Hvad er en fiberlaser?
Optisk fiber er en forkortelse for optisk fiber og er normalt en cylindrisk bølgeleder for lysbølger. Den bruger princippet om total refleksion til at begrænse lysbølger til kernen og lede dem i retning af fiberaksen. Udskiftning af kobbertråd med kvartsglas ændrede verden.
Som et medium til at lede lysbølger har optisk fiber været meget brugt siden 1966, da den blev introduceret af Charles Kao, takket være dens høje kommunikationskapacitet, høje interferensimmunitet, lavt transmissionstab, lang relæafstand, god fortrolighed, tilpasningsevne, lille størrelse , let vægt og rigelige kilder til råvarer. Kendt som "faderen til fiberoptik", blev Kao tildelt Nobelprisen i fysik i 2009 for sit arbejde. Med den stigende perfektion og anvendelighed af fiberoptik har den revolutioneret telekommunikationsindustrien og har stort set erstattet kobbertråd som kernekomponenten i moderne kommunikation.
Optisk fiberkommunikationssystem er et kommunikationssystem, der bruger lys som informationsbærer og optisk fiber som bølgeledermedie. Når optisk fiber transmitterer information, omdannes det elektriske signal til et optisk signal, som derefter transmitteres inde i fiberen. Som en spirende kommunikationsteknologi har fiberoptisk kommunikation vist enestående overlegenhed lige fra begyndelsen og har tiltrukket sig stor interesse og bred opmærksomhed. Den udbredte brug af optiske fibre i kommunikation har også bidraget til den hurtige udvikling af fiberoptiske forstærkere og fiberlasere på samme tid. Ud over kommunikation bruges fiberoptiske systemer også i en lang række applikationer inden for medicin, sansning og andre områder.
Optiske fibre
Forstærkningsmediet for en fiberlaser er den aktive fiber. Ifølge dens struktur kan opdeles i single-mode fiber, dobbelt-beklædt fiber og fotonisk krystal fiber tre.
Single-mode optisk fiber single-mode fiber består af en kerne, beklædning og belægningslag, hvor brydningsindekset for kernematerialet n1 er højere end beklædningsmaterialets brydningsindeks n2, når indfaldsvinklen for det indfaldende lys er større end kritisk vinkel billede, lysstrålen i kernen af den fulde emission, så fiberen kan bindes til lysstrålen i kernen udbredelse. Den indre beklædning af single-mode fibre kan ikke spille en tilbageholdende rolle for multimode pumpelys, og kernens numeriske åbning er lav, så kun single-mode pumpelyskobling ind i kernen kan bruges til at opnå laseroutput. Tidlige fiberlasere brugte denne single-mode fiber, hvilket resulterede i lav koblingseffektivitet og lasere med udgangseffekt i milliwatt-området.
Dobbeltbeklædte fibre
For at overvinde begrænsningerne ved konventionelle single-mode, enkelt-beklædte ytterbium-doterede (Yb3 plus) fibre på konverteringseffektivitet og udgangseffekt, foreslog Maurer (R. Maurer) først konceptet med dobbeltbeklædte fibre i 1974. Siden da var det først i 1988, hvor E. Snitzer og andre foreslog beklædningspumpeteknologi [3], at højeffekt Yb-doterede fiberlasere/forstærkere blev udviklet hurtigt.
En dobbeltbeklædt fiber er en optisk fiber med en speciel struktur, der tilføjer et indre beklædningslag til den konventionelle fiber, bestående af et belægningslag, et indre beklædningslag, et ydre beklædningslag og en doteret fiberkerne. Beklædningspumpeteknologien er baseret på en dobbeltbeklædt fiber, hvis kerne er at tillade multimode pumpelys at blive transmitteret i den indre beklædning og laserlys at blive transmitteret i kernen, hvilket tillader pumpekonverteringseffektiviteten og udgangseffekten af fiberlaseren skal forbedres væsentligt. Strukturen af den dobbeltbeklædte fiber, formen af den indvendige beklædning og pumpelyskoblingsmetoden er nøglerne til denne teknologi.
Kernen i den dobbeltbeklædte fiber er sammensat af siliciumdioxid (SiO2) doteret med sjældne jordarters elementer, som både er lasermediet og transmissionskanalen for lasersignalet i fiberlaseren, svarende til arbejdsbølgelængden. Den tværgående størrelse (tivis af gange diameteren af en konventionel kerne) og den numeriske åbning af den indre beklædning er meget større end kernens, og brydningsindekset er mindre end kernens, hvilket begrænser udbredelsen af laserlys fuldstændigt inde i kernen. Dette skaber en optisk bølgeleder med stort tværsnit og stor numerisk blænde mellem kernen og den ydre beklædning, som tillader stor numerisk blænde, stort tværsnit og multi-mode højeffekt pumpet lys at blive koblet ind i fiberen og begrænset til transmission inden for den indvendige beklædning uden diffusion, hvilket letter vedligeholdelsen af optisk pumpning med høj effekttæthed. Den ydre beklædning er sammensat af et polymermateriale med et mindre brydningsindeks end den indvendige beklædning; det yderste lag er et beskyttende lag sammensat af organisk materiale. Koblingsarealet af den dobbeltbeklædte fiber til det pumpede lys bestemmes af størrelsen af den indre beklædning, i modsætning til konventionelle single-mode fibre, som bestemmes af kernen alene. På den ene side forbedrer dette effektkoblingseffektiviteten af den menneskelige fiberlaser, hvilket tillader pumpelyset at passere gennem den indre beklædning flere gange for at excitere doterede ioner til laseremission; på den anden side bestemmes udgangsstrålekvaliteten af fiberkernens natur, og indførelsen af den indre beklædning ødelægger ikke strålekvaliteten af fiberlaserudgangen.
Til at begynde med var den indvendige beklædning af dobbeltbeklædte fibre cylindrisk symmetrisk og relativt enkel at fremstille og let at koble til pigtailen på pumpelaserdioden (LD), men dens perfekte symmetri resulterede i et stort antal spiralstråler af pumpelys i den indvendige beklædning, der aldrig nåede kerneområdet selv efter nok refleksioner til at blive absorberet af kernen, så selv med en Selv med længere fibre er der stadig en stor mængde lyslækage, hvilket gør det vanskeligt at forbedre konverteringseffektiviteten. Af denne grund skal den cylindriske symmetri af den indvendige beklædning brydes.
Fotoniske krystalfibre
I normale dobbeltbeklædte fibre bestemmer kernens geometri lasereffekten. Den numeriske blænde bestemmer strålekvaliteten af outputlaseren. På grund af begrænsningerne af ikke-lineære effekter, optiske skader og andre fysiske mekanismer i optiske fibre, kan et enkelt middel til at øge kernediameteren ikke imødekomme efterspørgslen efter single-mode-drift ved høj effekt i stor-mode felt dobbeltbeklædningsfibre. Fremkomsten af specielle fibre, såsom fotoniske krystalfibre (PCF), giver en effektiv teknisk løsning på denne udfordring.
Konceptet med fotoniske krystaller blev først introduceret af E. Yablonovitch i 19871 som en periodisk struktur med forskellige dielektriske konstanter i én, to eller tre dimensioner, der tillader lys at forplante sig i det fotoniske ledningsbånd og forhindrer lys i at forplante sig i det fotoniske båndgab ( PBG). PCF'er er todimensionelle fotoniske krystaller, også kendt som mikrostrukturerede fibre eller porøse fibre, og i 1996 JC Knight et al. producerede de første PCF'er med en lysledende mekanisme svarende til den for konventionelle fibre med total intern refleksion. Efter 2005 begyndte design og forberedelse af stortilstandsfelt-PCF'er at diversificere, med fremkomsten af forskellige former, herunder utætte kanal-PCF'er, stangformede PCF'er, store pitch-PCF'er og multi-core PCF'er. Fiberens tilstandsfeltareal er også fortsat med at stige tilsvarende.
I udseende ligner PCF'er meget konventionelle single-mode fibre, men mikroskopisk udviser de komplekse hul-array-strukturer. Det er disse strukturelle egenskaber, der giver PCF'er unikke og uovertrufne fordele i forhold til konventionelle fibre, såsom afskæringsfri single-mode transmission, stort tilstandsfeltområde, tunbar spredning og lavt begrænsende tab, som kan overvinde mange af udfordringerne ved konventionelle lasere . For eksempel kan PCF opnå single-mode-drift i et stort tilstandsfeltområde, samtidig med at strålekvaliteten sikres, betydeligt reducere lasereffekttætheden i fiberen, reducere ikke-lineære effekter i fiberen og øge skadetærsklen for fiberen; det kan opnå en stor numerisk blænde, hvilket betyder, at der kan opnås mere pumpeoptisk kobling og højere effekt laseroutput. Dette har gjort det til et nyt forskningshøjdepunkt inden for fiberlasere, der spiller en stadig vigtigere rolle i anvendelsen af højeffektfiberlasere.
Opfindelsen af fiberlaseren
Lasere, der bruger optiske fibre som laserforstærkningsmediet, er kendt som fiberlasere. Ligesom andre typer lasere består den af tre dele: forstærkningsmediet, pumpekilden og resonanshulrummet. fiberlasere bruger en aktiv fiber med en kerne doteret med sjældne jordarters elementer som forstærkningsmedium. En halvlederlaser bruges generelt som pumpekilde. Resonanshulrummet er generelt sammensat af reflekterende spejle, fiberendeflader, fiberringspejle eller fibergitre.
Ifølge fiberlaserens tidsdomænekarakteristika kan den opdeles i kontinuerlig fiberlaser og pulserende fiberlaser; i henhold til resonanskavitetsstrukturen kan den opdeles i lineær hulrumsfiberlaser, distribueret feedbackfiberlaser og ringhulrumsfiberlaser; i henhold til forstærkningsfiberen og de forskellige pumpemetoder kan den opdeles i enkeltbeklædningsfiberlaser (fiberkernepumpning) og dobbeltbeklædningsfiberlaser (beklædningspumpning).
I 1961 opdagede Snitzer laserstråling i neodym (Nd)-doterede glasbølgeledere. 1966, Kao studerede i detaljer de vigtigste årsager til lysdæmpning i optiske fibre og påpegede de vigtigste tekniske problemer, der skal løses for den praktiske anvendelse af optiske fibre i kommunikation. I 1970 udviklede Corning i USA optiske fibre med en dæmpning på mindre end 20 dB/km, hvilket lagde grundlaget for udviklingen af den optiske kommunikations- og optoelektronikindustri. Dette lagde grundlaget for udviklingen af den optiske kommunikations- og optoelektronikindustri. I 1970'erne og 1980'erne udgjorde modningen og kommercialiseringen af halvlederlaserteknologi en pålidelig og mangfoldig pumpekilde til udvikling af fiberlasere. Samtidig reducerer udviklingen af kemisk dampaflejringsmetode transmissionstabet af fiberoptik kontinuerligt. Fiberlasere udvikler sig også hurtigt i retning af diversificering, med fibre doteret med en række sjældne jordarters elementer, såsom 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 ), vismut (Bi3 plus ) og så videre. Afhængigt af de dopede ioner kan der opnås forskellige bølgelængder af laseroutput. For at opfylde kravene til forskellige applikationer.
Funktioner af højeffekt fiberlasere
Fordelene ved højeffekt fiberlasere er som følger.
(1) God strålekvalitet. Bølgelederstrukturen af den optiske fiber gør det nemt at opnå en enkelt transversal mode-output, og påvirkningen af eksterne faktorer er meget lille, for at opnå et laseroutput med høj lysstyrke.
(2) Høj effektivitet. Fiberlaser ved at vælge emissionsbølgelængde og doterede sjældne jordarters absorptionsegenskaber for halvlederlaseren til pumpekilden kan du opnå en meget høj lys- og lyskonverteringseffektivitet. For ytterbium-doterede højeffektfiberlasere skal du generelt vælge 915nm eller 975nm halvlederlasere, på grund af den enkle energiniveaustruktur af Yb3 plus er der mindre sandsynlighed for opkonvertering, exciteret tilstandsabsorption og koncentrationsudbrud, fluorescenslevetiden er længere og kan effektivt lagre energi til højeffektdrift. Den samlede elektro-optiske effektivitet af kommercielle fiberlasere er så høj som 25 procent, hvilket er befordrende for omkostningsreduktion, energibesparelse og miljøbeskyttelse.
(3) Gode varmeafledningsegenskaber. Fiberlasere bruges som et laserforstærkningsmedium ved hjælp af en tynd, sjælden jordartselementdoteret fiber med et meget stort overfladeareal til volumenforhold. Omkring 1000 gange solid blok laser, i form af varmeafledning kapacitet har en naturlig fordel. Der kræves ingen speciel afkøling af fiberen til lav- og mellemeffekthuse, og vandkøling bruges til højeffektshuse, hvilket også effektivt undgår forringelse af strålekvalitet og effektivitet på grund af termiske effekter, der almindeligvis findes i solid-state lasere.
(4) Kompakt struktur, høj pålidelighed. Da fiberlaseren bruger en lille og fleksibel fiber som laserforstærkningsmedium, hjælper den med at komprimere volumen og spare omkostninger. Pumpekilden bruges også i halvlederlasere, der er nemme at modulære i små størrelser, kommercielle produkter er generelt tilgængelige med pigtail-output kombineret med fiber Bragg-gitter og andre fiberoptiske enheder, så længe disse enheder er smeltet sammen for at opnå fuld fiber, immunitet over for miljøforstyrrelser, med høj stabilitet, kan spare vedligeholdelsestid og omkostninger.
Højeffektfiberlasere har også ulemper, som er svære at overvinde: Den ene er sårbarheden over for ikke-lineære effekter. Fiberlasere har en lang effektiv længde og en lav tærskel for forskellige ikke-lineære effekter på grund af deres bølgelederes geometri. Nogle skadelige ikke-lineære effekter såsom exciteret Raman-spredning (SRS), selvfasemodulation (SPM) osv. kan forårsage faseudsving og energioverførsel på spektret eller endda skade på lasersystemet, hvilket begrænser udviklingen af højeffektfiber. lasere. Den anden er fotonformørkende effekt. Med stigningen i pumpetid kan fotonformørkende effekt føre til høj dopingkoncentration af sjældne jordarters element-doteret fibereffektkonverteringseffektivitet monotont irreversibelt fald, hvilket begrænser den langsigtede stabilitet og levetid for højeffektfiberlasere, hvilket er særligt indlysende i ytterbium-doterede højeffektfiberlasere.
Med fremskridtet med fiberkoblede halvlederlasere med høj lysstyrke og dobbeltbeklædt fiberteknologi har udgangseffekten, optisk-til-optisk konverteringseffektivitet og strålekvaliteten for højeffektfiberlasere udviklet sig betydeligt. Inden for industriel forarbejdning, rettet energivåben, langdistance-telemetri, LIDAR og andre applikationer med stor efterspørgsel trækkraft til USA Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) og Tyskland Tong Express Group, hovedsagelig forskningsenheder på kontinuerlig bølge, puls bølge høj effekt fiber laser forskning og udvikling, lancerede en rig produktlinje. Spændende resultater er også blevet rapporteret af en række enheder i Kina, herunder Tsinghua University, National University of Defense Technology, Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery fra det kinesiske videnskabsakademi og det fjerde forskningsinstitut i China Aerospace Science og Industriselskab.
Fiberlaser-energiforbedringsteknologi
På grund af de ikke-lineære effekter i fiberlaseren, termiske effekter og tærskelbegrænsninger for materialeskade, er udgangseffekten af en enkelt fiberlaser begrænset til en vis grad, og efterhånden som effekten stiger, falder strålekvaliteten gradvist, hvilket kræver brug af mode kontrol teknologi og design af en særlig struktur af den nye fiber for at forbedre strålekvaliteten. Dawson (JW Dawson) et al analyserede teoretisk udgangseffektgrænsen for en enkelt fiber og beregnede, at i bredbåndsfiberlasere kan en enkelt fiber opnå en maksimal effekt på 36 kW tæt på diffraktionsgrænsen laseroutput, mens for fiberlasere med smal linjebredde er den maksimale effekt på 36 kW. effekt er 2 kW. For yderligere at forbedre udgangseffekten af fiberlaseren og forstærkeren er effektsyntese af flere fiberlasere ved kohærent synteseteknologi en effektiv metode. Det er blevet et internationalt forskningshotspot i de senere år.
Kohærent syntese opnås ved at styre fasen, frekvensen og polariseringen af hver laserstråle med en vis konsistens, så den opfylder kohærensbetingelsen og opnår et homogent faselåst output, som kan opnå en meget højere spidsintensitet end simpelt ikke-kohærent superposition og opretholde god strålekvalitet. Historien om udviklingen af kohærent synteseteknologi er næsten lige så lang som selve lasernes historie, og involverer forskellige typer gaslasere, kemiske lasere, halvlederlasere, solid-state lasere osv. Men på grund af umodenhed af forskellige enheder i de tidlige dage brød de eksperimentelle resultater opnået ved kohærent synteseteknologi ikke igennem den maksimale udgangseffekt fra den tilsvarende enkelt-link laser på det tidspunkt, så effekten var ikke særlig tydelig. Fra 1990'erne og frem førte fremkomsten af fiberlasere til en hurtig udvikling af sammenhængende synteseteknikker. Ud over de unikke fordele ved fiberlasere og behovet for taktisk brug af hundredvis af kilowatt, har adskillige enheder (dvs. fiberkeglekoblere, flerkernefibre, fasemodulatorer med pigtails og akusto-optiske frekvensskiftere osv.) spillet en afgørende rolle i den kommercielle udrulning af fiberoptisk kommunikation. Fiberkeglekoblere og multicore-fibre letter passiv fasestyring baseret på laserenergiinjektionskobling og hurtig bølgekobling, mens fasemodulatorer med pigtails og akusto-optiske frekvensskiftere muliggør aktiv fasestyring med megahertz kontrolbåndbredder, som kan bruges til at styre faseudsving ved høje effektforhold og opnå faselåste udgange. Forskere har foreslået en række karakteristiske sammenhængende synteseskemaer.
Spektralsyntese er en ikke-kohærent synteseteknik, der bruger et eller flere diffraktionsgitre til at diffraktere flere understråler ind i den samme blænde, hvilket resulterer i en enkelt blændeudgang med god strålekvalitet. Spektral syntese af fiberlasere kan gøre fuld brug af den brede forstærkningsbåndbredde af Yb-doterede fiberlasere for at kompensere for den begrænsede udgangseffekt af en enkelt fiberlaser.
