Mi az a szálas lézer?
Az optikai szál az optikai szál rövidítése, és általában a fényhullámok hengeres hullámvezetője. A teljes visszaverődés elvét használja, hogy a fényhullámokat a maghoz korlátozza és a szál tengelye irányába irányítsa. A rézhuzal kvarcüvegre cserélése megváltoztatta a világot.
Fényhullámok vezetésére szolgáló médiumként az optikai szálat széles körben használják 1966 óta, amikor Charles Kao bemutatta, köszönhetően nagy kommunikációs kapacitásának, nagy zavartűrő képességének, alacsony átviteli veszteségének, nagy relé távolságának, jó bizalmasságának, alkalmazkodóképességének és kis méretének köszönhetően. , könnyű súly és bőséges nyersanyagforrások. A "száloptika atyjaként" ismert Kao 2009-ben fizikai Nobel-díjat kapott munkájáért. A száloptika egyre tökéletesedő és gyakorlatiasabbá válásával forradalmasította a távközlési ipart, és nagyrészt felváltotta a rézhuzalt, mint a modern kommunikáció központi elemét.
Az optikai szálas kommunikációs rendszer olyan kommunikációs rendszer, amely fényt használ információhordozóként és optikai szálat hullámvezető közegként. Amikor az optikai szál információt továbbít, az elektromos jel optikai jellé alakul át, amely azután a szálon belül továbbítódik. Feltörekvő kommunikációs technológiaként a száloptikai kommunikáció a kezdetektől fogva páratlan fölényt mutatott, és nagy érdeklődést és széleskörű figyelmet keltett. Az optikai szálak széleskörű elterjedése a kommunikációban szintén hozzájárult a száloptikai erősítők és a szálas lézerek gyors fejlődéséhez. A száloptikás rendszereket a kommunikáció mellett az orvostudományban, az érzékelésben és más területeken is széles körben alkalmazzák.
Optikai szálak
A szálas lézer erősítő közege az aktív szál. Szerkezete szerint egymódusú szálra, kettős borítású szálra és három fotonikus kristályszálra osztható.
Az egymódusú optikai szál egymódusú szála magból, burkolatból és bevonatrétegből áll, ahol a maganyag n1 törésmutatója nagyobb, mint a burkolóanyag n2 törésmutatója, ha a beeső fény beesési szöge nagyobb, mint a kritikus szögű kép, a fénysugár a magban a teljes kibocsátást, így a szál a fénysugárhoz köthető a mag terjedésében. Az egymódusú szálak belső burkolata nem játszhat visszatartó szerepet a többmódusú szivattyúfénynél, és a mag numerikus apertúrája alacsony, így csak az egymódusú szivattyú fénycsatolása használható a magba a lézerkimenet eléréséhez. A korai szálas lézerek ezt az egymódusú szálat használták, ami alacsony csatolási hatékonyságot és a milliwatt tartományba eső lézereket eredményezett.
Dupla bevonatú szálak
Maurer (R. Maurer) először 1974-ben javasolta a kettős bevonatú szálak koncepcióját, hogy leküzdje a hagyományos egymódusú, egyszeres bevonatú itterbiummal adalékolt (Yb3 plusz) szálak korlátait a konverziós hatékonyság és a kimeneti teljesítmény tekintetében. Azóta csak 1988-ig, amikor E. Snitzer és mások javasolták a burkolatszivattyús technológiát [3], a nagy teljesítményű Yb-adalékolt szálas lézereket/erősítőket gyorsan fejlesztették ki.
A kettős bevonatú szál olyan speciális szerkezetű optikai szál, amely egy belső burkolóréteget ad a hagyományos szálhoz, amely egy bevonórétegből, egy belső burkolórétegből, egy külső burkolórétegből és egy adalékolt szálmagból áll. A burkolat-szivattyúzási technológia egy kettős bevonatú szálon alapszik, amelynek magja lehetővé teszi a többmódusú szivattyúfény továbbítását a belső burkolatban, és a lézerfény továbbítását a magban, lehetővé téve a szivattyúzás átalakítási hatékonyságát és a kimenő teljesítményt. a szálas lézert jelentősen javítani kell. A kettős bevonatú szál szerkezete, a belső burkolat formája és a szivattyús könnyű csatolási módszer a kulcsa ennek a technológiának.
A kettős bevonatú szál magját ritkaföldfém elemekkel adalékolt szilícium-dioxid (SiO2) alkotja, amely egyben a lézer közege és a lézerjel átviteli csatornája a szálas lézerben, a munkahullámhossznak megfelelően. A belső burkolat keresztirányú mérete (a hagyományos mag átmérőjének több tízszerese) és numerikus apertúrája sokkal nagyobb, mint a magé, a törésmutatója pedig kisebb, mint a magé, ami teljes mértékben korlátozza a lézerfény terjedését. a magon belül. Ez nagy keresztmetszetű, nagy numerikus apertúrájú optikai hullámvezetőt hoz létre a mag és a külső burkolat között, amely lehetővé teszi a nagy numerikus apertúra, nagy keresztmetszetű és többmódusú, nagy teljesítményű szivattyúzott fény csatlakoztatását a szálhoz, és az átvitelre korlátozva. a belső burkolat diffúzió nélkül, megkönnyítve a nagy teljesítménysűrűségű optikai szivattyúzás fenntartását. A külső burkolat a belső burkolatnál kisebb törésmutatójú polimer anyagból áll; a legkülső réteg szerves anyagból álló védőréteg. A kettős burkolatú szál és a szivattyúzott fény csatolási területét a belső burkolat mérete határozza meg, ellentétben a hagyományos egymódusú szálakkal, amelyeket egyedül a mag határozza meg. Ez egyrészt javítja az emberi szálas lézer teljesítménycsatolási hatékonyságát, lehetővé téve, hogy a szivattyú fénye többször áthaladjon a belső burkolaton, hogy adalékolt ionokat gerjesztsen a lézerkibocsátáshoz; másrészt a kimeneti sugár minőségét a szálmag jellege határozza meg, és a belső burkolat bevezetése nem rontja a szálas lézer kimenet sugárminőségét.
Kezdetben a kettős bevonatú szálak belső burkolata hengerszimmetrikus volt, és viszonylag egyszerűen előállítható és könnyen csatlakoztatható a pumpás lézerdióda (LD) copfához, de tökéletes szimmetriája nagyszámú spirális szivattyú fénysugarat eredményezett. a belső burkolat, amely még elegendő visszaverődés után sem érte el a mag régióját ahhoz, hogy a mag elnyelje, így még hosszabb szálak esetén is nagy mennyiségű fény szivárog, ami megnehezíti az átalakítási hatékonyság javítását. Emiatt meg kell törni a belső burkolat hengeres szimmetriáját.
Fotonikus kristályszálak
Normál kettős bevonatú szálak esetén a mag geometriája határozza meg a kimenő lézerteljesítményt. A numerikus apertúra határozza meg a kimeneti lézer sugárminőségét. Az optikai szálak nemlineáris effektusainak, optikai sérüléseinek és egyéb fizikai mechanizmusainak korlátai miatt a magátmérő növelésének egyetlen eszköze nem tudja kielégíteni az egymódusú működés igényét nagy kimeneti teljesítmény mellett a nagy üzemmódú, kettős burkolatú szálak esetében. A speciális szálak, például a fotonikus kristályszálak (PCF) megjelenése hatékony technikai megoldást jelent erre a kihívásra.
A fotonikus kristályok fogalmát először E. Yablonovitch vezette be 1987-ben, mint egy, egy, két vagy három dimenzióban eltérő dielektromos állandókkal rendelkező periodikus szerkezetet, amely lehetővé teszi a fény terjedését a fotonikus vezetési sávban, és megtiltja a fény terjedését a fotonikus sávrésben ( PBG). A PCF-ek kétdimenziós fotonikus kristályok, más néven mikrostrukturált szálak vagy porózus szálak, és 1996-ban JC Knight et al. elkészítette az első PCF-eket, amelyek fényvezető mechanizmusa hasonló a hagyományos szálakéhoz, teljes belső visszaverődéssel. 2005 után a nagy módusú terepi PCF-ek tervezése és elkészítése diverzifikálódni kezdett, különböző formájúak, köztük szivárgó csatornás PCF-ek, rúd alakú PCF-ek, nagy pitch PCF-ek és többmagos PCF-ek. A szál mód-mező területe is ennek megfelelően tovább nőtt.
Megjelenésében a PCF-ek nagyon hasonlítanak a hagyományos egymódusú szálakhoz, de mikroszkópikusan összetett lyuktömb szerkezeteket mutatnak. Ezek a szerkezeti jellemzők biztosítják a PCF-eknek egyedülálló és páratlan előnyöket a hagyományos szálakkal szemben, mint például a levágás nélküli egymódusú átvitel, a nagy módusú mezőterület, a hangolható diszperzió és az alacsony limitáló veszteség, amelyek leküzdhetik a hagyományos lézerek számos kihívását. . Például a PCF egymódusú működést érhet el nagy módú mezőterületen, miközben biztosítja a sugár minőségét, jelentősen csökkenti a lézer teljesítménysűrűségét a szálban, csökkenti a nem lineáris hatásokat a szálban és növeli a szál sérülési küszöbét; nagy numerikus apertúrát tud elérni, ami azt jelenti, hogy több szivattyú optikai csatolás és nagyobb lézerteljesítmény érhető el. Ez új kutatási csúcsponttá tette a szálas lézerek terén, és egyre fontosabb szerepet játszik a nagy teljesítményű szálas lézerek alkalmazásában.
A szálas lézer feltalálása
Az optikai szálakat lézererősítő közegként használó lézereket szálas lézereknek nevezik. Más típusú lézerekhez hasonlóan ez is három részből áll: az erősítő közegből, a pumpaforrásból és a rezonanciaüregből. a szálas lézerek erősítési közegként ritkaföldfém elemekkel adalékolt maggal rendelkező aktív szálat használnak. Szivattyúforrásként általában félvezető lézert használnak. A rezonáns üreg általában fényvisszaverő tükrökből, szálvégfelületekből, szálgyűrűs tükrökből vagy szálrácsokból áll.
A szálas lézer időtartományának jellemzői szerint folyamatos szálas lézerre és impulzusos szállézerre osztható; a rezonáns üregszerkezet szerint lineáris üreges szállézerre, elosztott visszacsatolású szállézerre és gyűrűüreges szállézerre osztható; az erősítési szál és a különböző szivattyúzási módszerek szerint egyrétegű szálas lézerre (szálmagos szivattyúzás) és kettős burkolatú szálas lézerre (burkolatszivattyúzás) osztható.
1961-ben Snitzer lézersugárzást fedezett fel neodímiummal (Nd) adalékolt üveg hullámvezetőkben. 1966-ban Kao részletesen tanulmányozta az optikai szálak fénycsillapításának fő okait, és rámutatott a fő műszaki problémákra, amelyeket meg kell oldani az optikai szálak kommunikációban való gyakorlati alkalmazásához. 1970-ben az amerikai Corning 20 dB/km-nél kisebb csillapítású optikai szálakat fejlesztett ki, amelyek megalapozták az optikai kommunikációs és optoelektronikai ipar fejlődését. Ez alapozta meg az optikai kommunikációs és optoelektronikai ipar fejlődését. Az 1970-es és 1980-as években a félvezető lézertechnológia érése és kereskedelmi forgalomba hozatala megbízható és változatos szivattyúforrást biztosított a szálas lézerek fejlesztéséhez. Ugyanakkor a kémiai gőzleválasztási módszer fejlesztése folyamatosan csökkenti az optikai szál átviteli veszteségét. A szálas lézerek is rohamosan fejlődnek a diverzifikáció irányába, a különféle ritkaföldfém-elemekkel adalékolt szálakkal, például erbiummal (Er3 plusz), itterbiummal (Yb3 plusz), neodímiummal (Nd3 plusz), szamáriummal (Sm 3 plusz), tulium (Tm3 plus), holmium (Ho3 plus), prazeodímium (Pr3 plus), diszprózium (Dy3 plus), bizmut (Bi3 plus) és így tovább. Az adalékolt ionoktól függően különböző hullámhosszú lézerkimenet érhető el. Különböző alkalmazások követelményeinek kielégítésére.
A nagy teljesítményű szálas lézerek jellemzői
A nagy teljesítményű szálas lézerek előnyei a következők.
(1) Jó sugárminőség. Az optikai szál hullámvezető szerkezete megkönnyíti az egyetlen transzverzális üzemmódú kimenet elérését, és a külső tényezők hatása nagyon kicsi a nagy fényerejű lézerkimenet eléréséhez.
(2) Nagy hatékonyság. A szálas lézer a félvezető lézer emissziós hullámhosszának és adalékolt ritkaföldfém elemek abszorpciós jellemzőinek kiválasztásával a szivattyúforráshoz nagyon magas fény-fény konverziós hatékonyságot érhet el. Az itterbiummal adalékolt nagy teljesítményű szálas lézerekhez általában 915 nm-es vagy 975 nm-es félvezető lézereket válasszunk, az Yb3 plus egyszerű energiaszint-struktúrája miatt kevésbé valószínű a felkonverzió, a gerjesztett állapot elnyelése és a koncentrációs kitörések előfordulása, a fluoreszcencia élettartama hosszabb és hatékonyan tárolható az energia nagy teljesítményű működéshez. A kereskedelmi forgalomban kapható szálas lézerek általános elektro-optikai hatékonysága eléri a 25 százalékot, ami költségcsökkentést, energiamegtakarítást és környezetvédelmet eredményez.
(3) Jó hőelvezetési jellemzők. A szálas lézereket lézeres erősítési közegként használják vékony, ritkaföldfém elemekkel adalékolt szálak felhasználásával, nagyon nagy felület/térfogat aránnyal. Körülbelül 1000-szerese a szilárd blokk lézernek, a hőleadási kapacitás szempontjából természetes előnye van. A kis- és közepes teljesítményű eseteknél nincs szükség a szál speciális hűtésére, a nagy teljesítményű eseteknél vízhűtést alkalmaznak, ami hatékonyan elkerüli a sugár minőségének és hatékonyságának romlását a szilárdtestlézereknél általában előforduló hőhatások miatt.
(4) Kompakt szerkezet, nagy megbízhatóság. Mivel a szálas lézer kis és rugalmas szálat használ lézererősítő közegként, segít a térfogat tömörítésében és költségmegtakarításban. A szivattyúforrást kis méretű, könnyen modulálható félvezető lézerekben is használják, a kereskedelmi termékek általában pigtail kimenettel kaphatók, Bragg szálas ráccsal és egyéb száloptikai eszközökkel kombinálva, mindaddig, amíg ezeket az eszközöket egymással összeolvasztják a teljes szál elérése érdekében, a környezeti zavarokkal szembeni ellenálló képesség, nagy stabilitással, karbantartási időt és költségeket takaríthat meg.
A nagy teljesítményű szálas lézereknek vannak olyan hátrányai is, amelyeket nehéz leküzdeni: az egyik a nemlineáris hatásokkal szembeni sebezhetőség. A szálas lézerek hosszú effektív hosszúsággal és alacsony küszöbértékkel rendelkeznek a különféle nemlineáris hatásokhoz a hullámvezetőik geometriájának köszönhetően. Egyes káros nemlineáris hatások, mint például a gerjesztett Raman-szórás (SRS), az önfázisú moduláció (SPM) stb. fázisingadozást és energiaátvitelt okozhatnak a spektrumban, vagy akár károsíthatják a lézerrendszert, korlátozva a nagy teljesítményű szálak fejlődését. lézerek. A második a fotonsötétítő hatás. A szivattyúzási idő növekedésével a fotonsötétítő hatás a ritkaföldfém elemekkel adalékolt szálas teljesítményátalakítási hatékonyságának magas adalékolási koncentrációjához vezethet, monoton visszafordíthatatlan csökkenéshez, ami korlátozza a nagy teljesítményű szálas lézerek hosszú távú stabilitását és élettartamát, ami különösen nyilvánvaló. itterbiummal adalékolt nagy teljesítményű szálas lézerekben.
A nagy fényerejű szálcsatolt félvezető lézerek és a kettős bevonatú szálas technológia fejlődésével a nagy teljesítményű szálas lézerek kimeneti teljesítménye, optikai-optikai konverziós hatékonysága és sugárminősége jelentősen javult. Az ipari feldolgozásban az irányított energiájú fegyverek, a nagy hatótávolságú telemetria, a LIDAR és más, hatalmas keresletet jelentő alkalmazások az Egyesült Államokban az Apache Photonics (IPG Photonics), a Nufern (Nufern), a Nlight (Nlight) és a Németországban főként Tong Express Group. kutatási egységek folyamatos hullám, impulzushullám nagy teljesítményű üvegszálas lézer kutatás és fejlesztés, elindított egy gazdag termékcsalád. Izgalmas eredményekről számolt be számos kínai egység is, köztük a Tsinghua Egyetem, a Nemzeti Védelmi Technológiai Egyetem, a Kínai Tudományos Akadémia Sanghaji Optikai és Precíziós Gépészeti Intézete, valamint a Kínai Repüléstudományi és Űrkutatási Tudományok Negyedik Kutatóintézete. Ipari Vállalat.
Fiber lézer teljesítménynövelő technológia
A szálas lézerben jelentkező nemlineáris hatások, a hőhatások és az anyagsérülési küszöbkorlátok miatt egyetlen szálas lézer kimeneti teljesítménye bizonyos mértékig korlátozott, és a teljesítmény növekedésével a sugár minősége fokozatosan csökken, ami használatot igényel. Az üzemmódvezérlési technológia és az új szál speciális szerkezetének kialakítása a sugárminőség javítása érdekében. Dawson (JW Dawson) és munkatársai elméletileg elemezték egyetlen szál kimeneti teljesítményhatárát, és kiszámították, hogy a szélessávú szálas lézerekben egyetlen szál maximum 36 kW teljesítményt érhet el a diffrakciós határ közelében, míg a keskeny vonalszélességű szálas lézereknél a maximális érték teljesítménye 2 kW. A szálas lézer és az erősítő kimeneti teljesítményének további növelése érdekében a többszálas lézerek koherens szintézis technológiával történő teljesítményszintézise hatékony módszer. Az elmúlt években nemzetközi kutatási hotspottá vált.
A koherens szintézist úgy érjük el, hogy az egyes lézersugarak fázisát, frekvenciáját és polarizációját egy bizonyos konzisztenciával szabályozzuk úgy, hogy az megfeleljen a koherencia feltételnek, és homogén fáziszárt kimenetet kapjon, amely sokkal nagyobb csúcsintenzitást érhet el, mint az egyszerű nem koherens. egymásra helyezését és a jó sugárminőség fenntartását. A koherens szintézis technológia fejlődésének története majdnem olyan hosszú, mint maguknak a lézereknek, és különböző típusú gázlézereket, kémiai lézereket, félvezetőlézereket, szilárdtestlézereket stb. foglal magában. A különféle eszközök kiforratlansága miatt azonban a kezdeti időkben a koherens szintézis technológiával elért kísérleti eredmények nem törték át a megfelelő single-link lézer akkori maximális kimeneti teljesítményét, így a hatás nem volt túl szembetűnő. Az 1990-es évektől a szálas lézerek megjelenése a koherens szintézis technikák gyors fejlődéséhez vezetett. A szálas lézerek egyedülálló előnyei és a több száz kilowatt taktikai felhasználásának szükségessége mellett számos eszköz (pl. szálkúpos csatolók, többmagos szálak, pigtail-es fázismodulátorok és akuszto-optikai frekvenciaváltók stb.) játszott szerepet. kulcsfontosságú szerepet tölt be az üvegszálas kommunikáció kereskedelmi elterjedésében. A szálas kúpos csatolók és a többmagos szálak a lézerenergia-injektáláson és a gyorshullámcsatoláson alapuló passzív fázisszabályozást teszik lehetővé, míg a pigtail-es fázismodulátorok és az akusztikai-optikai frekvenciaváltók lehetővé teszik az aktív fázisszabályozást megahertzes szabályozási sávszélességekkel, amelyek segítségével a fázisingadozások szabályozhatók nagy teljesítményű feltételeket és fáziszárolt kimeneteket ér el. A kutatók számos jellegzetes koherens szintézis sémát javasoltak.
A spektrális szintézis egy nem koherens szintézis technika, amely egy vagy több diffrakciós rácsot használ több résznyaláb ugyanabba a nyílásba való diffrakciójához, ami egyetlen apertúra kimenetet eredményez jó sugárminőséggel. A szálas lézerek spektrális szintézise teljes mértékben kihasználhatja az Yb-adalékolt szálas lézerek széles erősítési sávszélességét, hogy kompenzálja egyetlen szálas lézer korlátozott kimeneti teljesítményét.
