Fiber laser

En fiberlaser er en laser , hvis aktive medium og muligvis resonatoren er elementer i en optisk fiber . Med en fuldstændig fiberimplementering kaldes en sådan laser en helfiberlaser, med den kombinerede brug af fiber og andre elementer i laserdesignet kaldes den en fiberdiskret eller hybrid [1] . Fiberlasere bruges i industrien til skæring af metaller og mærkning af produkter, svejsning og mikrobearbejdning af metaller, fiberoptiske kommunikationslinjer [2] . Deres vigtigste fordele er den høje optiske kvalitet af stråling, små dimensioner og muligheden for indlejring i fiberlinjer [3] .

Der er en bred vifte af designs af fiberlasere på grund af deres anvendelses specifikationer. Både Fabry-Perot- resonatorer og ringresonatorer bruges i vid udstrækning til deres fremstilling . [4] [5] Særlige teknikker kan skabe enkeltpolarisationslasere, ultrakorte pulslasere og andre. [6] [7] Alle fiberlasere anvender specielle typer optiske fibre , hvori en eller flere bølgeledere er indlejret til optisk pumpning [8] .

Historie

Elias Snitzer og Will Hicks var de første til at demonstrere transmission af laserstråling over en optisk fiber i 1961 . [9] Den største ulempe ved deres design var den stærke dæmpning af stråling under passagen af fiberen. Men et par år senere skabte Snitzer den første laser, hvis arbejdsmedium var en optisk fiber dopet med neodym [10] . I 1966 skabte Charles Kao og George Hockham en optisk fiber med en dæmpning på omkring 20 dB /km, mens andre fibre, der eksisterede på det tidspunkt, var karakteriseret ved en dæmpning på mere end 1000 dB/km. Kao-fiberens informationskapacitet svarede til to hundrede tv-kanaler. Den indre diameter var ca. 4 mikron , og diameteren af hele bølgelederen var ca. 400 mikron. Fremskridt i fremstillingen af optiske fibre har bragt udbredt opmærksomhed til dem som et middel til at transmittere signaler over lange afstande. [elleve]

Den hurtige udvikling af fiberlasere begyndte i slutningen af 1980'erne . De vigtigste forskningsområder var relateret til eksperimenter i brugen af forskellige urenheder i optiske fibre for at opnå de specificerede parametre for den genererede stråling. Især var genereringen af ultrakorte impulser i det infrarøde område af spektret af særlig interesse. Siden 1993 har industrielle prøver af erbiumlasere været meget brugt i sensorer og kommunikation . [12] I 1990'erne oversteg erbiumlasers generationseffekt tærsklen på 1 W, og en fire-watts erbiumlaser blev demonstreret [13] . Efter 2000 tiltrak ytterbium-lasere opmærksomhed og viste et betydeligt potentiale for at øge kraften. [fjorten]

I løbet af 1993-1994 udviklede et lille team af ansatte i det russiske firma NTO " IRE-Polyus " de første prototyper af diodepumpede fiberlysforstærkere , der oversteg udenlandske analoger i kraft. Senere skabte grundlæggeren af dette firma , V. P. Gapontsev , det internationale selskab IPG Photonics , som i øjeblikket kontrollerer 80% af verdensmarkedet for højeffektfiberlasere. Dets vigtigste produktionssteder er beliggende i USA, Tyskland og Rusland [15] [16] .

Funktionsprincipper

Generel ordning

En fiberlaser består af et pumpemodul (normalt bredbånds - LED'er eller laserdioder ), en lysleder , i hvilken generering sker, og en resonator. Lyslederen indeholder et aktivt stof ( en doteret optisk fiber er en kerne uden beklædning, i modsætning til konventionelle optiske bølgeledere) og pumpebølgeledere [ 8] . Resonatorens design er normalt bestemt af referencebetingelserne , men de mest almindelige klasser kan skelnes: Fabry-Perot-resonatorer og ringresonatorer . [17] I industrielle installationer kombineres flere lasere nogle gange i én installation for at øge udgangseffekten [18] .

Aktiv fiber

Ultraren smeltet silica , som er hovedmaterialet i optiske fibre, har høj gennemsigtighed (optisk tab er et par procent pr. kilometers længde). Særlige urenheder introduceret i kvarts ved doping omdanner det til et aktivt medium. Baseret på kravene til strålingsfrekvensen ( infrarødt område for telekommunikation ) og lavtærskelpumpeeffekt udføres som regel doping med sjældne jordarters elementer af lanthanidgruppen . En af de mest almindelige typer fibre er erbium , der bruges i laser- og forstærkningssystemer, hvis driftsområde ligger i bølgelængdeområdet 1530-1565 nm. På grund af den forskellige sandsynlighed for overgange til jordniveau fra underniveauerne af det metastabile niveau, er effektiviteten af generering eller forstærkning forskellig for forskellige bølgelængder i driftsområdet. [19] Graden af doping med sjældne jordarters ioner afhænger normalt af længden af den aktive fiber, der fremstilles. Inden for rækkevidden på op til flere titusinder meter kan den variere fra titusinder til tusindvis af ppm , og i tilfælde af kilometerlængder, 1 ppm eller mindre. [tyve]

Pumping

Der findes forskellige designs til pumpning af optiske bølgeledere, hvoraf rene fiberdesigns er de mest anvendte. En mulighed er at placere den aktive fiber inde i flere beklædninger, hvoraf den yderste er beskyttende (såkaldt dobbeltcoated fiber ).

Den første skal er lavet af ren kvarts med en diameter på flere hundrede mikrometer , og den anden er lavet af et polymermateriale , hvis brydningsindeks er valgt til at være væsentligt lavere end kvarts. Således skaber den første og anden beklædning en multimode bølgeleder med et stort tværsnit og numerisk åbning , ind i hvilken pumpestråling sendes. Effektiv excitation af sjældne jordarters ioner opnås ved at vælge diametrene for den aktive kerne og pumpebølgeleder. Ved at bruge denne teknologi kan du få en udgangseffekt på omkring 100 W [8] .

Høje pumpekræfter opnås ved hjælp af GTWave-teknologi. Flere bølgelederkerner er indbygget i én beskyttende skal, hvoraf den ene er et aktivt medium, mens de andre er pumpebølgeledere. Pumping udføres takket være det flygtige felttrænger ind i det aktive medium gennem deres vægge. Et kendetegn ved teknologien er muligheden for at indføre pumpestråling gennem begge ender af hver af pumpens bølgeledere og fraværet af behovet for WDM-koblere [8] [21] .

Den tilladte pumpeeffekt er begrænset af den maksimale strålingseffekt pr. arealenhed, som stoffet kan modstå uden ødelæggelse. For rent silicium er det 10 10 W /cm2 ( 22 J / cm2 for en 1 ns puls ved en bølgelængde på 1 μm [22] ). Således er den øvre grænse for pumpeeffekten for en optisk fiber med en kernediameter på 8 μm omkring 5 kW. [23]

Fabry-Perot resonatorer

Resonatorer baseret på Fabry-Perot interferometer er blandt de mest almindelige. [4] Forskellene mellem dem ligger i måden resonatorspejlene er skabt på.

Resonatorer ved hjælp af dielektriske spejle

I de første fiberlasere blev dielektriske spejle brugt til at skabe en Fabry-Perot-resonator på grund af evnen til at skabe dem praktisk talt transparente ved en pumpebølgelængde på 0,82 μm, samtidig med at en høj reflektionskoefficient blev bibeholdt ved en genereringsbølgelængde på 1,088 μm (disse var parametrene for lasere, hvor fiber blev brugt, dopet med Nd 3+ ioner ). Først blev fiberen placeret mellem spejlene, men dette design var vanskeligt at justere . En delvis løsning på problemet bestod i at afsætte dielektriske spejle direkte på enderne af fiberen, hvilket dog øgede risikoen for beskadigelse af dem ved højeffekt fokuseret pumpestråling og skærpede kravene til behandling af enderne af den optiske fiber. Problemet med at beskytte spejle blev nogle gange løst ved at bruge WDM-haner . [17]

Resonator ved hjælp af fiber Bragg-riste

Resonatoren inde i den optiske fiber er skabt af par af intra-fiber Bragg-gitter - sektioner af den optiske bølgeleder, hvori en struktur med et moduleret brydningsindeks er skabt . Områder med ændret brydningsindeks (slag) er placeret vinkelret på bølgelederaksen . Refleksion fra en sådan struktur sker ved en bølgelængde

\lambda _{B}=2n_{\text{eff}}\Lambda _{B},

hvor er det effektive brydningsindeks for den fundamentale tilstand og er gitterperioden. Refleksionens art (hel eller delvis) vil afhænge af dens parametre. Bredden af refleksionsspektret med et stort antal slag bliver proportional med koblingskoefficienten relateret til refleksionskoefficienten ved relationen $n_{\text{eff))$ $\Lambda _{B}$ $\kappa$

R=\tanh ^{2}\kappa L,

hvor L er længden af gitteret. I praksis har Bragg-gitteret, der er skabt inde i fiberen, lidt forskellige parametre, da selve dets tilblivelse ændrer det effektive brydningsindeks på stedet for gitteret og dermed dets meget resonansbølgelængde. Høje temperaturer er farlige for intrafiberriste. Selvom gitterdestruktionstemperaturen generelt afhænger væsentligt af metoden til dets oprettelse og fibermaterialet, ligger de kritiske temperaturer oftest i området 300-600 °C [8] [24] . Frekvensselektiviteten af Bragg-gitre gør det muligt at opnå en laser, der fungerer i en enkelt langsgående tilstand med et smalt genereringsfrekvensbånd. [25] Fiber Raman-lasere skaber nogle gange mere end et par Bragg-gitre ved forskellige bølgelængder for at opnå en højere spredningsrækkefølge (hver på hinanden følgende spredningsrækkefølge ændrer bølgelængden af fotoner, hvilket gør det muligt at nå den ønskede bølgelængde) [8] .

Ringresonatorer

Det enkleste ringresonatordesign er at forbinde begge ender af en WDM-kobling til en aktiv fiber. Et træk ved fiberringresonatorer er transmissionen af lys i kun én retning, uanset frekvens, med undtagelse af nogle resonansfrekvenser. Faseskiftet i en sådan resonator er udtrykt ved formlen

\psi _{1}=\pi +\phi +2\operatørnavn {tg} ^{-1}{\frac ({\sqrt {\rho ))\sin \phi }{1-{\sqrt {\rho ))\cos \phi )),

hvor er faseindfaldet på grund af længden af resonatoren, er forholdet mellem effekterne ved udgangen og ved indgangen af fibersegmentet, der danner resonatoren. [26] Typisk bruges yderligere isolatorer og polarisatorer i ringresonatorer for at sikre sikkerheden ved strålingspolarisering og ensrettet udbredelse. Lignende design dukkede op så tidligt som i 1958 for neodymfiberlasere. Til mode-locked lasere bruges såkaldte figur -af-otte lasere , opkaldt efter formen på fiberforbindelsen. Begge sløjfer i figur-otte-resonatoren fungerer som Sagnac-løkker . Den aktive fiber er placeret asymmetrisk i forhold til resonatorsløjferne, hvilket skaber en ikke-lineær faseforskel mellem de mod-udbredende bølger og sikrer moduslåsning, når en bestemt tærskelpumpeeffekt overskrides. [5] $\phi$ ${\displaystyle \rho =P_{\mathrm {out} }/P_{\mathrm {inp} ))$

Ringresonatorer i fiberlasere
Konventionel ringresonator indbygget i en fiberlaser. I : pumpestråling. Ud : udgangsstråling. 1 : aktiv fiber. 2 : polarisator. 3 : optisk isolator. 4 WDM hane.
Fiberlaser med en otte-ring resonator . I : pumpestråling. Ud : udgangsstråling. 1 : aktiv fiber. 2 : polarisator. 3 : optisk isolator. 4 WDM hane. 50:50 divider 50/50.

Tekniske funktioner

Kontinuerlig og pulserende generering

CW lasere

Historisk set var CW-lasere , neodym - doteret og opererer ved en bølgelængde på omkring 0,8 μm, de første til at tiltrække interesse. På grund af deres brede absorptionsbånd er de godt indstillet inden for 50-60 nm. Normalt bruges de til generering ved bølgelængder større end 1,36 µm, til kortere bølgelængder anvendes neodym-doping af ZBLAN-fibre . [27]

Ytterbiumlasere ligner stort set neodymlasere med hensyn til generationsbølgelængder. Men på grund af fraværet af absorption fra exciterede niveauer (en effekt, hvor exciterede energiniveauer ikke kun øger stimuleret emission, men også absorberer pumpestråling, der passerer til et højere energiniveau [28] ), gør doping med ytterbium-ioner det muligt at opnå højere magt. Den øvre grænse for deres udstrålede effekt bestemmer strålingstætheden, som, over 1 GW/cm 2 , kan føre til stærke ikke-lineære effekter. Derfor søges der i praksis en balance mellem kernediameteren, en stigning i hvilken gør det muligt at øge pumpeeffekten, og værdien af den numeriske blænde, som i dette tilfælde falder. En 10-kilowatt effektlaserinstallation kan kræve en kernediameter på 100 μm og en indvendig beklædning (pumpebølgeleder) med en diameter på 1 mm, hvilket ikke er særlig bekvemt. En af de originale løsninger til lasere af denne kraft var fremstillingen af en fiber, hvor den dopede kerne blev snoet til en spiral. [29]

Fiberlasere, der anvender erbiumfiber (nogle gange dopet med Yb 2 O 3 til sensibilisering) tillader generering i både det synlige og infrarøde område . GaAs -halvleder- og Nd:YAG-lasere bruges til deres pumpning . De er mest effektive, når de pumpes ved bølgelængder på 0,95 µm eller 1,48 µm, hvor der ikke er nogen absorption fra exciterede niveauer. En fordel ved erbiumlasere er evnen til at tune bølgelængden over et bredt område, hvilket også bruges til at reducere den spektrale bredde af generationslinjen. Ved hjælp af koblede resonatorer blev der skabt en laser, der var i stand til at generere stråling ved to forskellige bølgelængder med en bredde på hver 16 kHz. [tredive]

Generering af nanosekundpulser

For at opnå kraftige nanosekundpulser med en gentagelseshastighed på enheder og titusinder af kilohertz, bruges Q - switch ofte . Fiberlasere, der bruger det, er i stand til at generere stråling med en energi i størrelsesordenen 1 mJ pr. impuls med en spidseffekt på mere end 100 kW. [31]

Q-switching kan i praksis opnås på forskellige måder. Intrakavitets akusto -optiske modulatorer blev brugt allerede i midten af 1980'erne, og i slutningen af 1990'erne erbiumfiberlasere med en aktiv fiberlængde på op til 79 cm og et modeområde

S_{\mathrm {mode} }={\frac {\left(\int |E|^{2}\mathrm {d} S\right)^{2)){\int |E|^{ 4}\mathrm {d} S}}\sim 300\,\mu m^{2},

arbejder ved hjælp af master oscillatorer ( engelsk master oscillator effektforstærker, MOPA ). [32]

Ikke- lineære processer under Raman- eller Mandelstam-Brillouin-spredning , som førte til selvmodulering af kvalitetsfaktoren for en konventionel (udopet) fiber, har været kendt i lang tid. I 1998 blev genereringen af pulser med en varighed på 2 ns opnået ved hjælp af en neodymfiberlaser, hvortil en ti meter single-mode fiber var fastgjort. Den bagudgående Stokes-bølge kom ind i laserhulrummet i form af korte impulser, hvilket førte til det nødvendige laserregime. To år senere blev der påvist en 4 meter ytterbiumlaser, der genererede impulser med en varighed på omkring 100 ns. Det skal bemærkes, at i praksis, uden yderligere enheder, fører den stokastiske natur af disse typer spredning til ustabilitet af genereringsamplituden. [33]

Generering af pico- og femtosekundpulser

En almindelig metode til at opnå pico- og femtosekund laserimpulser er mode locking . I en fiberlaser kan et stort antal langsgående tilstande udsendes samtidigt med en frekvensafstand mellem dem , hvor er den optiske vejlængde pr. hulrumspassage. Mode-locking siges at forekomme, når den samme faseforskel opstår mellem nogen tilstødende tilstande . Så vil strålingsintensiteten I være proportional med en funktion afhængigt af antallet af koblede tilstande M og frekvensforskellen mellem dem: $\Delta \nu=c/L_{\text{opt))$ $L_{\text{opt))$ $\phi$

I\sim {\frac {\sin ^{2}[(2M+1)\pi \Delta \nu t+\phi /2]}{\sin ^{2}(\pi \Delta \nu t+ \phi /2)}}.

Resultatet er, at laseren udsender en sekvens af impulser med en varighed og et mellemrum mellem dem. [34] $\tau _{p}={\frac {1}{(2M+1)\Delta \nu }}$ $\tau _{i}={\frac {1}{\Delta \nu }}$

Fiberlasere bruger flere typer tilstandslåsning. Aktiv synkronisering består i at modulere det optiske felt i amplitude eller fase. For fiberlasere er LiNbO 3 - elektrooptiske modulatorer acceptable i størrelse og tab , når de er tilsluttet fiberenheder . Varigheden af pulserne og intervallet mellem dem bestemmes af resonatorens design. For eksempel kan man i en ringresonator med en konventionel 2 km lang fiber forbundet til den med stærk unormal spredning opnå en pulsvarighed på omkring 4 ps. Fabry-Perot resonatoren gør det muligt at opnå varigheder ps. Der er enheder, der gør det muligt at opnå pulser med en varighed på op til 10 ps ved en gentagelseshastighed på op til 10 GHz. Et almindeligt problem med lasere af denne type er imidlertid ustabiliteten af pulsamplituden under en lang generationsperiode. Et helt fiberdesign, der anvender aktiv tilstandslåsning, bruger gensidig fasemodulation . [35] $\tau _{p}<2$

For at opnå femtosekund-impulser anvendes passiv tilstandslåsning. I dette tilfælde bruges et eller andet ikke-lineært element, under hvilket momentum bliver smallere. Såkaldte mættelige absorbere, ikke-lineære spejle af fiberloop-typen osv. kan fungere som ikke-lineære elementer.Ideen med at bruge en mættende absorber er, at når en puls forplanter sig gennem en sådan enhed, absorberes dens kanter meget stærkere end center (hvis amplitude er meget større). Dette svarer til at forkorte pulsvarigheden. Der er prøver af lasere, der bruger mættede absorbere til at generere impulser med en varighed på 320 fs. Ikke-lineære spejle eller ikke-lineær polarisationsrotation giver mulighed for et helt fiberdesign. [36]

Enkeltpolarisationslasere

Selv i single-mode fiber er der et forhold mellem tilstande med tætte udbredelseskonstanter og ortogonale polariseringer . For fiberoptiske kommunikationslinjer er dette en faktor, der begrænser båndbredden og længden, da det er at foretrække at opretholde polarisering, når pulsen udbreder sig langs fiberen. [37]

Polariseringen af fiberlaserstråling afhænger i det generelle tilfælde ikke-lineært af mange faktorer, især af pumpeeffekten. En hyppigt anvendt metode til at undertrykke en af de ortogonale polarisationer er brugen af en intrafiber polarisator . Dens rolle spilles af en metaltråd af en bestemt sektion (for eksempel i form af det latinske bogstav D), indlejret i fiberen og strakt langs dens kerne. For en polarisering vinkelret på den flade overflade af et D-formet filament vil det ohmske tab være stærkt nok til at reducere dets intensitet betydeligt. For at skabe en anden type fiberpolarisator baseret på samme fysiske princip, bearbejdes den optiske fiber på en sådan måde, at der dannes en poleret overflade i en afstand af størrelsesordenen en bølgelængde fra kernen, hvorpå et metallag er aflejret. Eksperimentelle undersøgelser af de beskrevne designs viste en forskel i polarisationsamplituder på op til 25 dB i det infrarøde område ved en udgangseffekt i størrelsesordenen adskillige milliwatt og en effektivitet på omkring 25%. [6]

En fundamentalt anderledes metode er at bruge optiske fibre med stærk dobbeltbrydning . Det er fibre, hvor asymmetrien af lysudbredelseskanalen er kunstigt skabt, for eksempel ved at skabe en elliptisk kerne eller sideudskæringer, der forårsager mekaniske spændinger i fiberen i en bestemt retning. I dem har tilstande med forskellige polarisationer forskellige udbredelseskonstanter. Generering af den nødvendige polarisering opnås ved hjælp af intra-fiber Bragg-gitre , hvor reflektionskoefficienten afhænger af polarisationen for Fabry-Perot-resonatoren . [37] [6]

Opkonvertering

Op-konvertering (op-konvertering) er lasere, hvor emissionsbølgelængden er kortere end pumpens bølgelængde (i de fleste konventionelle lasere, der pumpes med lys, er den modsatte situation realiseret). Op-konverteringspumpeskemaet består i absorptionen af flere fotoner af det aktive medium , som et resultat af hvilket overgangsenergien fra det endelige energiniveau overstiger energien af hver af de absorberede fotoner. I fiberlasere kræver dets anvendelse ofte brug af fluorfibre ( ZBLAN ). Op-konvertering bruges i thulium- , erbium- og praseodym / ytterbium - doterede lasere [38] . Det skal bemærkes, at hvert energiniveau af ionen, der anvendes til generering, udvides på grund af interaktion med matrixen. Opkonverteringen er af betydelig interesse, da den gør det muligt at skabe lasere, der opererer i det blå område af spektret, når der bruges pumpning i det røde eller infrarøde område. [39]

Et typisk skema for pumpning af en thulium aktiv fiber (aktive centre er Tm 3+ ioner ) med tre-foton absorption af fotoner på 1,06 μm består i overgangene , , . Mellemliggende overgange er afslapning. Resultatet er generering af kraftig stråling ved en bølgelængde på 475 nm ved overgangen . To-foton absorption af fotoner med en bølgelængde på 660 nm fører til overgange og efterfølgende emission af et lys kvante på 460 nm. [40] [39] $^{3}H_{6}\to {^{3}H_{5))$ $^{3}F_{4}\to {^{3}F_{2))$ $^{3}H_{4}\to {^{1}G_{4))$ ${^{3}H_{5}}\til {^{3}F_{4}}$ ${^{3}F_{2}}\to {^{3}H_{4}}$ $^{1}G_{4}\to {^{3}H_{6))$ $^{3}H_{6}\to {^{3}F_{2,3))$ $^{3}H_{4}\to {^{1}D_{2))$

Praseodymium er af betydelig interesse som en arbejdsion, da opkonverteringsskemaet for fibre doteret med det gør det muligt at opnå generering af røde, orange, grønne og blå farver. Ofte anvendes yderligere doping med ytterbium, på grund af det meget brede absorptionsbånd, der ligger i driftsområdet for højeffekt GaAs dioder. Yt 3+ ioner tjener som sensibilisatorer (partikler, der overfører energi mellem forskellige niveauer af ioner, der tjener til at generere). [41]

Raman lasere

Lasergenereringsfrekvensen kan konverteres ved hjælp af stimuleret Raman-spredning (SRS, Raman-effekt). I briller viser det sig meget svagere end i nogle ikke-lineære krystaller og væsker, men på grund af lave optiske tab i en optisk fiber er SRS ret effektiv til praktisk brug. Raman-effekten i fiberlasere blev første gang demonstreret af Roger Stolen i 1972, og siden er den aktive udvikling af Raman-fiberlasere fortsat. De er af betydelig interesse på grund af overførslen af genereringsfrekvensen til det infrarøde område af spektret, hvor sjældne jordarters faststoflasere er ineffektive [8] . Sammen med dispersive resonatorer er det muligt at opnå frekvenstuning i dem i området 1,1-1,6 μm, samtidig med at en høj udgangseffekt opretholdes. [42]

Kaviteterne i fiber-raman-lasere er skabt af par af Bragg-gitre , som er beregnet til fuldstændig transmission af pumpestråling og mærkbar refleksion ved bølgelængden af Stokes-komponenten af den spredte stråling (ca. 99,9 % for et fuldt reflekterende spejl og 5 % til udgangsspejlet). Nogle gange bruges flere par gitter til at opnå højere ordens Stokes-komponenter. [43] [8] De mest almindelige er Raman-lasere, der bruger germanosilikatfibre, på grund af det faktum, at effektiviteten af stimuleret Raman-spredning og lysfølsomhed i dem er væsentligt højere end i rene kvartsfibre, og den stiger med stigende germaniumkoncentration . En typisk CW-laser pumpes af en anden YAG : Nd3 + -laser ved en bølgelængde på 1,06 μm. Primær pumpning af neodymlaseren udføres af halvlederdioder. Længden af den aktive fiber kan være 800 m. Resonatorerne i den er skabt af tre eller flere par (kaskader) af Bragg-riste. En lignende fem-trins laser med en bølgelængde på 1,48 μm giver en udgangseffekt på 1,5 W og bruges til at pumpe fiberforstærkere i FOCL . [44]

Fiberlasere baseret på fotoniske krystaller

Den såkaldte mikrostrukturerede eller fotoniske krystaloptiske fiber (FKOV, engelsk fotonisk krystalfiber (PCF), holey fiber eller mikrostruktureret fiber ) adskiller sig væsentligt fra traditionelt anvendte optiske fibre. Hvis lyslederen i sidstnævnte er dannet af lag med forskellige brydningsindekser , så er den lystransmitterende struktur i FCO dannet af luftkanaler (for eksempel cylindriske), der omgiver den faste (eller hule) fiberkerne - de danner en to- dimensionel fotonisk krystal . Derfor dannes bølgeledertilstande i dem ikke af intern refleksion af strålen, når den udbreder sig langs fiberen, men på grund af udseendet af båndgab i transmissionsspektret af mikrostrukturen [45] .

I en typisk PCF er mikrostrukturen dannet af trekantet beklædning enkeltkernet PCF . Hovedtræk ved en sådan fiber er, at den kun understøtter den grundlæggende tilstand, uanset bølgelængden eller kernediameteren. Derfor gør mikrostrukturer det muligt at skabe en optisk fiber med en hvilken som helst given numerisk blænde (fra meget lille for en aktiv kerne til meget stor til at pumpe bølgeledere) med en relativt meget stor kernediameter [46] . Sidstnævnte er meget vigtigt for skabelsen af højeffekts single-mode lasere, da den konventionelle fiberfremstillingsteknologi kræver en forøgelse af kernediameteren for at øge effekten, og for den samme generationsbølge fører dette til multimode lysudbredelse [47] .

Til pumpning af sjældne jordarters ioner skabes en struktur, der ligner en dobbeltcoated optisk fiber, i FCO- snittet . Omkring den indre fotoniske krystal, der omgiver den aktive kerne, dannes der i en vis afstand endnu et lag af luftkanaler (typisk forlænget i fibersektionen i radial retning). Fordelen ved en sådan struktur, udover en stor numerisk åbning, er lave pumpestrålingstab på grund af fraværet af spiralformede og spiralformede tilstande , der ikke passerer gennem den aktive kerne [46] .

I 2003 blev en CW fiberlaser demonstreret med en 2,3 m FCO med en effektivitet på 78% ved en maksimal udgangseffekt på 80 W. I 2006 blev der skabt en laser med samme effektivitet, en maksimal udgangseffekt på 320 W ( 550 W/m aktiv fiber) og et tilstandsområde på 2000 µm 2 . Som i tilfældet med en konventionel fiber er PCF-lasere karakteriseret ved en lineær afhængighed af udgangsstrålingseffekten af pumpeeffekten [48] .

Ansøgning

Fordele og ulemper

Fordelene ved fiberlasere omfatter traditionelt et betydeligt forhold mellem resonatorarealet og dets volumen, hvilket giver højkvalitetskøling, termisk stabilitet af silicium og små størrelser af enheder i lignende klasser af strøm- og kvalitetskrav. Laserstrålen skal som regel føres ind i en optisk fiber til efterfølgende brug i teknologi. For lasere af et andet design kræver dette specielle optiske kollimationssystemer og gør enhederne følsomme over for vibrationer. I fiberlasere genereres stråling direkte i fiberen, og den har en høj optisk kvalitet. Ulemperne ved denne type lasere er risikoen for ikke-lineære effekter på grund af den høje strålingstæthed i fiberen og den relativt lave udgangsenergi pr. puls, på grund af det lille volumen af det aktive stof [3] [49] .

Fiberlasere er bedre end solid-state lasere i applikationer, hvor høj polarisationsstabilitet er påkrævet , og brugen af polarisationsvedligeholdende fiber er vanskelig af forskellige årsager. Solid-state lasere kan ikke erstattes af fiberlasere i spektralområdet 0,7-1,0 μm. De har også mere potentiale til at øge pulsudgangseffekten sammenlignet med fiber. Fiberlasere viser dog gode resultater ved bølgelængder, hvor der ikke er tilstrækkeligt gode aktive medier eller spejle til lasere af andre designs, og tillader nogle laserskemaer såsom opkonvertering at blive implementeret med mindre kompleksitet [50] .

Ansøgninger

På grund af det brede udvalg af parametre har fiberlasere fundet anvendelse i mange aktivitetsområder. De bruges især til gravering og skæring af metaller i industrien og til lasermærkning af varer, hvor der er behov for høj spidseffekt af korte impulser, der følger med en given frekvens. Så for plastik og metal bruges impulser på 5-10 kW med en varighed på 10 til 100 ns med en gentagelseshastighed på 20 til 200 kHz. Dette giver dig mulighed for kun at ændre overfladens optiske egenskaber uden at beskadige produktets indre struktur. Lasere op til 60 W bruges til at svejse rustfrit stål i tiendedele af en millimeter tykke elektroniske og medicinske instrumentkomponenter. De viste gode resultater ved fremstilling af stenter [2] .

Se også

Noter

↑ Lavet en hybrid pulseret laser med optagelsesparametre . Institut for Laserfysik og innovative teknologier, Novosibirsk State University. Hentet: 8. august 2011. (Russisk)
↑ 1 2 Woods, Dhaka, Flynn, 2008 .
↑ 1 2 Hvordan fiberlasere virker . University of Southampton. Hentet 10. april 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
↑ 12 Agrawal , 2001 , s. 203.
↑ 12 Agrawal , 2008 , s. 181-182.
↑ 1 2 3 Digonnet, 2001 , s. 160-161.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 522-534.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Dianov, 2004 .
↑ Hayes, 2000 , s. otte.
↑ Koester, Snitzer, 1964 .
↑ Hayes, 2000 , s. 9-10.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 501.
↑ Gan, 2006 , s. 228.
↑ Agrawal, 2008 , s. 179.
↑ Han forlod videnskaben for erhvervslivet i en alder af 51. Nu har han $800 millioner | Forbes.ru
↑ NTO IRE-Polyus // Ekspert. - 2011. - Nr. 10 (744) . (Russisk)
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , s. 508.
↑ Michael O'Connor, Bill Shiner. Uddrag : Kraftige fiberlasere til industri og forsvar - Del IV . EE Times (5. november 2011). Hentet 12. juni 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
↑ Sklyarov, 2010 , s. 187-190.
↑ Digonnet, 2001 , s. 3.
↑ Yla-Jarkko, Codemard, Singleton et al., 2003 .
↑ Skader på fibre . fibre . Encyclopedia of Laser Physics and Technology. Hentet 9. august 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
↑ Goure, Verrier, 2002 , s. 238.
↑ Vasiliev S. A., Medvedkov O. I., Korolev I. G., Bozhkov A. S., Kurkov A. S., Dianov E. M. Fiberbrydningsindeksgitre og deres anvendelser // Quantum Electronics . - 2005. - T. 35 , nr. 12 . - S. 1085-1103 .
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 509.
↑ Agrawal, 2004 , s. 53, 72-73.
↑ Agrawal, 2008 , s. 185-187.
↑ Absorption i exciteret tilstand . Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Dato for adgang: 26. juni 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
↑ Agrawal, 2008 , s. 187-189.
↑ Agrawal, 2008 , s. 190-192.
↑ Agrawal, 2008 , s. 197, 199.
↑ Agrawal, 2008 , s. 197.
↑ Agrawal, 2008 , s. 197-199.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 520-522.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 522-525.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 527-534.
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , s. 16-21.
↑ Opkonverteringslasere . _ Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Dato for adgang: 26. juni 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , s. 503.
↑ Digonnet, 2001 , s. 150, 153-154.
↑ Shalibeik, 2007 , s. 26, 29.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 543.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 546.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 545-548.
↑ Zheltikov, 2007 .
↑ 1 2 Kim P. Hansen og Jes Broeng. Højeffekt fotoniske krystalfiberlasere . Holey fiber overvinder begrænsningerne ved konventionel fiber til applikationer i lasere og forstærkere . Photonis Media (maj 2006). Hentet 13. august 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
↑ Jason Eichenholz. Fotoniske krystalfibre har mange anvendelser . Optoelektronik verden . Newport. Hentet 13. august 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
↑ Limpert, Schreiber, Nolte et al., 2003 .
↑ David N. Payne. Fiberlasere: Den næste generation (engelsk) (link ikke tilgængeligt) . CLEO 2011. - Materialer fra konferencen. Hentet 10. april 2011. Arkiveret fra originalen 28. september 2006.
↑ Fiberlasere versus bulklasere . Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Hentet 15. august 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.

Litteratur

Koester C. J. , Snitzer E. Amplification in a Fiber Laser // Appl . Opt. - Optica , 1964. - Vol. 3, Iss. 10. - S. 1182-1186. — ISSN 1559-128X ; 2155-3165 ; 0003-6935 ; 1539-4522 - doi:10.1364/AO.3.001182
Dianov E. M. , Prokhorov A. M. Lasere og fiberoptik // UFN / red. V. A. Rubakov - M . : FIAN , 1986. - T. 148, no. 2. - S. 289-311. — ISSN 1063-7869 ; 1468-4780 ; 0038-5670 ; 0042-1294 ; 1996-6652 - doi:10.3367/UFNR.0148.198602C.0289
Yla-Jarkko K. H. , Codemard C. A. , Singleton J. , Turner P. W. , Godfrey I. , Alam S. , Nilsson J. , Sahu J. K. , Grudinin A. Støjsvag intelligent beklædning-pumpet L-bånd EDFA // IEEE Photonics Technology Letters - IEEE , 2003. - Vol. 15, Iss. 7. - P. 909-911. — ISSN 1041-1135 ; 1941-0174 - doi:10.1109/LPT.2003.813433
Limpert J. , Schreiber T., Nolte S., Zellmer H., Tunnermann T., Iliew R., Lederer F., Broeng J., Vienne G., Petersson A. et al. Højeffekt luftbeklædt fotonisk krystalfiberlaser med stort tilstandsområde // Opt . Express - Optica , 2003. - Vol. 11, Iss. 7. - P. 818-823. — ISSN 1094-4087 — doi:10.1364/OE.11.000818 — PMID:19461794
Dianov E. M. Fiberlasere // UFN / udg. V. A. Rubakov - M . : FIAN , 2004. - T. 174, no. 10. - S. 1139-1142. — ISSN 1063-7869 ; 1468-4780 ; 0038-5670 ; 0042-1294 ; 1996-6652 - doi:10.3367/UFNR.0174.200410M.1139
Kurkov A. S. , Dianov E. M. CW fiberlasere med medium effekt // Quantum Electronics - 2004. - V. 34, no. 10. - S. 881-900. doi : 10.1070/QE2004V034N10ABEH002739
Zheltikov AM Mikrostrukturerede lysledere til en ny generation af fiberoptiske kilder og lysimpulsomformere // UFN / red. V. A. Rubakov - M. : FIAN , 2007. - T. 177, no. 7. - S. 737-762. — ISSN 1063-7869 ; 1468-4780 ; 0038-5670 ; 0042-1294 ; 1996-6652 - doi:10.3367/UFNR.0177.200707D.0737
Woods S. , Daka M. , Flynn G. Mellemeffektfiberlasere og deres anvendelser // Fotonik / red. N. L. Istomina - 2008. - bd. 4. - S. 6-10.
Grigoruk V. I., Korotkov P. A., Felinsky G. S. Ikke-lineære laserprocesser i optiske fibre. - K. : Vidavnicho-polygrafisk center "Kyiv University", 2008. - 576 s. - ISBN 978-966-439-120-4 .
Sklyarov OK Fiberoptiske netværk og kommunikationssystemer: Lærebog. - 2. udg., slettet. - Sankt Petersborg. : "Lan", 2010. - 272 s. - ISBN 978-5-8114-1028-6 .
Gapontsev VP Penetration af fiberlasere på det industrielle marked (engelsk) // Fiber Lasers V: Technology, Systems and Applications, Photonics West. - 2008. - S. præsentation 6873-01 .
Agrawal GP Anvendelser af ikke-lineær fiberoptik. - Academic Press, 2001. - 458 s. — ISBN 9780120451449 .
Agrawal GP Lightwave-teknologi: komponenter og enheder. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 s. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Anvendelser af ikke-lineær fiberoptik. — 2. udg. - Academic Press, 2008. - Vol. 10. - 508 s. - (Optik og Photonis-serien). — ISBN 9780123743022 .
Digonnet, MJF Rare-Earth-dopede fiberlasere og forstærkere. — 2. udg. - Marcel Dekker, Inc., 2001. - 792 s. — ISBN 0-8247-0458-4 .
Gan F. Fotoniske briller. - World Scientific, 2006. - 447 s. — ISBN 9789812568205 .
Goure J.-P., Verrier I. Optiske fiberenheder. - Institut for Fysik Publishing, 2002. - 269 s. — ISBN 9780750308113 .
Hayes J. Fiber Optics Technician's Manual. — 2. udgave. - Delmar Cengage Learning, 2000. - 242 s. — ISBN 978-0766818255 .
Iizuka, K. For Fiber og integreret optik // Elements of Photonics. - Wiley-VCH, 2002. - Vol. II. — 656 s. - (Wiley-serien i ren og anvendt optik). — ISBN 0-471-40815-8 .
Poli F., Cucinotta A., Selleri S. Fotoniske krystalfibre: egenskaber og anvendelser. - Springer, 2007. - Vol. 102. - 233 s. - (Springer-serien i materialevidenskab). — ISBN 9781402063251 .
Röser F. Power Scaling af Ultrashort Pulse Fiber Laser Systems. — Books on Demand, 2010. — 136 s. — ISBN 9783839153659 .
Shalibeik, H. Rare-Earth-dopede fiberlasere og forstærkere. - Cuvillier Verlag, 2007. - 181 s. — ISBN 9783867274678 .
Senior JM, Jamro MY Prentice Hall Internacional serie i optoelektronik. — 3. udg. - Pearson Education, 2009. - 1075 s. — ISBN 9780130326812 .

Links

Kurkov AS, Dianov EM CW fiberlasere af medium effekt // Quantum Electronics. - 2004. - T. 34 , nr. 10 . - S. 881-900 . - doi : 10.1070/QE2004v034n10ABEH002739 . (Russisk)
Videnskabeligt materiale om lasere, optik, spektroskopi og laserteknologi . Baltic State Technical University. Hentet: 16. maj 2011. (ubestemt)
Jens Limpert, Thomas Schreiber, Andreas Tünnermann. Fiberbaserede højeffektlasersystemer . Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Hentet 13. august 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
Fiberlasere . _ Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Hentet 13. august 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
KF Kleine et al. Brug af fiberlasere til mikroskæringsapplikationer i industrien for medicinsk udstyr . Universitetet i Liverpool. Hentet 20. juli 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.
High-Power Fiber Lasere : Seneste fremskridt . Institut for Optik ved University of Rochester. Hentet 13. august 2011. Arkiveret fra originalen 31. januar 2012.

Ordbøger og encyklopædier	stor kinesisk Stor russer
I bibliografiske kataloger	NKC : ph921261