الألياف الضوئية هي اختصار للألياف الضوئية ، وعادة ما تكون عبارة عن دليل موجي أسطواني للضوء.يستخدم مبدأ الانعكاس الكلي لتقييد الموجة الضوئية في قلب الألياف وتوجيه الموجة الضوئية للانتقال على طول محور الألياف.أدى استبدال الأسلاك النحاسية بزجاج الكوارتز إلى تغيير العالم.
كوسيلة لتوصيل الموجات الضوئية ، تم استخدام الألياف الضوئية على نطاق واسع منذ أن اقترحها تشارلز كاو في عام 1966 نظرًا لمزاياها المتمثلة في قدرة الاتصال الكبيرة ، والقدرة القوية على مقاومة التداخل ، وفقدان الإرسال المنخفض ، ومسافة الترحيل الطويلة ، والسرية الجيدة ، والقوة القدرة على التكيف ، الحجم الصغير ، الوزن الخفيف ومصادر المواد الخام الوفيرة.حصل الدكتور كاو ، المعروف بلقب "أبو الألياف الضوئية" ، على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2009 عن عمله.مع الأداء المثالي والعملي المتزايد للألياف الضوئية ، أحدثت الألياف الضوئية ثورة في تحول صناعة الاتصالات ، واستبدلت بشكل أساسي الأسلاك النحاسية كمكون أساسي للاتصالات الحديثة.
نظام اتصالات الألياف الضوئية هو نوع من أنظمة الاتصال مع الضوء كحامل للمعلومات والألياف الضوئية كوسيط موجه موجه.عندما تنقل الألياف الضوئية المعلومات ، يتم تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية ثم تنتقل داخل الألياف الضوئية.كتقنية اتصال جديدة ، أظهرت اتصالات الألياف الضوئية تفوقًا كبيرًا منذ البداية ، الأمر الذي أثار اهتمامًا كبيرًا واهتمامًا واسعًا من الناس.إن التطبيق المكثف للألياف في الاتصالات يعزز أيضًا التطور السريع لمضخم الألياف والليزر الليفي [1].بالإضافة إلى مجال الاتصالات ، فإن أنظمة الألياف الضوئية لها مجموعة واسعة من التطبيقات في الطب والاستشعار وغيرها من المجالات.
الألياف البصرية
وسيط كسب ليزر الألياف هو الألياف النشطة.وفقًا لهيكلها ، يمكن تقسيمها إلى ألياف أحادية الوضع ، وألياف مغطاة مزدوجة وألياف بلورية ضوئية.
تتكون الألياف أحادية النمط من الألياف أحادية الوضع ، والكسوة وطبقة الطلاء.معامل الانكسار للمادة الأساسية للألياف ، n1 ، أعلى من معامل الانكسار الخاص بمادة الكسوة ، n2.عندما تكون زاوية الحادث للضوء الساقط أكبر من الزاوية الحرجة ، فسيتم إصدار الحزمة بالكامل في قلب الألياف ، لذلك يمكن للألياف تقييد الضوء للانتشار في قلب الألياف.لا يمكن للكسوة الداخلية للألياف أحادية الوضع تقييد ضوء المضخة متعدد الأوضاع ، كما أن الفتحة العددية لنواة الألياف منخفضة.لذلك ، لا يمكن الحصول على خرج الليزر إلا عن طريق اقتران ضوء المضخة أحادي الوضع في قلب الألياف.تستخدم جميع أنواع الليزر الليفي المبكرة هذه الألياف أحادية الوضع ، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الاقتران ، وتبلغ طاقة خرج الليزر ملي واط فقط.
الألياف الضوئية ذات غلاف مزدوج
للتغلب على القيود المفروضة على الألياف التقليدية ذات الغلاف المفرد Ytterbium (Yb3 +) على كفاءة التحويل وطاقة الخرج ، اقترح R.Moeller لأول مرة مفهوم الألياف المزدوجة المكسوة في عام 1974 [2].بعد ذلك ، لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1988 عندما كان E.Snitzer et al.اقترحت تقنية ضخ الكسوة [3] التي تم تطويرها بسرعة باستخدام ليزرات / مضخمات الألياف عالية الطاقة المشبعة بالإيتربيوم.
الألياف المزدوجة هي نوع من الألياف ذات هيكل خاص.بالمقارنة مع الألياف التقليدية ، فإنها تضيف طبقة الكسوة الداخلية ، والتي تتكون من طبقة طلاء وطبقة تكسية داخلية وطبقة تكسية خارجية ولب ليفي مخدر.تعتمد تقنية مضخة الكسوة على ألياف الكسوة المزدوجة ، والتي يتمثل جوهرها في نقل ضوء المضخة متعدد الأوضاع في الكسوة الداخلية والليزر في قلب الألياف ، بحيث يمكن تحسين كفاءة تحويل المضخة وطاقة خرج ليزر الألياف بشكل كبير .إن بنية ألياف الكسوة المزدوجة وشكل الكسوة الداخلية ووضع اقتران ضوء المضخة هي النقاط الرئيسية لهذه التقنية.
يتكون جوهر الألياف المزدوجة المكسوة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) مخدر بعناصر أرضية نادرة ، وهي ليست وسيط الليزر فحسب ، بل هي أيضًا قناة نقل إشارة الليزر في ليزر الألياف.يتم تقليل المعلمة V لطول موجة العمل المقابل بشكل عام من خلال تصميم فتحة العدسة العددية وقطرها الأساسي لضمان أن الليزر الناتج هو وضع عرضي أساسي.الكسوة الداخلية لها حجم عرضي أكبر بكثير (عشرات المرات من قطر النواة التقليدية) وفتحة عددية ، ومعامل انكسار أصغر من اللب ، مما قد يحد من انتشار الليزر تمامًا في اللب.بهذه الطريقة ، يتم تشكيل دليل موجي بصري مع مقطع عرضي كبير وفتحة عددية كبيرة بين قلب الألياف والطبقة الخارجية ، مما يسمح بربط ضوء المضخة عالية الطاقة بفتحة عددية كبيرة ومقطع عرضي كبير ووضع متعدد. إلى الألياف ، وأن يقتصر على الكسوة الداخلية للنقل وعدم الانتشار ، مما يساعد على الحفاظ على ضخ بصري عالي الكثافة للطاقة.تتكون الطبقة الخارجية من مواد بوليمر ذات معامل انكسار أقل من الكسوة الداخلية.الطبقة الخارجية عبارة عن طبقة واقية مصنوعة من مادة عضوية.يتم تحديد منطقة اقتران الألياف ذات الكسوة المزدوجة بمصباح المضخة من خلال حجم الكسوة الداخلية ، على عكس الألياف أحادية الوضع التقليدية التي يتم تحديدها فقط من خلال القلب.من ناحية ، تم تحسين كفاءة اقتران الطاقة لليزر الألياف البشرية.عندما يمر ضوء المضخة في طبقة الكسوة الداخلية ، فإنه يمر عبر لب الألياف عدة مرات لإثارة الأيونات المخدرة لإصدار الليزر.من ناحية أخرى ، يتم تحديد جودة حزمة الإخراج حسب طبيعة نواة الألياف.لا يؤدي إدخال الكسوة الداخلية إلى تدمير جودة شعاع الإخراج لليزر الليفي.
في البداية ، يكون هيكل الكسوة الداخلية لألياف الكسوة المزدوجة عبارة عن تناظر أسطواني ، وعملية إنتاجه بسيطة نسبيًا ، ويسهل ضخ وصلة اقتران طور ألياف الصمام الثنائي الليزري (LD) ، ولكن التماثل المثالي لوجود كميات كبيرة من المضخة في الضوء اللولبي الداخلي للكسوة ، لا يمكن للضوء المنعكس حتى مرات كافية أن يصل إلى منطقة الألياف الأساسية ، وبالتالي ، من المستحيل امتصاصه بواسطة الألياف الأساسية ، لذلك حتى إذا تم استخدام الألياف الأطول ، فسيظل هناك الكثير من الضوء مما يجعل من الصعب تحسين كفاءة التحويل.لذلك ، يجب تدمير الهيكل الأسطواني المتماثل للكسوة الداخلية.
ألياف الكريستال الضوئية
في الألياف ذات الغلاف المزدوج ، يتم تحديد طاقة الليزر الناتجة حسب الحجم الهندسي لللب.تحدد الفتحة العددية جودة شعاع الليزر الناتج.نظرًا لقيود التأثيرات غير الخطية والضرر البصري والآليات الفيزيائية الأخرى في الألياف ، فإن الطريقة الفردية لزيادة قطر النواة لا يمكن أن تلبي احتياجات التشغيل أحادي النمط للألياف المزدوجة المغطاة مع مجال وضع كبير عند خرج طاقة عالية.يوفر ظهور ألياف بصرية خاصة ، مثل الألياف الكريستالية الضوئية (PCF) ، طريقة تقنية فعالة لحل هذه المشكلة.
تم اقتراح مفهوم البلورة الضوئية لأول مرة من قبل E. (PBG) يسمح بانتشار الضوء وفجوة النطاق الضوئية (PBG) التي تمنع انتشار الضوء.من خلال تغيير ترتيب وتوزيع الوسائط المختلفة ، يمكن إحداث العديد من التغييرات في الخصائص البلورية الضوئية ، وذلك لتحقيق وظائف محددة. PCF هو البلورة الضوئية ثنائية الأبعاد ، والمعروفة أيضًا باسم الألياف المجهرية أو الألياف المسامية. في عام 1996 ، طور JCKnight وزملاؤه أول PCF ، كانت آلية توصيل الضوء الخاصة به مماثلة للانعكاس الداخلي الكلي للألياف الضوئية التقليدية. أول PCF يستخدم فجوة الحزمة الضوئية وُلد مبدأ توجيه الضوء في عام 1998. بعد عام 2005 ، بدأت أساليب التصميم والتحضير لحقل الوضع الكبير PCF في التنويع ، وأشكال مختلفة منظهرت الهياكل ، بما في ذلك قناة التسرب PCF ، PCF على شكل قضيب ، PCF كبير التباعد و PCF متعدد النواة.يتم أيضًا زيادة مساحة مجال وضع الألياف.
في المظهر ، يشبه PCF إلى حد كبير الألياف التقليدية أحادية الوضع ، لكنه يعرض بنية مصفوفة مسامية معقدة في بنية مجهرية.هذه الخصائص الهيكلية هي التي تمنح PCF مزايا فريدة لا تضاهى ، مثل عدم النقل أحادي النمط ، ومنطقة مجال النمط الكبيرة ، والتشتت وأداء الخسارة المحدودة ، يمكن أن تتغلب على العديد من صعوبات الليزر التقليدية.على سبيل المثال ، يمكن أن يحقق PCF عملية أحادية الوضع في منطقة حقل وضع كبير ، ويقلل بشكل كبير من كثافة طاقة الليزر في الألياف ، ويقلل التأثير غير الخطي في الألياف ، ويحسن عتبة تلف الألياف مع ضمان جودة الحزمة.يمكن تحقيق فتحات عددية كبيرة ، مما يعني إمكانية تحقيق المزيد من اقتران المضخة الضوئية وإخراج ليزر عالي الطاقة.تسببت مزايا PCF هذه في حدوث سلسلة من الطفرات البحثية في العالم ، مما يجعل PCF أحد أبرز الأبحاث الجديدة في تطبيق ليزر الألياف عالي الطاقة ويلعب دورًا متزايد الأهمية.
اختراع ألياف الليزر
يسمى الليزر الذي يحتوي على الألياف كوسيط اكتساب الليزر بليزر الألياف.مثل أنواع الليزر الأخرى ، فهو يتكون من ثلاثة أجزاء: وسيط الكسب ومصدر المضخة والرنان.تستخدم ليزرات الألياف أليافًا نشطة مخدرة بعناصر أرضية نادرة كوسيط كسب.بشكل عام ، يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات كمصادر للمضخات.يتكون الرنان عادة من عاكس أو وجه طرفية ليفي أو مرآة حلقية ليفية أو مقضب ليفي.
وفقًا لخصائص المجال الزمني لألياف الليزر ، يمكن تقسيمها إلى ليزر ليفي مستمر وليزر ليف نابض.وفقًا لهيكل الرنان المختلف ، يمكن تقسيمه إلى ليزر ألياف التجويف الخطي ، وليزر ألياف التجويف الموزع ، وليزر ألياف التجويف الدائري.اعتمادًا على كسب الألياف ووضع الضخ ، يمكن تقسيمها إلى ليزر ليفي أحادي الغلاف (ضخ اللب) وليزر ليفي مزدوج الكسوة (ضخ الكسوة).
في عام 1961 ، اكتشف سنيتزر إشعاع الليزر في دليل موجي زجاجي مخدر بالنيوديميوم (Nd).في عام 1966 ، أجرى تشارلز كاو دراسة تفصيلية للأسباب الرئيسية للتوهين البصري في الألياف الضوئية ، وأشار إلى المشكلات التقنية الرئيسية التي يجب حلها من أجل التطبيق العملي للألياف الضوئية في الاتصال [5].في عام 1970 ، طورت شركة Corning الألياف الضوئية بتوهين أقل من 20 ديسيبل / كم ، مما وضع الأساس لتطوير الاتصالات الضوئية وصناعة التكنولوجيا الإلكترونية الضوئية [5].وقد عزز هذا الاختراق التكنولوجي بشكل كبير من تطوير الليزرات الليفية.في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي ، وفر نضج تكنولوجيا الليزر شبه الموصلة وتسويقها مصدرًا موثوقًا ومتنوعًا للمضخات لتطوير الليزرات الليفية.في الوقت نفسه ، يقلل تطوير ترسيب البخار الكيميائي من فقد الألياف الضوئية.تتطور ليزر الألياف أيضًا بسرعة في اتجاه التنويع.الألياف مخدرة بالعديد من العناصر الأرضية النادرة ، مثل الإربيوم (Er3 +) ، الإيتربيوم (Yb3 +) ، النيوديميوم (Nd3 +) ، السماريوم (Sm 3+) ، الثوليوم (Tm3 +) ، الهولميوم (Ho3 +) ، البراسيوديميوم (Pr3 +) ، الديسبروسيوم (Dy3 +) ، البزموت (Bi3 +) ، إلخ. اعتمادًا على الأيونات المشبعة ، يمكن تحقيق أطوال موجية مختلفة لإخراج الليزر.تلبية متطلبات التطبيق المختلفة.
خصائص ليزرات الألياف عالية الطاقة
يتم عرض مزايا ليزرات الألياف عالية الطاقة على النحو التالي.
(1) جودة شعاع جيدة.يحدد هيكل الدليل الموجي للألياف أن ليزر الألياف سهل الحصول على إخراج الوضع العرضي الفردي ، وتأثير العوامل الخارجية صغير ، والتي يمكن أن تحقق إخراج ليزر عالي السطوع.
(2) كفاءة عالية.يمكن أن يحقق ليزر الألياف الضوئية كفاءة عالية في تحويل الضوء إلى ضوء عن طريق اختيار ليزر أشباه الموصلات مع مطابقة طول موجة الانبعاث وخصائص الامتصاص لعناصر الأرض النادرة المخدرة كمصدر للمضخة.بالنسبة لليزر الألياف عالية الطاقة المشبعة بالإيتربيوم ، يتم تحديد 915 نانومتر أو 975 نانومتر ليزر أشباه الموصلات بشكل عام.نظرًا للهيكل البسيط لمستوى الطاقة لـ Yb3 + ، نادرًا ما يحدث التحويل ، وامتصاص حالة الإثارة وإخماد التركيز ، وعمر التألق الطويل ، يمكن لـ YB3 + تخزين الطاقة بشكل فعال لتحقيق عملية عالية الطاقة.تصل الكفاءة الكهروضوئية الإجمالية لليزر الألياف التجارية إلى 25٪ ، مما يؤدي إلى تقليل التكاليف وتوفير الطاقة وحماية البيئة.
(3) خصائص تبديد الحرارة الجيدة.يستخدم ليزر الألياف الألياف النحيلة المخدرة بعناصر الأرض النادرة كوسيط اكتساب الليزر ، والذي يحتوي على مساحة سطح كبيرة جدًا إلى نسبة الحجم.إنه حوالي 1000 مرة أكثر من ليزر الكتلة الصلبة ، وله ميزة طبيعية في تبديد الحرارة.في حالة الطاقة المتوسطة والمنخفضة ، ليست هناك حاجة للتبريد الخاص للألياف ، وفي حالة الطاقة العالية ، يتم استخدام تبريد المياه لتبديد الحرارة ، والتي يمكن أيضًا أن تتجنب بشكل فعال تدهور جودة الحزمة وكفاءتها بسبب التأثير الحراري الذي يشيع رؤيته في ليزر الحالة الصلبة.
(4) هيكل مدمج وموثوقية عالية.نظرًا لأن ليزر الألياف يستخدم أليافًا صغيرة وناعمة كوسيط اكتساب الليزر ، فمن المفيد ضغط الحجم وتوفير التكلفة.تستخدم مصادر المضخات أيضًا حجمًا صغيرًا ، وسهل استخدام ليزر أشباه الموصلات المعياري ، ويمكن أن يكون المنتج التجاري عمومًا ناتجًا من ألياف الذيل ، جنبًا إلى جنب مع شبكة الألياف الضوئية Bragg ، والأجهزة المعبأة ، طالما أن هذه الأجهزة قابلة للحام يمكن تحقيقها جميعًا ، محصنة ضد البيئة قدرة الاضطراب عالية ، ولديها ثبات عالي للغاية ، ويمكن أن توفر الوقت وتكلفة الصيانة.
تحتوي ليزر الألياف عالية الطاقة أيضًا على بعض العيوب التي يصعب التغلب عليها.أولاً ، يتم تقييدها بسهولة من خلال التأثيرات غير الخطية.بسبب التركيب الهندسي للدليل الموجي ، فإن الطول الفعال لليزر الليفي طويل ، وعتبة التأثيرات غير الخطية المختلفة منخفضة.تتسبب بعض التأثيرات غير الخطية الضارة ، مثل تشتت Raman المحفز (SRS) وتعديل الطور الذاتي (SPM) ، في تذبذب الطور ، ونقل الطاقة في الطيف ، وحتى تلف نظام الليزر ، مما يحد من تطوير ليزر الألياف عالي الطاقة .والثاني هو تأثير تعتيم الفوتون.مع زيادة وقت الضخ ، سيؤدي تأثير تعتيم الفوتون إلى انخفاض رتيب لا رجعة فيه في كفاءة تحويل الطاقة للألياف المشبعة بعنصر الأرض النادرة ، مما يقيد الاستقرار على المدى الطويل وعمر خدمة ليزر الألياف عالي الطاقة ، خاصة في ليزر الألياف عالي الطاقة المشبع بالإيتربيوم.
مع تطوير ليزر أشباه الموصلات المقترن بالألياف عالية السطوع وتقنيات الألياف مزدوجة الغلاف ، تم تحسين طاقة الخرج وكفاءة التحويل البصري البصري وجودة شعاع ليزرات الألياف عالية الطاقة بشكل كبير.مدفوعة بالطلب الهائل على المعالجة الصناعية ، وأسلحة الطاقة الموجهة ، والقياس عن بعد لمسافات طويلة ، والليدار والتطبيقات الأخرى ، تعد Apache Photonics (IPG) و Nufern (Nlight) ومجموعة Transom الألمانية وحدات البحث والتطوير الرئيسية في CW والموجة النبضية أطلقت ليزر الألياف عالية الطاقة ، وخط إنتاج غني.كما تم الإبلاغ عن نتائج مثيرة من قبل جامعة تسينغهوا والجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع ومعهد شنغهاي للبصريات والميكانيكا الدقيقة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم والأكاديمية الرابعة لمؤسسة علوم وصناعة الفضاء الصينية.
تقنية تعزيز طاقة الليزر الليفي
نظرًا لحد من التأثير غير الخطي والتأثير الحراري وعتبة تلف المواد في ليزر الألياف ، فإن طاقة خرج ليزر الألياف الأحادية محدودة إلى حد معين ، ومع زيادة الطاقة ، تنخفض جودة الحزمة تدريجيًا.من الضروري استخدام تقنية التحكم في الوضع وتصميم نوع جديد من الألياف بهيكل خاص لتحسين جودة الحزمة.Jw Dawson et al.[6] نظريًا حلل حد طاقة الخرج لليف واحد ، وحسب أن ليفًا واحدًا يمكنه الحصول على خرج ليزر قريب من الحيود بطاقة قصوى تبلغ 36 كيلو وات في ليزر ليفي عريض النطاق ، بينما بالنسبة إلى ليزر ليفي ضيق النطاق ، الطاقة القصوى هي 2 كيلو واط.من أجل زيادة تحسين الطاقة الناتجة من ألياف الليزر ومضخم الصوت ، فهي طريقة فعالة لتجميع طاقة ليزرات الألياف المتعددة عن طريق تقنية التوليف المتماسك.لقد أصبحت نقطة ساخنة للبحث الدولي في السنوات الأخيرة.