mașini de Precizie din Shanghai al Academiei Chineze de Științe și Institutul de Cercetare al IV-lea al Științei Aerospațiale din China și Corporația Industriei.
Tehnologia de îmbunătățire a puterii laser cu fibră
Datorită efectelor neliniare ale laserului cu fibră, efectelor termice și limitărilor pragului de deteriorare a materialelor, puterea de ieșire a unui singur laser cu fibră este limitată într-o anumită măsură, iar pe măsură ce puterea crește, calitatea fasciculului scade treptat, necesitând utilizarea a tehnologiei de control al modului și proiectarea unei structuri speciale a noii fibre pentru a îmbunătăți calitatea fasciculului. Dawson (JW Dawson) și colab. au analizat teoretic limita puterii de ieșire a unei singure fibre și au calculat că în laserele cu fibră în bandă largă o singură fibră poate obține o putere maximă de 36 kW de ieșire aproape de limita de difracție a laserului, în timp ce pentru laserele cu fibră cu lățime de linie îngustă, puterea este de 2 kW. Pentru a îmbunătăți și mai mult puterea de ieșire a laserului cu fibră și a amplificatorului, sinteza puterii laserelor cu fibre multiple prin tehnologia de sinteză coerentă este o metodă eficientă. A devenit un hotspot internațional de cercetare în ultimii ani.
Sinteza coerentă se realizează prin controlul fazei, frecvenței și polarizării fiecărui fascicul laser cu o anumită consistență, astfel încât să îndeplinească condiția de coerență și să obțină o ieșire omogenă blocată în fază, care poate obține o intensitate de vârf mult mai mare decât simpla necoerentă. suprapunere și menține o calitate bună a fasciculului. Istoria dezvoltării tehnologiei de sinteză coerentă este aproape la fel de lungă ca istoria laserelor în sine și implică diferite tipuri de lasere cu gaz, lasere chimice, lasere semiconductoare, lasere cu stare solidă etc. Cu toate acestea, din cauza imaturității diferitelor dispozitive în primele zile, rezultatele experimentale obținute prin tehnologia de sinteză coerentă nu au depășit puterea maximă de ieșire a laserului cu o singură legătură în acel moment, așa că efectul nu a fost foarte evident. Începând cu anii 1990, apariția laserelor cu fibră a condus la o dezvoltare rapidă a tehnicilor de sinteză coerente. Pe lângă avantajele unice ale laserelor cu fibră și necesitatea utilizării tactice a sutelor de kilowați, mai multe dispozitive (adică cuple de con de fibră, fibre multi-core, modulatoare de fază cu pigtails și schimbătoare de frecvență acusto-optice etc.) au jucat un rol important. rol crucial în lansarea comercială a comunicațiilor prin fibră optică. Cuplajele cu conuri de fibre și fibrele multinucleu facilitează controlul pasiv al fazei bazat pe cuplarea cu injecție de energie laser și cuplarea cu unde rapide, în timp ce modulatoarele de fază cu pigtails și schimbătoare de frecvență acusto-optice permit controlul activ al fazei cu lățimi de bandă de control megaherți, care pot fi utilizate pentru a controla fluctuațiile de fază la condiții de putere ridicată și obține ieșiri blocate în fază. Cercetătorii au propus o serie de scheme de sinteză coerente distincte.
Sinteza spectrală este o tehnică de sinteză necoerentă care utilizează unul sau mai multe rețele de difracție pentru a difracta mai multe subraze în aceeași deschidere, rezultând o singură deschidere de ieșire cu o calitate bună a fasciculului. Sinteza spectrală a laserelor cu fibră poate folosi pe deplin lățimea de bandă de câștig mare a laserelor cu fibră dopate cu Yb pentru a compensa puterea limitată de ieșire a unui singur laser cu fibră.
