Mikä on kuitulaser?
Optinen kuitu on lyhenne sanoista optinen kuitu ja se on yleensä lieriömäinen aaltoputki valoaalloille. Se käyttää kokonaisheijastuksen periaatetta rajoittamaan valoaallot ytimeen ja ohjaamaan niitä kuidun akselin suuntaan. Kuparilangan korvaaminen kvartsilasilla muutti maailman.
Valoaaltojen johtamisvälineenä optista kuitua on käytetty laajalti vuodesta 1966 lähtien, jolloin Charles Kao esitteli sen korkean tiedonsiirtokapasiteetin, korkean häiriönkestävyyden, pienen lähetyshäviön, pitkän releetäisyyden, hyvän luottamuksellisuuden, mukautuvuuden ja pienen koon ansiosta. , kevyt ja runsaat raaka-ainelähteet. "Kuituoptiikan isänä" tunnettu Kao sai työstään fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2009. Kuituoptiikan lisääntyvän täydellisyyden ja käytännöllisyyden myötä se on mullistanut televiestintäteollisuuden ja on suurelta osin korvannut kuparilangan nykyaikaisen viestinnän ydinkomponenttina.
Optinen kuituviestintäjärjestelmä on viestintäjärjestelmä, joka käyttää valoa tiedonsiirtovälineenä ja valokuitua aaltojohtovälineenä. Kun optinen kuitu välittää tietoa, sähköinen signaali muunnetaan optiseksi signaaliksi, joka sitten lähetetään kuidun sisällä. Nousevana viestintäteknologiana kuituoptinen viestintä on osoittanut vertaansa vailla olevaa ylivoimaa alusta alkaen ja on herättänyt suurta kiinnostusta ja laajaa huomiota. Optisten kuitujen laaja käyttö viestinnässä on myös osaltaan edistänyt kuituoptisten vahvistimien ja kuitulaserien nopeaa kehitystä samanaikaisesti. Viestinnän lisäksi kuituoptisia järjestelmiä käytetään monissa sovelluksissa lääketieteessä, anturissa ja muilla aloilla.
Optiset kuidut
Kuitulaserin vahvistusväliaine on aktiivinen kuitu. Rakenteensa mukaan voidaan jakaa yksimuotokuitu, kaksinkertainen kuitu ja fotonikidekuitu kolmeen.
Yksimuotoinen optinen kuitu yksimuotokuitu koostuu ytimestä, kuori- ja pinnoitekerroksesta, jossa ydinmateriaalin taitekerroin n1 on suurempi kuin verhousmateriaalin taitekerroin n2, kun tulevan valon tulokulma on suurempi kuin Kriittinen kulma kuva, valonsäde ytimessä täyden päästön, joten kuitu voidaan sidottu valonsäteen ydin etenemistä. Yksimuotokuitujen sisäverhoilu ei voi toimia hillitsevänä roolina monimuotoisen pumpun valossa, ja ytimen numeerinen aukko on pieni, joten vain yksimuotoisen pumpun valokytkennällä ytimeen voidaan käyttää lasertehoa. Varhaiset kuitulaserit käyttivät tätä yksimuotokuitua, mikä johti alhaiseen kytkentätehokkuuteen ja lasereihin, joiden lähtöteho oli milliwattialueella.
Kaksoispäällysteiset kuidut
Voittaakseen tavanomaisten yksimuotoisten, ytterbium-seostettujen (Yb3 plus) kuitujen rajoitukset muunnostehokkuuden ja lähtötehon suhteen Maurer (R. Maurer) ehdotti ensimmäisen kerran kaksoispäällysteisten kuitujen konseptia vuonna 1974. Siitä lähtien vasta 1988, kun E. Snitzer ja muut ehdottivat verhouspumpputekniikkaa [3], suuritehoisia Yb-seostettuja kuitulasereita/vahvistimia kehitettiin nopeasti.
Kaksoispäällysteinen kuitu on optinen kuitu, jolla on erityinen rakenne, joka lisää tavanomaiseen kuituun sisäverhouskerroksen, joka koostuu päällystyskerroksesta, sisemmästä suojakerroksesta, ulkokuorikerroksesta ja seostetusta kuituytimestä. Verhouksen pumppaustekniikka perustuu kaksoispäällysteiseen kuituun, jonka ytimenä on mahdollistaa monimuotoisen pumppuvalon välittäminen sisäkuoressa ja laservalon välittäminen ytimeen, mikä mahdollistaa pumppauskonversion tehokkuuden ja ulostulotehon. kuitulaseria on parannettava huomattavasti. Kaksoispäällysteisen kuidun rakenne, sisäverhouksen muoto ja pumpun valokytkentämenetelmä ovat avaimia tälle teknologialle.
Kaksoispäällysteisen kuidun ydin koostuu harvinaisilla maametallielementeillä seostetusta piidioksidista (SiO2), joka on sekä laserväliaine että lasersignaalin siirtokanava kuitulaserissa, mikä vastaa työaallonpituutta. Sisäverhouksen poikittaiskoko (kymmeniä kertoja tavanomaisen sydämen halkaisija) ja numeerinen aukko ovat paljon suuremmat kuin ytimen, ja taitekerroin on pienempi kuin ytimen, mikä rajoittaa laservalon etenemistä kokonaan. ytimen sisällä. Tämä luo suuren poikkileikkauksen, suuren numeerisen aukon optisen aaltoputken sydämen ja ulkokuoren väliin, mikä mahdollistaa suuren numeerisen aukon, suuren poikkileikkauksen ja monimuotoisen suuren tehon pumpatun valon kytkemisen kuituun ja rajoittamisen sen sisällä tapahtuvaan lähetykseen. sisäverhous ilman diffuusiota, mikä helpottaa korkean tehotiheyden optisen pumppauksen ylläpitoa. Ulkoverhous koostuu polymeerimateriaalista, jonka taitekerroin on pienempi kuin sisäverhoilu; uloin kerros on orgaanisesta materiaalista koostuva suojakerros. Kaksoispäällysteisen kuidun kytkentäalue pumpattavaan valoon määräytyy sisäverhouksen koon mukaan, toisin kuin tavanomaisissa yksimuotokuiduissa, jotka määräytyy yksinomaan ytimen avulla. Toisaalta tämä parantaa ihmiskuitulaserin tehon kytkennän tehokkuutta, jolloin pumpun valo pääsee kulkemaan sisäkuoren läpi useita kertoja kiihottamaan seostettuja ioneja lasersäteilyä varten; toisaalta lähtösäteen laatu määräytyy kuituytimen luonteen mukaan, eikä sisäverhouksen käyttöönotto tuhoa kuitulasertulosteen säteen laatua.
Alun perin kaksoispäällysteisten kuitujen sisäverhous oli sylinterimäisesti symmetrinen ja suhteellisen yksinkertainen valmistaa ja helppo liittää pumpun laserdiodin (LD) letkuun, mutta sen täydellinen symmetria johti suureen määrään pumpun valon spiraalisäteitä. sisäverhous, joka ei koskaan saavuttanut ydinaluetta edes tarpeeksi heijastusten jälkeen, jotta ydin absorboituisi, joten jopa pidemmillä kuiduilla on edelleen suuri määrä valovuotoa, mikä vaikeuttaa muunnostehokkuuden parantamista. Tästä syystä sisäverhouksen lieriömäinen symmetria on rikottava.
Fotoniset kristallikuidut
Tavallisissa kaksoispäällysteisissä kuiduissa ytimen geometria määrää laserin lähtötehon. Numeerinen aukko määrittää lähtölaserin säteen laadun. Epälineaaristen vaikutusten, optisten vaurioiden ja muiden optisten kuitujen fyysisten mekanismien rajoituksista johtuen yksittäinen keino sydämen halkaisijan kasvattamiseksi ei pysty vastaamaan yksimuotoisen toiminnan kysyntään suurella teholla suurimuotoisissa kaksoispäällystekuiduissa. Erikoiskuitujen, kuten fotonikristallikuitujen (PCF) ilmaantuminen tarjoaa tehokkaan teknisen ratkaisun tähän haasteeseen.
Fotonikiteiden käsitteen esitteli ensimmäisen kerran E. Yablonovitch vuonna 19871 jaksollisena rakenteena, jolla on erilaiset dielektrisyysvakiot yhdessä, kahdessa tai kolmessa ulottuvuudessa ja joka sallii valon etenemisen fotonijohtavuuskaistalla ja estää valon etenemisen fotonikaistavälissä ( PBG). PCF:t ovat kaksiulotteisia fotonikiteitä, jotka tunnetaan myös mikrorakenteisina kuiduina tai huokoisina kuiduina, ja vuonna 1996 JC Knight et al. tuotti ensimmäiset PCF:t, joissa on samanlainen valonohjausmekanismi kuin perinteisissä kuiduissa, joissa on täydellinen sisäinen heijastus. Vuoden 2005 jälkeen suurmoodien kenttä-PCF:ien suunnittelu ja valmistus alkoivat monipuolistua eri muotojen ilmaantuessa, mukaan lukien vuotavakanavaiset PCF:t, sauvamaiset PCF:t, suuripituusiset PCF:t ja moniytimiset PCF:t. Myös kuidun moodikenttäpinta-ala on jatkanut kasvuaan vastaavasti.
Ulkonäöltään PCF:t ovat hyvin samankaltaisia kuin tavanomaiset yksimuotokuidut, mutta mikroskooppisesti niillä on monimutkaisia reikäjoukkorakenteita. Juuri nämä rakenteelliset ominaisuudet antavat PCF:ille ainutlaatuisia ja vertaansa vailla olevia etuja verrattuna perinteisiin kuituihin, kuten katkeamaton yksimuotoinen lähetys, suuri moodikenttä, viritettävä dispersio ja pieni rajoittava häviö, jotka voivat voittaa monet perinteisten lasereiden haasteista. . Esimerkiksi PCF voi saavuttaa yksimuotoisen toiminnan suurella moodialueella, samalla kun se varmistaa säteen laadun, vähentää merkittävästi kuidun lasertehon tiheyttä, vähentää kuidun epälineaarisia vaikutuksia ja lisää kuidun vauriokynnystä; se voi saavuttaa suuren numeerisen aukon, mikä tarkoittaa, että pumpun optista kytkentää voidaan saavuttaa ja laserteho on suurempi. Tämä on tehnyt siitä uuden tutkimuskohteen kuitulasereissa, ja sillä on yhä tärkeämpi rooli suuritehoisten kuitulaserien soveltamisessa.
Kuitulaserin keksintö
Lasereita, jotka käyttävät optisia kuituja laservahvistusväliaineena, kutsutaan kuitulasereiksi. Kuten muutkin laserit, se koostuu kolmesta osasta: vahvistusväliaine, pumppulähde ja resonanssiontelo. kuitulaserit käyttävät vahvistusväliaineena aktiivista kuitua, jonka ydin on seostettu harvinaisten maametallien kanssa. Pumppulähteenä käytetään yleensä puolijohdelaseria. Resonanssiontelo koostuu yleensä heijastavista peileistä, kuidun päätypinnoista, kuiturengaspeileistä tai kuituritiloista.
Kuitulaserin aika-alueen ominaisuuksien mukaan se voidaan jakaa jatkuvaan kuitulaseriin ja pulssikuitulaseriin; resonanssiontelorakenteen mukaan se voidaan jakaa lineaariontelokuitulaseriin, hajautettuun palautekuitulaseriin ja rengasontelokuitulaseriin; vahvistuskuidun ja erilaisten pumppausmenetelmien mukaan se voidaan jakaa yksipäällysteiseen kuitulaseriin (kuituydinpumppaus) ja kaksoispäällysteiseen kuitulaseeriin (verhouspumppaus).
Vuonna 1961 Snitzer löysi lasersäteilyn neodyymillä (Nd) seostetuista lasiaaltoputkista. 1966, Kao tutki yksityiskohtaisesti valokuitujen valon vaimenemisen pääsyitä ja osoitti tärkeimmät tekniset ongelmat, jotka on ratkaistava optisten kuitujen käytännön soveltamiseksi viestinnässä. 1970, Corning Yhdysvalloissa kehitti optisia kuituja, joiden vaimennus oli alle 20 dB/km, mikä loi perustan optisen viestinnän ja optoelektroniikan teollisuuden kehitykselle. Tämä loi pohjan optisen viestinnän ja optoelektroniikan teollisuuden kehitykselle. 1970- ja 1980-luvuilla puolijohdelasertekniikan kypsyminen ja kaupallistaminen tarjosi luotettavan ja monipuolisen pumppulähteen kuitulaserien kehittämiselle. Samaan aikaan kemiallisen höyrypinnoitusmenetelmän kehitys vähentää kuituoptiikan lähetyshäviötä jatkuvasti. Kuitulaserit kehittyvät myös nopeasti monipuolistumisen suuntaan, kun kuidut on seostettu erilaisilla harvinaisilla maametallialkuaineilla, kuten erbium (Er3 plus ), ytterbium (Yb3 plus ), neodyymi (Nd3 plus ), samarium (Sm 3 plus ), tuliumi (Tm3 plus), holmium (Ho3 plus), praseodyymi (Pr3 plus), dysprosium (Dy3 plus), vismutti (Bi3 plus) ja niin edelleen. Seostetuista ioneista riippuen voidaan saavuttaa erilaisia laserulostulon aallonpituuksia. Täyttää eri sovellusten vaatimukset.
Suuritehoisten kuitulaserien ominaisuudet
Suuritehoisten kuitulaserien edut ovat seuraavat.
(1) Hyvä säteen laatu. Optisen kuidun aaltoputkirakenteen ansiosta on helppo saada yksi poikittaismuotoinen lähtö, ja ulkoisten tekijöiden vaikutus on erittäin pieni, jotta saavutetaan korkean kirkkauden lasertulos.
(2) Korkea hyötysuhde. Kuitulaser valitsemalla puolijohdelaserin päästöaallonpituus ja seostetut harvinaisten maametallien absorptioominaisuudet pumppulähteelle, voit saavuttaa erittäin korkean valon ja valon muunnostehokkuuden. Ytterbium-seostetuille suuritehoisille kuitulasereille valitaan yleensä 915 nm tai 975 nm puolijohdelaserit, koska Yb3 plus:n yksinkertaisen energiatasorakenteen ansiosta ylösmuunnos, virittyneen tilan absorptio ja keskittymispurskeet esiintyvät harvemmin, fluoresenssin käyttöikä on pidempi ja se pystyy varastoimaan energiaa tehokkaasti. suuren tehon käyttöön. Kaupallisten kuitulaserien sähkö-optinen kokonaishyötysuhde on jopa 25 prosenttia, mikä edistää kustannusten alentamista, energiansäästöä ja ympäristönsuojelua.
(3) Hyvät lämmönpoisto-ominaisuudet. Kuitulasereita käytetään laservahvistusväliaineena käyttämällä ohutta, harvinaisten maametallien elementeillä seostettua kuitua, jolla on erittäin suuri pinta-ala/tilavuussuhde. Noin 1000 kertaa kiinteä lohko laser, mitä lämmönpoistokyky on luonnollinen etu. Pieni- ja keskitehoisissa koteloissa ei tarvita kuidun erityistä jäähdytystä, ja suuritehoisissa koteloissa käytetään vesijäähdytystä, mikä myös estää tehokkaasti säteen laadun ja tehokkuuden heikkenemisen puolijohdelasereissa yleisesti esiintyvistä lämpövaikutuksista.
(4) Kompakti rakenne, korkea luotettavuus. Koska kuitulaser käyttää pientä ja joustavaa kuitua laserin vahvistusväliaineena, se auttaa pakkaamaan tilavuutta ja säästämään kustannuksia. Pumppulähdettä käytetään myös pienikokoisissa, helposti modulaarisissa puolijohdelasereissa, kaupallisia tuotteita on yleensä saatavana letkulähdöllä yhdistettynä kuitu Bragg -ritilään ja muihin kuituoptisiin laitteisiin, kunhan nämä laitteet on sulatettu toisiinsa täyden kuidun saavuttamiseksi, kestävyys ympäristön häiriöitä vastaan, erittäin vakaa, voi säästää huoltoaikaa ja kustannuksia.
Suuritehoisilla kuitulasereilla on myös haittoja, joita on vaikea voittaa: yksi on haavoittuvuus epälineaarisille vaikutuksille. Kuitulasereilla on pitkä tehollinen pituus ja alhainen kynnys erilaisille epälineaarisille efekteille johtuen niiden aaltojohtojen geometriasta. Jotkut haitalliset epälineaariset vaikutukset, kuten viritetty Raman-sironta (SRS), itsevaihemodulaatio (SPM) jne. voivat aiheuttaa vaihevaihteluita ja energiansiirtoa spektrissä tai jopa vahingoittaa laserjärjestelmää, mikä rajoittaa suuritehoisen kuidun kehittymistä. laserit. Toinen on fotonien tummennusvaikutus. Pumppausajan pidentyessä fotonien tummumisvaikutus voi johtaa harvinaisten maametallien elementeillä seostetun kuidun tehomuunnostehokkuuden korkeaan dopingpitoisuuteen monotonisesti peruuttamattomaan laskuun, mikä rajoittaa suuritehoisten kuitulaserien pitkäaikaista vakautta ja käyttöikää, mikä on erityisen ilmeistä ytterbium-seostetuissa suuritehoisissa kuitulasereissa.
Korkean kirkkauden kuitukytkentäisten puolijohdelasereiden ja kaksoispäällysteisen kuitutekniikan kehittymisen myötä suuritehoisten kuitulaserien lähtöteho, optisen optisen muunnostehokkuus ja säteen laatu ovat kehittyneet merkittävästi. Teollisessa käsittelyssä, suunnatun energian aseet, pitkän kantaman telemetria, LIDAR ja muut suuren kysynnän vetovoimasovellukset Yhdysvaltoihin Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) ja Saksa Tong Express Group, pääasiassa tutkimusyksiköt jatkuvan aallon, pulssiaallon korkean tehon kuitu laser tutkimus-ja kehitystyötä, käynnisti rikas tuotelinjoja. Jännittäviä tuloksia ovat raportoineet myös useat yksiköt Kiinassa, mukaan lukien Tsinghuan yliopisto, Kansallinen puolustusteknologiayliopisto, Kiinan tiedeakatemian Shanghain optiikka- ja tarkkuuskoneiden instituutti ja Kiinan ilmailutieteen neljäs tutkimuslaitos ja Teollisuusyhtiö.
Kuitulaser tehonlisäystekniikka
Kuitulaserin epälineaarisista vaikutuksista, lämpövaikutuksista ja materiaalivauriokynnysrajoituksista johtuen yksittäisen kuitulaserin lähtötehoa rajoitetaan jossain määrin, ja tehon kasvaessa säteen laatu heikkenee vähitellen, mikä vaatii käyttöä. tilaohjausteknologian ja uuden kuidun erityisrakenteen suunnittelun säteen laadun parantamiseksi. Dawson (JW Dawson) ym. analysoivat teoreettisesti yksittäisen kuidun lähtötehorajan ja laskivat, että laajakaistaisissa kuitulasereissa yksi kuitu voi saada maksimitehon 36 kW lähellä diffraktiorajaa, kun taas kapealla viivanleveydellä kuitulasereilla maksimi teho on 2 kW. Kuitulaserin ja vahvistimen lähtötehon edelleen parantamiseksi useiden kuitulaserien tehosynteesi koherentilla synteesitekniikalla on tehokas menetelmä. Siitä on tullut viime vuosina kansainvälinen tutkimuskeskus.
Koherentti synteesi saavutetaan ohjaamalla kunkin lasersäteen vaihetta, taajuutta ja polarisaatiota tietyllä konsistenssilla siten, että se täyttää koherenssiehdon ja saa homogeenisen vaihelukitun lähdön, joka voi saada paljon korkeamman huippuintensiteetin kuin yksinkertainen epäkoherentti. päällekkäin ja säilyttää hyvä säteen laatu. Koherentin synteesitekniikan kehityksen historia on lähes yhtä pitkä kuin lasereiden itsensä historia, ja siihen liittyy erilaisia kaasulasereita, kemiallisia lasereita, puolijohdelasereita, solid-state lasereita jne. Erilaisten laitteiden epäkypsyydestä johtuen kuitenkin alkuaikoina koherentilla synteesitekniikalla saavutetut kokeelliset tulokset eivät ylittäneet vastaavan yksilinkkilaserin tuolloin maksimilähtötehoa, joten vaikutus ei ollut kovin ilmeinen. 1990-luvulta lähtien kuitulaserien tulo johti koherenttien synteesitekniikoiden nopeaan kehitykseen. Kuitulaserien ainutlaatuisten etujen ja satojen kilowattien taktisen käytön tarpeen lisäksi useat laitteet (esim. kuitukartiokytkimet, moniytimiset kuidut, letkuilla varustetut vaihemodulaattorit ja akusto-optiset taajuussiirtimet jne.) ovat toimineet ratkaiseva rooli kuituoptisen viestinnän kaupallisessa käyttöönotossa. Kuitukartioliittimet ja moniytimiset kuidut mahdollistavat passiivisen vaiheohjauksen, joka perustuu laserenergian injektiokytkeen ja nopeaan aaltokytkentään, kun taas vaihemodulaattorit, joissa on letit ja akusto-optiset taajuussiirtimet mahdollistavat aktiivisen vaiheohjauksen megahertsien ohjauskaistanleveydillä, joita voidaan käyttää vaihevaihteluiden ohjaamiseen korkean tehon olosuhteissa ja saavuttaa vaihelukitut lähdöt. Tutkijat ovat ehdottaneet useita erottuvia koherentteja synteesijärjestelmiä.
Spektrisynteesi on ei-koherentti synteesitekniikka, joka käyttää yhtä tai useampaa diffraktiohilaa diffraktioimaan useita alikäteitä samaan aukkoon, jolloin tuloksena on yksi aukkotulos hyvällä säteen laadulla. Kuitulaserien spektrisynteesi voi hyödyntää täysin Yb-seostettujen kuitulaserien laajan vahvistuksen kaistanleveyttä kompensoidakseen yksittäisen kuitulaserin rajoitetun lähtötehon.
