Что такое волоконный лазер?
Оптическое волокно сокращено от оптического волокна и обычно представляет собой цилиндрический волновод для световых волн. Он использует принцип полного отражения, чтобы удерживать световые волны в сердцевине и направлять их в направлении оси волокна. Замена медной проволоки кварцевым стеклом изменила мир.
В качестве среды для передачи световых волн оптическое волокно широко используется с 1966 года, когда оно было представлено Чарльзом Као, благодаря его высокой коммуникационной способности, высокой помехоустойчивости, низким потерям при передаче, большой дальности передачи, хорошей конфиденциальности, адаптируемости, небольшому размеру. , легкий вес и обильные источники сырья. Известный как «отец волоконной оптики», Као был удостоен Нобелевской премии по физике в 2009 году за свою работу. С ростом совершенства и практичности волоконной оптики она произвела революцию в телекоммуникационной отрасли и в значительной степени заменила медный провод в качестве основного компонента современной связи.
Оптоволоконная система связи — это система связи, использующая свет в качестве носителя информации и оптоволокно в качестве волноводной среды. Когда оптическое волокно передает информацию, электрический сигнал преобразуется в оптический сигнал, который затем передается внутри волокна. Оптоволоконная связь как новая коммуникационная технология с самого начала продемонстрировала непревзойденное превосходство и привлекла большой интерес и широкое внимание. Широкое использование оптических волокон в средствах связи также способствовало быстрому развитию волоконно-оптических усилителей и волоконных лазеров одновременно. Помимо связи, волоконно-оптические системы также используются в широком спектре приложений в медицине, сенсорике и других областях.
Оптические волокна
Усиливающей средой волоконного лазера является активное волокно. По своей структуре можно разделить на одномодовое волокно, волокно с двойной оболочкой и фотонно-кристаллическое волокно.
Одномодовое оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и слоя покрытия, где показатель преломления материала сердцевины n1 выше, чем показатель преломления материала оболочки n2, когда угол падения падающего света больше, чем критический угол изображения, световой луч в ядре полного излучения, поэтому волокно может быть привязано к световому лучу в ядре распространения. Внутренняя оболочка одномодового волокна не может играть роль ограничения для многомодового света накачки, а числовая апертура сердцевины мала, поэтому для получения лазерного излучения можно использовать только одномодовый свет накачки, вводимый в сердцевину. Ранние волоконные лазеры использовали это одномодовое волокно, что приводило к низкой эффективности связи и лазерам с выходной мощностью в милливаттном диапазоне.
Волокна с двойной оболочкой
Чтобы преодолеть ограничения обычных одномодовых волокон с одинарной оболочкой, легированных иттербием (Yb3 plus), по эффективности преобразования и выходной мощности, Маурер (R. Maurer) впервые предложил концепцию волокон с двойной оболочкой в 1974 году. С тех пор, только в 1988 г., когда Э. Снитцер и другие предложили технологию накачки в оболочке [3], быстро разрабатывались мощные волоконные лазеры/усилители, легированные Yb.
Волокно с двойной оболочкой — это оптическое волокно со специальной структурой, которая добавляет к обычному волокну внутренний слой оболочки, состоящий из слоя покрытия, внутреннего слоя оболочки, внешнего слоя оболочки и легированной сердцевины волокна. Технология накачки оболочки основана на волокне с двойной оболочкой, сердцевина которого позволяет передавать многомодовый свет накачки во внутреннюю оболочку, а лазерный свет — в сердцевину, обеспечивая эффективность преобразования накачки и выходную мощность волоконный лазер должен быть значительно улучшен. Структура волокна с двойной оболочкой, форма внутренней оболочки и метод соединения света накачки являются ключом к этой технологии.
Сердцевина волокна с двойной оболочкой состоит из легированного редкоземельными элементами диоксида кремния (SiO2), который является как лазерной средой, так и каналом передачи лазерного сигнала в волоконном лазере, соответствующем рабочей длине волны. Поперечный размер (в десятки раз больше диаметра обычного сердечника) и числовая апертура внутренней оболочки намного больше, чем у сердечника, а показатель преломления меньше, чем у сердечника, что полностью ограничивает распространение лазерного излучения внутри ядра. Это создает оптический волновод с большим поперечным сечением и большой числовой апертурой между сердцевиной и внешней оболочкой, что позволяет свету с большой числовой апертурой, большому поперечному сечению и многомодовому высокомощному свету накачки быть введенным в волокно и ограничиваться передачей внутри него. внутренняя оболочка без диффузии, облегчающая поддержание оптической накачки с высокой плотностью мощности. Внешняя оболочка состоит из полимерного материала с меньшим показателем преломления, чем внутренняя оболочка; самый внешний слой представляет собой защитный слой, состоящий из органического материала. Площадь соединения волокна с двойной оболочкой с накачиваемым светом определяется размером внутренней оболочки, в отличие от обычных одномодовых волокон, которые определяются только сердцевиной. С одной стороны, это улучшает эффективность передачи мощности волоконного лазера для человека, позволяя свету накачки несколько раз проходить через внутреннюю оболочку, чтобы возбудить легированные ионы для лазерного излучения; с другой стороны, качество выходного луча определяется характером сердцевины волокна, и введение внутренней оболочки не ухудшает качество луча на выходе волоконного лазера.
Первоначально внутренняя оболочка волокон с двойной оболочкой была цилиндрически-симметричной, относительно простой в изготовлении и легко подсоединяемой к пигтейлу лазерного диода накачки (ЛД), но ее идеальная симметрия приводила к большому количеству спиральных лучей света накачки в внутренняя оболочка, которая никогда не достигала области сердцевины даже после достаточного количества отражений, чтобы быть поглощенной сердцевиной, так что даже при использовании даже с более длинными волокнами все еще остается большая утечка света, что затрудняет повышение эффективности преобразования. По этой причине цилиндрическая симметрия внутренней оболочки должна быть нарушена.
Фотонно-кристаллические волокна
В обычных волокнах с двойной оболочкой геометрия сердцевины определяет выходную мощность лазера. Числовая апертура определяет качество луча выходного лазера. Из-за ограничений, связанных с нелинейными эффектами, оптическими повреждениями и другими физическими механизмами в оптических волокнах, единственное средство увеличения диаметра сердцевины не может удовлетворить потребность в одномодовой работе при высокой выходной мощности в волокнах с двойной оболочкой с большим полем моды. Появление специальных волокон, таких как фотонно-кристаллические волокна (ФКВ), обеспечивает эффективное техническое решение этой проблемы.
Понятие о фотонных кристаллах впервые было введено Э. Яблоновичем в 1987 г.1 как периодическая структура с различной диэлектрической проницаемостью в одном, двух или трех измерениях, которая позволяет свету распространяться в фотонной зоне проводимости и запрещает распространение света в фотонной запрещенной зоне ( ПБГ). PCF представляют собой двумерные фотонные кристаллы, также известные как микроструктурированные волокна или пористые волокна, и в 1996 году JC Knight et al. выпустила первые ФКВ со светопроводящим механизмом, аналогичным механизму обычных волокон с полным внутренним отражением. После 2005 года проектирование и подготовка ФКФ с большим полем моды стали диверсифицироваться с появлением различных форм, включая ФКФ с вытекающим каналом, стержнеобразные ФКФ, ФКФ с большим шагом и многоядерные ФКФ. Соответственно продолжала увеличиваться и площадь модового поля волокна.
По внешнему виду PCF очень похожи на обычные одномодовые волокна, но микроскопически они имеют сложную структуру с отверстиями. Именно эти структурные особенности дают PCF уникальные и непревзойденные преимущества по сравнению с обычными волокнами, такие как одномодовая передача без отсечки, большая площадь поля моды, настраиваемая дисперсия и низкие предельные потери, которые могут решить многие проблемы обычных лазеров. . Например, PCF может обеспечить одномодовую работу в большой области поля моды, обеспечивая при этом качество луча, значительно снижая плотность мощности лазера в волокне, уменьшая нелинейные эффекты в волокне и повышая порог повреждения волокна; он может обеспечить большую числовую апертуру, что означает большую оптическую связь накачки и более высокую выходную мощность лазера. Это сделало его новым направлением исследований в области волоконных лазеров, играя все более важную роль в применении высокомощных волоконных лазеров.
Изобретение волоконного лазера
Лазеры, в которых в качестве усиливающей среды используются оптические волокна, известны как волоконные лазеры. Как и другие типы лазеров, он состоит из трех частей: усиливающей среды, источника накачки и резонатора. В волоконных лазерах в качестве усиливающей среды используется активное волокно с сердцевиной, легированной редкоземельными элементами. В качестве источника накачки обычно используется полупроводниковый лазер. Резонатор обычно состоит из отражающих зеркал, торцевых поверхностей волокон, зеркал волоконных колец или волоконных решеток.
В соответствии с характеристиками волоконного лазера во временной области его можно разделить на волоконный лазер непрерывного действия и импульсный волоконный лазер; в соответствии со структурой резонатора его можно разделить на волоконный лазер с линейным резонатором, волоконный лазер с распределенной обратной связью и волоконный лазер с кольцевым резонатором; в соответствии с усилением волокна и различными методами накачки его можно разделить на волоконный лазер с одинарной оболочкой (накачка сердцевины волокна) и волоконный лазер с двойной оболочкой (накачка оболочки).
В 1961 году Снитцер обнаружил лазерное излучение в стеклянных волноводах, легированных неодимом (Nd). В 1966 году Као подробно изучил основные причины затухания света в оптических волокнах и указал на основные технические проблемы, которые необходимо решить для практического применения оптических волокон в средствах связи. 1970 г. Компания Corning в США разработала оптические волокна с затуханием менее 20 дБ/км, что положило начало развитию отрасли оптической связи и оптоэлектроники. Это положило начало развитию промышленности оптической связи и оптоэлектроники. В 1970-х и 1980-х годах развитие и коммерциализация технологии полупроводниковых лазеров предоставили надежный и разнообразный источник накачки для разработки волоконных лазеров. В то же время развитие метода химического осаждения из паровой фазы постоянно снижает потери при передаче оптического волокна. Волоконные лазеры также быстро развиваются в направлении диверсификации, с волокнами, легированными различными редкоземельными элементами, такими как эрбий (Er3 plus), иттербий (Yb3 plus), неодим (Nd3 plus), самарий (Sm 3 plus), тулий (Tm3 plus), гольмий (Ho3 plus), празеодим (Pr3 plus), диспрозий (Dy3 plus), висмут (Bi3 plus) и так далее. В зависимости от легированных ионов могут быть достигнуты различные длины волн лазерного излучения. Для удовлетворения требований различных приложений.
Особенности высокомощных волоконных лазеров
Преимущества высокомощных волоконных лазеров заключаются в следующем.
(1) Хорошее качество луча. Волноводная структура оптического волокна позволяет легко получить один выход поперечной моды, а влияние внешних факторов очень мало для достижения высокой яркости лазерного выхода.
(2) Высокая эффективность. Волоконный лазер, выбирая длину волны излучения и характеристики поглощения легированных редкоземельных элементов полупроводникового лазера для источника накачки, можно добиться очень высокой эффективности преобразования света в свет. Для высокомощных волоконных лазеров, легированных иттербием, обычно выбирают полупроводниковые лазеры с длиной волны 915 нм или 975 нм, из-за простой структуры энергетических уровней Yb3 plus , преобразование с повышением частоты, поглощение в возбужденном состоянии и всплески концентрации менее вероятны, срок службы флуоресценции больше и может эффективно накапливать энергию. для работы с большой мощностью. Общая электрооптическая эффективность коммерческих волоконных лазеров достигает 25 процентов, что способствует снижению затрат, энергосбережению и защите окружающей среды.
(3) Хорошие характеристики рассеивания тепла. Волоконные лазеры используются в качестве лазерной усиливающей среды с использованием тонкого волокна, легированного редкоземельными элементами, с очень большим отношением площади поверхности к объему. Примерно в 1000 раз больше, чем твердотельный блочный лазер, с точки зрения способности рассеивания тепла имеет естественное преимущество. Для случаев малой и средней мощности не требуется специального охлаждения волокна, а для случаев высокой мощности используется водяное охлаждение, что также эффективно предотвращает ухудшение качества и эффективности луча из-за тепловых эффектов, обычно встречающихся в твердотельных лазерах.
(4) Компактная структура, высокая надежность. Поскольку волоконный лазер использует маленькое и гибкое волокно в качестве среды усиления лазера, это помогает уменьшить объем и снизить затраты. Источник накачки также используется в полупроводниковых лазерах небольшого размера, простых в модульной конструкции, коммерческие продукты, как правило, доступны с выходом косички, в сочетании с волоконной решеткой Брэгга и другими оптоволоконными устройствами, если эти устройства сплавлены друг с другом для получения полного волокна. невосприимчивость к возмущениям окружающей среды с высокой стабильностью может сэкономить время и затраты на техническое обслуживание.
Волоконные лазеры высокой мощности также имеют недостатки, которые трудно преодолеть: один из них — уязвимость к нелинейным эффектам. Волоконные лазеры имеют большую эффективную длину и низкий порог для различных нелинейных эффектов из-за геометрии их волноводов. Некоторые вредные нелинейные эффекты, такие как возбужденное комбинационное рассеяние (ВКР), фазовая самомодуляция (ФМ) и т. д., могут вызвать фазовые флуктуации и перенос энергии в спектре или даже повредить лазерную систему, что ограничивает разработку мощного волокна. лазеры. Во-вторых, эффект фотонного затемнения. С увеличением времени накачки эффект фотонного затемнения может привести к высокой концентрации легирования волокна, легированного редкоземельными элементами, к монотонно необратимому снижению эффективности преобразования мощности, что ограничивает долговременную стабильность и срок службы мощных волоконных лазеров, что особенно очевидно. в мощных волоконных лазерах, легированных иттербием.
С развитием полупроводниковых лазеров высокой яркости с волоконной связью и технологии волокон с двойной оболочкой значительно возросла выходная мощность, эффективность оптического преобразования и качество луча мощных волоконных лазеров. В промышленной обработке, направленном энергетическом оружии, телеметрии дальнего действия, LIDAR и других приложениях с огромным спросом, в США Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) и Германия Tong Express Group, в основном исследовательские подразделения по непрерывной волне, импульсным волнам, высокомощным волоконным лазерным исследованиям и разработкам, запустили богатые линейки продуктов. Впечатляющие результаты также были получены рядом подразделений в Китае, в том числе Университетом Цинхуа, Национальным университетом оборонных технологий, Шанхайским институтом оптики и точного машиностроения Китайской академии наук и Четвертым научно-исследовательским институтом Китайской аэрокосмической науки и техники. Промышленная корпорация.
Технология увеличения мощности волоконного лазера
Из-за нелинейных эффектов в волоконном лазере, тепловых эффектов и ограничений порога повреждения материала выходная мощность одиночного волоконного лазера в определенной степени ограничена, и по мере увеличения мощности качество луча постепенно снижается, что требует использования технологии управления модами и разработки специальной структуры нового волокна для улучшения качества луча. Доусон (JW Dawson) и др. теоретически проанализировали предел выходной мощности одиночного волокна и рассчитали, что в широкополосных волоконных лазерах одиночное волокно может обеспечить максимальную мощность 36 кВт вблизи дифракционного предела лазерного излучения, в то время как для волоконных лазеров с узкой шириной линии максимальная мощность 2 кВт. Для дальнейшего увеличения выходной мощности волоконного лазера и усилителя эффективным методом является синтез мощности нескольких волоконных лазеров с помощью технологии когерентного синтеза. В последние годы он стал международным центром научных исследований.
Когерентный синтез достигается за счет управления фазой, частотой и поляризацией каждого лазерного луча с определенной последовательностью, так что он удовлетворяет условию когерентности и получает однородный синхронизированный по фазе выходной сигнал, который может получить гораздо более высокую пиковую интенсивность, чем простой некогерентный. суперпозиция и поддерживать хорошее качество луча. История развития технологии когерентного синтеза почти такая же длинная, как и история самих лазеров, и включает в себя различные типы газовых лазеров, химических лазеров, полупроводниковых лазеров, твердотельных лазеров и т. д. Однако из-за незрелости различных устройств в первые дни экспериментальные результаты, достигнутые с помощью технологии когерентного синтеза, не превышали максимальной выходной мощности соответствующего на тот момент однозвенного лазера, поэтому эффект был не очень очевиден. Начиная с 1990-х годов появление волоконных лазеров привело к быстрому развитию методов когерентного синтеза. В дополнение к уникальным преимуществам волоконных лазеров и необходимости тактического использования сотен киловатт, некоторые устройства (т. е. волоконно-конусные ответвители, многожильные волокна, фазовые модуляторы с пигтейлами и акустооптические преобразователи частоты и т. д.) сыграли важную роль. решающую роль в коммерческом развертывании оптоволоконной связи. Волоконно-конусные ответвители и многожильные волокна облегчают пассивное управление фазой на основе связи с инжекцией лазерной энергии и связи с быстрыми волнами, в то время как фазовые модуляторы с пигтейлами и акустооптическими преобразователями частоты обеспечивают активное управление фазой с полосой пропускания в мегагерцах, которую можно использовать для управления фазовыми флуктуациями при условиях высокой мощности и достижения выходных сигналов с фазовой синхронизацией. Исследователи предложили ряд отличительных схем когерентного синтеза.
Спектральный синтез — это метод некогерентного синтеза, в котором используется одна или несколько дифракционных решеток для дифракции нескольких сублучей в одну и ту же апертуру, в результате чего на выходе с одной апертуры получается луч хорошего качества. Спектральный синтез волоконных лазеров может в полной мере использовать широкую полосу усиления волоконных лазеров, легированных Yb, для компенсации ограниченной выходной мощности одиночного волоконного лазера.
