Apakah laser gentian?
Gentian optik adalah pendek untuk gentian optik dan biasanya merupakan pandu gelombang silinder untuk gelombang cahaya. Ia menggunakan prinsip pantulan total untuk mengehadkan gelombang cahaya ke teras dan membimbingnya ke arah paksi gentian. Menggantikan wayar tembaga dengan kaca kuarza mengubah dunia.
Sebagai medium untuk menghantar gelombang cahaya, gentian optik telah digunakan secara meluas sejak tahun 1966 apabila ia diperkenalkan oleh Charles Kao, berkat kapasiti komunikasinya yang tinggi, imuniti gangguan yang tinggi, kehilangan penghantaran yang rendah, jarak geganti yang panjang, kerahsiaan yang baik, kebolehsuaian, saiz yang kecil. , ringan dan sumber bahan mentah yang banyak. Dikenali sebagai "bapa gentian optik", Kao telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 2009 untuk kerjanya. Dengan peningkatan kesempurnaan dan kepraktisan gentian optik, ia telah merevolusikan industri telekomunikasi dan sebahagian besarnya telah menggantikan wayar tembaga sebagai komponen teras komunikasi moden.
Sistem komunikasi gentian optik ialah sistem komunikasi yang menggunakan cahaya sebagai pembawa maklumat dan gentian optik sebagai medium panduan gelombang. Apabila gentian optik menghantar maklumat, isyarat elektrik diubah menjadi isyarat optik, yang kemudiannya dihantar ke dalam gentian. Sebagai teknologi komunikasi yang baru muncul, komunikasi gentian optik telah menunjukkan keunggulan yang tiada tandingan sejak awal lagi dan telah menarik minat yang besar dan perhatian yang meluas. Penggunaan gentian optik yang meluas dalam komunikasi juga telah menyumbang kepada perkembangan pesat penguat gentian optik dan laser gentian pada masa yang sama. Selain komunikasi, sistem gentian optik juga digunakan dalam pelbagai aplikasi dalam bidang perubatan, penderiaan dan lain-lain.
Gentian optik
Media keuntungan laser gentian ialah gentian aktif. Mengikut strukturnya boleh dibahagikan kepada gentian mod tunggal, gentian bersalut dua dan gentian kristal fotonik tiga.
Gentian optik mod tunggal gentian mod tunggal terdiri daripada teras, pelapisan dan lapisan salutan, di mana indeks biasan bahan teras n1, lebih tinggi daripada indeks biasan bahan pelapis n2, apabila sudut kejadian cahaya kejadian lebih besar daripada gambar sudut kritikal, rasuk cahaya dalam teras pelepasan penuh, jadi gentian boleh terikat kepada rasuk cahaya dalam perambatan teras. Pelapisan dalaman gentian mod tunggal tidak boleh memainkan peranan menghalang cahaya pam berbilang mod, dan apertur berangka teras adalah rendah, jadi hanya gandingan cahaya pam mod tunggal ke dalam teras boleh digunakan untuk mendapatkan output laser. Laser gentian awal menggunakan gentian mod tunggal ini, menghasilkan kecekapan gandingan yang rendah dan laser dengan kuasa keluaran dalam julat milliwatt.
Gentian berlapis dua
Untuk mengatasi batasan gentian ytterbium-doped (Yb3 plus) konvensional satu mod tunggal, bersalut tunggal pada kecekapan penukaran dan kuasa keluaran, Maurer (R. Maurer) mula-mula mencadangkan konsep gentian salutan dua kali pada tahun 1974 . Sejak itu, hanya pada tahun 1988, apabila E. Snitzer dan yang lain mencadangkan teknologi pengepaman pelapisan [3], laser/penguat gentian berdop Yb berkuasa tinggi telah dibangunkan dengan pantas.
Gentian salutan dua kali ialah gentian optik dengan struktur khas yang menambah lapisan salutan dalam kepada gentian konvensional, yang terdiri daripada lapisan salutan, lapisan salutan dalam, lapisan salutan luar dan teras gentian terdop. Teknologi pengepam pelapisan adalah berdasarkan gentian bersalut dua, terasnya adalah untuk membolehkan cahaya pam berbilang mod dihantar dalam pelapisan dalaman dan cahaya laser dihantar dalam teras, membolehkan kecekapan penukaran pengepaman dan kuasa keluaran laser gentian akan bertambah baik. Struktur gentian bersalut dua, bentuk salutan dalam, dan kaedah gandingan cahaya pam adalah kunci kepada teknologi ini.
Teras gentian bersalut dwi terdiri daripada silikon dioksida (SiO2) yang didopkan dengan unsur nadir bumi, yang merupakan medium laser dan saluran penghantaran isyarat laser dalam laser gentian, sepadan dengan panjang gelombang kerja. Saiz melintang (berpuluh kali diameter teras konvensional) dan apertur berangka pelapisan dalam jauh lebih besar daripada teras, dan indeks biasan lebih kecil daripada teras, yang mengehadkan perambatan cahaya laser sepenuhnya. dalam teras. Ini menghasilkan pandu gelombang optik apertur berangka besar keratan rentas yang besar antara teras dan pelapisan luar, yang membolehkan apertur berangka yang besar, cahaya pam kuasa tinggi keratan rentas besar dan berbilang mod untuk digandingkan ke dalam gentian dan terhad kepada penghantaran dalam pelapisan dalaman tanpa resapan, memudahkan penyelenggaraan pengepaman optik ketumpatan kuasa tinggi. Pelapisan luar terdiri daripada bahan polimer dengan indeks biasan yang lebih kecil daripada pelapisan dalam; lapisan paling luar ialah lapisan pelindung yang terdiri daripada bahan organik. Kawasan gandingan gentian bersalut dua ke cahaya yang dipam ditentukan oleh saiz salutan dalam, tidak seperti gentian mod tunggal konvensional, yang ditentukan oleh teras sahaja. Di satu pihak, ini meningkatkan kecekapan gandingan kuasa laser gentian manusia, membolehkan cahaya pam melalui pelapisan dalam beberapa kali untuk merangsang ion terdop untuk pelepasan laser; sebaliknya, kualiti rasuk keluaran ditentukan oleh sifat teras gentian, dan pengenalan pelapisan dalaman tidak memusnahkan kualiti rasuk keluaran laser gentian.
Pada mulanya, pelapisan dalaman gentian bersalut dua adalah simetri silinder dan agak mudah untuk direka dan mudah digandingkan dengan kuncir diod laser pam (LD), tetapi simetri sempurnanya menghasilkan sejumlah besar sinar lingkaran cahaya pam dalam pelapisan dalam yang tidak pernah sampai ke kawasan teras walaupun selepas pantulan yang mencukupi untuk diserap oleh teras, supaya walaupun dengan gentian yang lebih panjang walaupun masih terdapat sejumlah besar kebocoran cahaya, menjadikannya sukar untuk meningkatkan kecekapan penukaran. Atas sebab ini, simetri silinder pelapisan dalam mesti dipecahkan.
Gentian kristal fotonik
Dalam gentian bersalut dwi biasa, geometri teras menentukan kuasa laser keluaran. Apertur berangka menentukan kualiti pancaran laser keluaran. Disebabkan oleh had kesan bukan linear, kerosakan optik dan mekanisme fizikal lain dalam gentian optik, satu cara untuk meningkatkan diameter teras tidak dapat memenuhi permintaan untuk operasi mod tunggal pada output kuasa tinggi dalam gentian pelapisan berganda medan mod besar. Kemunculan gentian khas, seperti gentian kristal fotonik (PCF), memberikan penyelesaian teknikal yang berkesan untuk cabaran ini.
Konsep kristal fotonik pertama kali diperkenalkan oleh E. Yablonovitch pada tahun 19871 sebagai struktur berkala dengan pemalar dielektrik berbeza dalam satu, dua atau tiga dimensi yang membolehkan cahaya merambat dalam jalur pengaliran fotonik dan melarang cahaya merambat dalam jurang jalur fotonik ( PBG). PCF ialah kristal fotonik dua dimensi, juga dikenali sebagai gentian mikrostruktur atau gentian berliang, dan pada tahun 1996 JC Knight et al. menghasilkan PCF pertama dengan mekanisme panduan cahaya yang serupa dengan gentian konvensional dengan pantulan dalaman total. Selepas 2005, reka bentuk dan penyediaan PCF medan mod besar mula mempelbagaikan, dengan kemunculan pelbagai bentuk, termasuk PCF saluran bocor, PCF berbentuk rod, PCF pic besar dan PCF berbilang teras. Kawasan mod-medan gentian juga terus meningkat dengan sewajarnya.
Dari segi rupa, PCF sangat serupa dengan gentian mod tunggal konvensional, tetapi secara mikroskopik ia mempamerkan struktur tatasusunan lubang yang kompleks. Ciri-ciri struktur inilah yang memberikan kelebihan unik dan tiada tandingan kepada PCF berbanding gentian konvensional, seperti penghantaran mod tunggal tanpa potong, kawasan medan mod besar, penyebaran boleh melaras dan kehilangan had rendah, yang boleh mengatasi banyak cabaran laser konvensional. . Sebagai contoh, PCF boleh mencapai operasi mod tunggal dalam kawasan medan mod yang besar, sambil memastikan kualiti rasuk, dengan ketara mengurangkan ketumpatan kuasa laser dalam gentian, mengurangkan kesan bukan linear dalam gentian dan meningkatkan ambang kerosakan gentian; ia boleh mencapai apertur berangka yang besar, yang bermaksud lebih banyak gandingan optik pam dan output laser kuasa yang lebih tinggi boleh dicapai. Ini telah menjadikannya sorotan penyelidikan baharu dalam laser gentian, memainkan peranan yang semakin penting dalam penggunaan laser gentian kuasa tinggi.
Penciptaan laser gentian
Laser yang menggunakan gentian optik sebagai medium perolehan laser dikenali sebagai laser gentian. Seperti jenis laser lain, ia terdiri daripada tiga bahagian: medium perolehan, sumber pam dan rongga resonan. laser gentian menggunakan gentian aktif dengan teras didopkan dengan unsur nadir bumi sebagai medium perolehan. Laser semikonduktor biasanya digunakan sebagai sumber pam. Rongga resonan biasanya terdiri daripada cermin reflektif, permukaan hujung gentian, cermin gelang gentian atau jeriji gentian.
Mengikut ciri domain masa laser gentian, ia boleh dibahagikan kepada laser gentian berterusan dan laser gentian berdenyut; mengikut struktur rongga resonan, ia boleh dibahagikan kepada laser gentian rongga linear, laser gentian maklum balas yang diedarkan dan laser gentian rongga cincin; mengikut gentian keuntungan dan kaedah pengepaman yang berbeza, ia boleh dibahagikan kepada laser gentian pelapisan tunggal (pengepam teras gentian) dan laser gentian pelapisan berganda (pengepam pelapisan).
Pada tahun 1961, Snitzer menemui sinaran laser dalam pandu gelombang kaca berdop neodymium (Nd). 1966, Kao mengkaji secara terperinci punca utama pengecilan cahaya dalam gentian optik dan menunjukkan masalah teknikal utama yang perlu diselesaikan untuk aplikasi praktikal gentian optik dalam komunikasi. 1970, Corning di Amerika Syarikat membangunkan gentian optik dengan pengecilan kurang daripada 20 dB/km, yang meletakkan asas bagi pembangunan industri komunikasi optik dan optoelektronik. Ini meletakkan asas bagi pembangunan industri komunikasi optik dan optoelektronik. Pada tahun 1970-an dan 1980-an, pematangan dan pengkomersilan teknologi laser semikonduktor menyediakan sumber pam yang boleh dipercayai dan pelbagai untuk pembangunan laser gentian. Pada masa yang sama, pembangunan kaedah pemendapan wap kimia menjadikan kehilangan penghantaran gentian optik secara berterusan dikurangkan. Laser gentian juga berkembang pesat ke arah kepelbagaian, dengan gentian didopkan dengan pelbagai unsur nadir bumi, seperti erbium (Er3 plus ), ytterbium (Yb3 plus ), neodymium (Nd3 plus ), samarium (Sm 3 plus ), thulium (Tm3 plus ), holmium (Ho3 plus ), praseodymium (Pr3 plus ), dysprosium (Dy3 plus ), bismut (Bi3 plus ) dan sebagainya. Bergantung pada doped ion, panjang gelombang keluaran laser yang berbeza boleh dicapai. Untuk memenuhi keperluan aplikasi yang berbeza.
Ciri-ciri laser gentian kuasa tinggi
Kelebihan laser gentian kuasa tinggi adalah seperti berikut.
(1) Kualiti rasuk yang baik. Struktur pandu gelombang gentian optik menjadikannya mudah untuk mendapatkan output mod melintang tunggal, dan pengaruh faktor luaran adalah sangat kecil, untuk mencapai output laser kecerahan tinggi.
(2) Kecekapan tinggi. Laser gentian dengan memilih panjang gelombang pelepasan dan unsur-unsur nadir bumi didopkan ciri-ciri penyerapan laser semikonduktor untuk sumber pam, anda boleh mencapai cahaya yang sangat tinggi kecekapan penukaran cahaya. Untuk laser gentian kuasa tinggi doped ytterbium, secara amnya memilih laser semikonduktor 915nm atau 975nm, disebabkan oleh struktur aras tenaga yang mudah Yb3 plus, penukaran atas, penyerapan keadaan teruja dan pecah kepekatan kurang berkemungkinan berlaku, hayat pendarfluor lebih lama dan boleh menyimpan tenaga dengan berkesan untuk operasi kuasa tinggi. Kecekapan elektro-optik keseluruhan laser gentian komersial adalah setinggi 25 peratus, yang kondusif untuk pengurangan kos, penjimatan tenaga dan perlindungan alam sekitar.
(3) Ciri-ciri pelesapan haba yang baik. Laser gentian digunakan sebagai medium perolehan laser menggunakan gentian terdop unsur nadir bumi nipis dengan nisbah luas permukaan kepada isipadu yang sangat besar. Kira-kira 1000 kali ganda laser blok pepejal, dari segi kapasiti pelesapan haba mempunyai kelebihan semula jadi. Tiada penyejukan gentian khas diperlukan untuk kes kuasa rendah dan sederhana, dan penyejukan air digunakan untuk kes kuasa tinggi, yang juga berkesan mengelakkan kemerosotan kualiti dan kecekapan rasuk akibat kesan terma yang biasa ditemui dalam laser keadaan pepejal.
(4) Struktur padat, kebolehpercayaan yang tinggi. Oleh kerana laser gentian menggunakan gentian kecil dan fleksibel sebagai medium keuntungan laser, ia membantu memampatkan volum dan menjimatkan kos. Sumber pam juga digunakan dalam saiz kecil, laser semikonduktor modular yang mudah, produk komersial biasanya tersedia dengan keluaran kuncir, digabungkan dengan parut Bragg gentian dan peranti gentian optik lain, selagi peranti ini disatukan antara satu sama lain untuk mencapai gentian penuh, imuniti terhadap gangguan alam sekitar, dengan kestabilan yang tinggi, boleh menjimatkan masa dan kos penyelenggaraan.
Laser gentian kuasa tinggi juga mempunyai kelemahan yang sukar diatasi: satu ialah kelemahan kepada kesan bukan linear. Laser gentian mempunyai panjang berkesan yang panjang dan ambang yang rendah untuk pelbagai kesan bukan linear disebabkan oleh geometri pandu gelombangnya. Beberapa kesan tak linear yang berbahaya seperti taburan Raman (SRS) teruja, modulasi fasa kendiri (SPM), dsb. boleh menyebabkan turun naik fasa dan pemindahan tenaga pada spektrum, atau malah merosakkan sistem laser, mengehadkan pembangunan gentian berkuasa tinggi laser. Yang kedua ialah kesan penggelapan foton. Dengan peningkatan dalam masa pengepaman, kesan penggelapan foton boleh membawa kepada kepekatan doping yang tinggi bagi kecekapan penukaran kuasa gentian terdop unsur nadir bumi kemerosotan yang tidak dapat dipulihkan secara monoton, mengehadkan kestabilan jangka panjang dan hayat perkhidmatan laser gentian berkuasa tinggi, yang amat ketara. dalam laser gentian berkuasa tinggi doped ytterbium.
Dengan kemajuan laser semikonduktor gandingan gentian kecerahan tinggi dan teknologi gentian dwipakaian, kuasa keluaran, kecekapan penukaran optik-ke-optik dan kualiti pancaran laser gentian berkuasa tinggi telah berkembang dengan ketara. Dalam pemprosesan industri, senjata tenaga terarah, telemetri jarak jauh, LIDAR dan aplikasi lain daya tarikan permintaan yang besar, kepada Amerika Syarikat Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) dan Germany Tong Express Group, terutamanya unit penyelidikan pada gelombang berterusan, gelombang nadi berkuasa tinggi serat laser penyelidikan dan pembangunan, melancarkan barisan produk yang kaya. Keputusan yang menarik juga telah dilaporkan oleh beberapa unit di China, termasuk Universiti Tsinghua, Universiti Teknologi Pertahanan Nasional, Institut Optik dan Jentera Ketepatan Shanghai Akademi Sains China dan Institut Penyelidikan Keempat Sains Aeroangkasa China dan Perbadanan Industri.
Teknologi peningkatan kuasa laser gentian
Disebabkan oleh kesan bukan linear dalam laser gentian, kesan terma dan had ambang kerosakan bahan, kuasa keluaran laser gentian tunggal terhad pada tahap tertentu, dan apabila kuasa meningkat, kualiti rasuk secara beransur-ansur berkurangan, memerlukan penggunaan teknologi kawalan mod dan reka bentuk struktur khas gentian baharu untuk meningkatkan kualiti rasuk. Dawson (JW Dawson) et al secara teorinya menganalisis had kuasa keluaran gentian tunggal dan mengira bahawa dalam laser gentian jalur lebar satu gentian boleh memperoleh kuasa maksimum 36 kW berhampiran keluaran laser had pembelauan, manakala bagi laser gentian lebar garisan sempit, maksimum kuasa ialah 2 kW. Untuk meningkatkan lagi kuasa keluaran laser gentian dan penguat, sintesis kuasa berbilang laser gentian oleh teknologi sintesis koheren adalah kaedah yang berkesan. Ia telah menjadi tempat tumpuan penyelidikan antarabangsa dalam beberapa tahun kebelakangan ini.
Sintesis koheren dicapai dengan mengawal fasa, kekerapan dan polarisasi setiap pancaran laser dengan ketekalan tertentu, supaya ia memenuhi keadaan koheren dan memperoleh keluaran terkunci fasa homogen, yang boleh memperoleh keamatan puncak yang jauh lebih tinggi daripada tidak koheren mudah. superposisi dan mengekalkan kualiti rasuk yang baik. Sejarah perkembangan teknologi sintesis koheren hampir sepanjang sejarah laser itu sendiri, dan melibatkan pelbagai jenis laser gas, laser kimia, laser semikonduktor, laser keadaan pepejal, dll. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh ketidakmatangan pelbagai peranti. pada hari-hari awal, keputusan eksperimen yang dicapai oleh teknologi sintesis koheren tidak menembusi kuasa keluaran maksimum laser pautan tunggal yang sepadan pada masa itu, jadi kesannya tidak begitu jelas. Dari tahun 1990-an dan seterusnya, kemunculan laser gentian membawa kepada perkembangan pesat teknik sintesis koheren. Sebagai tambahan kepada kelebihan unik laser gentian dan keperluan untuk penggunaan taktikal ratusan kilowatt, beberapa peranti (iaitu pengganding kon gentian, gentian berbilang teras, modulator fasa dengan kuncir dan pengalih frekuensi akusto-optik, dll.) telah memainkan peranan penting dalam pelancaran komersial komunikasi gentian optik. Pengganding kon gentian dan gentian berbilang teras memudahkan kawalan fasa pasif berdasarkan gandingan suntikan tenaga laser dan gandingan gelombang pantas, manakala modulator fasa dengan kuncir dan pengalih frekuensi akusto-optik membolehkan kawalan fasa aktif dengan lebar jalur kawalan megahertz, yang boleh digunakan untuk mengawal turun naik fasa pada keadaan kuasa tinggi dan mencapai output terkunci fasa. Penyelidik telah mencadangkan beberapa skema sintesis koheren tersendiri.
Sintesis spektrum ialah teknik sintesis tidak koheren yang menggunakan satu atau lebih jeriji pembelauan untuk mendifraksi berbilang subrasuk ke dalam apertur yang sama, menghasilkan output apertur tunggal dengan kualiti rasuk yang baik. Sintesis spektrum laser gentian boleh menggunakan sepenuhnya lebar jalur keuntungan lebar laser gentian Yb-doped untuk mengimbangi kuasa keluaran terhad bagi laser gentian tunggal.
