تقنية ألياف الليزر الليفي: المبادئ والاستخدامات الرئيسية

1. مقدمة

يعود تاريخ الأبحاث حول ليزر الألياف المخدرة باستخدام وسائط الكسب إلى الستينيات عندما أبلغ سنيتزر في عام 1963 عن إنشاء ليزر ليفي بأيونات النيوديميوم (Nd³⁺) مخدرة في مصفوفة زجاجية.

منذ سبعينيات القرن العشرين، تم إحراز تقدم كبير في تكنولوجيا تحضير الألياف واستكشاف المضخة وهياكل التجويف الرنانة لليزر الليفي.

في منتصف ثمانينيات القرن العشرين، حدثت طفرة في الألياف المخدرة (Er³⁺) في جامعة ساوثهامبتون في المملكة المتحدة إلى تعزيز التطبيق العملي لليزر الليفي إلى حد كبير، مما يدل على آفاق تطبيقية واعدة للغاية.

بالمقارنة مع أشعة الليزر الصلبة والغازية التقليدية، فإن ليزر الألياف يتميز بالعديد من المزايا الفريدة، مثل جودة الشعاع العالية، وصغر الحجم، وخفة الوزن، وخفة الوزن، وعدم الحاجة إلى الصيانة، وتبريد الهواء، وسهولة التشغيل، وانخفاض تكلفة التشغيل، والاستخدام طويل الأجل في البيئات الصناعية.

كما أنها توفر دقة معالجة عالية، وسرعة عالية، وعمرًا طويلاً، وتوفيرًا للطاقة، ومرونة ممتازة للذكاء والأتمتة. ولذلك، فقد حلت محل ليزر YAG و CO2 التقليدي في العديد من المجالات.

يتراوح نطاق الطول الموجي لمخرجات ليزر الألياف بين 400-3400 نانومتر، وهو قابل للتطبيق في مجالات مختلفة مثل تخزين البيانات الضوئية والاتصالات البصرية وتكنولوجيا الاستشعار والتحليل الطيفي والتطبيقات الطبية.

في الوقت الراهن، نشهد تطورًا سريعًا في ليزر الألياف المخدرة وليزر الألياف الليفية المشبكية وليزر الألياف الليفية ذات العرض الخطي الضيق القابل للضبط وليزر الألياف الليفية المزدوجة المكسوة عالية الطاقة.

2. الهيكل الأساسي ومبدأ عمل ليزر الألياف الليزرية

2.1 الهيكل الأساسي لألياف الليزر الليفية

يتكون ليزر الألياف في المقام الأول من ثلاثة أجزاء: وسيط الكسب الذي يمكنه توليد الفوتونات، والتجويف الرنيني البصري الذي يتيح التغذية المرتدة للفوتون والتضخيم الرنيني في وسيط الكسب، ومصدر المضخة الذي يمكنه إثارة وسيط الليزر.

يظهر الهيكل الأساسي لليزر الليفي في الشكل 2-1.

وسيط الكسب هو قلب ليفي مشبع بأيونات أرضية نادرة. توضع الألياف المخدرة بين مرآتين ذات انعكاسية مختارة. ويقترن ضوء المضخة في الألياف من المرآة اليسرى لليزر الليفي ويخرج ضوء الليزر من خلال نظام بصري موازٍ ومرشح.

من الناحية النظرية، مصدر المضخة وألياف الكسب هما المكونان الأساسيان لليزر الليفي، ولا يمكن الاستغناء عن التجويف الرنيني. ولا يلزم اختيار وضع التجويف الرنيني وإطالة وسيط الكسب في ليزر الألياف لأن الألياف نفسها يمكن أن تكون طويلة جدًا، وبالتالي الحصول على كسب عالي جدًا أحادي المرور، ويمكن أن يلعب تأثير الدليل الموجي للألياف دور اختيار الوضع.

ومع ذلك، في التطبيقات العملية، يفضل الناس عمومًا استخدام ألياف أقصر، لذلك في معظم الحالات، يتم استخدام تجويف رنيني لإدخال التغذية المرتدة.

ونظرًا لبنية الدليل الموجي لليزر الليفي، يمكنها أن تستوعب ضخًا قويًا وتتمتع بكسب عالٍ (كسب أحادي المرور يصل إلى 50 ديسيبل). تتمتع العناصر الأرضية النادرة في المصفوفة الزجاجية بعرض خطي واسع ونطاق ضبط (Yb³⁺ 125 نانومتر، Tm³⁺ > 300 نانومتر).

الميزات المحددة هي كما يلي:

1) تعمل الألياف كوسيط موجه موجي، مما يوفر كفاءة اقتران عالية، وقطرًا صغيرًا لللب، وسهولة في تشكيل كثافة طاقة عالية داخل الألياف. ويمكنه الاتصال بسهولة مع أنظمة اتصالات الألياف البصرية الحالية. وتتمتع أشعة الليزر الناتجة بكفاءة تحويل عالية، وعتبة ليزر منخفضة، وجودة شعاع ممتازة، وعرض خطي ضيق.

2) نظرًا لارتفاع نسبة "مساحة السطح/الحجم" للألياف، فإنها تتمتع بتبديد جيد للحرارة. يمكن أن تتراوح درجة الحرارة البيئية من -20 إلى 70 درجة مئوية، مما يلغي الحاجة إلى نظام تبريد مائي كبير ولا يتطلب سوى تبريد هواء بسيط.

3) يمكن أن يعمل ليزر الألياف في ظل ظروف قاسية، مثل الصدمات العالية والاهتزازات العالية ودرجات الحرارة العالية والظروف المتربة.

4) نظرًا للمرونة الممتازة للألياف، يمكن تصميم الليزر ليكون صغيرًا ومرنًا للغاية، مع شكل مضغوط وحجم صغير، مما يسهل تكامل النظام ويوفر نسبة أداء وسعر مرتفع.

5) يحتوي ليزر الألياف على الكثير من المعلمات القابلة للضبط والانتقائية، مما يمكّنه من تغطية نطاق ضبط واسع، وأحادية اللون الممتازة، والاستقرار العالي. يتمتع بعمر طويل للمضخة، مع متوسط وقت عمل خالٍ من الأعطال يبلغ 10 ساعات أو حتى أكثر من 100 ساعة.

2.2 مبدأ عمل ألياف الليزر الليفية

تستخدم ليزرات الألياف الليزرية المطورة حاليًا أليافًا مخدرة بعناصر أرضية نادرة كوسيط كسب.

يقوم مبدأ عمل ليزر الألياف على أن ضوء المضخة يسقط على الألياف المخدرة من خلال العاكس الأمامي (أو الشبكة الأمامية)، وتخضع الأيونات الأرضية النادرة التي امتصت طاقة الفوتون لانتقالات في مستوى الطاقة، مما يحقق "انعكاس عدد الجسيمات".

ستنتقل الجسيمات المقلوبة إلى الحالة الأرضية في شكل إشعاع بعد الاسترخاء، وتطلق في الوقت نفسه الطاقة في شكل فوتونات، ويخرج الليزر من خلال العاكس الخلفي (الشبكة الخلفية).

وقد عزز مضخم الألياف المخدرة بالعناصر الأرضية النادرة تطوير ليزر الألياف، لأن مضخمات الألياف يمكن أن تشكل ليزر الألياف من خلال آليات التغذية المرتدة المناسبة.

عندما يمر ضوء المضخة عبر الأيونات الأرضية النادرة في الألياف، سيتم امتصاصه بواسطة الأيونات الأرضية النادرة. في هذا الوقت، ستُستثار الذرات الأرضية النادرة التي تمتص طاقة الفوتون إلى مستوى طاقة ضوئية أعلى، وبالتالي تحقيق انعكاس رقم الأيونات.

سينتقل الأيون المقلوب من مستوى الطاقة المرتفع إلى الحالة الأرضية في شكل إشعاع، ويطلق الطاقة، ويكمل الإشعاع المستحث. إن وضع الإشعاع من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية له نوعان: الإشعاع التلقائي والإشعاع المستحث.

من بينها، الإشعاع المحفَّز هو إشعاع من نفس التردد والطور، والذي يمكن أن يشكل ليزرًا متماسكًا للغاية. والانبعاث الليزري هو عملية فيزيائية يفوق فيها الإشعاع المستحث الإشعاع التلقائي بكثير.

ولكي تستمر هذه العملية، يجب أن يتكون انعكاس عدد الأيونات. لذلك، يجب أن تتجاوز مستويات الطاقة المشاركة في العملية اثنين، ويجب أن يكون هناك أيضًا مصدر مضخة لتوفير الطاقة.

يمكن تسمية ليزر الألياف في الواقع بمحول الطول الموجي، حيث يمكن من خلاله تحويل ضوء الطول الموجي للمضخة إلى ضوء الطول الموجي المطلوب للإضاءة.

على سبيل المثال، يضخ ليزر ليفي مطعَّم بالإربيوم ضوء 980 نانومتر ويخرج ليزر 1550 نانومتر. يمكن أن يكون خرج الليزر مستمرًا أو نابضًا.

تحتوي ليزرات الألياف الليزرية على حالتين من الليزر، الليزر ثلاثي المستويات والليزر رباعي المستويات. ويوضح الشكل 2.2 مبادئ الليزر ذات المستويات الثلاثة والمستويات الأربعة.

تتسبب المضخة (فوتون عالي الطاقة قصير الطول الموجي) في انتقال الإلكترون من الحالة الأرضية إلى حالة الطاقة العالية E4⁴ أو E3³ثم الانتقال إلى مستوى الليزر العلوي E4³ أو E3² من خلال انتقالات غير إشعاعية.

عندما ينتقل الإلكترون كذلك من مستوى الليزر العلوي إلى مستوى الطاقة الأدنى E4² أو E3¹فإن عملية الليزر سيحدث.

3. أنواع ليزر الألياف البصرية

هناك أنواع مختلفة من ليزر الألياف البصرية التي يمكن تقسيمها إلى فئات مختلفة كما هو موضح في الجدول 3.1. وستقدم الأقسام التالية مقدمة لعدة أنواع من هذه الليزرات.

الجدول 3.1 تصنيف أجهزة ليزر الألياف البصرية

3.1 ليزر الألياف الليزرية المطعمة بالأرض النادرة

تشمل العناصر الأرضية النادرة 15 عنصرًا، وتقع في الصف الخامس من الجدول الدوري.

في الوقت الحالي، تشمل الأيونات الأرضية النادرة التي تم تطويرها بشكل ناضج والمدمجة في الألياف النشطة ما يلي³⁺ن.د³⁺العلاقات العامة³⁺،تم³⁺و Yb³⁺.

في السنوات الأخيرة، زادت ليزرات الألياف الليزرية المكسوة المزدوجة المخدرة التي تستخدم تقنية الضخ بالكسوة من طاقة الخرج بشكل كبير، وأصبحت نقطة بحثية أخرى في مجال الليزر.

يتألف هذا النوع من بنية الألياف، كما هو موضح في الشكل 3.1، من كسوة خارجية وكسوة داخلية وقلب مخدر.

يكون معامل انكسار الكسوة الخارجية أقل من معامل انكسار الكسوة الداخلية، والذي يكون بدوره أقل من معامل انكسار قلب الألياف، وبالتالي يشكل هيكل دليل موجي مزدوج الطبقة.

تُعد الألياف المكسوة المزدوجة المخدرة مكونًا رئيسيًا في بناء ليزر الألياف. وتشمل أدواره الرئيسية في ليزر الألياف ما يلي:

1) تحويل طاقة ضوء المضخة إلى وسط عمل الليزر;

2) التعاون مع أجهزة أخرى لتشكيل مرنان ليزر.

ويتضمن مبدأ عملها بشكل أساسي حقن ضوء المضخة في الألياف إما أفقياً أو من الوجه النهائي. ونظرًا لأن معامل انكسار الكسوة الخارجية أقل بكثير من معامل انكسار الكسوة الداخلية للألياف، يمكن للكسوة الداخلية أن تنقل ضوء المضخة متعدد الأنماط.

البعد المقطعي المستعرض للكسوة الداخلية أكبر من القلب. وهكذا، بالنسبة للطول الموجي الليزري المولد، تشكل الكسوة الداخلية والقلب المشبع بالتراب النادر دليلاً موجياً أحادي الوضع مثاليًا، بينما تشكل هي والكسوة الخارجية دليلاً موجيًا متعدد الأوضاع لنقل طاقة ضوء المضخة.

وهذا يسمح باقتران ضوء المضخة متعدد الأنماط ذو الطاقة الكبيرة في الكسوة الداخلية. يتم امتصاص ضوء المضخة متعدد الأنماط عدة مرات أثناء انتقاله على طول الألياف، عابرًا القلب. وبسبب استثارة الأيونات الأرضية النادرة في القلب، يتم إنتاج خرج ليزر عالي الطاقة للإشارة.

يوضح الشكل 3.1 مبدأ العمل في الشكل 3.1.

3.2 ليزر شبك الألياف المتداخلة

أدى النضج المتزايد لتكنولوجيا صريف الألياف الليفية المتداخلة بالأشعة فوق البنفسجية في التسعينيات إلى زيادة الاهتمام بليزرات صريف الألياف المتداخلة بالأشعة فوق البنفسجية، وخاصة ليزر صريف الألياف المتداخلة الموزعة (DBR) وليزر صريف الألياف المتداخلة الموزعة (DFB).

يتمثل الفرق الرئيسي بين الاثنين في أن ليزر الألياف DFB يستخدم شبكة واحدة فقط لتحقيق التغذية المرتدة البصرية واختيار الطول الموجي، وبالتالي يوفر استقرارًا أفضل ويتجنب فقدان الاندماج بين الألياف المشبعة بالإيروس والمشبك.

ومع ذلك، في حين يمكن كتابة الشبك مباشرة في الألياف المخدرة بالأشعة فوق البنفسجية باستخدام الأشعة فوق البنفسجية، فإن التصنيع العملي لليزر الليفي DEB ليس سهلاً بسبب انخفاض محتوى الجيوم في قلب الألياف وضعف الحساسية للضوء.

في المقابل، يمكن تصنيع ليزر ألياف DBR الليفي بسهولة أكبر عن طريق دمج شبكة ألياف مخدرة بالجيوم في طرفي الألياف المخدرة بالإير لتشكيل تجويف رنيني.

تواجه ليزرات شبكة الألياف الليزرية DBR و DFB العديد من المشكلات مثل انخفاض كفاءة امتصاص المضخة بسبب التجاويف الرنانة القصيرة، والخطوط الطيفية الأوسع من الليزر الحلقي، والتنقل بين الأنماط.

تُبذل جهود متواصلة لحل هذه المشاكل. تشمل التحسينات المقترحة استخدام الألياف المخدرة المشتركة Er:Yb كوسيط كسب، واعتماد طريقة الضخ داخل التجويف، ودمج المذبذب ومضخم الطاقة.

3.3 ليزر الألياف الليزرية ذات النبضات القصيرة جداً

تعد ليزرات النبضات القصيرة جدًا موضوعًا بحثيًا ساخنًا في الوقت الحالي في ليزرات الألياف، وذلك باستخدام تقنيات قفل النمط السلبي في المقام الأول.

على غرار ليزرات الحالة الصلبة، تولد ليزرات الألياف مخرجات ليزر ذات نبضات قصيرة بناءً على مبدأ قفل النمط. عندما يعمل ليزر الألياف على عدد كبير من الأنماط الطولية داخل عرض نطاق الكسب، يتحقق قفل النمط عندما يتزامن طور كل نمط طولي ويكون فرق الطور بين أي نمطين طوليين متجاورين ثابتًا.

تقوم النبضة الواحدة التي تدور في التجويف الرنيني بإخراج الطاقة من خلال مقرنة الخرج. تنقسم ليزرات الألياف إلى ليزرات الألياف النشطة ذات الوضع النشط وليزرات الألياف ذات الوضع السلبي.

وتحد قدرة التشكيل النشط لقفل النمط النشط من عرض النبض للنبضة المقفلة النمطية، والتي تكون عادةً في حدود بيكو ثانية. تستخدم ليزرات الألياف الليزرية ذات القفل النمطي السلبي التأثيرات الضوئية غير الخطية للألياف أو المكونات الضوئية الأخرى لتحقيق قفل النمط.

هيكل الليزر بسيط ويمكنه تحقيق قفل وضع التشغيل الذاتي في ظل ظروف معينة دون أي مكونات تعديل. وباستخدام ليزر الألياف الليزرية ذاتية التأمين، يمكن أن تخرج نبضات قصيرة للغاية في حدود الفيمتو ثانية.

تم استخدام ليزر النبضات القصيرة جداً في مصادر الضوء فائقة السرعة، مما أدى إلى مجموعة متنوعة من تقنيات التحليل الطيفي والضخ التي تم حلها زمنياً. تُعد تقنية توليد النبضات فائقة القِصَر مفتاحًا لتحقيق تعدد التقسيم الزمني البصري فائق السرعة (OTDM). وتنتشر ليزرات الألياف الليزرية ذات النبضات القصيرة جدًا على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل المواد والبيولوجيا والطب والكيمياء والجيش.

4. الآفاق المستقبلية

إن الليزر هو جوهر تكنولوجيا الليزر، وسيكون اتجاه التطوير المستقبلي لليزر الليفي هو زيادة تحسين أداء الليزر الليفي، مثل زيادة طاقة الخرج وتحسين جودة الشعاع، وتوسيع الأطوال الموجية الليزرية الجديدة، وتوسيع نطاق الليزر القابل للضبط، وتضييق طيف الليزر، وتطوير نبضات قصيرة جداً (مستويات ps و fs) لليزر عالي السطوع، وإجراء أبحاث حول التصغير الشامل والتطبيق العملي والذكاء.

في السنوات الأخيرة، ركزت التنمية في السنوات الأخيرة بشكل أساسي على ثلاثة جوانب:

(1) تحسين أداء حواجز شبكة براغ الليفية، مما يسمح بتطبيقها بشكل جيد في ليزر الألياف;

(2) ليزر ليفي مع عرض أضيق للنبضات والخط الطيفي، وطاقة خرج أعلى، ونطاق ضبط أوسع، وما إلى ذلك;

(3) جعل ليزر الألياف أكثر عملية.

التطبيقات الصناعية: أبرز تطبيقات الألياف الليزر في الصناعة هو معالجة المواد. مع تزايد قوتها باستمرار، بدأ استخدام ليزر الألياف على نطاق واسع في القطع الصناعي.

تُعد ليزر الألياف مثالية لقطع ومعالجة ومعالجة كل من المعادن و المواد غير المعدنية. يمكن استخدامها لمعايرة المنتجات بالليزر، والقطع الدقيق، والنقش بالليزر, اللحام بالليزروالحفر الدقيق، والحفر الدقيق، والكشف بالليزر، والانحناء الدقيق، والقياس بالليزر، والجوانب التقنية الأخرى.

تطبيقات الاتصالات السلكية واللاسلكية: لتلبية المتطلبات الحالية للاتصالات ذات السعة العالية، أصبح تطبيق ليزر الألياف تقنية ناشئة في مجال الاتصالات.

ستنتقل تكنولوجيا الاتصالات المستقبلية تدريجياً من الاتصالات الكهربائية إلى الاتصالات البصرية. وﻻ تستطيع ليزرات اﻷلياف الضوئية أن تولد مخرجات ليزر مستمرة فحسب، بل يمكنها أيضا إنتاج نبضات ليزر قصيرة جدا تبلغ بيكو ثانية أو حتى فيمتو ثانية.

قطعت ليزر الألياف خطوات كبيرة في تقليل العتبات وتوسيع نطاقات الطول الموجي وقدرات الطول الموجي القابلة للضبط. يمكن أن تصل اتصالات السوليتون، وهي تقنية عملية، إلى مسافة إرسال تصل إلى ملايين الكيلومترات، ومعدل إرسال يبلغ 20 جيجابت/ثانية، ومعدل خطأ البت أقل من 10-13، مما يحقق إرسال إشارات عالية السرعة وعالية الجودة.

التطبيقات العسكرية: مع الزيادة المستمرة في قوة ألياف الليزر الليفية، أصبح تطبيقها في المجال العسكري أكثر انتشارًا.

ولتحقيق الغرض من أسلحة الطاقة الموجهة، يتم دمج العديد من ليزر الألياف في بنية مصفوفة متماسكة، والتي يمكن أن تزيد من قوة ليزر الألياف.

في مختبر أبحاث القوات الجوية في الولايات المتحدة الأمريكية، تُجرى حاليًا أبحاث على ليزر الألياف الليزرية بقدرة 100 كيلوواط لتلبية أهداف التطبيقات العسكرية.