Kas ir šķiedru lāzers?
Optiskā šķiedra ir saīsinājums no optiskās šķiedras un parasti ir cilindrisks viļņvads gaismas viļņiem. Tas izmanto pilnīgas atstarošanas principu, lai ierobežotu gaismas viļņus līdz kodolam un virzītu tos šķiedras ass virzienā. Vara stieples aizstāšana ar kvarca stiklu mainīja pasauli.
Optisko šķiedru kā līdzekli gaismas viļņu vadīšanai plaši izmanto kopš 1966. gada, kad to ieviesa Čārlzs Kao, pateicoties tās augstajai komunikācijas jaudai, augstajai traucējumu noturībai, zemam pārraides zudumam, lielam releja attālumam, labai konfidencialitātei, pielāgošanās spējai, mazam izmēram. , viegls svars un bagātīgi izejvielu avoti. Pazīstams kā "šķiedru optikas tēvs", Kao par savu darbu 2009. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā. Pieaugot optisko šķiedru pilnībai un praktiskumam, tā ir radījusi revolūciju telekomunikāciju nozarē un lielā mērā ir aizstājusi vara stiepli kā mūsdienu sakaru galveno sastāvdaļu.
Optiskās šķiedras sakaru sistēma ir sakaru sistēma, kas izmanto gaismu kā informācijas nesēju un optisko šķiedru kā viļņu virzošo vidi. Kad optiskā šķiedra pārraida informāciju, elektriskais signāls tiek pārveidots par optisko signālu, kas pēc tam tiek pārraidīts šķiedras iekšpusē. Optisko šķiedru komunikācija kā jauna komunikācijas tehnoloģija jau no paša sākuma ir parādījusi nepārspējamu pārākumu un ir piesaistījusi lielu interesi un plašu uzmanību. Plaša optisko šķiedru izmantošana sakaros ir arī veicinājusi strauju optisko šķiedru pastiprinātāju un šķiedru lāzeru attīstību vienlaikus. Papildus sakariem optiskās šķiedras sistēmas tiek izmantotas arī plašā pielietojuma klāstā medicīnā, sensoros un citās jomās.
Optiskās šķiedras
Šķiedru lāzera pastiprināšanas vide ir aktīvā šķiedra. Atbilstoši tās struktūrai var iedalīt vienmoda šķiedru, dubultā pārklājuma šķiedru un fotonisko kristāla šķiedru trīs.
Vienmodas optiskās šķiedras vienmoda šķiedra sastāv no serdes, apšuvuma un pārklājuma slāņa, kur serdes materiāla laušanas koeficients n1 ir augstāks par apšuvuma materiāla laušanas koeficientu n2, ja krītošās gaismas krītošais leņķis ir lielāks par kritiskā leņķa attēlu, gaismas staru kodolā pilnu emisiju, tāpēc šķiedra var būt saistīta ar gaismas staru kodola izplatīšanos. Viena režīma šķiedru iekšējais apšuvums nevar ierobežot daudzmodu sūkņa gaismu, un serdeņa skaitliskā apertūra ir zema, tāpēc lāzera izvades iegūšanai var izmantot tikai viena režīma sūkņa gaismas savienojumu kodolā. Agrīnie šķiedru lāzeri izmantoja šo vienmoda šķiedru, kā rezultātā bija zema savienojuma efektivitāte un lāzeri ar izejas jaudu milivatu diapazonā.
Dubultā pārklājuma šķiedras
Lai pārvarētu tradicionālo vienmodu, ar vienu pārklājumu iterbija leģētu (Yb3 plus ) šķiedru ierobežojumus attiecībā uz konversijas efektivitāti un izejas jaudu, Maurers (R. Maurers) pirmo reizi ierosināja divkāršās pārklājuma šķiedru koncepciju 1974. gadā. Kopš tā laika tikai 1988. gadā, kad E. Snitzers un citi ierosināja apšuvuma sūknēšanas tehnoloģiju [3], strauji tika izstrādāti ar Yb leģēti šķiedru lāzeri/pastiprinātāji.
Divkāršā pārklājuma šķiedra ir optiskā šķiedra ar īpašu struktūru, kas parastajai šķiedrai pievieno iekšējo apšuvuma slāni, kas sastāv no pārklājuma slāņa, iekšējā apšuvuma slāņa, ārējā apšuvuma slāņa un leģēta šķiedras kodola. Apšuvuma sūknēšanas tehnoloģija ir balstīta uz dubultā pārklājuma šķiedru, kuras kodols ir nodrošināt daudzrežīmu sūkņa gaismas caurlaidību iekšējā apšuvumā un lāzera gaismas caurlaidību serdenī, nodrošinot sūknēšanas konversijas efektivitāti un izejas jaudu. šķiedru lāzers ir ievērojami jāuzlabo. Divkāršās pārklājuma šķiedras struktūra, iekšējā apšuvuma forma un sūkņa gaismas savienojuma metode ir šīs tehnoloģijas atslēgas.
Divkāršās šķiedras kodols sastāv no silīcija dioksīda (SiO2), kas leģēts ar retzemju elementiem, kas ir gan lāzera vide, gan lāzera signāla pārraides kanāls šķiedras lāzerā, kas atbilst darba viļņa garumam. Iekšējā apšuvuma šķērseniskais izmērs (desmitiem reižu lielāks par parastā serdeņa diametru) un skaitliskā apertūra ir daudz lielāka nekā serdeņa, un laušanas koeficients ir mazāks nekā serdeņa, kas pilnībā ierobežo lāzera gaismas izplatīšanos. kodola ietvaros. Tas rada liela šķērsgriezuma, lielas skaitliskās apertūras optisko viļņvadu starp serdi un ārējo apšuvumu, kas ļauj lielu skaitlisko apertūru, lielu šķērsgriezumu un daudzrežīmu lielas jaudas sūknējamo gaismu savienot ar šķiedru un ierobežot pārraidi iekšējais apšuvums bez difūzijas, atvieglojot liela jaudas blīvuma optiskās sūknēšanas uzturēšanu. Ārējais apšuvums sastāv no polimērmateriāla ar mazāku laušanas koeficientu nekā iekšējam apšuvumam; ārējais slānis ir aizsargslānis, kas sastāv no organiskiem materiāliem. Divkāršās pārklājuma šķiedras savienojuma laukumu ar sūknēto gaismu nosaka iekšējā apšuvuma izmērs, atšķirībā no parastajām vienmoda šķiedrām, kuras nosaka tikai serde. No vienas puses, tas uzlabo cilvēka šķiedru lāzera jaudas savienojuma efektivitāti, ļaujot sūkņa gaismai vairākas reizes iziet cauri iekšējam apvalkam, lai ierosinātu leģētos jonus lāzera emisijai; no otras puses, izejas staru kūļa kvalitāti nosaka šķiedras serdes raksturs, un iekšējā apšuvuma ieviešana nesagrauj šķiedru lāzera izvades stara kvalitāti.
Sākotnēji dubultā pārklājuma šķiedru iekšējais apšuvums bija cilindriski simetrisks un salīdzinoši vienkārši izgatavojams un viegli savienojams ar sūkņa lāzerdiodes (LD) bizi, taču tā nevainojamā simetrija radīja lielu skaitu sūkņa gaismas spirālveida staru. iekšējais apšuvums, kas nekad nesasniedza serdes reģionu pat pēc pietiekami daudz atstarošanas, lai kodols to absorbētu, tā ka pat ar garākām šķiedrām joprojām ir liela gaismas noplūde, kas apgrūtina konversijas efektivitātes uzlabošanu. Šī iemesla dēļ ir jāpārtrauc iekšējā apšuvuma cilindriskā simetrija.
Fotoniskās kristāla šķiedras
Parastajās dubultā pārklājuma šķiedrās serdes ģeometrija nosaka lāzera izejas jaudu. Skaitliskā apertūra nosaka izvadītā lāzera stara kvalitāti. Sakarā ar nelineāro efektu, optisko bojājumu un citu optisko šķiedru fizikālo mehānismu ierobežojumiem, viens līdzeklis serdes diametra palielināšanai nevar apmierināt pieprasījumu pēc viena režīma darbības ar lielu jaudu liela režīma lauka dubultapšuvuma šķiedrās. Īpašu šķiedru, piemēram, fotonisko kristālu šķiedru (PCF) parādīšanās nodrošina efektīvu tehnisko risinājumu šim izaicinājumam.
Fotonisko kristālu jēdzienu pirmo reizi ieviesa E. Jablonovičs 19871. gadā kā periodisku struktūru ar dažādām dielektriskām konstantēm vienā, divās vai trīs dimensijās, kas ļauj gaismai izplatīties fotoniskās vadīšanas joslā un aizliedz gaismai izplatīties fotoniskās joslas spraugā ( PBG). PCF ir divdimensiju fotoniski kristāli, kas pazīstami arī kā mikrostrukturētas šķiedras vai porainas šķiedras, un 1996. gadā JC Knight et al. ražoja pirmos PCF ar gaismas vadīšanas mehānismu, kas ir līdzīgs parastajām šķiedrām ar pilnīgu iekšējo atstarošanu. Pēc 2005. gada liela režīma lauka PCF dizains un sagatavošana sāka dažādot, parādoties dažādām formām, tostarp noplūdes kanālu PCF, stieņa formas PCF, liela piķa PCF un daudzkodolu PCF. Arī šķiedras režīma lauka laukums ir turpinājis attiecīgi palielināties.
Pēc izskata PCF ir ļoti līdzīgi parastajām vienmoda šķiedrām, taču mikroskopiski tām ir sarežģītas caurumu masīva struktūras. Tieši šīs strukturālās iezīmes nodrošina PCF unikālas un nepārspējamas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām šķiedrām, piemēram, vienmoda pārraide bez pārtraukuma, liela režīma lauka laukums, regulējama dispersija un zemi ierobežojošie zudumi, kas var pārvarēt daudzas parasto lāzeru problēmas. . Piemēram, PCF var panākt viena režīma darbību liela režīma lauka zonā, vienlaikus nodrošinot stara kvalitāti, būtiski samazinot lāzera jaudas blīvumu šķiedrā, samazinot nelineāros efektus šķiedrā un palielinot šķiedras bojājuma slieksni; ar to var sasniegt lielu skaitlisko apertūru, kas nozīmē, ka var sasniegt lielāku sūkņa optisko savienojumu un lielāku lāzera jaudu. Tas ir padarījis to par jaunu pētījumu akcentu šķiedru lāzeru jomā, kam ir arvien svarīgāka loma lieljaudas šķiedru lāzeru lietošanā.
Šķiedru lāzera izgudrojums
Lāzerus, kas izmanto optiskās šķiedras kā lāzera pastiprināšanas līdzekli, sauc par šķiedru lāzeriem. Tāpat kā cita veida lāzeri, tas sastāv no trim daļām: pastiprināšanas vides, sūkņa avota un rezonanses dobuma. šķiedru lāzeri izmanto aktīvo šķiedru ar serdi, kas leģēts ar retzemju elementiem kā pastiprināšanas vidi. Par sūkņa avotu parasti izmanto pusvadītāju lāzeru. Rezonanses dobums parasti sastāv no atstarojošiem spoguļiem, šķiedru gala virsmām, šķiedru gredzena spoguļiem vai šķiedru režģiem.
Saskaņā ar šķiedru lāzera laika domēna īpašībām to var iedalīt nepārtrauktā šķiedru lāzerā un impulsa šķiedru lāzerā; atbilstoši rezonanses dobuma struktūrai to var iedalīt lineārā dobuma šķiedru lāzerā, sadalītās atgriezeniskās saites šķiedru lāzerā un gredzena dobuma šķiedru lāzerā; atkarībā no pastiprinājuma šķiedras un dažādām sūknēšanas metodēm to var iedalīt viena apšuvuma šķiedras lāzerā (šķiedras serdeņa sūknēšana) un dubultā apšuvuma šķiedras lāzerā (apšuvuma sūknēšana).
1961. gadā Snitzers atklāja lāzera starojumu ar neodīmu (Nd) leģētos stikla viļņvados. 1966. gadā Kao sīki izpētīja galvenos optisko šķiedru gaismas vājināšanās cēloņus un norādīja uz galvenajām tehniskajām problēmām, kas jāatrisina optisko šķiedru praktiskai izmantošanai sakaros. 1970. gadā Kornings ASV izstrādāja optiskās šķiedras ar vājinājumu, kas mazāks par 20 dB/km, kas lika pamatu optisko sakaru un optoelektronikas nozares attīstībai. Tas lika pamatus optisko sakaru un optoelektronikas nozaru attīstībai. 20. gadsimta 70. un 80. gados pusvadītāju lāzeru tehnoloģijas nobriešana un komercializācija nodrošināja uzticamu un daudzveidīgu sūkņu avotu šķiedru lāzeru izstrādei. Tajā pašā laikā ķīmiskās tvaiku pārklāšanas metodes attīstība nepārtraukti samazina optiskās šķiedras pārraides zudumus. Arī šķiedru lāzeri strauji attīstās diversifikācijas virzienā, izmantojot šķiedras, kas leģētas ar dažādiem retzemju elementiem, piemēram, erbiju (Er3 plus ), iterbiju (Yb3 plus ), neodīmu (Nd3 plus ), samāriju (Sm 3 plus ), tūlijs (Tm3 plus), holmijs (Ho3 plus), prazeodīms (Pr3 plus), disprozijs (Dy3 plus), bismuts (Bi3 plus) un tā tālāk. Atkarībā no leģētajiem joniem var sasniegt dažādus lāzera izejas viļņu garumus. Lai atbilstu dažādu lietojumu prasībām.
Lieljaudas šķiedru lāzeru īpašības
Lieljaudas šķiedru lāzeru priekšrocības ir šādas.
(1) Laba staru kvalitāte. Optiskās šķiedras viļņvada struktūra ļauj viegli iegūt viena šķērseniskā režīma izvadi, un ārējo faktoru ietekme ir ļoti maza, lai sasniegtu augsta spilgtuma lāzera izvadi.
(2) Augsta efektivitāte. Šķiedru lāzers, izvēloties pusvadītāju lāzera emisijas viļņa garumu un leģēto retzemju elementu absorbcijas raksturlielumus sūkņa avotam, jūs varat sasniegt ļoti augstu gaismas un gaismas konversijas efektivitāti. Lieljaudas šķiedru lāzeriem ar iterbija leģētiem lieljaudas šķiedru lāzeriem parasti izvēlieties 915 nm vai 975 nm pusvadītāju lāzerus, jo Yb3 plus vienkāršās enerģijas līmeņa struktūras dēļ ir mazāka iespēja, ka notiek pārveidošana, ierosinātā stāvokļa absorbcija un koncentrācijas pārrāvumi, fluorescences kalpošanas laiks ir garāks un var efektīvi uzglabāt enerģiju. lielas jaudas darbībai. Komerciālo šķiedru lāzeru kopējā elektrooptiskā efektivitāte ir pat 25 procenti, kas veicina izmaksu samazināšanu, enerģijas taupīšanu un vides aizsardzību.
(3) Labas siltuma izkliedes īpašības. Šķiedru lāzeri tiek izmantoti kā lāzera pastiprināšanas vide, izmantojot plānu, retzemju elementu leģētu šķiedru ar ļoti lielu virsmas laukuma un tilpuma attiecību. Apmēram 1000 reižu lielākam par cieto bloku lāzeru siltuma izkliedes jaudas ziņā ir dabiska priekšrocība. Mazas un vidējas jaudas korpusiem nav nepieciešama īpaša šķiedras dzesēšana, un lielas jaudas korpusiem tiek izmantota ūdens dzesēšana, kas arī efektīvi novērš staru kūļa kvalitātes un efektivitātes pasliktināšanos termisko efektu dēļ, kas parasti sastopami cietvielu lāzeros.
(4) Kompakta struktūra, augsta uzticamība. Tā kā šķiedru lāzers izmanto mazu un elastīgu šķiedru kā lāzera pastiprināšanas līdzekli, tas palīdz saspiest apjomu un ietaupīt izmaksas. Sūkņa avots tiek izmantots arī maza izmēra, viegli modulāros pusvadītāju lāzeros, komerciālie produkti parasti ir pieejami ar izvadi, apvienojumā ar Bragg šķiedru režģi un citām optiskās šķiedras ierīcēm, ja vien šīs ierīces ir savienotas viena ar otru, lai iegūtu pilnu šķiedru. imunitāte pret vides traucējumiem, ar augstu stabilitāti, var ietaupīt apkopes laiku un izmaksas.
Lieljaudas šķiedru lāzeriem ir arī trūkumi, kurus ir grūti pārvarēt: viens no tiem ir neaizsargātība pret nelineāriem efektiem. Šķiedru lāzeriem ir liels efektīvais garums un zems dažādu nelineāru efektu slieksnis to viļņvadu ģeometrijas dēļ. Daži kaitīgi nelineāri efekti, piemēram, ierosinātā Ramana izkliede (SRS), pašfāzes modulācija (SPM) utt., var izraisīt fāzes svārstības un enerģijas pārnesi spektrā vai pat bojājumus lāzersistēmai, ierobežojot lieljaudas šķiedras attīstību. lāzeri. Otrais ir fotonu tumšuma efekts. Palielinoties sūknēšanas laikam, fotonu tumšuma efekts var izraisīt augstu dopinga koncentrāciju ar retzemju elementiem leģētu šķiedru jaudas konversijas efektivitātes monotoni neatgriezenisku samazināšanos, ierobežojot lieljaudas šķiedru lāzeru ilgtermiņa stabilitāti un kalpošanas laiku, kas ir īpaši acīmredzams. ar iterbiju leģētos lieljaudas šķiedru lāzeros.
Attīstoties augsta spilgtuma šķiedru savienotajiem pusvadītāju lāzeriem un dubultā pārklājuma šķiedru tehnoloģijai, ir ievērojami attīstījusies lieljaudas šķiedru lāzeru izejas jauda, optiskās pārveidošanas efektivitāte un staru kūļa kvalitāte. Rūpnieciskajā apstrādē virzītas enerģijas ieročus, liela attāluma telemetriju, LIDAR un citus lietojumus ar lielu pieprasījumu, galvenokārt ASV Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) un Vāciju Tong Express Group. pētniecības vienības par nepārtrauktu viļņu, impulsa viļņu lieljaudas šķiedru lāzera pētniecību un attīstību, uzsāka bagātīgu produktu līniju. Par aizraujošiem rezultātiem ir ziņojušas arī vairākas struktūrvienības Ķīnā, tostarp Tsinghua Universitāte, Nacionālā Aizsardzības tehnoloģiju universitāte, Ķīnas Zinātņu akadēmijas Šanhajas Optikas un precīzijas tehnikas institūts un Ķīnas Aviācijas un kosmosa zinātnes Ceturtais pētniecības institūts un Rūpniecības korporācija.
Šķiedru lāzera jaudas palielināšanas tehnoloģija
Sakarā ar nelineāro efektu šķiedru lāzerā, termisko efektu un materiālu bojājumu sliekšņa ierobežojumiem, vienas šķiedras lāzera izejas jauda ir ierobežota līdz zināmai robežai, un, palielinoties jaudai, staru kūļa kvalitāte pakāpeniski pasliktinās, tāpēc ir nepieciešams to izmantot. režīma kontroles tehnoloģiju un jaunas šķiedras īpašas struktūras dizainu, lai uzlabotu staru kūļa kvalitāti. Dawson (JW Dawson) et al teorētiski analizēja vienas šķiedras izejas jaudas ierobežojumu un aprēķināja, ka platjoslas šķiedru lāzeros viena šķiedra var iegūt maksimālo jaudu 36 kW tuvu difrakcijas robežai, savukārt šauras līnijas platuma šķiedru lāzeriem maksimālā maksimālā jauda ir 36 kW. jauda ir 2 kW. Lai vēl vairāk uzlabotu šķiedru lāzera un pastiprinātāja izejas jaudu, efektīva metode ir vairāku šķiedru lāzeru jaudas sintēze ar koherentās sintēzes tehnoloģiju. Pēdējos gados tas ir kļuvis par starptautisku pētniecības karsto punktu.
Koherenta sintēze tiek panākta, kontrolējot katra lāzera stara fāzi, frekvenci un polarizāciju ar noteiktu konsistenci, lai tas atbilstu koherences nosacījumam un iegūtu viendabīgu fāzē bloķētu izvadi, kas var iegūt daudz augstāku maksimuma intensitāti nekā vienkāršs nesakarīgs. superpozīcija un uzturēt labu staru kvalitāti. Koherentās sintēzes tehnoloģijas attīstības vēsture ir gandrīz tikpat gara kā pašiem lāzeriem, un tajā ir iesaistīti dažāda veida gāzes lāzeri, ķīmiskie lāzeri, pusvadītāju lāzeri, cietvielu lāzeri utt. Tomēr dažādu ierīču nenobrieduma dēļ. pirmajās dienās eksperimentālie rezultāti, kas tika sasniegti ar koherentās sintēzes tehnoloģiju, nepārspēja toreizējā atbilstošā vienas saites lāzera maksimālo izejas jaudu, tāpēc efekts nebija īpaši acīmredzams. Sākot ar deviņdesmitajiem gadiem, šķiedru lāzeru parādīšanās izraisīja strauju saskaņotas sintēzes metožu attīstību. Papildus unikālajām šķiedru lāzeru priekšrocībām un nepieciešamībai taktiski izmantot simtiem kilovatu, vairākas ierīces (t. i., šķiedru konusa savienotāji, daudzkodolu šķiedras, fāzes modulatori ar bizēm un akustiski-optiskie frekvenču pārslēdzēji utt.) ir spēlējuši. izšķirīga loma optisko šķiedru sakaru komerciālajā izplatīšanā. Šķiedru konusa savienotāji un daudzkodolu šķiedras atvieglo pasīvo fāzes vadību, kas balstīta uz lāzera enerģijas iesmidzināšanas savienojumu un ātro viļņu savienojumu, savukārt fāzes modulatori ar pigtailiem un akustiski optiskiem frekvences pārslēdzējiem nodrošina aktīvo fāzes vadību ar megahercu vadības joslas platumiem, ko var izmantot, lai kontrolētu fāzes svārstības lieljaudas apstākļos un sasniegt fāzes bloķētas izejas. Pētnieki ir ierosinājuši vairākas atšķirīgas saskaņotas sintēzes shēmas.
Spektrālā sintēze ir nekoherentas sintēzes paņēmiens, kas izmanto vienu vai vairākus difrakcijas režģus, lai difraktu vairākus apakšstarus vienā apertūrā, kā rezultātā tiek iegūta viena apertūras izvade ar labu staru kūļa kvalitāti. Šķiedru lāzeru spektrālā sintēze var pilnībā izmantot ar Yb leģētu šķiedru lāzeru plašo pastiprinājuma joslas platumu, lai kompensētu viena šķiedras lāzera ierobežoto izejas jaudu.
