Wat is een fiberlaser?
Glasvezel is een afkorting van optische vezel en is meestal een cilindrische golfgeleider voor lichtgolven. Het gebruikt het principe van totale reflectie om lichtgolven tot de kern te beperken en ze in de richting van de vezelas te leiden. Het vervangen van koperdraad door kwartsglas veranderde de wereld.
Als medium voor het geleiden van lichtgolven wordt optische vezel veel gebruikt sinds 1966, toen het werd geïntroduceerd door Charles Kao, dankzij de hoge communicatiecapaciteit, hoge interferentie-immuniteit, laag transmissieverlies, lange relaisafstand, goede vertrouwelijkheid, aanpassingsvermogen, kleine afmetingen , lichtgewicht en overvloedige bronnen van grondstoffen. Kao, bekend als de "vader van glasvezel", ontving in 2009 de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn werk. Met de toenemende perfectie en bruikbaarheid van glasvezel heeft het een revolutie teweeggebracht in de telecommunicatie-industrie en heeft het koperdraad grotendeels vervangen als de kerncomponent van moderne communicatie.
Glasvezelcommunicatiesysteem is een communicatiesysteem dat licht gebruikt als informatiedrager en glasvezel als golfgeleidermedium. Wanneer optische vezels informatie verzenden, wordt het elektrische signaal omgezet in een optisch signaal, dat vervolgens in de vezel wordt verzonden. Als opkomende communicatietechnologie heeft glasvezelcommunicatie vanaf het allereerste begin een ongeëvenaarde superioriteit getoond en heeft het grote belangstelling en brede aandacht getrokken. Het wijdverbreide gebruik van optische vezels in communicatie heeft tegelijkertijd ook bijgedragen aan de snelle ontwikkeling van glasvezelversterkers en glasvezellasers. Naast communicatie worden glasvezelsystemen ook gebruikt in een breed scala aan toepassingen in de geneeskunde, detectie en andere gebieden.
Optische vezels
Het versterkingsmedium van een fiberlaser is de actieve fiber. Volgens zijn structuur kan worden onderverdeeld in single-mode fiber, double-clad fiber en photonic crystal fiber drie.
Single-mode glasvezel single-mode glasvezel bestaat uit een kern, bekleding en coatinglaag, waarbij de brekingsindex van het kernmateriaal n1 hoger is dan de brekingsindex n2 van het bekledingsmateriaal, wanneer de invalshoek van het invallende licht groter is dan de kritische hoek foto, de lichtstraal in de kern van de volledige emissie, zodat de vezel kan worden gebonden aan de lichtstraal in de voortplanting van de kern. De binnenbekleding van single-mode vezels kan geen beperkende rol spelen voor multimode pomplicht, en de numerieke apertuur van de kern is laag, dus alleen single-mode pomplichtkoppeling in de kern kan worden gebruikt om laseroutput te verkrijgen. Vroege fiberlasers gebruikten deze single-mode fiber, wat resulteerde in een lage koppelingsefficiëntie en lasers met een uitgangsvermogen in het milliwattbereik.
Dubbel geklede vezels
Om de beperkingen van conventionele single-mode, single-clad ytterbium-gedoteerde (Yb3 plus) vezels op conversie-efficiëntie en uitgangsvermogen te overwinnen, stelde Maurer (R. Maurer) voor het eerst het concept van dubbel-clad vezels voor in 1974. Sindsdien duurde het tot 1988, toen E. Snitzer en anderen de bekledingspomptechnologie [3] voorstelden, dat er snel krachtige Yb-gedoteerde fiberlasers/versterkers werden ontwikkeld.
Een double-clad fiber is een optische vezel met een speciale structuur die een binnenste bekledingslaag toevoegt aan de conventionele vezel, bestaande uit een coatinglaag, een binnenste bekledingslaag, een buitenste bekledingslaag en een gedoteerde vezelkern. De bekledingspomptechnologie is gebaseerd op een dubbel beklede vezel, waarvan de kern is om multimode pomplicht door te laten in de binnenbekleding en laserlicht om door te laten in de kern, waardoor de pompconversie-efficiëntie en het uitgangsvermogen van de fiberlaser moet sterk worden verbeterd. De structuur van de dubbel beklede vezel, de vorm van de binnenbekleding en de pomplichtkoppelingsmethode zijn de sleutels tot deze technologie.
De kern van de dubbel beklede vezel is samengesteld uit siliciumdioxide (SiO2) gedoteerd met zeldzame aardmetalen, dat zowel het lasermedium als het transmissiekanaal is van het lasersignaal in de vezellaser, overeenkomend met de werkgolflengte. De transversale afmeting (tientallen keren de diameter van een conventionele kern) en de numerieke apertuur van de binnenbekleding zijn veel groter dan die van de kern, en de brekingsindex is kleiner dan die van de kern, wat de voortplanting van laserlicht volledig beperkt binnen de kern. Dit creëert een optische golfgeleider met een grote dwarsdoorsnede en grote numerieke apertuur tussen de kern en de buitenste bekleding, waardoor een grote numerieke apertuur, grote dwarsdoorsnede en multi-mode krachtig gepompt licht in de vezel kan worden gekoppeld en beperkt tot transmissie binnenin de binnenbekleding zonder diffusie, wat het onderhoud van optisch pompen met hoge vermogensdichtheid vergemakkelijkt. De buitenste bekleding is samengesteld uit een polymeer materiaal met een kleinere brekingsindex dan de binnenste bekleding; de buitenste laag is een beschermlaag van organisch materiaal. Het koppelingsgebied van de dubbel beklede vezel met het gepompte licht wordt bepaald door de grootte van de binnenbekleding, in tegenstelling tot conventionele single-mode vezels, die alleen door de kern worden bepaald. Aan de ene kant verbetert dit de efficiëntie van de vermogenskoppeling van de menselijke vezellaser, waardoor het pomplicht meerdere keren door de binnenbekleding kan gaan om gedoteerde ionen op te wekken voor laseremissie; aan de andere kant wordt de uitgangsstraalkwaliteit bepaald door de aard van de vezelkern en de introductie van de binnenbekleding vernietigt de straalkwaliteit van de vezellaseruitgang niet.
Aanvankelijk was de binnenbekleding van dubbel beklede vezels cilindrisch symmetrisch en relatief eenvoudig te fabriceren en gemakkelijk te koppelen aan de pigtail van de pomplaserdiode (LD), maar de perfecte symmetrie resulteerde in een groot aantal spiraalvormige stralen van pomplicht in de binnenbekleding die zelfs na voldoende reflecties nooit het kerngebied heeft bereikt om door de kern te worden geabsorbeerd, zodat zelfs met langere vezels er nog steeds een grote hoeveelheid lichtlekkage is, waardoor het moeilijk wordt om de conversie-efficiëntie te verbeteren. Om deze reden moet de cilindrische symmetrie van de binnenbekleding worden verbroken.
Fotonische kristalvezels
Bij normale dubbel beklede vezels bepaalt de geometrie van de kern het uitvoervermogen van de laser. De numerieke apertuur bepaalt de straalkwaliteit van de uitgangslaser. Vanwege de beperkingen van niet-lineaire effecten, optische schade en andere fysieke mechanismen in optische vezels, kan een enkele manier om de kerndiameter te vergroten niet voldoen aan de vraag naar enkelvoudige werking bij een hoog uitgangsvermogen in dubbele bekledingsvezels met grote modus. De opkomst van speciale vezels, zoals fotonische kristalvezels (PCF), biedt een effectieve technische oplossing voor deze uitdaging.
Het concept van fotonische kristallen werd voor het eerst geïntroduceerd door E. Yablonovitch in 19871 als een periodieke structuur met verschillende diëlektrische constanten in één, twee of drie dimensies die ervoor zorgt dat licht zich voortplant in de fotonische geleidingsband en verhindert dat licht zich voortplant in de fotonische bandafstand ( PGB). PCF's zijn tweedimensionale fotonische kristallen, ook bekend als microgestructureerde vezels of poreuze vezels, en in 1996 JC Knight et al. produceerde de eerste PCF's met een lichtgeleidingsmechanisme vergelijkbaar met dat van conventionele vezels met totale interne reflectie. Na 2005 begon het ontwerp en de voorbereiding van veld-PCF's met grote modus te diversifiëren, met de opkomst van verschillende vormen, waaronder lekkanaal-PCF's, staafvormige PCF's, PCF's met grote spoed en multi-core PCF's. Het mode-veldgebied van de vezel is ook dienovereenkomstig blijven toenemen.
Qua uiterlijk lijken PCF's erg op conventionele single-mode vezels, maar microscopisch vertonen ze complexe gatenreeksstructuren. Het zijn deze structurele kenmerken die PCF's unieke en ongeëvenaarde voordelen geven ten opzichte van conventionele vezels, zoals afsnijvrije single-mode transmissie, groot modusveldgebied, instelbare dispersie en laag beperkend verlies, die veel van de uitdagingen van conventionele lasers kunnen overwinnen. . PCF kan bijvoorbeeld single-mode werking bereiken in een groot modusveldgebied, terwijl de straalkwaliteit wordt gegarandeerd, de laservermogensdichtheid in de vezel aanzienlijk wordt verminderd, niet-lineaire effecten in de vezel worden verminderd en de schadedrempel van de vezel wordt verhoogd; het kan een grote numerieke apertuur bereiken, wat betekent dat er meer optische pompkoppeling en een hogere laseroutput kan worden bereikt. Dit heeft het tot een nieuw hoogtepunt in het onderzoek op het gebied van fiberlasers gemaakt en speelt een steeds belangrijkere rol bij de toepassing van krachtige fiberlasers.
De uitvinding van de fiberlaser
Lasers die optische vezels gebruiken als laserversterkingsmedium, worden fiberlasers genoemd. Net als andere soorten lasers bestaat het uit drie delen: het versterkingsmedium, de pompbron en de resonantieholte. fiberlasers gebruiken een actieve vezel met een kern gedoteerd met zeldzame aardmetalen als versterkingsmedium. Als pompbron wordt meestal een halfgeleiderlaser gebruikt. De resonantieholte is in het algemeen samengesteld uit reflecterende spiegels, vezeleindoppervlakken, vezelringspiegels of vezelroosters.
Volgens de tijddomeinkarakteristieken van de fiberlaser kan deze worden onderverdeeld in continue fiberlaser en gepulseerde fiberlaser; volgens de structuur van de resonantieholte kan deze worden onderverdeeld in fiberlaser met lineaire holte, fiberlaser met gedistribueerde feedback en fiberlaser met ringholte; volgens de versterkingsvezel en de verschillende pompmethoden, kan deze worden onderverdeeld in een enkele bekledingsvezellaser (fiber core pumping) en een dubbele bekledingsvezellaser (bekledingspomping).
In 1961 ontdekte Snitzer laserstraling in met neodymium (Nd) gedoteerde glazen golfgeleiders. 1966, Kao bestudeerde in detail de belangrijkste oorzaken van lichtverzwakking in optische vezels en wees op de belangrijkste technische problemen die moeten worden opgelost voor de praktische toepassing van optische vezels in communicatie. In 1970 ontwikkelde Corning in de VS optische vezels met een demping van minder dan 20 dB/km, wat de basis legde voor de ontwikkeling van de optische communicatie- en opto-elektronica-industrie. Dit legde de basis voor de ontwikkeling van de optische communicatie- en opto-elektronica-industrie. In de jaren zeventig en tachtig zorgde de rijping en commercialisering van halfgeleiderlasertechnologie voor een betrouwbare en diverse pompbron voor de ontwikkeling van fiberlasers. Tegelijkertijd zorgt de ontwikkeling van de chemische dampafzettingsmethode ervoor dat het transmissieverlies van glasvezel continu wordt verminderd. Vezellasers ontwikkelen zich ook snel in de richting van diversificatie, met vezels gedoteerd met een verscheidenheid aan zeldzame aardmetalen, zoals erbium (Er3 plus), ytterbium (Yb3 plus), neodymium (Nd3 plus), samarium (Sm 3 plus), thulium (Tm3 plus), holmium (Ho3 plus), praseodymium (Pr3 plus), dysprosium (Dy3 plus), bismut (Bi3 plus) enzovoort. Afhankelijk van de gedoteerde ionen, kunnen verschillende golflengten van laseroutput worden bereikt. Om te voldoen aan de vereisten van verschillende toepassingen.
Kenmerken van krachtige fiberlasers
De voordelen van krachtige fiberlasers zijn als volgt.
(1) Goede straalkwaliteit. De golfgeleiderstructuur van de optische vezel maakt het gemakkelijk om een uitvoer in een enkele transversale modus te verkrijgen en de invloed van externe factoren is erg klein om een laseruitvoer met hoge helderheid te bereiken.
(2) Hoog rendement. Vezellaser door de emissiegolflengte en gedoteerde zeldzame-aarde-elementenabsorptiekarakteristieken van de halfgeleiderlaser voor de pompbron te kiezen, kunt u een zeer hoge licht- en lichtconversie-efficiëntie bereiken. Kies voor met ytterbium gedoteerde high-power fiberlasers over het algemeen 915nm of 975nm halfgeleiderlasers, vanwege de eenvoudige energieniveaustructuur van Yb3 plus, upconversion, absorptie in geëxciteerde toestand en concentratie-uitbarstingen zijn minder waarschijnlijk, de levensduur van de fluorescentie is langer en kan effectief energie opslaan voor werking met hoog vermogen. De algehele elektro-optische efficiëntie van commerciële fiberlasers is zo hoog als 25 procent, wat bevorderlijk is voor kostenbesparing, energiebesparing en milieubescherming.
(3) Goede warmteafvoereigenschappen. Vezellasers worden gebruikt als laserversterkingsmedium met behulp van een dunne, met zeldzame aardmetalen gedoteerde vezel met een zeer grote verhouding tussen oppervlak en volume. Ongeveer 1000 keer de massieve bloklaser, in termen van warmteafvoercapaciteit, heeft een natuurlijk voordeel. Er is geen speciale koeling van de vezel vereist voor gevallen met laag en gemiddeld vermogen, en waterkoeling wordt gebruikt voor gevallen met hoog vermogen, wat ook effectief de verslechtering van de straalkwaliteit en efficiëntie voorkomt als gevolg van thermische effecten die vaak worden aangetroffen in vastestoflasers.
(4) Compacte structuur, hoge betrouwbaarheid. Omdat de fiberlaser een kleine en flexibele vezel gebruikt als laserversterkingsmedium, helpt het om het volume te comprimeren en kosten te besparen. Pompbron wordt ook gebruikt in kleine, eenvoudig te modulaire halfgeleiderlasers, commerciële producten zijn over het algemeen verkrijgbaar met pigtail-output, gecombineerd met Bragg-vezelroosters en andere glasvezelapparaten, zolang deze apparaten aan elkaar zijn gefuseerd om volledige vezels te bereiken, immuniteit voor omgevingsstoringen, met hoge stabiliteit, kan onderhoudstijd en -kosten besparen.
Krachtige fiberlasers hebben ook nadelen die moeilijk te overwinnen zijn: een daarvan is de kwetsbaarheid voor niet-lineaire effecten. Vezellasers hebben een lange effectieve lengte en een lage drempel voor verschillende niet-lineaire effecten vanwege de geometrie van hun golfgeleiders. Sommige schadelijke niet-lineaire effecten, zoals opgewonden Raman-verstrooiing (SRS), zelffasemodulatie (SPM), enz. kunnen fasefluctuaties en energieoverdracht op het spectrum veroorzaken, of zelfs schade aan het lasersysteem veroorzaken, waardoor de ontwikkeling van krachtige vezels wordt beperkt lasers. De tweede is het fotonenverduisteringseffect. Met de toename van de pomptijd kan het fotonenverduisteringseffect leiden tot een hoge doteringsconcentratie van met zeldzame aardmetalen gedoteerde vezelvermogensomzettingsefficiëntie monotoon onomkeerbare achteruitgang, waardoor de stabiliteit op lange termijn en de levensduur van krachtige vezellasers worden beperkt, wat bijzonder duidelijk is in met ytterbium gedoteerde high-power fiberlasers.
Met de vooruitgang van vezel-gekoppelde halfgeleiderlasers met hoge helderheid en dubbel beklede vezeltechnologie, hebben het uitgangsvermogen, de optisch-naar-optische conversie-efficiëntie en de straalkwaliteit van krachtige vezellasers zich aanzienlijk ontwikkeld. In de industriële verwerking, gerichte energiewapens, telemetrie over lange afstand, LIDAR en andere toepassingen van enorme vraagtractie, naar de Verenigde Staten Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) en Duitsland Tong Express Group, voornamelijk onderzoekseenheden op het gebied van onderzoek en ontwikkeling van continue golf, high-power fiberlaser met pulsgolven, lanceerden een rijke productlijn. Opwindende resultaten zijn ook gerapporteerd door een aantal eenheden in China, waaronder Tsinghua University, de National University of Defence Technology, het Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery van de Chinese Academy of Sciences en het Fourth Research Institute van de China Aerospace Science and Industrie Corporatie.
Fiber laser power verbeteringstechnologie
Vanwege de niet-lineaire effecten in de fiberlaser, thermische effecten en drempelbeperkingen voor materiële schade, is het uitgangsvermogen van een enkele fiberlaser tot op zekere hoogte beperkt, en naarmate het vermogen toeneemt, neemt de straalkwaliteit geleidelijk af, waardoor het gebruik vereist is van modusbesturingstechnologie en het ontwerp van een speciale structuur van de nieuwe vezel om de bundelkwaliteit te verbeteren. Dawson (JW Dawson) et al. analyseerden theoretisch de limiet van het uitgangsvermogen van een enkele vezel en berekenden dat in breedbandige vezellasers een enkele vezel een maximaal vermogen van 36 kW nabij de diffractielimiet laseroutput kan verkrijgen, terwijl voor vezellasers met een smalle lijnbreedte de maximale vermogen is 2kW. Om het uitgangsvermogen van de fiberlaser en versterker verder te verbeteren, is vermogenssynthese van meerdere fiberlasers door middel van coherente synthesetechnologie een effectieve methode. Het is de afgelopen jaren uitgegroeid tot een internationale onderzoekshotspot.
Coherente synthese wordt bereikt door de fase, frequentie en polarisatie van elke laserstraal met een bepaalde consistentie te regelen, zodat deze voldoet aan de coherentievoorwaarde en een homogene fasevergrendelde uitvoer verkrijgt, die een veel hogere piekintensiteit kan verkrijgen dan eenvoudige niet-coherente superpositie en behoud een goede straalkwaliteit. De geschiedenis van de ontwikkeling van coherente synthesetechnologie is bijna net zo lang als de geschiedenis van lasers zelf, en omvat verschillende soorten gaslasers, chemische lasers, halfgeleiderlasers, vastestoflasers, enz. Vanwege de onrijpheid van verschillende apparaten in de begintijd doorbraken de experimentele resultaten van coherente synthesetechnologie niet het maximale uitgangsvermogen van de overeenkomstige single-link laser op dat moment, dus het effect was niet erg duidelijk. Vanaf de jaren negentig leidde de komst van fiberlasers tot een snelle ontwikkeling van coherente synthesetechnieken. Naast de unieke voordelen van fiberlasers en de behoefte aan tactisch gebruik van honderden kilowatts, hebben verschillende apparaten (dwz vezelconuskoppelingen, multicore-vezels, fasemodulatoren met pigtails en akoestisch-optische frequentieverschuivers, enz.) een belangrijke rol gespeeld cruciale rol bij de commerciële uitrol van glasvezelcommunicatie. Vezelconuskoppelingen en multicore-vezels maken passieve faseregeling mogelijk op basis van laserenergie-injectiekoppeling en snelle golfkoppeling, terwijl fasemodulatoren met pigtails en akoestisch-optische frequentieverschuivers actieve faseregeling mogelijk maken met megahertz-regelbandbreedtes, die kunnen worden gebruikt om fasefluctuaties te beheersen bij omstandigheden met hoog vermogen en bereiken fasevergrendelde uitgangen. Onderzoekers hebben een aantal onderscheidende coherente syntheseschema's voorgesteld.
Spectrale synthese is een niet-coherente synthesetechniek die een of meer diffractieroosters gebruikt om meerdere subbundels in dezelfde opening te buigen, wat resulteert in een enkele opening met een goede bundelkwaliteit. Spectrale synthese van fiberlasers kan volledig gebruik maken van de brede versterkingsbandbreedte van Yb-gedoteerde fiberlasers om het beperkte uitgangsvermogen van een enkele fiberlaser te compenseren.
