Fiberlaser

En fiberlaser är en laser vars aktiva medium och eventuellt resonatorn är delar av en optisk fiber . Med en helt fiberimplementering kallas en sådan laser en helfiberlaser, med den kombinerade användningen av fiber och andra element i laserdesignen kallas den för en fiberdiskret eller hybrid [1] . Fiberlasrar används inom industrin för skärning av metaller och märkning av produkter, svetsning och mikrobearbetning av metaller, fiberoptiska kommunikationslinjer [2] . Deras främsta fördelar är den höga optiska kvaliteten på strålningen, små dimensioner och möjligheten att bädda in i fiberlinjer [3] .

Det finns ett brett utbud av konstruktioner av fiberlasrar, på grund av de specifika applikationerna. Både Fabry-Perot- resonatorer och ringresonatorer används i stor utsträckning för deras tillverkning . [4] [5] Specialtekniker kan skapa enkelpolarisationslasrar, ultrakorta pulslasrar och andra. [6] [7] Alla fiberlasrar använder speciella typer av optiska fibrer i vilka en eller flera vågledare är inbäddade för optisk pumpning [8] .

Historik

Elias Snitzer och Will Hicks var de första som demonstrerade överföring av laserstrålning över en optisk fiber 1961 . [9] Den största nackdelen med deras design var den kraftiga dämpningen av strålning under passagen av fibern. Men några år senare skapade Snitzer den första lasern, vars arbetsmedium var en optisk fiber dopad med neodym [10] . 1966 skapade Charles Kao och George Hockham en optisk fiber med en dämpning på cirka 20 dB /km, medan andra fibrer som fanns på den tiden kännetecknades av en dämpning på mer än 1000 dB/km. Kao-fiberns informationskapacitet motsvarade tvåhundra TV-kanaler. Den inre diametern var cirka 4 mikron och diametern på hela vågledaren var cirka 400 mikron. Framsteg inom tillverkningen av optiska fibrer har väckt stor uppmärksamhet till dem som ett sätt att överföra signaler över långa avstånd. [elva]

Den snabba utvecklingen av fiberlasrar började i slutet av 1980 -talet . De huvudsakliga forskningsområdena var relaterade till experiment med användning av olika föroreningar i optiska fibrer för att uppnå de specificerade parametrarna för den genererade strålningen. Speciellt var genereringen av ultrakorta pulser i det infraröda området av spektrumet av särskilt intresse. Sedan 1993 har industriella prover av erbiumlasrar använts i stor utsträckning i sensorer och kommunikationer . [12] På 1990-talet överskred genereringseffekten av erbiumlasrar tröskeln på 1 W, och en fyra-watts erbiumlaser demonstrerades [13] . Efter 2000 väckte ytterbiumlasrar uppmärksamhet och visade betydande potential för att öka effekten. [fjorton]

Under 1993-1994 utvecklade ett litet team av anställda i det ryska företaget NTO " IRE-Polyus " de första prototyperna av diodpumpade fiberljusförstärkare , som överträffade utländska analoger i kraft. Senare skapade grundaren av detta företag , V. P. Gapontsev , det internationella företaget IPG Photonics , som för närvarande kontrollerar 80% av världsmarknaden för högeffektfiberlasrar. Dess huvudsakliga produktionsanläggningar finns i USA, Tyskland och Ryssland [15] [16] .

Funktionsprinciper

Allmänt schema

En fiberlaser består av en pumpmodul (vanligtvis bredbandslysdioder eller laserdioder ) , en ljusledare , i vilken generering sker, och en resonator. Ljusledaren innehåller en aktiv substans ( en dopad optisk fiber är en kärna utan beklädnad, till skillnad från konventionella optiska vågledare) och pumpvågledare [ 8] . Resonatorns design bestäms vanligtvis av referensvillkoren , men de vanligaste klasserna kan särskiljas: Fabry-Perot-resonatorer och ringresonatorer . [17] I industriella installationer kombineras ibland flera lasrar i en installation för att öka uteffekten [18] .

Aktiv fiber

Ultraren smält kiseldioxid , som är huvudmaterialet i optiska fibrer, har hög transparens (optisk förlust är några procent per kilometers längd). Särskilda föroreningar som införs i kvarts genom dopning omvandlar det till ett aktivt medium. Baserat på kraven på strålningsfrekvensen ( infrarött område för telekommunikation ) och lågtröskelpumpkraft utförs som regel dopning med sällsynta jordartsmetaller i lantanidgruppen . En av de vanligaste typerna av fibrer är erbium , som används i laser- och förstärkningssystem, vars arbetsområde ligger i våglängdsområdet 1530-1565 nm. På grund av den olika sannolikheten för övergångar till marknivån från undernivåerna av den metastabila nivån, skiljer sig effektiviteten för generering eller förstärkning för olika våglängder i driftsområdet. [19] Graden av dopning med sällsynta jordartsmetalljoner beror vanligtvis på längden på den aktiva fibern som tillverkas. Inom intervallet upp till flera tiotals meter kan det sträcka sig från tiotals till tusentals ppm , och i fallet med kilometerlängder, 1 ppm eller mindre. [tjugo]

Pumping

Det finns olika konstruktioner för att pumpa optiska vågledare, varav rena fiberkonstruktioner är de vanligaste. Ett alternativ är att placera den aktiva fibern inuti flera beklädnader, varav den yttre är skyddande (så kallad dubbelbelagd fiber ).

Det första skalet är gjort av ren kvarts med en diameter på flera hundra mikrometer , och det andra är tillverkat av ett polymermaterial , vars brytningsindex är valt att vara betydligt lägre än kvarts. Således skapar den första och andra beklädnaden en multimodvågledare med ett stort tvärsnitt och numerisk öppning , in i vilken pumpstrålning skickas. Effektiv excitation av joner av sällsynta jordartsmetaller uppnås genom att välja diametrarna för den aktiva kärnan och pumpvågledaren. Med denna teknik kan du få en uteffekt på cirka 100 W [8] .

Höga pumpeffekter uppnås med GTWave-teknik. Flera vågledarkärnor är inbyggda i ett skyddande skal, varav en är ett aktivt medium, medan de andra är pumpvågledare. Pumpningen utförs tack vare det flyktiga fältettränger in i det aktiva mediet genom deras väggar. En egenskap hos tekniken är möjligheten att införa pumpstrålning genom båda ändarna av var och en av pumpens vågledare och frånvaron av behov av WDM-kopplare [8] [21] .

Den tillåtna pumpeffekten begränsas av den maximala strålningseffekten per ytenhet som ämnet tål utan att förstöras. För rent kisel är det 10 10 W /cm2 ( 22 J / cm2 för en 1 ns puls vid en våglängd på 1 μm [22] ). Således är den övre gränsen för pumpeffekten för en optisk fiber med en kärndiameter på 8 μm cirka 5 kW. [23]

Fabry-Perot resonatorer

Resonatorer baserade på Fabry-Perot-interferometern är bland de vanligaste. [4] Skillnaderna mellan dem ligger i hur resonatorspeglarna skapas.

Resonatorer som använder dielektriska speglar

I de första fiberlasrarna användes dielektriska speglar för att skapa en Fabry-Perot-resonator på grund av förmågan att skapa dem praktiskt taget transparenta vid en pumpvåglängd på 0,82 μm, samtidigt som en hög reflektionskoefficient bibehölls vid en genereringsvåglängd på 1,088 μm (dessa var parametrarna för lasrar där fiber användes, dopad med Nd3 + -joner ). Till en början placerades fibern mellan speglarna, men denna design var svår att anpassa . En dellösning på problemet bestod i att deponera dielektriska speglar direkt på ändarna av fibern, vilket dock ökade risken för skador på dem av högeffektfokuserad pumpstrålning och skärpte kraven för bearbetning av ändarna av den optiska fibern. Problemet med att skydda speglar löstes ibland med WDM-kranar . [17]

Resonator som använder fiber Bragg-gitter

Resonatorn inuti den optiska fibern skapas av par av intrafiber Bragg-gitter - sektioner av den optiska vågledaren där en struktur med ett modulerat brytningsindex skapas . Områden med ändrat brytningsindex (slag) är placerade vinkelrätt mot vågledaraxeln . Reflektion från en sådan struktur sker vid en våglängd

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

var är det effektiva brytningsindexet för grundmoden och är gitterperioden. Reflexionens natur (hel eller partiell) kommer att bero på dess parametrar. Bredden på reflektionsspektrumet med ett stort antal slag blir proportionell mot kopplingskoefficienten relaterad till reflektionskoefficienten genom relationen $n_{\text{eff))$ $\Lambda _{B}$ $\kappa$

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

där L är längden på gittret. I praktiken har Bragg-gittret som skapas inuti fibern något olika parametrar, eftersom själva skapandet ändrar det effektiva brytningsindexet vid platsen för gittret och därmed dess mycket resonansvåglängd. Höga temperaturer är farliga för intrafibergaller. Även om gitterförstöringstemperaturen i allmänhet beror på metoden för dess skapelse och fibermaterialet, ligger de kritiska temperaturerna oftast i intervallet 300–600 °C [8] [24] . Frekvensselektiviteten hos Bragg-gitter gör det möjligt att erhålla en laser som arbetar i en enda longitudinell mod med ett smalt genereringsfrekvensband. [25] Raman-fiberlasrar skapar ibland mer än ett par Bragg-gitter vid olika våglängder för att uppnå en högre spridningsordning (varje på varandra följande spridningsordning ändrar våglängden för fotoner, vilket gör det möjligt att nå den önskade våglängden) [8] .

Ringresonatorer

Den enklaste ringresonatordesignen är att ansluta båda ändarna av en WDM-kopplare till en aktiv fiber. En egenskap hos fiberringresonatorer är överföringen av ljus i endast en riktning, oavsett frekvens, med undantag för vissa resonansfrekvenser. Fasförskjutningen i en sådan resonator uttrycks med formeln

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

där är fasingreppet på grund av resonatorns längd, är förhållandet mellan effekterna vid utgången och vid ingången av fibersegmentet som bildar resonatorn. [26] Vanligtvis används ytterligare isolatorer och polarisatorer i ringresonatorer för att säkerställa säkerheten för strålningspolarisering och enkelriktad utbredning. Liknande design dök upp så tidigt som 1958 för neodymfiberlasrar. För lägeslåsta lasrar används så kallade figur -av-åtta lasrar , uppkallade efter formen på fiberanslutningen. Båda slingorna i figur-åtta-resonatorn fungerar som Sagnac-slingor . Den aktiva fibern är placerad asymmetriskt i förhållande till resonatorslingorna, vilket skapar en olinjär fasskillnad mellan de motriktade vågorna och säkerställer modlåsning när en viss tröskelpumpeffekt överskrids. [5] $\phi$ ${\displaystyle \rho =P_{\mathrm {out} }/P_{\mathrm {inp} ))$

Ringresonatorer i fiberlasrar
Konventionell ringresonator inbyggd i en fiberlaser. I : pumpstrålning. Ut : utstrålning. 1 : aktiv fiber. 2 : polarisator. 3 : optisk isolator. 4 WDM kran.
Fiberlaser med en åtta-ringresonator . I : pumpstrålning. Ut : utstrålning. 1 : aktiv fiber. 2 : polarisator. 3 : optisk isolator. 4 WDM kran. 50:50 avdelare 50/50.

Tekniska funktioner

Kontinuerlig och pulsad generering

CW-lasrar

Historiskt sett var CW-lasrar , neodymdopade och som arbetar vid en våglängd på cirka 0,8 μm, de första som väckte intresse. Tack vare sitt breda absorptionsband är de väl inställda inom 50–60 nm. Vanligtvis används de för generering vid våglängder större än 1,36 µm, för kortare våglängder används neodymdopning av ZBLAN-fibrer . [27]

Ytterbiumlasrar liknar i stort sett neodymlasrar när det gäller genereringsvåglängder. Men på grund av frånvaron av absorption från exciterade nivåer (en effekt där exciterade energinivåer inte bara förstärker stimulerad emission, utan även absorberar pumpstrålning, övergår till en högre energinivå [28] ), gör dopning med ytterbiumjoner det möjligt att få högre kraft. Den övre gränsen för deras utstrålade effekt bestämmer strålningsdensiteten, som överstiger 1 GW/cm 2 kan leda till starka olinjära effekter. Därför eftersträvas i praktiken en balans mellan kärndiametern, en ökning i vilken gör det möjligt att öka pumpeffekten, och värdet på den numeriska öppningen, som minskar i detta fall. En laserinstallation på 10 kilowatt kan kräva en kärndiameter på 100 μm och en inre beklädnad (pumpvågledare) med en diameter på 1 mm, vilket inte är särskilt bekvämt. En av de ursprungliga lösningarna för lasrar av denna kraft var tillverkningen av en fiber där den dopade kärnan vreds till en spiral. [29]

Fiberlasrar som använder erbiumfiber (ibland dopade med Yb 2 O 3 för sensibilisering) tillåter generering i både det synliga och infraröda området . GaAs -halvledar- och Nd:YAG-lasrar används för deras pumpning . De är mest effektiva när de pumpas vid våglängder på 0,95 µm eller 1,48 µm, där det inte finns någon absorption från exciterade nivåer. En fördel med erbiumlasrar är möjligheten att ställa in våglängden över ett brett område, vilket också används för att reducera genereringslinjens spektrala bredd. Med hjälp av kopplade resonatorer skapades en laser som kunde generera strålning vid två olika våglängder med en bredd på 16 kHz vardera. [trettio]

Generering av nanosekundpulser

För att få kraftfulla nanosekundpulser med en upprepningshastighet på enheter och tiotals kilohertz används ofta Q - switching . Fiberlasrar som använder den kan generera strålning med en energi i storleksordningen 1 mJ per puls med en toppeffekt på mer än 100 kW. [31]

Q-switching kan i praktiken åstadkommas på olika sätt. Intracavity akusto-optiska modulatorer användes redan i mitten av 1980-talet, och i slutet av 1990-talet, erbiumfiberlasrar med en aktiv fiberlängd på upp till 79 cm och ett lägesområde

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

arbetar med hjälp av masteroscillatorer ( engelsk master oscillator effektförstärkare, MOPA ). [32]

Icke-linjära processer under Raman- eller Mandelstam-Brillouin-spridning , som ledde till självmodulering av kvalitetsfaktorn hos en konventionell (odopad) fiber, har varit kända under lång tid. År 1998 erhölls genereringen av pulser med en varaktighet av 2 ns med en neodymfiberlaser, till vilken en tio meter lång enkelmodsfiber var fäst. Den bakåtriktade Stokes-vågen kom in i laserkaviteten i form av korta pulser, vilket ledde till den erforderliga lasrregimen. Två år senare visades en 4-meters ytterbiumlaser som genererade pulser med en varaktighet på cirka 100 ns. Det bör noteras att i praktiken, utan ytterligare anordningar, leder den stokastiska naturen hos dessa typer av spridning till instabilitet hos genereringsamplituden. [33]

Generering av piko- och femtosekundpulser

En vanlig metod för att erhålla piko- och femtosekundlaserpulser är modlåsning . I en fiberlaser kan ett stort antal longitudinella moder sändas ut samtidigt med ett frekvensavstånd mellan dem , där är den optiska väglängden per kavitetspassage. Lägeslåsning sägs inträffa när samma fasskillnad inträffar mellan alla angränsande lägen . Då kommer strålningsintensiteten I att vara proportionell mot en funktion beroende på antalet kopplade lägen M och frekvensskillnaden mellan 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 är att lasern avger en sekvens av pulser med en varaktighet och ett gap mellan dem. [34] $\tau _{p}={\frac {1}{(2M+1)\Delta \nu }}$ $\tau _{i}={\frac {1}{\Delta \nu }}$

Fiberlasrar använder flera typer av lägeslåsning. Aktiv synkronisering består i att modulera det optiska fältet i amplitud eller fas. För fiberlasrar är LiNbO 3 - elektrooptiska modulatorer acceptabla i storlek och förluster när de är anslutna till fiberenheter . Pulsernas varaktighet och intervallet mellan dem bestäms av resonatorns utformning. Till exempel, i en ringresonator med en konventionell 2 km lång fiber kopplad till den med stark onormal dispersion, kan man få en pulslängd på cirka 4 ps. Fabry-Perot-resonatorn gör det möjligt att uppnå varaktigheter ps. Det finns enheter som gör det möjligt att få pulser med en varaktighet på upp till 10 ps med en repetitionshastighet på upp till 10 GHz. Ett vanligt problem med lasrar av denna typ är emellertid instabiliteten hos pulsamplituden under en lång generationsperiod. En helfiberdesign som använder aktiv lägeslåsning använder ömsesidig fasmodulering . [35] $\tau _{p}<2$

För att erhålla femtosekundpulser används passiv lägeslåsning. I detta fall används något icke-linjärt element, under vars gång rörelsemängden blir smalare. Så kallade mättbara absorbatorer, olinjära speglar av fiberlooptyp etc. kan fungera som olinjära element. Tanken med att använda en mättbar absorbator är att när en puls fortplantar sig genom en sådan anordning absorberas dess kanter mycket starkare än centrum (vars amplitud är mycket större). Detta motsvarar att förkorta pulslängden. Det finns prover av lasrar som använder mättningsbara absorbatorer för att generera pulser med en varaktighet på 320 fs. Icke-linjära speglar eller icke-linjär polarisationsrotation möjliggör en helfiberdesign. [36]

Enkelpolarisationslasrar

Även i singelmodsfiber finns det ett samband mellan moder med nära utbredningskonstanter och ortogonala polarisationer . För fiberoptiska kommunikationslinjer är detta en faktor som begränsar bandbredden och längden, eftersom det är att föredra att upprätthålla polarisering när pulsen utbreder sig längs fibern. [37]

Polariseringen av fiberlaserstrålning beror i det allmänna fallet olinjärt på många faktorer, i synnerhet på pumpeffekten. En ofta använd metod för att undertrycka en av de ortogonala polarisationerna är användningen av en intrafiberpolarisator . Dess roll spelas av en metalltråd av en viss sektion (till exempel i form av den latinska bokstaven D), inbäddad i fibern och sträckt längs dess kärna. För en polarisation vinkelrät mot den plana ytan av en D-formad glödtråd kommer den ohmska förlusten att vara tillräckligt stark för att avsevärt minska dess intensitet. För att skapa en annan typ av fiberpolarisator baserad på samma fysikaliska princip, bearbetas den optiska fibern på ett sådant sätt att en polerad yta bildas på ett avstånd av storleksordningen en våglängd från kärnan, på vilken ett metallskikt avsätts. Experimentella studier av de beskrivna designerna visade en skillnad i polarisationsamplituder på upp till 25 dB i det infraröda området vid en uteffekt i storleksordningen flera milliwatt och en verkningsgrad på cirka 25 %. [6]

En fundamentalt annorlunda metod är att använda optiska fibrer med stark dubbelbrytning . Det är fibrer där asymmetrin i ljusutbredningskanalen skapas på konstgjord väg, till exempel genom att skapa en elliptisk kärna eller sidourtag som orsakar mekaniska spänningar i fibern i en viss riktning. I dem har moder med olika polarisationer olika utbredningskonstanter. Generering av den erforderliga polarisationen uppnås med användning av intrafiber Bragg-gitter , där reflektionskoefficienten beror på polarisationen för Fabry-Perot-resonatorn . [37] [6]

Uppkonvertering

Uppkonvertering (uppkonvertering) är lasrar där emissionsvåglängden är kortare än pumpens våglängd (i de flesta konventionella lasrar som pumpas med ljus realiseras den motsatta situationen). Uppomvandlingspumpningsschemat består i absorptionen av flera fotoner av det aktiva mediet , som ett resultat av vilket övergångsenergin från den slutliga energinivån överstiger energin för var och en av de absorberade fotonerna. I fiberlasrar kräver dess tillämpning ofta användning av fluorfibrer ( ZBLAN ). Uppkonvertering används i thulium- , erbium- och praseodym / ytterbium - dopade lasrar [38] . Det bör noteras att varje energinivå av jonen som används för generering breddas på grund av interaktion med matrisen. Uppkonverteringen är av stort intresse, eftersom den gör det möjligt att skapa lasrar som arbetar i det blå området av spektrumet när pumpning i det röda eller infraröda området används. [39]

Ett typiskt schema för att pumpa en thuliumaktiv fiber (aktiva centra är Tm 3+ joner ) med trefotonabsorption av fotoner på 1,06 μm består av övergångarna , , . Mellanliggande övergångar är avkopplingsformer. Resultatet är generering av kraftfull strålning vid en våglängd på 475 nm vid övergången . Tvåfotonabsorption av fotoner med en våglängd på 660 nm leder till övergångar och efterföljande emission av ett ljuskvantum på 460 nm. [40] [39] $^{3}H_{6}\till {^{3}H_{5))$ $^{3}F_{4}\to {^{3}F_{2}}$ $^{3}H_{4}\till {^{1}G_{4))$ ${^{3}H_{5}}\to {^{3}F_{4}}$ ${^{3}F_{2}}\to {^{3}H_{4}}$ $^{1}G_{4}\to {^{3}H_{6))$ $^{3}H_{6}\till {^{3}F_{2,3))$ $^{3}H_{4}\to {^{1}D_{2}}$

Praseodym är av stort intresse som en arbetsjon, eftersom uppkonverteringsschemat för fibrer dopade med det gör det möjligt att erhålla generering av röda, orange, gröna och blå färger. Ofta används ytterligare dopning med ytterbium, på grund av det mycket breda absorptionsbandet som ligger inom driftområdet för högeffekts GaAs - dioder. Yt 3+ joner fungerar som sensibilisatorer (partiklar som överför energi mellan olika nivåer av joner som tjänar till att generera). [41]

Raman lasrar

Lasergenereringsfrekvensen kan konverteras med hjälp av stimulerad Raman-spridning (SRS, Raman-effekt). I glasögon visar det sig mycket svagare än i vissa icke-linjära kristaller och vätskor, men på grund av låga optiska förluster i en optisk fiber är SRS ganska effektivt för praktiskt bruk. Raman-effekten i fiberlasrar demonstrerades första gången av Roger Stolen 1972, och sedan dess har den aktiva utvecklingen av Raman-fiberlasrar fortsatt. De är av stort intresse på grund av överföringen av genereringsfrekvensen till det infraröda området av spektrumet, där lasrar av sällsynta jordartsmetaller är ineffektiva [8] . Tillsammans med dispersiva resonatorer är det möjligt att erhålla frekvensjustering i dem i intervallet 1,1–1,6 μm med bibehållen hög uteffekt. [42]

Kaviteterna i fiber-ramanlasrar skapas av par av Bragg-gitter , som beräknas för fullständig överföring av pumpstrålning och märkbar reflektion vid våglängden för Stokes-komponenten av den spridda strålningen (cirka 99,9 % för en fullt reflekterande spegel och 5 % för utgångsspegeln). Ibland används flera par gitter för att erhålla högre ordningens Stokes-komponenter. [43] [8] De vanligaste är Ramanlasrar som använder germanosilikatfibrer, på grund av att effektiviteten av stimulerad Raman-spridning och ljuskänslighet i dem är betydligt högre än i rena kvartsfibrer, och den ökar med ökande germaniumkoncentration . En typisk CW-laser pumpas av en annan YAG : Nd3 + -laser vid en våglängd av 1,06 µm. Primär pumpning av neodymlasern utförs av halvledardioder. Längden på den aktiva fibern kan vara 800 m. Resonatorerna i den skapas av tre eller flera par (kaskader) av Bragg-gitter. En liknande femstegslaser med en våglängd på 1,48 μm ger en uteffekt på 1,5 W och används för att pumpa fiberförstärkare i FOCL . [44]

Fiberlasrar baserade på fotoniska kristaller

Den så kallade mikrostrukturerade eller fotoniska kristalloptiska fibern (FKOV, engelsk fotonisk kristallfiber (PCF), holey fiber eller mikrostrukturerad fiber ) skiljer sig väsentligt från traditionellt använda optiska fibrer. Om ljusledaren i det senare bildas av skikt med olika brytningsindex , så bildas i FCO den ljusgenomsläppliga strukturen av luftkanaler (till exempel cylindriska) som omger den fasta (eller ihåliga) fiberkärnan - de bildar en två- dimensionell fotonisk kristall . Därför bildas vågledarlägen i dem inte av inre reflektion av strålen när den utbreder sig längs fibern, utan på grund av uppkomsten av bandgap i mikrostrukturens transmissionsspektrum [45] .

I en typisk PCF bildas mikrostrukturen av triangulär beklädnad enkelkärnig PCF . Huvuddragen hos en sådan fiber är att den endast stöder det grundläggande läget, oavsett våglängd eller kärndiameter. Därför gör mikrostrukturer det möjligt att skapa en optisk fiber med vilken given numerisk apertur som helst (från mycket liten för en aktiv kärna till mycket stor för att pumpa vågledare) med en relativt mycket stor kärndiameter [46] . Det senare är mycket viktigt för skapandet av högeffektslasrar i singelmod, eftersom den konventionella fibertillverkningstekniken kräver en ökning av kärndiametern för att öka effekten, och för samma generationsvåg leder detta till multimodsljusutbredning [47] .

För att pumpa joner av sällsynta jordartsmetaller skapas en struktur som liknar en dubbelbelagd optisk fiber i FCO- snittet . Runt den inre fotoniska kristallen som omger den aktiva kärnan, på något avstånd, bildas ytterligare ett lager av luftkanaler (vanligtvis långsträckta i fibersektionen i radiell riktning). Fördelen med en sådan struktur, förutom en stor numerisk apertur, är låga pumpstrålningsförluster på grund av frånvaron av spiralformade och spiralformade moder som inte passerar genom den aktiva kärnan [46] .

2003 demonstrerades en CW-fiberlaser med en 2,3 m FCO med en verkningsgrad på 78 % vid en maximal uteffekt på 80 W. 2006 skapades en laser med samma effektivitet, en maximal uteffekt på 320 W ( 550 W/m aktiv fiber) och en modarea på 2000 µm 2 . Precis som i fallet med en konventionell fiber kännetecknas PCF-lasrar av ett linjärt beroende av den utgående strålningseffekten på pumpeffekten [48] .

Applikation

Fördelar och nackdelar

Fördelarna med fiberlasrar inkluderar traditionellt ett betydande förhållande mellan resonatorarean och dess volym, vilket ger högkvalitativ kylning, termisk stabilitet hos kisel och små storlekar av enheter i liknande klasser av effekt och kvalitetskrav. Laserstrålen måste som regel ledas in i en optisk fiber för efterföljande användning inom teknik. För lasrar av en annan design kräver detta speciella optiska kollimeringssystem och gör enheterna känsliga för vibrationer. I fiberlasrar genereras strålning direkt i fibern och den har en hög optisk kvalitet. Nackdelarna med denna typ av lasrar är risken för olinjära effekter på grund av den höga strålningsdensiteten i fibern och den relativt låga utenergin per puls, på grund av den lilla volymen av den aktiva substansen [3] [49] .

Fiberlasrar överträffas av solid-state lasrar i applikationer där hög polarisationsstabilitet krävs , och användningen av polarisationsupprätthållande fiber är svår av olika anledningar. Solid-state lasrar kan inte ersättas av fiberlasrar i spektralområdet 0,7-1,0 μm. De har också större potential att öka pulsutgångseffekten jämfört med fiber. Fiberlasrar visar dock goda resultat vid våglängder där det inte finns tillräckligt bra aktiva medier eller speglar för lasrar av andra konstruktioner, och tillåter vissa laserscheman som uppkonvertering att implementeras med mindre komplexitet [50] .

Applikationer

På grund av det breda urvalet av parametrar har fiberlasrar funnits inom många verksamhetsområden. I synnerhet används de för gravering och skärning av metaller inom industrin och för lasermärkning av varor, där hög toppeffekt av korta pulser som följer med en given frekvens behövs. Så för plast och metall används pulser på 5–10 kW med en varaktighet på 10 till 100 ns med en upprepningshastighet på 20 till 200 kHz. Detta gör att du bara kan ändra ytans optiska egenskaper utan att skada produktens inre struktur. Lasrar upp till 60 W används för att svetsa rostfritt stål i tiondels millimeter tjocka elektroniska och medicinska instrumentkomponenter. De visade goda resultat vid tillverkning av stentar [2] .

Se även

Anteckningar

↑ Skapat en hybrid pulsad laser med rekordparametrar . Institutionen för laserfysik och innovativ teknik, Novosibirsk State University. Hämtad: 8 augusti 2011. (ryska)
↑ 1 2 Woods, Dhaka, Flynn, 2008 .
↑ 1 2 Hur fiberlasrar fungerar . University of Southampton. Hämtad 10 april 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
↑ 12 Agrawal , 2001 , sid. 203.
↑ 12 Agrawal , 2008 , s. 181-182.
↑ 1 2 3 Digonnet, 2001 , s. 160-161.
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 522-534.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Dianov, 2004 .
↑ Hayes, 2000 , sid. åtta.
↑ Koester, Snitzer, 1964 .
↑ Hayes, 2000 , s. 9-10.
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 501.
↑ Gan, 2006 , sid. 228.
↑ Agrawal, 2008 , sid. 179.
↑ Han lämnade vetenskapen för affärer vid 51 års ålder. Nu har han 800 miljoner dollar | Forbes.ru
↑ NTO IRE-Polyus // Expert. - 2011. - Nr 10 (744) . (ryska)
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , sid. 508.
↑ Michael O'Connor, Bill Shiner. Utdrag : Högeffektfiberlasrar för industri och försvar - Del IV . EE Times (5 november 2011). Hämtad 12 juni 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
↑ Sklyarov, 2010 , sid. 187-190.
↑ Digonnet, 2001 , sid. 3.
↑ Yla-Jarkko, Codemard, Singleton et al., 2003 .
↑ Skada på fibrer . fibrer . Encyclopedia of Laser Physics and Technology. Hämtad 9 augusti 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
↑ Goure, Verrier, 2002 , sid. 238.
↑ Vasiliev S. A., Medvedkov O. I., Korolev I. G., Bozhkov A. S., Kurkov A. S., Dianov E. M. Fiberbrytningsindexgitter och deras tillämpningar // Quantum Electronics . - 2005. - T. 35 , nr 12 . - S. 1085-1103 .
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 509.
↑ Agrawal, 2004 , s. 53, 72-73.
↑ Agrawal, 2008 , s. 185-187.
↑ Absorption i upphetsat tillstånd . Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Tillträdesdatum: 26 juni 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
↑ Agrawal, 2008 , s. 187-189.
↑ Agrawal, 2008 , s. 190-192.
↑ Agrawal, 2008 , sid. 197, 199.
↑ Agrawal, 2008 , sid. 197.
↑ Agrawal, 2008 , sid. 197-199.
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 520-522.
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 522-525.
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 527-534.
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , sid. 16-21.
↑ Uppkonverteringslasrar . _ Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Tillträdesdatum: 26 juni 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , sid. 503.
↑ Digonnet, 2001 , sid. 150, 153-154.
↑ Shalibeik, 2007 , s. 26, 29.
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 543.
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 546.
↑ Grigoruk i in., 2008 , sid. 545-548.
↑ Zheltikov, 2007 .
↑ 1 2 Kim P. Hansen och Jes Broeng. Högeffekt fotoniska kristallfiberlasrar . Holeyfiber övervinner begränsningarna hos konventionell fiber för tillämpningar i lasrar och förstärkare . Photonis Media (maj 2006). Hämtad 13 augusti 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
↑ Jason Eichenholz. Fotoniska kristallfibrer har många användningsområden . Optoelektronikens värld . Newport. Hämtad 13 augusti 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
↑ Limpert, Schreiber, Nolte et al., 2003 .
↑ David N. Payne. Fiberlasrar: Nästa generation (engelska) (länk ej tillgänglig) . CLEO 2011. - Material från konferensen. Hämtad 10 april 2011. Arkiverad från originalet 28 september 2006.
↑ Fiberlasrar kontra bulklasrar . Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Hämtad 15 augusti 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.

Litteratur

Koester C. J. , Snitzer E. Amplification in a Fiber Laser // Appl . Välja. - Optica , 1964. - Vol. 3, Iss. 10. - P. 1182-1186. — ISSN 1559-128X ; 2155-3165 ; 0003-6935 ; 1539-4522 - doi:10.1364/AO.3.001182
Dianov E. M. , Prokhorov A. M. Lasers and fiberoptics // UFN / ed. V. A. Rubakov - M . : FIAN , 1986. - T. 148, nr. 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. Lågbrus intelligent beklädnadspumpad L-band 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. Högeffekts luftklädd fotonisk kristallfiberlaser med stort lägesområde // 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. Fiberlasrar // UFN / ed. V. A. Rubakov - M . : FIAN , 2004. - T. 174, nr. 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-fiberlasrar med medelkraft // Quantum Electronics - 2004. - V. 34, nr. 10. - S. 881-900. doi : 10.1070/QE2004V034N10ABEH002739
Zheltikov AM Mikrostrukturerade ljusledare för en ny generation av fiberoptiska källor och ljuspulsomvandlare // UFN / ed. V. A. Rubakov - M. : FIAN , 2007. - T. 177, nr. 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. Fiberlasrar med mellankraftig effekt och deras tillämpningar // Photonics / ed. N. L. Istomina - 2008. - vol. 4. - S. 6-10.
Grigoruk V. I., Korotkov P. A., Felinsky G. S. Icke-linjära laserprocesser i optiska fibrer. - K. : Vidavnicho-polygrafiskt centrum "Kyiv University", 2008. - 576 s. - ISBN 978-966-439-120-4 .
Sklyarov OK Fiberoptiska nätverk och kommunikationssystem: Lärobok. - 2:a uppl., raderad. - St Petersburg. : "Lan", 2010. - 272 sid. - ISBN 978-5-8114-1028-6 .
Gapontsev VP Penetration av fiberlasrar på den industriella marknaden (engelska) // Fiber Lasers V: Technology, Systems and Applications, Photonics West. - 2008. - S. presentation 6873-01 .
Agrawal GP Tillämpningar av olinjär fiberoptik. - Academic Press, 2001. - 458 sid. — ISBN 9780120451449 .
Agrawal GP Lightwave-teknik: komponenter och enheter. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 sid. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Tillämpningar av olinjär fiberoptik. — 2:a uppl. - Academic Press, 2008. - Vol. 10. - 508 sid. - (Optik och Photonis-serien). — ISBN 9780123743022 .
Digonnet, MJF Rare-Earth-dopade fiberlasrar och förstärkare. — 2:a uppl. - Marcel Dekker, Inc., 2001. - 792 sid. — ISBN 0-8247-0458-4 .
Gan F. Fotoniska glasögon. - World Scientific, 2006. - 447 sid. — ISBN 9789812568205 .
Goure J.-P., Verrier I. Optiska fiberanordningar. - Institute of Physics Publishing, 2002. - 269 sid. — ISBN 9780750308113 .
Hayes J. Fiber Optics Technician's Manual. — 2:a upplagan. - Delmar Cengage Learning, 2000. - 242 sid. — ISBN 978-0766818255 .
Iizuka, K. För fiber och integrerad optik // Elements of Photonics. - Wiley-VCH, 2002. - Vol. II. — 656 sid. - (Wiley-serien i ren och tillämpad optik). — ISBN 0-471-40815-8 .
Poli F., Cucinotta A., Selleri S. Fotoniska kristallfibrer: egenskaper och tillämpningar. - Springer, 2007. - Vol. 102. - 233 sid. - (Springer-serien i materialvetenskap). — ISBN 9781402063251 .
Röser F. Power Scaling of Ultrashort Pulse Fiber Laser Systems. — Books on Demand, 2010. — 136 sid. — ISBN 9783839153659 .
Shalibeik, H. Sällsynta jordartsdopade fiberlasrar och förstärkare. - Cuvillier Verlag, 2007. - 181 sid. — ISBN 9783867274678 .
Senior JM, Jamro MY Prentice Hall Internacional-serien inom optoelektronik. — 3:e uppl. - Pearson Education, 2009. - 1075 sid. — ISBN 9780130326812 .

Länkar

Kurkov AS, Dianov EM CW fiberlasrar med medelkraft // Quantum Electronics. - 2004. - T. 34 , nr 10 . - S. 881-900 . - doi : 10.1070/QE2004v034n10ABEH002739 . (ryska)
Vetenskapligt material om lasrar, optik, spektroskopi och laserteknik . Baltiska statens tekniska universitet. Hämtad: 16 maj 2011. (obestämd)
Jens Limpert, Thomas Schreiber, Andreas Tünnermann. Fiberbaserade högeffektlasersystem . Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Hämtad 13 augusti 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
Fiberlasrar . _ Encyclopedia of Laser Physics and Technology . R.P. Fotonik. Hämtad 13 augusti 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
KF Kleine et al. Användning av fiberlasrar för mikroskärningstillämpningar inom medicinteknisk industri . University of Liverpool. Hämtad 20 juli 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.
Högeffektfiberlasrar : senaste framstegen . Institute of Optics vid University of Rochester. Hämtad 13 augusti 2011. Arkiverad från originalet 31 januari 2012.

Ordböcker och uppslagsverk	stor kines Stor ryss
I bibliografiska kataloger	NKC : ph921261