Какво представлява фибролазерът?

Определение: Лазер, който използва легирано влакно като усилваща среда, или лазер, чийто лазерен резонатор е съставен предимно от влакна.

Влакнестите лазери обикновено се отнасят за лазери, които използват влакна като усилваща среда, въпреки че някои лазери, които използват полупроводникови усилващи среди (полупроводникови оптични усилватели) и влакнести резонатори, могат също да се наричат ​​влакнести лазери (или полупроводникови оптични лазери). В допълнение, някои други видове лазери (например полупроводникови диоди, свързани с влакна) и влакнести усилватели също се наричат ​​влакнести лазери (или влакнести лазерни системи).

В повечето случаи усилващата среда е влакно, легирано с редкоземни йони, като ербий (Er3+), итербий (Yb3+), торий (Tm3+) или празеодим (Pr3+) и са необходими един или повече лазерни диоди, свързани с влакна за изпомпване. Въпреки че средата на усилване на оптични лазери е подобна на тази на твърдотелните обемни лазери, ефектът на вълновода и малката площ на ефективния режим водят до лазери с различни свойства. Например, те обикновено имат високо лазерно усилване и големи загуби в резонаторната кухина. Вижте записите за фибролазер и масов лазер.

Фигура 1

Фибролазерен резонатор

За да се получи лазерен резонатор, използващ оптично влакно, могат да се използват редица рефлектори за формиране на линеен резонатор или за създаване на пръстеновиден лазер с влакна. В линеен оптичен лазерен резонатор могат да се използват различни видове рефлектори:

Фигура 2

1. В лабораторни настройки могат да се използват обикновени дихроични огледала в краищата на перпендикулярно разцепени влакна, както е показано на фигура 1. Това решение обаче не може да се използва в широкомащабно производство и не е издръжливо.

2. Отражението на Френел в края на голото влакно е достатъчно, за да служи като изходен съединител за лазер с влакна. Фигура 2 показва пример.

3. Диелектричните покрития могат също да се нанасят директно върху краищата на влакната, обикновено чрез изпаряване. Такива покрития могат да постигнат висока отразяваща способност в широк диапазон.

4. В търговските продукти обикновено се използват брагови решетки с влакна, които могат да бъдат получени директно от легирани влакна или чрез снаждане на нелегирани влакна към активни влакна. Фигура 3 показва лазер с разпределен рефлектор на Bragg (DBR лазер), който съдържа две решетки с влакна. Има и лазер с разпределена обратна връзка с решетка в легираното влакно и фазово изместване между тях.

5. Ако светлината, излъчвана от влакното, се колимира от леща и се отразява обратно от дихроично огледало, може да се постигне по-добро управление на мощността. Светлината, получена от огледалото, ще има значително намален интензитет поради по-голямата площ на лъча. Въпреки това, леки несъответствия могат да причинят значителни загуби на отражение, а допълнителните френелови отражения в крайните фасети на влакното могат да предизвикат филтърни ефекти. Последното може да бъде потиснато чрез използване на наклонени краища на влакна, но това води до загуби, зависещи от дължината на вълната.

6. Възможно е също така да се оформи рефлектор с оптична верига, като се използва съединител за влакна и пасивни влакна.

Повечето оптични лазери се изпомпват от един или повече полупроводникови лазери, свързани с влакна. Светлината на помпата се свързва директно в сърцевината на влакното или при висока мощност в обвивката на помпата (вижте влакна с двойна обвивка), което ще бъде обсъдено подробно по-долу.

Има много видове фибролазери, някои от които са описани по-долу.

Има много видове фибролазери, някои от които са описани по-долу.

Високомощни оптични лазери

Първоначално влакнестите лазери са били в състояние да постигнат изходна мощност само от няколко миливата. Днес високомощните оптични лазери могат да постигнат изходна мощност от няколкостотин вата, а понякога дори няколко киловата от едномодови влакна. Това се постига чрез увеличаване на аспектното съотношение и вълноводни ефекти, които избягват термооптични ефекти.

Вижте записа Високомощни оптични лазери и усилватели за повече подробности.

Оптични лазери с преобразуване нагоре

Влакнестите лазери са особено подходящи за реализиране на лазери с преобразуване нагоре, които обикновено работят при относително редки лазерни преходи и изискват много висок интензитет на помпата. Във влакнестите лазери високите интензитети на помпата могат да се поддържат на дълги разстояния, така че получената ефективност на усилването се постига лесно за преходи с много ниско усилване.

В повечето случаи силициевите влакна не са подходящи за влакнести лазери с преобразуване нагоре, тъй като механизмът на преобразуване изисква дълъг живот на междинното състояние на нивото на електронната енергия, което обикновено е много малко в силициевите влакна поради високата фононна енергия (вижте многофотонни преходи). Поради това обикновено се използват някои тежки метални флуоридни влакна, като ZBLAN (флуороцирконат) с ниска фононна енергия.

Най-често използваните оптични лазери с повишено преобразуване са легирани с торий влакна за синя светлина, лазери с легиран празеодим (понякога с итербий) за червена, оранжева, зелена или синя светлина и лазери с легиран ербий за триод.

Оптични лазери с тясна ширина на линията

Влакнестите лазери могат да работят само в един надлъжен режим (вижте едночестотен лазер, едномодова работа) с много тясна широчина на линията от няколко килохерца или дори по-малко от 1 kHz. За дългосрочна стабилна едночестотна работа и без допълнителни изисквания след като се вземе предвид температурната стабилност, лазерната кухина трябва да е къса (напр. 5 см), въпреки че колкото по-дълга е кухината, по принцип, толкова по-нисък е фазовият шум и толкова по-тесен е ширина на линията. Краят на влакното съдържа теснолентова влакнеста Bragg решетка (вижте разпределен рефлекторен лазер на Bragg, DBR влакнен лазер) за избор на режим на кухина. Изходната мощност обикновено варира от няколко миливата до десетки миливата, като се предлагат и едночестотни оптични лазери с изходна мощност до 1 W.

Екстремна форма е лазерът с разпределена обратна връзка (DFB лазер), при който цялата лазерна кухина се съдържа във влакнеста Bragg решетка с фазово изместване между тях. Тук кухината е сравнително къса, което жертва изходната мощност и широчината на линията, но едночестотната работа е много стабилна.

Оптични усилватели могат също да се използват за допълнително усилване до по-високи мощности.

Оптични лазери с Q-switched

Влакнестите лазери могат да генерират импулси с дължина от десетки до стотици наносекунди, като използват различни активни или пасивни Q превключватели. Импулсни енергии от няколко милиджаула могат да бъдат постигнати с влакна с голяма площ на мода и в екстремни случаи могат да достигнат десетки милиджаула, ограничени от енергията на насищане (дори с влакна с голяма площ на мода) и прага на повреда (по-изразен за по-къси импулси). Всички оптични устройства (с изключение на оптиката със свободно пространство) са ограничени в импулсната енергия, тъй като обикновено не могат да реализират влакна с голяма площ на режима и ефективно превключване на Q.

Поради високото усилване на лазера Q-превключването във влакнестите лазери е много различно по природа от това в масовите лазери и е по-сложно. Обикновено има множество пикове във времевата област и също така е възможно да се произведат импулси с Q-превключване с дължина, по-малка от времето за обиколка на резонатора.

Влакнестите лазери със заключен режим използват по-сложни резонатори (ултракъси влакнести лазери), за да произвеждат пикосекундни или фемтосекундни импулси. Тук лазерният резонатор съдържа активен модулатор или някои наситени абсорбери. Наситените абсорбери могат да бъдат реализирани чрез ефекти на нелинейно въртене на поляризацията или чрез използване на огледало с нелинейна влакнеста верига. Нелинейните контурни огледала могат да се използват например в "лазера с фигура на осем" на Фигура 8, където лявата страна съдържа основен резонатор и пръстен с нелинейни влакна за усилване, оформяне и стабилизиране на двупосочните ултракъси импулси. Особено при заключване на хармоничен режим са необходими допълнителни устройства, като подкухини, използвани като оптични филтри.