광섬유는 광섬유의 단축형이고, 빛의 보통 원통형 도파관입니다. 섬유심에서 광파를 제지하고 섬유의 축을 따라 이동하기 위해 광파를 안내하는 것은 전 반사의 원리를 이용합니다. 석영 유리로 동선을 대체하는 것 세계를 변화시켰습니다.
광파를 수행하기 위한 중간으로서, 광섬유는 큰 통신 용량, 강한 대항 간섭 능력, 낮은 전송 손실, 긴 중계기 거리, 좋은 비밀, 강한 적용성, 작은 사이즈, 경량과 풍부한 원료 소스들의 그것의 이점으로 인해 1966년에 그것이 찰스 카오에 의해 제안된 이후 넓게 사용되었습니다. 광섬유의 아버지로 알려진 박사 카오가 그의 일을 위한 2009 노벨 물리학상을 수여받았습니다. 광섬유의 점점 완전하고 실용적 성능과 함께, 광섬유는 원거리 통신 업계의 변환에 대변혁을 일으켰고 그것이 근본적으로 현대 통신의 핵심 구성 요소로서 동선을 대체했습니다.
광섬유 전송 시스템은 정보 캐리어로서의 빛과 피유도파 매체로서의 광섬유와 일종의 통신 시스템입니다. 광섬유가 정보를 전달할 때, 전기 신호는 광 신호로 변환되고, 그리고 나서 광섬유 안에서 송신했습니다. 새로운 통신 기술로서, 광섬유 전송은 바로 처음부터 큰 우월성을 보여주었으며, 그것이 사람들의 큰 관심과 넓은 주의를 불러일으켰습니다. 통신에서 섬유의 광범위한 응용은 또한 섬유 증폭기와 섬유 레이저의 급격한 발달을 촉진하 [1]. 통신 필드 뿐 아니라 광섬유 시스템은 의학, 감지와 다른 분야에서 다양한 적용을 가지고 있습니다.
광섬유
섬유 레이저의 이득 매체는 활성 섬유입니다. 구조에 따르면, 그것은 단일모드 섬유, 이중 외장 섬유와 광 결정 파이버로 분할될 수 있습니다.
단일 모드 빛 섬유 단일 모드 빛 섬유는 섬유심, 피복재와 코팅층으로 구성됩니다. n1세 섬유 심 자재에 대한 굴절률은 클래딩 물질의 그것보다 높고, n2입니다. 입사광의 입사 각도가 임계각보다 더 클 때, 보는 완전히 섬유심에서 분사되고 따라서 섬유가 섬유심에서 퍼지기 위해 빛이 제한할 수 있습니다. 단일 모드 빛 섬유의 내측 클래딩은 다중-모드 펌프 표시등을 강요할 수 없고 섬유심의 개구수가 낮습니다. 그러므로, 레이저 출력은 섬유심으로의 단일 모드 펌프 표시등을 연결함으로써 단지 획득될 수 있습니다. 이른 섬유 레이저 모두는 낮은 커플링 효율의 결과를 초래한 이 단일 모드 빛 섬유를 사용합니다, 레이저 출구 출력은 밀리와트 일 뿐입니다.
두배 피복형 빛 섬유
변환 효율과 출력 전원에 전통적 단일 모드 편면 클래드 이테르븀 (Yb3+) -도핑된 섬유의 한계를 극복하기 위해, R.Moeller는 처음으로 1974년에 이중 피복 파이버의 개념을 제안하 [2]. 그런 다음, E.Snitzer 기타가 클래딩 펌프 기술을 제안한 1988년이 되어서야 [3] 저 고전력 이테르븀이 첨가된 섬유 레이저 / 증폭기가 신속히 개발된 것이 있었습니다.
이중 외장 섬유는 특수 구조물과 일종의 섬유입니다. 전통적 섬유와 비교해서, 그것은 코팅층, 내측 클래딩 층, 외부 클래딩 층과 도핑된 파이버 핵심으로 구성된 내측 클래딩 층을 추가합니다. 펌프 변환 효율과 섬유 레이저의 출력 전원이 매우 향상될 수 있도록, 피복 펌프 기술은 이중 외장 섬유를 기반으로 하며, 그것의 핵심이 내측 클래딩에서 다중-모드 펌프 표시등과 섬유심에서 레이저를 전하는 것 입니다. 이중 외장 섬유의 구조, 내측 클래딩의 형상과 펌프 표시등의 커플링 모드는 이 기술의 핵심 사항입니다.
이중 피복 파이버의 핵심은 레이저 매질뿐 아니라 섬유 레이저에서 레이저 신호의 전송 채널인 (SiO2) 희토유 원소로 도핑된 이산화 실리콘으로 구성됩니다. 상응하는 동작 파장의 Ｖ 매개 변수는 출력 레이저가 기본적인 가로축 모드이라는 것을 보증하기 위해 그것의 개구수와 코어 직경을 설계함으로써 일반적으로 감소됩니다. 내측 클래딩은 더 매우 큰 가로지른 사이즈 (수십의 시간 상용 코아의) 직경과 개구수와 핵심 보다 더 작은 굴절률을 가지고 있으며, 그것이 핵심에서 완전히 레이저 전파를 제한할 수 있습니다. 이런 방식으로, 대형 십자가 단면과 큰 개구수와 광학 파장가이드는 섬유심과 외층 사이에 형성되며, 그것이 큰 개구수, 대형 십자가 단면과 다중-모드와 고전력 펌프 표시등이 섬유에 결합되고, 고출력 밀도 광여기를 유지하는 것에게 도움이 된 전송과 무산란을 위한 내측 클래딩에 틀어박혀 있을 수 있게 허락할 수 있습니다. 외층은 내측 클래딩 보다 더 낮은 굴절률과 폴리머 재료로 구성됩니다. 최외곽 층은 유기재로 만들어진 보호층입니다. 펌프 표시등에 대한 이중 피복 파이버의 커플링 영역은 단지 핵심에 의해 결정되는 전통적 단일 모드 빛 섬유와는 달리, 내측 클래딩 크기에 의해 결정됩니다. 한편으로는, 인간 섬유 레이저의 전력 결합 효율은 향상됩니다. 내측 클래딩에서 펌프 경솔한 행위가 층을 이룰 때, 그것은 레이저를 분사하기 위해 도핑된 이온을 자극하기 위해 여러 번 섬유심을 통과할 것입니다. 다른 한편으로는, 출력 빔 품질은 섬유심의 특성에 의해서 결정됩니다. 내측 클래딩에 대한 도입은 섬유 레이저의 출력 빔 품질을 파괴하지 않습니다.
처음에, 이중 외장 섬유의 안쪽 클래딩 구조가 원통형 대칭입니다, 그것의 생산 과정이 내측 클래딩 나선형 빛에 레이저 다이오드 (LD) 꼬리 섬유 위상 결합 연결 그러나 다량의 펌프 이 주둔의 완전 대칭을 펌핑하도록 상대적으로 단순하고 쉽습니다, 빛이 심지어 충분한 시간이 결코 섬유 코어 구역에 도달할 수 없는 것을 반영했습니다, 그러므로, 섬유심에 흡수되는 것은 불가능하여서 더 긴 섬유가 사용될지라도, 변환 효율을 향상시키는 것을 어렵게 하는 여전히 많은 누광이 있을 것입니다. 그러므로, 내측 클래딩의 원통 대칭적인 구조는 파괴되어야 합니다.
광 결정 파이버
공통 이중 피복 파이버에서, 출력된 레이저 전력은 핵심의 기하학적 사이즈에 의해 결정됩니다. 개구수는 출력 레이저의 빔 품질을 결정합니다. 비선형 효과, 광손상과 섬유에서 다른 물리적 메카니즘의 한계 때문에, 코어 직경을 증가시키는 단일법은 고전력 생산에 큰 모드 필드로 이중 피복 파이버의 단일 모드 동작의 필요를 충족시켜 줄 수 없습니다. 광 결정 파이버 (PCF)와 같은 특별한 광섬유의 출현이 이 문제를 해결하기 위한 효과적 기술적 방법을 제공합니다.
광 결정의 개념은 처음으로 1987년에 E. 야블롱포비치 "1에 의해 제안되었습니다 즉, 1D, 2D 또는 3D 공간에서 다른 유전체 상수와 유전 절연 재료가 광 파장의 질서와 주기 구조로 구성되고, 여기서 광자 전도대 (PBG) 허락하는 광 전파와 광자 밴드 갭 (PBG) 방지하는 광 전파가 발생됩니다. 다른 미디어의 배열과 분포 기간을 바꿈으로써, 광자 결정 특성에서 여러 가지 변화는 특정 기능을 달성하기 위해, 야기될 수 있습니다. PCF는 또한 미시 구조 섬유 또는 다공 섬유로 알려진 2차원적인 광 결정입니다. 1996년에, J.C.Knight 기타는 전통적 광섬유을 내부 전반사에 전도성 메카니즘을 밝히는 것은 비슷한 첫번째 PCF를 개발했습니다. 빛을 안내하기 위해 광자의 밴드 갭 원리를 이용하는 첫번째 PCF는 1998년에 태어났습니다. 2005년 뒤에, 거대 양식 분야 PCF의 설계와 제조 방법은 다양화되기 시작했고 PCF를 라르게-스파싱 누설 통로 PCF, 로드 형 PCF와 멀티 코어 PCF를 포함하여 구조물의 다양한 모양은 나타났습니다. 섬유의 모드 필드의 지역은 또한 증가됩니다.
출현에, PCF는 매우 전통적 단일 모드 빛 섬유와 유사하지만, 그러나 그것이 미세조직에서 복잡한 세공 어레이 구조를 나타냅니다. 유일하고 비교할 수 없는 PCF에게 어떤 결산일 단일 모드 전송, 큰 모드 필드 영역, 분산과 낮은 제한하는 손실량 성능과 같은 장점을 주지 않고 전통적 레이저의 많은 어려움을 극복할 수 있는 것은 이러한 구조적인 특성입니다. 예를 들면, PCF는 큰 방식 필드 영역 하에 단일 모드 동작을 달성할 수 있고, 의미 심장하게 레이저 출력 밀도를 섬유에서 감소시키고, 비선형 효과를 섬유에서 감소시키고, 빔 품질을 보증하는 동안 섬유의 손상 문턱치를 향상시킵니다. 큰 개구수는 달성될 수 있으며, 그것이 더 펌프 광학 결합을 의미하고 고위 측 전원 레이저 출력이 달성될 수 있습니다. PCF의 이러한 이점은 PCF를 만드는 세계에서 급증이 고전력 섬유 레이저의 적용에서 새로운 리서치 하이라이트가 되고, 점점 중요한 역할을 한다는 일련의 연구를 야기시켰습니다.
섬유 레이저의 발명
레이저 이득 매체로서의 섬유와 레이저는 섬유 레이저로 불립니다. 다른 유형의 레이저와 같이, 그것은 3개 부분으로 구성됩니다 : 이득 매체, 펌프 소스와 공진기. 섬유 레이저는 희토유 원소로 도핑된 활성 섬유를 이득 매체로 이용합니다. 일반적으로, 반도체 레이저는 펌프 소스들로서 사용됩니다. 공진기는 보통 반사기, 파이버 말단 면, 섬유링 거울 또는 광섬유 격자로 구성됩니다.
섬유 레이저의 시간 영역 특성에 따르면, 그것은 연속적인 섬유 레이저와 펄스용 섬유 레이저로 분할될 수 있습니다. 다른 공진기 구조에 따르면, 그것은 선형 캐비티 섬유 레이저, 분포 궤환형 섬유 레이저와 링 공동 섬유 레이저로 분할될 수 있습니다. 이득 섬유와 펌핑 모드에 따라서, 그들은 편면 클래드 섬유 레이저 (핵심 펌핑)과 이중 피복 파이버 레이저 (클래딩 펌프)로 분할될 수 있습니다.
1961년에, 스니처는 네오디움 도핑 (Nd) 유리 도파관에서 레이저 방사선을 발견했습니다. 1966년에, 찰스 카오는 광섬유에서 광감쇠의 주요 요인에 대한 상세 연구를 만들었고, 통신에서 광섬유의 응용을 위해 해결될 주요 기술적 문제를 지적하 [5]. 1970년에, 여무는 것 광통신과 광전자기술 산업의 개발을 위한 기초를 다지는 희석 20 dB/km 이하와 광섬유를 개발하 [5]. 이 과학 기술적 타결은 또한 매우 섬유 레이저의 개발을 촉진했습니다. 1970년대와 1980년대에서, 반도체 레이저 기술의 적산온도와 상용화는 섬유 레이저의 개발에게 믿을 만하고 다양한 펌프 소스를 제공했습니다. 동시에, 화학적 증기 증착의 개발은 광섬유의 전송 손실을 줄입니다. 섬유 레이저는 또한 다양화의 방향으로 빠르게 성장하고 있습니다. 섬유는 에르븀 (Er3+), 이테르븀 (Yb3+), 네오디뮴 (Nd3+), 사마륨 (Sm 3+), 툴륨 (Tm3+), 홀뮴 (Ho3+), 프라세오디뮴 (Pr3+), 디스프로슘 (Dy3+), 창연 (Bi3+), 기타 등등과 같은 많은 희토유 원소로 도핑됩니다. 도핑된 이온에 따라서, 레이저 출력의 다른 파장은 달성될 수 있습니다. 다른 애플리케이션 요구 사항을 충족시키세요.
고전력 섬유 레이저의 특성
고전력 섬유 레이저의 장점은 다음과 같이 보여집니다.
(1) 좋은 빔 품질. 섬유 레이저가 단일 횡모드 출력을 획득하기 쉽고 외부 요인의 영향이 작으며, 그것이고 휘도 레이저 출력을 달성할 수 있다고 섬유의 도파관 구조는 결정합니다.
(2) 고효율. 광섬유 레이저는 펌프 소스로서 상응하는 방사 파장과 반도체 레이저와 도핑된 희토유 원소의 흡수 특성을 선택함으로써 높은 빛 대 빛 변환 효율을 얻을 수 있습니다. 이테르븀이 첨가된 고전력 섬유 레이저를 위해, 915 nm 또는 975 nm 반도체 레이저는 일반적으로 선택됩니다. Yb3+, 고차 변환, 자극 상태 흡수와 농도의 단순한 에너지 준위 구조 때문에 급랭은 좀처럼 발생하지 않고 긴 형광수명, YB3 +가 고전력 작동을 달성하기 위해 효과적으로 에너지를 축적할 수 있습니다. 상업적 섬유 레이저의 전체적 전기 광학적 효율은 비용 절감, 에너지 절약과 환경 보호에 도움이 된 25%에 달려있습니다.
(3) 좋은 방열 특성. 섬유 레이저는 부피 비에 가느다란 희토류 원소들 도핑된 파이버를 매우 대면 영역을 가지고 있는 레이저 이득 매체로 이용합니다. 그것은 고체 벌크 레이저의 것보다 약 1000 배이고, 방열에서 천혜를 가집니다. 매체와 저 소비 전력의 경우에, 섬유의 특수 냉각을 할 필요가 없고 고전력의 경우에, 물 냉각이 방열을 위해 사용되며, 그것이 일반적으로 고체 상태 레이저에서 나타난 열 효과에 의해 초래된 빔 품질과 효율의 퇴보를 또한 효과적으로 회피할 수 있습니다.
(4) 소형 구조, 높은 신뢰도. 섬유 레이저가 작고 연섬유를 레이저 이득 매체로 이용하기 때문에, 크기를 압축하고 비용을 절감하는 것은 유익합니다. 펌프 소스들은 사용되고 이러한 장치가 용접되고 있는 한 또한 모듈 반도체 레이저, 상업적 상품에 쉬운 소용적이 일반적으로 광섬유 브라그 그레이팅, 패킷화된 장치에 결합된 꼬리 섬유 생산량일 수 있다는 것 이고 실현될 수 있고 모두 패킷화된, 면역성이고 환경적이 침해 능력이 높고, 매우 고안정성을 가지고 있고, 시간과 유지비를 절약할 수 있습니다.
고전력 섬유 레이저는 또한 이기기가 어려운 약간의 단점을 가지고 있습니다. 처음으로, 그들은 쉽게 비선형 효과에 의해 제한됩니다. 도파관의 기하학적 구조 때문에, 섬유 레이저의 유효 길이는 길고 다양한 비선형 효과의 한계가 낮습니다. 활성 라만 산란 (SRS)와 자기 위상 변조 (SPM)와 같은 약간의 해로운 비선형 효과가 고전력 섬유 레이저의 개발을 제한하는 위상 변동값과 스펙트럼에서 에너지 전송과 레이저 시스템에 대한 동일 손실을 야기시킵니다. 초는 광자 흑화 효과입니다. 펌핑 시간의 증가와 함께, 광자 흑화 효과는 특히 이테르븀이 첨가된 고전력 섬유 레이저에서, 고전력 섬유 레이저의 장기간 안정성과 서비스 수명을 제한하는 희토류 원소들 도핑된 파이버의 전력 변환 효율의 일률적으로 돌이킬 수 없는 감소로 이어질 것입니다.
고광도 광섬유 결합한 반도체 레이저와 이중 피복 파이버 기술의 개발과 함께, 생산은 강화한다고, 고전력 섬유 레이저의 시력 광학 변환 효율과 빔 품질은 매우 향상되었습니다. 산업적인 처리 공정에 대한 거대 수요에 의해 가동되어 지향성에너지 무기, 장거리 원격 측정법, 라이더와 다른 애플리케이션, 아파치 포토닉스 (IPG), 누페르누스 (나라이트)과 독일의 가로대 그룹은 주요 연구와 CW와 간헐 파형 고전력 섬유 레이저의 개발 장치이고, 부유한 제품 라인에 착수했습니다. 자극적인 결과는 또한 청화 대학교, 국방과학기술대학, 광학의 상하이 연구소와 중국과학원 하에 파인 공학들과 중국 우주 항공 과학과 산업회사의 네번째 과학원에 의해 보고되었습니다.
섬유 레이저 파워 부스팅 기술
섬유 레이저에서 비선형 효과, 열 효과와 물질적 피해 한계의 제한 때문에, 단일 파이버 레이저의 출력 전원은 어느 정도까지 제한되고 전력의 증가와 함께, 빔 품질은 점진적으로 감소합니다. 모드 제어 기술을 사용하고 빔 품질을 향상시키기 위해 특수 구조물로 섬유의 신형을 설계하는 것이 필요합니다. 젊은 건달. 협폭 라인 너비 섬유 레이저를 위해, 최대 전력이 2 kW인 반면, 이론적으로 단일 파이버의 최대 출력치 제한을 분석했고, 단일 파이버가 광대역 섬유 레이저에서 36 kW의 최대 전력과 회절에 가까운 한계 레이저 출력을 획득할 수 있을 지를 다우슨 기타 [6]는 산정했습니다. 더욱 섬유 레이저와 증폭기의 출력 전원을 향상시키기 위해, 응집성 합성 기술에 의해 다수의 섬유 레이저의 힘을 합성하는 것은 효과적인 방법입니다. 그것은 최근 몇 년 동안 국제적 연구 분쟁지역이 되었습니다.