Kas yra skaidulinis lazeris?
Optinis pluoštas yra trumpas optinis pluoštas ir paprastai yra cilindrinis bangolaidis šviesos bangoms. Jis naudoja visiško atspindžio principą, kad apribotų šviesos bangas iki šerdies ir nukreiptų jas pluošto ašies kryptimi. Varinės vielos pakeitimas kvarciniu stiklu pakeitė pasaulį.
Kaip šviesos bangų laidumo terpė, optinis pluoštas buvo plačiai naudojamas nuo 1966 m., kai jį pristatė Charlesas Kao, dėl didelio ryšio pajėgumo, didelio atsparumo trukdžiams, mažų perdavimo nuostolių, ilgo perdavimo atstumo, gero konfidencialumo, pritaikomumo, mažo dydžio. , lengvas svoris ir gausūs žaliavų šaltiniai. Kao, žinomas kaip „šviesolaidžio tėvas“, 2009 m. už savo darbą buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija. Tobulėjant šviesolaidinėms technologijoms ir jų praktiškumui, ji sukėlė perversmą telekomunikacijų pramonėje ir iš esmės pakeitė varinę vielą kaip pagrindinę šiuolaikinių ryšių sudedamąją dalį.
Optinio pluošto ryšio sistema yra ryšių sistema, kuri naudoja šviesą kaip informacijos nešiklį ir optinį skaidulą kaip bangų kreipiamąją terpę. Kai optinis pluoštas perduoda informaciją, elektrinis signalas paverčiamas optiniu signalu, kuris vėliau perduodamas pluošto viduje. Kaip besiformuojanti ryšio technologija, šviesolaidinis ryšys nuo pat pradžių demonstravo neprilygstamą pranašumą ir sulaukė didelio susidomėjimo bei didelio dėmesio. Plačiai paplitęs optinių skaidulų naudojimas ryšiuose taip pat prisidėjo prie spartaus šviesolaidinių stiprintuvų ir šviesolaidinių lazerių vystymosi tuo pačiu metu. Be ryšių, šviesolaidinės sistemos taip pat naudojamos įvairiose medicinos, jutimo ir kitose srityse.
Optinės skaidulos
Skaidulinio lazerio stiprinimo terpė yra aktyvusis pluoštas. Pagal savo struktūrą galima suskirstyti į vienmodį pluoštą, dvigubai plakiruotą pluoštą ir tris fotoninius kristalų pluoštus.
Vienmodis optinis pluoštas vienmodis pluoštas susideda iš šerdies, apvalkalo ir dangos sluoksnio, kur šerdies medžiagos lūžio rodiklis n1 yra didesnis nei apvalkalo medžiagos lūžio rodiklis n2, kai krintančios šviesos kampas yra didesnis nei Kritinio kampo vaizdas, šviesos spindulys šerdyje visiškai spinduliuoja, todėl pluoštas gali būti prijungtas prie šviesos pluošto šerdies sklidimo metu. Vienmodžio pluošto vidinis apvalkalas negali suvaržyti daugiamodio siurblio šviesos, o šerdies skaitinė diafragma yra maža, todėl lazerio išvestis gali būti naudojama tik vieno režimo siurblio šviesos sujungimui su šerdimi. Ankstyvieji skaiduliniai lazeriai naudojo šį vienmodį skaidulą, todėl sujungimo efektyvumas buvo mažas, o lazeriai su milivatų išėjimo galia.
Dvigubai dengti pluoštai
Siekdamas įveikti įprastų vienmodžių vienmodių, vienkartinių iterbiu legiruotų (Yb3 plius) pluoštų apribojimus konversijos efektyvumui ir išėjimo galiai, Maureris (R. Maureris) pirmą kartą pasiūlė dvigubo dengimo pluošto koncepciją 1974 m. Nuo tada tik 1988 m., kai E. Snitzeris ir kiti pasiūlė apvalkalų siurbimo technologiją [3], sparčiai buvo sukurti didelės galios Yb legiruoti skaiduliniai lazeriai/stiprintuvai.
Dvigubas pluoštas yra specialios struktūros optinis pluoštas, kuris prie įprasto pluošto prideda vidinį dengimo sluoksnį, susidedantį iš dangos sluoksnio, vidinio apvalkalo sluoksnio, išorinio apvalkalo sluoksnio ir legiruoto pluošto šerdies. Apdengimo siurbimo technologija yra pagrįsta dvigubu dengtu pluoštu, kurio šerdis turi leisti daugiamodio siurblio šviesą perduoti vidiniame apvalkale ir lazerio šviesą perduoti šerdyje, taip užtikrinant siurbimo konversijos efektyvumą ir išėjimo galią. šviesolaidinis lazeris turi būti labai patobulintas. Dvigubo apvalkalo pluošto struktūra, vidinio apvalkalo forma ir siurblio šviesos sujungimo metodas yra šios technologijos raktai.
Dvigubo apvalkalo pluošto šerdį sudaro silicio dioksidas (SiO2), legiruotas retųjų žemių elementais, kuris yra ir lazerio terpė, ir lazerio signalo perdavimo kanalas skaiduliniame lazeryje, atitinkantis darbinį bangos ilgį. Vidinio apvalkalo skersinis dydis (dešimtis kartų didesnis už įprastos šerdies skersmenį) ir skaitmeninė apertūra yra daug didesni nei šerdies, o lūžio rodiklis yra mažesnis nei šerdies, o tai visiškai riboja lazerio šviesos sklidimą. šerdyje. Tai sukuria didelio skerspjūvio, didelės skaitmeninės diafragmos optinį bangolaidį tarp šerdies ir išorinio apvalkalo, kuris leidžia didelę skaitmeninę diafragmą, didelį skerspjūvį ir kelių režimų didelės galios pumpuojamą šviesą prijungti prie pluošto ir apriboti perdavimą vidinė danga be difuzijos, palengvinanti didelio galingumo tankio optinio siurbimo palaikymą. Išorinis apvalkalas sudarytas iš polimerinės medžiagos, kurios lūžio rodiklis mažesnis nei vidinė danga; išorinis sluoksnis yra apsauginis sluoksnis, sudarytas iš organinių medžiagų. Dvigubai dengto pluošto ir pumpuojamos šviesos sujungimo plotas nustatomas pagal vidinio apvalkalo dydį, skirtingai nuo įprastų vienmodžių pluoštų, kuriuos lemia vien šerdis. Viena vertus, tai pagerina žmogaus pluošto lazerio galios sujungimo efektyvumą, leisdama siurblio šviesai kelis kartus praeiti pro vidinį apvalkalą, kad sužadintų legiruotus jonus lazerio spinduliavimui; kita vertus, išėjimo pluošto kokybę lemia pluošto šerdies pobūdis, o vidinio apvalkalo įdėjimas nepablogina pluošto lazerio išvesties pluošto kokybės.
Iš pradžių dvisluoksnių pluoštų vidinis apvalkalas buvo cilindriškai simetriškas, jį gana paprasta pagaminti ir lengva sujungti su siurblio lazerinio diodo (LD) košele, tačiau dėl tobulos simetrijos atsirado daug spiralinių siurblio šviesos spindulių. vidinis apvalkalas, kuris niekada nepasiekė šerdies srities, net ir po pakankamai atspindžių, kad būtų sugertas šerdis, todėl net ir naudojant ilgesnius pluoštus vis dar yra didelis šviesos nuotėkis, todėl sunku pagerinti konversijos efektyvumą. Dėl šios priežasties turi būti pažeista vidinės dangos cilindrinė simetrija.
Fotoniniai kristalų pluoštai
Įprastuose dvigubai dengtuose pluoštuose šerdies geometrija lemia išėjimo lazerio galią. Skaitmeninė diafragma lemia išėjimo lazerio pluošto kokybę. Dėl netiesinių efektų, optinių pažeidimų ir kitų optinių skaidulų fizinių mechanizmų apribojimų viena šerdies skersmens didinimo priemonė negali patenkinti vienmodžio veikimo poreikio esant didelei išvesties galiai didelio režimo dvigubo apvalkalo pluoštuose. Specialių skaidulų, tokių kaip fotoninių kristalų pluoštai (PCF), atsiradimas yra veiksmingas techninis šio iššūkio sprendimas.
Fotoninių kristalų sąvoką pirmą kartą pristatė E. Yablonovitch 19871 m. kaip periodinę struktūrą su skirtingomis dielektrinėmis konstantomis viename, dviem arba trimis matmenimis, leidžiančią šviesai sklisti fotoninio laidumo juostoje ir draudžiančią šviesai sklisti fotoninės juostos tarpelyje ( PBG). PCF yra dvimačiai fotoniniai kristalai, taip pat žinomi kaip mikrostruktūriniai pluoštai arba akytieji pluoštai, o 1996 m. JC Knight ir kt. pagamino pirmuosius PCF su šviesos nukreipimo mechanizmu, panašiu į įprastų pluoštų su visu vidiniu atspindžiu. Po 2005 m. ėmė įvairėti didelio režimo lauko PCF projektavimas ir paruošimas, atsirado įvairių formų, įskaitant nesandarus kanalo PCF, strypo formos PCF, didelio žingsnio PCF ir kelių branduolių PCF. Atitinkamai toliau didėjo ir pluošto režimo lauko plotas.
Išvaizda PCF yra labai panašus į įprastus vienmodius pluoštus, tačiau mikroskopiškai jie pasižymi sudėtingomis skylių masyvo struktūromis. Būtent šios struktūrinės savybės suteikia PCF unikalių ir neprilygstamų pranašumų, palyginti su įprastomis skaidulomis, pvz., nenutrūkstamas vienmodis perdavimas, didelis režimo lauko plotas, derinama dispersija ir maži ribiniai nuostoliai, kurie gali įveikti daugelį įprastinių lazerių iššūkių. . Pavyzdžiui, PCF gali pasiekti vieno režimo veikimą didelio režimo lauko srityje, tuo pačiu užtikrinant pluošto kokybę, žymiai sumažinant lazerio galios tankį pluošte, sumažinant netiesinius efektus pluošte ir padidinant pluošto pažeidimo slenkstį; gali pasiekti didelę skaitmeninę diafragmą, o tai reiškia, kad galima pasiekti daugiau siurblio optinės jungties ir didesnės galios lazerio išėjimo. Dėl to jis tapo nauju pluoštinių lazerių tyrimų akcentu, kuris atlieka vis svarbesnį vaidmenį taikant didelės galios pluoštinius lazerius.
Skaidulinio lazerio išradimas
Lazeriai, kurie kaip lazerio stiprinimo terpę naudoja optines skaidulas, yra žinomi kaip skaiduliniai lazeriai. Kaip ir kitų tipų lazeriai, jis susideda iš trijų dalių: stiprinimo terpės, siurblio šaltinio ir rezonansinės ertmės. pluošto lazeriuose kaip stiprinimo terpė naudojamas aktyvusis pluoštas, kurio šerdis yra legiruota retųjų žemių elementais. Puslaidininkinis lazeris paprastai naudojamas kaip siurblio šaltinis. Rezonansinę ertmę paprastai sudaro atspindintys veidrodžiai, pluošto galiniai paviršiai, pluošto žiediniai veidrodžiai arba pluošto grotelės.
Pagal pluoštinio lazerio laiko srities charakteristikas jis gali būti suskirstytas į nuolatinį pluošto lazerį ir impulsinį pluošto lazerį; pagal rezonansinės ertmės struktūrą jis gali būti suskirstytas į linijinį skaidulinį lazerį, paskirstytą grįžtamojo ryšio pluošto lazerį ir žiedo ertmės pluošto lazerį; pagal stiprinimo pluoštą ir skirtingus siurbimo metodus jis gali būti suskirstytas į vieno apvalkalo pluošto lazerį (pluošto šerdies siurbimą) ir dvigubo apvalkalo pluošto lazerį (apdengimo siurbimą).
1961 m. Snitzeris atrado lazerio spinduliuotę neodimiu (Nd) legiruotuose stiklo bangolaidžiuose. 1966 m. Kao išsamiai ištyrė pagrindines šviesos slopinimo optinėse skaidulose priežastis ir nurodė pagrindines technines problemas, kurias reikia išspręsti praktiniam optinių skaidulų pritaikymui komunikacijose. 1970 m. Korningas JAV sukūrė optines skaidulas, kurių slopinimas mažesnis nei 20 dB/km, o tai padėjo pagrindą optinių ryšių ir optoelektronikos pramonės plėtrai. Tai padėjo pagrindą optinių ryšių ir optoelektronikos pramonės plėtrai. Aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose puslaidininkinių lazerių technologijos subrendimas ir komercializavimas suteikė patikimą ir įvairų siurblių šaltinį pluoštinių lazerių kūrimui. Tuo pačiu metu, tobulinant cheminio nusodinimo iš garų metodą, optinio pluošto perdavimo nuostoliai nuolat mažinami. Skaiduliniai lazeriai taip pat sparčiai vystosi diversifikacijos kryptimi, kai skaidulos yra legiruotos įvairiais retųjų žemių elementais, tokiais kaip erbis (Er3 plius ), iterbis (Yb3 plius ), neodimis (Nd3 plius ), samaris (Sm 3 plius ), tulis (Tm3 plius ), holmis (Ho3 plius ), prazeodimis (Pr3 plus ), disprosis (Dy3 plus ), bismutas (Bi3 plus ) ir pan. Priklausomai nuo legiruotų jonų, galima pasiekti skirtingus lazerio išėjimo bangos ilgius. Kad atitiktų skirtingų programų reikalavimus.
Didelės galios skaidulinių lazerių ypatybės
Didelės galios skaidulinių lazerių pranašumai yra tokie.
(1) Gera spindulio kokybė. Optinio pluošto bangolaidžio struktūra leidžia lengvai gauti vieno skersinio režimo išvestį, o išorinių veiksnių įtaka yra labai maža, kad būtų pasiektas didelio ryškumo lazerio išėjimas.
(2) Didelis efektyvumas. Skaidulinis lazeris, siurblio šaltiniui pasirinkę puslaidininkinio lazerio emisijos bangos ilgį ir legiruotų retųjų žemių elementų sugerties charakteristikas, galite pasiekti labai aukštą šviesos ir šviesos konversijos efektyvumą. Iterbiu legiruotiems didelės galios skaiduliniams lazeriams paprastai rinkitės 915 nm arba 975 nm puslaidininkinius lazerius, nes dėl paprastos Yb3 plus energijos lygio struktūros rečiau įvyksta konversija į viršų, sužadintos būsenos sugertis ir koncentracijos pliūpsniai, fluorescencijos tarnavimo laikas ilgesnis ir gali efektyviai kaupti energiją. didelio galingumo darbui. Bendras komercinių skaidulinių lazerių elektrooptinis efektyvumas siekia net 25 procentus, o tai padeda sumažinti išlaidas, taupyti energiją ir apsaugoti aplinką.
(3) Geros šilumos išsklaidymo charakteristikos. Skaiduliniai lazeriai naudojami kaip lazerio stiprinimo terpė, naudojant ploną, retųjų žemių elementų legiruotą pluoštą, kurio paviršiaus ploto ir tūrio santykis yra labai didelis. Maždaug 1000 kartų didesnis nei kietojo bloko lazeris, atsižvelgiant į šilumos išsklaidymo pajėgumą, turi natūralų pranašumą. Mažos ir vidutinės galios korpusams nereikia specialaus pluošto aušinimo, o didelės galios atveju naudojamas vandens aušinimas, kuris taip pat efektyviai išvengia pluošto kokybės ir efektyvumo pablogėjimo dėl šiluminių efektų, dažniausiai pasitaikančių kietojo kūno lazeriuose.
(4) Kompaktiška konstrukcija, didelis patikimumas. Kadangi skaidulinis lazeris naudoja mažą ir lanksčią skaidulą kaip lazerio stiprinimo terpę, tai padeda suspausti tūrį ir taupyti išlaidas. Siurblio šaltinis taip pat naudojamas mažo dydžio, lengvai moduliuojamuose puslaidininkiniuose lazeriuose, komercinius produktus paprastai galima įsigyti su „Pigtail“ išvestimi, kartu su Braggo pluošto grotelėmis ir kitais šviesolaidiniais įrenginiais, jei šie įrenginiai yra sujungti vienas su kitu, kad būtų pasiektas visas pluoštas. atsparumas aplinkos trikdžiams, pasižymintis dideliu stabilumu, gali sutaupyti priežiūros laiko ir išlaidų.
Didelės galios skaiduliniai lazeriai taip pat turi trūkumų, kuriuos sunku įveikti: vienas iš jų yra pažeidžiamumas nelinijiniam poveikiui. Skaiduliniai lazeriai turi ilgą efektyvų ilgį ir žemą įvairių netiesinių efektų slenkstį dėl jų bangolaidžių geometrijos. Kai kurie žalingi netiesiniai efektai, tokie kaip sužadintos Ramano sklaidos (SRS), savaiminės fazės moduliacijos (SPM) ir kt., gali sukelti fazių svyravimus ir energijos perdavimą spektre arba net sugadinti lazerio sistemą, ribojant didelės galios skaidulų vystymąsi. lazeriai. Antrasis yra fotonų tamsinimo efektas. Pailgėjus siurbimo laikui, fotonų tamsėjimo efektas gali sukelti didelę retųjų žemių elementų legiruoto pluošto galios konversijos efektyvumo monotoniškai negrįžtamą mažėjimą, ribojant ilgalaikį didelės galios pluoštinių lazerių stabilumą ir tarnavimo laiką, o tai ypač akivaizdu. iterbiu legiruotuose didelės galios skaiduliniuose lazeriuose.
Tobulėjant didelio ryškumo šviesolaidiniams puslaidininkiniams lazeriams ir dvigubai dengtų skaidulų technologijai, didelės galios skaidulinių lazerių išvesties galia, optinio konvertavimo į optinį efektyvumą ir pluošto kokybė labai išaugo. Pramoninio apdorojimo, nukreiptos energijos ginklų, tolimojo nuotolio telemetrijos, LIDAR ir kitose didžiulės paklausos traukos srityse į Jungtines Valstijas Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) ir Vokietijai Tong Express Group. Nepertraukiamų bangų, impulsinių bangų didelės galios pluošto lazerio tyrimų ir plėtros tyrimų padaliniai pradėjo daugybę produktų linijų. Įspūdingus rezultatus taip pat pranešė keletas padalinių Kinijoje, įskaitant Tsinghua universitetą, Nacionalinį gynybos technologijų universitetą, Kinijos mokslų akademijos Šanchajaus optikos ir tiksliųjų mašinų institutą bei Kinijos aviacijos ir kosmoso mokslo ketvirtąjį tyrimų institutą. Pramonės korporacija.
Skaidulinio lazerio galios didinimo technologija
Dėl netiesinio pluošto lazerio efektų, šiluminių efektų ir medžiagų pažeidimo slenkstinių apribojimų vieno pluošto lazerio išėjimo galia yra tam tikru mastu apribota, o galiai didėjant pluošto kokybė palaipsniui mažėja, todėl reikia naudoti režimo valdymo technologija ir specialios naujojo pluošto struktūros projektavimas, siekiant pagerinti pluošto kokybę. Dawsonas (JW Dawson) ir kt. teoriškai išanalizavo vieno pluošto išėjimo galios ribą ir apskaičiavo, kad plačiajuosčio ryšio šviesolaidiniuose lazeriuose vienas pluoštas gali gauti maksimalią 36 kW galią netoli difrakcijos ribos, o siauros linijos pločio šviesolaidiniams lazeriams didžiausia galia yra 2 kW. Siekiant dar labiau padidinti skaidulinio lazerio ir stiprintuvo išėjimo galią, kelių skaidulinių lazerių galios sintezė koherentinės sintezės technologija yra efektyvus metodas. Pastaraisiais metais jis tapo tarptautiniu mokslinių tyrimų tašku.
Koherentinė sintezė pasiekiama kontroliuojant kiekvieno lazerio pluošto fazę, dažnį ir poliarizaciją su tam tikru nuoseklumu, kad jis atitiktų koherentiškumo sąlygą ir gautų homogeninę fazinio blokavimo išvestį, kuri gali gauti daug didesnį smailės intensyvumą nei paprastas nekoherentinis. superpoziciją ir išlaikyti gerą spindulio kokybę. Koherentinės sintezės technologijos kūrimo istorija yra beveik tokia pat ilga, kaip ir pačių lazerių, ir apima įvairių tipų dujinius lazerius, cheminius lazerius, puslaidininkinius lazerius, kietojo kūno lazerius ir kt. Tačiau dėl įvairių prietaisų nebrandumo pirmosiomis dienomis koherentinės sintezės technologija pasiekti eksperimentiniai rezultatai nepramušė tuo metu didžiausios atitinkamo vienos grandies lazerio išėjimo galios, todėl efektas nebuvo labai akivaizdus. Nuo 1990-ųjų, atsiradus pluoštiniams lazeriams, sparčiai vystėsi nuoseklios sintezės metodai. Be unikalių šviesolaidinių lazerių pranašumų ir būtinybės taktiškai panaudoti šimtus kilovatų, keletą įrenginių (ty pluošto kūginių jungčių, daugiagyslių skaidulų, fazių moduliatorių su kojelėmis ir akustiniais-optiniais dažnio keitikliais ir kt.) veikė lemiamas vaidmuo komerciškai diegiant šviesolaidinius ryšius. Skaidulinės kūginės jungtys ir daugiagysliai skaidulos palengvina pasyvų fazių valdymą, pagrįstą lazerio energijos įpurškimo jungtimi ir greita bangų jungtimi, o fazių moduliatoriai su rišikliais ir akustiniais-optiniais dažnio keitikliais leidžia aktyvų fazių valdymą su megahercų valdymo dažnių juostos pločiais, kurios gali būti naudojamos fazių svyravimams valdyti didelės galios sąlygomis ir pasiekti fazinius išėjimus. Tyrėjai pasiūlė keletą savitų nuoseklių sintezės schemų.
Spektrinė sintezė yra nekoherentinė sintezės technika, kuri naudoja vieną ar daugiau difrakcijos gardelių, kad į tą pačią diafragmą būtų difrakcuojami keli subspinduliai, todėl gaunama viena diafragma ir gera pluošto kokybė. Skaidulinių lazerių spektrinė sintezė gali visiškai išnaudoti platų Yb legiruotų skaidulinių lazerių dažnių juostos plotį, kad kompensuotų ribotą vieno pluošto lazerio išėjimo galią.
