Glasfaser ist für Glasfaser, normalerweise ein zylinderförmiger Wellenleiter vom Licht kurz. Sie verwendet das Prinzip der Totalreflexion, um die Lichtwelle im Faserkern zurückzuhalten und die Lichtwelle zu führen, um entlang die Achse der Faser zu reisen. Das Ersetzen des Kupferdrahts durch Quarzglas änderte die Welt.
Als Medium für Leitlichtwellen, ist Glasfaser weitverbreitet gewesen, seit sie von Charles Kao im Jahre 1966 wegen seiner Vorteile der großen Kommunikationskapazität, der starken Entstörungsfähigkeit, des niedrigen Übertragungsverlusts, des langen Relaisabstandes, der guten Geheimhaltung, der starken Anpassungsfähigkeits-, kleinen, leichten und reichlichenRohstoffquellen vorgeschlagen wurde. Dr. Kao, bekannt als der „Vater der Glasfaser,“ wurde der Nobelpreis 2009 in der Physik für seine Arbeit zugesprochen. Mit der in zunehmendem Maße perfekten und praktischen Leistung der Glasfaser, hat Glasfaser die Umwandlung der Telekommunikationsindustrie revolutioniert, und sie hat im Allgemeinen Kupferdraht als die Kernkomponente der modernen Kommunikation ersetzt.
Kommunikationssystem aus optischen Fasern ist eine Art Kommunikationssystem mit Licht als der Informationsträger und Glasfaser als das Medium der geführten Welle. Wenn Glasfaser Informationen überträgt, wird das elektrische Signal in optisches Signal umgewandelt und übertragen dann innerhalb der Glasfaser. Als neue Kommunikationstechnologie Kommunikation hat aus optischen Fasern große Überlegenheit von Anfang an gezeigt, die großes Interesse und breite Aufmerksamkeit von Leuten geweckt hat. Die umfangreiche Anwendung der Faser in der Kommunikation fördert auch die schnelle Entwicklung des Faserverstärkers und des Faserlasers [1]. Zusätzlich zum Kommunikationsfeld haben Faseroptiksysteme eine breite Palette von Anwendungen auf den Medizin-, Abfragungs- und anderemgebieten.
Glasfaser
Das Gewinnmedium von Faserlaser ist aktive Faser. Entsprechend seiner Struktur kann es in Einmodenfaser, doppelte Umhüllungsfaser und photonische Kristallfaser unterteilt werden.
Monomodefaser-Monomodefaser wird aus Faserkern, Umhüllung und beschichtender Schicht verfasst. Der Brechungskoeffizient der Fasermittellage, n1, ist höher als der des Umhüllungsmaterials, N2. Wenn der Einfallswinkel des Vorfalllichtes größer als der Grenzwinkel ist, wird der Strahl völlig in den Faserkern ausgestrahlt, also kann die Faser das Licht einschränken, um im Faserkern fortzupflanzen. Die innere Umhüllung der Monomodefaser kann das Pumpenlicht nicht begrenzen in mehreren Betriebsarten, und die numerische Öffnung des Faserkernes ist niedrig. Deshalb kann der Laser-Ertrag nur erhalten werden, indem man das Monomode--Pumpenlicht in den Faserkern verbindet. Frühe Faserlaser alle benutzen diese Monomodefaser, mit dem Ergebnis der niedrigen Kopplungsleistungsfähigkeit, Laserausgangsleistung ist nur Milliwatt.
Beidseitig kaschierte Glasfaser
Um die Beschränkungen herkömmliches Monomode- einzel-gekleideten Ytterbiums (Yb3+) - lackierte Faser zu überwinden auf Umwandlungs-Leistungsfähigkeit und -Spitzenleistung, schlug R.Moeller zuerst das Konzept der beidseitig kaschierten Faser im Jahre 1974 vor [2]. Nach dem war es nicht, bis 1988 als E.Snitzer et al. pumpende Technologie der Umhüllung vorschlug [3] die starke Ytterbium-lackierte Faserlaser/-verstärker schnell entwickelt wurden.
Doppelte Umhüllungsfaser ist eine Art Faser mit spezieller Struktur. Verglichen mit herkömmlicher Faser, addiert sie eine innere Umhüllungsschicht, die aus beschichtender Schicht, innerer Umhüllungsschicht, äußerer Umhüllungsschicht und lackiertem Faserkern verfasst wird. Umhüllungspumpentechnologie basiert auf doppelter Umhüllungsfaser, der Kern von, welchem, in mehreren Betriebsarten in der inneren Umhüllung und im Laser im Faserkern zu übertragen Pumpenlicht ist, damit die Pumpenumwandlungs-Leistungsfähigkeit und die Spitzenleistung von Faserlaser erheblich verbessert werden können. Die Struktur der doppelten Umhüllungsfaser, die Form der inneren Umhüllung und der Kopplungsmodus des Pumpenlichtes sind die springenden Punkte dieser Technologie.
Der Kern der beidseitig kaschierten Faser wird aus Siliciumdioxid (SiO2) lackierte mit seltene Erdelementen verfasst, das nicht nur das Laser-Medium aber auch der Übertragungskanal von Laser-Signal im Faserlaser ist-. Der v-Parameter der entsprechenden Arbeitswellenlänge wird im Allgemeinen durch das Entwerfen seiner numerischen Öffnung und Kerndurchmessers, um zu garantieren verringert, dass der Ertraglaser ein grundlegender Quermodus ist. Die innere Umhüllung hat eine viel größere Quergröße (zehn Zeiten der Durchmesser des herkömmlichen Kernes) und numerische Öffnung und einen kleineren Brechungskoeffizienten als der Kern, der die Laser-Ausbreitung im Kern vollständig begrenzen kann. Auf diese Art wird ein optischer Wellenleiter mit großem Querschnitt und große numerische Öffnung zwischen dem Faserkern und der äußeren Schicht, die erlauben können, dass das starke Pumpenlicht mit großer numerischer Öffnung, großer Querschnitt und in mehreren Betriebsarten zur Faser verbunden wird, und auf der inneren Umhüllung für Getriebe und Nichtdiffusion begrenzt zu werden gebildet, die zum Instandhaltungsoptischen Pumpen der Dichte der hohen Leistung förderlich ist. Die äußere Schicht wird aus Polymermaterialien mit einem niedrigeren Brechungskoeffizienten als die innere Umhüllung verfasst. Die äußerste Schicht ist eine Schutzschicht, die vom organischen Material hergestellt wird. Der Kopplungsbereich der beidseitig kaschierten Faser zum Pumpenlicht wird durch die innere Umhüllungsgröße, anders als die traditionelle Monomodefaser bestimmt, die nur durch den Kern bestimmt wird. Einerseits wird die Kopplungsleistungsfähigkeit der Energie des menschlichen Faserlasers verbessert. Wenn das Pumpenlicht in die innere Umhüllungsschicht leitet, überschreitet es durch den Faserkern viele Male, das lackierte Ion aufzuregen, um den Laser auszustrahlen. Andererseits wird die Ertragstrahlnqualität durch die Art des Faserkernes bestimmt. Die Einleitung der inneren Umhüllung zerstört nicht die Ertragstrahlnqualität des Faserlasers.
Zuerst ist die innere Umhüllungsstruktur der doppelten Umhüllungsfaser zylinderförmige Symmetrie, ist sein Produktionsverfahren verhältnismäßig einfach, und einfach, Endstückfaserphasen-Koppelungsverbindung der Laserdiode (LD) zu pumpen, aber die perfekte Symmetrie des Vorhandenseins der großen Mengen von der Pumpe im inneren Umhüllungsspiralenlicht, das Licht reflektierte sogar genügende Male kann den Faserkernbereich nie erreichen, so absorbiert zu werden ist unmöglich, durch den Faserkern, so, selbst wenn die längere Faser benutzt wird, dort ist noch viel helles Durchsickern, das macht es schwierig, die Umwandlungs-Leistungsfähigkeit zu verbessern. Deshalb muss die zylinderförmige symmetrische Struktur der inneren Umhüllung zerstört werden.
Photonische Kristallfaser
In der allgemeinen beidseitig kaschierten Faser wird die Ertraglaser-Energie durch die geometrische Größe des Kernes bestimmt. Die numerische Öffnung bestimmt die Strahlnqualität des Ertraglasers. Wegen der Beschränkungen von nichtlinearen Effekten, von optischem Schaden und von anderen körperlichen Mechanismen in der Faser, kann die einzelne Methode der Erhöhung des Kerndurchmessers den Bedarf der Monomode--Operation der beidseitig kaschierten Faser mit großem Modusfeld nicht am Ertrag der hohen Leistung erfüllen. Das Auftauchen der speziellen Glasfaser, wie photonische Kristallfaser (PCF), liefert eine effektive technische Weise, dieses Problem zu lösen.
Das Konzept des photonischen Kristalles wurde zuerst von E. Yablonovitch „1 im Jahre 1987 vorgeschlagen, d.h. werden dielektrische Materialien mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten in 1D, in 2D oder im Raum 3D aus periodischen Strukturen mit dem Auftrag der optischen Wellenlänge verfasst, in dem das photonische Leitungsband (PBG) Lichtausbreitung erlaubend und die photonische Bandlücke (PBG) Lichtausbreitung verhindernd erzeugt werden. Indem man den Anordnungs- und Verteilungszeitraum von verschiedenen Medien ändert, können viele Änderungen in den photonischen Kristalleigenschaften veranlaßt werden, um spezielle Funktionen zu erzielen. PCF ist ein zweidimensionaler photonischer Kristall, alias eine Mikrostrukturfaser oder eine poröse Faser. Im Jahre 1996 entwickelte J.C.Knight et al. das erste PCF, dessen heller Leitungsmechanismus der Totalreflexion der traditionellen Glasfaser ähnlich war. Das erste PCF, das photonisches Bandlückeprinzip verwendet, um Licht zu führen, war im Jahre 1998 geboren. Nach 2005 fingen der Entwurf und die Vorbereitungsmethoden des Großmodusfeldes PCF an zu variieren, und verschiedene Formen von Strukturen erschienen, einschließlich Durchsickernkanal PCF, Stange-förmiges PCF, Großabstand PCF und mehradriges PCF. Der Bereich des Modusfeldes der Faser wird auch erhöht.
Dem Aussehen nach ist PCF der traditionellen Monomodefaser sehr ähnlich, aber es weist eine komplexe Porenreihenstruktur in der Mikrostruktur auf. Es ist diese strukturellen Eigenschaften, die einzigartige und unvergleichbare Vorteile PCF, wie kein Abkürzungsmonomode--Getriebe, großer Modusfeldbereich, Streuung und niedrige Begrenzungsverlustleistung geben, kann viele Schwierigkeiten von traditionellen Lasern überwinden. Zum Beispiel kann PCF Monomode--Operation unter großem Modusfeldbereich erzielen, und die Laser-Energiedichte in der Faser erheblich verringern, den nichtlinearen Effekt in der Faser verringern und verbessert die Schadenschwelle der Faser bei der Gewährleistung der Strahlnqualität. Große numerische Öffnungen können erzielt werden, das bedeutet, dass Laser-Ertrag der Pumpe-optischeren Koppelung und der höheren Energie erzielt werden kann. Diese Vorteile von PCF haben eine Reihe Forschungsaufwallung in der Welt verursacht, die PCF ein neuer Forschungshöhepunkt in der Anwendung von Faserlasern der hohen Leistung werden und eine in zunehmendem Maße wichtige Rolle spielen lässt.
Die Erfindung des Faserlasers
Ein Laser mit Faser, wie das Laser-Gewinnmedium einen Faserlaser genannt wird. Wie andere Arten Laser, wird es aus drei Teilen verfasst: Gewinnmedium, Pumpenquelle und Resonator. Faserlaser benutzen die aktive Faser, die mit seltene Erdelementen als Gewinnmedium lackiert wird. Im Allgemeinen werden Halbleiter-Laser als Pumpenquellen benutzt. Der Resonator wird normalerweise aus Reflektor, Faserstirnfläche, Faserringspiegel oder Fasergitter verfasst.
Entsprechend den Zeitgebietseigenschaften von Faserlaser, kann es in ununterbrochenen Faserlaser und pulsierten Faserlaser unterteilt werden. Entsprechend der unterschiedlichen Resonatorstruktur kann es in linearen Hohlraumfaserlaser unterteilt werden, verteilte Feedbackfaserlaser- und -ringhohlraumfaserlaser. Abhängig von der Gewinnfaser und dem pumpenden Modus können sie in einzel-gekleidete Faserlaser (der pumpende Kern) und beidseitig kaschierte Faserlaser (die pumpende Umhüllung) unterteilt werden.
Im Jahre 1961 entdeckte Snitzer Laserstrahlung in einem Neodym-lackierten (Nd) Glaswellenleiter. Im Jahre 1966 machte Charles Kao eine ausführliche Studie von den Hauptursachen der Lichtdämpfung in den Glasfasern und unterstrich die technischen für die praktische Anwendung von Glasfasern in der Kommunikation [5] gelöst zu werden hauptsächlichprobleme. Im Jahre 1970 entwickelte Corning Glasfaser mit Verminderung kleiner als 20 dB/km und legte den Grundstein für die Entwicklung der optischen Nachrichtenübertragung und der optoelektronischen Technologieindustrie [5]. Dieser technologische Durchbruch hat auch groß die Entwicklung von Faserlasern gefördert. In den siebziger Jahren und in den achtziger Jahren stellten die Reife und die Kommerzialisierung der Halbleiter-Laser-Technologie eine zuverlässige und verschiedene Pumpenquelle für die Entwicklung von Faserlasern zur Verfügung. Gleichzeitig verringert die Entwicklung des chemischen Bedampfens den Übertragungsverlust der Glasfaser. Faserlaser entwickeln auch sich schnell in Richtung der Diversifikation. Die Faser wird mit vielen seltene Erdelementen, wie Erbium (Er3+), Ytterbium (Yb3+), Neodym (Nd3+), Samarium (Inspektion 3+), Thulium (Tm3+), Holmium (Ho3+), Praseodymium (Pr3+), Dysprosium (Dy3+), Wismut (Bi3+) lackiert, etc. abhängig von den lackierten Ionen, verschiedene Wellenlängen von Laser-Ertrag kann erzielt werden. Verschiedene Anwendungsanforderungen des Treffens.
Eigenschaften von Faserlasern der hohen Leistung
Die Vorteile von Faserlasern der hohen Leistung werden wie folgt gezeigt.
(1) gute Strahlnqualität. Die Wellenleiterstruktur der Faser bestimmt, dass der Faserlaser einfach ist, den einzelnen Quermodusertrag zu erhalten, und der Einfluss von externen Faktoren ist klein, die Laser-Ertrag der hohen Helligkeit erzielen können.
(2) hohe Leistungsfähigkeit. Der Laser aus optischen Fasern kann hohe Leicht-zulichtumwandlungs-Leistungsfähigkeit erzielen, indem er den Halbleiter-Laser mit zusammenpassenden Emissionswellenlängen- und -absorptionseigenschaften von lackierten seltene Erdelementen als die Pumpenquelle vorwählt. Für Ytterbium-lackierte starke Faserlaser werden 915 975 Nanometers Halbleiter-Laser Nanometers oder im Allgemeinen vorgewählt. Wegen des einfachen EnergieStufenaufbaus von Yb3+, von upconversion, von Anregungsenergieabsorption und von Konzentration, die treten Sie löschen selten auf, und die lange Fluoreszenzlebenszeit, YB3 + kann Energie effektiv speichern, um starke Operation zu erzielen. Die globale elektrooptische Leistungsfähigkeit von Handelsfaserlasern ist bis 25%, das zur Verringerung von Kosten, von Energieeinsparung und von Umweltschutz förderlich ist.
(3) gute Wärmeableitungseigenschaften. Der Faserlaser benutzt schlankes Seltenerd- Element lackierte Faser als das Laser-Gewinnmedium, das eine sehr große Fläche zum Volumenverhältnis hat. Es ist ungefähr 1000mal, die von festem Massenlaser und einen natürlichen Vorteil in der Wärmeableitung hat. Im Falle des Mediums und der geringen Energie gibt es keinen Bedarf am speziellen Abkühlen der Faser, und im Falle der hohen Leistung, wird die Wasserkühlung für Wärmeableitung, die die Verminderung der Strahlnqualität und -leistungsfähigkeit auch effektiv vermeiden kann, die allgemein durch den thermischen Effekt verursacht werden - gesehen in den Festkörperlasern verwendet.
(4) Kompaktbauweise, hohe Zuverlässigkeit. Weil der Faserlaser kleines und Weichfaser als das Laser-Gewinnmedium benutzt, ist es nützlich, das Volumen zusammenzudrücken und die Kosten zu sparen. Pumpenquellen werden sind auch das Bändchen verwendet, das zum modularen Halbleiter-Laser, Handelsprodukt einfach ist, können der Endstückfaserertrag im Allgemeinen sein, kombiniert mit Bragg-Gitter aus optischen Fasern, packtized Geräte, solange diese Geräte können verwirklicht werden alles packtized schweißen, immun gegen Klimastörungsfähigkeit ist hoch, hat die sehr hohe Stabilität und kann Zeit und Unterhaltskosten sparen.
Faserlaser der hohen Leistung haben auch einige Nachteile, die schwierig zu überwinden sind. Zuerst werden sie leicht durch nichtlineare Effekte eingeschränkt. Wegen der geometrischen Struktur des Wellenleiters, ist die Nutzlänge von Faserlaser lang, und die Schwelle von verschiedenen nichtlinearen Effekten ist niedrig. Etwas schädliche nichtlineare Effekte, wie angeregtes Raman-Zerstreuen (SRS) und Selbstphasenmodulation (SPM), Ursachenphasenschwankung, Energieübertragung in das Spektrum und sogar Schaden des Laser-Systems, die die Entwicklung von starken Faserlasern begrenzen. Das zweite ist der Verdunkelungseffekt des Photons. Mit dem Anstieg der pumpenden Zeit führt der Verdunkelungseffekt des Photons zu eine monoton irreversible Abnahme an der Energieaufbereitungs-Leistungsfähigkeit des Seltenerd- Elements lackierte Faser, die die Langzeitstabilität und die Nutzungsdauer des starken Faserlasers einschränkt, besonders in Ytterbium-lackiertem starkem Faserlaser.
Mit der Entwicklung von Hochhelligkeit Faser-verbundenen Halbleiter-Lasern und von beidseitig kaschierten Fasertechnologien, sind die Ausgangsleistungs-, Opto-optische Umwandlungs-Leistungsfähigkeit und die Strahlnqualität von starken Faserlasern erheblich verbessert worden. Gefahren durch die enorme Nachfrage nach industrieller Verarbeitung, sind verwiesene Energiewaffen, Langstreckentelemetrie, lidar und andere Anwendungen, Apache-Photoniken (IPG), Nufern (Nlight) und Deutschlands Querbalken-Gruppe die Hauptforschung und entwicklung Einheiten von CW und von starken Faserlasern der Pulsierenwelle und haben eine reiche Produktserie gestartet. Aufregende Ergebnisse sind auch von Tsinghua-Universität, von der nationalen Universität der Verteidigungs-Technologie, von Shanghai-Institut von Optik und von den feinen Mechanikern unter der chinesischen Akademie von Wissenschaften und der vierten Akademie von China-Luftfahrtwissenschaft und Industry Corporation gemeldet worden.
Förderungstechnologie Faserlaser-Energie
Wegen der Beschränkung des nichtlinearen Effektes, des thermischen Effektes und der Sachschadenschwelle in Faserlaser, ist die Spitzenleistung einzelnen Faserlasers bis zu einem gewissen Grad begrenzt, und mit dem Anstieg der Energie, verringert sich die Strahlnqualität allmählich. Es ist notwendig, Modussteuerungstechnik einzusetzen und einen neuen Typ Faser mit spezieller Struktur zu entwerfen, um die Strahlnqualität zu verbessern. J.w. Dawson et al. [6] analysierte theoretisch die Ausgangsleistungsgrenze auf eine einzelne Faser, und berechnet, dass eine einzelne Faser erreichen kann, einem Fastbeugungsgrenzlaser geben Sie mit einer Höchstleistung von 36 Kilowatt in einem Breitbandfaserlaser, während für einen Schmallinienstärkefaserlaser, die Höchstleistung ist 2 Kilowatt aus. Um die Spitzenleistung von Faserlaser und von Verstärker weiter zu verbessern, ist es eine effektive Methode zum der Macht der mehrfachen Faserlaser durch zusammenhängende Synthesetechnologie zu synthetisieren. Es ist ein internationaler Forschungskrisenherd in den letzten Jahren geworden.