Was ist ein Faserlaser?
Optical Fiber ist die Abkürzung für Optical Fiber und ist in der Regel ein zylindrischer Wellenleiter für Lichtwellen. Es nutzt das Prinzip der Totalreflexion, um Lichtwellen auf den Kern zu beschränken und sie in Richtung der Faserachse zu lenken. Der Ersatz von Kupferdraht durch Quarzglas veränderte die Welt.
Als Medium zum Leiten von Lichtwellen werden optische Fasern seit ihrer Einführung durch Charles Kao im Jahr 1966 aufgrund ihrer hohen Kommunikationskapazität, hohen Störfestigkeit, geringen Übertragungsverluste, großen Übertragungsentfernung, guten Vertraulichkeit, Anpassungsfähigkeit und geringen Größe häufig verwendet , geringes Gewicht und reichliche Rohstoffquellen. Kao gilt als „Vater der Faseroptik“ und wurde für seine Arbeit 2009 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Mit der zunehmenden Perfektion und Praktikabilität der Glasfaser hat sie die Telekommunikationsbranche revolutioniert und Kupferdraht als Kernbestandteil der modernen Kommunikation weitgehend ersetzt.
Ein optisches Faserkommunikationssystem ist ein Kommunikationssystem, das Licht als Informationsträger und optische Fasern als Wellenleitermedium verwendet. Wenn eine Glasfaser Informationen überträgt, wird das elektrische Signal in ein optisches Signal umgewandelt, das dann innerhalb der Glasfaser übertragen wird. Als aufstrebende Kommunikationstechnologie hat die Glasfaserkommunikation von Anfang an eine beispiellose Überlegenheit gezeigt und großes Interesse und breite Aufmerksamkeit erregt. Der weitverbreitete Einsatz optischer Fasern in der Kommunikation hat gleichzeitig auch zur rasanten Entwicklung von faseroptischen Verstärkern und Faserlasern beigetragen. Neben der Kommunikation werden Glasfasersysteme auch in einer Vielzahl von Anwendungen in der Medizin, Sensorik und anderen Bereichen eingesetzt.
Optische Fasern
Das Verstärkungsmedium eines Faserlasers ist die aktive Faser. Entsprechend seiner Struktur können drei in Singlemode-Fasern, Doppelmantelfasern und photonische Kristallfasern unterteilt werden.
Singlemode-Lichtwellenleiter bestehen aus einem Kern, einer Ummantelung und einer Beschichtungsschicht, wobei der Brechungsindex des Kernmaterials n1 höher ist als der Brechungsindex n2 des Mantelmaterials, wenn der Einfallswinkel des einfallenden Lichts größer als der ist Im Bild des kritischen Winkels emittiert der Lichtstrahl im Kern vollständig, sodass sich die Faser an den Lichtstrahl im Kern ausbreiten kann. Der Innenmantel von Singlemode-Fasern kann keine zurückhaltende Rolle für Multimode-Pumplicht spielen und die numerische Apertur des Kerns ist niedrig, sodass nur die Einkopplung von Singlemode-Pumplicht in den Kern zur Erzielung einer Laserleistung verwendet werden kann. Frühe Faserlaser nutzten diese Singlemode-Faser, was zu einer geringen Kopplungseffizienz und Lasern mit Ausgangsleistungen im Milliwattbereich führte.
Doppelt ummantelte Fasern
Um die Einschränkungen herkömmlicher Single-Mode-Einzelmantel-Ytterbium-dotierter (Yb3 plus) Fasern hinsichtlich Umwandlungseffizienz und Ausgangsleistung zu überwinden, schlug Maurer (R. Maurer) 1974 erstmals das Konzept der Doppelmantelfasern vor. Seitdem wurden Hochleistungs-Yb-dotierte Faserlaser/Verstärker erst 1988 rasch entwickelt, als E. Snitzer und andere die Mantelpumptechnologie vorschlugen [3].
Eine Doppelmantelfaser ist eine optische Faser mit einer speziellen Struktur, die der herkömmlichen Faser eine innere Mantelschicht hinzufügt, bestehend aus einer Mantelschicht, einer inneren Mantelschicht, einer äußeren Mantelschicht und einem dotierten Faserkern. Die Mantelpumptechnologie basiert auf einer doppelt ummantelten Faser, deren Kern darin besteht, die Übertragung von Multimode-Pumplicht im Innenmantel und die Übertragung von Laserlicht im Kern zu ermöglichen, wodurch die Pumpumwandlungseffizienz und die Ausgangsleistung von ermöglicht werden Der Faserlaser soll erheblich verbessert werden. Die Struktur der doppelt ummantelten Faser, die Form der Innenummantelung und die Methode der Pumplichtkopplung sind die Schlüssel zu dieser Technologie.
Der Kern der Doppelmantelfaser besteht aus mit Seltenerdelementen dotiertes Siliziumdioxid (SiO2), das sowohl das Lasermedium als auch der Übertragungskanal des Lasersignals im Faserlaser entsprechend der Arbeitswellenlänge ist. Die transversale Größe (das Zehnfache des Durchmessers eines herkömmlichen Kerns) und die numerische Apertur des Innenmantels sind viel größer als die des Kerns, und der Brechungsindex ist kleiner als der des Kerns, was die Ausbreitung von Laserlicht vollständig einschränkt im Kern. Dadurch entsteht zwischen dem Kern und dem Außenmantel ein optischer Wellenleiter mit großem Querschnitt und großer numerischer Apertur, der es ermöglicht, großes numerisches Aperturlicht, großen Querschnitt und Multimode-Hochleistungspumplicht in die Faser einzukoppeln und auf die Übertragung innerhalb der Faser zu beschränken die innere Umhüllung ohne Diffusion, was die Aufrechterhaltung eines optischen Pumpens mit hoher Leistungsdichte erleichtert. Die Außenhülle besteht aus einem Polymermaterial mit einem kleineren Brechungsindex als die Innenhülle; Die äußerste Schicht ist eine Schutzschicht aus organischem Material. Die Kopplungsfläche der Doppelmantelfaser zum Pumplicht wird durch die Größe des Innenmantels bestimmt, im Gegensatz zu herkömmlichen Singlemode-Fasern, die allein durch den Kern bestimmt werden. Dies verbessert einerseits die Leistungskopplungseffizienz des menschlichen Faserlasers und ermöglicht es dem Pumplicht, mehrmals durch den Innenmantel zu gelangen, um dotierte Ionen zur Laseremission anzuregen. Andererseits wird die Qualität des Ausgangsstrahls durch die Beschaffenheit des Faserkerns bestimmt, und die Einführung der inneren Ummantelung beeinträchtigt nicht die Strahlqualität des Faserlaserausgangs.
Ursprünglich war der Innenmantel aus doppelt ummantelten Fasern zylindrisch symmetrisch und relativ einfach herzustellen und leicht mit dem Pigtail der Pumplaserdiode (LD) zu verbinden, aber seine perfekte Symmetrie führte zu einer großen Anzahl spiralförmiger Pumplichtstrahlen Die innere Umhüllung erreicht den Kernbereich nie, selbst wenn genügend Reflexionen vorhanden sind, um vom Kern absorbiert zu werden, so dass selbst bei längeren Fasern immer noch ein großer Lichtverlust auftritt, was es schwierig macht, die Umwandlungseffizienz zu verbessern. Aus diesem Grund muss die Zylindersymmetrie der Innenverkleidung gebrochen werden.
Photonische Kristallfasern
Bei normalen Doppelmantelfasern bestimmt die Geometrie des Kerns die abgegebene Laserleistung. Die numerische Apertur bestimmt die Strahlqualität des Ausgangslasers. Aufgrund der Einschränkungen nichtlinearer Effekte, optischer Schäden und anderer physikalischer Mechanismen in optischen Fasern kann ein einziges Mittel zur Vergrößerung des Kerndurchmessers den Bedarf an Single-Mode-Betrieb bei hoher Ausgangsleistung in Doppelmantelfasern mit großem Modenfeld nicht decken. Das Aufkommen spezieller Fasern, wie beispielsweise photonischer Kristallfasern (PCF), bietet eine wirksame technische Lösung für diese Herausforderung.
Das Konzept der photonischen Kristalle wurde erstmals 1987 von E. Yablonovitch1 als periodische Struktur mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten in einer, zwei oder drei Dimensionen eingeführt, die die Ausbreitung von Licht im photonischen Leitungsband ermöglicht und die Ausbreitung von Licht in der photonischen Bandlücke verhindert ( PBG). PCFs sind zweidimensionale photonische Kristalle, auch bekannt als mikrostrukturierte Fasern oder poröse Fasern, und 1996 haben JC Knight et al. stellten die ersten PCFs mit einem Lichtleitmechanismus her, der dem herkömmlicher Fasern mit Totalreflexion ähnelt. Nach 2005 begann sich das Design und die Vorbereitung von PCFs mit großem Modenfeld zu diversifizieren, wobei verschiedene Formen aufkamen, darunter PCFs mit undichtem Kanal, stabförmige PCFs, PCFs mit großem Pitch und Mehrkern-PCFs. Auch die Modenfeldfläche der Faser hat sich entsprechend weiter vergrößert.
Im Aussehen sind PCFs herkömmlichen Singlemode-Fasern sehr ähnlich, mikroskopisch weisen sie jedoch komplexe Locharray-Strukturen auf. Es sind diese Strukturmerkmale, die PCFs einzigartige und unübertroffene Vorteile gegenüber herkömmlichen Fasern verleihen, wie z. B. eine abschneidungsfreie Singlemode-Übertragung, eine große Modenfeldfläche, eine einstellbare Dispersion und einen geringen Grenzverlust, die viele der Herausforderungen herkömmlicher Laser überwinden können . PCF kann beispielsweise einen Single-Mode-Betrieb in einem großen Modenfeldbereich erreichen und gleichzeitig die Strahlqualität sicherstellen, die Laserleistungsdichte in der Faser deutlich reduzieren, nichtlineare Effekte in der Faser reduzieren und die Schadensschwelle der Faser erhöhen; Es kann eine große numerische Apertur erreicht werden, was bedeutet, dass eine stärkere optische Pumpkopplung und eine höhere Laserleistung erzielt werden können. Dies hat es zu einem neuen Forschungsschwerpunkt im Bereich Faserlaser gemacht und spielt eine immer wichtigere Rolle bei der Anwendung von Hochleistungsfaserlasern.
Die Erfindung des Faserlasers
Laser, die optische Fasern als Laserverstärkungsmedium verwenden, werden als Faserlaser bezeichnet. Wie andere Lasertypen besteht er aus drei Teilen: dem Verstärkungsmedium, der Pumpquelle und dem Resonanzhohlraum. Faserlaser verwenden als Verstärkungsmedium eine aktive Faser mit einem mit Seltenerdelementen dotierten Kern. Als Pumpquelle wird im Allgemeinen ein Halbleiterlaser verwendet. Der Resonanzhohlraum besteht im Allgemeinen aus reflektierenden Spiegeln, Faserendflächen, Faserringspiegeln oder Fasergittern.
Entsprechend den Zeitbereichseigenschaften des Faserlasers kann er in kontinuierliche Faserlaser und gepulste Faserlaser unterteilt werden; Entsprechend der Resonanzhohlraumstruktur kann er in Faserlaser mit linearem Hohlraum, Faserlaser mit verteilter Rückkopplung und Faserlaser mit Ringhohlraum unterteilt werden. Entsprechend der Verstärkungsfaser und den verschiedenen Pumpmethoden kann sie in Einzelmantel-Faserlaser (Faserkernpumpen) und Doppelmantel-Faserlaser (Mantelpumpen) unterteilt werden.
1961 entdeckte Snitzer die Laserstrahlung in mit Neodym (Nd) dotierten Glaswellenleitern. 1966 untersuchte Kao eingehend die Hauptursachen der Lichtdämpfung in optischen Fasern und wies auf die wichtigsten technischen Probleme hin, die für die praktische Anwendung optischer Fasern in der Kommunikation gelöst werden müssen. 1970 entwickelte Corning in den USA optische Fasern mit einer Dämpfung von weniger als 20 dB/km und legte damit den Grundstein für die Entwicklung der optischen Kommunikations- und Optoelektronikindustrie. Damit wurde der Grundstein für die Entwicklung der optischen Kommunikations- und Optoelektronikindustrie gelegt. In den 1970er und 1980er Jahren bot die Reifung und Kommerzialisierung der Halbleiterlasertechnologie eine zuverlässige und vielfältige Pumpquelle für die Entwicklung von Faserlasern. Gleichzeitig wird durch die Entwicklung des chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens der Übertragungsverlust von Glasfasern kontinuierlich reduziert. Auch Faserlaser entwickeln sich rasant in Richtung Diversifizierung, wobei Fasern mit einer Vielzahl von Seltenerdelementen wie Erbium (Er3 plus), Ytterbium (Yb3 plus), Neodym (Nd3 plus), Samarium (Sm 3 plus) dotiert sind. Thulium (Tm3 plus), Holmium (Ho3 plus), Praseodym (Pr3 plus), Dysprosium (Dy3 plus), Wismut (Bi3 plus) und so weiter. Abhängig von den dotierten Ionen können unterschiedliche Wellenlängen der Laserleistung erzielt werden. Um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden.
Merkmale von Hochleistungsfaserlasern
Die Vorteile von Hochleistungsfaserlasern sind wie folgt.
(1) Gute Strahlqualität. Die Wellenleiterstruktur der optischen Faser macht es einfach, eine einzelne transversale Modenausgabe zu erhalten, und der Einfluss externer Faktoren ist sehr gering, um eine Laserausgabe mit hoher Helligkeit zu erzielen.
(2) Hohe Effizienz. Durch die Auswahl der Emissionswellenlänge und der Absorptionseigenschaften der dotierten Seltenerdelemente des Halbleiterlasers als Pumpquelle kann bei Faserlasern eine sehr hohe Licht- und Lichtumwandlungseffizienz erreicht werden. Wählen Sie für Ytterbium-dotierte Hochleistungsfaserlaser im Allgemeinen 915-nm- oder 975-nm-Halbleiterlaser, da aufgrund der einfachen Energieniveaustruktur von Yb3 plus weniger wahrscheinlich ist, dass Aufwärtskonvertierung, Absorption im angeregten Zustand und Konzentrationsstöße auftreten, die Fluoreszenzlebensdauer länger ist und Energie effektiv gespeichert werden kann für Hochleistungsbetrieb. Der elektrooptische Gesamtwirkungsgrad kommerzieller Faserlaser liegt bei bis zu 25 Prozent, was der Kostensenkung, Energieeinsparung und dem Umweltschutz förderlich ist.
(3) Gute Wärmeableitungseigenschaften. Faserlaser werden als Laserverstärkungsmedium verwendet und verwenden eine dünne, mit seltenen Erdelementen dotierte Faser mit einem sehr großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Etwa das 1000-fache des Festkörperlasers hat in Bezug auf die Wärmeableitungskapazität einen natürlichen Vorteil. Für Fälle mit niedriger und mittlerer Leistung ist keine spezielle Kühlung der Faser erforderlich, und für Fälle mit hoher Leistung wird eine Wasserkühlung verwendet, wodurch auch die Verschlechterung der Strahlqualität und -effizienz aufgrund thermischer Effekte, die häufig bei Festkörperlasern auftreten, effektiv vermieden wird.
(4) Kompakte Struktur, hohe Zuverlässigkeit. Da der Faserlaser eine kleine und flexible Faser als Laserverstärkungsmedium verwendet, trägt er dazu bei, das Volumen zu komprimieren und Kosten zu sparen. Pumpquellen werden auch in kleinen, einfach zu modularen Halbleiterlasern verwendet. Kommerzielle Produkte sind im Allgemeinen mit Pigtail-Ausgang erhältlich, kombiniert mit Faser-Bragg-Gitter und anderen faseroptischen Geräten, sofern diese Geräte miteinander verschmolzen sind, um eine vollständige Faser zu erreichen. Durch die Immunität gegenüber Umgebungsstörungen und die hohe Stabilität können Wartungszeit und -kosten eingespart werden.
Hochleistungsfaserlaser haben auch Nachteile, die schwer zu überwinden sind: Einer davon ist die Anfälligkeit für nichtlineare Effekte. Faserlaser haben aufgrund der Geometrie ihrer Wellenleiter eine große effektive Länge und eine niedrige Schwelle für verschiedene nichtlineare Effekte. Einige schädliche nichtlineare Effekte wie angeregte Raman-Streuung (SRS), Selbstphasenmodulation (SPM) usw. können Phasenschwankungen und Energietransfer im Spektrum oder sogar Schäden am Lasersystem verursachen und so die Entwicklung von Hochleistungsfasern einschränken Laser. Der zweite ist der Photonenverdunkelungseffekt. Mit zunehmender Pumpzeit kann der Photonenverdunkelungseffekt dazu führen, dass die Leistungsumwandlungseffizienz von mit Seltenerdelementen dotierten Fasern bei hoher Dotierungskonzentration monoton irreversibel abnimmt, was die Langzeitstabilität und Lebensdauer von Hochleistungsfaserlasern einschränkt, was besonders offensichtlich ist in Ytterbium-dotierten Hochleistungsfaserlasern.
Mit der Weiterentwicklung von fasergekoppelten Halbleiterlasern mit hoher Helligkeit und der Doppelmantelfasertechnologie haben sich die Ausgangsleistung, die Effizienz der optisch-optischen Umwandlung und die Strahlqualität von Hochleistungsfaserlasern erheblich weiterentwickelt. In den Bereichen industrielle Verarbeitung, gerichtete Energiewaffen, Ferntelemetrie, LIDAR und andere Anwendungen mit großer Nachfrage sind vor allem Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) und die deutsche Tong Express Group tätig Forschungseinheiten für die Forschung und Entwicklung von Hochleistungsfaserlasern mit kontinuierlicher Welle und Pulswelle haben eine umfangreiche Produktlinie auf den Markt gebracht. Spannende Ergebnisse wurden auch von einer Reihe von Einheiten in China gemeldet, darunter der Tsinghua-Universität, der Nationalen Universität für Verteidigungstechnologie, dem Shanghai-Institut für Optik und Präzisionsmaschinen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und dem Vierten Forschungsinstitut der China Aerospace Science Industrieunternehmen.
Technologie zur Leistungssteigerung von Faserlasern
Aufgrund der nichtlinearen Effekte im Faserlaser, der thermischen Effekte und der Beschränkungen der Materialzerstörungsschwelle ist die Ausgangsleistung eines einzelnen Faserlasers bis zu einem gewissen Grad begrenzt, und mit zunehmender Leistung nimmt die Strahlqualität allmählich ab, was den Einsatz erforderlich macht der Modenkontrolltechnik und die Gestaltung einer speziellen Struktur der neuen Faser zur Verbesserung der Strahlqualität. Dawson (JW Dawson) et al. analysierten theoretisch die Ausgangsleistungsgrenze einer einzelnen Faser und berechneten, dass bei Breitband-Faserlasern eine einzelne Faser nahe der Beugungsgrenze eine maximale Leistung von 36 kW erreichen kann, während sie bei Faserlasern mit schmaler Linienbreite maximal ist Die Leistung beträgt 2 kW. Um die Ausgangsleistung des Faserlasers und des Verstärkers weiter zu steigern, ist die Leistungssynthese mehrerer Faserlaser durch kohärente Synthesetechnologie eine wirksame Methode. Es hat sich in den letzten Jahren zu einem internationalen Forschungs-Hotspot entwickelt.
Die kohärente Synthese wird erreicht, indem die Phase, Frequenz und Polarisation jedes Laserstrahls mit einer bestimmten Konsistenz gesteuert wird, sodass er die Kohärenzbedingung erfüllt und eine homogene phasenverriegelte Ausgabe erhält, die eine viel höhere Spitzenintensität erzielen kann als eine einfache nichtkohärente Synthese Überlagerung und Aufrechterhaltung einer guten Strahlqualität. Die Geschichte der Entwicklung der kohärenten Synthesetechnologie ist fast so lang wie die Geschichte der Laser selbst und umfasst verschiedene Arten von Gaslasern, chemischen Lasern, Halbleiterlasern, Festkörperlasern usw. Allerdings aufgrund der Unreife verschiedener Geräte In den frühen Tagen durchbrachen die experimentellen Ergebnisse der kohärenten Synthesetechnologie nicht die maximale Ausgangsleistung des entsprechenden Single-Link-Lasers zu diesem Zeitpunkt, sodass der Effekt nicht sehr offensichtlich war. Ab den 1990er Jahren führte das Aufkommen von Faserlasern zu einer raschen Entwicklung kohärenter Synthesetechniken. Zusätzlich zu den einzigartigen Vorteilen von Faserlasern und der Notwendigkeit des taktischen Einsatzes von Hunderten von Kilowatt haben mehrere Geräte (z. B. Faserkegelkoppler, Mehrkernfasern, Phasenmodulatoren mit Pigtails und akusto-optische Frequenzschieber usw.) eine Rolle gespielt entscheidende Rolle bei der kommerziellen Einführung der Glasfaserkommunikation. Faserkegelkoppler und Multicore-Fasern ermöglichen eine passive Phasenregelung auf Basis der Laserenergie-Injektionskopplung und der schnellen Wellenkopplung, während Phasenmodulatoren mit Pigtails und akusto-optischen Frequenzschiebern eine aktive Phasenregelung mit Megahertz-Regelbandbreiten ermöglichen, mit denen sich Phasenschwankungen steuern lassen Hochleistungsbedingungen und erzielen phasenstarre Ausgänge. Forscher haben eine Reihe unterschiedlicher kohärenter Syntheseschemata vorgeschlagen.
Die Spektralsynthese ist eine inkohärente Synthesetechnik, bei der ein oder mehrere Beugungsgitter verwendet werden, um mehrere Teilstrahlen in dieselbe Apertur zu beugen, was zu einer Ausgabe mit einer einzigen Apertur und guter Strahlqualität führt. Durch die Spektralsynthese von Faserlasern kann die große Verstärkungsbandbreite Yb-dotierter Faserlaser voll ausgenutzt werden, um die begrenzte Ausgangsleistung eines einzelnen Faserlasers zu kompensieren.
