Kuitu laser

Kuitulaser on laser , jonka aktiivinen väliaine ja mahdollisesti resonaattori ovat optisen kuidun elementtejä . Täyskuitutoteutuksessa tällaista laseria kutsutaan täyskuitulaseriksi, kun lasersuunnittelussa käytetään kuitua ja muita elementtejä, sitä kutsutaan kuitudiskreetiksi tai hybridiksi [1] . Kuitulasereita käytetään teollisuudessa metallien leikkaamiseen ja tuotteiden merkitsemiseen, metallien hitsaukseen ja mikroprosessointiin, kuituoptisiin tietoliikennelinjoihin [2] . Niiden tärkeimmät edut ovat säteilyn korkea optinen laatu, pienet mitat ja mahdollisuus upottaa kuitulinjoihin [3] .

Kuitulasereita on laaja valikoima malleja niiden sovelluksen erityispiirteiden vuoksi. Sekä Fabry-Perot- resonaattoreita että rengasresonaattoreita käytetään laajasti niiden valmistuksessa . [4] [5] Erikoistekniikoilla voidaan luoda yksipolarisaatiolasereita, ultralyhyen pulssin lasereita ja muita. [6] [7] Kaikki kuitulaserit käyttävät erikoistyyppisiä optisia kuituja , joihin on upotettu yksi tai useampi aaltoputki optista pumppausta varten [8] .

Historia

Elias Snitzer ja Will Hicks osoittivat ensimmäisinä vuonna 1961 lasersäteilyn siirtämisen optisen kuidun yli . [9] Niiden suunnittelun suurin haitta oli säteilyn voimakas vaimeneminen kuidun kulun aikana. Muutamaa vuotta myöhemmin Snitzer loi kuitenkin ensimmäisen laserin, jonka työväline oli neodyymillä seostettu optinen kuitu [10] . Vuonna 1966 Charles Kao ja George Hockham loivat optisen kuidun, jonka vaimennus oli noin 20 dB /km, kun taas muille tuolloin olemassa olleille kuiduille oli ominaista yli 1000 dB/km vaimennus. Kao-kuidun tietokapasiteetti vastasi kahtasadaa tv-kanavaa. Sisähalkaisija oli noin 4 mikronia ja koko aaltoputken halkaisija oli noin 400 mikronia. Optisten kuitujen valmistuksen edistyminen on tuonut niihin laajaa huomiota keinona lähettää signaaleja pitkiä matkoja. [yksitoista]

Kuitulaserien nopea kehitys alkoi 1980 - luvun lopulla . Tärkeimmät tutkimusalueet liittyivät kokeilemiseen erilaisten epäpuhtauksien käytössä optisissa kuiduissa syntyvän säteilyn määriteltyjen parametrien saavuttamiseksi. Erityisesti ultralyhyiden pulssien tuottaminen spektrin infrapuna-alueella oli erityisen kiinnostavaa. Vuodesta 1993 lähtien erbiumlaserien teollisia näytteitä on käytetty laajalti antureissa ja viestinnässä . [12] 1990-luvulla erbiumlaserien tuotantoteho ylitti 1 W:n kynnyksen, ja esiteltiin neljän watin erbiumlaser [13] . Vuoden 2000 jälkeen ytterbiumlaserit herättivät huomiota ja osoittivat merkittävää potentiaalia tehon lisäämiseen. [neljätoista]

Vuosina 1993-1994 pieni ryhmä venäläisen NTO " IRE-Polyus " -yhtiön työntekijöitä kehitti ensimmäiset prototyypit diodipumppaavista valokuituvahvistimista , jotka ylittivät teholtaan ulkomaiset analogit. Myöhemmin tämän yrityksen perustaja V. P. Gapontsev loi kansainvälisen IPG Photonics -yhtiön , joka hallitsee tällä hetkellä 80 prosenttia suuritehoisten kuitulaserien maailmanmarkkinoista. Sen päätuotantolaitokset sijaitsevat Yhdysvalloissa, Saksassa ja Venäjällä [15] [16] .

Toimintaperiaatteet

Yleinen kaavio

Kuitulaser koostuu pumppumoduulista (yleensä laajakaista - LEDistä tai laserdiodeista ), valonohjaimesta , jossa generointi tapahtuu, ja resonaattorista. Valonohjain sisältää aktiivista ainetta ( seostettu optinen kuitu on ydin ilman kuorta, toisin kuin perinteiset optiset aaltoputket) ja pumppuaaltoputkia [ 8] . Resonaattorin suunnittelu määräytyy yleensä toimeksiantojen mukaan , mutta yleisimmät luokat voidaan erottaa: Fabry-Perot-resonaattorit ja rengasresonaattorit . [17] Teollisuuslaitteistoissa ulostulotehon lisäämiseksi useita lasereita yhdistetään joskus yhdeksi laitokseksi [18] .

Aktiivikuitu

Ultrapuhdas sulatettu piidioksidi , joka on optisten kuitujen päämateriaali, on erittäin läpinäkyvä (optinen häviö on muutama prosentti pituuskilometriä kohti). Erityiset epäpuhtaudet, jotka on lisätty kvartsiin dopingilla , muuttavat sen aktiiviseksi väliaineeksi. Säteilytaajuuden ( tietoliikenteen infrapuna -alue ) ja matalan kynnyksen pumpputehoa koskevien vaatimusten perusteella doping suoritetaan pääsääntöisesti lantanidiryhmän harvinaisten maametallien kanssa . Yksi yleisimmistä kuitutyypeistä on laser- ja vahvistusjärjestelmissä käytetty erbium , jonka toiminta-alue on aallonpituusalueella 1530-1565 nm. Koska metastabiilin tason alitasoilta siirtyminen maanpinnalle on erilainen, generoinnin tai vahvistuksen tehokkuus vaihtelee eri aallonpituuksilla toiminta-alueella. [19] Harvinaisten maametallien ionien seostusaste riippuu yleensä valmistettavan aktiivikuidun pituudesta. Jopa useiden kymmenien metrien alueella se voi vaihdella kymmenistä tuhansiin ppm :iin ja kilometrien pituuksilla 1 ppm tai vähemmän. [kaksikymmentä]

Pumppaus

Optisten aaltoputkien pumppaamiseen on olemassa erilaisia malleja, joista puhtaita kuitumalleja käytetään yleisimmin. Yksi vaihtoehto on sijoittaa aktiivikuitu useiden verhousten sisään, joista ulompi on suojaava (ns. kaksoispinnoitettu kuitu ).

Ensimmäinen kuori on valmistettu puhtaasta kvartsista, jonka halkaisija on useita satoja mikrometrejä , ja toinen on valmistettu polymeerimateriaalista , jonka taitekerroin on valittu huomattavasti pienemmäksi kuin kvartsilla. Siten ensimmäinen ja toinen verhous muodostavat monimuotoisen aaltoputken, jolla on suuri poikkileikkaus ja numeerinen aukko , johon pumpun säteily laukaistaan. Harvinaisten maametallien ionien tehokas viritys saavutetaan valitsemalla aktiivisen ytimen ja pumpun aaltoputken halkaisijat. Tällä tekniikalla saat noin 100 W:n lähtötehon [8] .

Suuri pumpputeho saavutetaan GTWave-tekniikalla. Yhteen suojakuoreen on rakennettu useita aaltoputkisydämiä, joista yksi on aktiivinen väliaine, kun taas muut ovat pumppuaaltoputkia. Pumppaus tapahtuu häipyvän kentän ansiostatunkeutuvat aktiiviseen väliaineeseen niiden seinien kautta. Tekniikan ominaisuus on mahdollisuus tuoda pumpun säteilyä kummankin pumpun aaltoputken molempien päiden läpi ja WDM-kytkimien tarve [8] [21] .

Pumpun sallittua tehoa rajoittaa suurin säteilyteho pinta-alayksikköä kohti, jonka aine kestää tuhoutumatta. Puhtaalla piillä se on 10 10 W /cm2 ( 22 J / cm2 1 ns:n pulssille aallonpituudella 1 μm [22] ). Siten pumpputehon yläraja optiselle kuidulle, jonka sydämen halkaisija on 8 μm, on noin 5 kW. [23]

Fabry-Perot resonaattorit

Fabry-Perot-interferometriin perustuvat resonaattorit ovat yleisimpiä. [4] Niiden väliset erot ovat tavassa, jolla resonaattoripeilit luodaan.

Dielektrisiä peilejä käyttävät resonaattorit

Ensimmäisissä kuitulasereissa dielektrisiä peilejä käytettiin Fabry-Perot-resonaattorin luomiseen, koska ne pystyivät luomaan käytännössä läpinäkyviksi pumpun aallonpituudella 0,82 μm, säilyttäen samalla korkean heijastuskertoimen 1,088 μm:n sukupolven aallonpituudella (nämä olivat laserien parametrit, joissa käytettiin kuitua, seostettu Nd 3+ -ioneilla ). Aluksi kuitu asetettiin peilien väliin, mutta tätä mallia oli vaikea kohdistaa . Ongelman osittainen ratkaisu oli dielektristen peilien kerrostaminen suoraan kuidun päihin, mikä kuitenkin lisäsi niiden vaurioitumisen riskiä suuritehoisen fokusoidun pumppusäteilyn vaikutuksesta ja tiukensi vaatimuksia optisen kuidun päiden käsittelylle. Peilien suojausongelma ratkaistiin joskus WDM-hanoilla . [17]

Resonaattori, jossa käytetään kuitu Bragg-ritilöitä

Optisen kuidun sisällä oleva resonaattori muodostuu kuidun sisäisten Bragg -hilojen pareista - optisen aaltoputken osista, joihin luodaan moduloidun taitekertoimen omaava rakenne . Alueet, joilla on muuttunut taitekerroin (iskut), sijaitsevat kohtisuorassa aaltoputken akseliin nähden . Heijastus tällaisesta rakenteesta tapahtuu aallonpituudella

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

missä on perusmoodin tehollinen taitekerroin ja hilajakso. Heijastuksen luonne (täysi tai osittainen) riippuu sen parametreista. Heijastusspektrin leveys suurella iskumäärällä tulee verrannollinen heijastuskertoimeen liittyvään kytkentäkertoimeen suhteella $n_{\text{eff))$ $\Lambda _{B}$ $\kappa$

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

missä L on hilan pituus. Käytännössä kuidun sisälle luodulla Bragg-hilalla on hieman erilaiset parametrit, koska jo sen luominen muuttaa tehollista taitekerrointa hilan sijainnissa ja siten sen erittäin resonanssia aallonpituutta. Korkeat lämpötilat ovat vaarallisia kuidunsisäisille ritileille. Vaikka yleensä hilan hajoamislämpötila riippuu merkittävästi sen valmistustavasta ja kuitumateriaalista, kriittiset lämpötilat ovat useimmiten välillä 300–600 °C [8] [24] . Bragg-hilojen taajuusselektiivisyys mahdollistaa laserin, joka toimii yhdessä pitkittäismoodissa kapealla sukupolven taajuuskaistalla. [25] Kuitu-Raman-laserit luovat joskus useamman kuin yhden parin Bragg-hilaa eri aallonpituuksilla saavuttaakseen korkeamman sirontajärjestyksen (jokainen peräkkäinen sirontajärjestys muuttaa fotonien aallonpituutta, mikä mahdollistaa halutun aallonpituuden saavuttamisen) [8] .

Rengasresonaattorit

Yksinkertaisin rengasresonaattorirakenne on yhdistää WDM-kytkimen molemmat päät aktiivikuituun. Kuiturengasresonaattoreiden ominaisuus on valon siirtyminen vain yhteen suuntaan taajuudesta riippumatta, lukuun ottamatta joitain resonanssitaajuuksia. Vaihesiirto tällaisessa resonaattorissa ilmaistaan kaavalla

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

missä on resonaattorin pituudesta johtuva vaiheen tunkeutuminen, on tehojen suhde resonaattorin muodostavan kuitusegmentin lähdössä ja sisääntulossa. [26] Tyypillisesti rengasresonaattoreissa käytetään lisäeristimiä ja polarisaattoreita varmistamaan säteilypolarisaation ja yksisuuntaisen etenemisen turvallisuus. Samanlaisia malleja ilmestyi jo vuonna 1958 neodyymikuitulasereille. Tilalukittuihin lasereihin käytetään ns. kahdeksaslukulasereita , jotka on nimetty kuituliitoksen muodon mukaan. Kahdeksan resonaattorin molemmat silmukat toimivat Sagnac-silmukoina . Aktiivikuitu on sijoitettu epäsymmetrisesti resonaattorisilmukoiden suhteen, mikä luo epälineaarisen vaihe-eron vastaetenevien aaltojen välille ja varmistaa moodilukituksen, kun pumpun tietty kynnysteho ylittyy. [5] $\phi$ ${\displaystyle \rho =P_{\mathrm {out} }/P_{\mathrm {inp} ))$

Rengasresonaattorit kuitulasereissa
Perinteinen rengasresonaattori, joka on rakennettu kuitulaseriin. In : pumpun säteily. Out : lähtösäteily. 1 : aktiivinen kuitu. 2 : polarisaattori. 3 : optinen eristin. 4 WDM-napauta.
Kuitulaser kahdeksaslukuisella rengasresonaattorilla . In : pumpun säteily. Out : lähtösäteily. 1 : aktiivinen kuitu. 2 : polarisaattori. 3 : optinen eristin. 4 WDM-napauta. 50:50 jakaja 50/50.

Tekniset ominaisuudet

Jatkuva ja pulssituotanto

CW laserit

Historiallisesti neodyymiseostetut CW-laserit , jotka toimivat noin 0,8 μm:n aallonpituudella, herättivät ensimmäisiä kiinnostusta. Laajan absorptiokaistansa ansiosta ne ovat hyvin viritetty 50–60 nm:n alueella. Yleensä niitä käytetään generointiin yli 1,36 µm:n aallonpituuksilla, lyhyemmillä aallonpituuksilla käytetään ZBLAN-kuitujen neodyymisopausta . [27]

Ytterbiumlaserit ovat suurelta osin samanlaisia kuin neodyymilaserit sukupolven aallonpituuksien suhteen. Kuitenkin, koska virittyneiltä tasoilta puuttuu absorptio (vaikutus, jossa viritetyt energiatasot eivät vain lisää stimuloitua emissiota, vaan myös absorboivat pumpun säteilyä siirtyen korkeammalle energiatasolle [28] ), ytterbium-ionien seostus mahdollistaa saada suurempi teho. Niiden säteilytehon yläraja määrää säteilytiheyden, joka yli 1 GW/cm 2 voi johtaa voimakkaisiin epälineaarisiin vaikutuksiin. Siksi käytännössä haetaan tasapainoa sydämen halkaisijan, jonka kasvu mahdollistaa pumpun tehon lisäämisen, ja numeerisen aukon arvon välillä, joka tässä tapauksessa pienenee. 10 kilowatin teho laserasennus saattaa vaatia 100 μm:n sydämen halkaisijan ja sisäverhouksen (pumpun aaltoputken), jonka halkaisija on 1 mm, mikä ei ole kovin kätevää. Yksi alkuperäisistä ratkaisuista tämän tehoisille lasereille oli kuidun valmistus, jossa seostettu ydin kierrettiin spiraaliksi. [29]

Kuitulaserit, joissa käytetään erbiumkuitua (joskus seostettu Yb 2 O 3 :lla herkistymistä varten), mahdollistavat tuotannon sekä näkyvällä että infrapuna-alueella . Niiden pumppaamiseen käytetään GaAs -puolijohde- ja Nd:YAG-lasereita . Ne ovat tehokkaimpia, kun niitä pumpataan 0,95 µm:n tai 1,48 µm:n aallonpituuksilla, joissa ei ole absorptiota viritetyistä tasoista. Erbiumlaserien etuna on kyky virittää aallonpituutta laajalle alueelle, jota käytetään myös generointilinjan spektrin leveyden pienentämiseen. Kytkettyjen resonaattoreiden avulla luotiin laser, joka pystyy tuottamaan säteilyä kahdella eri aallonpituudella, leveys 16 kHz. [kolmekymmentä]

Nanosekuntien pulssien generointi

Tehokkaiden nanosekunnin pulssien saamiseksi toistonopeudella yksikköjä ja kymmeniä kilohertsejä käytetään usein Q - kytkentää . Sitä käyttävät kuitulaserit pystyvät tuottamaan säteilyä, jonka energia on suuruusluokkaa 1 mJ pulssia kohden ja jonka huipputeho on yli 100 kW. [31]

Käytännössä Q-kytkentä voidaan toteuttaa monella eri tavalla. Jo 1980-luvun puolivälissä käytettiin intrakaviteettiakustooptisia modulaattoreita ja 1990-luvun lopussa erbiumkuitulasereita , joiden aktiivikuitupituus oli jopa 79 cm ja tila-alue.

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

työskentely master-oskillaattorien ( englanniksi master oscillator power amplifier, MOPA ) avulla. [32]

Epälineaariset prosessit Raman- tai Mandelstam-Brillouin-sironnalla , jotka johtivat tavanomaisen (seostamattoman) kuidun laatutekijän itsemodulaatioon, ovat olleet tunnettuja jo pitkään. Vuonna 1998 saatiin aikaan 2 ns:n pituisten pulssien generointi neodyymikuitulaserilla, johon kiinnitettiin kymmenen metriä pitkä yksimuotokuitu. Taaksepäin suuntautunut Stokes-aalto tuli laseronteloon lyhyiden pulssien muodossa, mikä johti vaadittuun laserointiohjelmaan. Kaksi vuotta myöhemmin osoitettiin 4-metrinen ytterbiumlaser, joka synnytti pulsseja, joiden kesto oli noin 100 ns. On huomattava, että käytännössä ilman lisälaitteita tämän tyyppisten sironnan stokastinen luonne johtaa generointiamplitudin epävakauteen. [33]

Piko- ja femtosekuntipulssien generointi

Yleinen menetelmä piko- ja femtosekuntien laserpulssien saamiseksi on tilan lukitus . Kuitulaserissa voidaan lähettää samanaikaisesti suuri määrä pitkittäisiä moodeja niiden välisellä taajuusetäisyydellä , jossa on optisen reitin pituus per onkalon läpikulku. Tilalukituksen sanotaan tapahtuvan, kun sama vaihe-ero esiintyy minkä tahansa vierekkäisen moodin välillä . Silloin säteilyn intensiteetti I on verrannollinen funktioon, joka riippuu kytkettyjen moodien M määrästä ja niiden välisestä taajuuserosta: $\Delta \nu=c/L_{\text{opt))$ $L_{\text{opt))$ $\phi$

I\sim {\frac {\sin ^{2}[(2M+1)\pi \Delta \nu t+\phi /2]}{\sin ^{2}(\pi \Delta \nu t+ \phi /2)}}.

Tuloksena on, että laser lähettää sarjan pulsseja, joiden kesto ja väli on väli . [34] $\tau _{p}={\frac {1}{(2M+1)\Delta \nu }}$ $\tau _{i}={\frac {1}{\Delta \nu }}$

Kuitulaserit käyttävät useita eri tilan lukitustyyppejä. Aktiivinen synkronointi koostuu optisen kentän moduloinnista amplitudissa tai vaiheessa. Kuitulasereissa LiNbO 3 - sähköoptiset modulaattorit ovat kooltaan ja häviöiltä hyväksyttäviä, kun ne liitetään kuitulaitteisiin . Pulssien kesto ja niiden välinen aika määräytyy resonaattorin suunnittelun mukaan. Esimerkiksi rengasresonaattorissa, johon on kytketty perinteinen 2 km pitkä kuitu vahvalla poikkeavalla dispersiolla, voidaan saada pulssin kesto noin 4 ps. Fabry-Perot-resonaattori mahdollistaa kestojen ps saavuttamisen. On laitteita, joiden avulla on mahdollista saada pulsseja, joiden kesto on jopa 10 ps, toistotaajuudella jopa 10 GHz. Kuitenkin yleinen ongelma tämän tyyppisissä lasereissa on pulssiamplitudin epävakaus pitkän tuotantojakson aikana. Täyskuiturakenne, joka käyttää aktiivista tilan lukitusta, käyttää molemminpuolista vaihemodulaatiota . [35] $\tau _{p}<2$

Femtosekuntien pulssien saamiseksi käytetään passiivisen tilan lukitusta. Tällöin käytetään jotain epälineaarista elementtiä, jonka kulun aikana liikemäärä kapenee. Epälineaarisina elementteinä voivat toimia ns. saturaatiovaimentimet, kuitusilmukkatyyppiset epälineaariset peilit jne. Kyllästyvän vaimentimen käytön ideana on, että kun pulssi etenee tällaisen laitteen läpi, sen reunat absorboituvat paljon voimakkaammin kuin keskusta (jonka amplitudi on paljon suurempi). Tämä vastaa pulssin keston lyhentämistä. On näytteitä lasereista, jotka käyttävät kyllästyviä absorboijia tuottamaan pulsseja, joiden kesto on 320 fs. Epälineaariset peilit tai epälineaarinen polarisaatiokierto mahdollistavat kuiturakenteen. [36]

Yksipolarisaatiolaserit

Jopa yksimuotokuiduissa läheisten etenemisvakioiden ja ortogonaalisten polarisaatioiden välillä on suhde . Kuituoptisissa tietoliikennelinjoissa tämä on kaistanleveyttä ja pituutta rajoittava tekijä, koska on edullista säilyttää polarisaatio, kun pulssi etenee kuitua pitkin. [37]

Kuitulasersäteilyn polarisaatio riippuu yleensä epälineaarisesti monista tekijöistä, erityisesti pumpun tehosta. Usein käytetty menetelmä yhden ortogonaalisten polarisaatioiden vaimentamiseen on kuidunsisäisen polarisaattorin käyttö . Sen roolia esittää tietyn osan metallilanka (esimerkiksi latinalaisen kirjaimen D muodossa), joka on upotettu kuituun ja venytetty sen ydintä pitkin. Polarisaatiossa, joka on kohtisuorassa D-muotoisen filamentin tasaiseen pintaan nähden, ohminen häviö on tarpeeksi voimakas vähentämään merkittävästi sen intensiteettiä. Toisen tyyppisen, samaan fysikaaliseen periaatteeseen perustuvan kuitupolarisaattorin luomiseksi optista kuitua käsitellään siten, että ytimestä muodostuu aallonpituuden luokan etäisyydelle kiillotettu pinta, jolle kerrostetaan metallikerros. Kuvattujen mallien kokeelliset tutkimukset osoittivat jopa 25 dB:n eron polarisaatioamplitudeissa infrapuna -alueella useiden milliwattien luokkaa olevalla lähtöteholla ja noin 25 % :n hyötysuhteella . [6]

Pohjimmiltaan erilainen menetelmä on käyttää optisia kuituja, joilla on vahva moodikaistaitaite . Nämä ovat kuituja, joissa valon etenemiskanavan epäsymmetria luodaan keinotekoisesti, esimerkiksi luomalla elliptinen ydin tai sivusyvennykset, jotka aiheuttavat kuituun tiettyyn suuntaan mekaanisia rasituksia . Niissä moodeilla, joilla on eri polarisaatio, on erilaiset etenemisvakiot. Tarvittava polarisaatio saadaan aikaan käyttämällä kuidun sisäisiä Bragg-hiloja , joissa heijastuskerroin riippuu Fabry-Perot-resonaattorin polarisaatiosta . [37] [6]

Ylösmuunnos

Up-conversion (up-conversion) ovat lasereita, joissa emission aallonpituus on lyhyempi kuin pumpun aallonpituus (useimmissa tavanomaisissa valolla pumppaavissa lasereissa toteutuu päinvastainen tilanne). Up-conversion pumppausmenetelmä koostuu useiden fotonien absorptiosta aktiiviseen väliaineeseen , minkä seurauksena siirtymäenergia lopulliselta energiatasolta ylittää kunkin absorboidun fotonin energian. Kuitulasereissa sen käyttö vaatii usein fluorikuitujen ( ZBLAN ) käyttöä. Up-konversiota käytetään tuliumilla , erbiumilla ja praseodyymi / ytterbium - seostetuissa lasereissa [38] . On huomattava, että generointiin käytetyn ionin jokainen energiataso levenee johtuen vuorovaikutuksesta matriisin kanssa. Up-conversio on erittäin kiinnostava, koska sen avulla voidaan luoda lasereita, jotka toimivat spektrin sinisellä alueella, kun käytetään pumppausta punaisella tai infrapuna-alueella. [39]

Tyypillinen kaavio tuliumaktiivisen kuidun pumppaamiseksi (aktiiviset keskukset ovat Tm 3+ -ioneja ) fotonien kolmen fotonin absorptiolla 1,06 μm koostuu siirtymistä , , . Välisiirtymät ovat rentoutumista. Tuloksena syntyy voimakasta säteilyä aallonpituudella 475 nm siirtymäkohdassa . Fotonien, joiden aallonpituus on 660 nm, kahden fotonin absorptio johtaa siirtymiin ja sitä seuraavaan 460 nm:n valokvantin emissioon. [40] [39] $^{3}H_{6}\to {^{3}H_{5))$ $^{3}F_{4}\to {^{3}F_{2))$ $^{3}H_{4}\to {^{1}G_{4))$ ${^{3}H_{5}}\to {^{3}F_{4}}$ ${^{3}F_{2}}\to {^{3}H_{4}}$ $^{1}G_{4}\to {^{3}H_{6))$ $^{3}H_{6}\to {^{3}F_{2,3))$ $^{3}H_{4}\to {^{1}D_{2}}$

Praseodyymi on erittäin kiinnostava toimiva ioni, koska sillä seostettujen kuitujen ylösmuuntokaavio mahdollistaa punaisen, oranssin, vihreän ja sinisen värin muodostuksen. Usein käytetään lisäseostusta ytterbiumilla, koska suuritehoisten GaAs - diodien toiminta-alueella on erittäin laaja absorptioalue. Yt 3+ -ionit toimivat herkistiminä (hiukkaset, jotka siirtävät energiaa eri ionitasojen välillä, jotka toimivat tuottamiseen). [41]

Raman laserit

Laserin generointitaajuus voidaan muuntaa stimuloidulla Raman-sironnalla (SRS, Raman-ilmiö). Laseissa se ilmenee paljon heikommin kuin joissakin epälineaarisissa kiteissä ja nesteissä, mutta optisen kuidun pienten optisten häviöiden vuoksi SRS on varsin tehokas käytännön käyttöön. Roger Stolen osoitti Raman-ilmiön kuitulasereissa ensimmäisen kerran vuonna 1972, ja siitä lähtien Raman-kuitulaserien aktiivinen kehittäminen on jatkunut. Ne ovat erittäin kiinnostavia, koska generointitaajuutta siirretään spektrin infrapuna-alueelle, jossa harvinaisten maametallien solid-state laserit ovat tehottomia [8] . Yhdessä dispersiivisten resonaattoreiden kanssa niihin on mahdollista saada taajuuden viritys alueella 1,1–1,6 μm säilyttäen samalla korkea lähtöteho. [42]

Kuitu-Raman-laserien ontelot muodostuvat Bragg-hileiden pareista , jotka lasketaan pumpun säteilyn täydelliselle siirtymiselle ja havaittavalle heijastukselle sironneen säteilyn Stokes-komponentin aallonpituudella (noin 99,9 % täysin heijastavalla peilillä ja 5 %. lähtöpeilille). Joskus käytetään useita hilapareja korkeamman asteen Stokes-komponenttien saamiseksi. [43] [8] Yleisimmät ovat germanosilikaattikuituja käyttävät Raman-laserit, johtuen siitä, että stimuloidun Raman-sironnan tehokkuus ja valoherkkyys niissä ovat huomattavasti korkeammat kuin puhtaissa kvartsikuiduissa, ja se kasvaa germaniumpitoisuuden kasvaessa . Tyypillistä CW-laseria pumppaa toinen YAG : Nd3 + -laser aallonpituudella 1,06 μm. Neodyymilaserin ensisijainen pumppaus suoritetaan puolijohdediodeilla. Aktiivikuidun pituus voi olla 800 m. Sen resonaattorit syntyvät kolmen tai useamman Bragg-hilan parin (kaskadin) avulla. Samanlainen viisivaiheinen laser, jonka aallonpituus on 1,48 μm, antaa 1,5 W:n lähtötehon ja sitä käytetään kuituvahvistimien pumppaamiseen FOCL :ssä . [44]

Fotonikiteisiin perustuvat kuitulaserit

Ns. mikrorakenteinen tai fotonikiteinen optinen kuitu (FKOV, englanti photonic crystal fiber (PCF), holey fiber tai mikrorakennekuitu ) eroaa merkittävästi perinteisesti käytetyistä optisista kuiduista. Jos jälkimmäisessä valonohjain muodostuu kerroksista, joilla on erilaiset taitekertoimet , niin FCO:ssa valoa läpäisevän rakenteen muodostavat ilmakanavat (esim. sylinterimäiset), jotka ympäröivät kiinteää (tai onttoa) kuituydintä - ne muodostavat kaksi- dimensiaalinen fotoninen kristalli . Siksi aaltoputkimoodit niissä ei muodostu säteen sisäisestä heijastuksesta, kun se etenee kuitua pitkin, vaan johtuen kaistavälien ilmaantumisesta mikrorakenteen siirtospektrissä [45] .

Tyypillisessä PCF : ssä mikrorakenne muodostuu kolmiomaisesta yksiytimestä PCF :stä . Tällaisen kuidun pääominaisuus on, että se tukee vain perusmoodia aallonpituudesta tai ytimen halkaisijasta riippumatta. Siksi mikrorakenteet mahdollistavat optisen kuidun, jolla on mikä tahansa numeerinen aukko (erittäin pienestä aktiiviselle ytimelle erittäin suureen pumppaavia aaltoputkia varten), jolla on suhteellisen suuri sydämen halkaisija [46] . Jälkimmäinen on erittäin tärkeä suuritehoisten yksimuotolaserien luomisessa, koska perinteinen kuidunvalmistustekniikka vaatii ytimen halkaisijan lisäämistä tehon lisäämiseksi, ja samalla sukupolviaaltolla tämä johtaa monimuotoiseen valon etenemiseen [47] .

Harvinaisten maametallien ionien pumppaamiseksi FCO-leikkaukseen luodaan kaksoispäällystettyä optista kuitua muistuttava rakenne . Aktiiviydintä ympäröivän sisemmän fotonikiteen ympärille muodostuu jollekin etäisyydelle toinen ilmakanavien kerros (tyypillisesti säteen suunnassa pitkänomainen kuituosuudessa). Tällaisen rakenteen etuna on suuren numeerisen aukon lisäksi pienet pumpun säteilyhäviöt, jotka johtuvat kierteisten ja kierteisten moodien puuttumisesta, jotka eivät kulje aktiivisen ytimen läpi [46] .

Vuonna 2003 CW-kuitulaseria esiteltiin käyttämällä 2,3 m FCO:ta, jonka hyötysuhde oli 78 % maksimilähtöteholla 80 W. Vuonna 2006 luotiin laser, jolla on sama hyötysuhde, maksimilähtöteho 320 W ( 550 W/m aktiivikuitua) ja tilan pinta-ala 2000 µm 2 . Kuten tavanomaisten kuitujen tapauksessa, PCF-lasereille on tunnusomaista lähtösäteilytehon lineaarinen riippuvuus pumpun tehosta [48] .

Sovellus

Edut ja haitat

Kuitulaserien etuja ovat perinteisesti merkittävä resonaattorin pinta-alan suhde sen tilavuuteen, mikä takaa laadukkaan jäähdytyksen, piin lämpöstabiilisuuden sekä pienet laitteet samanlaisissa teho- ja laatuluokissa. Lasersäde on pääsääntöisesti johdettava optiseen kuituun myöhempää käyttöä varten tekniikassa. Erityyppisille lasereille tämä vaatii erityisiä optisia kollimaatiojärjestelmiä ja tekee laitteista herkkiä tärinälle. Kuitulasereissa säteily syntyy suoraan kuituun, ja sen optinen laatu on korkea. Tämän tyyppisten laserien haittoja ovat epälineaaristen vaikutusten riski, joka johtuu kuidun suuresta säteilytiheydestä ja suhteellisen alhaisesta pulssilähtöenergiasta, joka johtuu aktiivisen aineen pienestä tilavuudesta [3] [49] .

Kuitulaserit ylittävät puolijohdelaserit sovelluksissa, joissa vaaditaan suurta polarisaatiostabiliteettia , ja polarisaatiota ylläpitävän kuidun käyttö on monista syistä vaikeaa. Solid-state lasereita ei voida korvata kuitulasereilla spektrialueella 0,7-1,0 μm. Niillä on myös enemmän potentiaalia lisätä pulssilähtötehoa kuituihin verrattuna. Kuitulaserit osoittavat kuitenkin hyviä tuloksia aallonpituuksilla, joilla ei ole riittävän hyviä aktiivisia väliaineita tai peilejä muun mallin lasereille, ja ne mahdollistavat joidenkin lasermenetelmien, kuten ylösmuuntamisen, toteuttamisen vähemmän monimutkaisesti [50] .

Sovellukset

Laajan parametrivalikoiman ansiosta kuitulaserit ovat löytäneet käyttöä monilla toiminta-aloilla. Niitä käytetään erityisesti metallien kaiverrukseen ja leikkaamiseen teollisuudessa sekä tavaroiden lasermerkintään , jossa tarvitaan lyhyiden pulssien korkeaa huipputehoa tietyllä taajuudella. Joten muoville ja metallille käytetään 5–10 kW:n pulsseja, joiden kesto on 10–100 ns, toistotaajuudella 20–200 kHz. Näin voit muuttaa vain pinnan optisia ominaisuuksia vahingoittamatta tuotteen sisäistä rakennetta. Jopa 60 W:n laserilla hitsataan ruostumatonta terästä millimetrin kymmenesosien paksuisiksi elektroniikka- ja lääketieteellisten instrumenttien komponenteiksi. He osoittivat hyviä tuloksia stenttien valmistuksessa [2] .

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Luotu hybridipulssilaser tallennusparametreilla . Laserfysiikan ja innovatiivisten teknologioiden laitos, Novosibirskin valtionyliopisto. Haettu: 8. elokuuta 2011. (Venäjän kieli)
↑ 1 2 Woods, Dhaka, Flynn, 2008 .
↑ 1 2 Kuinka kuitulaserit toimivat . Southamptonin yliopisto. Haettu 10. huhtikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
↑ 12 Agrawal , 2001 , s. 203.
↑ 12 Agrawal , 2008 , s. 181-182.
↑ 1 2 3 Digonnet, 2001 , s. 160-161.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 522-534.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Dianov, 2004 .
↑ Hayes, 2000 , s. kahdeksan.
↑ Koester, Snitzer, 1964 .
↑ Hayes, 2000 , s. 9-10.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 501.
↑ Gan, 2006 , s. 228.
↑ Agrawal, 2008 , s. 179.
↑ Hän jätti tieteen työelämään 51-vuotiaana. Nyt hänellä on 800 miljoonaa dollaria | Forbes.ru
↑ NTO IRE-Polyus // Asiantuntija. - 2011. - Nro 10 (744) . (Venäjän kieli)
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , s. 508.
↑ Michael O'Connor, Bill Shiner. Ote : Tehokkaat kuitulaserit teollisuuteen ja puolustukseen - Osa IV . EE Times (5. marraskuuta 2011). Haettu 12. kesäkuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
↑ Sklyarov, 2010 , s. 187-190.
↑ Digonnet, 2001 , s. 3.
↑ Yla-Jarkko, Codemard, Singleton ym., 2003 .
↑ Kuitujen vaurioituminen . kuidut . Laserfysiikan ja -tekniikan tietosanakirja. Haettu 9. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
↑ Goure, Verrier, 2002 , s. 238.
↑ Vasiliev S. A., Medvedkov O. I., Korolev I. G., Bozhkov A. S., Kurkov A. S., Dianov E. M. Kuitujen taitekerroinhilat ja niiden sovellukset // Quantum Electronics . - 2005. - T. 35 , nro 12 . - S. 1085-1103 .
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 509.
↑ Agrawal, 2004 , s. 53, 72-73.
↑ Agrawal, 2008 , s. 185-187.
↑ Viritystilan absorptio . Laserfysiikan ja -tekniikan tietosanakirja . R.P. Fotoniikka. Käyttöpäivä: 26. kesäkuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
↑ Agrawal, 2008 , s. 187-189.
↑ Agrawal, 2008 , s. 190-192.
↑ Agrawal, 2008 , s. 197, 199.
↑ Agrawal, 2008 , s. 197.
↑ Agrawal, 2008 , s. 197-199.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 520-522.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 522-525.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 527-534.
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , s. 16-21.
↑ Upconversion Lasers . Laserfysiikan ja -tekniikan tietosanakirja . R.P. Fotoniikka. Käyttöpäivä: 26. kesäkuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
↑ 1 2 Grigoruk i in., 2008 , s. 503.
↑ Digonnet, 2001 , s. 150, 153-154.
↑ Shalibeik, 2007 , s. 26, 29.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 543.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 546.
↑ Grigoruk i in., 2008 , s. 545-548.
↑ Zheltikov, 2007 .
↑ 1 2 Kim P. Hansen ja Jes Broeng. Tehokkaat fotoniset kristallikuitulaserit . Holey fiber voittaa perinteisen kuidun rajoitukset lasersovelluksissa ja vahvistimissa . Photonis Media (toukokuu 2006). Haettu 13. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
↑ Jason Eichenholz. Fotonikiteillä on monia käyttötarkoituksia . Optoelektroniikan maailma . Newport. Haettu 13. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
↑ Limpert, Schreiber, Nolte et ai., 2003 .
↑ David N. Payne. Kuitulaserit: Seuraava sukupolvi (englanniksi) (linkki ei saatavilla) . CLEO 2011. - Konferenssin materiaalit. Haettu 10. huhtikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 28. syyskuuta 2006.
↑ Kuitulaserit vs. bulkkilaserit . Laserfysiikan ja -tekniikan tietosanakirja . R.P. Fotoniikka. Haettu 15. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.

Kirjallisuus

Koester C. J. , Snitzer E. Amplification in a Fiber Laser // Appl . Valita. - Optica , 1964. - Voi. 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. Laserit ja kuituoptiikka // UFN / toim. V. A. Rubakov - M. : FIAN , 1986. - T. 148, no. 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. Vähäkohinainen älykäs verhouspumppattu L-kaistainen EDFA // Letters Photonics Technology - IEEE , 2003. - Voi. 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 ai. Tehokas ilmapäällysteinen suuren moodialueen fotonikristallikuitulaser // Opt . Express - Optica , 2003. - Voi. 11, Iss. 7. - P. 818-823. — ISSN 1094-4087 — doi:10.1364/OE.11.000818 — PMID:19461794
Dianov E. M. Kuitulaserit // UFN / toim. V. A. Rubakov - M. : FIAN , 2004. - T. 174, no. 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. Keskitehoiset CW-kuitulaserit // Quantum Electronics - 2004. - V. 34, no. 10. - S. 881-900. doi : 10.1070/QE2004V034N10ABEH002739
Zheltikov AM Mikrorakenteiset valonohjaimet uuden sukupolven kuituoptisille lähteille ja valopulssimuuntimille // UFN / toim. V. A. Rubakov - M. : FIAN , 2007. - T. 177, no. 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. Keskitehoiset kuitulaserit ja niiden sovellukset // Photonics / toim. N. L. Istomina - 2008. - voi. 4. - s. 6-10.
Grigoruk V. I., Korotkov P. A., Felinsky G. S. Epälineaariset laserprosessit optisissa kuiduissa. - K. : Vidavnicho-polygrafinen keskus "Kiivan yliopisto", 2008. - 576 s. - ISBN 978-966-439-120-4 .
Sklyarov OK Kuituoptiset verkot ja viestintäjärjestelmät: Oppikirja. - 2. painos, poistettu. - Pietari. : "Lan", 2010. - 272 s. - ISBN 978-5-8114-1028-6 .
Gaponttsev VP Kuitulaserien tunkeutuminen teollisuusmarkkinoille (englanti) // Fiber Lasers V: Technology, Systems ja Applications, Photonics West. - 2008. - P. esitys 6873-01 .
Agrawal GP Epälineaarisen kuituoptiikan sovellukset. - Academic Press, 2001. - 458 s. — ISBN 9780120451449 .
Agrawal GP Lightwave -tekniikka: komponentit ja laitteet. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 s. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Epälineaarisen kuituoptiikan sovellukset. - 2. painos - Academic Press, 2008. - Voi. 10. - 508 s. - (Optiikka ja fotonis-sarja). — ISBN 9780123743022 .
Digonnet, MJF harvinaisten maametallien seostetut kuitulaserit ja -vahvistimet. - 2. painos - Marcel Dekker, Inc., 2001. - 792 s. — ISBN 0-8247-0458-4 .
Gan F. Photonic lasit. - World Scientific, 2006. - 447 s. — ISBN 9789812568205 .
Goure J.-P., Verrier I. Optiset kuitulaitteet. - Institute of Physics Publishing, 2002. - 269 s. — ISBN 9780750308113 .
Hayes J. Kuituoptiikan teknikon käsikirja. – 2. painos. - Delmar Cengage Learning, 2000. - 242 s. — ISBN 978-0766818255 .
Iizuka, K. Kuitulle ja integroidulle optiikalle // Elements of Photonics. - Wiley-VCH, 2002. - Voi. II. — 656 s. - (Wiley-sarja puhtaassa ja sovelletussa optiikassa). — ISBN 0-471-40815-8 .
Poli F., Cucinotta A., Selleri S. Fotoniset kidekuidut : ominaisuudet ja sovellukset. - Springer, 2007. - Voi. 102. - 233 s. - (Springer-sarja materiaalitieteessä). — ISBN 9781402063251 .
Röser F. Ultrashort Pulse Fiber Laser -järjestelmien tehoskaalaus. — Books on Demand, 2010. — 136 s. — ISBN 9783839153659 .
Shalibeik, H. Harvinaisten maametallien seostetut kuitulaserit ja vahvistimet. - Cuvillier Verlag, 2007. - 181 s. — ISBN 9783867274678 .
Senior JM, Jamro MY Prentice Hall Internacional -sarja optoelektroniikassa. – 3. painos - Pearson Education, 2009. - 1075 s. — ISBN 9780130326812 .

Linkit

Kurkov AS, Dianov EM Keskitehoiset CW-kuitulaserit // Quantum Electronics. - 2004. - T. 34 , nro 10 . - S. 881-900 . - doi : 10.1070/QE2004v034n10ABEH002739 . (Venäjän kieli)
Tieteellistä materiaalia lasereista, optiikasta, spektroskopiasta ja lasertekniikasta . Baltian valtion teknillinen yliopisto. Haettu: 16. toukokuuta 2011. (määrätön)
Jens Limpert, Thomas Schreiber, Andreas Tünnermann. Kuitupohjaiset suuritehoiset laserjärjestelmät . Laserfysiikan ja -tekniikan tietosanakirja . R.P. Fotoniikka. Haettu 13. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
Kuitulaserit . _ Laserfysiikan ja -tekniikan tietosanakirja . R.P. Fotoniikka. Haettu 13. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
KF Kleine et ai. Kuitulaserien käyttö mikroleikkaussovelluksissa lääkinnällisten laitteiden teollisuudessa . Liverpoolin yliopisto. Haettu 20. heinäkuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.
Tehokkaat kuitulaserit : viimeaikaiset edistysaskeleet . Optiikan instituutti Rochesterin yliopistossa. Haettu 13. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2012.

Sanakirjat ja tietosanakirjat	iso kiinalainen Iso venäläinen
Bibliografisissa luetteloissa	NKC : ph921261