Co je vláknový laser?
Optické vlákno je zkratka pro optické vlákno a je to obvykle válcový vlnovod pro světelné vlny. Využívá principu úplného odrazu k omezení světelných vln v jádru a jejich vedení ve směru osy vlákna. Nahrazení měděného drátu křemenným sklem změnilo svět.
Jako médium pro vedení světelných vln je optické vlákno široce používáno od roku 1966, kdy je představil Charles Kao, díky své vysoké komunikační kapacitě, vysoké odolnosti proti rušení, nízké přenosové ztrátě, dlouhé přenosové vzdálenosti, dobré důvěrnosti, přizpůsobivosti, malé velikosti. , nízká hmotnost a bohaté zdroje surovin. Kao, známý jako „otec vláknové optiky“, získal za svou práci v roce 2009 Nobelovu cenu za fyziku. S rostoucí dokonalostí a praktičností optických vláken způsobil revoluci v telekomunikačním průmyslu a do značné míry nahradil měděné dráty jako hlavní součást moderních komunikací.
Komunikační systém s optickým vláknem je komunikační systém, který využívá světlo jako nosič informací a optické vlákno jako vlnovodné médium. Když optické vlákno přenáší informace, elektrický signál se transformuje na optický signál, který je pak přenášen uvnitř vlákna. Jako vznikající komunikační technologie prokázala komunikace z optických vláken od samého počátku nesrovnatelnou převahu a přitahovala velký zájem a širokou pozornost. Široké použití optických vláken v komunikacích také přispělo k rychlému rozvoji zesilovačů optických vláken a vláknových laserů současně. Kromě komunikací se systémy optických vláken používají také v široké škále aplikací v lékařství, snímání a dalších oborech.
Optická vlákna
Médium zisku vláknového laseru je aktivní vlákno. Podle své struktury lze rozdělit na jednovidové vlákno, dvojitě plátované vlákno a vlákno z fotonického krystalu tři.
Jednovidové optické vlákno jednovidové vlákno se skládá z jádra, pláště a povlakové vrstvy, kde index lomu materiálu jádra n1 je vyšší než index lomu materiálu pláště n2, kdy úhel dopadu dopadajícího světla je větší než kritický úhel obrazu, světelný paprsek v jádru plné emise, takže vlákno může být vázáno na světelný paprsek v jádru šíření. Vnitřní plášť jednovidových vláken nemůže hrát omezující roli pro světlo vícevidové pumpy a numerická apertura jádra je nízká, takže k získání laserového výstupu lze použít pouze jednovidové spojení světla pumpy do jádra. Dřívější vláknové lasery používaly toto jednovidové vlákno, což mělo za následek nízkou účinnost vazby a lasery s výstupním výkonem v rozsahu miliwattů.
Dvojitě potažená vlákna
Aby se překonala omezení konvenčních jednovidových, jednoplášťových vláken dopovaných ytterbiem (Yb3 plus), pokud jde o účinnost konverze a výstupní výkon, Maurer (R. Maurer) poprvé v roce 1974 navrhl koncept dvojitě plátovaných vláken. Od té doby až do roku 1988, kdy E. Snitzer a další navrhli technologii čerpání obkladů [3], došlo k rychlému vývoji vysoce výkonných vláknových laserů/zesilovačů dopovaných Yb.
Vlákno s dvojitým pláštěm je optické vlákno se speciální strukturou, která ke konvenčnímu vláknu přidává vnitřní plášťovou vrstvu, sestávající z povlakové vrstvy, vnitřní plášťové vrstvy, vnější plášťové vrstvy a dopovaného jádra vlákna. Technologie čerpání pláště je založena na vlákně s dvojitým pláštěm, jehož jádro má umožnit přenos světla vícevidového čerpadla ve vnitřním plášti a laserového světla v jádru, což umožňuje účinnost přeměny čerpání a výstupní výkon vláknový laser výrazně zlepšit. Klíčem k této technologii je struktura dvojitě plátovaného vlákna, tvar vnitřního opláštění a metoda spojení s čerpadlem.
Jádro dvojitě plátovaného vlákna je tvořeno oxidem křemičitým (SiO2) dopovaným prvky vzácných zemin, což je jak laserové médium, tak přenosový kanál laserového signálu ve vláknovém laseru, odpovídající pracovní vlnové délce. Příčná velikost (desetinásobek průměru běžného jádra) a numerická apertura vnitřního pláště jsou mnohem větší než u jádra a index lomu je menší než u jádra, což zcela omezuje šíření laserového světla. uvnitř jádra. To vytváří optický vlnovod s velkým průřezem a velkou numerickou aperturou mezi jádrem a vnějším pláštěm, který umožňuje, aby se velké numerické apertury, velký průřez a vícemódové vysoce výkonné čerpané světlo spojilo do vlákna a omezilo se na přenos uvnitř vlákna. vnitřní plášť bez difúze, což usnadňuje udržení optického čerpání s vysokou hustotou výkonu. Vnější plášť je složen z polymerního materiálu s menším indexem lomu než vnitřní plášť; vnější vrstva je ochranná vrstva složená z organického materiálu. Oblast připojení dvojitě plátovaného vlákna k čerpanému světlu je dána velikostí vnitřního pláště, na rozdíl od konvenčních jednovidových vláken, která jsou určena samotným jádrem. Na jedné straně to zlepšuje účinnost spojování výkonu laseru s lidskými vlákny, což umožňuje, aby světlo pumpy několikrát prošlo vnitřním pláštěm, aby vybudilo dotované ionty pro laserovou emisi; na druhé straně je kvalita výstupního paprsku určena povahou jádra vlákna a zavedení vnitřního pláště nezničí kvalitu paprsku výstupu vláknového laseru.
Zpočátku bylo vnitřní opláštění dvojitě plátovaných vláken válcově symetrické a relativně jednoduché na výrobu a snadné připojení k pigtailu laserové diody pumpy (LD), ale její dokonalá symetrie vedla k velkému počtu spirálových paprsků světla pumpy. vnitřní plášť, který nikdy nedosáhl oblasti jádra ani po dostatečném množství odrazů, které by jádro absorbovalo, takže i u delších vláken stále dochází k velkému úniku světla, což ztěžuje zlepšení účinnosti konverze. Z tohoto důvodu musí být porušena válcová symetrie vnitřního opláštění.
Vlákna fotonických krystalů
U normálních vláken s dvojitým pláštěm určuje výstupní výkon laseru geometrie jádra. Číselná apertura určuje kvalitu paprsku výstupního laseru. Vzhledem k omezením nelineárních efektů, optického poškození a dalších fyzikálních mechanismů v optických vláknech nemůže jediný prostředek pro zvětšení průměru jádra uspokojit poptávku po jednovidovém provozu při vysokém výstupním výkonu ve vláknech s dvojitým pláštěm s velkým módem pole. Vznik speciálních vláken, jako jsou vlákna fotonických krystalů (PCF), poskytuje účinné technické řešení této výzvy.
Koncept fotonických krystalů byl poprvé představen E. Yablonovitchem v roce 19871 jako periodická struktura s různými dielektrickými konstantami v jednom, dvou nebo třech rozměrech, která umožňuje šíření světla ve fotonickém vodivostním pásu a zakazuje šíření světla ve fotonickém zakázaném pásmu ( PBG). PCF jsou dvourozměrné fotonické krystaly, známé také jako mikrostrukturovaná vlákna nebo porézní vlákna, a v roce 1996 JC Knight et al. vyrobili první PCF s mechanismem vedení světla podobným mechanismu konvenčních vláken s úplným vnitřním odrazem. Po roce 2005 se návrh a příprava velkomódových PCF s polem začaly diverzifikovat se vznikem různých tvarů, včetně PCF s netěsným kanálem, tyčovitých PCF, PCF s velkým roztečím a vícejádrových PCF. Oblast módového pole vlákna se rovněž odpovídajícím způsobem dále zvětšovala.
Vzhledově jsou PCF velmi podobné konvenčním jednovidovým vláknům, ale mikroskopicky vykazují složité struktury děrového pole. Právě tyto strukturální vlastnosti dávají PCF jedinečné a bezkonkurenční výhody oproti konvenčním vláknům, jako je jednovidový přenos bez přerušení, velká plocha pole, laditelná disperze a nízké omezující ztráty, které mohou překonat mnoho problémů konvenčních laserů. . PCF může například dosáhnout jednorežimového provozu v oblasti pole s velkým režimem, přičemž zajišťuje kvalitu paprsku, výrazně snižuje hustotu výkonu laseru ve vláknu, snižuje nelineární efekty ve vláknu a zvyšuje práh poškození vlákna; může dosáhnout velké numerické apertury, což znamená větší optickou vazbu čerpadla a vyšší výkon laseru. To z něj učinilo nový vrchol výzkumu v oblasti vláknových laserů, který hraje stále důležitější roli v aplikaci vysokovýkonných vláknových laserů.
Vynález vláknového laseru
Lasery, které používají optická vlákna jako médium pro zisk laseru, jsou známé jako vláknové lasery. Stejně jako ostatní typy laserů se skládá ze tří částí: zesilovacího média, zdroje pumpy a rezonanční dutiny. vláknové lasery používají jako médium zisku aktivní vlákno s jádrem dopovaným prvky vzácných zemin. Jako zdroj čerpadla se obecně používá polovodičový laser. Rezonanční dutina se obecně skládá z reflexních zrcadel, koncových povrchů vláken, zrcadel s vláknitými prstenci nebo vláknových mřížek.
Podle charakteristik časové oblasti vláknového laseru jej lze rozdělit na kontinuální vláknový laser a pulzní vláknový laser; podle struktury rezonanční dutiny jej lze rozdělit na lineární dutinový vláknový laser, vláknový laser s distribuovanou zpětnou vazbou a prstencový dutinový vláknový laser; podle ziskového vlákna a různých metod čerpání jej lze rozdělit na vláknový laser s jednoduchým pláštěm (čerpání jádra vlákna) a laser s dvojitým pláštěm (čerpání pláště).
V roce 1961 objevil Snitzer laserové záření ve skleněných vlnovodech dotovaných neodymem (Nd). V roce 1966 Kao podrobně studoval hlavní příčiny útlumu světla v optických vláknech a poukázal na hlavní technické problémy, které je třeba vyřešit pro praktickou aplikaci optických vláken v komunikacích. 1970, Corning v USA vyvinul optická vlákna s útlumem menším než 20 dB/km, což položilo základ pro rozvoj optického komunikačního a optoelektronického průmyslu. Tím byl položen základ pro rozvoj odvětví optických komunikací a optoelektroniky. V 70. a 80. letech 20. století dozrávání a komercializace polovodičové laserové technologie poskytlo spolehlivý a rozmanitý zdroj čerpadel pro vývoj vláknových laserů. Vývoj metody chemického nanášení par zároveň neustále snižuje přenosovou ztrátu optických vláken. Vláknové lasery se také rychle rozvíjejí směrem k diverzifikaci, s vlákny dopovanými řadou prvků vzácných zemin, jako je erbium (Er3 plus ), ytterbium (Yb3 plus ), neodym (Nd3 plus ), samarium (Sm 3 plus ), thulium (Tm3 plus), holmium (Ho3 plus), praseodym (Pr3 plus), dysprosium (Dy3 plus), vizmut (Bi3 plus) a tak dále. V závislosti na dopovaných iontech lze dosáhnout různých vlnových délek laserového výstupu. Pro splnění požadavků různých aplikací.
Vlastnosti vysokovýkonných vláknových laserů
Výhody vysokovýkonných vláknových laserů jsou následující.
(1) Dobrá kvalita paprsku. Struktura vlnovodu optického vlákna umožňuje snadno získat výstup s jediným příčným režimem a vliv vnějších faktorů je velmi malý, aby se dosáhlo vysokého jasu laserového výstupu.
(2) Vysoká účinnost. Vláknový laser výběrem vlnové délky emise a absorpčních charakteristik dopovaných prvků vzácných zemin polovodičového laseru pro zdroj pumpy, můžete dosáhnout velmi vysoké účinnosti přeměny světla a světla. Pro ytterbiem dopované vysoce výkonné vláknové lasery obecně volte 915nm nebo 975nm polovodičové lasery, vzhledem k jednoduché struktuře energetické hladiny Yb3 plus je méně pravděpodobný výskyt upkonverze, absorpce excitovaného stavu a výbuchů koncentrace, životnost fluorescence je delší a může efektivně ukládat energii pro provoz s vysokým výkonem. Celková elektrooptická účinnost komerčních vláknových laserů je až 25 procent, což přispívá ke snížení nákladů, úspoře energie a ochraně životního prostředí.
(3) Dobré vlastnosti rozptylu tepla. Vláknové lasery se používají jako médium pro zisk laseru pomocí tenkého vlákna dopovaného prvky vzácných zemin s velmi velkým poměrem plochy povrchu k objemu. Přibližně 1000krát větší než pevný blok laseru, pokud jde o kapacitu rozptylu tepla, má přirozenou výhodu. U skříní s nízkým a středním výkonem není vyžadováno žádné speciální chlazení vlákna a u skříní s vysokým výkonem se používá vodní chlazení, které také účinně zabraňuje zhoršení kvality a účinnosti paprsku v důsledku tepelných efektů, které se běžně vyskytují u pevnolátkových laserů.
(4) Kompaktní konstrukce, vysoká spolehlivost. Protože vláknový laser používá jako médium zisku laseru malé a flexibilní vlákno, pomáhá stlačit objem a šetřit náklady. Pumpový zdroj se také používá v malých, snadno modulárních polovodičových laserech, komerční produkty jsou obecně dostupné s výstupem pigtailu v kombinaci s vláknovou Braggovou mřížkou a dalšími optickými zařízeními, pokud jsou tato zařízení vzájemně spojena pro dosažení plného vlákna, odolnost vůči rušivým vlivům prostředí s vysokou stabilitou může ušetřit čas a náklady na údržbu.
Vysokovýkonné vláknové lasery mají také nevýhody, které je obtížné překonat: jednou z nich je zranitelnost vůči nelineárním efektům. Vláknové lasery mají díky geometrii jejich vlnovodů dlouhou efektivní délku a nízký práh pro různé nelineární efekty. Některé škodlivé nelineární efekty, jako je excitovaný Ramanův rozptyl (SRS), samofázová modulace (SPM) atd. mohou způsobit kolísání fáze a přenos energie na spektru nebo dokonce poškození laserového systému, což omezuje vývoj vysoce výkonných vláken. lasery. Druhým je efekt ztmavení fotonů. Se zvýšením doby čerpání může efekt ztmavnutí fotonů vést k vysoké koncentraci dopingu vláken dotovaných prvky vzácných zemin účinnost přeměny energie monotónně nevratnému poklesu, což omezuje dlouhodobou stabilitu a životnost vysoce výkonných vláknových laserů, což je zvláště zřejmé. ve vysoce výkonných vláknových laserech dopovaných ytterbiem.
S pokrokem v oblasti polovodičových laserů s vysokým jasem a technologie dvojitého pláště se výrazně zlepšil výstupní výkon, účinnost konverze optiky na optiku a kvalita paprsku vysokovýkonných vláknových laserů. V oblasti průmyslového zpracování, zbraní s řízenou energií, telemetrie dlouhého dosahu, LIDARu a dalších aplikací obrovské poptávkové trakce do Spojených států amerických Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) a Německo Tong Express Group, především výzkumné jednotky na kontinuální vlnu, výzkum a vývoj pulsních vysokovýkonných vláknových laserů, zahájily bohaté produktové řady. Vzrušující výsledky také oznámila řada jednotek v Číně, včetně Tsinghua University, National University of Defense Technology, Šanghajského institutu optiky a přesných strojů Čínské akademie věd a Čtvrtého výzkumného institutu Čínské letecké a kosmické vědy a Průmyslová korporace.
Technologie zvýšení výkonu vláknového laseru
Kvůli nelineárním efektům ve vláknovém laseru, tepelným efektům a omezením prahových hodnot poškození materiálu je výstupní výkon jednovláknového laseru do určité míry omezen a jak se výkon zvyšuje, kvalita paprsku postupně klesá, což vyžaduje použití technologie řízení režimu a návrh speciální struktury nového vlákna pro zlepšení kvality paprsku. Dawson (JW Dawson) et al teoreticky analyzovali limit výstupního výkonu jednoho vlákna a vypočítali, že v širokopásmových vláknových laserech může jediné vlákno získat maximální výkon 36 kW blízko difrakčního výstupu laseru, zatímco u vláknových laserů s úzkou šířkou čáry je maximální výkon je 2 kW. Pro další zvýšení výstupního výkonu vláknového laseru a zesilovače je účinnou metodou výkonová syntéza vícevláknových laserů technologií koherentní syntézy. V posledních letech se stal mezinárodním výzkumným hotspotem.
Koherentní syntézy je dosaženo řízením fáze, frekvence a polarizace každého laserového paprsku s určitou konzistencí tak, aby splnil podmínku koherence a získal homogenní fázově uzamčený výstup, který může získat mnohem vyšší špičkovou intenzitu než jednoduchý nekoherentní superpozici a udržení dobré kvality paprsku. Historie vývoje technologie koherentní syntézy je téměř stejně dlouhá jako historie laserů samotných a zahrnuje různé typy plynových laserů, chemických laserů, polovodičových laserů, pevnolátkových laserů atd. Vzhledem k nevyzrálosti různých zařízení však dochází k tomu, že se jedná o různé typy laserů. v prvních dnech experimentální výsledky dosažené technologií koherentní syntézy neprorazily maximální výstupní výkon odpovídajícího jednočlánkového laseru v té době, takže efekt nebyl příliš patrný. Od 90. let 20. století vedl nástup vláknových laserů k rychlému rozvoji technik koherentní syntézy. Kromě jedinečných výhod vláknových laserů a potřeby taktického využití stovek kilowattů hraje roli několik zařízení (např. vláknové kuželové spojky, vícejádrová vlákna, fázové modulátory s pigtaily a akusticko-optické frekvenční měniče atd.). klíčovou roli v komerčním zavádění optických komunikací. Vláknové kuželové spojky a vícejádrová vlákna usnadňují pasivní fázové řízení založené na laserové vstřikovací vazbě a rychlé vlnové vazbě, zatímco fázové modulátory s pigtaily a akusticko-optické frekvenční posunovače umožňují aktivní fázové řízení s megahertzovou řídicí šířkou pásma, kterou lze použít k řízení fázových fluktuací při podmínky vysokého výkonu a dosažení fázově uzamčených výstupů. Výzkumníci navrhli řadu charakteristických koherentních schémat syntézy.
Spektrální syntéza je technika nekoherentní syntézy, která využívá jednu nebo více difrakčních mřížek k difrakci více dílčích paprsků do stejné apertury, což má za následek výstup jediné apertury s dobrou kvalitou paprsku. Spektrální syntéza vláknových laserů může plně využít široké pásmo zesílení vláknových laserů dopovaných Yb ke kompenzaci omezeného výstupního výkonu jednovláknového laseru.
