Čo je vláknový laser?

Definícia: Laser, ktorý používa dopované vlákno ako médium zosilnenia, alebo laser, ktorého laserový rezonátor je väčšinou zložený z vlákna.

Vláknové lasery sa zvyčajne označujú ako lasery, ktoré používajú vlákno ako médium zosilnenia, hoci niektoré lasery, ktoré používajú polovodičové zosilňovacie médiá (polovodičové optické zosilňovače) a vláknové rezonátory, sa môžu nazývať aj vláknové lasery (alebo polovodičové optické lasery). Okrem toho niektoré ďalšie typy laserov (napríklad polovodičové diódy s vláknovou väzbou) a vláknové zosilňovače sa tiež nazývajú vláknové lasery (alebo systémy vláknových laserov).

Vo väčšine prípadov je zosilňovacím médiom vlákno dopované iónmi vzácnych zemín, ako je erbium (Er3+), yterbium (Yb3+), tórium (Tm3+) alebo prazeodým (Pr3+) a je potrebná jedna alebo viac laserových diód spojených vláknom. na čerpanie. Aj keď je médium zisku vláknových laserov podobné ako médium pevnolátkových hromadných laserov, efekt vlnovodu a malá oblasť efektívneho režimu vedú k laserom s rôznymi vlastnosťami. Napríklad majú zvyčajne vysoký zisk lasera a vysoké straty v dutine rezonátora. Pozrite si položky vláknový laser a hromadný laser.

postava 1

Vláknový laserový rezonátor

Na získanie laserového rezonátora pomocou optického vlákna je možné použiť množstvo reflektorov na vytvorenie lineárneho rezonátora alebo na vytvorenie vláknového prstencového lasera. V lineárnom optickom laserovom rezonátore možno použiť rôzne typy reflektorov:

Obrázok 2

1. V laboratórnych zostavách možno použiť obyčajné dichroické zrkadlá na koncoch kolmo štiepaných vlákien, ako je znázornené na obrázku 1. Toto riešenie však nemožno použiť vo veľkovýrobe a nie je odolné.

2. Fresnelov odraz na konci holého vlákna je dostatočný na to, aby slúžil ako výstupná spojka pre vláknový laser. Obrázok 2 ukazuje príklad.

3. Dielektrické povlaky možno nanášať aj priamo na konce vlákien, zvyčajne odparovaním. Takéto povlaky môžu dosiahnuť vysokú odrazivosť v širokom rozsahu.

4. V komerčných produktoch sa zvyčajne používajú vláknité Braggove mriežky, ktoré možno pripraviť priamo z dopovaných vlákien alebo spájaním nedopovaných vlákien na aktívne vlákna. Obrázok 3 zobrazuje distribuovaný Braggov reflektorový laser (DBR laser), ktorý obsahuje dve vláknové mriežky. K dispozícii je tiež distribuovaný spätnoväzbový laser s mriežkou v dopovanom vlákne a fázovým posunom medzi nimi.

5. Ak je svetlo vyžarované z vlákna kolimované šošovkou a odrazené späť dichroickým zrkadlom, je možné dosiahnuť lepšiu manipuláciu s výkonom. Svetlo prijímané zrkadlom bude mať výrazne zníženú intenzitu v dôsledku väčšej plochy lúča. Mierne nesúososti však môžu spôsobiť značné straty odrazom a dodatočné Fresnelove odrazy na koncových fazetách vlákna môžu vyvolať efekty filtra. Posledne menované možno potlačiť použitím šikmých štiepaných koncov vlákien, ale to prináša straty závislé od vlnovej dĺžky.

6. Je tiež možné vytvoriť reflektor optickej slučky pomocou vláknovej spojky a pasívnych vlákien.

Väčšina optických laserov je čerpaná jedným alebo viacerými polovodičovými lasermi spojenými s vláknami. Svetlo čerpadla je pripojené priamo k jadru vlákna alebo pri vysokom výkone k plášťu čerpadla (pozri vlákna s dvojitým plášťom), čo bude podrobne diskutované nižšie.

Existuje mnoho typov vláknových laserov, niektoré z nich sú popísané nižšie.

Existuje mnoho typov vláknových laserov, niektoré z nich sú popísané nižšie.

Vysokovýkonné vláknové lasery

Spočiatku boli vláknové lasery schopné dosiahnuť výstupný výkon len niekoľko miliwattov. Dnes môžu vysokovýkonné vláknové lasery dosahovať výstupný výkon niekoľko stoviek wattov a niekedy dokonca niekoľko kilowattov z jednovidových vlákien. To sa dosiahne zvýšením pomeru strán a efektov vlnovodu, ktoré zabránia termo-optickým efektom.

Viac podrobností nájdete v položke Vysokovýkonné vláknové lasery a zosilňovače.

Upkonverzné vláknové lasery

Vláknové lasery sú obzvlášť vhodné na realizáciu upkonverzných laserov, ktoré zvyčajne pracujú s relatívne zriedkavými laserovými prechodmi a vyžadujú veľmi vysoké intenzity čerpania. Vo vláknových laseroch je možné udržiavať vysoké intenzity čerpania na veľké vzdialenosti, takže získaná účinnosť zosilnenia sa dá ľahko dosiahnuť pri prechodoch s veľmi nízkym ziskom.

Vo väčšine prípadov nie sú kremičité vlákna vhodné pre upkonverzné vláknové lasery, pretože upkonverzný mechanizmus vyžaduje dlhú životnosť medzistavu na úrovni elektrónovej energie, ktorá je zvyčajne veľmi malá v kremíkových vláknach kvôli vysokej fonónovej energii (pozri multifotónové prechody). Preto sa zvyčajne používajú vlákna z fluoridu ťažkých kovov, ako napríklad ZBLAN (fluorozirkoničitan) s nízkou fonónovou energiou.

Najčastejšie používané upkonverzné vláknové lasery sú vlákna dotované tóriom pre modré svetlo, lasery dopované prazeodýmom (niekedy s ytterbiom) pre červené, oranžové, zelené alebo modré svetlo a lasery dotované erbiom pre triódu.

Vláknové lasery s úzkou šírkou čiary

Vláknové lasery môžu pracovať iba v jedinom pozdĺžnom režime (pozri jednofrekvenčný laser, prevádzka s jedným režimom) s veľmi úzkou šírkou čiary niekoľko kilohertzov alebo dokonca menej ako 1 kHz. Pre dlhodobú stabilnú jednofrekvenčnú prevádzku a bez dodatočných požiadaviek po zvážení teplotnej stability by mala byť dutina lasera krátka (napr. 5 cm), hoci čím je dutina dlhšia, v zásade tým nižší je fázový šum a tým užšia je šírka čiary. Koniec vlákna obsahuje Braggovu mriežku s úzkopásmovým vláknom (pozri distribuovaný Braggov reflektorový laser, DBR vláknový laser) na výber režimu dutiny. Výstupný výkon sa zvyčajne pohybuje od niekoľkých miliwattov do desiatok miliwattov a dostupné sú aj jednofrekvenčné vláknové lasery s výstupným výkonom do 1 W.

Extrémnou formou je laser s distribuovanou spätnou väzbou (DFB laser), kde je celá dutina lasera obsiahnutá vo vláknovej Braggovej mriežke s fázovým posunom medzi nimi. Tu je dutina relatívne krátka, čo obetuje výstupný výkon a šírku linky, ale jednofrekvenčná prevádzka je veľmi stabilná.

Na ďalšie zosilnenie na vyššie výkony možno použiť aj vláknové zosilňovače.

Q-spínané vláknové lasery

Vláknové lasery dokážu pomocou rôznych aktívnych alebo pasívnych Q prepínačov generovať impulzy s dĺžkami od desiatok do stoviek nanosekúnd. Pulzné energie niekoľkých milijoulov je možné dosiahnuť vláknami s veľkou vidovou oblasťou a v extrémnych prípadoch môžu dosiahnuť desiatky milijoulov, čo je obmedzené energiou nasýtenia (dokonca aj pri vláknach s veľkou modovou oblasťou) a prahom poškodenia (výraznejšie pri kratších impulzoch). Všetky vláknové zariadenia (okrem optiky s voľným priestorom) sú obmedzené energiou impulzov, pretože zvyčajne nedokážu implementovať vlákna s veľkou oblasťou režimu a efektívne prepínanie Q.

Kvôli vysokému laserovému zisku je Q-prepínanie vo vláknových laseroch svojou povahou veľmi odlišné od prepínania v hromadných laseroch a je zložitejšie. V časovej oblasti je zvyčajne viacero špičiek a je tiež možné produkovať Q-spínané impulzy s dĺžkou menšou ako je doba obehu rezonátora.

Vláknové lasery s uzamknutým režimom používajú zložitejšie rezonátory (ultrakrátke vláknové lasery) na vytváranie pikosekundových alebo femtosekundových impulzov. Tu laserový rezonátor obsahuje aktívny modulátor alebo niektoré nasýtené absorbéry. Nasýtené absorbéry môžu byť realizované efektmi nelineárnej polarizácie rotácie alebo použitím zrkadla nelineárnej vláknovej slučky. Nelineárne slučkové zrkadlá možno použiť napríklad v "osmičkovom laseri" na obrázku 8, kde ľavá strana obsahuje hlavný rezonátor a prstenec nelineárneho vlákna na zosilnenie, tvarovanie a stabilizáciu okrúhlych ultrakrátkych impulzov. Najmä pri blokovaní harmonického režimu sú potrebné ďalšie zariadenia, ako sú poddutiny používané ako optické filtre.