Fiber lazer nedir?
Optik fiber, optik fiberin kısaltmasıdır ve genellikle ışık dalgaları için silindirik bir dalga kılavuzudur. Işık dalgalarını çekirdeğe hapsetmek ve onları fiber ekseni yönünde yönlendirmek için toplam yansıma ilkesini kullanır. Bakır teli kuvars camla değiştirmek dünyayı değiştirdi.
Optik fiber, ışık dalgalarını iletmek için bir ortam olarak, yüksek iletişim kapasitesi, yüksek parazit bağışıklığı, düşük iletim kaybı, uzun röle mesafesi, iyi gizlilik, uyarlanabilirlik, küçük boyut sayesinde Charles Kao tarafından tanıtıldığı 1966'dan beri yaygın olarak kullanılmaktadır. , hafif ve bol miktarda hammadde kaynağı. "Fiber optiğin babası" olarak bilinen Kao, yaptığı çalışmalardan dolayı 2009 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. Fiber optiğin artan mükemmelliği ve pratikliği ile telekomünikasyon endüstrisinde devrim yarattı ve modern iletişimin temel bileşeni olarak büyük ölçüde bakır telin yerini aldı.
Optik fiber iletişim sistemi, bilgi taşıyıcısı olarak ışığı ve dalga kılavuz ortamı olarak optik fiberi kullanan bir iletişim sistemidir. Optik fiber bilgi ilettiğinde, elektrik sinyali optik sinyale dönüştürülür ve bu daha sonra fiberin içinde iletilir. Gelişmekte olan bir iletişim teknolojisi olarak, fiber optik iletişim en başından beri benzersiz bir üstünlük göstermiş ve büyük ilgi ve yaygın ilgi görmüştür. Optik fiberlerin iletişimde yaygın olarak kullanılması, aynı zamanda fiber optik amplifikatörlerin ve fiber lazerlerin hızlı gelişimine de katkıda bulunmuştur. Haberleşmeye ek olarak, fiber optik sistemler tıp, algılama ve diğer alanlarda da geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılmaktadır.
Optik fiberler
Bir fiber lazerin kazanç ortamı aktif fiberdir. Yapısına göre tek modlu fiber, çift kaplamalı fiber ve fotonik kristal fiber üçe ayrılabilir.
Tek modlu optik fiber tek modlu fiber, gelen ışığın geliş açısının daha büyük olduğu durumlarda, çekirdek malzemesinin kırılma indisinin kaplama malzemesinin kırılma indisinden n2 daha yüksek olduğu, bir çekirdek, kaplama ve kaplama tabakasından oluşur. kritik açılı resim, çekirdekteki ışık demetini tam olarak yayar, böylece fiber çekirdek yayılımındaki ışık demetine bağlanabilir. Tek modlu fiberlerin iç kaplaması, çok modlu pompa ışığı için sınırlayıcı bir rol oynayamaz ve çekirdeğin sayısal açıklığı düşüktür, bu nedenle lazer çıkışı elde etmek için çekirdeğe yalnızca tek modlu pompa ışığı bağlantısı kullanılabilir. İlk fiber lazerler bu tek modlu fiberi kullanıyordu, bu da düşük kuplaj verimliliğine ve milivat aralığında çıkış gücüne sahip lazerlere neden oluyordu.
Çift kaplı lifler
Maurer (R. Maurer), konvansiyonel tek modlu, tek kaplamalı iterbiyum katkılı (Yb3 plus ) liflerin dönüştürme verimliliği ve çıkış gücü üzerindeki sınırlamalarının üstesinden gelmek için ilk olarak 1974'te çift kaplamalı lifler kavramını önerdi. O zamandan beri, E. Snitzer ve diğerlerinin kaplama pompalama teknolojisini [3] önerdiği 1988 yılına kadar, yüksek güçlü Yb katkılı fiber lazerler/amplifikatörler hızla geliştirildi.
Çift kaplamalı fiber, geleneksel fibere bir kaplama katmanı, bir iç kaplama katmanı, bir dış kaplama katmanı ve katkılı bir fiber çekirdekten oluşan bir iç kaplama katmanı ekleyen özel bir yapıya sahip bir optik fiberdir. Kaplama pompalama teknolojisi, çekirdeği çok modlu pompa ışığının iç kaplamada iletilmesine ve lazer ışığının çekirdeğe iletilmesine izin vererek pompalama dönüştürme verimliliğine ve çıkış gücüne izin veren çift kaplamalı bir fibere dayanmaktadır. Fiber lazer büyük ölçüde geliştirilecek. Çift kaplamalı fiberin yapısı, iç kaplamanın şekli ve pompalı ışık birleştirme yöntemi bu teknolojinin anahtarlarıdır.
Çift kaplı fiberin çekirdeği, çalışma dalga boyuna karşılık gelen hem lazer ortamı hem de fiber lazerdeki lazer sinyalinin iletim kanalı olan nadir toprak elementleriyle katkılı silikon dioksitten (SiO2) oluşur. İç kaplamanın enine boyutu (geleneksel bir çekirdeğin çapının onlarca katı) ve sayısal açıklığı, çekirdeğinkinden çok daha büyüktür ve kırılma indisi, lazer ışığının yayılmasını tamamen sınırlayan çekirdeğinkinden daha küçüktür. çekirdek içinde. Bu, çekirdek ile dış kaplama arasında büyük bir kesitsel, büyük sayısal açıklıklı bir optik dalga kılavuzu oluşturur; bu, büyük sayısal açıklık, büyük kesit ve çok modlu yüksek güçlü pompalanan ışığın fibere bağlanmasına ve iletimle sınırlandırılmasına izin verir. difüzyon olmadan iç kaplama, yüksek güç yoğunluklu optik pompalamanın bakımını kolaylaştırır. Dış kaplama, iç kaplamadan daha küçük kırılma indisine sahip bir polimer malzemeden oluşur; en dıştaki tabaka ise organik malzemeden oluşan koruyucu bir tabakadır. Çift kaplamalı fiberin pompalanan ışığa bağlanma alanı, yalnızca çekirdek tarafından belirlenen geleneksel tek modlu fiberlerin aksine, iç kılıfın boyutuna göre belirlenir. Bir yandan, bu, lazer emisyonu için katkılı iyonları uyarmak üzere pompa ışığının iç kaplamadan birkaç kez geçmesine izin vererek insan fiber lazerinin güç birleştirme verimliliğini geliştirir; Öte yandan, çıkış ışın kalitesi, fiber çekirdeğin doğası tarafından belirlenir ve iç kaplamanın kullanılması, fiber lazer çıktısının ışın kalitesini bozmaz.
Başlangıçta, çift kaplı fiberlerin iç kaplaması silindirik olarak simetrikti ve üretimi nispeten basitti ve pompa lazer diyodunun (LD) örgüsüne bağlanması kolaydı, ancak mükemmel simetrisi, pompa ışığının çok sayıda spiral ışınıyla sonuçlandı. çekirdek tarafından absorbe edilecek yeterli yansımadan sonra bile çekirdek bölgeye asla ulaşmayan iç kaplama, böylece daha uzun liflerde bile hala büyük miktarda ışık sızıntısı vardır ve bu da dönüştürme verimliliğini artırmayı zorlaştırır. Bu nedenle iç kaplamanın silindirik simetrisinin kırılması gerekmektedir.
fotonik kristal lifler
Normal çift kaplı fiberlerde, çekirdeğin geometrisi çıkış lazer gücünü belirler. Sayısal açıklık, çıkış lazerinin ışın kalitesini belirler. Optik fiberlerdeki doğrusal olmayan etkilerin, optik hasarın ve diğer fiziksel mekanizmaların sınırlamaları nedeniyle, çekirdek çapını artırmanın tek bir yolu, geniş mod alanlı çift kaplamalı fiberlerde yüksek güç çıkışında tek modlu çalışma talebini karşılayamaz. Fotonik kristal lifler (PCF) gibi özel liflerin ortaya çıkışı, bu zorluğa etkili bir teknik çözüm sağlar.
Fotonik kristaller kavramı ilk olarak 19871'de E. Yablonovitch tarafından ışığın fotonik iletim bandında yayılmasına izin veren ve ışığın fotonik bant aralığında yayılmasını engelleyen bir, iki veya üç boyutta farklı dielektrik sabitlerine sahip periyodik bir yapı olarak tanıtıldı ( PBG). PCF'ler, mikro yapılı lifler veya gözenekli lifler olarak da bilinen iki boyutlu fotonik kristallerdir ve 1996'da JC Knight ve ark. toplam iç yansıma ile geleneksel fiberlerinkine benzer bir ışık yönlendirme mekanizmasına sahip ilk PCF'leri üretti. 2005'ten sonra, geniş mod alanlı PCF'lerin tasarımı ve hazırlanması, sızdıran kanallı PCF'ler, çubuk şekilli PCF'ler, geniş aralıklı PCF'ler ve çok çekirdekli PCF'ler dahil olmak üzere çeşitli şekillerin ortaya çıkmasıyla çeşitlenmeye başladı. Fiberin mod-alan alanı da buna bağlı olarak artmaya devam etmiştir.
Görünüşte, PCF'ler geleneksel tek modlu fiberlere çok benzer, ancak mikroskobik olarak karmaşık delik dizisi yapıları sergilerler. Kesintisiz tek modlu iletim, geniş mod alan alanı, ayarlanabilir dağılım ve düşük sınırlayıcı kayıp gibi geleneksel lazerlerin birçok zorluğunun üstesinden gelebilen PCF'lere geleneksel fiberlere göre benzersiz ve eşsiz avantajlar sağlayan bu yapısal özelliklerdir. . Örneğin PCF, fiberdeki doğrusal olmayan etkileri azaltarak ve fiberin hasar eşiğini artırarak ışın kalitesini garanti ederek fiberdeki lazer güç yoğunluğunu önemli ölçüde azaltırken geniş bir mod alan alanında tek modlu çalışma sağlayabilir; büyük bir sayısal açıklığa ulaşabilir, bu da daha fazla pompa optik kuplajı ve daha yüksek güçlü lazer çıktısı elde edilebileceği anlamına gelir. Bu, onu fiber lazerlerde yeni bir araştırma vurgusu haline getirdi ve yüksek güçlü fiber lazerlerin uygulanmasında giderek daha önemli bir rol oynadı.
Fiber lazerin icadı
Lazer kazanç ortamı olarak optik fiberleri kullanan lazerler, fiber lazerler olarak bilinir. Diğer lazer türleri gibi, üç bölümden oluşur: kazanç ortamı, pompa kaynağı ve rezonans boşluğu. fiber lazerler, kazanç ortamı olarak nadir toprak elementleri ile katkılanmış bir çekirdeğe sahip aktif bir fiber kullanır. Pompa kaynağı olarak genellikle bir yarı iletken lazer kullanılır. Rezonans boşluğu genellikle yansıtıcı aynalardan, fiber uç yüzeylerinden, fiber halka aynalardan veya fiber ızgaralardan oluşur.
Fiber lazerin zaman alanı özelliklerine göre, sürekli fiber lazer ve darbeli fiber lazer olarak ayrılabilir; rezonant boşluk yapısına göre, doğrusal boşluklu fiber lazer, dağıtılmış geri beslemeli fiber lazer ve halka boşluklu fiber lazer olarak ayrılabilir; kazanç fiberine ve farklı pompalama yöntemlerine göre, tek kaplama fiber lazer (fiber çekirdek pompalama) ve çift kaplama fiber lazer (kaplama pompalama) olarak ayrılabilir.
1961'de Snitzer, neodimyum (Nd) katkılı cam dalga kılavuzlarında lazer radyasyonu keşfetti. 1966'da Kao, optik fiberlerdeki ışık zayıflamasının ana nedenlerini ayrıntılı olarak inceledi ve optik fiberlerin iletişimde pratik uygulaması için çözülmesi gereken ana teknik sorunlara işaret etti. 1970, ABD'de Corning, optik iletişim ve optoelektronik endüstrisinin gelişiminin temelini oluşturan, 20 dB/km'den daha az zayıflamaya sahip optik fiberler geliştirdi. Bu, optik iletişim ve optoelektronik endüstrilerinin gelişiminin temelini attı. 1970'lerde ve 1980'lerde yarı iletken lazer teknolojisinin olgunlaşması ve ticarileşmesi, fiber lazerlerin geliştirilmesi için güvenilir ve çeşitli bir pompa kaynağı sağladı. Aynı zamanda, kimyasal buhar biriktirme yönteminin geliştirilmesi, fiber optiğin iletim kaybını sürekli olarak azaltır. Fiber lazerler ayrıca erbiyum (Er3 plus ), iterbium (Yb3 plus ), neodim (Nd3 plus ), samaryum (Sm 3 plus ), tülyum (Tm3 artı), holmiyum (Ho3 artı), praseodim (Pr3 artı), disprosyum (Dy3 artı), bizmut (Bi3 artı) vb. Katkılı iyonlara bağlı olarak, farklı dalga boylarında lazer çıkışı elde edilebilir. Farklı uygulamaların gereksinimlerini karşılamak için.
Yüksek güçlü fiber lazerlerin özellikleri
Yüksek güçlü fiber lazerlerin avantajları aşağıdaki gibidir.
(1) İyi ışın kalitesi. Optik fiberin dalga kılavuzu yapısı, tek bir enine mod çıkışı elde etmeyi kolaylaştırır ve yüksek parlaklıkta bir lazer çıkışı elde etmek için dış faktörlerin etkisi çok küçüktür.
(2) Yüksek verimlilik. Pompa kaynağı için yarı iletken lazerin emisyon dalga boyunu ve katkılı nadir toprak elementleri emme özelliklerini seçerek fiber lazer, çok yüksek bir ışık ve ışık dönüştürme verimliliği elde edebilirsiniz. İterbiyum katkılı yüksek güçlü fiber lazerler için, Yb3 plus'ın basit enerji seviyesi yapısı nedeniyle genellikle 915nm veya 975nm yarı iletken lazerleri seçin, yukarı dönüşüm, uyarılmış durum absorpsiyonu ve konsantrasyon patlamalarının meydana gelme olasılığı daha düşüktür, floresan ömrü daha uzundur ve etkili bir şekilde enerji depolayabilir yüksek güç çalışması için. Ticari fiber lazerlerin genel elektro-optik verimliliği yüzde 25'e kadar çıkıyor ve bu da maliyet düşürme, enerji tasarrufu ve çevre korumaya elverişli.
(3) İyi ısı dağılımı özellikleri. Fiber lazerler, çok geniş bir yüzey alanı/hacim oranına sahip ince, nadir toprak elementi katkılı bir fiber kullanan bir lazer kazanç ortamı olarak kullanılır. Katı blok lazerin yaklaşık 1000 katı, ısı yayma kapasitesi açısından doğal bir avantaja sahiptir. Düşük ve orta güçlü kasalar için fiberin özel bir şekilde soğutulması gerekmez ve yüksek güçlü kasalar için su soğutması kullanılır, bu da katı hal lazerlerinde yaygın olarak bulunan termal etkiler nedeniyle ışın kalitesinin ve verimliliğin bozulmasını etkili bir şekilde önler.
(4) Kompakt yapı, yüksek güvenilirlik. Fiber lazer, lazer kazanç ortamı olarak küçük ve esnek bir fiber kullandığından, hacmi sıkıştırmaya ve maliyetten tasarruf etmeye yardımcı olur. Pompa kaynağı aynı zamanda küçük boyutlu, kolay modüler yarı iletken lazerlerde de kullanılır, ticari ürünler genellikle fiber Bragg ızgarası ve diğer fiber optik cihazlarla birleştirilmiş pigtail çıkışlı olarak mevcuttur, bu cihazlar tam fiber elde etmek için birbirleriyle kaynaştıkları sürece, çevresel bozulmalara karşı bağışıklık, yüksek stabilite ile bakım süresinden ve maliyetlerinden tasarruf sağlayabilir.
Yüksek güçlü fiber lazerlerin üstesinden gelinmesi zor olan dezavantajları da vardır: bunlardan biri, doğrusal olmayan etkilere karşı savunmasızlıktır. Fiber lazerler, dalga kılavuzlarının geometrisi nedeniyle çeşitli doğrusal olmayan etkiler için uzun bir etkin uzunluğa ve düşük bir eşiğe sahiptir. Uyarılmış Raman saçılması (SRS), öz faz modülasyonu (SPM) vb. gibi bazı zararlı doğrusal olmayan etkiler, spektrumda faz dalgalanmalarına ve enerji transferine ve hatta lazer sistemine zarar vererek yüksek güçlü fiber gelişimini sınırlayabilir. lazerler. İkincisi, foton karartma etkisidir. Pompalama süresindeki artışla birlikte, foton koyulaştırma etkisi, nadir toprak elementi katkılı fiber güç dönüşüm verimliliğinde yüksek doping konsantrasyonuna yol açabilir, bu da özellikle bariz olan yüksek güçlü fiber lazerlerin uzun vadeli kararlılığını ve hizmet ömrünü sınırlar. iterbiyum katkılı yüksek güçlü fiber lazerlerde.
Yüksek parlaklıkta fiber bağlantılı yarı iletken lazerlerin ve çift kaplamalı fiber teknolojisinin gelişmesiyle, yüksek güçlü fiber lazerlerin çıkış gücü, optik-optik dönüşüm verimliliği ve ışın kalitesi önemli ölçüde gelişmiştir. Endüstriyel işlemede, Amerika Birleşik Devletleri Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) ve Almanya Tong Express Group'a yönlendirilmiş enerji silahları, uzun menzilli telemetri, LIDAR ve büyük talep çeken diğer uygulamalar, özellikle sürekli dalga, darbe dalgası yüksek güçlü fiber lazer araştırma ve geliştirme araştırma birimleri, zengin bir ürün yelpazesini piyasaya sürdü. Tsinghua Üniversitesi, Ulusal Savunma Teknolojisi Üniversitesi, Çin Bilimler Akademisi Şangay Optik ve Hassas Makine Enstitüsü ve Çin Havacılık ve Uzay Bilimleri Dördüncü Araştırma Enstitüsü de dahil olmak üzere Çin'deki bir dizi birim tarafından da heyecan verici sonuçlar bildirildi. Sanayi A.Ş.
Fiber lazer güç geliştirme teknolojisi
Fiber lazerdeki doğrusal olmayan etkiler, termal etkiler ve malzeme hasar eşik sınırlamaları nedeniyle, tek bir fiber lazerin çıkış gücü bir dereceye kadar sınırlıdır ve güç arttıkça ışın kalitesi kademeli olarak düşerek kullanılmasını gerektirir. mod kontrol teknolojisi ve ışın kalitesini iyileştirmek için yeni fiberin özel bir yapısının tasarımı. Dawson (JW Dawson) ve arkadaşları, tek bir fiberin çıkış gücü sınırını teorik olarak analiz ettiler ve geniş bant fiber lazerlerde tek bir fiberin maksimum 36 kW yakın kırınım limiti lazer çıkışı gücü elde edebileceğini hesapladılar, dar hat genişliği fiber lazerler için ise maksimum güç 2 kW'dır. Fiber lazer ve amplifikatörün çıkış gücünü daha da artırmak için, uyumlu sentez teknolojisi ile çoklu fiber lazerlerin güç sentezi etkili bir yöntemdir. Son yıllarda uluslararası bir araştırma merkezi haline geldi.
Tutarlı sentez, her bir lazer ışınının fazını, frekansını ve polarizasyonunu belirli bir tutarlılıkla kontrol ederek elde edilir, böylece tutarlılık koşulunu karşılar ve homojen bir faz kilitli çıktı elde eder; bu, basit uyumsuzdan çok daha yüksek bir tepe yoğunluğu elde edebilir. üst üste bindirin ve iyi ışın kalitesini koruyun. Tutarlı sentez teknolojisinin gelişim tarihi, neredeyse lazerlerin tarihi kadar uzundur ve çeşitli gaz lazerleri, kimyasal lazerler, yarı iletken lazerler, katı hal lazerleri vb. İlk günlerde, tutarlı sentez teknolojisi ile elde edilen deneysel sonuçlar, o sırada karşılık gelen tek bağlantılı lazerin maksimum çıkış gücünü kırmadı, bu nedenle etki çok açık değildi. 1990'lardan itibaren, fiber lazerlerin ortaya çıkışı, tutarlı sentez tekniklerinin hızlı bir şekilde gelişmesine yol açtı. Fiber lazerlerin benzersiz avantajlarına ve yüzlerce kilovatlık taktiksel kullanım ihtiyacına ek olarak, birkaç cihaz (örn. fiber koni kuplörleri, çok çekirdekli fiberler, örgülü faz modülatörleri ve akustik-optik frekans değiştiriciler, vb.) fiber optik iletişimin ticari olarak piyasaya sürülmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Fiber koni kuplörleri ve çok çekirdekli fiberler, lazer enerji enjeksiyon kuplajına ve hızlı dalga kuplajına dayalı pasif faz kontrolünü kolaylaştırırken, örgülü faz modülatörleri ve akustik-optik frekans kaydırıcılar, faz dalgalanmalarını kontrol etmek için kullanılabilen megahertz kontrol bant genişlikleriyle aktif faz kontrolü sağlar. yüksek güç koşulları ve faz kilitli çıkışlar elde edin. Araştırmacılar, bir dizi ayırt edici tutarlı sentez şeması önerdiler.
Spektral sentez, birden fazla alt ışını aynı açıklığa kırmak için bir veya daha fazla kırınım ızgarası kullanan ve iyi ışın kalitesine sahip tek bir açıklık çıkışı sağlayan tutarlı olmayan bir sentez tekniğidir. Fiber lazerlerin spektral sentezi, tek bir fiber lazerin sınırlı çıkış gücünü telafi etmek için Yb katkılı fiber lazerlerin geniş kazanç bant genişliğinden tam olarak faydalanabilir.
