Шта је фибер ласер?

Дефиниција: Ласер који користи допирано влакно као медиј за појачање, или ласер чији је ласерски резонатор углавном састављен од влакана.

Фибер ласери се обично односе на ласере који користе влакна као медијум за појачање, иако се неки ласери који користе полупроводничке медије за појачавање (полупроводнички оптички појачивачи) и фибер резонатори такође могу назвати фибер ласери (или полупроводнички оптички ласери). Поред тога, неки други типови ласера ​​(на пример, полупроводничке диоде спрегнуте са влакнима) и појачивачи са влакнима се такође називају ласери са влакнима (или ласерски системи са влакнима).

У већини случајева, медиј за појачање је влакно допирано јонима ретких земаља, као што су ербијум (Ер3+), итербијум (Иб3+), торијум (Тм3+) или празеодимијум (Пр3+), а потребна је једна или више ласерских диода спојених на влакна за пумпање. Иако је медијум појачања код ласера ​​са влакнима сличан оном код ласера ​​у чврстом стању, ефекат таласовода и мала ефективна област мода резултирају ласерима са различитим својствима. На пример, обично имају велико појачање ласера ​​и велике губитке у шупљини резонатора. Погледајте уносе фибер ласер и булк ласер.

Слика 1

Фибер ласер резонатор

Да би се добио ласерски резонатор помоћу оптичког влакна, одређени број рефлектора се може користити за формирање линеарног резонатора или за креирање ласера ​​са прстенастим влакнима. У линеарном оптичком ласерском резонатору могу се користити различити типови рефлектора:

Слика 2

1. У лабораторијским поставкама, обична дихроична огледала се могу користити на крајевима перпендикуларно цепаних влакана, као што је приказано на слици 1. Међутим, ово решење се не може користити у производњи великих размера и није издржљиво.

2. Фреснелова рефлексија на крају голог влакна је довољна да служи као излазни спојник за фибер ласер. На слици 2 приказан је пример.

3. Диелектрични премази се такође могу нанети директно на крајеве влакана, обично испаравањем. Такви премази могу постићи високу рефлексивност у широком опсегу.

4. У комерцијалним производима обично се користе влакнасте Брегове решетке, које се могу припремити директно од допираних влакана или спајањем недопираних влакана на активна влакна. На слици 3 приказан је дистрибуирани Брегов рефлектор ласер (ДБР ласер), који садржи две решетке од влакана. Постоји и дистрибуирани ласер са повратном спрегом са решетком у допираном влакну и фазним помаком између.

5. Ако се светлост која се емитује из влакна колимује сочивом и рефлектује од дихроичног огледала, може се постићи боље управљање снагом. Светлост коју прими огледало имаће знатно смањен интензитет због веће површине снопа. Међутим, мала неусклађеност могу узроковати значајне губитке рефлексије, а додатне Фреснелове рефлексије на крајњим странама влакана могу произвести ефекте филтера. Ово последње може бити потиснуто коришћењем крајева влакана под углом, али то доводи до губитака зависних од таласне дужине.

6. Такође је могуће формирати рефлектор оптичке петље помоћу спојнице влакана и пасивних влакана.

Већина оптичких ласера ​​се пумпа помоћу једног или више полупроводничких ласера ​​са спрегнутим влакнима. Светло пумпе је спојено директно на језгро влакна или при великој снази у омотач пумпе (погледајте двоструко обложена влакна), о чему ће се детаљније говорити у наставку.

Постоји много типова ласера ​​са влакнима, од којих су неки описани у наставку.

Постоји много типова ласера ​​са влакнима, од којих су неки описани у наставку.

Ласери са влакнима велике снаге

У почетку су ласери са влакнима могли да постигну излазну снагу од само неколико миливата. Данас оптички ласери велике снаге могу постићи излазну снагу од неколико стотина вати, а понекад и неколико киловата из једномодних влакана. Ово се постиже повећањем односа ширине и висине и ефектима таласовода, који избегавају термооптичке ефекте.

Погледајте унос Ласери и појачала са влакнима велике снаге за више детаља.

Влакнасти ласери са повећаном конверзијом

Ласери са влакнима су посебно погодни за реализацију ласера ​​са конверзијом на горе, који обично раде на релативно ретким ласерским прелазима и захтевају веома високе интензитете пумпе. У ласерима са влакнима, високи интензитети пумпе се могу одржавати на великим удаљеностима, тако да се добијена ефикасност појачања лако постиже за прелазе са веома малим појачањем.

У већини случајева, влакна од силицијум диоксида нису погодна за ласере са узлазном конверзијом, јер механизам за конверзију навише захтева дуг животни век средњег стања на нивоу електронске енергије, који је обично веома мали у силицијумским влакнима због високе енергије фонона (погледајте вишефотонске прелазе). Због тога се обично користе флуоридна влакна тешких метала, као што је ЗБЛАН (флуороцирконат) са ниском енергијом фонона.

Најчешће коришћени влакнасти ласери са повећаном конверзијом су влакна допирана торијумом за плаво светло, ласери допирани празеодимијумом (понекад са итербијумом) за црвену, наранџасту, зелену или плаву светлост и ласери допирани ербијумом за триоду.

Ласери са влакнима уске ширине линије

Фибер ласери могу да раде само у једном уздужном режиму (погледајте једнофреквентни ласер, рад у једном режиму) са веома уском ширином линије од неколико килохерца или чак мање од 1 кХз. За дуготрајан стабилан рад на једној фреквенцији, и без додатних захтева након разматрања температурне стабилности, ласерска шупљина треба да буде кратка (нпр. 5 цм), иако што је шупљина дужа, у принципу, то је нижи фазни шум и ужи Ширина линије. Крај влакна садржи ускопојасну влакнасту Браггову решетку (погледајте дистрибуирани Браггов рефлектор ласер, ДБР фибер ласер) за одабир режима шупљине. Излазна снага се обично креће од неколико миливата до десетина миливата, а доступни су и ласери са једнофреквентним влакнима са излазном снагом до 1 В.

Екстремни облик је ласер са дистрибуираном повратном спрегом (ДФБ ласер), где је цела ласерска шупљина садржана унутар влакнасте Брегове решетке са фазним помаком између. Овде је шупљина релативно кратка, што жртвује излазну снагу и ширину линије, али рад на једној фреквенцији је веома стабилан.

Појачала са влакнима се такође могу користити за даље појачање на веће снаге.

К-свитцхед фибер ласери

Фибер ласери могу да генеришу импулсе дужине од десетина до стотина наносекунди, користећи различите активне или пасивне К прекидаче. Енергије импулса од неколико милиџула могу се постићи са влакнима велике површине мода, ау екстремним случајевима могу достићи десетине милиџула, ограничене енергијом засићења (чак и код влакана велике површине мода) и прагом оштећења (израженији за краће импулсе). Сви уређаји са влакнима (осим оптике слободног простора) су ограничени у импулсној енергији, јер обично не могу да имплементирају влакна велике површине мода и ефективно К пребацивање.

Због великог појачања ласера, К-прекидање код ласера ​​са влакнима је по природи веома различито од оног у масовним ласерима и сложеније је. Обично постоје вишеструки шиљци у временском домену, а такође је могуће произвести импулсе са К-прекидањем дужине мање од времена повратног пута резонатора.

Фибер ласери са закључаним модом користе сложеније резонаторе (ласере са ултра кратким влакнима) за производњу пикосекундних или фемтосекундних импулса. Овде ласерски резонатор садржи активни модулатор или неке засићене апсорбере. Засићени апсорбери се могу реализовати ефектима ротације нелинеарне поларизације или коришћењем нелинеарног огледала петље од влакана. Огледала са нелинеарном петљом могу се користити, на пример, у „ласеру са бројком осам“ на слици 8, ​​где се на левој страни налазе главни резонатор и прстен од нелинеарног влакна за појачавање, обликовање и стабилизацију ултракратких импулса који се крећу у круг. Посебно код закључавања хармонијског режима, потребни су додатни уређаји, као што су подшупљине које се користе као оптички филтери.