تخيل أداة دقيقة للغاية يمكنها قطع المعادن ببراعة مشرط الجراح. لقد أحدثت ليزر الألياف ثورة في الصناعات من التصنيع إلى الطب. يتعمق هذا المقال في الميكانيكا الكامنة وراء ليزر الألياف، ويستكشف كيفية تسخير قوة الضوء من خلال الألياف الضوئية لتحقيق دقة وكفاءة لا مثيل لها. سيكتشف القراء التطبيقات المختلفة لهذه التكنولوجيا، والعلوم التي تجعلها ممكنة، والتطورات التي تشكل مستقبلها. انضم إلينا بينما نلقي الضوء على عالم ليزر الألياف الضوئية المتطور.
الألياف الضوئية، والمعروفة أيضًا باسم الألياف الضوئية، هي دليل موجي أسطواني يستخدم لنقل الضوء. ويستخدم مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي لحصر الموجة الضوئية داخل قلب الألياف وتوجيهها على طول محور الألياف.
أدى استبدال الأسلاك النحاسية بالألياف الضوئية إلى تغيير العالم. كوسيط لنقل الضوء، تم اعتماد الألياف الضوئية على نطاق واسع منذ اقتراحها من قبل جاو كون في عام 1966 بسبب مزاياها العديدة مثل السعة العالية، والقدرات القوية المضادة للتداخل، وفقدان الإرسال المنخفض، ومسافة الإرسال الطويلة، والأمان الممتاز، والقدرة القوية على التكيف، والحجم الصغير، والوزن الخفيف، وموارد المواد الخام الوفيرة.
حصل جاو كون، المعروف على نطاق واسع بأنه "أبو الألياف الضوئية"، على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2009.
لقد تغيرت صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية من خلال التحسين المستمر والتطبيقات العملية للألياف الضوئية. فقد حلت الألياف الضوئية إلى حد كبير محل الأسلاك النحاسية وأصبحت الآن جزءاً أساسياً من الاتصالات الحديثة.
نظام الاتصالات بالألياف الضوئية هو نوع من أنظمة الاتصالات التي تستخدم الضوء كحامل للمعلومات والألياف الضوئية كوسيط موجي. وعند نقل المعلومات، يتم تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية وإرسالها داخل الألياف الضوئية.
باعتبارها شكلاً جديدًا من أشكال تكنولوجيا الاتصالات، أظهرت اتصالات الألياف الضوئية مزايا لا تضاهى منذ البداية، مما جذب اهتمامًا واهتمامًا واسع النطاق.
كما حفز الاستخدام الواسع النطاق للألياف الضوئية في الاتصالات التطور السريع لمضخمات الألياف وليزر الألياف. وبالإضافة إلى مجال الاتصالات، يشيع استخدام أنظمة الألياف الضوئية أيضاً في الطب والاستشعار ومجالات أخرى.
تعمل الألياف النشطة كوسيط كسب في ليزر الألياف. ويمكن تصنيفها إلى ألياف أحادية الوضع، وألياف مزدوجة الملبس، وألياف بلورية ضوئية بناءً على بنيتها.
تتكون الألياف أحادية الوضع من قلب وكسوة وطلاء. يكون معامل انكسار المادة الأساسية (N1) أعلى من معامل انكسار مادة الكسوة (N2). عندما تكون زاوية سقوط الضوء الساقط أكبر من الزاوية الحرجة، ينبعث الشعاع بالكامل في القلب، مما يسمح للألياف الضوئية بحصر الشعاع في القلب ونقله.
ومع ذلك، لا يمكن للكسوة الداخلية للألياف أحادية الوضع أن تحصر ضوء المضخة متعدد الأوضاع، كما أن القلب يحتوي على فتحة عددية منخفضة. ونتيجة لذلك، لا يمكن الحصول على خرج الليزر إلا عن طريق اقتران ضوء المضخة أحادية الوضع في القلب.
استخدمت ليزرات الألياف الليزرية المبكرة الألياف أحادية الوضع، مما أدى إلى انخفاض كفاءة الاقتران وإنتاج طاقة خرج تبلغ ملي واط فقط.
انتقال الضوء في الألياف الضوئية
في محاولة للتغلب على القيود المفروضة على الألياف التقليدية أحادية النمط أحادية النمط أحادية الكسوة المخدرة باليتربيوم (Yb3+) من حيث كفاءة التحويل وطاقة الخرج، اقترح ر. مورير لأول مرة مفهوم الألياف مزدوجة الكسوة في عام 1974. ومع ذلك، لم تشهد تقنية ألياف الليزر/مضخم الألياف المخدرة بالإيتربيوم عالية الطاقة تطورًا سريعًا إلا بعد أن اقترح إي سنيتزر وآخرون تقنية الضخ بالكسوة في عام 1988.
الألياف الضوئية المكسوة المزدوجة هي نوع من الألياف الضوئية ذات بنية فريدة من نوعها. وبالمقارنة مع الألياف الضوئية التقليدية، فهي تحتوي على كسوة داخلية مكونة من طبقة طلاء وكسوة داخلية وكسوة خارجية ولب مخدّر.
تعتمد تقنية الضخ بالكسوة على الألياف المكسوة المزدوجة وتهدف إلى نقل ضوء المضخة متعدد الأوضاع في الكسوة الداخلية وضوء الليزر في قلب الألياف، وبالتالي تحسين كفاءة تحويل المضخة وطاقة خرج ليزر الألياف بشكل كبير.
تُعد بنية الألياف المزدوجة المكسوة وشكل الكسوة الداخلية ونمط اقتران ضوء المضخة من الأمور الحاسمة في هذه التقنية.
يتكون ملف الألياف الليفية المكسوة المزدوجة من السيليكا (SiO2) المخدرة بعناصر أرضية نادرة. في ليزر الألياف، يعمل كوسيط ليزر وقناة نقل إشارة الليزر.
للتأكد من أن الإثارة الناتجة هي الوضع المستعرض الأساسي، يتم تقليل المعلمة V لطول موجة العمل المقابلة من خلال تصميم الفتحة العددية وقطر القلب.
البُعد العرضي للكسوة الداخلية (أكبر بعشرات المرات من قطر القلب التقليدي) والفتحة العددية أكبر بكثير من القلبية، ومعامل انكسارها أقل من القلبية، مما يحد من الانتشار الكامل لليزر في القلب.
ويؤدي ذلك إلى إنشاء دليل موجي بصري ذو مقطع عرضي كبير وفتحة عددية كبيرة بين القلب والكسوة الخارجية، مما يسمح باقتران ضوء المضخة عالي الطاقة بفتحة عددية كبيرة ومقطع عرضي متعدد الأوضاع في الألياف الضوئية ويقتصر على الإرسال داخل الكسوة الداخلية دون انتشار. وهذا يساعد في الحفاظ على الضخ البصري بكثافة عالية الطاقة.
تتكون الكسوة الخارجية للألياف المكسوة المزدوجة من مواد بوليمرية ذات معامل انكسار أقل من الكسوة الداخلية. الطبقة الخارجية عبارة عن طبقة واقية مصنوعة من مواد عضوية.
يتم تحديد مساحة اقتران الألياف المزدوجة المكسوة بضوء المضخة من خلال حجم الكسوة الداخلية، على عكس الألياف أحادية الوضع التقليدية، والتي يتم تحديدها فقط من خلال القلب.
يؤدي ذلك إلى إنشاء هيكل دليل موجي مزدوج الطبقة للألياف المكسوة المزدوجة.
فمن ناحية، يعمل على تحسين كفاءة اقتران الطاقة في ليزر الألياف، مما يسمح لضوء المضخة بإثارة الأيونات المخدرة وإصدار ضوء الليزر عبر قلب الألياف عدة مرات عند إجرائه في الكسوة الداخلية.
من ناحية أخرى، يتم تحديد جودة شعاع الخرج من خلال طبيعة قلب الألياف، ولا يؤثر إدخال الكسوة الداخلية سلبًا على جودة شعاع الخرج لليزر الليفي.
المخطط الهيكلي للألياف المكسوة المزدوجة الثماني الأضلاع
رسم تخطيطي لهياكل الكسوة الداخلية المختلفة
يمكن للكسوة الداخلية المصممة خصيصًا لليزر الليفي المزدوج المكسو بالليزر أن تعزز بشكل كبير من كفاءة استخدام ضوء المضخة.
في البداية، كانت بنية الكسوة الداخلية للألياف المكسوة المزدوجة متناظرة أسطوانيًا، مما يجعل عملية تصنيعها بسيطة نسبيًا وسهلة الاقتران مع ألياف ذيل الصمام الثنائي الليزري للمضخة (LD).
ومع ذلك، أدى تناظرها المثالي إلى وجود عدد كبير من الأشعة الحلزونية في ضوء المضخة داخل الكسوة الداخلية، والتي لن تصل أبدًا إلى منطقة القلب حتى بعد انعكاسات متعددة.
ونتيجة لذلك، لا يمكن امتصاص هذه الأشعة بواسطة قلب الألياف، مما يؤدي إلى تسرب الضوء، مما يجعل من الصعب تحسين كفاءة التحويل، حتى مع استخدام ألياف أطول.
لذلك، يجب تعطيل التماثل الأسطواني لبنية الكسوة الداخلية.
في الألياف التقليدية المزدوجة المكسوة بالألياف، يتم تحديد طاقة الليزر الخرجية من خلال حجم قلب الألياف، وتحدد الفتحة العددية جودة شعاع الليزر الناتج.
ومع ذلك، فإن قيود الآليات الفيزيائية مثل التأثيرات غير الخطية والضرر البصري في الألياف الضوئية تجعل من المستحيل تلبية احتياجات التشغيل أحادي الوضع للألياف المزدوجة المكسوة بمجال الوضع الكبير عند خرج طاقة عالية من خلال زيادة قطر القلب وحده.
يوفر ظهور الألياف البصرية الخاصة، مثل الألياف البلورية الضوئية (PCF)، حلاً فعالاً لهذه المشكلة.
اقترح E. Yablonovitch مفهوم البلورات الضوئية لأول مرة في عام 1987. ويتضمن هذا المفهوم مواد عازلة ذات ثوابت عازلة متفاوتة تشكل بنية دورية بترتيب الطول الموجي للضوء في فضاء أحادي أو ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد. وهذا يخلق نطاقات توجيه ضوئي تسمح بانتشار الضوء وفجوات نطاق ضوئي (PBG) تمنع انتشار الضوء.
من خلال تغيير ترتيب وفترة توزيع الوسائط المختلفة، يمكن تحقيق العديد من التغييرات في خصائص البلورات الضوئية، مما يتيح وظائف محددة.
الألياف الكريستالية الضوئية (PCF) هي بلورة ضوئية ثنائية الأبعاد، ويشار إليها أيضًا باسم الألياف المجهرية أو الألياف المسامية.
في عام 1996، ابتكر J.C. Knight وآخرون أول ثنائي الفينيل متعدد الكلور PCF، وتشبه آلية توجيه الضوء فيه آلية توجيه الضوء بالانعكاس الداخلي الكلي في الألياف الضوئية التقليدية.
تم اختراع أول ثنائي الفينيل متعدد الكلور القائم على مبدأ فجوة النطاق الضوئي في عام 1998.
بعد عام 2005، أصبحت طرق تصميم وإعداد ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو الوضع الكبير متنوعة، مع ظهور هياكل مختلفة الأشكال، بما في ذلك ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو القناة المتسربة، وثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو القضيب، وثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو المسافات الكبيرة، وثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد النواة.
كما زادت مساحة مجال وضع الألياف الضوئية.
البنية المجهرية للألياف الكريستالية الضوئية المختلفة
تبدو الألياف الكريستالية الضوئية (PCF) مشابهة للألياف أحادية الوضع التقليدية، ولكنها تحتوي على بنية مصفوفة ثقوب معقدة على مستوى البنية المجهرية.
وتمنح هذه الميزات الهيكلية ألياف PCF العديد من المزايا الفريدة التي لا يمكن أن تضاهيها الألياف الضوئية التقليدية، مثل الإرسال أحادي الوضع غير المقطوع، ومساحة مجال الوضع الكبيرة، والتشتت القابل للتعديل، والخسارة المحدودة المنخفضة، والتغلب على العديد من المشاكل في الليزر التقليدي.
على سبيل المثال، يمكن ل PCF تحقيق عملية أحادية الوضع مع مساحة مجال وضع كبيرة، مما يقلل بشكل كبير من كثافة طاقة الليزر في الألياف الضوئية، وتقليل التأثير غير الخطي في الألياف الضوئية، وتحسين عتبة تلف الألياف الضوئية مع الحفاظ على جودة الحزمة.
كما أنه يسمح أيضًا بفتحة عدديّة كبيرة، مما يؤدي إلى اقتران أفضل لضوء المضخة وإخراج ليزر ذي طاقة أعلى.
وقد أدت هذه المزايا التي يتمتع بها ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى زيادة الأبحاث في جميع أنحاء العالم، مما جعله محور تركيز بحثي جديد في ليزر الألياف، ويلعب دورًا متزايد الأهمية في تطبيقات ليزر الألياف عالية الطاقة.
يُطلق على الليزر المزوَّد بألياف ضوئية كوسيط اكتساب الليزر اسم ليزر الألياف.
مثل أنواع الليزر الأخرى، فهو يتكون من وسيط كسب ومصدر مضخة ومرنان.
إن استخدامات ألياف الليزر الألياف النشطة، المخدرة بعناصر أرضية نادرة في القلب، كوسيط كسب.
وعادةً ما تعمل أشباه الموصلات الليزرية كمصدر للمضخة، بينما يتكون المرنان من مرايا أو أوجه طرفية ليفية أو مرايا ليفية حلقية أو حواجز شبكية ليفية.
استنادًا إلى خصائص المجال الزمني، يمكن تقسيم ليزر الألياف إلى ليزر ليفي مستمر وليزر ليفي نابض.
استنادًا إلى بنية المرنان، يمكن تقسيمها إلى ليزر ألياف التجويف الخطي وليزر الألياف الموزعة وليزر الألياف الموزعة وليزر الألياف ذات التجويف الحلقي.
استنادًا إلى الألياف ذات الكسب المختلف ووضع الضخ، يمكن تقسيمها إلى ليزر ألياف ذات كسوة واحدة (الضخ الأساسي) وليزر ألياف ذات كسوة مزدوجة (ضخ الكسوة).
مبدأ هيكل كل ألياف الليزر الليفي التجويفي الخطي الليفي
في عام 1961، اكتشف سنيتزر إشعاع الليزر في الموجهات الموجية الزجاجية المخدرة بالنيودونيوم.
في عام 1966، درس غاو كون بدقة الأسباب الرئيسية للتوهين البصري في الألياف الضوئية وأشار إلى المشاكل التقنية الرئيسية التي يجب معالجتها للتطبيق العملي للألياف الضوئية في الاتصالات.
في عام 1970، طورت شركة كورنينج في الولايات المتحدة الأمريكية أليافًا ضوئية ذات توهين أقل من 20 ديسيبل/كيلومتر، مما أرسى الأساس لتطوير الاتصالات البصرية وتكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية.
كما سهلت هذه الطفرة التكنولوجية إلى حد كبير تطوير ليزر الألياف.
في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين، أدى نضج تكنولوجيا أشباه الموصلات الليزرية وتسويقها إلى توفير مصادر ضخ موثوقة ومتنوعة لتطوير ليزر الألياف.
وفي الوقت نفسه، أدى تقدم ترسيب البخار الكيميائي إلى تقليل فقدان الإرسال في الألياف الضوئية.
تنوعت ليزرات الألياف بسرعة. ويجري تخدير عناصر أرضية نادرة مختلفة، مثل الإربيوم (Er3+) والإيتربيوم (Yb3+) والنيوديميوم (Nd3+) والسماريوم (Sm3+) والثوليوم (Tm3+) والهولميوم (Ho3+) والبراسيوديميوم (Pr3+) والديسبروسيوم (Dy3+) والبزموت (Bi3+) في الألياف لتحقيق ناتج ليزر بأطوال موجية مختلفة لتلبية مختلف متطلبات التطبيقات.
نطاق الطيف الانبعاثي لألياف الكوارتز المطعمة بعناصر أرضية نادرة
تتمثل مزايا ليزر الألياف الليفي عالي الطاقة فيما يلي.
يجعل هيكل الدليل الموجي لليزر الليفي من السهل إنتاج مخرجات ذات وضع عرضي واحد ولا يتأثر بشكل كبير بالعوامل الخارجية، مما يؤدي إلى إخراج ليزر عالي السطوع.
يمكن أن تحقق ليزرات الألياف الليزرية كفاءة تحويل ضوئية إلى ضوئية عالية باستخدام ليزر أشباه الموصلات الذي يتطابق طول موجته الانبعاثية مع خصائص امتصاص العناصر الأرضية النادرة المخدرة كمصدر للمضخة.
بالنسبة لليزرات الليزرات الليفية المطعمة بالإيتربيوم عالية الطاقة، عادةً ما يتم اختيار ليزرات أشباه الموصلات 915 نانومتر أو 975 نانومتر.
تؤدي بنية مستوى الطاقة البسيطة لـ Yb3+ إلى ظواهر قليلة مثل التحويل الصاعد، وامتصاص الحالة المثارة وإخماد التركيز، وعمر تألق طويل، مما يجعله فعالاً لتخزين الطاقة وتحقيق عملية عالية الطاقة.
يمكن أن تصل الكفاءة الكهروضوئية الإجمالية لليزر الألياف الضوئية التجارية إلى 25%، مما يساهم في خفض التكلفة والحفاظ على الطاقة وحماية البيئة.
تستخدم ليزرات الألياف الليزرية أليافًا رفيعة مخدرة بالأرض النادرة كوسيط كسب ليزر، والتي تتميز بمساحة سطح كبيرة ونسبة حجم كبيرة. ويزيد ذلك بحوالي 1000 مرة عن ليزر الكتلة الصلبة ويوفر مزايا متأصلة من حيث تبديد الحرارة.
بالنسبة لتطبيقات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة، لا يلزم تبريد خاص للألياف الضوئية. في سيناريوهات الطاقة العالية، يمكن للتبريد بالماء أن يخفف بشكل فعال من الانخفاض في جودة الحزمة والكفاءة الناجم عن التأثيرات الحرارية في ليزر الحالة الصلبة.
إن استخدام ليزر الألياف الليزرية لألياف صغيرة ومرنة كوسيط لكسب الليزر يجعله مثاليًا لتقليل الحجم وخفض التكاليف. كما يتميز مصدر المضخة، وهو ليزر أشباه الموصلات، بحجم صغير ويمكن تركيبه بسهولة. ويمكن إخراج معظم المنتجات التجارية باستخدام ألياف الذيل.
من خلال دمج أجهزة الألياف الضوئية مثل حواجز شبكية من الألياف الضوئية، يمكن تحقيق نظام ألياف ضوئية بالكامل من خلال دمج هذه الأجهزة. ويؤدي ذلك إلى مناعة عالية ضد الاضطرابات البيئية، وثبات عالٍ، وتقليل وقت الصيانة وتكاليفها.
كما أن ليزر الألياف الليزرية عالية الطاقة له عيوب لا يمكن التغلب عليها:
أولاً، من السهل تقييدها بالتأثيرات غير الخطية.
ويمنحه هيكل الدليل الموجي لليزر الليفي طولاً فعالاً طويلاً، مما يؤدي إلى عتبة منخفضة للتأثيرات غير الخطية المختلفة. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي التأثيرات غير الخطية الضارة مثل تشتت رامان المحفّز (SRS) والتشكيل الذاتي الطور (SPM) إلى تقلبات الطور وانتقال الطاقة في الطيف وحتى تلف نظام الليزر، مما يعيق تقدم ليزر الألياف الليفية عالية الطاقة.
والثاني هو تأثير سواد الفوتون.
ينتج عن التركيز العالي للتشبع بالتراب النادر في ليزر الألياف الليزرية انخفاض تدريجي لا رجعة فيه في كفاءة تحويل الطاقة بسبب تأثير سواد الفوتون مع طول فترة الضخ. وهذا يحد من الاستقرار على المدى الطويل وعمر ليزر الألياف الليفية عالية الطاقة، خاصة في حالة ليزر الألياف الليفية عالية الطاقة المخدرة بالإيتربيوم.
ومع ذلك، فإن التطورات في أشباه الموصلات الليزرية عالية السطوع المقترنة بالألياف الليزرية وتكنولوجيا الألياف المزدوجة المكسوة قد حسّنت بشكل كبير من طاقة الخرج وكفاءة التحويل البصري وجودة الشعاع لليزر الليفي عالي الطاقة.
أدى الطلب الهائل على ليزر الألياف الليزرية عالية الطاقة في المعالجة الصناعية وأسلحة الطاقة الموجهة والقياس عن بُعد عن بُعد والليدار وغيرها من المجالات إلى دفع الجهود البحثية التي تبذلها شركات مثل IPG Photonics وNufern وNLight ومجموعة Trumpf، مما أدى إلى تطوير ليزر الألياف الليزرية عالية الطاقة ذات الموجة المستمرة والنبضية على حد سواء مع خط إنتاج متنوع.
كما أبلغت مؤسسات أكاديمية مثل جامعة تسينغهوا، وجامعة علوم وتكنولوجيا الدفاع الوطني، ومعهد شنغهاي للبصريات والآلات الدقيقة، والأكاديمية الصينية للعلوم، ومعهد البحوث الرابع لمجموعة علوم وصناعة الفضاء الصينية عن نتائج مثيرة في هذا المجال.
تؤدي محدودية التأثيرات غير الخطية والتأثيرات الحرارية وعتبات تلف المواد في ليزر الألياف إلى طاقة خرج محدودة لليزر الليفي أحادي القناة، مع انخفاض جودة الحزمة مع زيادة الطاقة.
لتحسين جودة الحزمة، من الضروري اعتماد تقنية التحكم في الوضع وتصميم ألياف جديدة ذات هياكل خاصة. أجرى جيه دبليو داوسون وزملاؤه تحليلاً نظريًا لحد طاقة الخرج للألياف المفردة. وتكشف الحسابات أن ليزر الألياف الليفية عريضة النطاق يمكن أن يحقق خرج ليزر قريب من حد التشتت بقدرة قصوى تبلغ 36 كيلوواط، بينما يمكن أن يصل ليزر الألياف الليفية ضيقة العرض الخطي إلى قدرة قصوى تبلغ 2 كيلوواط.
ولزيادة تعزيز طاقة خرج ليزر الألياف ومضخمات الليزر الليفية، فإن توليف طاقة ليزر الألياف متعددة القنوات من خلال تقنية التوليف المتماسك هي طريقة فعالة. وقد أصبح هذا موضوعًا تم بحثه على نطاق واسع في السنوات الأخيرة.
نظام التوليف المتماسك لليزر الليفي
تحد القيود التي تفرضها التأثيرات غير الخطية والتأثيرات الحرارية وعتبات تلف المواد في ليزر الألياف من طاقة الخرج لليزر الليفي أحادي القناة وتؤدي إلى انخفاض جودة الحزمة مع زيادة الطاقة.
لتحسين جودة الشعاع، يجب استخدام تقنية التحكم في الوضع وتصميم هياكل الألياف الخاصة. أجرى جيه دبليو داوسون وزملاؤه تحليلاً نظريًا لحد طاقة الخرج لليف واحد. أظهرت النتائج أن ليزر الألياف الليفية عريضة النطاق يمكن أن ينتج خرج ليزر قريب من حد التشتت بطاقة قصوى تبلغ 36 كيلوواط، بينما يمكن أن يصل ليزر الألياف الليفية ضيقة العرض الخطي إلى طاقة قصوى تبلغ 2 كيلوواط.
تُعد تقنية التوليف المترابط، التي تنطوي على توليف طاقة ليزر الألياف المتعددة، طريقة فعالة لزيادة طاقة خرج ليزر الألياف ومضخمات الألياف. وقد أصبح هذا النهج موضوع اهتمام بحثي كبير في السنوات الأخيرة.
وبالإضافة إلى المزايا الفريدة لليزر الألياف الضوئية والطلب على أنظمة 100 كيلوواط، لعبت الأجهزة الداعمة المختلفة، مثل المقرنات المخروطية المنصهرة بالألياف، والألياف متعددة النواة، ومعدلات الطور مع أسلاك التوصيل الضوئي، ومبدلات الترددات الصوتية البصرية، دورًا حاسمًا في تسويق اتصالات الألياف الضوئية.
تجعل المقرنة المخروطية المدمجة بالألياف والألياف متعددة النواة التحكم في الطور السلبي من خلال اقتران حقن طاقة الليزر واقتران الموجات المتطايرة أكثر قابلية للإدارة.
يسمح مُعدِّل الطور المزوَّد بأضلاع التوصيل ومبدلات الترددات الصوتية البصرية بالتحكم النشط في الطور مع عرض نطاق ترددي للتحكم بالميغاهرتز، مما يتيح التحكم في تقلبات الطور في ظل ظروف الطاقة العالية وتحقيق خرج مغلق الطور.
وقد اقترح الباحثون العديد من مخططات التوليف المتماسك المتميزة، بما في ذلك تقنية التوليف الطيفي، وهي تقنية توليف غير مترابطة تستخدم شبكة حيود واحدة أو أكثر لتشتيت حزم فرعية متعددة في نفس الفتحة للحصول على مخرج فتحة واحدة وتحسين جودة الحزمة.
يستفيد التوليف الطيفي لليزر الليفي استفادة كاملة من عرض نطاق الكسب الواسع لليزر الليفي المخدّر بالإيتربيوم للتغلب على قيود طاقة خرج الليزر الليفي الأحادي، مما يؤدي إلى طاقة عالية وشعاع عالي ليزر عالي الجودة الإخراج. وهذا أحد السبل التقنية المهمة لليزر الليفي عالي الطاقة في المستقبل.
نظام ليزر الألياف الليفية الاصطناعية الطيفية
أجرى معهد شنغهاي للبصريات والميكانيكا في السنوات الأخيرة أبحاثًا مكثفة حول ليزر الألياف الضوئية عالية الطاقة والتركيب الطيفي في السنوات الأخيرة، محققًا اختراقات كبيرة في إعداد الأجهزة والتقنيات الرئيسية وأنظمة التركيب الطيفي.
فيما يتعلق بمضخمات الألياف الضيقة عرض الخط ومضخمات الألياف عالية الطاقة، استخدم المعهد أجهزة أساسية مطورة ذاتيًا مثل شبكات الألياف براغ الليفية ومجمعات الألياف عالية الطاقة والمرشحات الضوئية المكسوة في عام 2016. واستند ذلك إلى التقنيات الرئيسية بما في ذلك الترشيح المتتالي لشبكات الألياف، والتحكم في عرض الخط، والتحكم في معلمات مرحلة التضخيم، والتحكم في وضع الألياف.
تجاوز هذا الاختراق حد طاقة الخرج أحادية الوضع لليزر مع عرض خطي أقل من 50 جيجاهرتز الذي أبلغت عنه مجموعة البحث في جامعة جينا في ألمانيا. وقد تمكن المعهد من تحقيق خرج ليزر ليزري ليفي قريب من حد التشتت بقدرة 2.5 كيلوواط، وعرض خطي يبلغ 0.18 نانومتر (50 جيجاهرتز)، وطول موجي مركزي يبلغ 1064.1 نانومتر.
ويتميز الليزر ببذرة ألياف ضوئية مدمجة ومستقرة من الألياف الضوئية بالكامل وهيكل تضخيم ثلاثي المراحل، مما يجعله قويًا للغاية. ويستخدم المضخم الرئيسي أليافًا غير مستقطبة غير قابلة للاستقطاب بحجم 20 ميكرومتر/400 ميكرومتر، ويمكن أن تؤدي زيادة طاقة المضخة المتاحة إلى زيادة تحسين طاقة خرج الليزر.
فيما يتعلق بالتركيب الطيفي، تتميز حواجز شبكية الانعكاس العاكسة ذات الأغشية المعدنية بعتبة تلف منخفضة وغير قادرة على تحمل الإشعاع الليزري عالي الطاقة، مما يجعل من الصعب تحقيق تركيب طيفي عالي الطاقة. ومع ذلك، في أغسطس 2016، حقق المعهد توليفاً طيفياً لجودة شعاع عالية تبلغ 11.27 كيلوواط باستخدام 7 ليزرات ليفية ضيقة العرض الخطي وعتبة تلف عالية الاستقطاب غير المترابطة متعددة الطبقات لحواجز شبكية حيود عاكسة عازلة متعددة الطبقات (MLDG)، مما حقق تقدماً كبيراً في التوليف الطيفي لليزر الليفي عالي الطاقة.
تتمتع ليزر الألياف بأداء ممتاز في مجموعة متنوعة من المجالات مثل المعالجة الصناعية والعلاج الطبي والاستشعار عن بعد والأمن والبحث العلمي نظرًا لجودة الحزمة الجيدة والكفاءة الكهربائية البصرية العالية والبنية المدمجة والموثوقية.
في القطاع الصناعي، يمكن تصنيف ليزر الألياف إلى ثلاث فئات بناءً على طاقة الخرج:
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية منخفضة الطاقة (أقل من 50 واط) بشكل أساسي في معالجة البنى المجهرية، والنقش بالليزر، وتعديل المقاومة، والدقة الحفروالنقش على المعادن، إلخ.
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية متوسطة الطاقة (50 إلى 500 واط) بشكل أساسي في الحفر واللحام والقطع و معالجة السطح من ألواح معدنية رقيقة.
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية عالية الطاقة (> 1000 واط) بشكل أساسي لقطع الألواح المعدنية السميكة وطلاء الأسطح المعدنية والمعالجة ثلاثية الأبعاد للألواح الخاصة وغيرها.
تتمتع ليزر الألياف بأداء متميز في مجالات مختلفة مثل المعالجة الصناعية والعلاج الطبي والاستشعار عن بعد والأمن والبحث العلمي نظرًا لجودة الحزمة الجيدة والكفاءة الكهربائية البصرية العالية والتصميم المدمج والموثوقية.
في المجال الصناعي، يمكن تجميع ليزر الألياف في ثلاث فئات بناءً على طاقة الخرج:
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية منخفضة الطاقة (أقل من 50 واط) في المقام الأول لمعالجة البنى المجهرية، والنقش بالليزر، وتعديل المقاومة، والحفر الدقيق، ونقش المعادن، وما إلى ذلك.
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية متوسطة الطاقة (50 إلى 500 واط) في الغالب في الحفر واللحام والقطع والمعالجة السطحية للألواح المعدنية الرقيقة.
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية عالية الطاقة (> 1000 واط) في المقام الأول لقطع الألواح المعدنية السميكة وطلاء الأسطح المعدنية والمعالجة ثلاثية الأبعاد للألواح الخاصة، من بين تطبيقات أخرى.
تتمتع ليزر الألياف بأداء استثنائي في مجالات مختلفة مثل المعالجة الصناعية والعلاج الطبي والاستشعار عن بعد والأمن والبحث العلمي نظرًا لجودة الحزمة الجيدة والكفاءة الكهربائية البصرية العالية والتصميم المدمج والموثوقية.
في القطاع الصناعي، يمكن تصنيف ليزر الألياف إلى ثلاث فئات بناءً على طاقة الخرج:
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية منخفضة الطاقة (أقل من 50 واط) في المقام الأول لمعالجة البنى المجهرية، والنقش بالليزر، وتعديل المقاومة، والحفر الدقيق، ونقش المعادن، وما إلى ذلك.
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية متوسطة الطاقة (50 إلى 500 واط) في الغالب في الحفر واللحام والقطع والمعالجة السطحية للألواح المعدنية الرقيقة.
تُستخدم ليزرات الألياف الليزرية عالية الطاقة (> 1000 واط) في المقام الأول لقطع الألواح المعدنية السميكة، وطلاء الأسطح المعدنية، والمعالجة ثلاثية الأبعاد للألواح الخاصة، من بين تطبيقات أخرى.
بالمقارنة مع مصادر الضوء الأخرى، يساهم الحجم الأصغر لليزر الليفي في زيادة قابلية التنقل على منصات الإطلاق، وبالتالي تحسين القدرة على التكيف والقدرة على البقاء في ساحة المعركة.
في أفغانستان، تم استخدام نظام "Zeus" لكسح الألغام بالليزر التابع لشركة "سباتا" في إزالة الألغام.
منذ عام 2009، استخدمت البحرية الأمريكية بنجاح أنظمة ليزر الألياف البصرية لتدمير الطائرات بدون طيار والقذائف والسفن الصغيرة. وتم تركيب النظام على السفن الحربية في عام 2014.
في عام 2012، أطلقت شركة راينميتال الألمانية المتخصصة في مجال الدفاع نظام ليزر مزدوج الأنبوب بقدرة 50 كيلوواط، نجح في اعتراض وتدمير طائرات بدون طيار وقذائف وأهداف أخرى في تجربة تجريبية.
سلاح الليزر هو سلاح ذو مفهوم جديد سريع التطور.
فهو يبعث أشعة ليزر عالية الطاقة بسرعة الضوء على سطح الهدف، مسبباً أضراراً للأجهزة الرئيسية مثل الكشف الكهروضوئي والملاحة والتوجيه، أو يجعل الهدف "أعمى وأصم"، أو يحرق قذيفة الجسم المتحرك لإسقاطه، أو يفجر الوقود لتفجيره في الهواء، وبذلك تتم مهمة إحداث الضرر في فترة زمنية قصيرة.
وتتميز بمزايا تركيز الطاقة وسرعة الإرسال السريع والاستخدام المتكرر، بالإضافة إلى الكفاءة العالية من حيث التكلفة وسرعة نقل الحرائق ومقاومة التداخل الكهرومغناطيسي.
منذ بدايتها، كان لتطوير أسلحة الليزر نصيبها من الصعود والهبوط. ومع ذلك، فإن نضج ليزر الحالة الصلبة تقنيات مثل ليزر الألياف الليزرية التي أنعشت تطوير أسلحة الليزر وأصبحت محور أبحاث القوى العسكرية الكبرى.
في الوقت الحاضر، بدأت دول مثل الولايات المتحدة وبريطانيا وروسيا وألمانيا والهند في تطوير أسلحة الليزر وأجرت الاختبارات ذات الصلة.
أصبح دخول أسلحة الليزر إلى ساحة المعركة قاب قوسين أو أدنى.
في محاولة لمكافحة التهديدات غير المتكافئة مثل الطائرات بدون طيار والقوارب الهجومية الشبحية وتعزيز قدرات الدفاع القريب للسفن، بدأت البحرية الأمريكية رسمياً تطوير "نظام سلاح الليزر" (LAWS) في عام 2010. وقد تم نشر النظام على متن سفينة النقل البرمائية "بونس" في سبتمبر 2014 لإجراء اختبار وتقييم تشغيلي لمدة عام واحد.
تتولى ريثيون قيادة نظام الأسلحة المستقلة الفتاكة (LAWS)، بمشاركة بوينج ولوكهيد مارتن في بعض جوانب العمل. ويستفيد النظام من التقنيات والمكونات التجارية الحالية إلى أقصى حد ممكن لتقليل تكاليف البحث والتطوير والمشتريات.
ويتألف النموذج الأولي لنظام الأسلحة الليزرية الفتاكة (LAWS) من ستة أجهزة ليزر من الألياف الصناعية، والتي عند تشغيلها تجمع أشعة الليزر الخاصة بها لإنتاج شعاع ليزر بقوة 30 كيلوواط. وتكلفة استخدام نظام سلاح الليزر منخفضة، حيث تقدر تكلفة الطلقة الواحدة بـ $1 فقط، في تناقض صارخ مع عشرات الآلاف أو مئات الآلاف من الدولارات للصاروخ الواحد.
في عام 2016، بدأ مكتب أبحاث البحرية الأمريكية في تطوير نظام سلاح ليزر جديد عالي الطاقة محمول على متن السفن بطاقة إنتاجية تبلغ 150 كيلوواط، وهو أقوى بخمس مرات من النموذج الأولي لنظام القوانين الذي تم اختباره سابقاً. وقد استغرق المشروع 12 شهراً وتكلف $53 مليون دولار أمريكي لتطوير "النموذج الأولي لإثبات نظام سلاح الليزر" على ثلاث مراحل: المرحلة الأولى كانت التصميم الأولي، والمرحلة الثانية كانت الاختبار الأرضي، والمرحلة الثالثة كانت الاختبار على سفينة اختبار الدفاع الذاتي التابعة للبحرية.
في عام 2014، اشتركت الأكاديمية الصينية للفيزياء الهندسية ومعهد شنغهاي للبصريات والميكانيكا في تطوير نظام "الحراسة على ارتفاعات منخفضة". وفي تجربة البيان العملي والتحقق، تم بنجاح إسقاط أكثر من 30 طائرة صغيرة، مثل الطائرات ذات الأجنحة الثابتة ومتعددة المروحيات وطائرات الهليكوبتر، بمعدل نجاح 100%. وتبلغ قوة إطلاق النظام ما يقرب من 10,000 واط ومساحة حماية فعالة تبلغ 12 كيلومترًا مربعًا للارتفاعات المنخفضة. كان بإمكانه اعتراض مجموعة متنوعة من الطائرات بدقة، بما في ذلك الطائرات ذات الأجنحة الثابتة، ضمن دائرة نصف قطرها 2 كيلومتر ومجال جوي 360 درجة، في حدود 5 أمتار. كان النظام سريعاً ودقيقاً وخالياً من الأضرار الجانبية.
في عام 2015، استخدمت شركة لوكهيد مارتن سلاح ليزر بقوة 30 كيلوواط يسمى أثينا لتدمير شاحنة من على بعد ميل. وفي مارس 2017، أعلنت الشركة عن استكمال أبحاثها وتطوير نظام سلاح ليزر بقوة 60 كيلوواط، وشحنه إلى مركز قيادة الجيش الأمريكي في ألاسكا. وذكر كبير التقنيين في الشركة أن الاختبارات الناجحة تقربنا من تطوير أنظمة أسلحة ليزر محمولة يمكن نشرها على الطائرات العسكرية والمروحيات والسفن والشاحنات. وقد أظهرت الأبحاث أن الليزر الموجه عالي الطاقة أصبح الآن مدمجاً وخفيف الوزن وموثوقاً بما يكفي لاستخدامه في الدفاع على المنصات البرية والبحرية والجوية.
في الختام، يُظهر تطور تكنولوجيا الليزر أن تكنولوجيا الليزر الليفي هي الاتجاه المستقبلي لليزر عالي الطاقة والليزر عالي السطوع. ويؤدي الجمع بين تكنولوجيا ألياف الدليل الموجي وتكنولوجيا الضخ الليزري لأشباه الموصلات إلى ابتكار ليزر ليفي عالي الطاقة يمكن أن يلبي الطلب الملح على الليزر عالي الطاقة وعالي الكفاءة في التصنيع الليزري المتقدم والدفاع العسكري.
ولهذه التكنولوجيا أهمية استراتيجية كبيرة للاقتصاد الوطني والأمن القومي على حد سواء. وعلاوة على ذلك، تتمتع أشعة الليزر الليفي عالي الطاقة بإمكانيات تطبيقية هائلة في مجالات مختلفة مثل استكشاف الطاقة، والأجهزة العلمية الكبيرة، وعلوم الفضاء، وعلوم البيئة، وغيرها. وستكون بمثابة أداة قوية للبشر لفهم العالم وتشكيله.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO