Què és un làser de fibra?
La fibra òptica és l'abreviatura de fibra òptica i sol ser una guia d'ones cilíndrica per a ones de llum. Utilitza el principi de la reflexió total per limitar les ones de llum al nucli i guiar-les en la direcció de l'eix de la fibra. La substitució del filferro de coure per vidre de quars va canviar el món.
Com a mitjà per conduir ones de llum, la fibra òptica s'ha utilitzat àmpliament des de 1966, quan va ser introduïda per Charles Kao, gràcies a la seva alta capacitat de comunicació, alta immunitat a interferències, baixa pèrdua de transmissió, llarga distància de relé, bona confidencialitat, adaptabilitat, mida petita. , pes lleuger i abundants fonts de matèries primeres. Conegut com el "pare de la fibra òptica", Kao va ser guardonat amb el Premi Nobel de Física l'any 2009 pel seu treball. Amb la creixent perfecció i practicitat de la fibra òptica, ha revolucionat la indústria de les telecomunicacions i ha substituït en gran mesura el cable de coure com a component bàsic de les comunicacions modernes.
El sistema de comunicació de fibra òptica és un sistema de comunicació que utilitza la llum com a portadora d'informació i la fibra òptica com a mitjà de guia d'ona. Quan la fibra òptica transmet informació, el senyal elèctric es transforma en un senyal òptic, que després es transmet a l'interior de la fibra. Com a tecnologia de comunicació emergent, la comunicació de fibra òptica ha mostrat una superioritat inigualable des del primer moment i ha despertat un gran interès i una atenció generalitzada. L'ús generalitzat de fibres òptiques en les comunicacions també ha contribuït al ràpid desenvolupament d'amplificadors de fibra òptica i làsers de fibra alhora. A més de les comunicacions, els sistemes de fibra òptica també s'utilitzen en una àmplia gamma d'aplicacions en medicina, detecció i altres camps.
Fibres òptiques
El mitjà de guany d'un làser de fibra és la fibra activa. Segons la seva estructura, es pot dividir en fibra monomode, fibra de doble revestiment i fibra de cristall fotònic tres.
Fibra òptica monomode La fibra monomode consta d'un nucli, revestiment i capa de recobriment, on l'índex de refracció del material del nucli n1, superior a l'índex de refracció del material de revestiment n2, quan l'angle d'incidència de la llum incident és superior al imatge d'angle crític, el feix de llum al nucli de l'emissió completa, de manera que la fibra es pot unir al feix de llum en la propagació del nucli. El revestiment interior de les fibres monomode no pot tenir un paper de restricció per a la llum de la bomba multimode, i l'obertura numèrica del nucli és baixa, de manera que només es pot utilitzar l'acoblament de llum de la bomba monomode al nucli per obtenir una sortida làser. Els primers làsers de fibra utilitzaven aquesta fibra monomode, donant lloc a una baixa eficiència d'acoblament i làsers amb una potència de sortida en el rang de miliwatts.
Fibres de doble capa
Per tal de superar les limitacions de les fibres convencionals dopades amb iterbi (Yb3 plus) d'un sol revestiment d'un sol mode sobre l'eficiència de conversió i la potència de sortida, Maurer (R. Maurer) va proposar per primera vegada el concepte de fibres de doble revestiment el 1974 . Des de llavors, no va ser fins al 1988, quan E. Snitzer i altres van proposar la tecnologia de bombeig de revestiments [3], que els làsers/amplificadors de fibra dopats amb Yb d'alta potència es van desenvolupar ràpidament.
Una fibra de doble revestiment és una fibra òptica amb una estructura especial que afegeix una capa de revestiment interior a la fibra convencional, que consisteix en una capa de revestiment, una capa de revestiment interior, una capa de revestiment exterior i un nucli de fibra dopada. La tecnologia de bombeig del revestiment es basa en una fibra de doble revestiment, el nucli de la qual és permetre que la llum de la bomba multimode es transmeti al revestiment interior i que la llum làser es transmeti al nucli, permetent l'eficiència de conversió de bombament i la potència de sortida de el làser de fibra es millorarà molt. L'estructura de la fibra de doble revestiment, la forma del revestiment interior i el mètode d'acoblament de la llum de la bomba són les claus d'aquesta tecnologia.
El nucli de la fibra de doble revestiment es compon de diòxid de silici (SiO2) dopat amb elements de terres rares, que és alhora el medi làser i el canal de transmissió del senyal làser al làser de fibra, corresponent a la longitud d'ona de treball. La mida transversal (desenes de vegades el diàmetre d'un nucli convencional) i l'obertura numèrica del revestiment interior són molt més grans que la del nucli, i l'índex de refracció és més petit que el del nucli, la qual cosa limita completament la propagació de la llum làser. dins del nucli. Això crea una guia d'ones òptica de gran secció transversal i gran obertura numèrica entre el nucli i el revestiment exterior, que permet que una gran obertura numèrica, una gran secció transversal i una llum bombada d'alta potència multimode s'acobla a la fibra i es limita a la transmissió dins de la fibra. el revestiment interior sense difusió, facilitant el manteniment del bombeig òptic d'alta densitat de potència. El revestiment exterior es compon d'un material polímer amb un índex de refracció més petit que el revestiment interior; la capa més externa és una capa protectora composta de material orgànic. L'àrea d'acoblament de la fibra de doble revestiment a la llum bombejada està determinada per la mida del revestiment interior, a diferència de les fibres convencionals d'un sol mode, que es determinen només pel nucli. D'una banda, això millora l'eficiència d'acoblament de potència del làser de fibra humana, permetent que la llum de la bomba passi a través del revestiment interior diverses vegades per excitar ions dopats per a l'emissió del làser; d'altra banda, la qualitat del feix de sortida ve determinada per la naturalesa del nucli de fibra i la introducció del revestiment interior no destrueix la qualitat del feix de la sortida del làser de fibra.
Inicialment, el revestiment interior de les fibres de doble revestiment era cilíndricament simètric i relativament senzill de fabricar i fàcil d'acoblar a la cua del díode làser de la bomba (LD), però la seva perfecta simetria va donar lloc a un gran nombre de raigs en espiral de llum de la bomba. el revestiment interior que mai va arribar a la regió del nucli fins i tot després de suficients reflexos per ser absorbit pel nucli, de manera que fins i tot amb fibres més llargues encara hi ha una gran quantitat de fuites de llum, cosa que dificulta la millora de l'eficiència de conversió. Per aquest motiu, s'ha de trencar la simetria cilíndrica del revestiment interior.
Fibres de cristall fotònic
En les fibres normals de doble revestiment, la geometria del nucli determina la potència del làser de sortida. L'obertura numèrica determina la qualitat del feix del làser de sortida. A causa de les limitacions dels efectes no lineals, els danys òptics i altres mecanismes físics de les fibres òptiques, un únic mitjà per augmentar el diàmetre del nucli no pot satisfer la demanda d'operació en mode únic amb una sortida d'alta potència en fibres de doble revestiment de camp de gran manera. L'aparició de fibres especials, com les fibres de cristall fotònic (PCF), proporciona una solució tècnica eficaç a aquest repte.
El concepte de cristalls fotònics va ser introduït per primera vegada per E. Yablonovitch l'any 19871 com una estructura periòdica amb diferents constants dielèctriques en una, dues o tres dimensions que permet que la llum es propagui a la banda de conducció fotònica i prohibeix que la llum es propagui a la banda fotònica ( PBG). Els PCF són cristalls fotònics bidimensionals, també coneguts com a fibres microestructurades o fibres poroses, i el 1996 JC Knight et al. va produir els primers PCF amb un mecanisme de guia de la llum similar al de les fibres convencionals amb una reflexió interna total. Després de 2005, el disseny i la preparació de PCF de camp de mode gran va començar a diversificar-se, amb l'aparició de diverses formes, com ara PCF de canal amb fuites, PCF en forma de vareta, PCF de gran pas i PCF multinucli. L'àrea de camp mode de la fibra també ha continuat augmentant en conseqüència.
En aparença, els PCF són molt similars a les fibres convencionals d'un sol mode, però microscòpicament presenten estructures complexes de matriu de forats. Són aquestes característiques estructurals les que donen als PCF avantatges únics i incomparables respecte a les fibres convencionals, com ara transmissió monomode sense tall, àrea de camp de mode gran, dispersió ajustable i pèrdua limitant baixa, que poden superar molts dels reptes dels làsers convencionals. . Per exemple, PCF pot aconseguir un funcionament en mode únic en una àrea de camp de mode gran, alhora que garanteix la qualitat del feix, reduint significativament la densitat de potència del làser a la fibra, reduint els efectes no lineals a la fibra i augmentant el llindar de dany de la fibra; pot aconseguir una gran obertura numèrica, la qual cosa significa que es pot aconseguir més acoblament òptic de bomba i una sortida làser de major potència. Això l'ha convertit en un nou punt destacat de la investigació en làsers de fibra, jugant un paper cada cop més important en l'aplicació de làsers de fibra d'alta potència.
La invenció del làser de fibra
Els làsers que utilitzen fibres òptiques com a mitjà de guany làser es coneixen com a làsers de fibra. Com altres tipus de làsers, consta de tres parts: el medi de guany, la font de la bomba i la cavitat ressonant. Els làsers de fibra utilitzen una fibra activa amb un nucli dopat amb elements de terres rares com a mitjà de guany. Generalment s'utilitza un làser semiconductor com a font de bomba. La cavitat ressonant es compon generalment de miralls reflectants, superfícies extremes de fibra, miralls d'anell de fibra o reixes de fibra.
Segons les característiques del domini temporal del làser de fibra, es pot dividir en làser de fibra contínua i làser de fibra polsada; segons l'estructura de la cavitat ressonant, es pot dividir en làser de fibra de cavitat lineal, làser de fibra de retroalimentació distribuïda i làser de fibra de cavitat d'anell; segons la fibra de guany i els diferents mètodes de bombeig, es pot dividir en làser de fibra de revestiment únic (bombament de nucli de fibra) i làser de fibra de doble revestiment (bombament de revestiment).
El 1961, Snitzer va descobrir la radiació làser en guies d'ones de vidre dopats amb neodimi (Nd). El 1966, Kao va estudiar amb detall les principals causes de l'atenuació de la llum a les fibres òptiques i va assenyalar els principals problemes tècnics que cal resoldre per a l'aplicació pràctica de les fibres òptiques en les comunicacions. 1970, Corning als EUA va desenvolupar fibres òptiques amb una atenuació inferior a 20 dB/km, que van establir les bases per al desenvolupament de la indústria de les comunicacions òptiques i l'optoelectrònica. Això va establir les bases per al desenvolupament de les indústries de les comunicacions òptiques i l' optoelectrònica . A les dècades de 1970 i 1980, la maduració i comercialització de la tecnologia làser de semiconductors va proporcionar una font de bomba fiable i diversa per al desenvolupament de làsers de fibra. Al mateix temps, el desenvolupament del mètode de deposició de vapor químic fa que la pèrdua de transmissió de fibra òptica es redueix contínuament. Els làsers de fibra també s'estan desenvolupant ràpidament en la direcció de la diversificació, amb fibres dopades amb una varietat d'elements de terres rares, com l'erbi (Er3 plus ), l'iterbi (Yb3 plus ), el neodimi (Nd3 plus ), el samari (Sm 3 plus ), tuli (Tm3 plus ), holmi (Ho3 plus ), praseodimi (Pr3 plus ), disprosi (Dy3 plus ), bismut (Bi3 plus ) i així successivament. Depenent dels ions dopats, es poden aconseguir diferents longituds d'ona de sortida del làser. Per complir els requisits de les diferents aplicacions.
Característiques dels làsers de fibra d'alta potència
Els avantatges dels làsers de fibra d'alta potència són els següents.
(1) Bona qualitat del feix. L'estructura de guia d'ona de la fibra òptica facilita l'obtenció d'una única sortida en mode transversal i la influència dels factors externs és molt petita per aconseguir una sortida làser d'alta brillantor.
(2) Alta eficiència. Làser de fibra escollint la longitud d'ona d'emissió i les característiques d'absorció d'elements de terres rares dopats del làser semiconductor per a la font de la bomba, podeu aconseguir una eficiència de conversió de llum molt alta. Per als làsers de fibra d'alta potència dopats amb iterbi, generalment escolliu làsers semiconductors de 915 nm o 975 nm, a causa de l'estructura simple del nivell d'energia de Yb3 plus, la conversió ascendent, l'absorció d'estat excitat i les ràfegues de concentració són menys probables, la vida de la fluorescència és més llarga i pot emmagatzemar energia de manera efectiva. per a un funcionament d'alta potència. L'eficiència electroòptica global dels làsers de fibra comercials arriba al 25 per cent, la qual cosa afavoreix la reducció de costos, l'estalvi d'energia i la protecció del medi ambient.
(3) Bones característiques de dissipació de calor. Els làsers de fibra s'utilitzen com a mitjà de guany làser mitjançant una fibra fina i dopada d'elements de terres rares amb una relació superfície/volum molt gran. Unes 1000 vegades el làser de bloc sòlid, en termes de capacitat de dissipació de calor, té un avantatge natural. No es requereix un refredament especial de la fibra per als casos de baixa i mitjana potència, i el refredament per aigua s'utilitza per als casos d'alta potència, que també evita eficaçment la degradació de la qualitat i l'eficiència del feix a causa dels efectes tèrmics que es troben habitualment als làsers d'estat sòlid.
(4) Estructura compacta, alta fiabilitat. Com que el làser de fibra utilitza una fibra petita i flexible com a mitjà de guany làser, ajuda a comprimir el volum i estalviar costos. La font de bomba també s'utilitza en làsers semiconductors de mida petita, fàcils de modular, els productes comercials estan generalment disponibles amb sortida de cua, combinats amb la reixa de Bragg de fibra i altres dispositius de fibra òptica, sempre que aquests dispositius es fusionin entre si per aconseguir fibra completa, la immunitat a les pertorbacions ambientals, amb una alta estabilitat, pot estalviar temps i costos de manteniment.
Els làsers de fibra d'alta potència també tenen desavantatges difícils de superar: un és la vulnerabilitat als efectes no lineals. Els làsers de fibra tenen una llargada llarga efectiva i un llindar baix per a diversos efectes no lineals a causa de la geometria de les seves guies d'ona. Alguns efectes no lineals nocius, com ara la dispersió Raman excitada (SRS), la modulació en fase pròpia (SPM), etc. poden causar fluctuacions de fase i transferència d'energia a l'espectre, o fins i tot danys al sistema làser, limitant el desenvolupament de fibra d'alta potència. làsers. El segon és l'efecte d'enfosquiment de fotons. Amb l'augment del temps de bombeig, l'efecte d'enfosquiment de fotons pot provocar una alta concentració de dopatge de l'eficiència de conversió d'energia de fibra dopada amb elements de terres rares, un descens monòtonament irreversible, limitant l'estabilitat a llarg termini i la vida útil dels làsers de fibra d'alta potència, cosa que és especialment evident. en làsers de fibra d'alta potència dopats amb iterbi.
Amb l'avenç dels làsers semiconductors acoblats a fibra d'alta brillantor i la tecnologia de fibra de doble revestiment, la potència de sortida, l'eficiència de conversió òptica a òptica i la qualitat del feix dels làsers de fibra d'alta potència s'han desenvolupat significativament. En el processament industrial, armes energètiques dirigides, telemetria de llarg abast, LIDAR i altres aplicacions de gran demanda de tracció, als Estats Units Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) i Germany Tong Express Group, principalment unitats d'investigació sobre ona contínua, ona de pols d'investigació i desenvolupament làser de fibra d'alta potència, van llançar una riquesa de línies de productes. Diverses unitats de la Xina també han informat resultats interessants, com ara la Universitat de Tsinghua, la Universitat Nacional de Tecnologia de Defensa, l'Institut d'Òptica i Maquinària de Precisió de Xangai de l'Acadèmia Xinesa de Ciències i el Quart Institut de Recerca de la Ciència Aeroespacial de la Xina i Corporació de la indústria.
Tecnologia de millora de la potència del làser de fibra
A causa dels efectes no lineals del làser de fibra, els efectes tèrmics i les limitacions del llindar de danys materials, la potència de sortida d'un làser de fibra únic es limita fins a cert punt i, a mesura que augmenta la potència, la qualitat del feix disminueix gradualment, requerint l'ús. de la tecnologia de control de mode i el disseny d'una estructura especial de la nova fibra per millorar la qualitat del feix. Dawson (JW Dawson) et al van analitzar teòricament el límit de potència de sortida d'una sola fibra i van calcular que en làsers de fibra de banda ampla una sola fibra pot obtenir una potència màxima de 36 kW de sortida del làser de límit de difracció, mentre que per als làsers de fibra d'amplada de línia estreta, el màxim la potència és de 2 kW. Per tal de millorar encara més la potència de sortida del làser de fibra i l'amplificador, la síntesi de potència de múltiples làsers de fibra mitjançant una tecnologia de síntesi coherent és un mètode eficaç. S'ha convertit en un punt de recerca internacional en els últims anys.
La síntesi coherent s'aconsegueix controlant la fase, la freqüència i la polarització de cada raig làser amb una certa consistència, de manera que compleixi la condició de coherència i obtingui una sortida homogènia bloquejada en fase, que pot obtenir una intensitat de pic molt més alta que la simple no coherent. superposició i mantenir una bona qualitat del feix. La història del desenvolupament de la tecnologia de síntesi coherent és gairebé tan llarga com la història dels propis làsers, i inclou diversos tipus de làsers de gas, làsers químics, làsers de semiconductors, làsers d'estat sòlid, etc. No obstant això, a causa de la immaduresa de diversos dispositius en els primers dies, els resultats experimentals aconseguits per la tecnologia de síntesi coherent no van trencar la potència de sortida màxima del làser d'enllaç únic corresponent en aquell moment, de manera que l'efecte no era gaire evident. A partir de la dècada de 1990, l'aparició dels làsers de fibra va provocar un ràpid desenvolupament de tècniques de síntesi coherents. A més dels avantatges únics dels làsers de fibra i la necessitat d'utilitzar centenars de quilowatts de manera tàctica, diversos dispositius (és a dir, acobladors de con de fibra, fibres multinúcleos, moduladors de fase amb coles i desplaçadors de freqüència acústico-òptics, etc.) paper crucial en el desplegament comercial de les comunicacions de fibra òptica. Els acobladors de con de fibra i les fibres multinucli faciliten el control de fase passiu basat en l'acoblament d'injecció d'energia làser i l'acoblament d'ona ràpida, mentre que els moduladors de fase amb trets i desplaçadors de freqüència acústico-òptics permeten un control de fase actiu amb amplades de banda de control de megahertz, que es poden utilitzar per controlar les fluctuacions de fase a condicions d'alta potència i aconseguir sortides bloquejades en fase. Els investigadors han proposat una sèrie d'esquemes de síntesi coherents diferents.
La síntesi espectral és una tècnica de síntesi no coherent que utilitza una o més reixes de difracció per difractar múltiples subfeixos a la mateixa obertura, donant lloc a una sortida d'obertura única amb una bona qualitat de feix. La síntesi espectral de làsers de fibra pot fer un ús complet de l'ample de banda de guany dels làsers de fibra dopats amb Yb per compensar la potència de sortida limitada d'un únic làser de fibra.
