Волоконный лазер (или волоконный лазер на английском языке Commonwealth ) — это лазер , в котором активной средой усиления является оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами, такими как эрбий , иттербий , неодим , диспрозий , празеодим , тулий и гольмий . Они относятся к легированным волоконным усилителям , которые обеспечивают усиление света без генерации .
Нелинейности волокна , такие как вынужденное комбинационное рассеяние или четырехволновое смешение , также могут обеспечивать усиление и, таким образом, служить усиливающей средой для волоконного лазера. [ необходима ссылка ]
Преимущество волоконных лазеров перед другими типами лазеров заключается в том, что лазерный свет генерируется и доставляется изначально гибкой средой, что позволяет легче доставлять его к месту фокусировки и цели. Это может быть важно для лазерной резки, сварки и фальцовки металлов и полимеров. Другим 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 высокий оптический коэффициент усиления. Они могут поддерживать киловаттные уровни непрерывной выходной мощности из-за высокого отношения площади поверхности к объему волокна, что обеспечивает эффективное охлаждение. Волноводные свойства волокна уменьшают или устраняют тепловые искажения оптического пути, как правило, создавая ограниченный дифракцией высококачественный оптический луч. Волоконные лазеры компактны по сравнению с твердотельными или газовыми лазерами сопоставимой мощности, поскольку волокно можно сгибать и сворачивать, за исключением случаев более толстых стержневых конструкций, для экономии места. Они имеют более низкую стоимость владения . [1] [2] [3] Волоконные лазеры надежны и демонстрируют высокую температурную и вибрационную стабильность и длительный срок 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]
В отличие от большинства других типов лазеров, лазерный резонатор в волоконных лазерах создается монолитно путем сращивания различных типов волокон; 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 смещенная по фазе брэгговская решетка перекрывает среду усиления. Волоконные лазеры накачиваются полупроводниковыми лазерными диодами или другими волоконными лазерами.
Многие высокомощные волоконные лазеры основаны на волокне с двойной оболочкой . Усиливающая среда образует сердцевину волокна, которая окружена двумя слоями оболочки. Режим генерации распространяется в сердцевине, в то время как многомодовый луч накачки распространяется во внутреннем слое оболочки. Внешняя оболочка удерживает этот свет накачки ограниченным. Такое расположение позволяет накачивать сердцевину гораздо более мощным лучом, чем можно было бы заставить распространяться в ней, и позволяет преобразовывать свет накачки с относительно низкой яркостью в сигнал с гораздо более высокой яркостью. Существует важный вопрос о форме волокна с двойной оболочкой; волокно с круговой симметрией, по-видимому, является наихудшей возможной конструкцией. [6] [7] [8] [9] [10] [11] Конструкция должна позволять сердечнику быть достаточно малым, чтобы поддерживать только несколько (или даже одну) мод. Она должна обеспечивать достаточную оболочку, чтобы ограничить сердечник и оптическую секцию 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 тепловой линзы. [12] [13]
Недавние разработки в области волоконных лазерных технологий привели к быстрому и значительному росту достигнутых дифракционно-ограниченных мощностей пучка твердотельных лазеров с диодной накачкой . Благодаря внедрению волокон с большой площадью моды (LMA), а также продолжающимся достижениям в области мощных и ярких диодов, мощности непрерывной волны с одной поперечной модой от волоконных лазеров, легированных Yb, возросли со 100 Вт в 2001 году до продемонстрированной мощности волоконного лазера с комбинированным пучком в 30 кВт в 2014 году. [14]
Высокомощные волоконные лазеры обычно состоят из сравнительно маломощного задающего генератора , или затравочного лазера, и схемы усилителя мощности (MOPA). В усилителях для сверхкоротких оптических импульсов оптические пиковые интенсивности могут стать очень высокими, так что могут возникнуть вредные нелинейные искажения импульса или даже разрушение среды усиления или других оптических элементов. Этого обычно избегают, используя усиление чирпированным импульсом (CPA). Современные технологии высокомощных волоконных лазеров, использующие усилители стержневого типа, достигли 1 кВт с импульсами 260 фемтосекунд [15] и добились выдающегося прогресса и предоставили практические решения для большинства этих проблем.
Однако, несмотря на привлекательные характеристики волоконных лазеров, при масштабировании мощности возникает ряд проблем. Наиболее значимыми являются тепловое линзирование и сопротивление материала, нелинейные эффекты, такие как вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), нестабильность мод и плохое качество выходного пучка.
Основным подходом к решению проблем, связанных с увеличением выходной мощности импульсов, стало увеличение диаметра сердцевины волокна. Для увеличения отношения поверхности к активному объему активных волокон и, следовательно, улучшения теплоотвода, что позволяет масштабировать мощность, были разработаны специальные активные волокна с большими модами.
Кроме того, специально разработанные структуры с двойной оболочкой были использованы для снижения требований к яркости мощных диодов накачки за счет управления распространением и поглощением накачки между внутренней оболочкой и сердечником.
Несколько типов активных волокон с большой эффективной площадью моды (LMA) были разработаны для масштабирования высокой мощности, включая волокна LMA с сердцевиной с малой апертурой [16] , микроструктурированное стержневое волокно [15] [17] спиральное волокно [18] или хирально-связанные волокна [19] и конические двухоболочковые волокна (T-DCF). [12] Диаметр поля моды (MFD), достигаемый с помощью этих технологий с малой апертурой [15] [16] [17] [18] [19], обычно не превышает 20–30 мкм. Микроструктурированное стержневое волокно имеет гораздо большую MFD (до 65 мкм [20] ) и хорошую производительность. Впечатляющая энергия импульса 2,2 мДж была продемонстрирована фемтосекундным MOPA [ 21], содержащим волокна с большим шагом (LPF). Однако недостатком систем усиления с LPF являются их относительно длинные (до 1,2 м) негнущиеся волокна стержневого типа, что означает довольно громоздкую и громоздкую оптическую схему. [21] Изготовление LPF очень сложно, требуя значительной обработки, такой как прецизионное сверление заготовок волокон. Волокна LPF очень чувствительны к изгибу, что ставит под угрозу прочность и портативность.
В дополнение к типам синхронизации мод, используемым с другими лазерами, волоконные лазеры могут быть пассивно синхронизированы с использованием двулучепреломления самого волокна. [22] Нелинейный оптический эффект Керра вызывает изменение поляризации, которое изменяется в зависимости от интенсивности света. Это позволяет поляризатору в лазерной полости действовать как насыщаемый поглотитель , блокируя свет низкой интенсивности, но позволяя свету высокой интенсивности проходить с небольшим затуханием. Это позволяет лазеру формировать импульсы с синхронизацией мод, а затем нелинейность волокна дополнительно формирует каждый импульс в сверхкороткий оптический солитонный импульс.
Полупроводниковые насыщающиеся поглощающие зеркала (SESAM) также могут использоваться для синхронизации мод волоконных лазеров. Главным преимуществом SESAM перед другими методами насыщающихся поглотителей является то, что параметры поглотителя можно легко настроить в соответствии с потребностями конкретной конструкции лазера. Например, поток насыщения можно контролировать, изменяя отражательную способность верхнего отражателя, в то время как глубину модуляции и время восстановления можно настроить, изменяя условия выращивания низкотемпературных слоев поглотителя. Эта свобода дизайна еще больше расширила применение SESAM в синхронизации мод волоконных лазеров, где требуется относительно высокая глубина модуляции для обеспечения самозапуска и стабильности работы. Были успешно продемонстрированы волоконные лазеры, работающие на 1 мкм и 1,5 мкм. [23] [24] [25] [26]
Насыщающиеся поглотители на основе графена также использовались для волоконных лазеров 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.
В режиме без синхронизации мод был успешно создан волоконный лазер с темным солитоном, использующий полностью нормальный дисперсионный волоконный лазер, легированный эрбием, с поляризатором в резонаторе. Экспериментальные данные показывают, что помимо излучения яркого импульса, при соответствующих условиях волоконный лазер может также излучать одиночные или множественные темные импульсы. На основе численного моделирования формирование темного импульса в лазере может быть результатом формирования темного солитона. [30]
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 среде усиления с повышением частоты, использующей полупроводниковый лазер с большей длиной волны для накачки легированного фторидом Pr3+/Yb3+ волокна, которое использовало покрытые диэлектрические зеркала на каждом конце волокна для формирования полости. [31]
Другой тип волоконного лазера — волоконный дисковый лазер . В таких лазерах накачка не ограничена оболочкой волокна, а вместо этого свет накачки передается через сердечник несколько раз, поскольку он скручен сам по себе. Такая конфигурация подходит для масштабирования мощности , при котором множество источников накачки используются по периферии катушки. [32] [33] [34] [35]
Области применения волоконных лазеров включают обработку материалов, телекоммуникации , спектроскопию , медицину и оружие направленной энергии . [36]
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )