لیزر فیبر چیست؟

لیزر فیبر چیست؟

فیبر نوری مخفف فیبر نوری است و معمولا یک موجبر استوانه ای برای امواج نور است. از اصل بازتاب کامل برای محدود کردن امواج نور به هسته و هدایت آنها در جهت محور فیبر استفاده می کند. جایگزینی سیم مسی با شیشه کوارتز دنیا را تغییر داد.

فیبر نوری به عنوان وسیله ای برای هدایت امواج نور، از سال 1966 که توسط چارلز کائو معرفی شد، به دلیل ظرفیت ارتباطی بالا، ایمنی تداخل بالا، افت انتقال کم، فاصله رله طولانی، محرمانه بودن خوب، سازگاری، اندازه کوچک، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. ، وزن سبک و منابع فراوان مواد اولیه. کائو که به عنوان "پدر فیبر نوری" شناخته می شود، در سال 2009 جایزه نوبل فیزیک را برای کارهایش دریافت کرد. با افزایش کمال و کاربردی بودن فیبر نوری، صنعت مخابرات را متحول کرده و تا حد زیادی جایگزین سیم مسی به عنوان جزء اصلی ارتباطات مدرن شده است.

سیستم ارتباطی فیبر نوری یک سیستم ارتباطی است که از نور به عنوان حامل اطلاعات و از فیبر نوری به عنوان رسانه هدایت موج استفاده می کند. هنگامی که فیبر نوری اطلاعات را ارسال می کند، سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری تبدیل می شود و سپس به داخل فیبر منتقل می شود. به عنوان یک فناوری ارتباطی نوظهور، ارتباطات فیبر نوری از همان ابتدا برتری بی‌نظیری از خود نشان داده و مورد توجه و توجه گسترده قرار گرفته است. استفاده گسترده از فیبرهای نوری در ارتباطات همچنین به توسعه سریع تقویت کننده های فیبر نوری و لیزرهای فیبر در همان زمان کمک کرده است. علاوه بر ارتباطات، سیستم های فیبر نوری نیز در طیف گسترده ای از کاربردها در پزشکی، حسگر و سایر زمینه ها استفاده می شوند.

فیبرهای نوری

محیط افزایش لیزر فیبر فیبر فعال است. با توجه به ساختار آن را می توان به فیبر تک حالته، فیبر دو پوشیده و فیبر کریستال فوتونی سه تقسیم کرد.

فیبر نوری تک حالته فیبر تک حالته شامل یک هسته، روکش و لایه پوششی است که در آن ضریب شکست مواد هسته n1، بالاتر از ضریب شکست ماده روکش n2 است، زمانی که زاویه برخورد نور تابشی بیشتر از تصویر زاویه بحرانی، پرتو نور در هسته انتشار کامل، بنابراین فیبر را می توان به پرتو نور در انتشار هسته محدود شده است. روکش داخلی فیبرهای تک حالته نمی تواند نقش مهار کننده ای برای نور پمپ چند حالته ایفا کند و دیافراگم عددی هسته کم است، بنابراین فقط می توان از جفت نور پمپ تک حالته به هسته برای به دست آوردن خروجی لیزر استفاده کرد. لیزرهای فیبر اولیه از این فیبر تک حالته استفاده می کردند که در نتیجه راندمان کوپلینگ پایین و لیزرهایی با توان خروجی در محدوده میلی وات بود.

الیاف دوپوش

ماورر (R. Maurer) برای اولین بار در سال 1974، برای غلبه بر محدودیت های الیاف دوپ شده با ایتربیوم تک روکش معمولی (Yb3 plus) روی بازده تبدیل و توان خروجی، مفهوم الیاف دو لایه را ارائه کرد. از آن زمان، تا سال 1988، زمانی که E. Snitzer و دیگران فناوری پمپاژ پوششی [3] را پیشنهاد کردند، لیزرها/تقویت کننده های فیبر دوپ شده با Yb به سرعت توسعه یافتند.

فیبر دو لایه یک فیبر نوری با ساختار ویژه ای است که یک لایه روکش داخلی به فیبر معمولی اضافه می کند که شامل یک لایه پوشش، یک لایه روکش داخلی، یک لایه روکش خارجی و یک هسته فیبر دوپ شده است. فناوری پمپاژ روکشی مبتنی بر یک فیبر دو لایه است که هسته آن اجازه می دهد تا نور پمپ چند حالته در روکش داخلی و نور لیزر در هسته منتقل شود و بازده تبدیل پمپاژ و توان خروجی را فراهم می کند. لیزر فیبر تا حد زیادی بهبود یافته است. ساختار الیاف دولایه، شکل روکش داخلی و روش کوپلینگ نور پمپ، کلیدهای این فناوری هستند.

هسته فیبر دولایه از دی اکسید سیلیکون (SiO2) دوپ شده با عناصر کمیاب تشکیل شده است که هم محیط لیزر و هم کانال انتقال سیگنال لیزر در لیزر فیبر است که مطابق با طول موج کار است. اندازه عرضی (دهها برابر قطر یک هسته معمولی) و دیافراگم عددی روکش داخلی بسیار بزرگتر از هسته است و ضریب شکست کوچکتر از هسته است که انتشار نور لیزر را به طور کامل محدود می کند. درون هسته این یک موجبر نوری مقطعی بزرگ با دیافراگم عددی بزرگ بین هسته و روکش بیرونی ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد دیافراگم عددی بزرگ، مقطع بزرگ و نور پمپ‌شده با توان بالا چند حالته به فیبر متصل شود و به انتقال در داخل محدود شود. روکش داخلی بدون انتشار، نگهداری پمپ نوری با چگالی توان بالا را تسهیل می کند. روکش بیرونی از یک ماده پلیمری با ضریب شکست کوچکتر از روکش داخلی تشکیل شده است. بیرونی ترین لایه یک لایه محافظ است که از مواد آلی تشکیل شده است. ناحیه اتصال فیبر دو روکش به نور پمپ شده بر خلاف الیاف معمولی تک حالته که توسط هسته به تنهایی تعیین می شود، توسط اندازه روکش داخلی تعیین می شود. از یک طرف، این کار راندمان کوپلینگ توان لیزر فیبر انسانی را بهبود می‌بخشد و به نور پمپ اجازه می‌دهد تا چندین بار از روکش داخلی عبور کند تا یون‌های دوپینگ را برای انتشار لیزر تحریک کند. از سوی دیگر، کیفیت پرتو خروجی توسط ماهیت هسته فیبر تعیین می شود و معرفی روکش داخلی کیفیت پرتو خروجی لیزر فیبر را از بین نمی برد.

در ابتدا، روکش داخلی الیاف دولایه به صورت استوانه ای متقارن و نسبتاً ساده برای ساخت و اتصال آسان به پیگ دم دیود لیزر پمپ (LD) بود، اما تقارن کامل آن منجر به تعداد زیادی پرتوهای مارپیچی از نور پمپ شد. روکش داخلی که حتی پس از انعکاس کافی برای جذب توسط هسته هرگز به ناحیه هسته نرسیده است، به طوری که حتی با الیاف حتی با الیاف بلندتر، هنوز مقدار زیادی نشت نور وجود دارد و بهبود راندمان تبدیل را دشوار می کند. به همین دلیل باید تقارن استوانه ای روکش داخلی شکسته شود.

الیاف کریستال فوتونیک

در الیاف دو روکش معمولی، هندسه هسته قدرت لیزر خروجی را تعیین می کند. دیافراگم عددی کیفیت پرتو لیزر خروجی را تعیین می کند. با توجه به محدودیت‌های اثرات غیر خطی، آسیب‌های نوری و سایر مکانیسم‌های فیزیکی در فیبرهای نوری، یک وسیله واحد برای افزایش قطر هسته نمی‌تواند تقاضا برای عملکرد تک حالته در خروجی توان بالا در فیبرهای روکش دوگانه میدان بزرگ را برآورده کند. ظهور الیاف خاص، مانند الیاف کریستال فوتونی (PCF)، یک راه حل فنی موثر برای این چالش فراهم می کند.

مفهوم بلورهای فوتونی اولین بار توسط E. Yablonovitch در سال 19871 به عنوان یک ساختار تناوبی با ثابت های دی الکتریک مختلف در یک، دو یا سه بعد معرفی شد که به نور اجازه انتشار در نوار رسانش فوتونی را می دهد و از انتشار نور در شکاف باند فوتونی جلوگیری می کند. PBG). PCFها بلورهای فوتونیک دو بعدی هستند که به عنوان الیاف ریزساختار یا فیبرهای متخلخل نیز شناخته می شوند و در سال 1996 JC Knight و همکارانش. اولین PCF ها را با مکانیزم هدایت نور شبیه به الیاف معمولی با بازتاب داخلی کامل تولید کرد. پس از سال 2005، طراحی و آماده سازی PCF های میدان بزرگ با ظهور اشکال مختلف، از جمله PCF های کانالی نشتی، PCF های میله ای، PCF های گام بزرگ و PCF های چند هسته ای شروع به تنوع کرد. ناحیه مد-فیلد فیبر نیز بر همین اساس به افزایش خود ادامه داده است.

از نظر ظاهری، PCF ها بسیار شبیه به فیبرهای تک حالته معمولی هستند، اما از نظر میکروسکوپی ساختارهای پیچیده آرایه حفره ای را نشان می دهند. این ویژگی‌های ساختاری هستند که به PCF‌ها مزایای منحصر به فرد و بی‌نظیری نسبت به الیاف معمولی می‌دهند، مانند انتقال تک حالته بدون قطع، ناحیه میدان بزرگ حالت، پراکندگی قابل تنظیم و تلفات محدود کم، که می‌تواند بر بسیاری از چالش‌های لیزرهای معمولی غلبه کند. . به عنوان مثال، PCF می تواند به عملیات تک حالته در یک منطقه میدان بزرگ حالت دست یابد، در حالی که کیفیت پرتو را تضمین می کند، به طور قابل توجهی چگالی توان لیزر را در فیبر کاهش می دهد، اثرات غیر خطی در فیبر را کاهش می دهد و آستانه آسیب فیبر را افزایش می دهد. می‌تواند به یک دیافراگم عددی بزرگ دست یابد، که به این معنی است که کوپلینگ اپتیکال پمپ بیشتر و خروجی لیزر با توان بالاتر می‌توان به دست آورد. این موضوع آن را به یک نقطه برجسته تحقیقاتی جدید در لیزرهای فیبر تبدیل کرده است و نقش مهمی را در کاربرد لیزرهای فیبر با قدرت بالا ایفا می کند.

اختراع لیزر فیبر

لیزرهایی که از فیبرهای نوری به عنوان رسانه افزایش لیزر استفاده می کنند به عنوان لیزر فیبر شناخته می شوند. مانند سایر انواع لیزرها، از سه بخش تشکیل شده است: محیط افزایش، منبع پمپ و حفره تشدید. لیزرهای فیبر از یک فیبر فعال با یک هسته آغشته به عناصر خاکی کمیاب به عنوان واسطه استفاده می کنند. لیزر نیمه هادی به طور کلی به عنوان منبع پمپ استفاده می شود. حفره تشدید به طور کلی از آینه های بازتابنده، سطوح انتهایی فیبر، آینه های حلقه ای فیبر یا توری های الیافی تشکیل شده است.

با توجه به ویژگی های حوزه زمانی لیزر فیبر، می توان آن را به لیزر فیبر پیوسته و لیزر فیبر پالسی تقسیم کرد. با توجه به ساختار حفره رزونانس، می توان آن را به لیزر فیبر حفره خطی، لیزر فیبر بازخورد توزیع شده و لیزر فیبر حفره حلقه تقسیم کرد. با توجه به فیبر گین و روش های مختلف پمپاژ، می توان آن را به لیزر فیبر روکشی تک (پمپ کردن هسته فیبر) و لیزر فیبر روکش دوگانه (پمپاژ روکشی) تقسیم کرد.

در سال 1961، اسنیتزر تابش لیزر را در موجبرهای شیشه ای دوپ شده با نئودیمیم (Nd) کشف کرد. در سال 1966، کائو به طور مفصل علل اصلی کاهش نور در فیبرهای نوری را مورد مطالعه قرار داد و به مشکلات فنی اصلی که برای کاربرد عملی فیبرهای نوری در ارتباطات باید حل شوند اشاره کرد. در سال 1970، کورنینگ در ایالات متحده فیبرهای نوری با تضعیف کمتر از 20 دسی بل در کیلومتر را توسعه داد که پایه و اساس توسعه ارتباطات نوری و صنعت الکترونیک نوری را ایجاد کرد. این پایه و اساس توسعه ارتباطات نوری و صنایع الکترونیک نوری را گذاشت. در دهه‌های 1970 و 1980، بلوغ و تجاری‌سازی فناوری لیزر نیمه‌رسانا، منبع پمپ قابل اعتماد و متنوعی برای توسعه لیزرهای فیبری فراهم کرد. در همان زمان، توسعه روش رسوب بخار شیمیایی باعث می شود که از دست دادن انتقال فیبر نوری به طور مداوم کاهش یابد. لیزرهای فیبری نیز به سرعت در جهت تنوع در حال توسعه هستند، با الیافی که با انواع عناصر کمیاب خاکی مانند اربیوم (Er3 plus)، ایتربیوم (Yb3 plus)، نئودیمیم (Nd3 plus)، ساماریوم (Sm 3 plus)، دوپ شده اند. تولیوم (Tm3 plus)، هولمیوم (Ho3 plus)، پرازئودیمیم (Pr3 plus)، دیسپروزیم (Dy3 plus)، بیسموت (Bi3 plus) و غیره. بسته به یون های دوپ شده، طول موج های متفاوتی از خروجی لیزر را می توان به دست آورد. برای برآوردن نیازهای برنامه های مختلف.

ویژگی های لیزرهای فیبر با قدرت بالا

مزایای لیزرهای فیبر توان بالا به شرح زیر است.

(1) کیفیت پرتو خوب. ساختار موجبر فیبر نوری به دست آوردن یک خروجی حالت عرضی را آسان می کند و تأثیر عوامل خارجی برای دستیابی به خروجی لیزر با روشنایی بالا بسیار کم است.

(2) راندمان بالا. لیزر فیبر با انتخاب طول موج انتشار و ویژگی های جذب عناصر خاکی کمیاب دوپ شده لیزر نیمه هادی برای منبع پمپ، می توانید بازده تبدیل نور بسیار بالا را به دست آورید. برای لیزرهای فیبر توان بالا دوپ شده با ایتربیوم، به طور کلی لیزرهای نیمه هادی 915 نانومتری یا 975 نانومتری را انتخاب کنید، به دلیل ساختار سطح انرژی ساده Yb3 plus، افزایش تبدیل، جذب حالت برانگیخته و انفجارهای غلظت کمتر اتفاق می افتد، عمر فلورسانس طولانی تر است و می تواند به طور موثر انرژی ذخیره کند. برای عملکرد با قدرت بالا راندمان کلی الکترواپتیکی لیزرهای فیبر تجاری تا 25 درصد است که منجر به کاهش هزینه، صرفه جویی در انرژی و حفاظت از محیط زیست می شود.

(3) ویژگی های اتلاف گرما خوب. لیزرهای فیبر به عنوان یک محیط افزایش لیزر با استفاده از یک فیبر نازک و خاکی کمیاب با نسبت سطح به حجم بسیار زیاد استفاده می شود. حدود 1000 برابر لیزر بلوک جامد، از نظر ظرفیت اتلاف حرارت، مزیت طبیعی دارد. هیچ خنک کننده خاصی از فیبر برای موارد با توان کم و متوسط ​​مورد نیاز نیست و از خنک کننده آبی برای موارد با قدرت بالا استفاده می شود که همچنین به طور موثر از کاهش کیفیت و کارایی پرتو به دلیل اثرات حرارتی که معمولاً در لیزرهای حالت جامد یافت می شود جلوگیری می کند.

(4) ساختار فشرده، قابلیت اطمینان بالا. از آنجایی که لیزر فیبر از یک فیبر کوچک و انعطاف پذیر به عنوان رسانه افزایش لیزر استفاده می کند، به فشرده سازی حجم و صرفه جویی در هزینه ها کمک می کند. منبع پمپ همچنین در اندازه کوچک، لیزرهای نیمه هادی آسان برای مدولار استفاده می شود، محصولات تجاری به طور کلی با خروجی pigtail، همراه با گریتینگ فیبر براگ و سایر دستگاه های فیبر نوری در دسترس هستند، تا زمانی که این دستگاه ها برای رسیدن به فیبر کامل به یکدیگر ذوب شوند. مصونیت در برابر اختلالات محیطی، با پایداری بالا، می تواند در زمان و هزینه های نگهداری صرفه جویی کند.

لیزرهای فیبر توان بالا همچنین دارای معایبی هستند که غلبه بر آنها دشوار است: یکی آسیب پذیری در برابر اثرات غیر خطی است. لیزرهای فیبر به دلیل هندسه موجبرهایشان، طول موثر طولانی و آستانه پایینی برای اثرات غیرخطی مختلف دارند. برخی از اثرات غیرخطی مضر مانند پراکندگی رامان برانگیخته (SRS)، مدولاسیون خود فاز (SPM) و غیره می توانند باعث نوسانات فاز و انتقال انرژی در طیف شوند یا حتی به سیستم لیزر آسیب وارد کنند و توسعه فیبر پرقدرت را محدود کنند. لیزرها دوم اثر تیره شدن فوتون است. با افزایش زمان پمپاژ، اثر تیره شدن فوتون می تواند منجر به غلظت بالای دوپینگ بازده تبدیل توان فیبر دوپ شده با عناصر خاکی کمیاب شود که به صورت یکنواخت و غیر قابل برگشت کاهش می یابد، و پایداری طولانی مدت و عمر مفید لیزرهای فیبر پرقدرت را محدود می کند، که به ویژه مشهود است. در لیزرهای فیبر پرقدرت دوپ شده با ایتربیوم.

با پیشرفت لیزرهای نیمه هادی با روشنایی بالا و فناوری فیبر دو لایه، توان خروجی، راندمان تبدیل نوری به نوری و کیفیت پرتو لیزرهای فیبر پرقدرت به طور قابل توجهی توسعه یافته است. در پردازش صنعتی، سلاح‌های انرژی هدایت‌شده، تله‌متری دوربرد، LIDAR و سایر کاربردهای تقاضای بسیار زیاد، عمدتاً به Apache Photonics ایالات متحده (IPG Photonics)، Nufern (Nufern)، Nlight (Nlight) و گروه Tong Express آلمان، واحدهای تحقیقاتی در موج پیوسته، موج پالس تحقیقات و توسعه لیزر فیبر با قدرت بالا، خطوط تولید غنی را راه اندازی کردند. همچنین تعدادی از واحدها در چین، از جمله دانشگاه Tsinghua، دانشگاه ملی فناوری دفاع، موسسه اپتیک و ماشین‌های دقیق شانگهای آکادمی علوم چین و چهارمین مؤسسه تحقیقاتی علوم هوافضای چین و چهارمین مؤسسه تحقیقاتی علوم هوافضای چین، نتایج جالبی را گزارش کرده‌اند. شرکت صنعت.

فناوری افزایش قدرت لیزر فیبر

با توجه به اثرات غیر خطی در لیزر فیبر، اثرات حرارتی و محدودیت‌های آستانه آسیب مادی، توان خروجی یک لیزر تک فیبری تا حدی محدود شده است و با افزایش توان، کیفیت پرتو به تدریج کاهش می‌یابد که نیاز به استفاده دارد. فناوری کنترل حالت و طراحی ساختار ویژه ای از فیبر جدید برای بهبود کیفیت پرتو. داوسون (JW Dawson) و همکاران از نظر تئوری حد توان خروجی یک فیبر منفرد را تجزیه و تحلیل کردند و محاسبه کردند که در لیزرهای فیبر باند پهن، یک فیبر منفرد می‌تواند حداکثر توان 36 کیلووات نزدیک به خروجی لیزر حد پراش را به دست آورد، در حالی که برای لیزرهای فیبر با عرض خط باریک، حداکثر توان قدرت 2 کیلو وات است. به منظور افزایش بیشتر توان خروجی لیزر فیبر و تقویت کننده، سنتز توان لیزرهای فیبر متعدد با فناوری سنتز منسجم یک روش موثر است. در سال های اخیر به یک کانون تحقیقاتی بین المللی تبدیل شده است.

سنتز منسجم با کنترل فاز، فرکانس و پلاریزاسیون هر پرتو لیزر با یک قوام مشخص به دست می‌آید، به طوری که شرایط همدوسی را برآورده می‌کند و خروجی قفل فاز همگن به دست می‌آورد که می‌تواند شدت پیک بسیار بالاتری نسبت به غیر منسجم ساده به دست آورد. برهم نهفته و کیفیت پرتو خوب را حفظ می کند. تاریخچه توسعه فناوری سنتز منسجم تقریباً به اندازه تاریخ خود لیزرها است و شامل انواع مختلف لیزرهای گازی، لیزرهای شیمیایی، لیزرهای نیمه هادی، لیزرهای حالت جامد و غیره است. در روزهای اولیه، نتایج تجربی به‌دست‌آمده با فناوری سنتز منسجم، از حداکثر توان خروجی لیزر تک پیوندی مربوطه در آن زمان عبور نمی‌کرد، بنابراین تأثیر چندان واضح نبود. از دهه 1990 به بعد، ظهور لیزرهای فیبر منجر به توسعه سریع تکنیک های سنتز منسجم شد. علاوه بر مزایای منحصر به فرد لیزرهای فیبر و نیاز به استفاده تاکتیکی از صدها کیلووات، چندین دستگاه (یعنی کوپلرهای مخروطی فیبر، فیبرهای چند هسته ای، مدولاتورهای فاز با پیگتیل و شیفترهای فرکانس آکوستو-اپتیکال و ...) نقش مهمی در گسترش تجاری ارتباطات فیبر نوری دارد. جفت کننده های مخروط فیبر و فیبرهای چند هسته ای کنترل فاز غیرفعال را بر اساس جفت تزریق انرژی لیزر و کوپلینگ موج سریع تسهیل می کنند، در حالی که مدولاتورهای فاز با پیگتیل ها و شیفترهای فرکانس آکوستو-اپتیکال، کنترل فاز فعال را با پهنای باند کنترل مگاهرتز امکان پذیر می کنند، که می تواند برای کنترل نوسانات فاز در شرایط توان بالا و دستیابی به خروجی های قفل فاز. محققان تعدادی از طرح‌های سنتز منسجم متمایز را پیشنهاد کرده‌اند.

سنتز طیفی یک تکنیک سنتز غیر منسجم است که از یک یا چند توری پراش برای پراش پرتوهای فرعی متعدد به یک دیافراگم استفاده می‌کند و در نتیجه خروجی یک دیافراگم با کیفیت پرتو خوب است. سنتز طیفی لیزرهای فیبر می‌تواند از پهنای باند بهره وسیع لیزرهای فیبر دوپ شده Yb برای جبران توان خروجی محدود یک لیزر فیبری استفاده کامل کند.