Mis on kiudlaser?
Optiline kiud on lühend sõnadest optiline kiud ja see on tavaliselt valguslainete silindriline lainejuht. See kasutab täieliku peegelduse põhimõtet, et piirata valguslaineid südamikuga ja juhtida neid kiu telje suunas. Vasktraadi asendamine kvartsklaasiga muutis maailma.
Valguslainete juhtimise meediumina on optilist kiudu laialdaselt kasutatud alates 1966. aastast, mil selle tutvustas Charles Kao, tänu oma suurele sidevõimele, suurele häirekindlusele, väikesele edastuskaole, pikale releekaugusele, heale konfidentsiaalsusele, kohanemisvõimele, väikesele suurusele. , kerge kaal ja rikkalikud tooraineallikad. "Fiiberoptika isana" tuntud Kao pälvis oma töö eest 2009. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Seoses fiiberoptika täiustamise ja praktilisusega on see muutnud revolutsiooni telekommunikatsioonitööstuses ja on suures osas asendanud vasktraadi kui kaasaegse side põhikomponendi.
Kiudoptiline sidesüsteem on sidesüsteem, mis kasutab teabekandjana valgust ja lainejuhikandjana optilist kiudu. Kui optiline kiud edastab teavet, muundatakse elektriline signaal optiliseks signaaliks, mis seejärel edastatakse kiu sees. Areneva kommunikatsioonitehnoloogiana on fiiberoptiline side näidanud üles enneolematut paremust juba algusest peale ning äratanud suurt huvi ja laialdast tähelepanu. Optiliste kiudude laialdane kasutamine sides on aidanud kaasa ka kiudoptiliste võimendite ja kiudlaserite kiirele arengule. Lisaks sidele kasutatakse fiiberoptilisi süsteeme ka paljudes rakendustes meditsiinis, andurites ja muudes valdkondades.
Optilised kiud
Kiudlaseri võimendusmeedium on aktiivne kiud. Selle struktuuri järgi võib jagada ühemoodiliseks kiuks, topeltkattega kiuks ja kolmeks fotoonkristallkiuks.
Ühemoodiline optilise kiu ühemoodiline kiud koosneb südamikust, kattekihist ja kattekihist, kus südamiku materjali murdumisnäitaja n1 on suurem kui kattematerjali murdumisnäitaja n2, kui langeva valguse langemisnurk on suurem kui Kriitilise nurga pilt, valguskiir südamikus täieliku emissiooni, nii et kiud võivad olla seotud valgusvihuga südamiku levimisel. Ühemoodiliste kiudude sisekate ei saa mängida mitmemoodilise pumba valgust piiravat rolli ja südamiku arvuline ava on madal, nii et laserväljundi saamiseks saab kasutada ainult ühemoodilist pumba valguse ühendamist südamikuga. Varajased kiudlaserid kasutasid seda ühemoodilist kiudu, mille tulemuseks oli madal sidumistõhusus ja laserid, mille väljundvõimsus oli millivattides.
Topeltkattega kiud
Et ületada tavapäraste ühemoodiliste, ühe kattekihiga ytterbium-legeeritud (Yb3 pluss) kiudude piiranguid muundamise efektiivsuse ja väljundvõimsuse osas, pakkus Maurer (R. Maurer) esmakordselt välja topeltkattega kiudude kontseptsiooni 1974. aastal. Sellest ajast saadik, alles 1988. aastal, kui E. Snitzer ja teised pakkusid välja katete pumpamise tehnoloogia [3], töötati kiiresti välja suure võimsusega Yb-leegitud fiiberopsid/võimendid.
Topeltkattega kiud on erilise struktuuriga optiline kiud, mis lisab tavapärasele kiule sisemise kattekihi, mis koosneb kattekihist, sisemisest kattekihist, välimisest kattekihist ja legeeritud fiibersüdamikust. Katte pumpamise tehnoloogia põhineb kahekordse kattekihiga kiududel, mille tuumaks on võimaldada sisekattes mitmemoodilise pumbavalguse ja südamikus laservalguse edastamist, võimaldades pumpamise muundamise efektiivsust ja väljundvõimsust. kiudlaserit tuleb oluliselt täiustada. Kahekordse kattega kiu struktuur, sisekatte kuju ja pumba valguse sidumismeetod on selle tehnoloogia võtmed.
Topeltkattega kiu südamik koosneb haruldaste muldmetallide elementidega legeeritud ränidioksiidist (SiO2), mis on nii laseri kandja kui ka lasersignaali ülekandekanal kiudlaseris, mis vastab töölainepikkusele. Sisekatte põikimõõt (tavapärase südamiku läbimõõt kümneid kordi suurem) ja arvuline ava on palju suuremad kui südamiku oma ning murdumisnäitaja on südamiku omast väiksem, mis piirab laservalguse levimist täielikult. tuuma sees. See loob suure ristlõikega, suure numbrilise avaga optilise lainejuhi südamiku ja välimise katte vahele, mis võimaldab suure numbrilise ava, suure ristlõikega ja mitmemoodilise suure võimsusega pumbatud valgust ühendada kiuduga ja piirata selle ülekandega. difusioonita sisekate, mis hõlbustab suure võimsustihedusega optilise pumpamise säilitamist. Välisvooder on valmistatud polümeermaterjalist, mille murdumisnäitaja on väiksem kui sisekattel; välimine kiht on orgaanilisest materjalist koosnev kaitsekiht. Kahekordse kattekihiga kiudude ja pumbatava valguse ühendusala määrab sisemise katte suurus, erinevalt tavalistest ühemoodilistest kiududest, mille määrab ainult südamik. Ühest küljest parandab see inimkiudlaseri võimsuse sidumise efektiivsust, võimaldades pumba valgusel mitu korda sisemist kattekihti läbida, et ergutada legeeritud ioone laserkiirguse jaoks; teisest küljest määrab väljundkiire kvaliteedi fiibersüdamiku iseloom ja sisekatte kasutuselevõtt ei hävita fiiberopseri väljundi kiire kvaliteeti.
Esialgu oli topeltkattega kiudude sisekate silindriliselt sümmeetriline ja suhteliselt lihtne valmistada ning kergesti ühendatav pumba laserdioodi (LD) patsiga, kuid selle täiuslik sümmeetria põhjustas suure hulga pumba valguse spiraalseid kiiri. sisekate, mis ei jõudnud kunagi südamiku piirkonda isegi pärast piisavat peegeldust, et südamik neelata, nii et isegi pikemate kiudude korral esineb endiselt palju valgust, mis muudab muundamise efektiivsuse parandamise keeruliseks. Sel põhjusel tuleb sisekatte silindriline sümmeetria rikkuda.
Fotoonilised kristallkiud
Tavalistes topeltkattega kiududes määrab südamiku geomeetria laseri väljundvõimsuse. Numbriline ava määrab väljundlaseri kiire kvaliteedi. Mittelineaarsete efektide, optiliste kahjustuste ja muude optiliste kiudude füüsikaliste mehhanismide piirangute tõttu ei suuda üksainus südamiku läbimõõdu suurendamise vahend rahuldada nõudlust üherežiimilise töö järele suure väljundvõimsusega suure režiimiga kahekihilistes kiududes. Spetsiaalsete kiudude, näiteks fotonikristallkiudude (PCF) tekkimine pakub sellele väljakutsele tõhusa tehnilise lahenduse.
Fotooniliste kristallide kontseptsiooni tutvustas esmakordselt E. Yablonovitch aastal 19871 kui perioodilist struktuuri, millel on erinevad dielektrilised konstandid ühes, kahes või kolmes mõõtmes, mis võimaldab valgusel levida fotoonilises juhtivusribas ja keelab valguse levimise fotoonilises ribalaius ( PBG). PCF-id on kahemõõtmelised fotoonilised kristallid, tuntud ka kui mikrostruktureeritud kiud või poorsed kiud, ja 1996. aastal JC Knight et al. valmistas esimesed PCF-id, mille valgusjuhtmehhanism sarnaneb tavaliste täieliku sisemise peegeldusega kiudude omaga. Pärast 2005. aastat hakkas laia režiimiga väljakujuliste PCF-ide projekteerimine ja valmistamine mitmekesisemaks muutuma ning tekkisid erinevad kujundid, sealhulgas lekkiva kanaliga PCF-id, vardakujulised PCF-id, suure sammuga PCF-id ja mitmetuumalised PCF-id. Samuti on kiu režiimi-välja pindala vastavalt suurenenud.
Välimuselt on PCF-id väga sarnased tavapäraste ühemoodiliste kiududega, kuid mikroskoopiliselt on neil keerulisi aukude massiivi struktuure. Just need struktuuriomadused annavad PCF-idele tavapäraste kiudude ees ainulaadsed ja võrreldamatud eelised, nagu katkestusvaba ühemoodiline ülekanne, suur režiimivälja pindala, häälestatav dispersioon ja madal piirav kadu, mis võivad ületada palju tavapäraste laserite väljakutseid. . Näiteks võib PCF saavutada üherežiimilise töö suure režiimi väljapiirkonnas, tagades samal ajal kiire kvaliteedi, vähendades märkimisväärselt laseri võimsustihedust kius, vähendades kiu mittelineaarseid mõjusid ja suurendades kiu kahjuläve; see võib saavutada suure numbrilise ava, mis tähendab, et on võimalik saavutada rohkem pumba optilist sidet ja suurema võimsusega laserväljundit. See on muutnud selle kiudlaserite alal uueks teadustööks, mängides üha olulisemat rolli suure võimsusega kiudlaserite rakendamisel.
Kiudlaseri leiutis
Lasereid, mis kasutavad laseri võimenduskandjana optilisi kiude, tuntakse kiudlaseritena. Nagu muud tüüpi laserid, koosneb see kolmest osast: võimenduskeskkond, pumba allikas ja resonantsõõnsus. kiudlaserid kasutavad võimenduskeskkonnana aktiivkiudu, mille südamik on legeeritud haruldaste muldmetallide elementidega. Tavaliselt kasutatakse pumba allikana pooljuhtlaserit. Resonantsõõnsus koosneb tavaliselt peegeldavatest peeglitest, kiudude otsapindadest, kiudrõngaspeeglitest või kiudrestidest.
Vastavalt kiudlaseri ajadomeeni omadustele võib selle jagada pidevaks kiudlaseriks ja impulss-kiudlaseriks; vastavalt resonantsõõnsuse struktuurile võib selle jagada lineaarseks õõnsusega kiudlaseriks, hajutatud tagasisidega kiudlaseriks ja ringõõnsuse kiudlaseriks; Vastavalt võimenduskiule ja erinevatele pumpamismeetoditele võib selle jagada ühe kattekihiga kiudlaseriks (kiudsüdamiku pumpamine) ja kahekordse kattekihiga kiudlaseriks (katte pumpamine).
1961. aastal avastas Snitzer neodüümi (Nd) legeeritud klaasist lainejuhtides laserkiirguse. 1966. aastal uuris Kao üksikasjalikult valguskiudude valguse nõrgenemise peamisi põhjuseid ja tõi välja peamised tehnilised probleemid, mis tuleb lahendada optiliste kiudude praktiliseks rakendamiseks sides. 1970. aastal töötas Corning USA-s välja optilised kiud, mille sumbumine oli alla 20 dB/km, mis pani aluse optilise side ja optoelektroonika tööstuse arengule. See pani aluse optilise side ja optoelektroonika tööstuse arengule. 1970. ja 1980. aastatel pakkus pooljuhtlaserite tehnoloogia valmimine ja turule toomine usaldusväärse ja mitmekülgse pumbaallika kiudlaserite arendamiseks. Samal ajal vähendab keemilise aurustamise-sadestamise meetodi väljatöötamine kiudoptilise ülekandekadu pidevalt. Kiudlaserid arenevad samuti kiiresti mitmekesistamise suunas, kusjuures kiud on legeeritud mitmesuguste haruldaste muldmetallide elementidega, nagu erbium (Er3 pluss), ütterbium (Yb3 pluss), neodüüm (Nd3 pluss), samarium (Sm 3 pluss), toolium (Tm3 pluss), holmium (Ho3 pluss), praseodüüm (Pr3 pluss), düsproosium (Dy3 pluss), vismut (Bi3 pluss) jne. Sõltuvalt legeeritud ioonidest on võimalik saavutada laserväljundi erineva lainepikkusega. Erinevate rakenduste nõuete täitmiseks.
Suure võimsusega kiudlaserite omadused
Suure võimsusega kiudlaserite eelised on järgmised.
(1) Hea valgusvihu kvaliteet. Optilise kiu lainejuhi struktuur muudab ühe põikrežiimi väljundi saamise lihtsaks ja välistegurite mõju on väga väike, et saavutada suure heledusega laserväljund.
(2) Kõrge efektiivsus. Kiudlaseriga, kui valite pumbaallika jaoks pooljuhtlaseri emissiooni lainepikkuse ja legeeritud haruldaste muldmetallide elementide neeldumisomadused, saate saavutada väga kõrge valguse ja valguse muundamise efektiivsuse. Ütterbiumiga legeeritud suure võimsusega kiudlaserite puhul vali tavaliselt 915 nm või 975 nm pooljuhtlaserid, kuna Yb3 plusi lihtsa energiataseme struktuuri tõttu on üleskonversiooni, ergastatud oleku neeldumise ja kontsentratsiooni purunemise tõenäosus väiksem, fluorestsentsi eluiga on pikem ja suudab tõhusalt energiat salvestada. suure võimsusega tööks. Kaubanduslike kiudlaserite üldine elektrooptiline efektiivsus on kuni 25 protsenti, mis aitab kaasa kulude vähendamisele, energiasäästule ja keskkonnakaitsele.
(3) Head soojuse hajumise omadused. Kiudlasereid kasutatakse laseri võimenduskeskkonnana, kasutades õhukest haruldaste muldmetallidega legeeritud kiudu, millel on väga suur pindala ja ruumala suhe. Umbes 1000 korda suurem tahke plokklaseri soojuseraldusvõime on loomulik eelis. Väikese ja keskmise võimsusega korpuste puhul pole kiudude erilist jahutamist vaja ning suure võimsusega korpuste puhul kasutatakse vesijahutust, mis väldib tõhusalt ka kiirte kvaliteedi ja efektiivsuse halvenemist tahkislaserites tavaliselt esinevate termiliste mõjude tõttu.
(4) Kompaktne struktuur, kõrge töökindlus. Kuna kiudlaser kasutab laseri võimenduskandjana väikest ja painduvat kiudu, aitab see helitugevust kokku suruda ja kulusid kokku hoida. Pumba allikat kasutatakse ka väikese suurusega, hõlpsasti modulaarsetes pooljuhtlaserites, kaubanduslikud tooted on üldiselt saadaval patsi väljundiga, kombineerituna fiiberoptiliste Braggi võre ja muude fiiberoptiliste seadmetega, kui need seadmed on täiskiu saavutamiseks üksteisega sulatatud, Suure stabiilsusega vastupidavus keskkonnahäiretele võib säästa hooldusaega ja -kulusid.
Suure võimsusega kiudlaseritel on ka puudusi, millest on raske üle saada: üks on haavatavus mittelineaarsete mõjude suhtes. Kiudlaseritel on nende lainejuhtide geomeetria tõttu pikk efektiivne pikkus ja madal lävi erinevatele mittelineaarsetele efektidele. Mõned kahjulikud mittelineaarsed efektid, nagu ergastatud Ramani hajumine (SRS), isefaasimodulatsioon (SPM) jne võivad põhjustada faasikõikumisi ja energiaülekannet spektris või isegi kahjustada lasersüsteemi, piirates suure võimsusega kiudude arengut. laserid. Teine on footonite tumenemise efekt. Pumpamisaja pikenemisega võib footonite tumenemise efekt põhjustada haruldaste muldmetallidega legeeritud kiu võimsuse muundamise efektiivsuse kõrge dopingukontsentratsiooni monotoonselt pöördumatu languse, piirates suure võimsusega kiudlaserite pikaajalist stabiilsust ja kasutusiga, mis on eriti ilmne. ütterbiumiga legeeritud suure võimsusega kiudlaserites.
Suure heledusega kiudühendusega pooljuhtlaserite ja topeltkattega kiudtehnoloogia edenemisega on suure võimsusega kiudlaserite väljundvõimsus, optilise-optilise muundamise efektiivsus ja kiire kvaliteet märkimisväärselt arenenud. Tööstusliku töötlemise, suunatud energiarelvade, kaugmaa telemeetria, LIDAR ja muude suure nõudlusega rakenduste puhul peamiselt Ameerika Ühendriikidesse Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) ja Saksamaale Tong Express Group. Pideva laine, impulsslaine suure võimsusega kiudlaseri uurimis- ja arendustegevuse uurimisüksused käivitasid rikkaliku tootesarja. Põnevatest tulemustest on teatanud ka mitmed Hiina üksused, sealhulgas Tsinghua ülikool, riiklik kaitsetehnoloogia ülikool, Hiina teaduste akadeemia Shanghai optika ja täppismasinate instituut ning Hiina lennundusteaduse neljas uurimisinstituut ja Tööstuskorporatsioon.
Kiudlaseri võimsuse suurendamise tehnoloogia
Kiudlaseri mittelineaarsete efektide, termiliste efektide ja materjalikahjustuse lävepiirangute tõttu on ühe kiudlaseri väljundvõimsus teatud määral piiratud ning võimsuse kasvades kiire kvaliteet järk-järgult langeb, mistõttu on vaja kasutada režiimi juhtimise tehnoloogia ja uue kiu eristruktuuri kujundus, et parandada kiire kvaliteeti. Dawson (JW Dawson) jt analüüsisid teoreetiliselt ühe kiu väljundvõimsuse piiri ja arvutasid välja, et lairiba kiudlaserite puhul võib üks kiud saada maksimaalse võimsuse 36 kW lähedal difraktsioonipiirile, samas kui kitsa joonelaiusega kiudlaserite puhul on maksimaalne võimsus. võimsus on 2 kW. Kiudlaseri ja võimendi väljundvõimsuse edasiseks suurendamiseks on tõhus meetod mitme kiudlaseri võimsussüntees koherentse sünteesitehnoloogia abil. Sellest on viimastel aastatel saanud rahvusvaheline teadustöö leviala.
Koherentne süntees saavutatakse, kontrollides iga laserkiire faasi, sagedust ja polarisatsiooni teatud konsistentsiga, nii et see vastab koherentsuse tingimusele ja saadakse homogeenne faasilukuga väljund, mis võib saavutada palju suurema piigi intensiivsuse kui lihtne mittekoherentne. superpositsiooni ja säilitada hea kiire kvaliteet. Koherentse sünteesitehnoloogia arengu ajalugu on peaaegu sama pikk kui laserite endi ajalugu ja hõlmab erinevat tüüpi gaaslasereid, keemilisi lasereid, pooljuhtlasereid, tahkislasereid jne. Erinevate seadmete ebaküpsuse tõttu algusaegadel ei murdnud koherentse sünteesitehnoloogiaga saavutatud katsetulemused vastava ühelülilise laseri tolleaegsest maksimaalsest väljundvõimsusest läbi, mistõttu ei olnud efekt kuigi ilmne. Alates 1990. aastatest viis kiudlaserite tulek koherentsete sünteesitehnikate kiire arenguni. Lisaks fiiberoptiliste laserite ainulaadsetele eelistele ja sadade kilovattide taktikalise kasutamise vajadusele on mitmed seadmed (st fiiberkoonussidurid, mitmetuumalised kiud, patsidega faasimodulaatorid ja akusto-optilised sagedusmuundurid jne) mänginud oma rolli. ülioluline roll fiiberoptilise side kaubanduslikul kasutuselevõtul. Kiudkoonussidurid ja mitmetuumalised kiud hõlbustavad passiivset faasijuhtimist, mis põhineb laserenergia sissepritse sidestamisel ja kiirel laineühendusel, samas kui patsidega faasimodulaatorid ja akusto-optilised sagedusmuundurid võimaldavad aktiivset faasijuhtimist megahertsi kontrolli ribalaiustega, mida saab kasutada faasikõikumiste juhtimiseks suure võimsusega tingimustes ja saavutada faasilukuga väljundid. Teadlased on välja pakkunud mitmeid eristavaid koherentseid sünteesiskeeme.
Spektraalsüntees on mittekoherentne sünteesitehnika, mis kasutab ühte või mitut difraktsioonivõret mitme alamkiire difraktsiooniks samasse avasse, mille tulemuseks on hea kiire kvaliteediga ühe apertuuri väljund. Kiudlaserite spektraalne süntees võib täielikult ära kasutada Yb-leegeeritud fiiberopsa laserite laia võimendusega ribalaiust, et kompenseerida ühe kiudlaseri piiratud väljundvõimsust.
