stringtranslate.com

Волоконный лазер

Волоконный лазер (или волоконный лазер на английском языке Commonwealth ) — это лазер , в котором активной усиливающей средой является оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами, такими как эрбий , иттербий , неодим , диспрозий , празеодим , тулий и гольмий . Они относятся к усилителям на легированном волокне , которые обеспечивают усиление света без генерации .

Нелинейности волокна , такие как вынужденное комбинационное рассеяние или четырехволновое смешение, также могут обеспечить усиление и, таким образом, служить усиливающей средой для волоконного лазера. [ нужна цитата ]

Характеристики

Преимущество волоконных лазеров перед другими типами лазеров заключается в том, что лазерный свет генерируется и доставляется с помощью гибкой среды, что позволяет легче доставить его к месту фокусировки и цели. Это может быть важно для лазерной резки, сварки и складывания металлов и полимеров. Еще одним преимуществом является высокая выходная мощность по сравнению с другими типами лазеров. Волоконные лазеры могут иметь активные области длиной в несколько километров и поэтому могут обеспечивать очень высокое оптическое усиление. Они могут поддерживать постоянную выходную мощность на уровне киловатт благодаря высокому соотношению площади поверхности волокна к объему , что обеспечивает эффективное охлаждение. Волноводные свойства волокна уменьшают или устраняют тепловые искажения оптического пути, обычно создавая высококачественный оптический луч с ограничением дифракции . Волоконные лазеры компактны по сравнению с твердотельными или газовыми лазерами сопоставимой мощности, поскольку волокно можно сгибать и скручивать, за исключением более толстых стержневых конструкций, для экономии места. Они имеют более низкую стоимость владения . [1] [2] [3] Волоконные лазеры надежны, обладают высокой температурной и вибрационной стабильностью и увеличенным сроком службы. Высокая пиковая мощность и наносекундные импульсы улучшают маркировку и гравировку. Дополнительная мощность и лучшее качество луча обеспечивают более чистые кромки реза и более высокую скорость резки. [4] [5]

Проектирование и производство

В отличие от большинства других типов лазеров, лазерный резонатор в волоконных лазерах построен монолитно путем сварки различных типов волокон; Волоконные брэгговские решетки заменяют обычные диэлектрические зеркала и обеспечивают оптическую обратную связь . Они также могут быть предназначены для работы в одной продольной моде сверхузких лазеров с распределенной обратной связью (DFB), где сдвинутая по фазе брэгговская решетка перекрывает усиливающую среду. Волоконные лазеры накачиваются полупроводниковыми лазерными диодами или другими волоконными лазерами.

Волокно с двойной оболочкой

Волокно с двойной оболочкой

Многие мощные волоконные лазеры основаны на волокне с двойной оболочкой . Усиливающая среда образует сердцевину волокна, окруженную двумя слоями оболочки. Мода генерации распространяется в активной зоне, а пучок многомодовой накачки распространяется во внутреннем слое оболочки. Внешняя оболочка удерживает свет насоса в ограниченном пространстве. Такая конструкция позволяет накачивать ядро ​​лучом гораздо большей мощности, чем он мог бы в противном случае распространяться в нем, и позволяет преобразовывать свет накачки с относительно низкой яркостью в сигнал гораздо большей яркости. Возникает важный вопрос о форме волокна с двойной оболочкой; волокно с круговой симметрией кажется наихудшей из возможных конструкций. [6] [7] [8] [9] [10] [11] 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 на относительно коротком участке волокна.

Коническое волокно с двойной оболочкой (T-DCF) имеет коническую сердцевину и оболочку, что позволяет масштабировать мощность усилителей и лазеров без нестабильности режима термического линзирования. [12] [13]

Масштабирование мощности

Последние разработки в области волоконных лазеров привели к быстрому и значительному увеличению достигаемой дифракционно-ограниченной мощности луча твердотельных лазеров с диодной накачкой . Благодаря внедрению волокон с большой площадью мод (LMA), а также продолжающемуся развитию мощных и ярких диодов, мощность непрерывной одномодовой поперечной моды волоконных лазеров, легированных Yb, увеличилась со 100 Вт в 2001 году до комбинированной мощности. лучевой волоконный лазер продемонстрировал мощность 30 кВт в 2014 году. [14]

Волоконные лазеры высокой средней мощности обычно состоят из схемы задающего генератора относительно малой мощности или затравочного лазера и усилителя мощности (MOPA). В усилителях сверхкоротких оптических импульсов интенсивности оптических пиков могут стать очень высокими, что может привести к вредным нелинейным искажениям импульса или даже к разрушению усиливающей среды или других оптических элементов. Обычно этого можно избежать, используя усиление чирпированных импульсов (CPA). Современные технологии мощных волоконных лазеров с использованием стержневых усилителей достигли мощности 1 кВт с импульсами 260 фс [15] и добились выдающихся успехов и предоставили практические решения для большинства этих проблем.

Однако, несмотря на привлекательные характеристики волоконных лазеров, при масштабировании мощности возникает ряд проблем. Наиболее значимыми являются термическое линзирование и сопротивление материала, нелинейные эффекты, такие как вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), вынужденное рассеяние Бриллюэна (ВРМБ), нестабильность мод и плохое качество выходного луча.

Основным подходом к решению проблем, связанных с увеличением выходной мощности импульсов, стало увеличение диаметра сердцевины волокна. Специальные активные волокна с большими модами были разработаны для увеличения отношения поверхности к активному объему активных волокон и, следовательно, улучшения рассеивания тепла, что позволяет масштабировать мощность.

Кроме того, специально разработанные структуры с двойной оболочкой были использованы для снижения требований к яркости мощных диодов накачки за счет контроля распространения накачки и поглощения между внутренней оболочкой и сердечником.

Для масштабирования большой мощности было разработано несколько типов активных волокон с большой эффективной площадью моды (LMA), включая волокна LMA с малоапертурной сердцевиной, [16] микроструктурированное стержневое волокно [15] [17] со спиральной сердцевиной [16] . 18] или хирально связанные волокна [19] и конические волокна с двойной оболочкой (T-DCF). [12] Диаметр модового поля (MFD), достигаемый с помощью этих технологий с низкой апертурой [15] [16] [17] [18] [19] , обычно не превышает 20–30 мкм. Микроструктурированное стержневидное волокно имеет значительно большую MFD (до 65 мкм [20] ) и хорошие характеристики. Впечатляющую энергию импульса 2,2 мДж продемонстрировал фемтосекундный MOPA [21] , содержащий волокна с большим шагом (LPF). Однако недостатком систем усиления с ФНЧ является их относительно длинные (до 1,2 м) несгибаемые волокна стержневого типа, что означает достаточно громоздкую и громоздкую оптическую схему. [21] Изготовление LPF очень сложное, требующее значительной обработки, такой как прецизионное сверление заготовок волокна. Волокна LPF очень чувствительны к изгибу, что снижает надежность и портативность.

Блокировка режима

В дополнение к типам синхронизации мод , используемым в других лазерах, волоконные лазеры могут быть пассивно синхронизированы мод за счет двойного лучепреломления самого волокна. [22] Нелинейный оптический эффект Керра вызывает изменение поляризации, которая 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 сверхкороткий оптический солитонный импульс.

Полупроводниковые зеркала с насыщающимся поглотителем (SESAM) также можно использовать для модирования синхронных волоконных лазеров. Основное преимущество SESAM перед другими методами насыщающегося поглотителя заключается в том, что параметры поглотителя можно легко адаптировать в соответствии с потребностями конкретной конструкции лазера. Например, плотностью энергии насыщения можно управлять, изменяя отражательную способность верхнего отражателя, а глубину модуляции и время восстановления можно регулировать, изменяя условия выращивания при низких температурах для слоев поглотителя. Эта свобода проектирования еще больше расширила применение SESAM для синхронизации моделей волоконных лазеров, где необходима относительно высокая глубина модуляции для обеспечения самозапуска и стабильности работы. Были успешно продемонстрированы волоконные лазеры, работающие на длинах волн 1 мкм и 1,5 мкм. [23] [24] [25] [26]

Насыщаемые поглотители графена также используются в волоконных лазерах с синхронизацией мод. [27] [28] [29] Насыщающееся поглощение графена не очень чувствительно к длине волны, что делает его полезным для перестраиваемых лазеров с синхронизацией мод.

Темные солитоны

В режиме безмодовой синхронизации был успешно создан темный солитонный волоконный лазер с использованием полностью нормально-дисперсионного волоконного лазера, легированного эрбием, с поляризатором в резонаторе. Экспериментальные результаты показывают, что помимо яркого импульсного излучения при соответствующих условиях волоконный лазер может также излучать одиночные или множественные темные импульсы. Согласно численному моделированию, формирование темных импульсов в лазере может быть результатом формирования темных солитонов. [30]

Многоволновое излучение

Многоволновое излучение волоконного лазера продемонстрировало одновременный синий и зеленый когерентный свет с использованием оптического волокна ZBLAN. Лазер с торцевой накачкой был основан на оптической усиливающей среде с повышением частоты, использующей более длинноволновый полупроводниковый лазер для накачки фторидного волокна, легированного Pr3+/Yb3+, в котором на каждом конце волокна использовались диэлектрические зеркала с покрытием для формирования резонатора. [31]

Волоконные дисковые лазеры

Три волоконных дисковых лазера

Другой тип волоконного лазера — волоконный дисковый лазер . В таких лазерах накачка не ограничена оболочкой волокна, а вместо этого свет накачки доставляется через сердцевину несколько раз, поскольку он свернут в спираль. Эта конфигурация подходит для масштабирования мощности , при котором по периферии катушки используется множество источников накачки. [32] [33] [34] [35]

Приложения

Волоконные лазеры применяются в обработке материалов, телекоммуникациях , спектроскопии , медицине и оружии направленной энергии . [36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Растущее распространение рынка станков для лазерной резки в США до 2021 года из-за потребности в продукции высочайшего качества: Technavio» . Деловой провод . 2 февраля 2017 г. Проверено 8 февраля 2020 г.
  2. ↑ Шайнер, Билл (1 февраля 2016 г.). «Волоконные лазеры продолжают завоевывать долю рынка в области обработки материалов». SME.org . Проверено 8 февраля 2020 г.
  3. ↑ Шайнер, Билл (1 февраля 2006 г.). «Мощные волоконные лазеры завоевывают долю рынка». Промышленные лазерные решения для производства . Проверено 8 февраля 2020 г.
  4. ^ Зервас, Михалис Н.; Кодемар, Кристоф А. (сентябрь 2014 г.). «Мощные волоконные лазеры: обзор». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 20 (5): 219–241. Бибкод : 2014IJSTQ..20..219Z. дои : 10.1109/JSTQE.2014.2321279. ISSN  1077-260X. S2CID  36779372.
  5. ^ Филлипс, Кэтрин С.; Ганди, Хеми Х.; Мазур, Эрик; Сундарам, Словакия (31 декабря 2015 г.). «Сверхбыстрая лазерная обработка материалов: обзор». Достижения оптики и фотоники . 7 (4): 684–712. Бибкод : 2015AdOP....7..684P. дои : 10.1364/АОП.7.000684. ISSN  1943-8206.
  6. ^ С. Бедо; В. Люти; HP Вебер (1993). «Эффективный коэффициент поглощения в волокнах с двойной оболочкой». Оптические коммуникации . 99 (5–6): 331–335. Бибкод : 1993OptCo..99..331B. дои : 10.1016/0030-4018(93)90338-6.
  7. ^ А. Лю; К. Уэда (1996). «Характеристики поглощения круглых, офсетных и прямоугольных волокон с двойной оболочкой». Оптические коммуникации . 132 (5–6): 511–518. Бибкод : 1996OptCo.132..511A. дои : 10.1016/0030-4018(96)00368-9.
  8. ^ Кузнецов, Д.; Молони, СП (2003). «Эффективность поглощения накачки в волоконных усилителях с двойной оболочкой. 2: Нарушенная круговая симметрия». ЖОСА Б. 39 (6): 1259–1263. Бибкод : 2002JOSAB..19.1259K. дои : 10.1364/JOSAB.19.001259.
  9. ^ Кузнецов, Д.; Молони, СП (2003). «Эффективность поглощения накачки в волоконных усилителях с двойной оболочкой. 3: Расчет мод». ЖОСА Б. 19 (6): 1304–1309. Бибкод : 2002JOSAB..19.1304K. дои : 10.1364/JOSAB.19.001304.
  10. ^ Лепру, П.; С. Феврие; В. Дойя; П. Рой; Д. Паню (2003). «Моделирование и оптимизация волоконных усилителей с двойной оболочкой, использующих хаотическое распространение накачки». Оптоволоконные технологии . 7 (4): 324–339. Бибкод : 2001OptFT...7..324L. дои : 10.1006/ofte.2001.0361.
  11. ^ Д.Кузнецов; Дж.Молони (2004). «Граничное поведение мод лапласиана Дирихле». Журнал современной оптики . 51 (13): 1362–3044. Бибкод : 2004JMOp...51.1955K. дои : 10.1080/09500340408232504. S2CID  209833904.
  12. ^ аб Филиппов, В.; Чаморовский Ю.; Керттула, Дж.; Голант, К.; Песса, М.; Охотников, О.Г. (04.02.2008). «Коническое волокно с двойной оболочкой для приложений большой мощности». Оптика Экспресс . 16 (3): 1929–1944. Бибкод : 2008OExpr..16.1929F. дои : 10.1364/OE.16.001929 . ISSN  1094-4087. ПМИД  18542272.
  13. ^ Филиппов, Валерий; Керттула, Юхо; Чаморовский, Юрий; Голант, Константин; Охотников, Олег Г. (07.06.2010). «Высокоэффективный конический волоконный иттербиевый лазер с двойной оболочкой мощностью 750 Вт». Оптика Экспресс . 18 (12): 12499–12512. Бибкод : 2010OExpr..1812499F. дои : 10.1364/OE.18.012499 . ISSN  1094-4087. ПМИД  20588376.
  14. ^ «Многие лазеры сливаются в один в волоконном лазере Lockheed Martin мощностью 30 кВт» . Gizmag.com. 3 февраля 2014 года . Проверено 4 февраля 2014 г.
  15. ^ abc Мюллер, Майкл; Кинель, Марко; Кленке, Арно; Готшалл, Томас; Шестаев, Евгений; Плётнер, Марко; Лимперт, Йенс; Тюннерманн, Андреас (01 августа 2016 г.). «Восьмиканальный сверхбыстрый волоконный лазер 1 кВт, 1 мДж». Оптические письма . 41 (15): 3439–3442. arXiv : 2101.08498 . Бибкод : 2016OptL...41.3439M. дои : 10.1364/OL.41.003439. ISSN  1539-4794. PMID  27472588. S2CID  11678581.
  16. ^ аб Коплоу, Джеффри П.; Клинер, Дахв А.В.; Гольдберг, Лью (1 апреля 2000 г.). «Одномодовый режим работы спирального многомодового волоконного усилителя». Оптические письма . 25 (7): 442–444. Бибкод : 2000OptL...25..442K. дои : 10.1364/OL.25.000442. ISSN  1539-4794. ПМИД  18064073.
  17. ^ аб Лимперт, Дж.; Дегиль-Робин, Н.; Манек-Хеннингер, И.; Салин, Ф.; Рёзер, Ф.; Лием, А.; Шрайбер, Т.; Нольте, С.; Зеллмер, Х.; Тюннерманн, А.; Броенг, Дж. (21 февраля 2005 г.). «Мощный стержневой фотонно-кристаллический волоконный лазер». Оптика Экспресс . 13 (4): 1055–1058. Бибкод : 2005OExpr..13.1055L. дои : 10.1364/OPEX.13.001055 . ISSN  1094-4087. ПМИД  19494970.
  18. ^ Аб Ван, П.; Купер, LJ; Саху, Дж. К.; Кларксон, Вашингтон (15 января 2006 г.). «Эффективная одномодовая работа волоконного лазера со спиральным сердечником, легированного иттербием, с накачкой в ​​оболочке». Оптические письма . 31 (2): 226–228. Бибкод : 2006OptL...31..226W. дои : 10.1364/OL.31.000226. ISSN  1539-4794. ПМИД  16441038.
  19. ^ аб Лефрансуа, Саймон; Сосновский, Томас С.; Лю, Чи-Хун; Гальванаускас, Альмантас; Уайз, Фрэнк В. (14 февраля 2011 г.). «Масштабирование энергии волоконных лазеров с синхронизацией мод с хирально связанной сердцевиной». Оптика Экспресс . 19 (4): 3464–3470. Бибкод : 2011OExpr..19.3464L. дои : 10.1364/OE.19.003464. ISSN  1094-4087. ПМК 3135632 . ПМИД  21369169. 
  20. ^ "МОДУЛИ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ С ИТТЕРБИЕВЫМИ СТЕРЖНЯМИ AEROGAIN-ROD" . Проверено 14 января 2020 г. .
  21. ^ аб Эйдам, Тино; Ротхардт, Ян; Стуцкий, Фабиан; Янсен, Флориан; Хедрих, Штеффен; Карстенс, Хеннинг; Хореги, Сезар; Лимперт, Йенс; Тюннерманн, Андреас (3 января 2011 г.). «Система усиления оптоволоконных чирпированных импульсов с пиковой мощностью 3,8 ГВт». Оптика Экспресс . 19 (1): 255–260. Бибкод : 2011OExpr..19..255E. дои : 10.1364/OE.19.000255 . ISSN  1094-4087. ПМИД  21263564.
  22. ^ Ли Н.; Сюэ Дж.; Оуян С.; У К.; Вонг Дж. Х.; Адитья С.; Шум ПП (2012). «Оптимизация длины резонатора для генерации импульсов высокой энергии в цельноволоконном кольцевом лазере с длинным резонатором и пассивной синхронизацией мод». Прикладная оптика . 51 (17): 3726–3730. Бибкод : 2012ApOpt..51.3726L. дои : 10.1364/AO.51.003726. hdl : 10220/10097 . ПМИД  22695649.
  23. ^ Х. Чжан и др., «Индуцированные солитоны, образованные за счет перекрестной поляризационной связи в волоконном лазере с двулучепреломляющим резонатором». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Opt. Летт., 33, 2317–2319. (2008).
  24. ^ Д. Я. Тан и др., «Наблюдение векторных солитонов с фиксированной поляризацией высокого порядка в волоконном лазере». Архивировано 20 января 2010 г. в Wayback Machine , Physical Review Letters , 101, 153904 (2008).
  25. ^ Х. Чжан и др., «Когерентный обмен энергией между компонентами векторного солитона в волоконных лазерах», Optics Express , 16,12618–12623 (2008).
  26. ^ Чжан Х.; и другие. (2009). «Многоволновая диссипативная солитонная работа волоконного лазера, легированного эрбием». Оптика Экспресс . 17 (2): 12692–12697. arXiv : 0907.1782 . Бибкод : 2009OExpr..1712692Z. дои : 10.1364/oe.17.012692. PMID  19654674. S2CID  1512526.
  27. ^ Чжан, Х; Тан, ДЮ; Чжао, LM; Бао, Квинсленд; Ло, КП (28 сентября 2009 г.). «Синхронизация мод большой энергии эрбиевого волоконного лазера с атомным слоем графена». Оптика Экспресс . 17 (20): 17630–5. arXiv : 0909.5536 . Бибкод : 2009OExpr..1717630Z. дои : 10.1364/OE.17.017630. PMID  19907547. S2CID  207313024.
  28. ^ Хань Чжан; Цяолян Бао; Динъюань Тан; Люмин Чжао; Кяньпин Ло (2009). «Солитонный волоконный лазер большой энергии, легированный эрбием, с композитным блокировщиком мод из графена и полимера» (PDF) . Письма по прикладной физике . 95 (14): P141103. arXiv : 0909.5540 . Бибкод : 2009ApPhL..95n1103Z. дои : 10.1063/1.3244206. S2CID  119284608. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 г.
  29. ^ [1] Архивировано 19 февраля 2012 г., в Wayback Machine.
  30. ^ Чжан, Х.; Тан, ДЮ; Чжао, LM; Ву, X. (27 октября 2009 г.). «Темное импульсное излучение волоконного лазера» (PDF) . Физический обзор А. 80 (4): 045803. arXiv : 0910.5799 . Бибкод : 2009PhRvA..80d5803Z. doi : 10.1103/PhysRevA.80.045803. S2CID  118581850. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 г.
  31. ^ Бэни, Д.М., Рэнкин, Г., Чейндж, К.В. «Одновременная генерация синего и зеленого с повышающим преобразованием в волоконном лазере с диодной накачкой, легированным фторидом Pr3+/Yb3+», Appl. Физ. Летт, т. 69 № 12, стр. 1622–1624, сентябрь 1996 г.
  32. ^ Уэда, Кен-ичи (1998). Кудряшов Алексей Владимирович; Галарно, Пьер (ред.). «Оптический резонатор и будущий стиль мощных волоконных лазеров». Слушания . Лазерные резонаторы. 3267 (Лазерные резонаторы): 14–22. Бибкод : 1998SPIE.3267...14U. дои : 10.1117/12.308104. S2CID  136018975.
  33. ^ К. Уэда (1999). «Физика масштабирования дисковых волоконных лазеров на мощность в кВт». Материалы ежегодной конференции IEEE LEOS 1999 г. ЛЕОС'99. 12-е ежегодное собрание. Ежегодное собрание Общества лазеров и электрооптики IEEE, 1999 г. (кат. № 99CH37009) . Том. 2. С. 788–789. дои : 10.1109/leos.1999.811970. ISBN 978-0-7803-5634-4. S2CID  120732530. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  34. ^ Уэда; Секигути Х.; Мацуока Ю.; Миядзима Х.; Х.Кан (1999). «Концептуальный проект волоконно-оптических дисковых и трубчатых лазеров киловаттного класса». Технический дайджест. CLEO/Тихоокеанский рубеж '99. Тихоокеанская конференция по лазерам и электрооптике (кат. № 99TH8464) . Том. 2. Общество лазеров и электрооптики, 1999 г., 12-е ежегодное собрание. ЛЕОС '99. IEEE. стр. 217–218. дои : 10.1109/CLEOPR.1999.811381. ISBN 978-0-7803-5661-0. S2CID  30251829.
  35. ^ Группа Hamamatsu Photonics KK Laser (2006). «Объяснение волоконного дискового лазера» . Природная фотоника . образец: 14–15. дои : 10.1038/nphoton.2006.6.
  36. ^ Попов, С. (2009). «7: Обзор волоконного лазера и медицинское применение». В Дуарте, FJ (ред.). Применение настраиваемых лазеров (2-е изд.). Нью-Йорк: CRC.