Kaj je fiber laser?

Opredelitev: laser, ki uporablja dopirano vlakno kot ojačitveni medij, ali laser, katerega laserski resonator je večinoma sestavljen iz vlaken.

Vlakneni laserji se običajno nanašajo na laserje, ki uporabljajo vlakna kot ojačitveni medij, čeprav lahko nekatere laserje, ki uporabljajo polprevodniške ojačitvene medije (polprevodniški optični ojačevalniki) in vlaknene resonatorje, imenujemo tudi vlakneni laserji (ali polprevodniški optični laserji). Poleg tega se nekatere druge vrste laserjev (na primer polprevodniške diode, sklopljene z vlakni) in ojačevalniki z vlakni imenujejo tudi laserji z vlakni (ali laserski sistemi z vlakni).

V večini primerov je ojačevalni medij vlakno, dopirano z ioni redkih zemelj, kot je erbijevo (Er3+), iterbijevo (Yb3+), torijevo (Tm3+) ali prazeodimsko (Pr3+) in potrebna je ena ali več laserskih diod, povezanih z vlakni. za črpanje. Čeprav je ojačitveni medij laserjev z vlakni podoben kot pri polprevodniških laserjih v razsutem stanju, učinek valovoda in majhna efektivna površina načina povzročita laserje z drugačnimi lastnostmi. Na primer, običajno imajo visoko lasersko ojačenje in velike izgube resonatorske votline. Oglejte si vnose optični laser in bulk laser.

Slika 1

Fiber laserski resonator

Za pridobitev laserskega resonatorja z optičnim vlaknom je mogoče uporabiti več reflektorjev za oblikovanje linearnega resonatorja ali za ustvarjanje laserja z vlaknenim obročem. V linearnem optičnem laserskem resonatorju je mogoče uporabiti različne vrste reflektorjev:

Slika 2

1. V laboratorijskih napravah se lahko na koncih pravokotno razcepljenih vlaken uporabljajo običajna dihroična zrcala, kot je prikazano na sliki 1. Vendar te rešitve ni mogoče uporabiti v obsežni proizvodnji in ni trajna.

2. Fresnelov odboj na koncu golega vlakna zadostuje, da služi kot izhodni spojnik za laser z vlakni. Slika 2 prikazuje primer.

3. Dielektrične prevleke je mogoče nanesti tudi neposredno na konce vlaken, običajno z izparevanjem. Takšni premazi lahko dosežejo visoko odbojnost v širokem razponu.

4. V komercialnih izdelkih se običajno uporabljajo vlaknene Braggove rešetke, ki jih je mogoče pripraviti neposredno iz dopiranih vlaken ali s spajanjem nedopiranih vlaken v aktivna vlakna. Slika 3 prikazuje porazdeljeni Braggov reflektorski laser (DBR laser), ki vsebuje dve vlakneni rešetki. Obstaja tudi porazdeljeni povratni laser z rešetko v dopiranem vlaknu in faznim zamikom vmes.

5. Če svetlobo, ki jo oddaja vlakno, kolimira leča in jo odbije nazaj dihroično zrcalo, je mogoče doseči boljše upravljanje moči. Svetloba, ki jo prejme zrcalo, bo zaradi večje površine žarka močno zmanjšana. Vendar pa lahko rahle neusklajenosti povzročijo znatne izgube odseva, dodatni Fresnelovi odboji na končnih fasetah vlaken pa lahko povzročijo učinke filtra. Slednje je mogoče zatreti z uporabo pod kotom razcepljenih koncev vlaken, vendar to povzroči izgube, odvisne od valovne dolžine.

6. Prav tako je mogoče oblikovati reflektor z optično zanko z uporabo spojnika za vlakna in pasivnih vlaken.

Večino optičnih laserjev črpa en ali več polprevodniških laserjev, povezanih z vlakni. Svetloba črpalke je sklopljena neposredno v jedro vlakna ali pri visoki moči v oblogo črpalke (glejte dvojno obložena vlakna), o čemer bomo podrobneje razpravljali spodaj.

Obstaja veliko vrst laserjev z vlakni, nekaj jih je opisanih spodaj.

Obstaja veliko vrst laserjev z vlakni, nekaj jih je opisanih spodaj.

Visokozmogljivi vlakneni laserji

Na začetku so lahko vlakneni laserji dosegali izhodno moč le nekaj milivatov. Danes lahko visokozmogljivi laserji z vlakni dosegajo izhodne moči nekaj sto vatov, včasih pa tudi več kilovatov iz enomodnih vlaken. To se doseže s povečanjem razmerja stranic in valovodnih učinkov, ki preprečujejo termooptične učinke.

Za več podrobnosti si oglejte razdelek Visokozmogljivi optični laserji in ojačevalniki.

Optični laserji s pretvorbo vlaken

Vlakneni laserji so še posebej primerni za realizacijo laserjev s pretvorbo navzgor, ki običajno delujejo na razmeroma redkih laserskih prehodih in zahtevajo zelo visoke intenzivnosti črpalke. Pri laserjih z vlakni je mogoče vzdrževati visoke intenzivnosti črpalke na dolgih razdaljah, tako da je dosežena učinkovitost ojačanja zlahka dosežena za prehode z zelo nizkim ojačanjem.

V večini primerov vlakna iz silicijevega dioksida niso primerna za laserje z vlakni s pretvorbo navzgor, ker mehanizem za pretvorbo navzgor zahteva dolgo življenjsko dobo vmesnega stanja na nivoju elektronske energije, ki je pri vlaknih iz silicijevega dioksida običajno zelo majhna zaradi visoke fononske energije (glejte večfotonske prehode). Zato se običajno uporabljajo nekatera fluoridna vlakna iz težkih kovin, kot je ZBLAN (fluorocirkonat) z nizko fononsko energijo.

Najpogosteje uporabljeni laserji s pretvorbo vlaken so vlakna, dopirana s torijem, za modro svetlobo, laserji, dopirani s prazeodimom (včasih z iterbijem) za rdečo, oranžno, zeleno ali modro svetlobo, in laserji, dopirani z erbijem, za triode.

Laserji z vlakni ozke črte

Vlakneni laserji lahko delujejo samo v enem vzdolžnem načinu (glej enofrekvenčni laser, enonačinsko delovanje) z zelo ozko širino črte nekaj kilohercev ali celo manj kot 1 kHz. Za dolgoročno stabilno enofrekvenčno delovanje in brez dodatnih zahtev po upoštevanju temperaturne stabilnosti mora biti laserska votlina kratka (npr. 5 cm), čeprav daljša kot je vdolbina, načeloma nižji je fazni šum in ožji je širina črte. Konec vlaken vsebuje ozkopasovno vlakneno Braggovo rešetko (glejte porazdeljeni Braggov reflektorski laser, DBR vlakneni laser) za izbiro načina votline. Izhodna moč se običajno giblje od nekaj milivatov do deset milivatov, na voljo pa so tudi enofrekvenčni vlakneni laserji z izhodno močjo do 1 W.

Ekstremna oblika je laser s porazdeljeno povratno zvezo (DFB laser), kjer je celotna laserska votlina v Braggovi mreži iz vlaken s faznim zamikom vmes. Tu je votlina razmeroma kratka, kar žrtvuje izhodno moč in širino črte, vendar je enofrekvenčno delovanje zelo stabilno.

Optične ojačevalce je mogoče uporabiti tudi za dodatno ojačanje na višje moči.

Optični laserji s preklopom Q

Vlakneni laserji lahko ustvarjajo impulze z dolžinami od deset do sto nanosekund z uporabo različnih aktivnih ali pasivnih Q stikal. Energije impulza nekaj miljoulov je mogoče doseči z vlakni z veliko površino moda, v skrajnih primerih pa lahko dosežejo desetine miljoulov, omejeno z energijo nasičenja (tudi pri vlaknih z veliko površino moda) in pragom poškodbe (izrazitejši pri krajših impulzih). Vse naprave z vlakni (razen optike prostega prostora) imajo omejeno energijo impulzov, ker običajno ne morejo izvajati vlaken z velikim območjem in učinkovitega preklapljanja Q.

Zaradi velikega laserskega ojačanja se Q-preklop v laserjih z vlakni zelo razlikuje od tistega v masovnih laserjih in je bolj zapleten. Običajno je v časovni domeni več konic, možno pa je tudi proizvesti impulze s preklopom Q z dolžino, manjšo od časa povratnega potovanja resonatorja.

Optični laserji z zaklenjenim načinom uporabljajo kompleksnejše resonatorje (ultrakratki vlakneni laserji) za ustvarjanje pikosekundnih ali femtosekundnih impulzov. Tukaj laserski resonator vsebuje aktivni modulator ali nekaj nasičenih absorberjev. Nasičene absorberje je mogoče realizirati z učinki nelinearne polarizacijske rotacije ali z uporabo nelinearnega zrcala z zanko vlaken. Nelinearna zankasta zrcala se lahko uporabljajo na primer v "laserju v obliki osmice" na sliki 8, kjer leva stran vsebuje glavni resonator in nelinearni vlakneni obroč za ojačanje, oblikovanje in stabilizacijo povratnih ultrakratkih impulzov. Zlasti pri zaklepanju harmoničnega načina so potrebne dodatne naprave, kot so podvotle, ki se uporabljajo kot optični filtri.