Що таке волоконний лазер?
Оптичне волокно є скороченням від optical fiber і зазвичай є циліндричним хвилеводом для світлових хвиль. Він використовує принцип повного відбиття, щоб обмежити світлові хвилі серцевиною та направити їх у напрямку осі волокна. Заміна мідного дроту кварцовим склом змінила світ.
Як середовище для проведення світлових хвиль, оптичне волокно широко використовується з 1966 року, коли його представив Чарльз Као, завдяки його високій пропускній здатності, високій перешкодостійкості, низьким втратам при передачі, великій відстані ретрансляції, хорошій конфіденційності, адаптивності, малому розміру , легка вага та рясні джерела сировини. Відомий як «батько волоконної оптики», Као був удостоєний Нобелівської премії з фізики в 2009 році за свою роботу. Завдяки зростанню досконалості та практичності волоконної оптики, вона зробила революцію в телекомунікаційній галузі та значною мірою замінила мідний дріт як основний компонент сучасних комунікацій.
Оптоволоконна система зв’язку — система зв’язку, яка використовує світло як носій інформації та оптичне волокно як хвилевідне середовище. Коли оптичне волокно передає інформацію, електричний сигнал перетворюється в оптичний сигнал, який потім передається всередині волокна. Як нова комунікаційна технологія, волоконно-оптичний зв’язок продемонстрував безпрецедентну перевагу з самого початку та привернув великий інтерес і широку увагу. Широке використання оптичних волокон у зв'язку також сприяло швидкому розвитку волоконно-оптичних підсилювачів і волоконних лазерів одночасно. Окрім зв’язку, волоконно-оптичні системи також використовуються в широкому діапазоні застосувань у медицині, датчиках та інших галузях.
Оптичні волокна
Середовищем посилення волоконного лазера є активне волокно. За своєю структурою можна розділити на одномодове волокно, волокно з подвійною оболонкою та три фотонно-кристалічні волокна.
Одномодове оптичне волокно Одномодове волокно складається із серцевини, оболонки та шару покриття, де показник заломлення матеріалу серцевини n1 вище, ніж показник заломлення матеріалу оболонки n2, коли кут падіння падаючого світла більший за зображення критичного кута, світловий промінь у ядрі повного випромінювання, тому волокно може бути пов'язане з світловим променем у ядрі поширення. Внутрішня оболонка одномодового волокна не може відігравати стримуючу роль для багатомодового світла накачки, а числова апертура серцевини низька, тому для отримання лазерного випромінювання можна використовувати лише одномодове з’єднання світла накачування з серцевиною. Ранні волоконні лазери використовували це одномодове волокно, що призводило до низької ефективності зв’язку та лазерів із вихідною потужністю в діапазоні міліват.
Волокна з подвійною оболонкою
Щоб подолати обмеження звичайних одномодових волокон, легованих ітербієм (Yb3 плюс), щодо ефективності перетворення та вихідної потужності, Маурер (R. Maurer) вперше запропонував концепцію волокон з подвійною оболонкою в 1974 році. З того часу лише в 1988 році, коли Е. Снітцер та інші запропонували технологію накачування оболонкою [3], почали швидко розвиватися високопотужні лазери/підсилювачі, леговані Yb.
Волокно з подвійною оболонкою — це оптичне волокно зі спеціальною структурою, яка додає до звичайного волокна внутрішній шар оболонки, що складається з шару покриття, внутрішнього шару оболонки, зовнішнього шару оболонки та легованої серцевини волокна. Технологія накачування оболонки базується на волокні з подвійною оболонкою, серцевина якого забезпечує передачу багатомодового світла накачки у внутрішню оболонку, а лазерне світло — у серцевину, що забезпечує ефективність перетворення накачування та вихідну потужність волоконний лазер має бути значно вдосконалений. Структура волокна з подвійною оболонкою, форма внутрішньої оболонки та метод з’єднання світла насоса є ключовими для цієї технології.
Серцевина волокна з подвійною оболонкою складається з діоксиду кремнію (SiO2), легованого рідкісноземельними елементами, який є одночасно лазерним середовищем і каналом передачі лазерного сигналу у волоконному лазері, що відповідає робочій довжині хвилі. Поперечний розмір (у десятки разів перевищує діаметр звичайного сердечника) і числова апертура внутрішньої оболонки набагато більші, ніж у сердечника, а показник заломлення менший, ніж у сердечника, що повністю обмежує поширення лазерного світла всередині ядра. Це створює оптичний хвилевід великого поперечного перерізу з великою числовою апертурою між серцевиною та зовнішньою оболонкою, що дозволяє підключати світло з великою числовою апертурою, великим поперечним перерізом і багатомодовим високопотужним накачуванням до волокна та обмежувати його передачу всередині внутрішня оболонка без дифузії, що полегшує підтримку високої щільності оптичної накачки. Зовнішнє покриття складається з полімерного матеріалу з меншим показником заломлення, ніж внутрішнє покриття; зовнішній шар - це захисний шар, що складається з органічного матеріалу. Площа зв’язку волокна з подвійною оболонкою та накачуваного світла визначається розміром внутрішньої оболонки, на відміну від звичайних одномодових волокон, які визначаються лише серцевиною. З одного боку, це покращує ефективність зв’язку потужності людського волоконного лазера, дозволяючи світлу накачки кілька разів проходити крізь внутрішню оболонку для збудження легованих іонів для лазерного випромінювання; з іншого боку, якість вихідного променя визначається природою серцевини волокна, і введення внутрішньої оболонки не руйнує якість променя виходу волоконного лазера.
Спочатку внутрішня оболонка волокон із подвійною оболонкою була циліндрично симетричною, її відносно просто виготовити та легко з’єднати з кіскою лазерного діода накачки (LD), але її ідеальна симетрія призвела до появи великої кількості спіральних променів світла накачки в внутрішня оболонка, яка ніколи не досягала серцевини, навіть після достатньої кількості відображень, щоб бути поглиненою серцевиною, так що навіть з Even з довшими волокнами все ще існує велика кількість витоку світла, що ускладнює покращення ефективності перетворення. З цієї причини повинна бути порушена циліндрична симетрія внутрішньої обшивки.
Фотонні кристалічні волокна
У звичайних волокнах з подвійною оболонкою вихідна потужність лазера визначається геометрією серцевини. Числова апертура визначає якість променя вихідного лазера. Через обмеження нелінійних ефектів, оптичних пошкоджень та інших фізичних механізмів в оптичних волокнах єдиний спосіб збільшення діаметра серцевини не може задовольнити потребу в одномодовій роботі з високою вихідною потужністю у волокнах з подвійною оболонкою великого поля поля. Поява спеціальних волокон, таких як фотонні кристали (PCF), забезпечує ефективне технічне вирішення цієї проблеми.
Концепція фотонних кристалів була вперше введена Е. Яблоновичем у 1987 р.1 як періодична структура з різною діелектричною проникністю в одному, двох або трьох вимірах, яка дозволяє світлу поширюватися в зоні фотонної провідності та забороняє поширюватися світлу в забороненій зоні ( PBG). PCF - це двовимірні фотонні кристали, також відомі як мікроструктуровані волокна або пористі волокна, а в 1996 році JC Knight та ін. створив перші PCF з механізмом світловоду, подібним до звичайних волокон із повним внутрішнім відбиттям. Після 2005 року проектування та підготовка PCF з великим модовим полем почали диверсифікуватись із появою різних форм, включаючи PCF з витоком каналу, стержнеподібні PCF, PCF з великим кроком і багатоядерні PCF. Площа модового поля волокна також продовжує відповідно збільшуватися.
Зовні PCF дуже схожі на звичайні одномодові волокна, але під мікроскопом вони демонструють складні структури дірок. Саме ці структурні особливості дають PCF унікальні та неперевершені переваги перед звичайними волокнами, такі як одномодове передавання без зрізів, велика площа модового поля, регульована дисперсія та низькі граничні втрати, які можуть подолати багато проблем звичайних лазерів. . Наприклад, PCF може досягати одномодової роботи у великій зоні поля моди, забезпечуючи при цьому якість променя, суттєво знижуючи щільність потужності лазера у волокні, зменшуючи нелінійні ефекти у волокні та збільшуючи поріг пошкодження волокна; він може досягти великої числової апертури, що означає більший оптичний зв’язок накачування та більшу вихідну потужність лазера. Це зробило його новим дослідженням у галузі волоконних лазерів, відіграючи все більш важливу роль у застосуванні високопотужних волоконних лазерів.
Винахід волоконного лазера
Лазери, які використовують оптичні волокна як середовище лазерного посилення, відомі як волоконні лазери. Як і інші типи лазерів, він складається з трьох частин: середовища посилення, джерела накачування та резонансного резонатора. у волоконних лазерах як середовище підсилення використовується активне волокно з серцевиною, легованою рідкоземельними елементами. Як джерело накачування зазвичай використовується напівпровідниковий лазер. Резонансна порожнина, як правило, складається з відбивних дзеркал, торцевих поверхонь волокон, волоконних кільцевих дзеркал або волоконних решіток.
За характеристиками часової області волоконний лазер можна розділити на безперервний волоконний лазер і імпульсний волоконний лазер; відповідно до структури резонансної порожнини його можна розділити на волоконний лазер з лінійною порожниною, волоконний лазер із розподіленим зворотним зв’язком і волоконний лазер з кільцевою порожниною; відповідно до посилення волокна та різних методів накачування його можна розділити на волоконний лазер з одинарною оболонкою (накачування серцевини волокна) і волоконний лазер з подвійною оболонкою (накачування оболонкою).
У 1961 році Снітцер відкрив лазерне випромінювання в скляних хвилеводах, легованих неодимом (Nd). У 1966 році Као детально вивчив основні причини ослаблення світла в оптичних волокнах і вказав на основні технічні проблеми, які необхідно вирішити для практичного застосування оптичних волокон у зв'язку. У 1970 році компанія Corning у США розробила оптичні волокна із загасанням менше 20 дБ/км, що заклало основу для розвитку галузі оптичного зв’язку та оптоелектроніки. Це заклало основу для розвитку галузей оптичного зв'язку та оптоелектроніки. У 1970-х і 1980-х роках розвиток і комерціалізація напівпровідникових лазерних технологій забезпечили надійне та різноманітне джерело накачування для розробки волоконних лазерів. У той же час розвиток методу хімічного осадження з парової фази постійно зменшує втрати передачі оптоволокна. Волоконні лазери також швидко розвиваються в напрямку диверсифікації з волокнами, легованими різноманітними рідкоземельними елементами, такими як ербій (Er3 плюс), ітербій (Yb3 плюс), неодим (Nd3 плюс), самарій (Sm 3 плюс), тулій (Tm3 плюс), гольмій (Ho3 плюс), празеодим (Pr3 плюс), диспрозій (Dy3 плюс), вісмут (Bi3 плюс) і так далі. Залежно від допованих іонів можна досягти різних довжин хвиль лазерного випромінювання. Щоб відповідати вимогам різних програм.
Особливості волоконних лазерів великої потужності
Переваги волоконних лазерів великої потужності полягають у наступному.
(1) Гарна якість променя. Хвилевідна структура оптичного волокна дозволяє легко отримати один поперечний вихідний сигнал, а вплив зовнішніх факторів є дуже незначним, щоб досягти високої яскравості лазерного виходу.
(2) Висока ефективність. Волоконний лазер, вибравши довжину хвилі випромінювання та характеристики поглинання легованих рідкоземельних елементів напівпровідникового лазера для джерела накачування, можна досягти дуже високої ефективності перетворення світла в світло. Для високопотужних волоконних лазерів, легованих ітербієм, зазвичай вибирають напівпровідникові лазери з довжиною довжини 915 нм або 975 нм, завдяки простій структурі енергетичних рівнів Yb3 plus менш імовірні випадки перетворення, поглинання у збудженому стані та спалахи концентрації, термін служби флуоресценції довший і може ефективно зберігати енергію для роботи з високою потужністю. Загальна електрооптична ефективність комерційних волоконних лазерів становить 25 відсотків, що сприяє зниженню витрат, енергозбереженню та захисту навколишнього середовища.
(3) Хороші характеристики розсіювання тепла. Волоконні лазери використовуються як середовище лазерного посилення з використанням тонкого волокна, легованого рідкоземельними елементами, з дуже великим співвідношенням площі поверхні до об’єму. Приблизно в 1000 разів твердоблоковий лазер має природну перевагу з точки зору потужності розсіювання тепла. Для корпусів низької та середньої потужності не потрібне спеціальне охолодження волокна, а для корпусів високої потужності використовується водяне охолодження, що також ефективно дозволяє уникнути погіршення якості променя та ефективності через тепловий ефект, який зазвичай зустрічається в твердотільних лазерах.
(4) Компактна структура, висока надійність. Оскільки волоконний лазер використовує маленьке та гнучке волокно як середовище посилення лазера, це допомагає стиснути обсяг і заощадити кошти. Джерело накачування також використовується в малих розмірах, легких для модульних напівпровідникових лазерів. Комерційні продукти, як правило, доступні з вихідним хвостом у поєднанні з волоконною ґраткою Брегга та іншими волоконно-оптичними пристроями, якщо ці пристрої з’єднані один з одним для отримання повного волокна, стійкість до впливів навколишнього середовища з високою стабільністю може заощадити час і витрати на технічне обслуговування.
Оптоволоконні лазери високої потужності також мають недоліки, які важко подолати: один із них – вразливість до нелінійних ефектів. Волоконні лазери мають велику ефективну довжину та низький поріг різноманітних нелінійних ефектів завдяки геометрії їх хвилеводів. Деякі шкідливі нелінійні ефекти, такі як збуджене комбінаційне розсіювання (SRS), самофазова модуляція (SPM) тощо, можуть спричинити фазові флуктуації та передачу енергії в спектрі або навіть пошкодити лазерну систему, обмежуючи розвиток потужного волокна. лазери. Другий — ефект затемнення фотонів. Зі збільшенням часу накачування ефект затемнення фотонів може призвести до монотонно незворотного зниження ефективності перетворення потужності волокна, легованого рідкісноземельними елементами, що обмежує довгострокову стабільність і термін служби потужних волоконних лазерів, що є особливо очевидним. в потужних волоконних лазерах, легованих ітербієм.
З удосконаленням оптоволоконних напівпровідникових лазерів високої яскравості та технології подвійного волокна вихідна потужність, ефективність оптико-оптичного перетворення та якість променя потужних волоконних лазерів значно покращилися. У промисловій обробці, спрямованій енергетичній зброї, далекобійній телеметрії, LIDAR та інших додатках величезного попиту тяги, в Сполучених Штатах Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) і Німеччина Tong Express Group, в основному дослідницькі підрозділи з безперервної хвилі, дослідження та розробки високопотужного волоконного лазера імпульсної хвилі, запустили багату лінійку продуктів. Про захоплюючі результати також повідомили низка підрозділів Китаю, зокрема Університет Цінхуа, Національний університет оборонних технологій, Шанхайський інститут оптики та точного машинобудування Академії наук Китаю та Четвертий науково-дослідний інститут Китайської аерокосмічної науки та Промислова корпорація.
Технологія підвищення потужності волоконного лазера
Через нелінійні ефекти у волоконному лазері, термічні ефекти та порогові обмеження пошкодження матеріалу вихідна потужність одного волоконного лазера обмежена до певної міри, і зі збільшенням потужності якість променя поступово знижується, що вимагає використання технології керування режимами та розробки спеціальної структури нового волокна для покращення якості променя. Доусон (JW Dawson) та ін. теоретично проаналізували обмеження вихідної потужності одного волокна та підрахували, що в широкосмугових волоконних лазерах одне волокно може отримати максимальну потужність 36 кВт поблизу дифракційної межі випромінювання лазера, тоді як для волоконних лазерів з вузькою шириною лінії максимальна потужність 2 кВт. Для подальшого підвищення вихідної потужності волоконного лазера та підсилювача ефективним методом є синтез потужності кількох волоконних лазерів за допомогою технології когерентного синтезу. За останні роки він став міжнародним дослідницьким центром.
Когерентний синтез досягається шляхом керування фазою, частотою та поляризацією кожного лазерного променя з певною узгодженістю, щоб він відповідав умові когерентності та отримував однорідний фазовий синхронізований вихід, який може отримати набагато вищу пікову інтенсивність, ніж простий некогерентний суперпозицію та підтримувати хорошу якість променя. Історія розвитку технології когерентного синтезу майже така ж довга, як історія самих лазерів, і включає різні типи газових лазерів, хімічних лазерів, напівпровідникових лазерів, твердотільних лазерів тощо. Однак через незрілість різних пристроїв у перші дні експериментальні результати, досягнуті технологією когерентного синтезу, не досягли максимальної вихідної потужності відповідного одноланкового лазера на той час, тому ефект був не дуже очевидним. Починаючи з 1990-х років, поява волоконних лазерів призвела до швидкого розвитку методів когерентного синтезу. На додаток до унікальних переваг волоконних лазерів і необхідності тактичного використання сотень кіловат, кілька пристроїв (тобто волоконно-конусні з’єднувачі, багатожильні волокна, фазові модулятори з пігтейлами та акустооптичні перетворювачі частоти тощо) відіграли свою роль. вирішальну роль у комерційному розгортанні волоконно-оптичних комунікацій. Волоконно-конусні з’єднувачі та багатожильні волокна сприяють пасивному контролю фази на основі зв’язку з інжекцією лазерної енергії та зв’язку швидкої хвилі, тоді як фазові модулятори з пігтейлами та акустооптичними зсувами частоти забезпечують активне керування фазою з контрольною смугою пропускання в мегагерцах, що можна використовувати для контролю фазових флуктуацій на умови високої потужності та досягнення вихідних сигналів із фазовою синхронізацією. Дослідники запропонували ряд характерних схем когерентного синтезу.
Спектральний синтез — це техніка некогерентного синтезу, яка використовує одну або кілька дифракційних ґраток для дифракції кількох підпроменів в одну апертуру, що призводить до отримання однієї апертури з хорошою якістю променя. Спектральний синтез волоконних лазерів може повністю використовувати широку смугу посилення волоконних лазерів, легованих Yb, для компенсації обмеженої вихідної потужності одного волоконного лазера.
