A fibra ótica é curto para a fibra ótica, geralmente um medidor de ondas cilíndrico da luz. Usa o princípio de reflexão total para conter a onda clara no núcleo da fibra e para guiar a onda clara para viajar ao longo da linha central da fibra. Substituir o fio de cobre com o vidro de quartzo mudou o mundo.
Como um meio para conduzir ondas claras, a fibra ótica foi amplamente utilizada desde que foi proposta por Charles Kao em 1966 devido a suas vantagens da grande capacidade de uma comunicação, da capacidade antiparasitária forte, da baixa perda de transmissão, da distância longa do relé, do bom secretismo, da adaptação forte, de fontes pequenas do tamanho, as de pouco peso e as abundantes da matéria prima. O Dr. Kao, conhecido como o “pai da fibra ótica,” foi concedido o prêmio nobel 2009 na física para seu trabalho. Com o desempenho cada vez mais perfeito e prático da fibra ótica, a fibra ótica revolucionou a transformação da indústria das telecomunicações, e substituiu basicamente o fio de cobre como o componente do núcleo de uma comunicação moderna.
O sistema de comunicação de fibra ótica é um tipo do sistema de comunicação com luz como o portador de informação e fibra ótica como o meio da onda guiada. Quando a fibra ótica transmite a informação, o sinal elétrico está convertido no sinal ótico e transmitido então dentro da fibra ótica. Como uma tecnologia de comunicação nova, uma comunicação de fibra ótica mostrou a grande superioridade desde o in3cio, que despertou o grande interesse e a atenção larga dos povos. A aplicação extensiva da fibra em uma comunicação igualmente promove o desenvolvimento rápido do amplificador da fibra e do laser da fibra [1]. Além do que o campo de uma comunicação, os sistemas da fibra ótica têm uma vasta gama de aplicações em campos da medicina, da detecção e o outro.
Fibra ótica
O meio do ganho do laser da fibra é fibra ativa. De acordo com sua estrutura, pode ser dividido na fibra do único modo, na fibra dobro do revestimento e na fibra de cristal fotónica.
a fibra do Único-modo da fibra do Único-modo é composta do núcleo da fibra, do revestimento e da camada de revestimento. O R.I. do material do núcleo da fibra, n1, é mais alto do que aquele do material do revestimento, n2. Quando o ângulo de incidente da luz de incidente é maior do que o ângulo crítico, o feixe estará emitido inteiramente no núcleo da fibra, assim que a fibra pode restringir a luz para propagar no núcleo da fibra. O revestimento interno da fibra do único-modo não pode forçar a luz da bomba do multi-modo, e a abertura numérica do núcleo da fibra é baixa. Consequentemente, a saída do laser pode somente ser obtida acoplando a luz da bomba do único-modo no núcleo da fibra. Os lasers adiantados todos da fibra usam esta fibra do único-modo, tendo por resultado a baixa eficiência de acoplamento, laser potência de saída são somente miliwatts.
Fibra ótica folheada dobro
A fim superar as limitações do Ytterbium único-folheado do único-modo convencional (Yb3+) - a fibra na eficiência de conversão e potência de saída lubrificados, R.Moeller propuseram primeiramente o conceito de fibra dobro-folheada em 1974 [2]. Após isso, não era até 1988 quando E.Snitzer propôs e outros a tecnologia de bombeamento do revestimento [3] que os lasers ytterbium-lubrificados de alta potência/amplificadores da fibra foram desenvolvidos rapidamente.
A fibra dobro do revestimento é um tipo da fibra com estrutura especial. Comparado com a fibra convencional, adiciona uma camada interna do revestimento, que seja composta da camada de revestimento, da camada interna do revestimento, da camada exterior do revestimento e do núcleo lubrificado da fibra. A tecnologia da bomba do revestimento é baseada na fibra dobro do revestimento, o núcleo de que é transmitir a luz da bomba do multi-modo no revestimento e no laser internos no núcleo da fibra, de modo que a eficiência de conversão da bomba e o potência de saída do laser da fibra possam extremamente ser melhorados. A estrutura da fibra dobro do revestimento, a forma do revestimento interno e o modo de acoplamento de luz da bomba são os pontos-chave desta tecnologia.
O núcleo da fibra dobro-folheada é composto do dióxido de silicone (SiO2) lubrificou com elementos de terra rara, que é não somente o meio do laser mas igualmente o canal de transmissão de sinal do laser no laser da fibra. O parâmetro de V do comprimento de onda de trabalho correspondente é reduzido geralmente projetando seus abertura numérica e diâmetro de núcleo assegurar-se de que o laser da saída seja um modo transversal fundamental. O revestimento interno tem um tamanho transversal muito maior (dez das épocas o diâmetro do núcleo convencional) e a abertura numérica, e um R.I. menor do que o núcleo, que pode limitar a propagação do laser completamente no núcleo. Desta maneira, um medidor de ondas ótico com grande seção transversal e a grande abertura numérica são formados entre o núcleo da fibra e a camada exterior, que podem permitir a luz de alta potência da bomba com a grande abertura numérica, grande seção transversal e multi-modo a ser acoplados à fibra, e para ser limitado ao revestimento interno para a transmissão e a não-difusão, que é conducente ao bombeamento ótico de manutenção da densidade de poder superior. A camada exterior é composta de materiais de polímero com um R.I. mais baixo do que o revestimento interno. A camada ultraperiférica é uma camada protetora feita do material orgânico. A área de acoplamento da fibra dobro-folheada à luz da bomba é determinada pelo tamanho interno do revestimento, ao contrário da fibra tradicional do único-modo que é determinada somente pelo núcleo. De um lado, a eficiência de acoplamento do poder do laser humano da fibra é melhorada. Quando a luz da bomba conduz na camada interna do revestimento, passará com o núcleo da fibra muitas vezes excitar o íon lubrificado para emitir-se o laser. Por outro lado, a qualidade do feixe da saída é determinada pela natureza do núcleo da fibra. A introdução de revestimento interno não destrói a qualidade do feixe da saída do laser da fibra.
Inicialmente, a estrutura interna do revestimento da fibra dobro do revestimento é simetria cilíndrica, seu processo de produção é relativamente simples, e fácil bombear a conexão do acoplamento da fase da fibra da cauda do diodo láser (LD), mas a simetria perfeita da presença de grandes quantidades da bomba na luz interna da espiral do revestimento, a luz refletiu mesmo bastante vezes pode nunca alcançar a área de núcleo da fibra, assim, é impossível ser absorvido pelo núcleo da fibra, assim que mesmo se a fibra mais longa é usada, lá ainda será muito escapamento claro, que faz difícil melhorar a eficiência de conversão. Consequentemente, a estrutura simétrica cilíndrica do revestimento interno deve ser destruída.
Fibra de cristal fotónica
Na fibra dobro-folheada comum, o poder do laser da saída é determinado pelo tamanho geométrico do núcleo. A abertura numérica determina a qualidade do feixe do laser da saída. Devido às limitações de efeitos não-lineares, de dano ótico e de outros mecanismos físicos na fibra, o único método de aumentar o diâmetro de núcleo não pode encontrar as necessidades de operação do único-modo de fibra dobro-folheada com o grande campo do modo na saída de poder superior. A emergência da fibra ótica especial, tal como a fibra de cristal fotónica (PCF), fornece uma maneira técnica eficaz de resolver este problema.
O conceito do cristal fotónico foi proposto primeiramente por E. Yablonovitch “1 em 1987, isto é, os materiais dielétricos com constantes dielétricas diferentes em 1D, no 2D ou no espaço 3D são compostos de estruturas periódicas com a ordem de comprimento de onda ótico, em que a faixa de condução fotónica (PBG) que permitem a propagação clara e a diferença de faixa fotónica (PBG) que impede a propagação clara são geradas. Mudando o período do arranjo e da distribuição de meios diferentes, muitas mudanças em propriedades de cristal fotónicas podem ser causadas, para conseguir funções específicas. PCF é um cristal fotónico bidimensional, igualmente conhecido como a fibra da microestrutura ou a fibra porosa. Em 1996, J.C.Knight desenvolveu e outros o primeiro PCF, cujo o mecanismo claro da condução era similar à reflexão interna total da fibra ótica tradicional. O primeiro PCF que usa o princípio fotónico do bandgap para guiar a luz era nascido em 1998. Depois de 2005, o projeto e os métodos da preparação do campo PCF do grande-modo começaram a diversificar, e as várias formas das estruturas apareceram, incluindo o canal PCF do escapamento, haste-deram forma a PCF, a grande-afastamento PCF e a multi-núcleo PCF. A área do campo do modo da fibra é aumentada igualmente.
Na aparência, PCF é muito similar à fibra tradicional do único-modo, mas exibe uma estrutura complexa da disposição do poro na microestrutura. É estas características estruturais que dão vantagens originais e incomparáveis de PCF, tais como nenhuma transmissão do único-modo da interrupção, grande área do campo do modo, dispersão e baixo desempenho de limitação da perda, pode superar muitas dificuldades de lasers tradicionais. Por exemplo, PCF pode conseguir a operação do único-modo sob a grande área do campo do modo, e significativamente reduzir a densidade de poder do laser na fibra, reduzir o efeito não-linear na fibra, e melhora o ponto inicial de dano da fibra ao assegurar a qualidade do feixe. As grandes aberturas numéricas podem ser conseguidas, que significa que a saída do laser de um acoplamento bomba-mais ótico e de um poder mais alto pode ser conseguida. Estas vantagens de PCF causaram uma série de escalada da pesquisa no mundo, que faz PCF se transformar um destaque novo da pesquisa na aplicação de lasers da fibra do poder superior e jogar um papel cada vez mais importante.
A invenção do laser da fibra
Um laser com fibra como o meio do ganho do laser é chamado um laser da fibra. Como outros tipos de lasers, é composto de três porções: meio do ganho, fonte da bomba e ressonador. Os lasers da fibra usam a fibra ativa lubrificada com elementos de terra rara como o meio do ganho. Geralmente, os lasers do semicondutor são usados como fontes da bomba. O ressonador é composto geralmente do refletor, da cara da extremidade da fibra, do espelho do anel da fibra ou da raspagem da fibra.
De acordo com as características do domínio de tempo do laser da fibra, pode ser dividido no laser contínuo da fibra e no laser pulsado da fibra. De acordo com a estrutura diferente do ressonador, pode ser dividido no laser linear da fibra da cavidade, distribuiu o laser da fibra da cavidade do laser e do anel da fibra do feedback. Segundo a fibra do ganho e o modo de bombeamento, podem ser divididos em lasers único-folheados da fibra (núcleo que bombeia) e em lasers dobro-folheados da fibra (revestimento que bombeia).
Em 1961, Snitzer descobriu a radiação de laser (Nd) em um medidor de ondas de vidro neodímio-lubrificado. Em 1966, Charles Kao fez um estudo detalhado das causas principais da atenuação ótica nas fibras óticas, e indicou os problemas técnicos principais a ser resolvidos para a aplicação prática das fibras óticas em uma comunicação [5]. Em 1970, Corning desenvolveu a fibra ótica com atenuação menos de 20 dB/km, colocando a fundação para o desenvolvimento de uma comunicação ótica e da indústria optoelectronic da tecnologia [5]. Esta descoberta tecnologico igualmente promoveu extremamente o desenvolvimento de lasers da fibra. Nos anos 70 e nos anos 80, a maturidade e a comercialização da tecnologia laser do semicondutor forneceram uma fonte segura e diversa da bomba para o desenvolvimento de lasers da fibra. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento do depósito de vapor químico reduz a perda de transmissão de fibra ótica. Os lasers da fibra igualmente estão tornando-se rapidamente na direção da diversificação. A fibra é lubrificada com muitos elementos de terra rara, tais como o érbio (Er3+), o ytterbium (Yb3+), o neodímio (Nd3+), o samarium (manutenção programada 3+), o thulium (Tm3+), o holmium (Ho3+), o praseodymium (Pr3+), o dysprosium (Dy3+), o bismuto (Bi3+), etc. segundo os íons lubrificados, comprimentos de onda diferentes da saída do laser pode ser conseguida. Exigências de aplicação diferentes da reunião.
Características de lasers da fibra do poder superior
As vantagens de lasers da fibra do poder superior são mostradas como segue.
(1) boa qualidade do feixe. A estrutura do medidor de ondas da fibra determina que o laser da fibra é fácil obter a única saída do modo transversal, e a influência dos fatores externos é pequena, que podem conseguir a saída do laser do brilho alto.
(2) eficiência elevada. O laser de fibra ótica pode conseguir a eficiência de conversão alta da luz-à-luz selecionando o laser do semicondutor com características de harmonização do comprimento de onda e da absorção da emissão de elementos de terra rara lubrificados como a fonte da bomba. Para lasers de alta potência ytterbium-lubrificados da fibra, 915 975 do semicondutor do nanômetro lasers do nanômetro ou são selecionados geralmente. Devido à estrutura de nível simples da energia de Yb3+, de upconversion, de absorção do estado da excitação e de concentração extinguindo ocorra raramente, e a vida longa da fluorescência, YB3 + pode eficazmente armazenar a energia para conseguir a operação de alta potência. A eficiência eletro-ótica total de lasers comerciais da fibra é até 25%, que é conducente a reduzir custos, economia de energia e proteção ambiental.
(3) boas características da dissipação de calor. O laser da fibra usa o elemento delgado da raro-terra lubrificou a fibra como o meio do ganho do laser, que tem uma área de superfície muito grande à relação do volume. É aproximadamente 1000 vezes que do laser contínuo do volume, e têm uma vantagem natural na dissipação de calor. No caso do meio e da baixa potência, não há nenhuma necessidade para refrigerar especial da fibra, e no caso do poder superior, refrigerar de água é usado para a dissipação de calor, que pode igualmente eficazmente evitar a degradação da qualidade e da eficiência do feixe causadas pelo efeito térmico geralmente - considerado nos lasers em estado sólido.
(4) estrutura compacta, confiança alta. Porque o laser da fibra usa a fibra pequena e macia como o meio do ganho do laser, é benéfico comprimir o volume e salvar o custo. As fontes da bomba são usadas estão igualmente a um volume pequeno, fácil ao laser modular do semicondutor, produto comercial podem geralmente ser saída da fibra da cauda, combinada com o Bragg de fibra ótica que raspa, dispositivos packtized, contanto que estes dispositivos estiverem soldando puderem ser realizados todo o packtized, imune à capacidade do distúrbio ambiental forem altos, tiverem a estabilidade muito alta, e puderem salvar a época e o custo de manutenção.
Os lasers da fibra do poder superior igualmente têm algumas desvantagens que são difíceis de superar. Primeiramente, são restringidos facilmente por efeitos não-lineares. Devido à estrutura geométrica do medidor de ondas, o comprimento eficaz do laser da fibra é longo, e o ponto inicial de vários efeitos não-lineares é baixo. Alguns efeitos não-lineares prejudiciais, tais como a dispersão estimulada de Raman (SRS) e a modulação da auto-fase (SPM), flutuação da fase da causa, transferência de energia no espectro, e mesmo dano ao sistema do laser, que limitam o desenvolvimento de lasers de alta potência da fibra. O segundo é o efeito de escurecimento do fotão. Com o aumento do tempo de bombeamento, o efeito de escurecimento do fotão conduzirá a uma diminuição monotonically irreversível na eficiência de conversão do poder do elemento da raro-terra lubrificou a fibra, que restringe a estabilidade a longo prazo e a vida útil do laser de alta potência da fibra, especialmente no laser de alta potência ytterbium-lubrificado da fibra.
Com o desenvolvimento do alto-brilho fibra-acoplou lasers do semicondutor e as tecnologias dobro-folheadas da fibra, a eficiência de conversão e a qualidade potências de saída, opto-óticas do feixe de lasers de alta potência da fibra foram melhoradas extremamente. Conduzido pela procura enorme para o processamento industrial, as armas a energia dirigida, a telemetria interurbana, o lidar e as outras aplicações, Apache Photonics (IPG), Nufern (Nlight) e grupo do travessão de Alemanha são as unidades principais da investigação e desenvolvimento de CW e de lasers de alta potência da fibra da pulsar-onda, e lançaram uma linha de produtos rica. Os resultados emocionantes foram relatados igualmente pela universidade de Tsinghua, pela universidade nacional da tecnologia da defesa, pelo instituto de Shanghai do sistema ótico e por mecânicos finos sob a academia de ciências chinesa e a quarta academia da ciência aeroespacial de China e Indústria Corporaçõ.
Tecnologia de impulso do poder do laser da fibra
Devido à limitação do efeito não-linear, do efeito térmico e do ponto inicial de dano do material no laser da fibra, o potência de saída do único laser da fibra é limitado até certo ponto, e com o aumento do poder, a qualidade do feixe diminui gradualmente. É necessário usar a tecnologia do controle do modo e projetar um novo tipo de fibra com estrutura especial melhorar a qualidade do feixe. J.w. Dawson e outros [6] analisou teoricamente o limite potência de saída de uma única fibra, e calculado que uma única fibra pode obter uma saída do laser do limite da próximo-difração com um poder máximo de 36 quilowatts em um laser wideband da fibra, quando para um laser da fibra do estreito-linewidth, o poder máximo for 2 quilowatts. A fim melhorar mais o potência de saída do laser da fibra e do amplificador, é um método eficaz para sintetizar o poder de lasers múltiplos da fibra pela tecnologia coerente da síntese. Tem-se transformado um ponto quente internacional da pesquisa nos últimos anos.