La fibra ottica è breve per fibra ottica, solitamente una guida d'onda cilindrica di luce. Usa il principio di riflessione totale per reprimere l'onda leggera nel centro della fibra e per guidare l'onda leggera per viaggiare lungo l'asse della fibra. Sostituendo il filo di rame con il vetro di quarzo ha cambiato il mondo.
Come medium per la conduzione delle onde leggere, la fibra ottica è stata ampiamente usata da quando è stata proposta nel 1966 da Charles Kao dovuto i suoi vantaggi di grande capacità di comunicazione, di forte abilità anti-interferenza, di perdita di trasmissione bassa, della distanza lunga del relè, di buona segretezza, di forti fonti di piccola dimensione, leggere ed abbondanti dell'adattabilità, di materia prima. Il Dott. Kao, conosciuto come «il padre della fibra ottica,» ha ricevuto il premio Nobel 2009 nella fisica per il suo lavoro. Con la prestazione sempre più perfetta e pratica di fibra ottica, la fibra ottica ha rivoluzionato la trasformazione dell'industria delle telecomunicazioni ed ha sostituito basicamente il filo di rame come la componente del centro della comunicazione moderna.
Il sistema di comunicazione di fibra ottica è un genere di sistema di comunicazione con luce come il trasportatore di informazioni e fibra ottica come il medium dell'onda guida. Quando la fibra ottica trasmette le informazioni, il segnale elettrico è convertito in segnale ottico e poi è trasmesso dentro la fibra ottica. Come nuova tecnologia della comunicazione, la comunicazione di fibra ottica ha indicato la grande superiorità fin dall'inizio, che ha destato il grande interesse e l'ampia attenzione della gente. L'estesa applicazione di fibra nella comunicazione inoltre promuove lo sviluppo rapido dell'amplificatore della fibra e del laser della fibra [1]. Oltre al campo di comunicazione, i sistemi a fibra ottica hanno una vasta gamma di applicazioni in campi di percezione ed altro della medicina.
Fibra ottica
Il medium di guadagno del laser della fibra è fibra attiva. Secondo la sua struttura, può essere divisa nella fibra del singolo modo, nella doppia fibra del rivestimento e nella fibra di cristallo fotonica.
La fibra monomodale della fibra monomodale è composta di nucleo della fibra, di rivestimento e di strato del rivestimento. L'indice di rifrazione del materiale del centro della fibra, n1, è superiore a quello del materiale del rivestimento, N2. Quando l'angolo d'incidenza della luce incidente è maggior dell'angolo critico, il fascio completamente sarà emesso nel centro della fibra, in modo dalla fibra può limitare la luce per propagarsi nel centro della fibra. Il rivestimento interno della fibra monomodale non può costringere la luce mista della pompa e l'apertura numerica del centro della fibra è bassa. Di conseguenza, l'uscita del laser può essere ottenuta soltanto coppia la pompa monomodale attacca il centro della fibra. I laser in anticipo tutti della fibra usano questa fibra monomodale, con conseguente efficienza di coppia bassa, laser potenza di uscita è soltanto milliwatt.
Doppia fibra ottica placcata
Per sormontare le limitazioni dell' itterbio rivestito d'unica monomodale convenzionale (Yb3+) - la fibra su efficienza di conversione e potenza di uscita verniciati, R.Moeller in primo luogo hanno proposto il concetto di di fibra rivestita doppio nel 1974 [2]. Dopo quello, non era fino al 1988 quando E.Snitzer et al. ha proposto la tecnologia di pompaggio del rivestimento [3] che i laser/amplificatori itterbio-verniciati ad alta potenza della fibra rapidamente sono stati sviluppati.
La doppia fibra del rivestimento è un genere di fibra con la struttura speciale. Rispetto a fibra convenzionale, aggiunge uno strato interno del rivestimento, che è composto di strato del rivestimento, di strato interno del rivestimento, di strato esterno del rivestimento e di centro verniciato della fibra. La tecnologia della pompa del rivestimento è basata sulla doppia fibra del rivestimento, il centro di quale è di trasmettere la luce mista della pompa nel rivestimento e nel laser interni nel centro della fibra, di modo che l'efficienza di conversione della pompa ed il potenza di uscita del laser della fibra possono notevolmente essere migliorati. La struttura di doppia fibra del rivestimento, la forma di rivestimento interno ed il modo di coppia di luce della pompa sono i punti chiave di questa tecnologia.
Il centro della fibra rivestita doppio è composto di diossido di silicio (SiO2) ha verniciato con le lantanidi, che è non solo il medium del laser ma anche il canale di trasmissione di segnale del laser nel laser della fibra. Il parametro di V della lunghezza d'onda di lavoro corrispondente è ridotto generalmente progettando la suoi apertura numerica e diametro di centro per assicurarsi che il laser dell'uscita sia un modo trasversale fondamentale. Il rivestimento interno ha una dimensione trasversale molto più grande (dieci dei periodi il diametro del centro convenzionale) e l'apertura numerica e un più piccolo indice di rifrazione che il centro, che può limitare la propagazione del laser completamente nel centro. In questo modo, una guida d'onda ottica con la grande sezione trasversale e la grande apertura numerica è formata fra il centro della fibra e lo strato esterno, che possono permettere che la luce ad alta potenza della pompa con la grande apertura numerica, grandi sezione trasversale e misto sia accoppiata alla fibra ed essere limitato al rivestimento interno per la trasmissione e la non diffusione, che è favorevole al pompaggio ottico di mantenimento di densità di alto potere. Lo strato esterno è composto di polimeri con un indice di rifrazione più basso che il rivestimento interno. Lo strato esterno è uno strato protettivo fatto di materiale organico. L'area di coppia della fibra rivestita doppio alla luce della pompa è determinata dalla dimensione interna del rivestimento, a differenza della fibra monomodale tradizionale che è determinata soltanto dal centro. Da un lato, l'efficienza di coppia di potere del laser umano della fibra è migliorata. Quando la luce della pompa conduce nello strato interno del rivestimento, attraverserà il centro della fibra molte volte eccitare lo ione verniciato per emettere il laser. D'altra parte, la qualità del fascio dell'uscita è determinata dalla natura del centro della fibra. L'introduzione di rivestimento interno non distrugge la qualità del fascio dell'uscita del laser della fibra.
Inizialmente, la struttura interna del rivestimento di doppia fibra del rivestimento è simmetria cilindrica, il suo processo di produzione è relativamente semplice e facile pompare il collegamento dell'accoppiamento di fase della fibra della coda del diodo laser (LD), ma la simmetria perfetta della presenza di un gran numero di pompa alla luce interna di spirale del rivestimento, la luce anche ha riflesso abbastanza volte può non raggiungere mai l'area di centro della fibra, così, è impossible da essere assorbito dal centro della fibra, in modo da anche se la fibra più lunga è usata, là ancora sarà molta perdita leggera, che lo rende difficile migliorare l'efficienza di conversione. Di conseguenza, la struttura simmetrica cilindrica del rivestimento interno deve distruggersi.
Fibra di cristallo fotonica
Di fibra rivestita doppio in comune, il potere del laser dell'uscita è determinata dalla dimensione geometrica del centro. L'apertura numerica determina la qualità del fascio del laser dell'uscita. dovuto le limitazioni degli effetti non lineari, del danno ottico e di altri meccanismi fisici nella fibra, il singolo metodo di aumento del diametro di centro non può soddisfare le esigenze dell'operazione monomodale di di fibra rivestita doppio con il grande campo del modo all'uscita di alto potere. L'emergenza di fibra ottica speciale, quale fibra di cristallo fotonica (PCF), fornisce un efficace modo tecnico risolvere questo problema.
Il concetto dell'a cristallo fotonico in primo luogo è stato proposto nel 1987 da E. Yablonovitch «1, cioè, i materiali dielettrici con differenti costanti dielettriche in 1D, nel 2D o nello spazio 3D sono composti di strutture periodiche con l'ordine della lunghezza d'onda ottica, in cui la banda di conduzione fotonica (PBG) che permettono la propagazione leggera e l'intervallo di banda fotonico (PBG) che impedisce la propagazione leggera sono generati. Cambiando il periodo di distribuzione e di disposizione di media differenti, molti cambiamenti nelle proprietà di cristallo fotoniche possono essere causati, in modo da raggiungere le funzioni specifiche. PCF è un cristallo fotonico bidimensionale, anche conosciuto come la fibra della microstruttura o la fibra porosa. Nel 1996, J.C.Knight et al. ha sviluppato il primo PCF, di cui il meccanismo leggero della conduzione era simile alla riflessione interna totale di fibra ottica tradizionale. Il primo PCF che usa il principio fotonico del bandgap per guidare la luce nasceva nel 1998. Dopo del 2005, la progettazione ed i metodi della preparazione di campo PCF del gran-modo hanno cominciato a differenziare e le varie forme delle strutture sono comparso, compreso il canale PCF, PCF a forma di bastoncino, il gran-gioco PCF e PCF multiconduttore di perdita. L'area del campo del modo della fibra inoltre è aumentata.
Nell'aspetto, PCF è molto simile alla fibra monomodale tradizionale, ma esibisce una struttura complessa di matrice del poro nella microstruttura. È queste caratteristiche strutturali che danno i vantaggi unici ed incomparabili di PCF, quale nessuna trasmissione monomodale di taglio, grande area del campo del modo, dispersione e la prestazione di limitazione bassa di perdita, può superare molte difficoltà dei laser tradizionali. Per esempio, PCF può raggiungere l'operazione monomodale nell'ambito di grande area del campo del modo e ridurre significativamente la densità di potenza del laser nella fibra, ridurre l'effetto non lineare nella fibra e migliora la soglia di danno della fibra mentre assicura la qualità del fascio. Le grandi aperture numeriche possono essere raggiunte, che significa che l'uscita del laser potere di più alto e dell'accoppiamento pompa-più ottico può essere raggiunta. Questi vantaggi di PCF hanno causato una serie di aumento della ricerca nel mondo, che fa PCF trasformarsi in in un nuovo punto culminante della ricerca nell'applicazione dei laser della fibra di alto potere e svolgere un ruolo sempre più importante.
L'invenzione del laser della fibra
Un laser con fibra come il medium di guadagno del laser è chiamato un laser della fibra. Come altri tipi di laser, è composto di tre parti: medium di guadagno, fonte della pompa e risuonatore. I laser della fibra usano la fibra attiva verniciata con le lantanidi come medium di guadagno. Generalmente, i laser a semiconduttore sono utilizzati come fonti della pompa. Il risuonatore è composto solitamente di riflettore, di fronte dell'estremità della fibra, di specchio dell'anello della fibra o di grata della fibra.
Secondo le caratteristiche di dominio di tempo del laser della fibra, può essere diviso nel laser continuo della fibra e nel laser pulsato della fibra. Secondo la struttura differente del risuonatore, può essere diviso nel laser lineare della fibra della cavità, ha distribuito il laser della fibra della cavità del laser e dell'anello della fibra di risposte. Secondo la fibra di guadagno ed il modo di pompaggio, possono essere divisi dei nei laser rivestiti d'unica della fibra (il centro che pompa) e dei nei laser rivestiti doppio della fibra (rivestimento che pompa).
Nel 1961, Snitzer ha scoperto la radiazione laser (ND) in una guida d'onda di vetro neodimio-verniciata. Nel 1966, Charles Kao ha effettuato uno studio dettagliato delle cause principali di attenuazione ottica in fibre ottiche ed ha precisato i problemi tecnici principali da risolvere per l'applicazione pratica delle fibre ottiche nella comunicazione [5]. Nel 1970, Corning ha sviluppato la fibra ottica con attenuazione di meno di 20 dB/km, gettanti la base per lo sviluppo delle comunicazioni ottiche e dell'industria optoelettronica della tecnologia [5]. Questa realizzazione tecnica inoltre notevolmente ha promosso lo sviluppo dei laser della fibra. Negli anni 70 e negli anni 80, la maturità e la commercializzazione della tecnologia laser a semiconduttore hanno fornito una fonte affidabile e diversa della pompa per lo sviluppo dei laser della fibra. Allo stesso tempo, lo sviluppo di applicazione a spruzzo chimica riduce la perdita di trasmissione di fibra ottica. I laser della fibra inoltre stanno sviluppando rapidamente in direzione di diversificazione. La fibra è verniciata con molte lantanidi, quali l'erbio (Er3+), l'itterbio (Yb3+), il neodimio (Nd3+), il samario (MP 3+), il tulio (Tm3+), l'olmio (Ho3+), il praseodimio (Pr3+), il disprosio (Dy3+), il bismuto (Bi3+), ecc. secondo gli ioni verniciati, lunghezze d'onda differenti dell'uscita del laser può essere raggiunta. Requisiti di applicazione differenti di raduno.
Caratteristiche dei laser della fibra di alto potere
I vantaggi dei laser della fibra di alto potere sono indicati come segue.
(1) buona qualità del fascio. La struttura della guida d'onda della fibra determina che il laser della fibra è facile da ottenere la singola uscita del modo trasversale e l'influenza dei fattori esterni è piccola, che possono raggiungere l'uscita del laser di alta luminosità.
(2) alta efficienza. Il laser di fibra ottica può raggiungere l'alta efficienza di conversione della luminoso luce selezionando il laser a semiconduttore con le caratteristiche di corrispondenza di lunghezza d'onda e di assorbimento dell'emissione delle lantanidi verniciate come la fonte della pompa. Per i laser ad alta potenza itterbio-verniciati della fibra, 915 a semiconduttore di nanometro 975 o di nanometro laser sono selezionati generalmente. dovuto la struttura di livello energetico semplice di Yb3+, del upconversion, dell'assorbimento dello stato di eccitazione e della concentrazione estiguenti accada raramente e la vita lunga della fluorescenza, YB3 + può efficacemente memorizzare l'energia per raggiungere l'operazione ad alta potenza. L'efficienza elettro-ottica globale dei laser commerciali della fibra è fino a 25%, che è favorevole a ridurre la protezione economizzatrice d'energia e dell'ambiente di costi.
(3) buone caratteristiche di dissipazione di calore. Il laser della fibra usa la fibra verniciata lantanide snella come il medium di guadagno del laser, che ha un'area molto grande al rapporto del volume. È circa 1000 volte che del laser solido alla rinfusa e presentano un vantaggio naturale nella dissipazione di calore. Nel caso del medium e del potere basso, non c'è esigenza del raffreddamento speciale della fibra e nel caso di alto potere, il raffreddamento ad acqua è usato per dissipazione di calore, che può anche efficacemente evitare la degradazione di qualità e di efficienza del fascio causate comunemente dall'effetto termico - visto in laser a stato solido.
(4) struttura compatta, alta affidabilità. Poiché il laser della fibra usa la piccola e fibra molle come il medium di guadagno del laser, è utile comprimere il volume e comprimere il costo. Le fonti della pompa sono usate sono inoltre piccolo volume, facile al laser modulare a semiconduttore, prodotto commerciale possono generalmente essere uscita della fibra della coda, combinata con la grata di fibra ottica di Bragg, dispositivi packtized, finchè questi dispositivi stanno saldando possono essere realizzati tutto il packtized, immune ad abilità di perturbazione ambientale è alti, ha la stabilità molto alta e possono comprimere il periodo ed il costo di manutenzione.
I laser della fibra di alto potere inoltre presentano alcuni svantaggi che sono difficili da sormontare. In primo luogo, sono limitati facilmente dagli effetti non lineari. A causa della struttura geometrica della guida d'onda, la lunghezza utile del laser della fibra è lunga e la soglia di vari effetti non lineari è bassa. Alcuni effetti non lineari nocivi, quali la dispersione stimolata di Raman (SRS) e la modulazione di auto-fase (SPM), fluttuazione di fase di causa, trasferimento di energia nello spettro e perfino danneggiamento del sistema laser, che limitano lo sviluppo dei laser ad alta potenza della fibra. Il secondo è l'effetto di scurimento del fotone. Con l'aumento di tempo di pompaggio, l'effetto di scurimento del fotone condurrà ad una diminuzione monotonicamente irreversibile nell'efficienza di trasformazione dell'energia della fibra verniciata lantanide, che limita la stabilità a lungo termine ed il tempo di impiego del laser ad alta potenza della fibra, particolarmente in laser ad alta potenza itterbio-verniciato della fibra.
Con lo sviluppo di alto-luminosità fibra-ha accoppiato i laser a semiconduttore e delle le tecnologie rivestite doppio della fibra, l'efficienza di conversione e la qualità potenza di uscita e opto-ottiche del fascio dei laser ad alta potenza della fibra notevolmente sono state migliorate. Guidato dalla richiesta enorme del trattamento industriale, le armi a energia diretta, la telemetria interurbana, il lidar e le altri applicazioni, fotoniche di Apache (IPG), Nufern (Nlight) e gruppo della traversa della Germania sono le unità principali di ricerca e sviluppo del CW e dei laser ad alta potenza della fibra di pulsare-Wave ed hanno lanciato una serie di prodotti ricca. I risultati emozionanti inoltre sono stati riferiti dall'università di Tsinghua, dall'università nazionale di tecnologia della difesa, dall'istituto di Shanghai dell'ottica e dai meccanici fini nell'ambito dell'accademia delle scienze cinese e della quarta accademia di scienza aerospaziale della Cina e dell'Industry Corporation.
Tecnologia d'amplificazione di potere del laser della fibra
dovuto la limitazione di effetto non lineare, di effetto termico e della soglia di danno del materiale in laser della fibra, il potenza di uscita di singolo laser della fibra è limitato fino ad un certo punto e con l'aumento di potere, la qualità del fascio diminuisce gradualmente. È necessario da usare la tecnologia di controllo del modo e da progettare un nuovo tipo di fibra con la struttura speciale per migliorare la qualità del fascio. J.w. Dawson et al. [6] ha analizzato teoricamente il limite potenza di uscita di singola fibra e calcolato che una singola fibra può verificarsi un laser di limite della quasi-diffrazione produca con un potere massimo di 36 chilowatt in un laser a larga banda della fibra, mentre per un laser della fibra di stretto-linewidth, il potere massimo è 2 chilowatt. Per più ulteriormente migliorare il potenza di uscita del laser della fibra e dell'amplificatore, è un efficace metodo per sintetizzare il potere dei laser multipli della fibra dalla tecnologia coerente della sintesi. Si è trasformato in negli ultimi anni in un punto caldo internazionale della ricerca.