Что такое волоконный лазер и каков его принцип работы?
Волоконный лазер - это лазер, в котором активной средой усиления является оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами, такими как эрбий, иттербий, неодим, диспрозий, празеодим, тулий и гольмий. Они связаны с легированными волоконными усилителями, которые обеспечивают усиление света без излучения. Нелинейности волокна, такие как стимулированное комбинационное рассеяние или четырехволновое смешение, также могут обеспечивать усиление и, таким образом, служить средой усиления для волоконного лазера.
Преимущества и применение
Преимущество волоконных лазеров перед другими типами лазеров заключается в том, что лазерное излучение генерируется и доставляется по гибкой среде, что позволяет легче доставлять его к месту фокусировки и цели. Это может быть важно для лазерной резки, сварки и складывания металлов и полимеров. Еще одно преимущество - высокая выходная мощность по сравнению с другими типами лазеров. Волоконные лазеры могут иметь активные области длиной в несколько километров, и поэтому могут обеспечивать очень высокое оптическое усиление. Они могут поддерживать киловаттные уровни непрерывной выходной мощности из-за высокого отношения площади поверхности волокна к его объему, что позволяет эффективно охлаждать его. Волноводные свойства волокна уменьшают или устраняют тепловые искажения оптического пути, обычно создавая дифракционно-ограниченный высококачественный оптический луч. Волоконные лазеры компактны по сравнению с твердотельными или газовыми лазерами сопоставимой мощности, потому что волокно можно сгибать и сворачивать, за исключением более толстых стержневых конструкций, для экономии места. Они имеют более низкую стоимость владения.
Волоконные лазеры надежны и демонстрируют высокую температурную и колебательную стабильность и увеличенный срок службы. Высокая пиковая мощность и наносекундные импульсы улучшают маркировку и гравировку. Дополнительная мощность и лучшее качество луча обеспечивают более чистые края реза и более высокую скорость резки.
Другие области применения волоконных лазеров включают обработку материалов, телекоммуникации, спектроскопию, медицину и оружие направленной энергии.
Конструкция и производство
В отличие от большинства других типов лазеров, полость лазера в волоконных лазерах создается монолитно путем сращивания различных типов волокон; волоконные брэгговские решетки заменяют обычные диэлектрические зеркала для обеспечения оптической обратной связи. Они также могут быть разработаны для работы в одном продольном режиме сверхузких лазеров с распределенной обратной связью (DFB), где фазосдвинутая брэгговская решетка перекрывает среду усиления. Волоконные лазеры накачиваются полупроводниковыми лазерными диодами или другими волоконными лазерами.
Волокна с двойной оболочкой
Многие мощные волоконные лазеры основаны на волокне с двойной оболочкой. Усиливающая среда образует сердцевину волокна, которая окружена двумя слоями оболочки. Мода излучения распространяется в сердцевине, а многомодовый луч накачки распространяется во внутреннем слое оболочки. Внешняя оболочка удерживает этот свет накачки. Такое расположение позволяет накачивать сердцевину лучом гораздо большей мощности, чем можно было бы получить, распространяясь в ней, и позволяет преобразовывать свет накачки с относительно низкой яркостью в сигнал гораздо большей яркости. Существует важный вопрос о форме волокна с двойной оболочкой; волокно с круговой симметрией представляется наихудшей из возможных конструкций. Конструкция должна позволять сердечнику быть достаточно маленьким, чтобы поддерживать только несколько (или даже одну) мод. Она должна обеспечивать достаточную оболочку, чтобы ограничить сердцевину и секцию оптического насоса на относительно коротком участке волокна.
Коническое волокно с двойной оболочкой (T-DCF) имеет коническую сердцевину и оболочку, что позволяет масштабировать мощность усилителей и лазеров без неустойчивости режима теплового линзирования.
Увеличение мощности
Недавние разработки в технологии волоконных лазеров привели к быстрому и значительному росту достигнутой дифракционно-ограниченной мощности пучка от твердотельных лазеров с диодной накачкой. Благодаря внедрению волокон с большой модовой областью (LMA), а также постоянным достижениям в области диодов высокой мощности и высокой яркости, мощность непрерывных одномодовых лазеров на Yb-допированном волокне выросла со 100 Вт в 2001 году до более 20 кВт. В 2014 году волоконный лазер с комбинированным лучом продемонстрировал мощность 30 кВт.
Волоконные лазеры высокой средней мощности обычно состоят из относительно маломощного задающего генератора, или затравочного лазера, и схемы усилителя мощности (MOPA). В усилителях для сверхкоротких оптических импульсов пиковая интенсивность может стать очень высокой, так что могут возникнуть вредные нелинейные искажения импульса или даже разрушение среды усиления или других оптических элементов. Этого обычно удается избежать, используя усиление чирпированных импульсов (CPA). Современные технологии мощных волоконных лазеров с использованием усилителей стержневого типа достигли мощности 1 кВт с импульсами 260 фс, добились выдающегося прогресса и обеспечили практическое решение большинства этих проблем.
Однако, несмотря на привлекательные характеристики волоконных лазеров, при масштабировании мощности возникает несколько проблем. Наиболее существенными из них являются тепловое линзирование и сопротивление материала, нелинейные эффекты, такие как стимулированное комбинационное рассеяние (SRS), стимулированное бриллюэновское рассеяние (SBS), неустойчивость мод и низкое качество выходного пучка.
Основной подход к решению проблем, связанных с увеличением выходной мощности импульсов, заключался в увеличении диаметра сердцевины волокна. Были разработаны специальные активные волокна с большими модами, чтобы увеличить отношение поверхности к активному объему активного волокна и, следовательно, улучшить рассеивание тепла, позволяющее масштабировать мощность.
Специально разработанные структуры с двойной оболочкой были использованы для снижения требований к яркости мощных диодов накачки путем управления распространением и поглощением накачки между внутренней оболочкой и сердцевиной.
Для увеличения мощности было разработано несколько типов активных волокон с большой эффективной модовой областью (LMA), включая волокна LMA с сердцевиной с низкой апертурой, микроструктурированные волокна стержневого типа со спиральной сердцевиной или хирально-связанные волокна, а также конические волокна с двойной оболочкой (T-DCF). Диаметр поля мод (MFD), достигаемый с помощью этих технологий с низкой апертурой, обычно не превышает 20-30 мкм. Микроструктурированное волокно стержневого типа имеет гораздо больший MFD (до 65 мкм) и хорошие характеристики. Впечатляющая энергия импульса 2,2 мДж была продемонстрирована фемтосекундным MOPA, содержащим волокно с большим шагом (LPF). Однако недостатком систем усиления с LPF являются их относительно длинные (до 1,2 м) негнущиеся волокна стержневого типа, что означает довольно громоздкую и громоздкую оптическую схему. Изготовление НЧ-волокон очень сложное, требующее значительной обработки, такой как прецизионное сверление предварительных форм волокна. Волокна LPF очень чувствительны к изгибу, что означает снижение прочности и портативности.
Блокировка режимов
В дополнение к типам блокировки режимов, используемым в других лазерах, волоконные лазеры можно пассивно блокировать режимы, используя двулучепреломление самого волокна.Нелинейный оптический эффект Керра вызывает изменение поляризации, которая меняется в зависимости от интенсивности света. Это позволяет поляризатору в полости лазера действовать как насыщающийся поглотитель, блокируя свет низкой интенсивности, но пропуская свет высокой интенсивности с небольшим затуханием. Это позволяет лазеру формировать импульсы с модовой блокировкой, а затем нелинейность волокна еще больше формирует каждый импульс в ультракороткий оптический солитонный импульс.
Полупроводниковые зеркала с насыщающимися поглотителями (SESAM) также могут быть использованы для блокировки мод волоконных лазеров. Основное преимущество SESAM перед другими методами насыщающегося поглощения заключается в том, что параметры поглотителя можно легко настроить для удовлетворения потребностей конкретной конструкции лазера. Например, флюенс насыщения можно контролировать, изменяя отражательную способность верхнего отражателя, а глубину модуляции и время восстановления можно настроить, изменяя условия низкотемпературного выращивания слоев поглотителя. Такая свобода проектирования еще больше расширила применение SESAMs в моделировании волоконных лазеров, где требуется относительно высокая глубина модуляции для обеспечения самозапуска и стабильности работы. Были успешно продемонстрированы волоконные лазеры, работающие на длинах волн 1 мкм и 1,5 мкм.Графеновые насыщающиеся поглотители также использовались для блокировки мод волоконных лазеров. Насыщенное поглощение графена не очень чувствительно к длине волны, что делает его полезным для перестраиваемых лазеров с блокировкой режимов.
Волоконные лазеры с темными солитонами
В немодовом режиме блокировки был успешно создан темный солитонный волоконный лазер с использованием эрбиевого волоконного лазера со всей нормальной дисперсией и поляризатором внутри полости. Экспериментальные результаты показывают, что помимо яркого импульсного излучения, при соответствующих условиях волоконный лазер может также излучать одиночные или множественные темные импульсы. На основе численного моделирования образование темных импульсов в лазере может быть результатом формирования темных солитонов.Многоволновые волоконные лазеры
Многоволновое излучение в волоконном лазере продемонстрировало одновременный синий и зеленый когерентный свет с использованием оптического волокна ZBLAN. Лазер с торцевой накачкой был основан на оптической среде усиления с апконверсией, использующей полупроводниковый лазер с большей длиной волны для накачки фторидного волокна, легированного Pr3+/Yb3+, в котором для формирования резонатора использовались диэлектрические зеркала с покрытием на каждом конце волокна.Волоконные дисковые лазеры
Еще один тип волоконных лазеров - волоконные дисковые лазеры. В таких лазерах насос не заключен в оболочке волокна, но вместо этого свет накачки проходит через сердцевину несколько раз, поскольку она свернута сама в себя. Такая конфигурация подходит для масштабирования мощности, когда используется много источников накачки по периферии катушки.
