Волоконный лазер - Fiber laser

А волоконный лазер (или же волоконный лазер в Британский английский ) это лазер в которой активная среда усиления является оптоволокно допированный редкоземельные элементы такие как эрбий, иттербий, неодим, диспрозий, празеодим, тулий и гольмий. Они связаны с усилители на легированном волокне, которые обеспечивают усиление света без генерация. Волокно нелинейности, такие как вынужденное комбинационное рассеяние или четырехволновое смешение может также обеспечивать усиление и, таким образом, служить в качестве усиливающей среды для волоконного лазера.[нужна цитата ]

Преимущества и применение

Преимущество волоконных лазеров по сравнению с другими типами лазеров заключается в том, что лазерный свет генерируется и доставляется с помощью изначально гибкой среды, что упрощает доставку к месту фокусировки и цели. Это может быть важно при лазерной резке, сварке и гибке металлов и полимеров. Еще одно преимущество - высокая выходная мощность по сравнению с другими типами лазеров. Волоконные лазеры могут иметь активную область длиной несколько километров, что обеспечивает очень высокое оптическое усиление. Они могут поддерживать непрерывную выходную мощность в киловаттах благодаря высокой мощности волокна. площадь поверхности к объем соотношение, которое обеспечивает эффективное охлаждение. Волокна волновод свойства уменьшают или устраняют тепловые искажения оптического пути, обычно производя дифракционно ограниченный, качественный оптический луч. Волоконные лазеры компактнее по сравнению с твердое состояние или газовые лазеры сопоставимой мощности, потому что волокно можно сгибать и свернуть в спираль, за исключением более толстых стержневых конструкций, для экономии места. У них ниже стоимость владения.[1][2][3] Волоконные лазеры надежны, обладают высокой температурной и колебательной стабильностью, а также увеличенным сроком 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]

Другие применения волоконных лазеров включают обработку материалов, телекоммуникации, спектроскопия, лекарство, и оружие направленной энергии.[6]

Дизайн и производство

Смотрите также: Лазерная конструкция

В отличие от большинства других типов лазеров, лазерный резонатор в волоконных лазерах строится монолитно сварка плавлением разные виды волокон; волоконные решетки Брэгга заменить обычные диэлектрические зеркала предоставлять оптическая обратная связь. Они также могут быть рассчитаны на работу в одномодовом продольном режиме сверхузких лазеры с распределенной обратной связью (DFB), где брэгговская решетка с фазовым сдвигом перекрывает усиливающую среду. Волоконные лазеры накачанный полупроводником лазерные диоды или другими волоконными лазерами.

Волокна с двойной оболочкой

Волокно с двойной оболочкой
Основная статья: Волокно с двойной оболочкой

Многие мощные волоконные лазеры основаны на волокно с двойной оболочкой. Усиливающая среда образует сердцевину волокна, которая окружена двумя слоями оболочки. Лазерная Режим распространяется в ядре, а многомодовый Луч накачки распространяется во внутреннем слое оболочки. Внешняя оболочка удерживает свет от насоса. Такое расположение позволяет накачивать сердечник пучком гораздо большей мощности, чем в противном случае можно было бы заставить распространяться в нем, и позволяет преобразовывать свет накачки с относительно низким яркость в сигнал гораздо большей яркости. Возникает важный вопрос о форме волокна с двойной оболочкой; волокно с круговой симметрией кажется наихудшей конструкцией из возможных.[7][8][9][10][11][12] Дизайн должен 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 относительно коротким отрезком волокна.

Коническое волокно с двойной оболочкой (T-DCF) имеет конусообразный сердечник и оболочку, что позволяет масштабировать мощность усилителей и лазеров без нестабильности режима теплового линзирования.[13][14]

Масштабирование мощности

Последние разработки в технологии волоконных лазеров привели к быстрому и значительному росту дифракционно ограниченный мощность луча от твердотельные лазеры с диодной накачкой. Благодаря внедрению волоконно-оптических кабелей с большой площадью моды (LMA), а также постоянному развитию мощных диодов и диодов высокой яркости, непрерывная волна Один-поперечная мода мощность волоконных лазеров, легированных Yb, увеличилась со 100 Вт в 2001 г. до более 20 кВт.[нужна цитата ] В 2014 году комбинированный волоконный лазер продемонстрировал мощность 30 кВт.[15]

Волоконные лазеры с высокой средней мощностью обычно состоят из относительно маломощных задающий генератор, или затравочный лазер, и усилитель мощности (MOPA) схема. В усилителях для сверхкоротких оптических импульсов интенсивность оптических пиков может стать очень высокой, так что могут возникнуть нежелательные нелинейные искажения импульса или даже разрушение усиливающей среды или других оптических элементов. Как правило, этого можно избежать, применяя усиление чирпированных импульсов (CPA). Современные технологии мощных волоконных лазеров с использованием стержневых усилителей достигли 1 кВт при длительности импульса 260 фс. [16] и добились выдающегося прогресса и нашли практические решения для большинства этих проблем.

Однако, несмотря на привлекательные характеристики волоконных лазеров, при масштабировании мощности возникает ряд проблем. Наиболее важными из них являются тепловое линзирование и сопротивление материала, нелинейные эффекты, такие как вынужденное комбинационное рассеяние (SRS), вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS), нестабильности мод и плохое качество выходного луча.

Основной подход к решению проблем, связанных с увеличением выходной мощности импульсов, заключался в увеличении диаметра сердцевины волокна. Специальные активные волокна с большой модой были разработаны для увеличения отношения поверхности к активному объему активных волокон и, следовательно, улучшения рассеивания тепла, позволяющего масштабировать мощность.

Более того, специально разработанные структуры с двойной оболочкой используются для снижения требований к яркости мощных диодов накачки за счет управления распространением накачки и поглощением между внутренней оболочкой и сердечником.

Для масштабирования высокой мощности было разработано несколько типов активных волокон с большой эффективной площадью моды (LMA), включая волокна LMA с сердцевиной с низкой апертурой,[17] микроструктурированное стержневое волокно [16][18] спиральный сердечник [19] или хирально связанные волокна,[20] и конические волокна с двойной оболочкой (Т-DCF).[13] Диаметр модового поля (MFD), достигаемый с помощью этих технологий с низкой апертурой [16][17][18][19][20] обычно не превышает 20–30 мкм. Волокно стержневого типа с микроструктурой имеет гораздо больший MFD (до 65 мкм [21]) и хорошие показатели. Впечатляющая энергия импульса 2,2 мДж была продемонстрирована фемтосекунда MOPA [22] содержащие волокна большого шага (LPF). Однако недостатком систем усиления с ФНЧ является их относительно длинные (до 1,2 м) несгибаемые стержневые волокна, что означает довольно громоздкую и громоздкую оптическую схему.[22] Изготовление LPF очень сложное дело, требующее значительной обработки, такой как прецизионное сверление преформ волокна. Волокна LPF очень чувствительны к изгибу, что снижает надежность и портативность.

Блокировка режима

Основная статья: Режим синхронизации

Помимо видов синхронизация режима используемые с другими лазерами, волоконные лазеры могут быть пассивно синхронизированы мод с помощью двулучепреломление самого волокна.[23] Нелинейный оптический Эффект Керра вызывает изменение поляризации, которое зависит от интенсивности света. Это позволяет поляризатору в лазерном резонаторе 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 превращает каждый импульс в ультракороткий. оптический солитон пульс.

Полупроводниковые зеркала с насыщающимся поглотителем (SESAM) также могут использоваться для волоконных лазеров с синхронизацией мод. Основное преимущество SESAM по сравнению с другими методами насыщающегося поглотителя состоит в том, что параметры поглотителя можно легко адаптировать к потребностям конкретной конструкции лазера. Например, флюенс насыщения можно контролировать, изменяя коэффициент отражения верхнего отражателя, в то время как глубину модуляции и время восстановления можно настраивать, изменяя условия выращивания при низких температурах для слоев поглотителя. Эта свобода проектирования еще больше расширила применение SESAM для синхронизации мод волоконных лазеров, где требуется относительно высокая глубина модуляции для обеспечения самозапуска и стабильности работы. Волоконные лазеры, работающие на 1 мкм и 1,5 мкм, были успешно продемонстрированы.[24][25][26][27]

Графен насыщаемые поглотители также использовались в волоконных лазерах с синхронизацией мод.[28][29][30] Насыщаемое поглощение графена не очень чувствительно к длине волны, что делает его полезным для перестраиваемых лазеров с синхронизацией мод.

Волоконные лазеры на темных солитонах

В режиме без синхронизации мод был успешно создан темный солитонный волоконный лазер с использованием волоконного лазера с нормальной дисперсией, легированным эрбием, с поляризатором в резонаторе. Экспериментальные данные показывают, что помимо излучения ярких импульсов, при соответствующих условиях волоконный лазер может также излучать один или несколько темных импульсов. Согласно результатам численного моделирования, формирование темного импульса в лазере может быть результатом формирования темного солитона.[31]

Многоволновые волоконные лазеры

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 усиливающей среде с повышающим преобразованием, в которой использовался полупроводниковый лазер с большей длиной волны для накачки фторидного волокна, легированного Pr3 + / Yb3 +, в котором использовались покрытые диэлектрические зеркала на каждом конце волокна для формирования резонатора.[32]

Лазеры на волоконных дисках

3 волоконных дисковых лазера
Основная статья: Волоконный дисковый лазер

Другой тип волоконного лазера - это волоконный дисковый лазер. В таких лазерах накачка не ограничена оболочкой волокна, а вместо этого свет накачки проходит через сердцевину несколько раз, потому что она намотана на себя. Эта конфигурация подходит для масштабирование мощности в котором по периферии катушки используется множество источников накачки.[33][34][35][36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Рост популярности станков для лазерной резки в США до 2021 года в связи с потребностью в продукции высшего качества: Technavio». Деловой провод. 2 февраля 2017 г.. Получено 2020-02-08.
  2. ^ Шайнер, Билл (1 февраля 2016 г.). «Волоконные лазеры продолжают завоевывать долю рынка в области обработки материалов». SME.org. Получено 2020-02-08.
  3. ^ Шайнер, Билл (1 февраля 2006 г.). «Волоконные лазеры большой мощности завоевывают долю рынка». Промышленные лазерные решения для производства. Получено 2020-02-08.
  4. ^ Zervas, Michalis N .; Codemard, Кристоф А. (сентябрь 2014 г.). «Волоконные лазеры большой мощности: обзор». IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 20 (5): 219–241. Bibcode:2014IJSTQ..20..219Z. Дои:10.1109 / JSTQE.2014.2321279. ISSN  1077–260X. S2CID  36779372.
  5. ^ Филлипс, Кэтрин С .; Ганди, Хеми Х .; Мазур, Эрик; Сундарам, С. К. (31 декабря 2015 г.). «Сверхбыстрая лазерная обработка материалов: обзор». Достижения в оптике и фотонике. 7 (4): 684–712. Bibcode:2015AdOP .... 7..684P. Дои:10.1364 / AOP.7.000684. ISSN  1943-8206.
  6. ^ Попов, С. (2009). «7: Обзор волоконного лазера и его применения в медицине». В Дуарте, Ф. Дж. (ред.). Настраиваемые лазерные приложения (2-е изд.). Нью-Йорк: CRC.
  7. ^ С. Бедо; В. Люти; Х. П. Вебер (1993). «Эффективный коэффициент поглощения в волокнах с двойной оболочкой». Оптика Коммуникации. 99 (5–6): 331–335. Bibcode:1993OptCo..99..331B. Дои:10.1016/0030-4018(93)90338-6.
  8. ^ А. Лю; К. Уэда (1996). «Поглощающие характеристики круглых, офсетных и прямоугольных волокон с двойной оболочкой». Оптика Коммуникации. 132 (5–6): 511–518. Bibcode:1996OptCo.132..511A. Дои:10.1016/0030-4018(96)00368-9.
  9. ^ Кузнецов, Д .; Молони, Дж. В. (2003). «Эффективность поглощения накачки в волоконных усилителях с двойной оболочкой. 2: Нарушенная круговая симметрия». JOSA B. 39 (6): 1259–1263. Bibcode:2002JOSAB..19.1259K. Дои:10.1364 / JOSAB.19.001259.
  10. ^ Кузнецов, Д .; Молони, Дж. В. (2003). «Эффективность поглощения накачки в волоконных усилителях с двойной оболочкой.3: Расчет мод». JOSA B. 19 (6): 1304–1309. Bibcode:2002JOSAB..19.1304K. Дои:10.1364 / JOSAB.19.001304.
  11. ^ Leproux, P .; С. Феврие; В. Дойя; П. Рой; Д. Пагну (2003). «Моделирование и оптимизация волоконных усилителей с двойной оболочкой с использованием хаотического распространения накачки». Оптоволоконная технология. 7 (4): 324–339. Bibcode:2001OptFT ... 7..324L. Дои:10.1006 / оф.2001.0361.
  12. ^ Д.Кузнецов; Дж. Молони (2004). «Граничное поведение мод лапласиана Дирихле». Журнал современной оптики. 51 (13): 1362–3044. Bibcode:2004JMOp ... 51.1955K. Дои:10.1080/09500340408232504. S2CID  209833904.
  13. ^ а б Филиппов, В .; Чаморовский Ю. Kerttula, J .; Golant, K .; Песса, М .; Охотников, О.Г. (04.02.2008). «Коническое волокно с двойной оболочкой для применений с высокой мощностью». Оптика Экспресс. 16 (3): 1929–1944. Bibcode:2008OExpr..16.1929F. Дои:10.1364 / OE.16.001929. ISSN  1094-4087. PMID  18542272.
  14. ^ Филиппов, Валерий; Керттула, Юхо; Чаморовский, Юрий; Голант, Константин; Охотников Олег Г. (07.06.2010). "Высокоэффективный иттербиевый волоконный лазер с конической двойной оболочкой 750 Вт". Оптика Экспресс. 18 (12): 12499–12512. Bibcode:2010OExpr..1812499F. Дои:10.1364 / OE.18.012499. ISSN  1094-4087. PMID  20588376.
  15. ^ «Многие лазеры объединены в волоконном лазере Lockheed Martin мощностью 30 кВт». Gizmag.com. Получено 2014-02-04.
  16. ^ а б c Мюллер, Михаэль; Кинель, Марко; Кленке, Арно; Готтшалл, Томас; Шестаев, Евгений; Плётнер, Марко; Лимперт, Йенс; Тюннерманн, Андреас (2016-08-01). «Восьмиканальный сверхбыстрый волоконный лазер мощностью 1 кВт 1 мДж». Письма об оптике. 41 (15): 3439–3442. Bibcode:2016OptL ... 41.3439M. Дои:10.1364 / OL.41.003439. ISSN  1539-4794. PMID  27472588.
  17. ^ а б Коплоу, Джеффри П .; Kliner, Dahv A. V .; Гольдберг, Лью (2000-04-01). «Одномодовый режим многомодового волоконно-оптического усилителя». Письма об оптике. 25 (7): 442–444. Bibcode:2000OptL ... 25..442K. Дои:10.1364 / OL.25.000442. ISSN  1539-4794. PMID  18064073.
  18. ^ а б Limpert, J .; Deguil-Robin, N .; Manek-Hönninger, I .; Салин, Ф .; Röser, F .; Liem, A .; Schreiber, T .; Nolte, S .; Zellmer, H .; Tünnermann, A .; Броенг, Дж. (21 февраля 2005 г.). «Мощный стержневой волоконный фотонно-кристаллический лазер». Оптика Экспресс. 13 (4): 1055–1058. Bibcode:2005OExpr..13.1055L. Дои:10.1364 / OPEX.13.001055. ISSN  1094-4087. PMID  19494970.
  19. ^ а б Wang, P .; Купер, Л. Дж .; Sahu, J. K .; Кларксон, В. А. (15 января 2006 г.). "Эффективная одномодовая работа иттербиевого волоконного лазера с накачкой в ​​оболочку". Письма об оптике. 31 (2): 226–228. Bibcode:2006OptL ... 31..226 Вт. Дои:10.1364 / OL.31.000226. ISSN  1539-4794. PMID  16441038.
  20. ^ а б Лефрансуа, Симон; Сосновский, Томас С .; Лю, Чи-Хун; Галванаускас, Альмантас; Мудрый, Фрэнк В. (14 февраля 2011 г.). «Масштабирование энергии волоконных лазеров с синхронизацией мод и волоконной сердцевиной с хиральной связью». Оптика Экспресс. 19 (4): 3464–3470. Bibcode:2011OExpr..19.3464L. Дои:10.1364 / OE.19.003464. ISSN  1094-4087. ЧВК  3135632. PMID  21369169.
  21. ^ "МОДУЛИ УСИЛЕНИЯ ВОЛОКНА ВЫСОКОПРОЧНЫХ ИТТЕРБИЕВЫХ УТОЧНЕЙ AEROGAIN-ROD". Получено 14 января 2020.
  22. ^ а б Эйдам, Тино; Ротхардт, Ян; Штуцки, Фабиан; Янсен, Флориан; Хадрих, Штеффен; Карстенс, Хеннинг; Хореги, Сезар; Лимперт, Йенс; Тюннерманн, Андреас (03.01.2011). «Волоконная система усиления чирпированных импульсов с пиковой мощностью 3,8 ГВт». Оптика Экспресс. 19 (1): 255–260. Bibcode:2011OExpr..19..255E. Дои:10.1364 / OE.19.000255. ISSN  1094-4087. PMID  21263564.
  23. ^ Li N .; Xue J .; Ouyang C .; Wu K .; Wong J. H .; Aditya S .; Шум П. П. (2012). «Оптимизация длины резонатора для генерации импульсов высокой энергии в длинном резонаторе с пассивной синхронизацией мод, полностью волоконным кольцевым лазером». Прикладная оптика. 51 (17): 3726–3730. Bibcode:2012ApOpt..51.3726L. Дои:10.1364 / AO.51.003726. PMID  22695649.
  24. ^ Х. Чжан и др. «Индуцированные солитоны, образованные кросс-поляризационным взаимодействием в волоконном лазере с двулучепреломляющим резонатором» В архиве 2011-07-07 на Wayback Machine, Опт. Lett., 33, 2317–2319. (2008).
  25. ^ Д.Ю. Тан и др., «Наблюдение векторных солитонов высокого порядка с синхронизацией поляризации в волоконном лазере» В архиве 2010-01-20 на Wayback Machine, Письма с физическими проверками, 101, 153904 (2008).
  26. ^ Х. Чжан и др. «Когерентный обмен энергией между компонентами векторного солитона в волоконных лазерах», Оптика Экспресс, 16,12618–12623 (2008).
  27. ^ Zhang H .; и другие. (2009). "Многоволновая диссипативная солитонная работа волоконного лазера, легированного эрбием". Оптика Экспресс. 17 (2): 12692–12697. arXiv:0907.1782. Bibcode:2009OExpr..1712692Z. Дои:10.1364 / oe.17.012692. PMID  19654674. S2CID  1512526.
  28. ^ Чжан, Х; Тан, ДЙ; Чжао, Л. М.; Bao, QL; Ло, КП (28 сентября 2009 г.). "Синхронизация мод большой энергии легированного эрбием волоконного лазера с атомным слоем графена". Оптика Экспресс. 17 (20): 17630–5. arXiv:0909.5536. Bibcode:2009OExpr..1717630Z. Дои:10.1364 / OE.17.017630. PMID  19907547. S2CID  207313024.
  29. ^ Хан Чжан; Цяолян Бао; Динъюань Тан; Люмин Чжао; Кианпин Ло (2009). «Солитонный эрбиевый волоконный лазер большой энергии с композитным синхронизатором мод графен-полимер» (PDF). Письма по прикладной физике. 95 (14): P141103. arXiv:0909.5540. Bibcode:2009АпФЛ..95н1103З. Дои:10.1063/1.3244206. S2CID  119284608. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-17.
  30. ^ [1] В архиве 19 февраля 2012 г. Wayback Machine
  31. ^ Zhang, H .; Tang, D. Y .; Zhao, L.M .; Ву, X. (27 октября 2009 г.). «Темное импульсное излучение волоконного лазера» (PDF). Физический обзор A. 80 (4): 045803. arXiv:0910.5799. Bibcode:2009PhRvA..80d5803Z. Дои:10.1103 / PhysRevA.80.045803. S2CID  118581850. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-17.
  32. ^ Бэни, Д. М., Рэнкин, Г., Чейндж, К. У. "Одновременная синяя и зеленая генерация с повышающим преобразованием в фторидном волоконном лазере с диодной накачкой на Pr3 + / Yb3 +", Прикл. Phys. Lett, vol. 69 No 12, стр. 1622-1624, сентябрь 1996 г.
  33. ^ Уэда, Кен-ичи (1998). «Оптический резонатор и будущее мощных волоконных лазеров». Труды. 3267 (Лазерные резонаторы): 14. Bibcode:1998SPIE.3267 ... 14U. Дои:10.1117/12.308104. S2CID  136018975.
  34. ^ К. Уэда (1999). «Физика масштабирования дисковых волоконных лазеров на мощность в кВт». Общество лазеров и электрооптики. 2: 788–789. Дои:10.1109 / leos.1999.811970. ISBN  978-0-7803-5634-4. S2CID  120732530.
  35. ^ Уэда; Sekiguchi H .; Мацуока Й .; Miyajima H .; Х. Кан (1999). «Концептуальный дизайн дисковых и трубчатых лазеров квантового класса». Общество лазеров и электрооптики, 1999, 12-е ежегодное собрание. LEOS '99. IEEE. 2: 217–218. Дои:10.1109 / CLEOPR.1999.811381. ISBN  978-0-7803-5661-0. S2CID  30251829.
  36. ^ Hamamatsu Photonics K.K. Лазерная группа (2006). «Объяснение лазера на волоконных дисках». Природа Фотоника. образец: 14–15. Дои:10.1038 / nphoton.2006.6.