La fibra óptica es corta para la fibra óptica, generalmente una guía de onda cilíndrica de luz. Utiliza el principio de reflexión total para refrenar la onda ligera en la base de la fibra y para dirigir la onda ligera para viajar a lo largo del eje de la fibra. El reemplazo del alambre de cobre por el vidrio de cuarzo cambió el mundo.
Como medio para conducir ondas ligeras, la fibra óptica ha sido ampliamente utilizada desde que fue propuesta por Charles Kao en 1966 debido a sus ventajas de la capacidad grande de la comunicación, de la capacidad antiinterferente fuerte, de la pérdida de transmisión baja, de la distancia larga de la retransmisión, del buen secreto, de las fuentes fuertes de la adaptabilidad, tamaño pequeño, ligeras y abundantes de la materia prima. Concedieron el Dr. Kao, conocido como el “padre de la fibra óptica,” el Premio Nobel 2009 en la física para su trabajo. Con el funcionamiento cada vez más perfecto y práctico de la fibra óptica, la fibra óptica ha revolucionado la transformación de la industria de las telecomunicaciones, y ha substituido básicamente el alambre de cobre como el componente de la base de la comunicación moderna.
El sistema de comunicación de fibra óptica es una clase de sistema de comunicación con la luz como el portador de información y la fibra óptica como el medio de la onda dirigida. Cuando la fibra óptica transmite la información, la señal eléctrica se convierte en señal óptica y después se transmite dentro de la fibra óptica. Como nueva tecnología de comunicación, la comunicación de fibra óptica ha mostrado la gran superioridad desde el principio, que ha despertado gran interés y la atención amplia de la gente. El uso extenso de la fibra en la comunicación también promueve el desarrollo rápido del amplificador y del laser de la fibra [1] de la fibra. Además del campo de la comunicación, los sistemas de la fibra óptica tienen una amplia gama de usos en los campos de la medicina, de la detección y otro.
Fibra óptica
El medio del aumento del laser de la fibra es fibra activa. Según su estructura, puede ser dividido en fibra del solo modo, fibra doble del revestimiento y fibra cristalina fotónica.
La fibra unimodal de la fibra unimodal se compone de base de la fibra, del revestimiento y de la capa de capa. El índice de refracción del material de la base de la fibra, n1, es más alto que el del material del revestimiento, n2. Cuando el ángulo de incidente de la luz de incidente es mayor que el ángulo crítico, el haz será emitido completamente en la base de la fibra, así que la fibra puede restringir la luz para propagar en la base de la fibra. El revestimiento interno de la fibra unimodal no puede obligar la luz con varios modos de funcionamiento de la bomba, y la abertura numérica de la base de la fibra es baja. Por lo tanto, la salida del laser puede ser obtenida solamente juntando la luz unimodal de la bomba en la base de la fibra. Los lasers tempranos todos de la fibra utilizan esta fibra unimodal, dando por resultado eficacia de acoplamiento baja, laser de potencia de salida son solamente milivatios.
Fibra óptica revestida doble
Para superar las limitaciones del iterbio solo-revestido unimodal convencional (Yb3+) - la fibra en eficacia de conversión y de potencia de salida dopada, R.Moeller primero propusieron el concepto de fibra doble-revestida en 1974 [2]. Después de eso, no era hasta el 1988 cuando E.Snitzer y otros propuso la tecnología de bombeo del revestimiento [3] que los lasers/los amplificadores iterbio-dopados de alta potencia de la fibra fueron desarrollados rápidamente.
La fibra doble del revestimiento es una clase de fibra con la estructura especial. Comparado con la fibra convencional, añade una capa interna del revestimiento, que se compone de capa de capa, de capa interna del revestimiento, de capa externa del revestimiento y de base dopada de la fibra. La tecnología de la bomba del revestimiento se basa en la fibra doble del revestimiento, la base cuyo es transmitir la luz con varios modos de funcionamiento de la bomba en el revestimiento y el laser internos en la base de la fibra, para poder mejorar grandemente la eficacia de conversión de la bomba y el de potencia de salida del laser de la fibra. La estructura de la fibra doble del revestimiento, la forma del revestimiento interno y el modo de acoplamiento de luz de la bomba son los puntos claves de esta tecnología.
La base de la fibra doble-revestida se compone del dióxido de silicio (SiO2) dopó con los elementos de tierra rara, que es no sólo el medio del laser pero también el canal de transmisión de señal del laser en el laser de la fibra. El parámetro de V de la longitud de onda de trabajo correspondiente es reducido generalmente diseñando su abertura numérica y diámetro de base para asegurarse de que el laser de la salida es un modo transversal fundamental. El revestimiento interno tiene un tamaño transversal mucho más grande (diez de épocas el diámetro de la base convencional) y la abertura numérica, y un índice de refracción más pequeño que la base, que puede limitar la propagación del laser totalmente en la base. De esta manera, una guía de onda óptica con el corte transversal grande y la abertura numérica grande se forma entre la base de la fibra y la capa externa, que pueden permitir que la luz de alta potencia de la bomba con la abertura numérica grande, seccionado transversalmente y con varios modos de funcionamiento grandes sea juntada a la fibra, y ser confinado al revestimiento interno para la transmisión y la no-difusión, que es conducente al bombeo óptico de la densidad de poder más elevado que mantiene. La capa externa se compone de los materiales de polímero con un índice de refracción más bajo que el revestimiento interno. La capa exterior es una capa protectora hecha del material orgánico. El área de acoplamiento de la fibra doble-revestida a la luz de la bomba es determinada por el tamaño interno del revestimiento, a diferencia de la fibra unimodal tradicional que es determinada solamente por la base. Por una parte, la eficacia de acoplamiento del poder del laser humano de la fibra se mejora. Cuando la luz de la bomba conduce en la capa interna del revestimiento, pasará con la base de la fibra muchas veces de excitar el ion dopado para emitir el laser. Por otra parte, la calidad del haz de la salida es determinada por la naturaleza de la base de la fibra. La introducción de revestimiento interno no destruye la calidad del haz de la salida del laser de la fibra.
Inicialmente, la estructura interna del revestimiento de la fibra doble del revestimiento es simetría cilíndrica, su proceso de producción es relativamente simple, y fácil bombear la conexión del acoplamiento de la fase de la fibra de la cola del diodo láser (LD), pero la simetría perfecta de la presencia de una gran cantidad de la bomba en la luz interna del espiral del revestimiento, la luz incluso reflejó bastantes tiempos puede nunca alcanzar el área de base de la fibra, así, es imposible ser absorbido por la base de la fibra, así que incluso si se utiliza la fibra más larga, allí todavía será mucha salida ligera, que hace difícil mejorar la eficacia de conversión. Por lo tanto, la estructura simétrica cilíndrica del revestimiento interno debe ser destruida.
Fibra cristalina fotónica
En fibra doble-revestida común, el poder del laser de la salida es determinado por el tamaño geométrico de la base. La abertura numérica determina la calidad del haz del laser de la salida. Debido a las limitaciones de efectos no lineales, del daño óptico y de otros mecanismos físicos en la fibra, el solo método de aumentar el diámetro de base no puede cubrir las necesidades de la operación unimodal de la fibra doble-revestida con el campo grande del modo en la salida de poder más elevado. La aparición de la fibra óptica especial, tal como fibra cristalina fotónica (PCF), proporciona una manera técnica eficaz de solucionar este problema.
El concepto de cristal fotónico primero fue propuesto por E. Yablonovitch “1 en 1987, es decir, los materiales dieléctricos con diversas constantes dieléctricas en 1D, 2.o o el espacio 3D se componen de estructuras periódicas con la orden de la longitud de onda óptica, en la cual la banda de conducción fotónica (PBG) que permite la propagación ligera y el hueco de banda fotónico (PBG) que previene la propagación ligera se generan. Cambiando el período del arreglo y de la distribución de diversos medios, muchos cambios en propiedades cristalinas fotónicas se pueden hacer, para alcanzar funciones específicas. PCF es un cristal fotónico bidimensional, también conocido como fibra de la microestructura o fibra porosa. En 1996, J.C.Knight y otros desarrolló el primer PCF, cuyo mecanismo ligero de la conducción era similar a la reflexión interna total de la fibra óptica tradicional. El primer PCF que utiliza principio fotónico del bandgap para dirigir la luz nació en 1998. Después de 2005, el diseño y los métodos de la preparación del campo PCF del grande-modo comenzaron a diversificar, y las diversas formas de estructuras aparecieron, incluyendo el canal PCF de la salida, barra-formaron PCF, el grande-espaciamiento PCF y PCF multifilar. El área del campo del modo de la fibra también se aumenta.
En aspecto, PCF es muy similar a la fibra unimodal tradicional, pero exhibe una estructura compleja del arsenal del poro en microestructura. Es estas características estructurales que dan ventajas únicas e incomparables de PCF, tales como ninguna transmisión unimodal del atajo, área grande del campo del modo, dispersión y funcionamiento limitador bajo de la pérdida, puede superar muchas dificultades de lasers tradicionales. Por ejemplo, PCF puede alcanzar la operación unimodal bajo área grande del campo del modo, y reducir perceptiblemente la densidad de poder del laser en la fibra, reducir el efecto no lineal en la fibra, y mejora el umbral de daño de la fibra mientras que asegura la calidad del haz. Las aberturas numéricas grandes pueden ser alcanzadas, que significa que una salida bomba-más óptica del laser del acoplamiento y de la mayor potencia puede ser alcanzada. Estas ventajas de PCF han causado una serie de aumento de la investigación en el mundo, que hace que PCF se convierte en un nuevo punto culminante de la investigación en el uso de los lasers de la fibra del poder más elevado y que desempeña un papel cada vez más importante.
La invención del laser de la fibra
Un laser con la fibra como el medio del aumento del laser se llama un laser de la fibra. Como otros tipos de lasers, se compone de tres porciones: medio del aumento, fuente de la bomba y resonador. Los lasers de la fibra utilizan la fibra activa dopada con los elementos de tierra rara como medio del aumento. Generalmente, los lasers del semiconductor se utilizan como fuentes de la bomba. El resonador se compone generalmente del reflector, de la cara del extremo de la fibra, del espejo del anillo de la fibra o de la reja de la fibra.
Según las características del ámbito de tiempo del laser de la fibra, puede ser dividido en el laser continuo de la fibra y el laser pulsado de la fibra. Según la diversa estructura del resonador, puede ser dividido en el laser linear de la fibra de la cavidad, distribuyó el laser de la fibra de la cavidad del laser y del anillo de la fibra de la reacción. Dependiendo de la fibra del aumento y del modo de bombeo, pueden ser divididos en los lasers solo-revestidos de la fibra (base que bombea) y los lasers doble-revestidos de la fibra (revestimiento que bombea).
En 1961, Snitzer descubrió la radiación de laser en (Nd) una guía de onda de cristal neodimio-dopada. En 1966, Charles Kao hizo un estudio detallado de las causas principales de la atenuación óptica en fibras ópticas, y señaló los problemas técnicos principales que se solucionarán para el uso práctico de fibras ópticas en la comunicación [5]. En 1970, Corning desarrolló la fibra óptica con la atenuación menos de 20 dB/km, poniendo la fundación para el desarrollo de la comunicación óptica y de la industria optoelectrónica de la tecnología [5]. Esta brecha tecnológica también ha promovido grandemente el desarrollo de los lasers de la fibra. En los años 70 y los años 80, la madurez y la comercialización de la tecnología láser del semiconductor proporcionaron una fuente confiable y diversa de la bomba para el desarrollo de los lasers de la fibra. Al mismo tiempo, el desarrollo de la deposición de vapor químico reduce la pérdida de transmisión de fibra óptica. Los lasers de la fibra también se están convirtiendo rápidamente en dirección de la diversificación. La fibra se dopa con muchos elementos de tierra rara, tales como erbio (Er3+), iterbio (Yb3+), neodimio (Nd3+), samario (SM 3+), tulio (Tm3+), holmio (Ho3+), praseodimio (Pr3+), dysprosium (Dy3+), bismuto (Bi3+), etc. dependiendo de los iones dopados, diversas longitudes de onda de la salida del laser puede ser alcanzada. Diversos requisitos de uso de la reunión.
Características de los lasers de la fibra del poder más elevado
Las ventajas de los lasers de la fibra del poder más elevado se muestran como sigue.
(1) buena calidad del haz. La estructura de la guía de onda de la fibra determina que el laser de la fibra es fácil obtener la sola salida del modo transversal, y la influencia de los factores externos es pequeña, que pueden alcanzar salida del laser del alto brillo.
(2) eficacia alta. El laser de fibra óptica puede alcanzar alta eficacia de conversión de la luz-a-luz seleccionando el laser del semiconductor con hacer juego características de la longitud de onda y de la absorción de la emisión de los elementos de tierra rara dopados como la fuente de la bomba. Para los lasers de alta potencia iterbio-dopados de la fibra, 915 975 del semiconductor del nanómetro lasers del nanómetro o se seleccionan generalmente. Debido a la estructura de nivel simple de energía de Yb3+, del upconversion, de la absorción del estado de la excitación y de la concentración apagando ocurra raramente, y el curso de la vida largo de la fluorescencia, YB3 + puede almacenar con eficacia energía para alcanzar la operación de alta potencia. La eficacia electróptica total de los lasers comerciales de la fibra es el hasta 25%, que es conducente a reducir costes, ahorro de la energía y la protección del medio ambiente.
(3) buenas características de la disipación de calor. El laser de la fibra utiliza el elemento de tierras extrañas delgado dopó la fibra como el medio del aumento del laser, que tiene una superficie muy grande al ratio del volumen. Es cerca de 1000 veces que del laser sólido del bulto, y tienen una ventaja natural en la disipación de calor. En el caso de medio y de energía baja, no hay necesidad del enfriamiento especial de la fibra, y en el caso de poder más elevado, la refrigeración por agua se utiliza para la disipación de calor, que puede también evitar con eficacia la degradación de la calidad y de la eficacia del haz causadas por el efecto termal comúnmente - considerado en láseres de estado sólido.
(4) estructura compacta, alta confiabilidad. Porque el laser de la fibra utiliza la fibra pequeña y suave como el medio del aumento del laser, es beneficioso comprimir el volumen y ahorrar el coste. Se utilizan las fuentes de la bomba son también pequeño volumen, fácil al laser modular del semiconductor, producto comercial pueden generalmente ser salida de la fibra de la cola, combinada con la reja de fibra óptica de Bragg, los dispositivos packtized, mientras estos dispositivos estén soldando con autógena se puedan observar todo el haber packtized, inmune a la capacidad del disturbio ambiental sean altos, tengan la estabilidad muy alta, y puedan ahorrar época y el coste de mantenimiento.
Los lasers de la fibra del poder más elevado también tienen algunas desventajas que sean difíciles de superar. Primero, son restringidos fácilmente por efectos no lineales. Debido a la estructura geométrica de la guía de onda, la longitud útil del laser de la fibra es larga, y el umbral de diversos efectos no lineales es bajo. Algunos efectos no lineales dañinos, tales como dispersión estimulada de Raman (SRS) y modulación de la uno mismo-fase (SPM), fluctuación de la fase de la causa, transferencia de energía en el espectro, e incluso daño al sistema del laser, que limitan el desarrollo de los lasers de alta potencia de la fibra. El segundo es el efecto de oscurecimiento del fotón. Con el aumento de tiempo de bombeo, el efecto de oscurecimiento del fotón llevará a una disminución monotónico irreversible de la eficacia de conversión de poder del elemento de tierras extrañas dopó la fibra, que restringe la estabilidad a largo plazo y la vida de servicio del laser de alta potencia de la fibra, especialmente en el laser de alta potencia iterbio-dopado de la fibra.
Con el desarrollo del alto-brillo fibra-juntó los lasers del semiconductor y las tecnologías doble-revestidas de la fibra, la eficacia de conversión y la calidad de potencia de salida, opto-ópticas del haz de los lasers de alta potencia de la fibra se han mejorado grandemente. Conducido por la demanda enorme para la transformación industrial, dirigió las armas de la energía, telemetría de larga distancia, lidar y los otros usos, Apache Photonics (IPG), Nufern (Nlight) y grupo del travesaño de Alemania son las unidades principales de la investigación y desarrollo de CW y de lasers de alta potencia de la fibra de la pulsar-onda, y han puesto en marcha una línea de productos rica. Los resultados emocionantes también han sido divulgados por la universidad de Tsinghua, la universidad nacional de la tecnología de la defensa, el instituto de Shangai de la óptica y los mecánicos finos bajo la academia de ciencias china y la cuarta academia de ciencia aeroespacial de China e Industry Corporation.
Tecnología de impulso del poder del laser de la fibra
Debido a la limitación del efecto no lineal, del efecto termal y del umbral de daño de material en el laser de la fibra, el de potencia de salida del solo laser de la fibra se limita hasta cierto punto, y con el aumento de poder, la calidad del haz disminuye gradualmente. Es necesario utilizar tecnología del control del modo y diseñar un nuevo tipo de fibra con la estructura especial para mejorar la calidad del haz. J.w. Dawson y otros [6] analizaba teóricamente el límite de potencia de salida de una sola fibra, y calculado que una sola fibra puede obtener un laser del límite de la cercano-difracción haga salir con un poder máximo de 36 kilovatios en un laser de la fibra de la banda ancha, mientras que para un laser de la fibra del estrecho-grosor de línea, el poder máximo es 2 kilovatios. Para mejorar más lejos el de potencia de salida del laser de la fibra y del amplificador, es un método eficaz para sintetizar el poder de los lasers múltiples de la fibra por tecnología coherente de la síntesis. Se ha convertido en apuroses internacionales de la investigación estos últimos años.