Vad är en fiberlaser?
Optisk fiber är en förkortning för optisk fiber och är vanligtvis en cylindrisk vågledare för ljusvågor. Den använder principen om total reflektion för att begränsa ljusvågor till kärnan och styra dem i fiberaxelns riktning. Att ersätta koppartråd med kvartsglas förändrade världen.
Som ett medium för att leda ljusvågor har optisk fiber använts i stor utsträckning sedan 1966 när den introducerades av Charles Kao, tack vare dess höga kommunikationskapacitet, höga störningsimmunitet, låga överföringsförluster, långa reläavstånd, god sekretess, anpassningsförmåga, liten storlek , låg vikt och rikliga källor till råvaror. Kao, känd som "fadern till fiberoptik", tilldelades Nobelpriset i fysik 2009 för sitt arbete. Med fiberoptikens ökande perfektion och praktiska funktion har den revolutionerat telekommunikationsindustrin och har till stor del ersatt koppartråd som kärnkomponenten i modern kommunikation.
Optisk fiberkommunikationssystem är ett kommunikationssystem som använder ljus som informationsbärare och optisk fiber som vågledarmedium. När optisk fiber sänder information omvandlas den elektriska signalen till en optisk signal, som sedan överförs inuti fibern. Som en framväxande kommunikationsteknik har fiberoptisk kommunikation visat oöverträffad överlägsenhet från första början och har väckt stort intresse och stor uppmärksamhet. Den utbredda användningen av optiska fibrer i kommunikation har också bidragit till den snabba utvecklingen av fiberoptiska förstärkare och fiberlasrar samtidigt. Förutom kommunikation används fiberoptiska system även inom ett brett spektrum av tillämpningar inom medicin, avkänning och andra områden.
Optiska fibrer
Förstärkningsmediet för en fiberlaser är den aktiva fibern. Enligt dess struktur kan de delas in i single-mode fiber, dubbelklädd fiber och fotonisk kristall fiber tre.
Single-mode optisk fiber singelmodsfiber består av en kärna, kapsling och beläggningsskikt, där kärnmaterialets brytningsindex n1 är högre än kapslingsmaterialets brytningsindex n2, när infallsvinkeln för det infallande ljuset är större än kritisk vinkel bild, ljusstrålen i kärnan av den fulla emissionen, så att fibern kan bindas till ljusstrålen i kärnans utbredning. Den inre beklädnaden av single-mode fibrer kan inte spela en återhållande roll för multimode pumpljus, och den numeriska öppningen av kärnan är låg, så endast single-mode pumpljuskoppling in i kärnan kan användas för att erhålla laserutgång. Tidiga fiberlasrar använde denna singelmodsfiber, vilket resulterade i låg kopplingseffektivitet och lasrar med uteffekt i milliwattområdet.
Dubbelklädda fibrer
För att övervinna begränsningarna hos konventionella enkelmodiga, enkelklädda ytterbiumdopade (Yb3 plus) fibrer på omvandlingseffektivitet och uteffekt, föreslog Maurer (R. Maurer) först konceptet med dubbelklädda fibrer 1974. Sedan dess var det inte förrän 1988, när E. Snitzer och andra föreslog kapslingspumpteknik [3], som Yb-dopade fiberlasrar/förstärkare med hög effekt utvecklades snabbt.
En dubbelklädd fiber är en optisk fiber med en speciell struktur som lägger till ett inre mantelskikt till den konventionella fibern, bestående av ett beläggningsskikt, ett inre mantelskikt, ett yttre beklädnadsskikt och en dopad fiberkärna. Kapslingspumpningstekniken är baserad på en dubbelklädd fiber, vars kärna är att tillåta multimode pumpljus att överföras i den inre kapslingen och laserljus att överföras i kärnan, vilket möjliggör pumpomvandlingseffektiviteten och uteffekten av fiberlasern avsevärt förbättras. Strukturen på den dubbelklädda fibern, formen på den inre beklädnaden och pumpljuskopplingsmetoden är nycklarna till denna teknik.
Kärnan i den dubbelklädda fibern är sammansatt av kiseldioxid (SiO2) dopad med sällsynta jordartsmetaller, vilket är både lasermediet och transmissionskanalen för lasersignalen i fiberlasern, motsvarande arbetsvåglängden. Den tvärgående storleken (tiotal gånger diametern på en konventionell kärna) och den numeriska öppningen för den inre kapslingen är mycket större än kärnans och brytningsindexet är mindre än kärnans, vilket begränsar utbredningen av laserljus helt och hållet inom kärnan. Detta skapar en optisk vågledare med stor tvärsnittsöppning, stor numerisk öppning mellan kärnan och den yttre beklädnaden, som tillåter stor numerisk öppning, stort tvärsnitt och multi-mode högeffektspumpat ljus att kopplas in i fibern och begränsas till överföring inom den inre beklädnaden utan diffusion, vilket underlättar underhållet av optisk pumpning med hög effekttäthet. Den yttre beklädnaden är sammansatt av ett polymermaterial med ett mindre brytningsindex än den inre beklädnaden; det yttersta lagret är ett skyddande lager som består av organiskt material. Kopplingsarean för den dubbelklädda fibern till det pumpade ljuset bestäms av storleken på den inre kapslingen, till skillnad från konventionella singelmodsfibrer, som bestäms av enbart kärnan. Å ena sidan förbättrar detta kraftkopplingseffektiviteten hos den mänskliga fiberlasern, vilket gör att pumpljuset kan passera genom den inre beklädnaden flera gånger för att excitera dopade joner för laseremission; å andra sidan bestäms utsignalsstrålekvaliteten av fiberkärnan, och införandet av den inre beklädnaden förstör inte strålkvaliteten hos fiberlaserutgången.
Inledningsvis var den inre beklädnaden av dubbelklädda fibrer cylindriskt symmetrisk och relativt enkel att tillverka och lätt att koppla till pigtailen på pumplaserdioden (LD), men dess perfekta symmetri resulterade i ett stort antal spiralstrålar av pumpljus i den inre beklädnaden som aldrig nådde kärnområdet ens efter tillräckligt många reflektioner för att absorberas av kärnan, så att även med längre fibrer finns det fortfarande en stor mängd ljusläckage, vilket gör det svårt att förbättra konverteringseffektiviteten. Av denna anledning måste den inre beklädnadens cylindriska symmetri brytas.
Fotoniska kristallfibrer
I normala dubbelklädda fibrer bestämmer kärnans geometri utgående lasereffekt. Den numeriska bländaren bestämmer strålkvaliteten för utgående laser. På grund av begränsningarna av icke-linjära effekter, optiska skador och andra fysiska mekanismer i optiska fibrer, kan ett enda sätt att öka kärndiametern inte möta kravet på singelmodsdrift vid hög uteffekt i dubbelbeklädnadsfibrer med stort läge. Framväxten av speciella fibrer, såsom fotoniska kristallfibrer (PCF), ger en effektiv teknisk lösning på denna utmaning.
Konceptet med fotoniska kristaller introducerades först av E. Yablonovitch 19871 som en periodisk struktur med olika dielektriska konstanter i en, två eller tre dimensioner som tillåter ljus att fortplanta sig i det fotoniska ledningsbandet och förbjuder ljus att fortplanta sig i det fotoniska bandgapet ( PBG). PCF är tvådimensionella fotoniska kristaller, även kända som mikrostrukturerade fibrer eller porösa fibrer, och 1996 JC Knight et al. producerade de första PCF:erna med en ljusledande mekanism som liknar den för konventionella fibrer med total intern reflektion. Efter 2005 började designen och förberedelserna av PCF:er för stort läge att variera, med uppkomsten av olika former, inklusive läckande kanal-PCF:er, stavformade PCF:er, PCF:er med stor stigning och flerkärniga PCF:er. Fiberns mod-fältarea har också fortsatt att öka i enlighet därmed.
Till utseendet liknar PCF:er mycket konventionella singelmodsfibrer, men mikroskopiskt uppvisar de komplexa hålstrukturer. Det är dessa strukturella egenskaper som ger PCF:er unika och oöverträffade fördelar jämfört med konventionella fibrer, såsom avstängningsfri singelmodsöverföring, storlägesfältarea, avstämbar spridning och låg begränsande förlust, vilket kan övervinna många av utmaningarna med konventionella lasrar . Till exempel kan PCF uppnå singelmodsdrift i ett stort lägesfältområde, samtidigt som strålkvaliteten säkerställs, vilket avsevärt minskar lasereffekttätheten i fibern, minskar icke-linjära effekter i fibern och ökar skadetröskeln för fibern; den kan uppnå en stor numerisk bländare, vilket innebär att mer pumpoptisk koppling och högre lasereffekt kan uppnås. Detta har gjort det till en ny forskningshöjdpunkt inom fiberlasrar, som spelar en allt viktigare roll vid tillämpningen av högeffektfiberlasrar.
Uppfinningen av fiberlasern
Lasrar som använder optiska fibrer som laserförstärkningsmedium är kända som fiberlasrar. Liksom andra typer av lasrar består den av tre delar: förstärkningsmediet, pumpkällan och resonanshåligheten. fiberlasrar använder en aktiv fiber med en kärna dopad med sällsynta jordartsmetaller som förstärkningsmedium. En halvledarlaser används vanligtvis som pumpkälla. Resonanshålrummet är i allmänhet sammansatt av reflekterande speglar, fiberändytor, fiberringspeglar eller fibergitter.
Enligt tidsdomänens egenskaper hos fiberlasern kan den delas in i kontinuerlig fiberlaser och pulsad fiberlaser; enligt resonanshålighetsstrukturen kan den delas in i linjär kavitetsfiberlaser, distribuerad återkopplingsfiberlaser och ringkavitetsfiberlaser; beroende på förstärkningsfibern och de olika pumpmetoderna kan den delas upp i enkelbeklädnad fiberlaser (fiberkärnpumpning) och dubbelbeklädnad fiberlaser (beklädnadspumpning).
1961 upptäckte Snitzer laserstrålning i neodym (Nd)-dopade glasvågledare. 1966 studerade Kao i detalj de huvudsakliga orsakerna till ljusdämpning i optiska fibrer och påpekade de viktigaste tekniska problemen som måste lösas för den praktiska tillämpningen av optiska fibrer i kommunikation. 1970 utvecklade Corning i USA optiska fibrer med dämpning mindre än 20 dB/km, vilket lade grunden för utvecklingen av den optiska kommunikations- och optoelektronikindustrin. Detta lade grunden för utvecklingen av den optiska kommunikations- och optoelektronikindustrin. På 1970- och 1980-talen utgjorde mognaden och kommersialiseringen av halvledarlaserteknologi en pålitlig och mångsidig pumpkälla för utveckling av fiberlasrar. Samtidigt gör utvecklingen av kemisk ångavsättningsmetod att transmissionsförlusten av fiberoptik kontinuerligt minskar. Fiberlasrar utvecklas också snabbt i riktning mot diversifiering, med fibrer dopade med en mängd olika sällsynta jordartsmetaller, 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 ) och så vidare. Beroende på de dopade jonerna kan olika våglängder för laserutsignalen uppnås. För att uppfylla kraven för olika applikationer.
Funktioner hos högeffektfiberlasrar
Fördelarna med högeffektfiberlasrar är följande.
(1) Bra strålkvalitet. Vågledarstrukturen hos den optiska fibern gör det enkelt att erhålla en enda tvärlägesutgång, och påverkan av externa faktorer är mycket liten, för att uppnå en laserutgång med hög ljusstyrka.
(2) Hög effektivitet. Fiberlaser genom att välja emissionsvåglängd och dopade sällsynta jordartsmetaller absorptionsegenskaper för halvledarlasern för pumpkällan, kan du uppnå en mycket hög ljus- och ljusomvandlingseffektivitet. För ytterbiumdopade högeffektfiberlasrar, välj i allmänhet 915nm eller 975nm halvledarlasrar, på grund av den enkla energinivåstrukturen hos Yb3 plus är det mindre sannolikt att uppkonvertering, exciterad tillståndsabsorption och koncentrationsskurar inträffar, fluorescenslivslängden är längre och kan effektivt lagra energi för drift med hög effekt. Den totala elektrooptiska effektiviteten för kommersiella fiberlasrar är så hög som 25 procent, vilket bidrar till kostnadsminskning, energibesparing och miljöskydd.
(3) Goda värmeavledningsegenskaper. Fiberlasrar används som ett laserförstärkningsmedium med användning av en tunn, sällsynt jordartsmetalldopad fiber med ett mycket stort förhållande mellan ytarea och volym. Cirka 1000 gånger solid block laser, i termer av värmeavledningskapacitet har en naturlig fördel. Ingen speciell kylning av fibern krävs för fall med låg och medelhög effekt, och vattenkylning används för högeffektshus, vilket också effektivt undviker försämring av strålkvalitet och effektivitet på grund av termiska effekter som vanligtvis finns i solid-state lasrar.
(4) Kompakt struktur, hög tillförlitlighet. Eftersom fiberlasern använder en liten och flexibel fiber som laserförstärkningsmedium, hjälper den till att komprimera volymen och spara kostnader. Pumpkällan används också i halvledarlasrar av liten storlek, lätt till modulära, kommersiella produkter är generellt tillgängliga med pigtailutgång, kombinerat med fiber Bragg-gitter och andra fiberoptiska enheter, så länge som dessa enheter är sammansmälta med varandra för att uppnå full fiber, immunitet mot miljöstörningar, med hög stabilitet, kan spara tid och kostnader för underhåll.
Högeffektfiberlasrar har också nackdelar som är svåra att övervinna: en är sårbarheten för icke-linjära effekter. Fiberlasrar har en lång effektiv längd och en låg tröskel för olika icke-linjära effekter på grund av deras vågledares geometri. Vissa skadliga olinjära effekter som exciterad Raman-spridning (SRS), självfasmodulering (SPM) etc. kan orsaka fasfluktuationer och energiöverföring på spektrumet, eller till och med skada på lasersystemet, vilket begränsar utvecklingen av högeffektfiber lasrar. Den andra är fotons mörkare effekt. Med den ökade pumptiden kan fotons mörkare effekt leda till hög dopningskoncentration av sällsynt jordartsmetalldopade fibereffektomvandlingseffektivitet monotont irreversibel nedgång, vilket begränsar den långsiktiga stabiliteten och livslängden för högeffektfiberlasrar, vilket är särskilt uppenbart i ytterbiumdopade högeffektfiberlasrar.
Med utvecklingen av fiberkopplade halvledarlasrar med hög ljusstyrka och dubbelklädd fiberteknologi har uteffekten, effektiviteten för optisk-till-optisk konvertering och strålkvaliteten hos högeffektfiberlasrar utvecklats avsevärt. Inom industriell bearbetning, riktade energivapen, långdistanstelemetri, LIDAR och andra tillämpningar av enorm efterfrågan dragkraft, till Förenta staterna Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) och Tyskland Tong Express Group, främst Forskningsenheter på kontinuerlig våg, pulsvåg hög effekt fiber laser forskning och utveckling, lanserade en rik produktlinje. Spännande resultat har också rapporterats av ett antal enheter i Kina, inklusive Tsinghua University, National University of Defense Technology, Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery vid den kinesiska vetenskapsakademin och det fjärde forskningsinstitutet för China Aerospace Science och Industry Corporation.
Energiförbättringsteknik för fiberlaser
På grund av de icke-linjära effekterna i fiberlasern, termiska effekter och tröskelbegränsningar för materialskador begränsas uteffekten för en enstaka fiberlaser i viss utsträckning, och när effekten ökar minskar strålkvaliteten gradvis, vilket kräver användning av lägeskontrollteknik och utformningen av en speciell struktur av den nya fibern för att förbättra strålkvaliteten. Dawson (JW Dawson) et al analyserade teoretiskt uteffektgränsen för en enstaka fiber och beräknade att i bredbandsfiberlasrar kan en enstaka fiber erhålla en maximal effekt på 36 kW nära diffraktionsgränsens laseruteffekt, medan för fiberlasrar med smal linjebredd, det maximala effekten är 2 kW. För att ytterligare förbättra uteffekten från fiberlasern och förstärkaren är effektsyntes av flera fiberlasrar genom koherent syntesteknologi en effektiv metod. Det har blivit en internationell forskningshotspot de senaste åren.
Koherent syntes uppnås genom att kontrollera fasen, frekvensen och polariseringen av varje laserstråle med en viss konsistens, så att den uppfyller koherensvillkoret och erhåller en homogen faslåst utsignal, som kan erhålla en mycket högre toppintensitet än enkel icke-koherent superposition och bibehålla god strålkvalitet. Historien om utvecklingen av koherent syntesteknologi är nästan lika lång som själva lasrarnas historia, och involverar olika typer av gaslasrar, kemiska lasrar, halvledarlasrar, halvledarlasrar, etc. Men på grund av omognaden hos olika enheter under de tidiga dagarna bröt de experimentella resultaten som uppnåddes med koherent syntesteknologi inte igenom den maximala uteffekten för motsvarande enkellänkslaser vid den tiden, så effekten var inte särskilt uppenbar. Från 1990-talet och framåt ledde tillkomsten av fiberlasrar till en snabb utveckling av koherenta syntestekniker. Förutom de unika fördelarna med fiberlasrar och behovet av taktisk användning av hundratals kilowatt, har flera enheter (dvs fiberkonkopplare, flerkärniga fibrer, fasmodulatorer med pigtails och akusto-optiska frekvensskiftare, etc.) spelat en avgörande roll i den kommersiella utbyggnaden av fiberoptisk kommunikation. Fiberkonkopplare och flerkärniga fibrer underlättar passiv faskontroll baserad på laserenergiinjektionskoppling och snabbvågskoppling, medan fasmodulatorer med pigtails och akusto-optiska frekvensskiftare möjliggör aktiv faskontroll med megahertz styrbandbredder, som kan användas för att kontrollera fasfluktuationer vid höga effektförhållanden och uppnå faslåsta utgångar. Forskare har föreslagit ett antal distinkta sammanhängande syntesscheman.
Spektralsyntes är en icke-koherent syntesteknik som använder ett eller flera diffraktionsgitter för att diffraktera flera delstrålar till samma bländare, vilket resulterar i en enda bländarutgång med god strålkvalitet. Spektralsyntes av fiberlasrar kan dra full nytta av den breda förstärkningsbandbredden hos Yb-dopade fiberlasrar för att kompensera för den begränsade uteffekten hos en enstaka fiberlaser.
