De optische vezel is kort voor optische vezel, gewoonlijk een cilindrische golfgeleider van licht. Het gebruikt het principe van totale bezinning om de lichte golf in de vezelkern te beperken en de lichte golf te leiden om langs de as van de vezel te reizen. Het vervangen van koperdraad met kwartsglas veranderde de wereld.
Als middel om lichte golven te leiden, is de optische vezel wijd gebruikt aangezien het door Charles Kao in 1966 toe te schrijven aan zijn voordelen van grote communicatie capaciteit, sterke anti-interference capaciteit, laag transmissieverlies, lange relaisafstand, goede geheimhouding, sterk aanpassingsvermogen, kleine grootte, lichtgewicht en overvloedige grondstoffenbronnen werd voorgesteld. Dr. Kao, dat als de „vader van de optische vezel wordt bekend, werd“ toegekend de Nobelprijs van 2009 in fysica voor zijn werk. Met de meer en meer perfecte en praktische prestaties van optische vezel, heeft de optische vezel de transformatie van de telecommunicatieindustrie hervormd, en het heeft fundamenteel vervangen koperdraad als kerncomponent van moderne mededeling.
Het optische vezelcommunicatiesysteem is een soort communicatiesysteem met licht als informatiedrager en optische vezel als geleid golfmiddel. Wanneer de optische vezel informatie doorgeeft, wordt het elektrosignaal omgezet in optisch signaal en binnen de optische vezel dan overgebracht. Als nieuwe communicatietechnologie, heeft de optische vezelmededeling grote superioriteit vanaf het begin getoond, die duidelijke belangstelling en brede aandacht van mensen heeft gewekt. De ruime toepassing van vezel in mededeling bevordert ook de snelle ontwikkeling van vezelversterker en vezellaser [1]. Naast het communicatie gebied, hebben de vezel optische systemen een brede waaier van toepassingen op geneeskunde, het ontdekken en andere gebieden.
Optische vezel
Het aanwinstenmiddel van vezellaser is actieve vezel. Volgens zijn structuur, kan het in enige wijzevezel, dubbele bekledingsvezel en photonic kristalvezel worden verdeeld.
Single-mode vezel Single-mode vezel is samengesteld uit van de van de vezelkern, bekleding en deklaag laag. R.i van het materiaal van de vezelkern, n1, is hoger dan dat van het bekledingsmateriaal, N2. Wanneer de inherente Hoek van het inherente licht groter is dan de kritieke Hoek, zal de straal volledig uitgezonden worden in de vezelkern, zodat kan de vezel het licht beperken zich in de vezelkern te verspreiden. De binnenbekleding van de single-mode vezel kan niet het multi-mode pomplicht beperken, en de numerieke opening van de vezelkern is laag. Daarom kan de laseroutput slechts worden verkregen door het single-mode pomplicht in de vezelkern te koppelen. De vroege vezellasers allen gebruiken deze single-mode vezel, resulterend in lage koppelingsefficiency, is de macht van de laseroutput slechts milliwatt.
Dubbele beklede optische vezel
Om de beperkingen van conventioneel single-mode enig-bekleed Ytterbium (Yb3+) te overwinnen - de gesmeerde vezel op omzettingsefficiency en outputmacht, R.Moeller stelde eerst het concept dubbel-beklede vezel in 1974 [2] voor. Na dat, was het niet tot 1988 toen E.Snitzer et al. voorgestelde bekleding het pompen technologie [3] dat high-power ytterbium-gesmeerde vezellasers/de versterkers snel werden ontwikkeld.
De dubbele bekledingsvezel is een soort vezel met speciale structuur. Vergeleken met conventionele vezel, voegt het een binnenbekledingslaag toe, die uit deklaaglaag, binnenbekledingslaag, buitenbekledingslaag en gesmeerde vezelkern samengesteld is. De technologie van de bekledingspomp is gebaseerd op dubbele bekledingsvezel, de kern waarvan multi-mode pomplicht in de binnenbekleding en de laser in de vezelkern moet overbrengen, zodat de efficiency van de pompomzetting en het outputvermogen van vezellaser zeer kunnen worden verbeterd. De structuur van dubbele bekledingsvezel, de vorm van binnenbekleding en de koppelingswijze van pomplicht zijn de belangrijke punten van deze technologie.
De kern van de dubbel-beklede vezel is samengesteld uit siliciumdioxyde (SiO2) dat met zeldzame aardeelementen wordt gesmeerd, dat niet alleen het lasermiddel maar ook het transmissiekanaal van lasersignaal in de vezellaser is. De V-parameter van de overeenkomstige het werk golflengte wordt over het algemeen verminderd door zijn numerieke opening en kerndiameter te ontwerpen om ervoor te zorgen dat de outputlaser een fundamentele transversale wijze is. De binnenbekleding heeft een veel grotere transversale grootte (tientallen tijden de diameter van de conventionele kern) en numerieke opening, en een kleinere r.i dan de kern, die de laserpropagatie in de kern kan volledig beperken. Op deze wijze, worden een optische golfgeleider met grote dwarsdoorsnede en de grote numerieke opening gevormd tussen de vezelkern en de buitenlaag, die het high-power pomplicht met grote numerieke opening kunnen toelaten, grote dwarsdoorsnede en multi-mode om aan de vezel worden gekoppeld, en tot de binnenbekleding voor transmissie en niet-verspreiding worden beperkt, die bevorderlijk is voor het handhaven van hoge machtsdichtheid het optische pompen. De buitenlaag is samengesteld uit polymeermaterialen met een lagere r.i dan de binnenbekleding. De buitenste laag is een beschermende laag die van organisch materiaal wordt gemaakt. Het koppelingsgebied van de dubbel-beklede vezel aan het pomplicht wordt bepaald door de binnenbekledingsgrootte, in tegenstelling tot de traditionele single-mode vezel die slechts door de kern wordt bepaald. Enerzijds, is de efficiency van de machtskoppeling van de menselijke vezellaser beter. Wanneer het pomplicht in de binnenbekledingslaag leidt, zal het door de vezelkern vaak overgaan om het gesmeerde ion op te wekken om de laser uit te zenden. Anderzijds, wordt de kwaliteit van de outputstraal bepaald door de aard van de vezelkern. De introductie van binnenbekleding vernietigt niet de kwaliteit van de outputstraal van de vezellaser.
Aanvankelijk, is de binnenbekledingsstructuur van dubbele bekledingsvezel cilindrische symmetrie, is zijn productieproces vrij eenvoudig, en gemakkelijk aan van de de diode (LD) staart van de pomplaser van de de vezelfase de koppelingsverbinding, maar de perfecte symmetrie van de aanwezigheid van hopen van de pomp in het binnenbekledings spiraalvormige licht, het licht dacht zelfs na genoeg tijden het gebied van de vezelkern kunnen nooit bereiken, dus, is het onmogelijk om door de vezelkern worden geabsorbeerd, zodat zelfs als de langere vezel wordt gebruikt, zal er nog heel wat lichte lekkage zijn, die het moeilijk maakt om de omzettingsefficiency te verbeteren. Daarom moet de cilindrische symmetrische structuur van de binnenbekleding worden vernietigd.
Photonic kristalvezel
In gemeenschappelijke dubbel-beklede vezel, wordt de macht van de outputlaser bepaald door de geometrische grootte van de kern. De numerieke opening bepaalt de straalkwaliteit van de outputlaser. wegens de beperkingen van niet-lineaire gevolgen, optische schade en andere fysieke mechanismen in de vezel, kan de enige methode om de kerndiameter te verhogen niet aan de behoeften van single-mode verrichting van dubbel-beklede vezel met groot wijzegebied bij hoge machtsoutput voldoen. De totstandkoming van speciale optische vezel, zoals photonic kristalvezel (PCF), verstrekt een efficiënte technische manier om dit probleem op te lossen.
Het concept photonic kristal werd eerst voorgesteld door E. Yablonovitch „1 in 1987, d.w.z., diëlektrische materialen met verschillende diëlektrische constanten in 1D, is de 2D of 3D ruimte samengesteld uit periodieke structuren met de orde van optische golflengte, waarin photonic geleidingsband (PBG) lichte propagatie toestaan en photonic bandhiaat die (PBG) lichte propagatie verhinderen worden geproduceerd. Door de regeling en distributieperiode van verschillende media te veranderen, kunnen vele veranderingen in photonic kristaleigenschappen worden veroorzaakt, om specifieke functies te bereiken. PCF is een tweedimensionaal photonic kristal, dat ook als microstructuurvezel of poreuze vezel wordt bekend. In 1996, J.C.Knight et al. ontwikkelde eerste PCF, het waarvan lichte geleidingsmechanisme aan de totale interne discussie van traditionele optische vezel gelijkaardig was. Eerste PCF die photonic bandgapprincipe gebruikt om licht te leiden was geboren in 1998. Na 2005, begonnen de ontwerp en voorbereidingsmethodes van groot-wijzegebied PCF te diversifiëren, en diverse vormen van structuren leken, met inbegrip van lekkagekanaal PCF, staaf-vormige PCF, groot-uit elkaar plaatst PCF en multi-core PCF. Het gebied van het de wijzegebied van de vezel wordt ook verhoogd.
In verschijning, is PCF zeer gelijkaardig aan de traditionele single-mode vezel, maar het stelt een complexe structuur van de porieserie in microstructuur tentoon. Het is deze structurele kenmerken die PCF unieke en onvergelijkelijke voordelen, zoals geen scheiding geven single-mode transmissie, het grote gebied van het wijzegebied, de verspreiding en de lage beperkende verliesprestaties, vele moeilijkheden van traditionele lasers kunnen overwinnen. Bijvoorbeeld, kan PCF single-mode verrichting bereiken onder het grote gebied van het wijzegebied, en beduidend de dichtheid van de lasermacht in de vezel verminderen, het niet-lineaire effect in de vezel verminderen, en de schadedrempel van de vezel verbeteren terwijl het verzekeren van de straalkwaliteit. De grote numerieke openingen kunnen worden bereikt, wat meer pomp-optische koppeling betekent en de output van de hogere machtslaser kan worden bereikt. Deze voordelen van PCF hebben een reeks van onderzoektoename in de wereld veroorzaakt, die PCF een nieuw onderzoekhoogtepunt in de toepassing van de lasers van de hoge machtsvezel worden maakt en een meer en meer belangrijke rol spelen.
De uitvinding van de vezellaser
Een laser met vezel als middel van de laseraanwinst wordt genoemd een vezellaser. Als andere types van lasers, is het samengesteld uit drie delen: aanwinstenmiddel, pompbron en resonator. De vezellasers gebruiken actieve vezel die met zeldzame aardeelementen als aanwinstenmiddel wordt gesmeerd. Over het algemeen, worden de halfgeleiderlasers gebruikt als pompbronnen. De resonator is gewoonlijk samengesteld uit reflector, het gezicht van het vezeleind, de spiegel van de vezelring of vezelgrating.
Volgens de kenmerken van het tijddomein van vezellaser, kan het in ononderbroken vezellaser en gepulseerde vezellaser worden verdeeld. Volgens de verschillende resonatorstructuur, kan het in de lineaire laser van de holtevezel worden verdeeld, verdeeld koppel vezellaser en de vezellaser terug van de ringsholte. Afhankelijk van de aanwinst vezel en het pompen wijze, kunnen zij in enig-beklede vezellasers (kern die pompt) en dubbel-beklede vezellasers (bekleding die pompt) worden verdeeld.
In 1961, ontdekte Snitzer laserstraling in een neodymium-gesmeerde het glasgolfgeleider (van Nd). In 1966, maakte Charles Kao een gedetailleerde studie van de belangrijkste oorzaken van optische vermindering in optische vezels, en wees op de belangrijkste technische problemen die voor de praktische toepassing van optische vezels in mededeling [5] moeten worden opgelost. In 1970, ontwikkelde Corning optische vezel met vermindering minder dan 20 dB/km, leggend de fundamenten voor de ontwikkeling van optische mededeling en optoelectronic technologieindustrie [5]. Deze technologische doorbraak heeft ook zeer de ontwikkeling van vezellasers bevorderd. In de jaren '70 en de jaren '80, verstrekten de rijpheid en de introductie op de markt van de technologie van de halfgeleiderlaser een betrouwbare en diverse pompbron voor de ontwikkeling van vezellasers. Tegelijkertijd, vermindert de ontwikkeling van chemische dampdeposito het transmissieverlies van optische vezel. De vezellasers ontwikkelen zich ook snel in de richting van diversificatie. De vezel gesmeerd=wordt= met vele zeldzame aardeelementen, zoals Erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), neodymium (Nd3+), samarium (Sm 3+), thulium (Tm3+), holmium (Ho3+), praseodymium (Pr3+), dysprosium (Dy3+), bismut (Bi3+) enz. Afhankelijk van de gesmeerde ionen, kunnen de verschillende golflengten van laseroutput worden bereikt. Voldoe aan verschillende toepassingsvereisten.
Kenmerken van de lasers van de hoge machtsvezel
De voordelen van de lasers van de hoge machtsvezel worden als volgt getoond.
(1) goede straalkwaliteit. De golfgeleiderstructuur van de vezel bepaalt dat de vezellaser gemakkelijk is om de enige transversale wijzeoutput te verkrijgen, en de invloed van externe factoren is klein, wat de hoge output van de helderheidslaser kan bereiken.
(2) hoog rendement. De optische vezellaser kan hoge licht-aan-lichte omzettingsefficiency bereiken door de halfgeleiderlaser te selecteren met de aanpassing van van de emissiegolflengte en absorptie kenmerken van gesmeerde zeldzame aardeelementen als pompbron. Voor ytterbium-gesmeerde high-power vezellasers, worden 915 NM of 975 NM-halfgeleiderlasers over het algemeen geselecteerd. Het wegens de eenvoudige structuur van het energieniveau van Yb3+, upconversion, de absorptie van de opwindingsstaat en concentratie komt doven zelden voor, en het lange fluorescentieleven, YB3 + kan energie effectief opslaan om high-power verrichting te bereiken. De algemene elektro-optische efficiency van commerciële vezellasers is tot 25%, die bevorderlijk is voor het drukken van kosten, energie - besparing en milieubescherming.
(3) de goede kenmerken van de hittedissipatie. De vezellaser gebruikt slanke zeldzame aard element gesmeerde vezel als het middel van de laseraanwinst, dat een zeer grote oppervlakte aan volumeverhouding heeft. Het is ongeveer 1000 keer dat van stevige bulklaser, en heeft een natuurlijk voordeel in hittedissipatie. In het geval van middelgrote en lage macht, is er geen behoefte aan het speciale koelen van de vezel, en in het geval van hoge macht, wordt de waterkoeling gebruikt voor hittedissipatie, die de degradatie van straalkwaliteit en efficiency kan effectief ook vermijden die door het thermische effect wordt veroorzaakt algemeen - dat in lasers in vaste toestand wordt gezien.
(4) compacte structuur, hoge betrouwbaarheid. Omdat de vezellaser kleine en zachte vezel als middel van de laseraanwinst gebruikt, is het voordelig om het volume samen te persen en de kosten te besparen. De pompbronnen worden gebruikt zijn ook klein volume, gemakkelijk aan modulaire halfgeleiderlaser, kan het commerciële product over het algemeen de output zijn van de staartvezel, die met grating van optische vezelbragg wordt gecombineerd, packtized apparaten, zolang deze apparaten kunnen worden gerealiseerd lassen allen packtized, immuun voor milieustoring is de capaciteit hoog, heeft de zeer hoge stabiliteit, en kan tijd en onderhoudskosten besparen.
De lasers van de hoge machtsvezel hebben ook sommige nadelen die moeilijk zijn te overwinnen. Eerst, worden zij gemakkelijk beperkt door niet-lineaire gevolgen. Wegens de geometrische structuur van de golfgeleider, is de efficiënte lengte van vezellaser lang, en de drempel van diverse niet-lineaire gevolgen is laag. Sommige schadelijke niet-lineaire gevolgen, zoals zich het bevorderde Raman-verspreiden (SRS) en zelf-fasemodulatie (SPM), veroorzaken faseschommeling, energieoverdracht in het spectrum, en zelfs schade aan het lasersysteem, dat de ontwikkeling van high-power vezellasers beperkt. De tweede is het foton verdonkerende effect. Met de verhoging van het pompen van tijd, zal het foton verdonkerende effect leiden tot een monotoon onomkeerbare daling van de efficiency van de machtsomzetting van de zeldzame aard element gesmeerde vezel, die de stabiliteit en de levensduur op lange termijn van de high-power vezellaser, vooral in ytterbium-gesmeerde high-power vezellaser beperkt.
Met de ontwikkeling van hoog vezel-gekoppelde halfgeleiderlasers en dubbel-beklede vezeltechnologieën, zijn de outputmacht, de opto-optische omzettingsefficiency en de straalkwaliteit van high-power vezellasers zeer verbeterd. Gedreven door de reusachtige vraag naar industriële verwerking, de wapens zijn met geleide energie, de telemetrie over lange afstand, lidar en andere toepassingen de Dwarsbalkgroep, van Apache Photonics (IPG), van Nufern (Nlight) en van Duitsland de belangrijkste onderzoek en ontwikkelingseenheden CW en pulseren-golf high-power vezellasers, en een rijke productregel gelanceerd. De opwindende resultaten zijn ook gemeld door Tsinghua University, National Universiteit van Defensietechnologie, het Instituut van Shanghai van Optica en Fijne Werktuigkundigen onder de Chinese Academie van Wetenschappen en de Vierde Academie van Ruimtevaart de Wetenschap en de Industriebedrijf van China.
De machts opvoerende technologie van de vezellaser
wegens de beperking van niet-lineair effect, thermisch effect en materiële schadedrempel in vezellaser, is het outputvermogen van enige vezellaser in zekere mate beperkt, en met de verhoging van macht, de dalingen van de straalkwaliteit geleidelijk aan. Het is noodzakelijk om de technologie van de wijzecontrole te gebruiken en een nieuw type van vezel met speciale structuur te ontwerpen om de straalkwaliteit te verbeteren. J.w. Dawson et al. [6] analyseerde theoretisch de grens van de outputmacht van één enkele vezel, en berekende dat één enkele vezel een de laseroutput van de dichtbijgelegen-diffractiegrens met een maximummacht van 36 kW in een wideband vezellaser kan verkrijgen, terwijl voor een laser van de smal-lijnbreedtevezel, de maximummacht 2 kW is. om de outputmacht van vezellaser en versterker verder te verbeteren, is het een efficiënte methode om het vermogen van veelvoudige vezellasers door coherente synthesetechnologie samen te stellen. Het is internationale onderzoek de laatste jaren hotspot geworden.