Światłowód jest skrótem od światłowodu, zwykle cylindrycznego falowodu światła.Wykorzystuje zasadę całkowitego odbicia, aby powstrzymać falę świetlną w rdzeniu światłowodu i prowadzić falę świetlną wzdłuż osi światłowodu.Zastąpienie drutu miedzianego szkłem kwarcowym zmieniło świat.
Jako medium do przewodzenia fal świetlnych światłowód jest szeroko stosowany, odkąd został zaproponowany przez Charlesa Kao w 1966 roku ze względu na jego zalety dużej przepustowości komunikacyjnej, silnej zdolności przeciwzakłóceniowej, niskich strat transmisji, dużej odległości przekaźnika, dobrej tajności, silnego adaptacyjność, mały rozmiar, niewielka waga i obfite źródła surowców.Dr Kao, znany jako „ojciec światłowodu”, otrzymał za swoją pracę Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2009 roku.Wraz z coraz doskonalszą i praktyczną wydajnością światłowodu, światłowód zrewolucjonizował transformację branży telekomunikacyjnej i zasadniczo zastąpił drut miedziany jako główny element nowoczesnej komunikacji.
System komunikacji światłowodowej jest rodzajem systemu komunikacji ze światłem jako nośnikiem informacji i światłowodem jako nośnikiem fali prowadzonej.Gdy światłowód przesyła informacje, sygnał elektryczny jest przekształcany na sygnał optyczny, a następnie przesyłany wewnątrz światłowodu.Jako nowa technologia komunikacji, komunikacja światłowodowa od samego początku wykazała się dużą wyższością, co wzbudziło duże zainteresowanie i szerokie zainteresowanie ludzi.Szerokie zastosowanie światłowodu w komunikacji sprzyja również szybkiemu rozwojowi wzmacniacza światłowodowego i lasera światłowodowego [1].Oprócz komunikacji, systemy światłowodowe mają szeroki zakres zastosowań w medycynie, czujnikach i innych dziedzinach.
Światłowód
Medium wzmacniającym lasera światłowodowego jest aktywne włókno.Zgodnie z jego strukturą można go podzielić na światłowód jednomodowy, światłowód z podwójnym płaszczem i światłowód z kryształem fotonicznym.
Włókno jednomodowe Włókno jednomodowe składa się z rdzenia włókna, okładziny i warstwy powłoki.Współczynnik załamania materiału rdzenia włókna, n1, jest wyższy niż materiału płaszcza, n2.Gdy kąt padania padającego światła jest większy niż kąt krytyczny, wiązka będzie w pełni emitowana w rdzeniu światłowodowym, więc światłowód może ograniczyć propagację światła w rdzeniu światłowodowym.Wewnętrzna powłoka światłowodu jednomodowego nie może ograniczać światła pompy wielomodowej, a apertura numeryczna rdzenia światłowodu jest niska.Dlatego moc wyjściową lasera można uzyskać tylko przez sprzężenie światła pompy jednomodowej z rdzeniem światłowodu.Wszystkie wczesne lasery światłowodowe wykorzystują to światłowód jednomodowy, co skutkuje niską wydajnością sprzężenia, a moc wyjściowa lasera wynosi tylko miliwaty.
Światłowód podwójnie platerowany
W celu przezwyciężenia ograniczeń konwencjonalnych jednomodowych, domieszkowanych iterbem (Yb3+) światłowodów jednomodowych pod względem wydajności konwersji i mocy wyjściowej, R. Moeller jako pierwszy zaproponował koncepcję światłowodu z podwójną osłoną w 1974 [2].Potem dopiero w 1988 roku E.Snitzer i in.zaproponował technologię pompowania płaszcza [3], że lasery/wzmacniacze światłowodowe o dużej mocy domieszkowane iterbem zostały szybko opracowane.
Włókno podwójnej okładziny jest rodzajem włókna o specjalnej strukturze.W porównaniu z konwencjonalnym włóknem, dodaje wewnętrzną warstwę okładziny, która składa się z warstwy powłoki, wewnętrznej warstwy okładziny, zewnętrznej warstwy okładziny i rdzenia z domieszkowanego włókna.Technologia pompy okładzinowej opiera się na podwójnym włóknie okładzinowym, którego rdzeń polega na przesyłaniu wielomodowego światła pompy w okładzinie wewnętrznej i lasera w rdzeniu światłowodowym, dzięki czemu można znacznie poprawić wydajność konwersji pompy i moc wyjściową lasera światłowodowego .Struktura włókna podwójnego płaszcza, kształt płaszcza wewnętrznego oraz tryb sprzęgania światła pompy to kluczowe punkty tej technologii.
Rdzeń podwójnie platerowanego włókna zbudowany jest z dwutlenku krzemu (SiO2) domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich, który jest nie tylko ośrodkiem laserowym, ale także kanałem transmisji sygnału laserowego w laserze światłowodowym.Parametr V odpowiedniej roboczej długości fali jest ogólnie redukowany poprzez zaprojektowanie jego apertury numerycznej i średnicy rdzenia, aby zapewnić, że wyjściowy laser jest podstawowym modem poprzecznym.Płaszcz wewnętrzny ma znacznie większy rozmiar poprzeczny (kilkadziesiąt razy większa od średnicy konwencjonalnego rdzenia) i aperturę numeryczną oraz mniejszy współczynnik załamania światła niż rdzeń, co może całkowicie ograniczyć propagację lasera w rdzeniu.W ten sposób między rdzeniem światłowodowym a warstwą zewnętrzną powstaje falowód optyczny o dużym przekroju i dużej aperturze numerycznej, co umożliwia łączenie światła pompy o dużej mocy z dużą aperturą numeryczną, dużym przekrojem i trybem wielomodowym do światłowodu i być ograniczony do wewnętrznego płaszcza w celu transmisji i niedyfuzji, co sprzyja utrzymaniu pompowania optycznego o wysokiej gęstości mocy.Warstwa zewnętrzna składa się z materiałów polimerowych o niższym współczynniku załamania światła niż okładzina wewnętrzna.Najbardziej zewnętrzna warstwa to warstwa ochronna wykonana z materiału organicznego.Obszar sprzężenia światłowodu z podwójnym płaszczem ze światłem pompy jest określony przez rozmiar płaszcza wewnętrznego, w przeciwieństwie do tradycyjnego światłowodu jednomodowego, który jest określany tylko przez rdzeń.Z jednej strony poprawia się wydajność sprzężenia mocy lasera z ludzkim włóknem.Gdy światło pompy przewodzi w wewnętrznej warstwie płaszcza, wielokrotnie przechodzi przez rdzeń włókna, aby pobudzić domieszkowany jon do emisji lasera.Z drugiej strony jakość wiązki wyjściowej zależy od charakteru rdzenia światłowodowego.Wprowadzenie okładziny wewnętrznej nie niszczy jakości wiązki wyjściowej lasera światłowodowego.
Początkowo struktura wewnętrznego płaszcza włókna podwójnego płaszcza jest symetrią cylindryczną, proces jej produkcji jest stosunkowo prosty i łatwy do pompowania połączenia fazy światłowodu diody laserowej (LD) z ogonem, ale idealna symetria obecności dużych ilości pompy w wewnętrzne spiralne światło okładziny, światło nawet odbite wystarczająco dużo razy, nigdy nie może dotrzeć do obszaru rdzenia włókna, w związku z tym nie można go pochłonąć przez rdzeń włókna, więc nawet jeśli używane jest dłuższe włókno, nadal będzie dużo światła wyciek, co utrudnia poprawę wydajności konwersji.Dlatego cylindryczna symetryczna struktura okładziny wewnętrznej musi zostać zniszczona.
Światłowód kryształu fotonicznego
W powszechnym włóknie podwójnie osłoniętym moc wyjściowa lasera jest określona przez geometryczny rozmiar rdzenia.Apertura numeryczna określa jakość wiązki lasera wyjściowego.Ze względu na ograniczenia efektów nieliniowych, uszkodzeń optycznych i innych mechanizmów fizycznych we włóknie, pojedyncza metoda zwiększania średnicy rdzenia nie może zaspokoić potrzeb jednomodowej pracy światłowodu podwójnie osłoniętego z dużym polem modowym przy dużej mocy wyjściowej.Pojawienie się specjalnego światłowodu, takiego jak światłowód z kryształem fotonicznym (PCF), zapewnia skuteczny techniczny sposób rozwiązania tego problemu.
Koncepcja kryształu fotonicznego została po raz pierwszy zaproponowana przez E. Yablonovitcha „1 w 1987 roku, to znaczy materiały dielektryczne o różnych stałych dielektrycznych w przestrzeni 1D, 2D lub 3D składają się ze struktur okresowych o rzędzie długości fali optycznej, w których pasmo przewodnictwa fotonicznego (PBG) umożliwiające propagację światła i generowane są fotoniczne przerwy wzbronione (PBG) zapobiegające propagacji światła.Zmieniając rozmieszczenie i okres dystrybucji różnych mediów, można spowodować wiele zmian we właściwościach kryształu fotonicznego, aby osiągnąć określone funkcje. dwuwymiarowy kryształ fotoniczny, znany również jako włókno mikrostrukturalne lub włókno porowate.W 1996 roku JCKnight i inni opracowali pierwszy PCF, którego mechanizm przewodzenia światła był podobny do całkowitego wewnętrznego odbicia tradycyjnego światłowodu.Pierwszy PCF, który wykorzystuje fotoniczną przerwę energetyczną zasada kierowania światłem narodziła się w 1998 roku. Po 2005 roku metody projektowania i przygotowania pola wielkomodowego PCF zaczęły się różnicować, a różne kształtypojawiły się struktury, m.in.Zwiększa się również obszar pola modowego światłowodu.
Z wyglądu PCF jest bardzo podobny do tradycyjnego włókna jednomodowego, ale wykazuje złożoną strukturę macierzy porów w mikrostrukturze.To właśnie te cechy strukturalne, które dają PCF wyjątkowe i nieporównywalne zalety, takie jak brak odcięcia transmisji jednomodowej, duże pole pola modowego, dyspersja i niskie straty graniczne, mogą przezwyciężyć wiele trudności tradycyjnych laserów.Na przykład PCF może osiągnąć działanie jednomodowe w obszarze pola dużego modu i znacznie zmniejszyć gęstość mocy lasera we włóknie, zmniejszyć efekt nieliniowości we włóknie i poprawić próg uszkodzenia światłowodu, zapewniając jednocześnie jakość wiązki.Można uzyskać duże apertury numeryczne, co oznacza większe sprzężenie optyczne z pompą i większą moc wyjściową lasera.Te zalety PCF spowodowały szereg badań naukowych na świecie, co sprawia, że PCF staje się nowym wyróżnieniem badawczym w zastosowaniu laserów światłowodowych dużej mocy i odgrywa coraz ważniejszą rolę.
Wynalazek lasera światłowodowego
Laser z włóknem jako nośnikiem wzmocnienia lasera nazywany jest laserem światłowodowym.Podobnie jak inne typy laserów składa się z trzech części: ośrodka wzmacniającego, źródła pompy i rezonatora.Lasery światłowodowe wykorzystują jako medium wzmacniające aktywne włókno domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich.Zasadniczo jako źródła pomp stosuje się lasery półprzewodnikowe.Rezonator składa się zwykle z odbłyśnika, czoła światłowodu, lustra pierścieniowego z włókna lub siatki światłowodowej.
Zgodnie z charakterystyką domeny czasowej lasera światłowodowego można go podzielić na ciągły laser światłowodowy i impulsowy laser światłowodowy.Zgodnie z inną strukturą rezonatora można go podzielić na laser światłowodowy z wnęką liniową, laser światłowodowy z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym i laser światłowodowy z wnęką pierścieniową.W zależności od wzmocnienia światłowodu i trybu pompowania można je podzielić na lasery z pojedynczym płaszczem (pompowanie rdzenia) i lasery z podwójnym płaszczem (pompowanie płaszcza).
W 1961 Snitzer odkrył promieniowanie laserowe w szklanym falowodzie domieszkowanym neodymem (Nd).W 1966 roku Charles Kao przeprowadził szczegółowe badania głównych przyczyn tłumienia optycznego w światłowodach i wskazał główne problemy techniczne do rozwiązania w celu praktycznego zastosowania światłowodów w komunikacji [5].W 1970 roku Corning opracował światłowód o tłumieniu poniżej 20 dB/km, kładąc podwaliny pod rozwój komunikacji optycznej i przemysłu technologii optoelektronicznych [5].Ten przełom technologiczny w znacznym stopniu przyczynił się również do rozwoju laserów światłowodowych.W latach 70. i 80. dojrzałość i komercjalizacja technologii laserów półprzewodnikowych zapewniła niezawodne i zróżnicowane źródło pomp do opracowywania laserów światłowodowych.Jednocześnie rozwój chemicznego osadzania z fazy gazowej zmniejsza straty transmisyjne światłowodu.Lasery światłowodowe również rozwijają się szybko w kierunku dywersyfikacji.Włókno jest domieszkowane wieloma pierwiastkami ziem rzadkich, takimi jak erb (Er3+), iterb (Yb3+), neodym (Nd3+), samar (Sm 3+), tul (Tm3+), holm (Ho3+), prazeodym (Pr3+), dysproz (Dy3+), bizmut (Bi3+) itp. W zależności od domieszkowanych jonów można uzyskać różne długości fali wyjściowej lasera.Spełnij różne wymagania aplikacji.
Charakterystyka laserów światłowodowych dużej mocy
Poniżej przedstawiono zalety laserów światłowodowych dużej mocy.
(1) Dobra jakość wiązki.Struktura falowodu światłowodu określa, że laser światłowodowy jest łatwy do uzyskania pojedynczego wyjścia w trybie poprzecznym, a wpływ czynników zewnętrznych jest niewielki, co może osiągnąć wysoką jasność wyjścia lasera.
(2) Wysoka wydajność.Laser światłowodowy może osiągnąć wysoką wydajność konwersji światła na światło, wybierając jako źródło pompy laser półprzewodnikowy o dopasowanej długości fali emisyjnej i charakterystyce absorpcji domieszkowanych pierwiastków ziem rzadkich.W przypadku laserów światłowodowych dużej mocy domieszkowanych iterbem na ogół wybiera się lasery półprzewodnikowe 915 nm lub 975 nm.Ze względu na prostą strukturę poziomów energii Yb3+, konwersja w górę, absorpcja stanu wzbudzenia i wygaszanie stężenia rzadko występują, a także długi czas życia fluorescencji, YB3 + może skutecznie magazynować energię w celu uzyskania działania o dużej mocy.Ogólna wydajność elektrooptyczna komercyjnych laserów światłowodowych wynosi do 25%, co sprzyja obniżeniu kosztów, oszczędności energii i ochronie środowiska.
(3) Dobre właściwości rozpraszania ciepła.Laser światłowodowy wykorzystuje smukłe włókno domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich jako medium wzmocnienia lasera, które ma bardzo duży stosunek powierzchni do objętości.Jest to około 1000 razy większe niż w przypadku lasera w postaci stałej i ma naturalną przewagę w rozpraszaniu ciepła.W przypadku średniej i małej mocy nie ma potrzeby specjalnego chłodzenia światłowodu, a w przypadku dużej mocy do odprowadzania ciepła wykorzystywane jest chłodzenie wodne, co pozwala również skutecznie uniknąć degradacji jakości i wydajności wiązki spowodowanej efekt termiczny powszechnie obserwowany w laserach na ciele stałym.
(4) Kompaktowa konstrukcja, wysoka niezawodność.Ponieważ laser światłowodowy wykorzystuje małe i miękkie włókno jako medium wzmocnienia lasera, korzystne jest zmniejszenie objętości i oszczędność kosztów.Stosowane są również źródła pomp o małej objętości, łatwe do modułowego lasera półprzewodnikowego, produktem komercyjnym może być na ogół wyjście z włókna ogonowego, w połączeniu z światłowodową kratką Bragga, spakowane urządzenia, o ile te urządzenia są spawane, można je zrealizować wszystkie zapakowane, odporne na środowisko zdolność zakłócania jest wysoka, ma bardzo wysoką stabilność i może zaoszczędzić czas i koszty konserwacji.
Lasery światłowodowe o dużej mocy mają również pewne wady, które są trudne do przezwyciężenia.Po pierwsze, są łatwo ograniczane przez efekty nieliniowe.Ze względu na strukturę geometryczną falowodu efektywna długość lasera światłowodowego jest duża, a próg różnych efektów nieliniowych jest niski.Niektóre szkodliwe efekty nieliniowe, takie jak stymulowane rozpraszanie Ramana (SRS) i modulacja samofazowa (SPM), powodują fluktuację fazy, przenoszenie energii w widmie, a nawet uszkodzenie systemu laserowego, co ogranicza rozwój laserów światłowodowych dużej mocy .Drugi to efekt przyciemniania fotonów.Wraz ze wzrostem czasu pompowania efekt ciemnienia fotonów doprowadzi do monotonicznie nieodwracalnego spadku wydajności konwersji mocy światłowodu domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich, co ogranicza długoterminową stabilność i żywotność lasera światłowodowego dużej mocy, zwłaszcza w laserze światłowodowym dużej mocy domieszkowanym iterbem.
Wraz z rozwojem laserów półprzewodnikowych o wysokiej jasności i technologii światłowodów z podwójnym płaszczem znacznie poprawiono moc wyjściową, wydajność konwersji optooptycznej i jakość wiązki laserów światłowodowych o dużej mocy.Napędzane ogromnym zapotrzebowaniem na przetwarzanie przemysłowe, ukierunkowaną broń energetyczną, telemetrię na duże odległości, lidar i inne aplikacje, Apache Photonics (IPG), Nufern (Nlight) i niemiecka Grupa Transom są głównymi jednostkami badawczo-rozwojowymi CW i fal impulsowych lasery światłowodowe o dużej mocy i wprowadziły bogatą linię produktów.Ekscytujące wyniki zostały również przedstawione przez Tsinghua University, National University of Defense Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics przy Chińskiej Akademii Nauk oraz Fourth Academy of China Aerospace Science and Industry Corporation.
Technologia zwiększania mocy lasera światłowodowego
Ze względu na ograniczenie efektu nieliniowości, efektu termicznego i progu uszkodzenia materiału w laserze światłowodowym, moc wyjściowa lasera jednowłóknowego jest ograniczona w pewnym stopniu, a wraz ze wzrostem mocy jakość wiązki stopniowo spada.Konieczne jest zastosowanie technologii sterowania modami i zaprojektowanie nowego typu światłowodu o specjalnej strukturze w celu poprawy jakości wiązki.Jw Dawson i in.[6] teoretycznie przeanalizowali granicę mocy wyjściowej pojedynczego światłowodu i obliczyli, że pojedyncze włókno może uzyskać wyjściową granicę prawie dyfrakcyjną lasera o maksymalnej mocy 36 kW w szerokopasmowym laserze światłowodowym, podczas gdy dla lasera światłowodowego o wąskiej linii , maksymalna moc to 2 kW.W celu dalszej poprawy mocy wyjściowej lasera światłowodowego i wzmacniacza, jest to skuteczna metoda syntezy mocy wielu laserów światłowodowych za pomocą technologii spójnej syntezy.W ostatnich latach stał się międzynarodowym hotspotem badawczym.