Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Волоконный лазер (или волоконный лазер в британском английском ) является лазером , в котором активная среда усиления представляет собой оптическое волокно с примесью редкоземельных элементов , таких как эрбия , иттербия , неодима , диспрозия , празеодима , тулии и гольмий . Они относятся к усилителям из легированного волокна , которые обеспечивают усиление света без генерации . Волоконные нелинейности , такие как вынужденное комбинационное рассеяниеили четырехволновое смешение также может обеспечить усиление и, таким образом, служить в качестве усиливающей среды для волоконного лазера. [ необходима цитата ]

Преимущества и приложения [ править ]

Преимущество волоконных лазеров по сравнению с другими типами лазеров состоит в том, что лазерный свет генерируется и доставляется с помощью изначально гибкой среды, что упрощает доставку к месту фокусировки и цели. Это может быть важно при лазерной резке, сварке и гибке металлов и полимеров. Еще одно преимущество - высокая выходная мощность по сравнению с другими типами лазеров. Волоконные лазеры могут иметь активную область длиной несколько километров, что обеспечивает очень высокое оптическое усиление. Они могут поддерживать непрерывную выходную мощность в киловаттах благодаря большому соотношению площади поверхности к объему волокна , что обеспечивает эффективное охлаждение. Волокно в волноводных свойствах уменьшить или устранить тепловое искажение оптического пути, как правило , производявысококачественный оптический луч с ограничением дифракции . Волоконные лазеры компактнее по сравнению с твердотельными или газовыми лазерами сопоставимой мощности, потому что волокно можно сгибать и свернуть в спираль, за исключением более толстых стержневых конструкций, для экономии места. У них более низкая стоимость владения . [1] [2] [3] Волоконные лазеры надежны, обладают высокой температурной и колебательной стабильностью, а также увеличенным сроком службы. Высокая пиковая мощность и наносекундные импульсы улучшают маркировку и гравировку. Дополнительная мощность и лучшее качество луча обеспечивают более чистые края реза и более высокую скорость резки. [4] [5]

Другие применения волоконных лазеров включают обработку материалов, телекоммуникации , спектроскопию , медицину и оружие направленной энергии . [6]

Дизайн и производство [ править ]

Смотрите также: Лазерное строительство

В отличие от большинства других типов лазеров, лазерный резонатор в волоконных лазерах сконструирован монолитно путем сращивания оптоволоконных кабелей оплавлением ; Волоконные брэгговские решетки заменяют обычные диэлектрические зеркала для обеспечения оптической обратной связи . Они также могут быть разработаны для работы в одном продольном режиме сверхузких лазеров с распределенной обратной связью (DFB), где брэгговская решетка со сдвигом фазы перекрывает усиливающую среду. Волоконные лазеры накачиваются полупроводниковыми лазерными диодами или другими волоконными лазерами.

Волокна с двойной оболочкой [ править ]

Волокно с двойной оболочкой
Основная статья: Волокно с двойной оболочкой

Многие мощные волоконные лазеры основаны на волокне с двойной оболочкой . Усиливающая среда образует сердцевину волокна, которая окружена двумя слоями оболочки. Мода генерации распространяется в сердцевине, а многомодовый пучок накачки распространяется во внутреннем слое оболочки. Внешняя оболочка удерживает свет от насоса. Такая компоновка позволяет накачивать сердечник пучком гораздо большей мощности, чем в противном случае можно было бы заставить распространяться в нем, и позволяет преобразовывать свет накачки с относительно низкой яркостью в сигнал гораздо более высокой яркости. Возникает важный вопрос о форме волокна с двойной оболочкой; волокно с круговой симметрией кажется наихудшей конструкцией из возможных. [7] [8] [9][10] [11] [12] Конструкция должна позволять ядру быть достаточно маленьким, чтобы поддерживать только несколько (или даже один) режимов. Он должен обеспечивать достаточную оболочку, чтобы ограничить сердцевину и секцию оптической накачки относительно коротким отрезком волокна.

Коническое волокно с двойной оболочкой (T-DCF) имеет коническую сердцевину и оболочку, что позволяет масштабировать мощность усилителей и лазеров без нестабильности режима теплового линзирования. [13] [14]

Масштабирование мощности [ править ]

Последние разработки в технологии волоконных лазеров привели к быстрому и значительному увеличению достижимой мощности луча с дифракционным ограничением от твердотельных лазеров с диодной накачкой . В связи с введением режима большой площади (LMA) волокон, а также продолжающихся достижений в области высокой мощности и высокой яркости светодиодов, непрерывной волны одно- поперечных мод силы из Yb волоконных лазеров увеличилась с 100 Вт в 2001 году до более чем 20 кВт. [ необходима цитата ] В 2014 году комбинированный волоконный лазер продемонстрировал мощность 30 кВт. [15]

Волоконные лазеры с высокой средней мощностью обычно состоят из задающего генератора относительно малой мощности или затравочного лазера и схемы усилителя мощности (MOPA). В усилителях для сверхкоротких оптических импульсов интенсивность оптических пиков может стать очень высокой, так что могут возникнуть нежелательные нелинейные искажения импульса или даже разрушение усиливающей среды или других оптических элементов. Как правило, этого можно избежать, применяя усиление чирпированных импульсов (CPA). Современные технологии мощных волоконных лазеров с использованием стержневых усилителей достигли 1 кВт при длительности импульса 260 фс [16] и достигли выдающегося прогресса и предоставили практические решения для большинства этих проблем.

Однако, несмотря на привлекательные характеристики волоконных лазеров, при масштабировании мощности возникает ряд проблем. Наиболее важными из них являются тепловое линзирование и сопротивление материала, нелинейные эффекты, такие как вынужденное комбинационное рассеяние (SRS), вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS), нестабильность мод и низкое качество выходного луча.

Основной подход к решению проблем, связанных с увеличением выходной мощности импульсов, заключался в увеличении диаметра сердцевины волокна. Специальные активные волокна с большой модой были разработаны для увеличения отношения поверхности к активному объему активных волокон и, следовательно, улучшения рассеивания тепла, позволяющего масштабировать мощность.

Кроме того, специально разработанные структуры с двойной оболочкой используются для снижения требований к яркости мощных диодов накачки за счет управления распространением накачки и поглощением между внутренней оболочкой и сердечником.

Для масштабирования высокой мощности было разработано несколько типов активных волокон с большой эффективной площадью моды (LMA), включая LMA-волокна с сердцевиной с малой апертурой [17], микроструктурированное стержневое волокно [16] [18] со спиральной сердцевиной [ 19] или волокна с хиральной связью [20] и волокна с конической двойной оболочкой (T-DCF). [13] Диаметр модового поля (MFD), достигаемый с помощью этих технологий с низкой апертурой [16] [17] [18] [19] [20], обычно не превышает 20–30 мкм. Волокно стержневого микроструктурированного типа имеет гораздо больший MFD (до 65 мкм [21]) и хорошие показатели. Впечатляющая энергия импульса 2,2 мДж была продемонстрирована фемтосекундным MOPA [22], содержащим волокна большого шага (LPF). Однако недостатком систем усиления с ФНЧ является их относительно длинные (до 1,2 м) несгибаемые стержневые волокна, что означает довольно громоздкую и громоздкую оптическую схему. [22] Изготовление LPF очень сложное дело, требующее значительной обработки, такой как прецизионное сверление преформ волокна. Волокна LPF очень чувствительны к изгибу, что снижает надежность и портативность.

Блокировка режима [ править ]

Основная статья: Блокировка режима

В дополнение к типам синхронизации мод, используемым с другими лазерами, в волоконных лазерах можно осуществлять пассивную синхронизацию мод за счет использования двойного лучепреломления самого волокна. [23] Нелинейный оптический эффект Керра вызывает изменение поляризации, которое зависит от интенсивности света. Это позволяет поляризатору в резонаторе лазера действовать как насыщающийся поглотитель , блокируя свет низкой интенсивности, но позволяя свету высокой интенсивности проходить с небольшим ослаблением. Это позволяет лазеру формировать импульсы с синхронизацией мод, а затем нелинейность волокна дополнительно превращает каждый импульс в ультракороткий оптический солитонный импульс.

Полупроводниковые зеркала с насыщающимся поглотителем (SESAM) также могут использоваться для волоконных лазеров с синхронизацией мод. Основное преимущество SESAM по сравнению с другими методами насыщающегося поглотителя состоит в том, что параметры поглотителя можно легко адаптировать к потребностям конкретной конструкции лазера. Например, флюенс насыщения можно контролировать, изменяя коэффициент отражения верхнего отражателя, в то время как глубину модуляции и время восстановления можно настраивать путем изменения условий выращивания при низких температурах для слоев поглотителя. Эта свобода проектирования еще больше расширила применение SESAM для синхронизации мод волоконных лазеров, где требуется относительно высокая глубина модуляции для обеспечения самозапуска и стабильности работы. Волоконные лазеры, работающие на 1 мкм и 1,5 мкм, были успешно продемонстрированы. [24] [25] [26][27]

Графен насыщающиеся поглотители были также использованы для лазеров в режиме запирающих волокна. [28] [29] [30] Насыщающееся поглощение графена не очень чувствительно к длине волны, что делает его полезным для перестраиваемых лазеров с синхронизацией мод.

Волоконные лазеры на темных солитонах [ править ]

В режиме без синхронизации мод был успешно создан темный солитонный волоконный лазер с использованием эрбиевого волоконного лазера с нормальной дисперсией и поляризатором в резонаторе. Экспериментальные данные показывают, что помимо излучения ярких импульсов, при соответствующих условиях волоконный лазер может также излучать один или несколько темных импульсов. Согласно результатам численного моделирования, формирование темного импульса в лазере может быть результатом формирования темного солитона. [31]

Мультиволновые волоконные лазеры [ править ]

Многоволновое излучение в волоконном лазере продемонстрировало одновременный синий и зеленый когерентный свет с использованием оптического волокна ZBLAN. Лазер с торцевой накачкой был основан на оптической усиливающей среде с повышающим преобразованием, в которой использовался полупроводниковый лазер с большей длиной волны для накачки фторидного волокна, легированного Pr3 + / Yb3 +, в котором использовались покрытые диэлектрические зеркала на каждом конце волокна для формирования резонатора. [32]

Лазеры на волоконных дисках [ править ]

3 волоконных дисковых лазера
Основная статья: волоконный дисковый лазер

Другой тип волоконного лазера - это волоконный дисковый лазер . В таких лазерах накачка не ограничена оболочкой волокна, а вместо этого свет накачки проходит через сердцевину несколько раз, потому что она намотана на себя. Эта конфигурация подходит для масштабирования мощности , когда по периферии катушки используется много источников накачки. [33] [34] [35] [36]

См. Также [ править ]

  • Рисунок-8 лазер

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Рост рынка станков для лазерной резки в США до 2021 года из-за потребности в продукции высшего качества: Technavio» . Деловой провод . 2 февраля 2017 . Проверено 8 февраля 2020 .
  2. ^ Шайнер, Билл (1 февраля 2016 г.). «Волоконные лазеры продолжают завоевывать рынок в области обработки материалов» . SME.org . Проверено 8 февраля 2020 .
  3. ^ Шинер, Билл (Feb 1, 2006). «Волоконные лазеры большой мощности завоевывают долю рынка» . Промышленные лазерные решения для производства . Проверено 8 февраля 2020 .
  4. ^ Зервас, Михалис Н .; Codemard, Кристоф А. (сентябрь 2014 г.). «Волоконные лазеры большой мощности: обзор». IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 20 (5): 219–241. Bibcode : 2014IJSTQ..20..219Z . DOI : 10.1109 / JSTQE.2014.2321279 . ISSN 1077-260X . S2CID 36779372 .  
  5. ^ Филлипс, Кэтрин С .; Ганди, Хеми Х .; Мазур, Эрик; Сундарам, СК (31 декабря 2015 г.). «Сверхбыстрая лазерная обработка материалов: обзор». Успехи оптики и фотоники . 7 (4): 684–712. Bibcode : 2015AdOP .... 7..684P . DOI : 10,1364 / AOP.7.000684 . ISSN 1943-8206 . 
  6. ^ Попов, С. (2009). «7: Обзор волоконного лазера и медицинские приложения» . В Дуарте, Ф.Дж. (ред.). Настраиваемые лазерные приложения (2-е изд.). Нью-Йорк: CRC.
  7. ^ С. Бедо; В. Люти; HP Weber (1993). «Эффективный коэффициент поглощения в волокнах с двойной оболочкой». Оптика Коммуникации . 99 (5–6): 331–335. Bibcode : 1993OptCo..99..331B . DOI : 10.1016 / 0030-4018 (93) 90338-6 .
  8. ^ А. Лю; К. Уэда (1996). «Поглощающие характеристики круглых, офсетных и прямоугольных волокон с двойной оболочкой». Оптика Коммуникации . 132 (5–6): 511–518. Bibcode : 1996OptCo.132..511A . DOI : 10.1016 / 0030-4018 (96) 00368-9 .
  9. ^ Кузнецов, Д .; Молони, СП (2003). «Эффективность поглощения накачки в волоконных усилителях с двойной оболочкой. 2: Нарушенная круговая симметрия». JOSA Б . 39 (6): 1259–1263. Bibcode : 2002JOSAB..19.1259K . DOI : 10.1364 / JOSAB.19.001259 .
  10. ^ Кузнецов, Д .; Молони, СП (2003). «Эффективность поглощения накачки в волоконных усилителях с двойной оболочкой.3: Расчет мод». JOSA Б . 19 (6): 1304–1309. Bibcode : 2002JOSAB..19.1304K . DOI : 10.1364 / JOSAB.19.001304 .
  11. ^ Leproux, P .; С. Феврие; В. Дойя; П. Рой; Д. Пагну (2003). «Моделирование и оптимизация волоконных усилителей с двойной оболочкой с использованием хаотического распространения накачки». Оптоволоконная технология . 7 (4): 324–339. Bibcode : 2001OptFT ... 7..324L . DOI : 10.1006 / ofte.2001.0361 .
  12. ^ Д.Кузнецов; Дж. Молони (2004). «Граничное поведение мод лапласиана Дирихле». Журнал современной оптики . 51 (13): 1362–3044. Bibcode : 2004JMOp ... 51.1955K . DOI : 10.1080 / 09500340408232504 . S2CID 209833904 . 
  13. ^ а б Филиппов, В .; Чаморовский Ю. Kerttula, J .; Golant, K .; Песса, М .; Охотников, О.Г. (04.02.2008). «Коническое волокно с двойной оболочкой для применений с высокой мощностью» . Оптика Экспресс . 16 (3): 1929–1944. Bibcode : 2008OExpr..16.1929F . DOI : 10,1364 / OE.16.001929 . ISSN 1094-4087 . PMID 18542272 .  
  14. ^ Филиппов, Валерий; Керттула, Юхо; Чаморовский, Юрий; Голант, Константин; Охотников Олег Г. (07.06.2010). "Высокоэффективный иттербиевый волоконный лазер с конической двойной оболочкой 750 Вт" . Оптика Экспресс . 18 (12): 12499–12512. Bibcode : 2010OExpr..1812499F . DOI : 10,1364 / OE.18.012499 . ISSN 1094-4087 . PMID 20588376 .  
  15. ^ «Многие лазеры становятся одним из волоконных лазеров Lockheed Martin мощностью 30 кВт» . Gizmag.com . Проверено 4 февраля 2014 .
  16. ^ a b c Мюллер, Михаэль; Кинель, Марко; Кленке, Арно; Готтшалл, Томас; Шестаев, Евгений; Плётнер, Марко; Лимперт, Йенс; Тюннерманн, Андреас (2016-08-01). «Восьмиканальный сверхбыстрый волоконный лазер мощностью 1 кВт 1 мДж». Письма об оптике . 41 (15): 3439–3442. arXiv : 2101.08498 . Bibcode : 2016OptL ... 41.3439M . DOI : 10.1364 / OL.41.003439 . ISSN 1539-4794 . PMID 27472588 .  
  17. ^ a b Коплоу, Джеффри П .; Клинер, Дав А.В.; Гольдберг, Лью (2000-04-01). «Одномодовый режим намотанного многомодового волоконного усилителя» . Письма об оптике . 25 (7): 442–444. Bibcode : 2000OptL ... 25..442K . DOI : 10.1364 / OL.25.000442 . ISSN 1539-4794 . PMID 18064073 .  
  18. ^ а б Лимперт, Дж .; Deguil-Robin, N .; Manek-Hönninger, I .; Салин, Ф .; Röser, F .; Liem, A .; Schreiber, T .; Nolte, S .; Zellmer, H .; Tünnermann, A .; Броенг, Дж. (21 февраля 2005 г.). «Мощный стержневой волоконный фотонно-кристаллический лазер» . Оптика Экспресс . 13 (4): 1055–1058. Bibcode : 2005OExpr..13.1055L . DOI : 10.1364 / OPEX.13.001055 . ISSN 1094-4087 . PMID 19494970 .  
  19. ^ a b Wang, P .; Купер, ЖЖ; Саху, JK; Кларксон, Вашингтон (15 января 2006 г.). "Эффективная одномодовая работа иттербиевого волоконного лазера с накачкой в ​​оболочку". Письма об оптике . 31 (2): 226–228. Bibcode : 2006OptL ... 31..226W . DOI : 10.1364 / OL.31.000226 . ISSN 1539-4794 . PMID 16441038 .  
  20. ^ a b Лефрансуа, Симон; Сосновский, Томас С .; Лю, Чи-Хун; Галванаускас, Альмантас; Мудрый, Фрэнк В. (14 февраля 2011 г.). «Масштабирование энергии волоконных лазеров с синхронизацией мод с хирально связанной сердцевиной волокна» . Оптика Экспресс . 19 (4): 3464–3470. Bibcode : 2011OExpr..19.3464L . DOI : 10,1364 / OE.19.003464 . ISSN 1094-4087 . PMC 3135632 . PMID 21369169 .   
  21. ^ "МОДУЛИ УСИЛЕНИЯ ВОЛОКНА ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ ИТТЕРБИЕВЫХ УТОЧНЕЙ AEROGAIN-ROD" . Проверено 14 января 2020 года .
  22. ^ a b Эйдам, Тино; Ротхардт, Ян; Штуцки, Фабиан; Янсен, Флориан; Хадрих, Штеффен; Карстенс, Хеннинг; Хореги, Сезар; Лимперт, Йенс; Тюннерманн, Андреас (03.01.2011). «Волоконная система усиления чирпированных импульсов с пиковой мощностью 3,8 ГВт» . Оптика Экспресс . 19 (1): 255–260. Bibcode : 2011OExpr..19..255E . DOI : 10,1364 / OE.19.000255 . ISSN 1094-4087 . PMID 21263564 .  
  23. ^ Ли Н .; Xue J .; Ouyang C .; Wu K .; Wong JH; Aditya S .; Шум П.П. (2012). «Оптимизация длины резонатора для генерации импульсов высокой энергии в длинном резонаторе с пассивной синхронизацией мод, полностью волоконным кольцевым лазером». Прикладная оптика . 51 (17): 3726–3730. Bibcode : 2012ApOpt..51.3726L . DOI : 10,1364 / AO.51.003726 . PMID 22695649 . 
  24. ^ Х. Чжан и др., "Индуцированные солитоны, образованные кросс-поляризационным взаимодействием в волоконном лазере с двулучепреломляющим резонатором". Архивировано 07 июля 2011 г.в Wayback Machine , Opt. Lett., 33, 2317–2319. (2008).
  25. ^ DY Tangдр., "Наблюдение высокого порядка поляризационных автоподстройки векторных солитонов в волоконного лазера" Архивированные 2010-01-20 в Wayback Machine , Physical Review Letters , 101, 153904 (2008).
  26. ^ Х. Чжан и др., "Когерентный обмен энергией между компонентами векторного солитона в волоконных лазерах", Optics Express , 16,12618–12623 (2008).
  27. ^ Чжан Х .; и другие. (2009). "Многоволновая диссипативная солитонная работа волоконного лазера, легированного эрбием". Оптика Экспресс . 17 (2): 12692–12697. arXiv : 0907.1782 . Bibcode : 2009OExpr..1712692Z . DOI : 10.1364 / oe.17.012692 . PMID 19654674 . S2CID 1512526 .  
  28. ^ Чжан, H; Тан, ДЙ; Чжао, Л. М.; Bao, QL; Ло, КП (28 сентября 2009 г.). "Синхронизация мод большой энергии легированного эрбием волоконного лазера с атомным слоем графена". Оптика Экспресс . 17 (20): 17630–5. arXiv : 0909.5536 . Bibcode : 2009OExpr..1717630Z . DOI : 10,1364 / OE.17.017630 . PMID 19907547 . S2CID 207313024 .  
  29. ^ Хан Чжан; Цяолян Бао; Динъюань Тан; Люмин Чжао; Кианпин Ло (2009). "Солитонный эрбиевый волоконный лазер большой энергии с композитным синхронизатором мод графен-полимер" (PDF) . Письма по прикладной физике . 95 (14): P141103. arXiv : 0909.5540 . Bibcode : 2009ApPhL..95n1103Z . DOI : 10.1063 / 1.3244206 . S2CID 119284608 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 июля 2011 года.  
  30. ^ [1] Архивировано 19 февраля 2012 г., в Wayback Machine.
  31. ^ Чжан, H .; Тан, ДЙ; Чжао, Л. М.; Ву, X. (27 октября 2009 г.). «Темное импульсное излучение волоконного лазера» (PDF) . Physical Review . 80 (4): 045803. arXiv : 0910.5799 . Bibcode : 2009PhRvA..80d5803Z . DOI : 10.1103 / PhysRevA.80.045803 . S2CID 118581850 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 июля 2011 года.  
  32. ^ Baney, АЯ, Рэнкина, Г., Изменить, кВт «Одновременная синяя и зеленый апконверсия лазерной генерации в Pr3 + / + УЬ3 легированного фторид волоконного лазерадиодной накачкой,» Appl. Phys. Lett, vol. 69 No 12, стр. 1622-1624, сентябрь 1996 г.
  33. Перейти ↑ Ueda, Ken-ichi (1998). «Оптический резонатор и будущее мощных волоконных лазеров». Ход работы . 3267 (лазерные резонаторы): 14. Bibcode : 1998SPIE.3267 ... 14U . DOI : 10.1117 / 12.308104 . S2CID 136018975 . 
  34. ^ К. Уэда (1999). «Физика масштабирования дисковых волоконных лазеров на мощность в кВт». Общество лазеров и электрооптики . 2 : 788–789. DOI : 10.1109 / leos.1999.811970 . ISBN 978-0-7803-5634-4. S2CID  120732530 .
  35. ^ Уэда; Sekiguchi H .; Мацуока Й .; Miyajima H .; Х. Кан (1999). «Концептуальный дизайн дисковых и трубчатых лазеров квантового класса». Общество лазеров и электрооптики, 1999, 12-е ежегодное собрание. LEOS '99. IEEE . 2 : 217–218. DOI : 10,1109 / CLEOPR.1999.811381 . ISBN 978-0-7803-5661-0. S2CID  30251829 .
  36. ^ Группа Hamamatsu Photonics KK Laser (2006). «Лазер с волоконным диском объяснил» . Природа Фотоника . образец: 14–15. DOI : 10.1038 / nphoton.2006.6 .