Co to jest laser światłowodowy?
Światłowód jest skrótem od światłowodu i jest zwykle cylindrycznym falowodem dla fal świetlnych. Wykorzystuje zasadę całkowitego odbicia, aby ograniczyć fale świetlne do rdzenia i skierować je w kierunku osi światłowodu. Zastąpienie drutu miedzianego szkłem kwarcowym zmieniło świat.
Jako medium do przewodzenia fal świetlnych światłowód jest szeroko stosowany od 1966 roku, kiedy to został wprowadzony przez Charlesa Kao, dzięki dużej przepustowości komunikacyjnej, wysokiej odporności na zakłócenia, niskim stratom transmisji, dużej odległości przekaźnika, dobrej poufności, zdolności adaptacyjnych, małym rozmiarom , lekkie i obfite źródła surowców. Znany jako „ojciec światłowodów”, Kao otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2009 roku za swoją pracę. Wraz z rosnącą doskonałością i praktycznością światłowodów zrewolucjonizował przemysł telekomunikacyjny iw dużej mierze zastąpił drut miedziany jako główny element nowoczesnej komunikacji.
System komunikacji światłowodowej to system komunikacyjny wykorzystujący światło jako nośnik informacji i światłowód jako medium falowodowe. Gdy światłowód przesyła informacje, sygnał elektryczny jest przekształcany w sygnał optyczny, który jest następnie przesyłany wewnątrz światłowodu. Jako wschodząca technologia komunikacyjna, komunikacja światłowodowa od samego początku wykazywała niezrównaną wyższość i cieszyła się dużym zainteresowaniem i powszechną uwagą. Powszechne zastosowanie światłowodów w komunikacji przyczyniło się również do szybkiego rozwoju wzmacniaczy światłowodowych i jednocześnie laserów światłowodowych. Oprócz komunikacji systemy światłowodowe są również wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań w medycynie, czujnikach i innych dziedzinach.
Włókna optyczne
Medium wzmacniającym lasera światłowodowego jest włókno aktywne. Zgodnie z jego strukturą można podzielić na włókno jednomodowe, włókno podwójnie powlekane i włókno kryształu fotonicznego trzy.
Światłowód jednomodowy Światłowód jednomodowy składa się z rdzenia, płaszcza i warstwy powłoki, gdzie współczynnik załamania materiału rdzenia n1 jest wyższy niż współczynnik załamania materiału płaszcza n2, gdy kąt padania światła padającego jest większy niż obraz kąta krytycznego, wiązka światła w rdzeniu pełnej emisji, dzięki czemu włókno może być związane z wiązką światła w propagacji rdzenia. Wewnętrzny płaszcz włókien jednomodowych nie może odgrywać roli ograniczającej dla wielomodowego światła pompy, a apertura numeryczna rdzenia jest niska, więc tylko jednomodowe sprzężenie światła pompy z rdzeniem może być użyte do uzyskania mocy wyjściowej lasera. Wczesne lasery światłowodowe wykorzystywały to światłowód jednomodowy, co skutkowało niską wydajnością sprzęgania i laserami o mocy wyjściowej rzędu miliwatów.
Włókna dwuwarstwowe
W celu przezwyciężenia ograniczeń konwencjonalnych jednomodowych, jednopłaszczowych włókien domieszkowanych iterbem (Yb3 plus ) w zakresie wydajności konwersji i mocy wyjściowej, Maurer (R. Maurer) po raz pierwszy zaproponował koncepcję włókien podwójnie płaszczowych w 1974 roku. Od tego czasu dopiero w 1988 r., kiedy E. Snitzer i inni zaproponowali technologię pompowania okładzin [3], szybko opracowano lasery/wzmacniacze światłowodowe dużej mocy domieszkowane Yb.
Włókno z podwójnym płaszczem to światłowód o specjalnej strukturze, która dodaje wewnętrzną warstwę płaszcza do konwencjonalnego włókna, składającą się z warstwy powłoki, wewnętrznej warstwy płaszcza, zewnętrznej warstwy płaszcza i domieszkowanego rdzenia światłowodowego. Technologia pompowania płaszcza oparta jest na włóknie dwupłaszczowym, którego rdzeń ma umożliwiać transmisję światła pompy wielomodowej w płaszczu wewnętrznym i światła laserowego w rdzeniu, co pozwala na uzyskanie wydajności konwersji pompowania i mocy wyjściowej laser światłowodowy ma zostać znacznie ulepszony. Kluczem do tej technologii jest struktura podwójnie powlekanego włókna, kształt wewnętrznego płaszcza i metoda pompowania światła.
Rdzeń światłowodu dwupłaszczowego składa się z dwutlenku krzemu (SiO2) domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich, który jest zarówno ośrodkiem lasera, jak i kanałem transmisyjnym sygnału laserowego w laserze światłowodowym, odpowiadającym roboczej długości fali. Rozmiar poprzeczny (kilkadziesiąt razy średnica konwencjonalnego rdzenia) i apertura numeryczna wewnętrznego płaszcza są znacznie większe niż rdzenia, a współczynnik załamania światła jest mniejszy niż rdzenia, co całkowicie ogranicza propagację światła laserowego w obrębie rdzenia. Tworzy to falowód optyczny o dużym przekroju poprzecznym i dużej aperturze numerycznej między rdzeniem a płaszczem zewnętrznym, co umożliwia sprzężenie światła pompowanego o dużej aperturze numerycznej, dużym przekroju poprzecznym i wielomodowym o dużej mocy do światłowodu i ograniczenie transmisji w obrębie wewnętrzna okładzina bez dyfuzji, ułatwiająca utrzymanie pompowania optycznego o dużej gęstości mocy. Płaszcz zewnętrzny składa się z materiału polimerowego o mniejszym współczynniku załamania niż płaszcz wewnętrzny; najbardziej zewnętrzną warstwą jest warstwa ochronna złożona z materiału organicznego. Obszar sprzężenia włókna dwupłaszczowego z pompowanym światłem jest określony przez rozmiar płaszcza wewnętrznego, w przeciwieństwie do konwencjonalnych włókien jednomodowych, które są określane przez sam rdzeń. Z jednej strony poprawia to wydajność sprzężenia mocy ludzkiego lasera światłowodowego, umożliwiając kilkakrotne przejście światła pompy przez wewnętrzny płaszcz w celu wzbudzenia domieszkowanych jonów do emisji lasera; z drugiej strony jakość wiązki wyjściowej zależy od rodzaju rdzenia światłowodowego, a wprowadzenie okładziny wewnętrznej nie niszczy jakości wiązki wyjściowej lasera światłowodowego.
Początkowo wewnętrzny płaszcz z włókien dwupłaszczowych był cylindrycznie symetryczny i stosunkowo prosty w wykonaniu i łatwy do połączenia z pigtailem diody pompującej (LD), ale jego doskonała symetria zaowocowała dużą liczbą spiralnych promieni światła pompującego w wewnętrzny płaszcz, który nigdy nie dotarł do obszaru rdzenia nawet po wystarczającej liczbie odbić, aby został wchłonięty przez rdzeń, tak że nawet przy dłuższych włóknach nadal występuje duża ilość wycieku światła, co utrudnia poprawę wydajności konwersji. Z tego powodu cylindryczna symetria okładziny wewnętrznej musi zostać złamana.
Światłowody fotoniczne
W normalnych włóknach dwupłaszczowych geometria rdzenia określa wyjściową moc lasera. Apertura numeryczna określa jakość wiązki lasera wyjściowego. Ze względu na ograniczenia efektów nieliniowych, uszkodzeń optycznych i innych mechanizmów fizycznych w światłowodach, pojedynczy sposób zwiększania średnicy rdzenia nie może sprostać zapotrzebowaniu na pracę jednomodową przy dużej mocy wyjściowej w światłowodach z podwójnym płaszczem pola wielkomodowego. Pojawienie się specjalnych włókien, takich jak kryształowe włókna fotoniczne (PCF), stanowi skuteczne rozwiązanie techniczne tego wyzwania.
Pojęcie kryształów fotonicznych zostało po raz pierwszy wprowadzone przez E. Yablonovitcha w 19871 jako okresowa struktura z różnymi stałymi dielektrycznymi w jednym, dwóch lub trzech wymiarach, która umożliwia propagację światła w fotonicznym paśmie przewodnictwa i uniemożliwia propagację światła w fotonicznym paśmie wzbronionym ( PBG). PCF to dwuwymiarowe kryształy fotoniczne, znane również jako włókna mikrostrukturalne lub włókna porowate, aw 1996 roku JC Knight et al. wyprodukowali pierwsze PCF z mechanizmem prowadzenia światła podobnym do mechanizmu konwencjonalnych włókien z całkowitym wewnętrznym odbiciem. Po 2005 roku projektowanie i przygotowywanie PCF pola dużego trybu zaczęło się różnicować, wraz z pojawieniem się różnych kształtów, w tym PCF z nieszczelnym kanałem, PCF w kształcie pręta, PCF o dużym skoku i wielordzeniowe PCF. Obszar pola modowego światłowodu również odpowiednio wzrastał.
Z wyglądu PCF są bardzo podobne do konwencjonalnych włókien jednomodowych, ale mikroskopowo wykazują złożone struktury z układem otworów. To właśnie te cechy strukturalne dają PCF wyjątkowe i niezrównane zalety w porównaniu z konwencjonalnymi włóknami, takie jak transmisja jednomodowa bez odcięć, duży obszar pola modowego, przestrajalna dyspersja i niskie straty graniczne, które mogą przezwyciężyć wiele wyzwań związanych z konwencjonalnymi laserami . Na przykład PCF może osiągnąć działanie jednomodowe na dużym obszarze pola modowego, zapewniając jednocześnie jakość wiązki, znacznie zmniejszając gęstość mocy lasera we włóknie, zmniejszając efekty nieliniowe we włóknie i zwiększając próg uszkodzenia światłowodu; może osiągnąć dużą aperturę numeryczną, co oznacza większe sprzężenie optyczne pompy i wyższą moc wyjściową lasera. To sprawiło, że stał się nowym punktem badań w laserach światłowodowych, odgrywając coraz ważniejszą rolę w zastosowaniu laserów światłowodowych dużej mocy.
Wynalezienie lasera światłowodowego
Lasery wykorzystujące włókna optyczne jako ośrodek wzmocnienia lasera są znane jako lasery światłowodowe. Podobnie jak inne typy laserów, składa się z trzech części: ośrodka wzmacniającego, źródła pompy i wnęki rezonansowej. lasery światłowodowe wykorzystują aktywne włókno z rdzeniem domieszkowanym pierwiastkami ziem rzadkich jako medium wzmacniające. Laser półprzewodnikowy jest zwykle używany jako źródło pompy. Wnęka rezonansowa składa się na ogół ze zwierciadeł odblaskowych, powierzchni końcowych włókien, zwierciadeł pierścieniowych włókien lub siatek włókien.
Zgodnie z charakterystyką dziedziny czasu lasera światłowodowego można go podzielić na ciągły laser światłowodowy i pulsacyjny laser światłowodowy; zgodnie ze strukturą wnęki rezonansowej można go podzielić na laser światłowodowy z wnęką liniową, laser światłowodowy z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym i laser światłowodowy z wnęką pierścieniową; zgodnie z włóknem wzmacniającym i różnymi metodami pompowania, można go podzielić na laser światłowodowy z pojedynczą okładziną (pompowanie z rdzeniem światłowodowym) i laser światłowodowy z podwójną okładziną (pompowanie okładzinowe).
W 1961 roku Snitzer odkrył promieniowanie laserowe w szklanych falowodach domieszkowanych neodymem (Nd). 1966, Kao szczegółowo zbadał główne przyczyny tłumienia światła w światłowodach i wskazał główne problemy techniczne, które należy rozwiązać w celu praktycznego zastosowania światłowodów w komunikacji. 1970, Corning w USA opracował światłowody o tłumienności mniejszej niż 20 dB/km, co położyło podwaliny pod rozwój komunikacji optycznej i przemysłu optoelektronicznego. Położyło to podwaliny pod rozwój przemysłu komunikacji optycznej i optoelektroniki. W latach 70. i 80. dojrzewanie i komercjalizacja technologii laserów półprzewodnikowych zapewniły niezawodne i różnorodne źródło pomp dla rozwoju laserów światłowodowych. Jednocześnie rozwój metody chemicznego osadzania z fazy gazowej sprawia, że straty transmisji światłowodu są stale zmniejszane. Lasery światłowodowe również szybko rozwijają się w kierunku dywersyfikacji, z włóknami domieszkowanymi różnymi pierwiastkami ziem rzadkich, takimi jak erb (Er3 plus ), iterb (Yb3 plus ), neodym (Nd3 plus ), samar (Sm 3 plus ), tul (Tm3 plus), holm (Ho3 plus), prazeodym (Pr3 plus), dysproz (Dy3 plus), bizmut (Bi3 plus) i tak dalej. W zależności od domieszkowanych jonów można uzyskać różne długości fali wyjściowej lasera. Aby spełnić wymagania różnych aplikacji.
Cechy laserów światłowodowych dużej mocy
Zalety laserów światłowodowych dużej mocy są następujące.
(1) Dobra jakość wiązki. Struktura falowodu światłowodu ułatwia uzyskanie pojedynczego wyjścia w trybie poprzecznym, a wpływ czynników zewnętrznych jest bardzo mały, aby uzyskać wyjście lasera o wysokiej jasności.
(2) Wysoka wydajność. Laser światłowodowy, wybierając długość fali emisji i charakterystykę absorpcji domieszkowanych pierwiastków ziem rzadkich lasera półprzewodnikowego dla źródła pompy, można osiągnąć bardzo wysoką wydajność konwersji światła na światło. W przypadku laserów światłowodowych o dużej mocy domieszkowanych iterbem zazwyczaj wybiera się lasery półprzewodnikowe 915nm lub 975nm, ze względu na prostą strukturę poziomu energii Yb3 plus, konwersja w górę, absorpcja stanu wzbudzonego i impulsy koncentracji są mniej prawdopodobne, żywotność fluorescencji jest dłuższa i może skutecznie magazynować energię do pracy z dużą mocą. Ogólna sprawność elektrooptyczna komercyjnych laserów światłowodowych wynosi aż 25 procent, co sprzyja redukcji kosztów, oszczędności energii i ochronie środowiska.
(3) Dobra charakterystyka rozpraszania ciepła. Lasery światłowodowe są wykorzystywane jako ośrodek wzmocnienia lasera przy użyciu cienkiego włókna domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich o bardzo dużym stosunku powierzchni do objętości. Około 1000 razy większy laser blokowy pod względem zdolności rozpraszania ciepła ma naturalną przewagę. W obudowach o małej i średniej mocy nie jest wymagane żadne specjalne chłodzenie światłowodu, aw obudowach o dużej mocy stosuje się chłodzenie wodne, co również skutecznie zapobiega degradacji jakości i wydajności wiązki z powodu efektów termicznych powszechnie występujących w laserach na ciele stałym.
(4) Zwarta konstrukcja, wysoka niezawodność. Ponieważ laser światłowodowy wykorzystuje małe i elastyczne włókno jako medium wzmacniające laser, pomaga to skompresować objętość i obniżyć koszty. Źródło pompy jest również używane w małych, łatwych do modułowania laserach półprzewodnikowych, produkty komercyjne są ogólnie dostępne z wyjściem pigtailowym, w połączeniu z siatką światłowodową Bragga i innymi urządzeniami światłowodowymi, o ile te urządzenia są ze sobą połączone w celu uzyskania pełnego włókna, odporność na zakłócenia środowiskowe, z wysoką stabilnością, może zaoszczędzić czas i koszty konserwacji.
Lasery światłowodowe dużej mocy mają również trudne do przezwyciężenia wady: jedną z nich jest podatność na efekty nieliniowe. Lasery światłowodowe mają dużą długość efektywną i niski próg dla różnych efektów nieliniowych ze względu na geometrię ich falowodów. Niektóre szkodliwe efekty nieliniowe, takie jak wzbudzone rozpraszanie Ramana (SRS), samomodulacja fazy (SPM) itp. mogą powodować fluktuacje faz i transfer energii w widmie, a nawet uszkodzenie układu laserowego, ograniczając rozwój światłowodu dużej mocy lasery. Drugi to efekt ciemnienia fotonów. Wraz ze wzrostem czasu pompowania efekt zaciemniania fotonów może prowadzić do monotonicznego nieodwracalnego spadku wydajności konwersji energii światłowodów domieszkowanych pierwiastkami ziem rzadkich, ograniczając długoterminową stabilność i żywotność laserów światłowodowych dużej mocy, co jest szczególnie oczywiste w laserach światłowodowych dużej mocy domieszkowanych iterbem.
Wraz z postępem laserów półprzewodnikowych sprzężonych z włóknami o wysokiej jasności i technologii włókien z podwójnym płaszczem, moc wyjściowa, wydajność konwersji optyczno-optycznej i jakość wiązki laserów światłowodowych dużej mocy znacznie się rozwinęły. W przetwórstwie przemysłowym, skierowanej broni energetycznej, telemetrii dalekiego zasięgu, LIDAR i innych zastosowaniach o ogromnym zapotrzebowaniu na trakcję, do Stanów Zjednoczonych Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) i Niemcy Tong Express Group, głównie Jednostki badawcze zajmujące się badaniami i rozwojem laserów światłowodowych o dużej mocy i fali ciągłej, wprowadziły bogate linie produktów. Ekscytujące wyniki zostały również zgłoszone przez wiele jednostek w Chinach, w tym Uniwersytet Tsinghua, Narodowy Uniwersytet Technologii Obronnych, Szanghajski Instytut Optyki i Maszyn Precyzyjnych Chińskiej Akademii Nauk oraz Czwarty Instytut Badawczy Chińskiej Akademii Nauk Lotniczych i Kosmicznych. Korporacja Przemysłowa.
Technologia zwiększania mocy lasera światłowodowego
Ze względu na nieliniowe efekty w laserze światłowodowym, efekty termiczne i ograniczenia progowe uszkodzeń materiału, moc wyjściowa pojedynczego lasera światłowodowego jest do pewnego stopnia ograniczona, a wraz ze wzrostem mocy jakość wiązki stopniowo spada, co wymaga użycia technologii sterowania modami oraz zaprojektowania specjalnej struktury nowego światłowodu w celu poprawy jakości wiązki. Dawson (JW Dawson) i wsp. przeanalizowali teoretycznie graniczną moc wyjściową pojedynczego włókna i obliczyli, że w szerokopasmowych laserach światłowodowych pojedyncze włókno może uzyskać maksymalną moc 36 kW w pobliżu granicy dyfrakcji mocy wyjściowej lasera, podczas gdy w przypadku laserów światłowodowych o wąskiej szerokości linii maksymalna moc wynosi 2 kW. Aby jeszcze bardziej zwiększyć moc wyjściową lasera światłowodowego i wzmacniacza, skuteczną metodą jest synteza mocy wielu laserów światłowodowych za pomocą spójnej technologii syntezy. W ostatnich latach stał się międzynarodowym hotspotem badawczym.
Spójną syntezę uzyskuje się poprzez kontrolowanie fazy, częstotliwości i polaryzacji każdej wiązki laserowej z pewną konsystencją, tak aby spełniała ona warunek koherencji i otrzymywała jednorodną moc wyjściową z blokadą fazową, która może uzyskać znacznie wyższą intensywność szczytową niż zwykła niekoherentna synteza superpozycji i utrzymania dobrej jakości wiązki. Historia rozwoju technologii syntezy koherentnej jest prawie tak długa jak historia samych laserów i obejmuje różnego rodzaju lasery gazowe, lasery chemiczne, lasery półprzewodnikowe, lasery na ciele stałym itp. Jednak ze względu na niedojrzałość różnych urządzeń na początku wyniki eksperymentalne uzyskane dzięki technologii spójnej syntezy nie przebiły wówczas maksymalnej mocy wyjściowej odpowiedniego lasera jednoprzewodowego, więc efekt nie był bardzo oczywisty. Od lat 90. pojawienie się laserów światłowodowych doprowadziło do szybkiego rozwoju technik syntezy koherentnej. Oprócz unikalnych zalet laserów światłowodowych i konieczności taktycznego wykorzystania setek kilowatów, kilka urządzeń (tj. sprzęgacze stożkowe, światłowody wielordzeniowe, modulatory fazy z pigtailami i akustyczno-optycznymi przesuwnikami częstotliwości itp.) kluczową rolę w komercyjnym wprowadzaniu komunikacji światłowodowej. Sprzęgacze stożkowe i włókna wielordzeniowe ułatwiają pasywną kontrolę fazy w oparciu o sprzężenie wtrysku energii laserowej i szybkie sprzężenie falowe, podczas gdy modulatory fazowe z pigtailami i akustyczno-optycznymi przesuwnikami częstotliwości umożliwiają aktywną kontrolę fazową za pomocą szerokości pasma sterującego megaherców, które można wykorzystać do kontrolowania fluktuacji fazowych w warunkach wysokiej mocy i uzyskać wyjścia z blokadą fazową. Badacze zaproponowali szereg charakterystycznych spójnych schematów syntezy.
Synteza widmowa to technika syntezy niekoherentnej, która wykorzystuje jedną lub więcej siatek dyfrakcyjnych do dyfrakcji wielu wiązek podrzędnych w tej samej aperturze, co skutkuje pojedynczym wyjściem apertury o dobrej jakości wiązki. Synteza widmowa laserów światłowodowych może w pełni wykorzystać szerokie pasmo wzmocnienia laserów światłowodowych domieszkowanych Yb, aby zrekompensować ograniczoną moc wyjściową pojedynczego lasera światłowodowego.
