Vezellasertechnologie: Belangrijkste principes en toepassingen

1. Inleiding

Onderzoek naar gedoteerde fiber lasers met gain media gaat terug tot de jaren 1960 toen Snitzer in 1963 de creatie van een fiber laser met neodymium ionen (Nd³⁺) gedoteerd in een glasmatrix.

Sinds de jaren 1970 is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in de vezelvoorbereidingstechnologie en het onderzoek naar pomp- en resonantieholtestructuren voor vezellasers.

Halverwege de jaren 1980 vond een doorbraak plaats op het gebied van gedoteerde vezels (Er³⁺) aan de Universiteit van Southampton in het Verenigd Koninkrijk heeft de praktische bruikbaarheid van vezellasers sterk verbeterd en laat veelbelovende toepassingsvooruitzichten zien.

Vergeleken met traditionele vaste lasers en gaslasers hebben fiberlasers veel unieke voordelen, zoals een hoge straalkwaliteit, klein formaat, lichtgewicht, onderhoudsvrij, luchtgekoeld, eenvoudig te bedienen, lage bedrijfskosten en langdurig gebruik in industriële omgevingen.

Ze bieden ook een hoge verwerkingsprecisie, hoge snelheid, lange levensduur, energiebesparing en een uitstekende flexibiliteit voor intelligentie en automatisering. Daarom hebben ze op veel gebieden de traditionele YAG- en CO2-lasers vervangen.

Het golflengtebereik van vezellasers ligt tussen 400-3400 nm en is van toepassing op verschillende gebieden zoals optische gegevensopslag, optische communicatie, sensortechnologie, spectroscopie en medische toepassingen.

Momenteel vinden er snelle ontwikkelingen plaats in gedoteerde fiber lasers, fiber Bragg grating lasers, afstembare smalle lijnbreedte fiber lasers en hoogvermogen dubbel beklede fiber lasers.

2. Basisstructuur en werkingsprincipe van fiberlasers

2.1 Basisstructuur van vezellasers

De fiberlaser bestaat voornamelijk uit drie onderdelen: het versterkingsmedium dat fotonen kan genereren, de optische resonantieholte die fotonterugkoppeling en resonantieversterking in het versterkingsmedium mogelijk maakt en de pompbron die het lasermedium kan exciteren.

De basisstructuur van de fiberlaser wordt getoond in Figuur 2.1.

Het versterkingsmedium is een vezelkern gedoteerd met zeldzame aardionen. De gedoteerde vezel is geplaatst tussen twee spiegels met geselecteerde reflectiviteit. Het pomplicht wordt in de vezel gekoppeld vanaf de linkerspiegel van de fiberlaser en stuurt laserlicht door een collimerend optisch systeem en een filter.

Theoretisch zijn de pompbron en de versterkingsvezel de essentiële componenten van de fiberlaser en is de resonantieholte niet onmisbaar. De modusselectie van de resonantieholte en de verlenging van het versterkingsmedium zijn niet nodig in fiberlasers omdat de vezel zelf erg lang kan zijn, waardoor een zeer hoge single-pass gain wordt verkregen, en het golfgeleider effect van de vezel kan een modusselectie rol spelen.

In praktische toepassingen geeft men echter meestal de voorkeur aan kortere vezels, dus in de meeste gevallen wordt een resonantieholte gebruikt om terugkoppeling te introduceren.

Door de golfgeleiderstructuur van vezellasers kunnen ze een sterke pompfunctie aan en hebben ze een hoge versterking (single-pass versterking tot 50 dB). Zeldzame aardmetalen in de glasmatrix hebben een grote lijnbreedte en een groot afstembereik (Yb³⁺ is 125nm, Tm³⁺ >300nm).

De specifieke kenmerken zijn als volgt:

1) De vezel dient als golfgeleidermedium en biedt een hoge koppelingsefficiëntie, een kleine kerndiameter en het gemak om een hoge vermogensdichtheid binnen de vezel te vormen. De vezel kan gemakkelijk worden aangesloten op de huidige optische communicatiesystemen. De resulterende lasers hebben een hoge omzettingsefficiëntie, lage laserdrempel, uitstekende straalkwaliteit en smalle lijnbreedte.

2) Gezien de hoge "oppervlakte/volume" verhouding van de vezel heeft deze een goede warmteafvoer. De omgevingstemperatuur kan variëren van -20 tot 70℃, waardoor er geen groot waterkoelsysteem nodig is en alleen eenvoudige luchtkoeling.

3) De fiberlaser kan werken onder zware omstandigheden, zoals hoge impact, hoge trillingen, hoge temperatuur en stoffige omstandigheden.

4) Door de uitstekende flexibiliteit van de vezel kan de laser vrij klein en flexibel worden ontworpen, met een compacte vorm en klein volume, waardoor hij gemakkelijk in het systeem kan worden geïntegreerd en een hoge prestatie-prijsverhouding biedt.

5) De fiberlaser heeft vrij veel afstembare parameters en selectiviteit, waardoor het een breed afstembereik, uitstekende monochromaticiteit en hoge stabiliteit. Het heeft een lange levensduur van de pomp, met een gemiddelde foutloze werktijd van 10kh of zelfs meer dan 100kh.

2.2 Werkingsprincipe van fiberlaser

De huidige vezellasers gebruiken voornamelijk vezels gedoteerd met zeldzame aardelementen als versterkingsmedium.

Het werkingsprincipe van de fiberlaser is dat het pomplicht door de voorste reflector (of voorste rooster) op de gedoteerde vezel valt en dat de zeldzame aardionen die de fotonenenergie hebben geabsorbeerd energieniveauovergangen ondergaan, waardoor een "deeltjesaantalomkering" wordt bereikt.

De omgekeerde deeltjes zullen na relaxatie terug naar de grondtoestand gaan in de vorm van straling, waarbij tegelijkertijd energie vrijkomt in de vorm van fotonen en de laser door de achterreflector (achterrooster) wordt gestuurd.

De vezelversterker gedoteerd met zeldzame aarde-elementen heeft de ontwikkeling van vezellasers bevorderd, omdat vezelversterkers vezellasers kunnen vormen door middel van geschikte terugkoppelingsmechanismen.

Wanneer het pomplicht de zeldzame aardionen in de vezel passeert, wordt het geabsorbeerd door de zeldzame aardionen. Op dat moment worden de zeldzame aardatomen die fotonenenergie absorberen geëxciteerd tot een hoger laserenergieniveau, waardoor ionnummerinversie wordt bereikt.

Het omgekeerde ionengetal zal van het hoge energieniveau naar de grondtoestand overgaan in de vorm van straling en energie vrijgeven, waarmee de gestimuleerde straling compleet is. De stralingsmodus van de aangeslagen toestand naar de grondtoestand kent twee soorten: spontane straling en gestimuleerde straling.

Onder hen is gestimuleerde straling een straling met dezelfde frequentie en fase, die een zeer coherente laser kan vormen. Laseremissie is een fysisch proces waarbij gestimuleerde straling de spontane straling ver overtreft.

Om dit proces te laten doorgaan, moet er een ionengetalinversie worden gevormd. Daarom moeten de energieniveaus die betrokken zijn bij het proces groter zijn dan twee en moet er ook een pompbron zijn om energie te leveren.

De fiberlaser kan eigenlijk een golflengteomvormer worden genoemd, waardoor het licht met de pompgolflengte kan worden omgezet in het licht met de vereiste golflengte.

Een erbium-gedoopte vezellaser bijvoorbeeld pompt 980 nm licht op en produceert 1550 nm laser. De uitvoer van de laser kan continu of gepulseerd zijn.

Vezellasers hebben twee fasen: fasen op drie niveaus en fasen op vier niveaus. De laserprincipes van het drie- en vierniveau worden getoond in afbeelding 2.2.

De pomp (een hoogenergetisch foton met een korte golflengte) zorgt ervoor dat het elektron overgaat van de grondtoestand naar de hoogenergetische toestand E4⁴ of E3³en gaat dan over naar het bovenste laserniveau E4³ of E3² door niet-radiatieve overgangen.

Wanneer het elektron verder overgaat van het bovenste laserniveau naar het lagere energieniveau E4² of E3¹de laserproces zal plaatsvinden.

3. Soorten glasvezellasers

Er zijn verschillende soorten glasvezellasers die kunnen worden onderverdeeld in verschillende categorieën zoals weergegeven in tabel 3.1. In de volgende paragrafen wordt een inleiding gegeven tot verschillende soorten van deze lasers.

Tabel 3.1 Classificatie van glasvezellasers

3.1 Zeldzame aard-gedoopte fiberlasers

Zeldzame aardelementen omvatten 15 elementen, die in de vijfde rij van het periodiek systeem staan.

Momenteel zijn de zeldzame aardionen die in actieve vezels zijn verwerkt onder andere Er³⁺, Nd³⁺, Pr³⁺, Tm³⁺en Yb³⁺.

In de afgelopen jaren hebben dubbel beklede gedoteerde fiberlasers, die gebruikmaken van de claddingpomptechnologie, het uitgangsvermogen aanzienlijk verhoogd, waardoor ze een andere hotspot voor onderzoek op het gebied van lasers zijn geworden.

Dit type vezelstructuur, zoals weergegeven in afbeelding 3.1, bestaat uit een buitenbekleding, binnenbekleding en een gedoteerde kern.

De brekingsindex van de buitenbekleding is lager dan die van de binnenbekleding, die op zijn beurt lager is dan de brekingsindex van de vezelkern, waardoor een golfgeleiderstructuur met twee lagen wordt gevormd.

De gedoteerde dubbel beklede vezel is een belangrijk onderdeel in de constructie van vezellasers. De belangrijkste functies in een fiberlaser zijn onder andere

1) Het vermogen van het pomplicht omzetten in het werkmedium van de laser;

2) Samenwerken met andere apparaten om een laserresonator te vormen.

Het werkingsprincipe bestaat voornamelijk uit het injecteren van het pomplicht in de vezel, zijwaarts of vanaf het uiteinde. Omdat de brekingsindex van de buitenste bekleding veel lager is dan die van de binnenste bekleding van de vezel, kan de binnenste bekleding multimode pomplicht doorlaten.

De dwarsdoorsnede van de binnenbekleding is groter dan de kern. Voor de gegenereerde lasergolflengte vormen de binnenbekleding en de zeldzame aarde-gedoteerde kern dus een perfecte enkelvoudige golfgeleider, terwijl de binnenbekleding en de buitenbekleding een multimode golfgeleider vormen voor het zenden van pomplichtvermogen.

Hierdoor kan multimode pomplicht met een groot vermogen worden gekoppeld aan de binnenste bekleding. Het multimode pomplicht wordt meerdere keren geabsorbeerd terwijl het door de vezel reist en de kern passeert. Door de excitatie van zeldzame aardionen in de kern wordt een hoog vermogen signaallaser geproduceerd.

Het werkingsprincipe wordt geïllustreerd in Figuur 3.1.

3.2 Fiber Bragg Grating Laser

De groeiende maturiteit van UV-geschreven fiber Bragg grating technologie in de jaren 1990 heeft geleid tot een verhoogde aandacht voor fiber Bragg grating lasers, voornamelijk Distributed Bragg Reflector (DBR) en Distributed Feedback (DFB) fiber grating lasers.

Het belangrijkste verschil tussen de twee is dat de DFB fiberlaser slechts één tralie gebruikt voor optische terugkoppeling en golflengteselectie, waardoor de stabiliteit beter is en het fusieverlies tussen de Er-gedoteerde vezel en de tralie wordt vermeden.

Hoewel het rooster direct in de Er-gedoteerde vezel kan worden geschreven met UV, is de praktische fabricage van de DEB vezellaser niet eenvoudig vanwege het lage Ge-gehalte in de vezelkern en de slechte lichtgevoeligheid.

Daarentegen kan de DBR fiberlaser eenvoudiger worden gemaakt door een Ge-gedoteerd fiberrooster aan beide uiteinden van de Er-gedoteerde vezel samen te smelten om een resonantieholte te vormen.

DBR- en DFB-fiberroosterlasers hebben te maken met verschillende problemen, zoals een lage efficiëntie van de pompabsorptie door korte resonantieholtes, bredere spectraallijnen dan ringlasers en modushopping.

Er worden voortdurend inspanningen geleverd om deze problemen op te lossen. Voorgestelde verbeteringen zijn onder andere het gebruik van Er:Yb co-doped fiber als een versterkingsmedium, het gebruik van een intracavity pompmethode en de integratie van de oscillator en vermogensversterker.

3.3 Fiberlasers met ultrakorte pulsen

Ultrakorte pulslasers zijn momenteel een belangrijk onderwerp in het onderzoek naar fiberlasers, waarbij voornamelijk gebruik wordt gemaakt van passieve modus-locking technieken.

Net als bij vastestoflasers genereren fiberlasers laseruitgangen met korte pulsen op basis van het principe van modusvergrendeling. Wanneer een vezellaser werkt op een groot aantal longitudinale modi binnen de versterkingsbandbreedte, wordt modusblokkering bereikt wanneer elke longitudinale modus fasesynchroon loopt en het faseverschil tussen twee aangrenzende longitudinale modi constant is.

De enkele puls die in de resonantieholte circuleert, geeft energie af via de uitgangskoppeling. Vezellasers worden onderverdeeld in actieve modusvergrendelde vezellasers en passieve modusvergrendelde vezellasers.

Het vermogen tot modulatie door actieve modusvergrendeling beperkt de pulsbreedte van de modusvergrendelde puls, die over het algemeen in de orde van grootte van picoseconden ligt. Passieve mode-locked fiber lasers maken gebruik van de niet-lineaire optische effecten van de vezel of andere optische componenten om mode-locking te bereiken.

De laserstructuur is eenvoudig en kan onder bepaalde omstandigheden zelfstartende modusvergrendeling bereiken zonder modulatiecomponenten. Met passieve modusvergrendelde fiberlasers kunnen ultrakorte pulsen in de orde van femtoseconden worden geproduceerd.

Lasers met ultrakorte pulsen zijn gebruikt in ultrasnelle lichtbronnen, wat heeft geleid tot een verscheidenheid aan tijdgeresolveerde spectroscopie en pomptechnieken. Technologie voor het genereren van ultrakorte pulsen is essentieel voor het bereiken van optische tijddelingmultiplexing (OTDM) met ultrahoge snelheden. Fiberlasers met ultrakorte pulsen zijn wijdverspreid op verschillende gebieden, zoals materialen, biologie, geneeskunde, chemie en defensie.

4. Toekomstperspectieven

Lasers vormen de kern van lasertechnologie en de toekomstige ontwikkelingsrichting van fiberlasers zal bestaan uit het verder verbeteren van de prestaties van fiberlasers, zoals het verder verhogen van het uitgangsvermogen en het verbeteren van de straalkwaliteit; het uitbreiden van nieuwe lasergolflengtes, het uitbreiden van het afstembereik van lasers; het verkleinen van het laserspectrum; het ontwikkelen van ultrakorte pulsen (ps- en fsniveaus) van lasers met hoge helderheid; en het uitvoeren van onderzoek naar algehele miniaturisatie, bruikbaarheid en intelligentie.

In de afgelopen jaren heeft de ontwikkeling zich voornamelijk gericht op drie aspecten:

(1) het verbeteren van de prestaties van Bragg-vezelroosters, waardoor ze goed kunnen worden toegepast in fiberlasers;

(2) vezellasers met smallere puls- en spectraallijnbreedtes, hoger uitgangsvermogen, breder afstembereik, enz;

(3) vezellasers praktischer maken.

Industriële toepassingen: De meest opvallende toepassing van vezel lasers in de industrie is materiaalbewerking. Dankzij het voortdurend toenemende vermogen worden fiberlasers nu op grote schaal gebruikt voor industrieel snijden.

Fiber lasers zijn ideaal voor het snijden, bewerken en verwerken van zowel metalen als niet-metalen materialen. Ze kunnen gebruikt worden voor het kalibreren van laserproducten, precisiesnijden en lasergraveren, laserlassenprecisieboren, laserdetectie, microbuigen, lasermeting en andere technische aspecten.

Telecommunicatietoepassingen: Om te voldoen aan de huidige eisen voor communicatie met hoge capaciteit, is de toepassing van fiberlasers een opkomende communicatietechnologie geworden.

Toekomstige communicatietechnologie zal geleidelijk overgaan van elektrische naar optische communicatie. Vezellasers kunnen niet alleen continue laseruitvoer genereren, maar ook ultrakorte laserpulsen van picoseconden (ps) of zelfs femtoseconden (fs).

Vezellasers hebben grote vooruitgang geboekt bij het verlagen van drempels, het verbreden van golflengtebereiken en het tunen van golflengtecapaciteiten. Solitoncommunicatie, een praktische technologie, kan een transmissieafstand van miljoenen kilometers, een transmissiesnelheid van 20 Gb/s en een bitfoutenpercentage van minder dan 10-13 bereiken, waardoor signaaloverdracht op hoge snelheid en van hoge kwaliteit mogelijk wordt.

Militaire toepassingen: Met de voortdurende toename van het vermogen van fiberlasers wordt hun toepassing in het leger steeds algemener.

Om het doel van gerichte energiewapens te bereiken, worden verschillende vezellasers gecombineerd in een coherente arraystructuur, die het vermogen van vezellasers kan verhogen.

In het Air Force Research Laboratory in de Verenigde Staten wordt momenteel onderzoek gedaan naar 100kW fiberlasers om te voldoen aan militaire toepassingsdoelstellingen.