Што е ласер со влакна?

Дефиниција: Ласер кој користи допирани влакна како медиум за засилување, или ласер чиј ласерски резонатор е претежно составен од влакна.

Ласерите со влакна обично се однесуваат на ласери кои користат влакна како медиум за засилување, иако некои ласери кои користат полупроводнички оптички засилувачи (полупроводнички оптички засилувачи) и резонатори со влакна, исто така, може да се наречат ласери со влакна (или полупроводнички оптички ласери). Дополнително, некои други видови ласери (на пример, полупроводнички диоди поврзани со влакна) и засилувачи со влакна се нарекуваат и ласери со влакна (или ласерски системи со влакна).

Во повеќето случаи, медиумот за засилување е влакно со јонско допирање на ретка земја, како што се ербиум (Er3+), итербиум (Yb3+), ториум (Tm3+) или прасеодимиум (Pr3+), а потребни се една или повеќе ласерски диоди поврзани со влакна. за пумпање. Иако медиумот за засилување на ласерите со влакна е сличен на оној на масовните ласери со цврста состојба, ефектот на брановоди и малата површина на ефективен режим резултираат со ласери со различни својства. На пример, тие обично имаат големо ласерско засилување и високи загуби во шуплината на резонаторот. Видете ги записите фибер ласер и масовен ласер.

Слика 1

Ласерски резонатор со влакна

За да се добие ласерски резонатор со користење на оптичко влакно, може да се користат голем број рефлектори за да се формира линеарен резонатор или да се создаде ласер со прстенести влакна. Различни видови рефлектори може да се користат во линеарен оптички ласерски резонатор:

Слика 2

1. Во лабораториски поставки, обичните двохроични огледала може да се користат на краевите на нормално расцепканите влакна, како што е прикажано на слика 1. Сепак, ова решение не може да се користи во производство на големи размери и не е издржливо.

2. Рефлексијата на Френел на крајот од голото влакно е доволна за да служи како излезна спојка за ласер со влакна. Слика 2 покажува пример.

3. Диелектричните облоги може да се таложат директно на краевите на влакната, обично со испарување. Таквите облоги можат да постигнат висока рефлексивност во широк опсег.

4. Во комерцијалните производи, вообичаено се користат браг-решетки со влакна, кои може да се подготват директно од допирани влакна или со спојување на недопирани влакна во активни влакна. Слика 3 покажува дистрибуиран Bragg рефлекторски ласер (DBR ласер), кој содржи две решетки со влакна. Има и дистрибуиран ласер со повратна информација со решетка во допираните влакна и фазно поместување помеѓу.

5. Ако светлината емитирана од влакното се колимира со леќа и се рефлектира назад со дихроично огледало, може да се постигне подобро ракување со моќноста. Светлината добиена од огледалото ќе има значително намален интензитет поради поголемата површина на зракот. Сепак, малите неусогласувања може да предизвикаат значителни загуби на рефлексија, а дополнителните рефлексии на Френел на завршните страни на влакната може да произведат ефекти на филтерот. Последново може да се потисне со користење на аголни расцепени краеви на влакна, но ова воведува загуби зависни од брановата должина.

6. Исто така е можно да се формира рефлектор со оптичка јамка со помош на спојка на влакна и пасивни влакна.

Повеќето оптички ласери се пумпаат со еден или повеќе полупроводнички ласери поврзани со влакна. Светлото на пумпата се спојува директно во јадрото на влакната или со голема моќност во обвивката на пумпата (видете ги влакната со двојно обложување), за што ќе се дискутира подетално подолу.

Постојат многу видови на ласери со влакна, од кои неколку се опишани подолу.

Постојат многу видови на ласери со влакна, од кои неколку се опишани подолу.

Ласери со влакна со висока моќност

Првично, ласерите со влакна можеа да постигнат излезна моќност од неколку миливати. Денес, ласерите со влакна со висока моќност можат да постигнат излезна моќност од неколку стотици вати, а понекогаш дури и неколку киловати од едномодни влакна. Ова се постигнува со зголемување на односот на страните и ефектите на брановоди, со што се избегнуваат термооптички ефекти.

Видете го записот Ласери и засилувачи со високомоќни влакна за повеќе детали.

Ласери со влакна со надконверзија

Ласерите со влакна се особено погодни за реализација на ласери со конверзија, кои обично работат на релативно ретки ласерски транзиции и бараат многу висок интензитет на пумпата. Во ласерите со влакна, високите интензитети на пумпата може да се одржуваат на долги растојанија, така што ефикасноста на засилување се постигнува лесно за транзиции со многу мала добивка.

Во повеќето случаи, силициумските влакна не се погодни за ласери со влакна со надконверзија, бидејќи механизмот за нагорна конверзија бара долг век на средно ниво на електронско енергетско ниво, што обично е многу мало во силициумските влакна поради високата енергија на фононот (видете мултифотонски транзиции). Затоа, обично се користат некои флуоридни влакна од тешки метали, како што е ZBLAN (флуорозирконат) со мала енергија на фонон.

Најчесто користени ласери со конверзивни влакна се ториум-допирани влакна за сина светлина, ласери допирани со прасеодимиум (понекогаш со итербиум) за црвена, портокалова, зелена или сина светлина и ласери допирани со ербиум за триод.

Ласери со влакна со тесна ширина

Ласерите со влакна можат да работат само во еден надолжен режим (видете ласер со една фреквенција, работа во еден режим) со многу тесна ширина на линијата од неколку килохерци или дури и помала од 1 kHz. За долгорочна стабилна работа со една фреквенција и без дополнителни барања по разгледување на температурната стабилност, ласерската празнина треба да биде кратка (на пример, 5 cm), иако колку е подолга празнината, во принцип, толку е помал шумот на фазата и потесен ширина на линијата. Крајот на влакната содржи теснопојасна решетка со влакна од Браг (видете дистрибуиран ласер со рефлектор на Браг, ласер со влакна DBR) за да изберете режим на шуплина. Излезната моќност обично се движи од неколку миливати до десетици миливати, а достапни се и еднофреквентни ласери со влакна со излезна моќност до 1 W.

Екстремна форма е дистрибуираниот повратен ласер (DFB ласер), каде што целата ласерска празнина е содржана во решетка со влакно Браг со фазно поместување помеѓу. Овде шуплината е релативно кратка, што ја жртвува излезната моќност и ширината на линијата, но работата со една фреквенција е многу стабилна.

Засилувачите со влакна, исто така, може да се користат за дополнително засилување до повисоки сили.

Ласери со влакна со префрлување Q

Ласерите со влакна можат да генерираат импулси со должина од десетици до стотици наносекунди, користејќи различни активни или пасивни Q прекинувачи. Енергијата на пулсот од неколку милиџули може да се постигне со влакна со голема модна површина, а во екстремни случаи може да достигне десетици милиџули, ограничени од енергијата на заситеноста (дури и со влакна со голема модна површина) и прагот на оштетување (поизразен за пократки импулси). Сите уреди со влакна (освен оптиката на слободен простор) се ограничени во пулсната енергија, бидејќи тие обично не можат да имплементираат влакна со голема површина на режим и ефективно префрлување Q.

Поради високата ласерска добивка, Q-префрлувањето кај ласерите со влакна е многу различно по својата природа од онаа кај масовните ласери и е покомплексно. Вообичаено има повеќе шила во временскиот домен, а исто така е можно да се произведат пулсирања со префрлување Q со должина помала од времето за враќање на резонаторот.

Ласерите со влакна со заклучен режим користат посложени резонатори (ултракратки ласери со влакна) за да произведат пикосекунди или фемтосекунда пулсирања. Овде, ласерскиот резонатор содржи активен модулатор или некои заситени апсорбери. Заситените апсорбери може да се реализираат со нелинеарни ефекти на ротација на поларизација или со користење на нелинеарно огледало со јамка со влакна. Огледалата со нелинеарни јамки може да се користат, на пример, во „ласерот со фигури од осум“ на Слика 8, каде што левата страна содржи главен резонатор и прстен со нелинеарни влакна за засилување, обликување и стабилизирање на ултракратките импулси со кружен пат. Особено при заклучување на хармонискиот режим, потребни се дополнителни уреди, како што се подшуплините што се користат како оптички филтри.