Vláknový laser - Fiber laser
Laserové vlákno (nebo laser vláken v britské angličtině ) je laser , ve kterém aktivní zisk médium je optické vlákno dopované s prvky vzácných zemin , jako je erbium , ytterbium , neodym , dysprosium , praseodymu , Thulium a holmium . Vztahují se k dopovaným vláknovým zesilovačům , které zajišťují zesílení světla bez použití laseru . Vláknové nelinearity , jako je stimulovaný Ramanův rozptyl nebo čtyřvlnné směšování, mohou také poskytovat zisk a tak sloužit jako ziskové médium pro vláknový laser.
Výhody a aplikace
Výhodou vláknových laserů oproti jiným typům laserů je to, že laserové světlo je generováno a dodáváno inherentně flexibilním médiem, které umožňuje snadnější dodávku do zaostřovacího místa a cíle. To může být důležité pro laserové řezání, svařování a skládání kovů a polymerů. Další výhodou je vysoký výstupní výkon ve srovnání s jinými typy laserů. Vláknové lasery mohou mít aktivní oblasti dlouhé několik kilometrů, a tak mohou poskytovat velmi vysoký optický zisk. Mohou podporovat kilowatty nepřetržitého výstupního výkonu kvůli vysokému poměru povrchu a objemu vlákna , který umožňuje efektivní chlazení. Vlastnosti vlnovodu vlákna snižují nebo eliminují tepelné zkreslení optické dráhy, obvykle produkují vysoce kvalitní optický paprsek s omezenou difrakcí . Vláknové lasery jsou kompaktní ve srovnání s polovodičovými nebo plynovými lasery srovnatelné síly, protože vlákno lze kvůli úspoře místa ohýbat a svinout, s výjimkou silnějších prutových konstrukcí. Mají nižší náklady na vlastnictví . Vláknové lasery jsou spolehlivé a vykazují vysokou teplotní a vibrační stabilitu a prodlouženou životnost. Vysoký špičkový výkon a nanosekundové impulsy zlepšují značení a gravírování. Dodatečný výkon a lepší kvalita paprsku zajišťují čistší řezné hrany a vyšší řezné rychlosti.
Mezi další aplikace vláknových laserů patří zpracování materiálu, telekomunikace , spektroskopie , medicína a zbraně s řízenou energií .
Design a výroba
Na rozdíl od většiny ostatních typů laserů je laserová dutina ve vláknových laserech konstruována monoliticky fúzí různých typů vláken; vláknové Braggovy rošty nahrazují konvenční dielektrická zrcadla a poskytují optickou zpětnou vazbu . Mohou být také navrženy pro provoz v jednom podélném režimu ultra úzkých distribuovaných zpětnovazebních laserů (DFB), kde fázově posunutá Braggova mřížka překrývá ziskové médium. Vláknové lasery jsou čerpány polovodičovými laserovými diodami nebo jinými vláknovými lasery.
Dvojitě opláštěná vlákna
Mnoho vysoce výkonných vláknových laserů je založeno na vláknech s dvojitým pláštěm . Ziskové médium tvoří jádro vlákna, které je obklopeno dvěma vrstvami opláštění. Lasing režim šíří v jádru, zatímco multimode čerpadlo nosníku šíří vnitřní povlakové vrstvy. Vnější plášť udržuje toto čerpadlo lehce omezené. Toto uspořádání umožňuje, aby jádro bylo čerpáno paprskem s mnohem vyšším výkonem, než by se v něm jinak mohlo šířit, a umožňuje přeměnu světla pumpy s relativně nízkým jasem na signál s mnohem vyšším jasem. Je zde důležitá otázka ohledně tvaru vlákna s dvojitým pláštěm; vlákno s kruhovou symetrií se jeví jako nejhorší možný design. Design by měl umožnit, aby jádro bylo dostatečně malé, aby podporovalo pouze několik (nebo dokonce jeden) režimů. Mělo by poskytovat dostatečné opláštění k zadržení části jádra a optické pumpy na relativně krátkém kusu vlákna.
Zúžené vlákno s dvojitým pláštěm (T-DCF) má zúžené jádro a plášť, který umožňuje změnu výkonu zesilovačů a laserů bez nestability režimu tepelného čočkování.
Škálování výkonu
Nedávný vývoj technologie vláknového laseru vedl k rychlému a velkému nárůstu dosažených difrakčně omezených výkonů paprsku z diodově čerpaných polovodičových laserů . Vzhledem k zavedení velkých režimu činnosti (LMA) vláken, jakož i pokračující pokroky ve vysokém výkonu a vysoké diody jasu, kontinuální vlna jedno- příčný režim síly z Yb dopovaných vláknových laserů se zvýšila z 100 W v roce 2001 na více než 20 kW. V roce 2014 předvedl kombinovaný paprskový laser výkon 30 kW.
Vláknové lasery s vysokým průměrným výkonem se obvykle skládají z hlavního oscilátoru s relativně nízkým výkonem nebo osivového laseru a výkonového zesilovače (MOPA). V zesilovačích pro ultrakrátké optické pulsy se mohou optické špičkové intenzity velmi zvýšit, takže může dojít k škodlivému nelineárnímu zkreslení pulzu nebo dokonce destrukci ziskového média nebo jiných optických prvků. Tomu se obecně zabrání použitím zesílení chirped-pulse (CPA). Nejmodernější vysoce výkonné vláknové laserové technologie využívající tyčové zesilovače dosáhly 1 kW s pulzy 260 fs a dosáhly vynikajícího pokroku a přinesly praktická řešení pro většinu z těchto problémů.
Navzdory atraktivním vlastnostem vláknových laserů však při škálování výkonu nastává několik problémů. Nejvýznamnější jsou teplotní čočky a odpor materiálu, nelineární efekty, jako je stimulovaný Ramanův rozptyl (SRS), stimulovaný Brillouinův rozptyl (SBS), nestability režimu a špatná kvalita výstupního paprsku.
Hlavním přístupem k řešení problémů souvisejících se zvýšením výstupního výkonu pulzů bylo zvýšení průměru jádra vlákna. Byla vyvinuta speciální aktivní vlákna s velkými režimy, která zvyšují poměr povrchu k aktivnímu a objemům aktivních vláken, a tím zlepšují odvod tepla a umožňují měřítko výkonu.
Navíc byly použity speciálně vyvinuté struktury dvojitého pláště ke snížení požadavků na jas vysoce výkonných diod čerpadla řízením šíření a absorpce čerpadla mezi vnitřním pláštěm a jádrem.
Bylo vyvinuto několik typů aktivních vláken s velkou účinnou oblastí režimu (LMA) pro vysoce výkonné škálování, včetně vláken LMA s jádrem s nízkou aperturou, mikrostrukturovaným spirálovým jádrem z tyčového vlákna nebo chirálně spřaženými vlákny a zúženými dvojitými vlákny plátovaná vlákna (T-DCF). Průměr módového pole (MFD) dosažený těmito technologiemi s nízkou aperturou obvykle nepřesahuje 20–30 μm. Mikrostrukturované vlákno tyčového typu má mnohem větší MFD (až 65 μm) a dobrý výkon. Působivou pulzní energii 2,2 mJ demonstroval femtosekundový MOPA obsahující vlákna s velkým hřištěm (LPF). Nedostatkem zesilovacích systémů s LPF je však jejich relativně dlouhé (až 1,2 m) neohýbatelné vlákno tyčového typu, což znamená poměrně objemné a těžkopádné optické schéma. Výroba LPF je velmi složitá a vyžaduje významné zpracování, jako je přesné vrtání předlisků vláken. Vlákna LPF jsou vysoce citlivá na ohýbání, což znamená, že je ohrožena robustnost a přenositelnost.
Uzamčení režimu
Kromě typů režimového blokování používaných u jiných laserů lze vláknové lasery pasivně blokovat v režimu pomocí dvojlomu samotného vlákna. Nelineární optický efekt Kerr způsobí změnu polarizace, která se mění s intenzitou světla. To umožňuje polarizátoru v laserové dutině působit jako saturovatelný absorbér , který blokuje světlo s nízkou intenzitou, ale umožňuje průchod světla s vysokou intenzitou s malým útlumem. To umožňuje laseru vytvářet pulzy s uzamčeným režimem a nelinearita vlákna dále tvaruje každý puls na ultrakrátký puls optického solitonu .
Polovodičová zrcátka se saturovatelným absorbérem (SESAM) lze také použít k režimu uzamčení vláknových laserů. Hlavní výhodou, kterou mají SESAM oproti jiným technikám saturovatelného absorbéru, je to, že parametry absorbéru lze snadno přizpůsobit tak, aby vyhovovaly potřebám konkrétního laserového designu. Například je možné řídit fluktuaci saturace změnou odrazivosti horního reflektoru, zatímco hloubku modulace a dobu zotavení lze přizpůsobit změnou podmínek růstu nízkých teplot pro absorpční vrstvy. Tato svoboda designu dále rozšířila použití SESAMů na modelování vláknových laserů, kde je potřeba relativně vysoká modulační hloubka, aby se zajistilo samočinné spuštění a provozní stabilita. Vláknové lasery pracující na 1 um a 1,5 um byly úspěšně předvedeny.
Pro vláknové lasery s režimem blokování byly také použity absorbéry absorbovatelné grafenem. Saturovatelná absorpce grafenu není příliš citlivá na vlnovou délku, což je užitečné pro laditelné lasery zajišťující režim.
Lasery z tmavého solitonového vlákna
V režimu bez režimu zamykání byl úspěšně vytvořen vláknový laser s tmavým solitonem s použitím vláknového laseru dopovaného erbiem s normální rozptylem s polarizátorem v dutině. Experimentální zjištění naznačují, že kromě emise jasných pulsů mohl vláknový laser za vhodných podmínek emitovat také jeden nebo více temných pulsů. Na základě numerických simulací může být tvorba temných pulsů v laseru výsledkem tvarování temných solitonů.
Vícevlnové vláknové lasery
Emise více vlnových délek ve vláknovém laseru demonstrovala současné modré a zelené koherentní světlo pomocí optického vlákna ZBLAN. Laser s koncovým čerpáním byl založen na médiu optického zesílení s konverzí za použití polovodičového laseru s delší vlnovou délkou k pumpování fluoridového vlákna dopovaného Pr3 + / Yb3 +, které k vytvoření dutiny používalo na každém konci vlákna potažená dielektrická zrcadla.
Lasery s vláknovým diskem
Dalším typem vláknového laseru je vláknový diskový laser . V takových laserech není čerpadlo omezeno na opláštění vlákna, ale místo toho je světlo čerpadla dodáváno přes jádro několikrát, protože je navinuto do sebe. Tato konfigurace je vhodná pro škálování výkonu, při kterém se po obvodu cívky používá mnoho zdrojů čerpadla.