Технология волоконных лазеров: Основные принципы и применение

1. Введение

Исследования легированных волоконных лазеров с использованием усиливающих сред начались в 1960-х годах, когда в 1963 году Снитцер сообщил о создании волоконного лазера с ионами неодима (Nd).³⁺), легированных в стеклянной матрице.

С 1970-х годов был достигнут значительный прогресс в технологии подготовки волокна и исследовании структур накачки и резонансного резонатора для волоконных лазеров.

В середине 1980-х годов был совершен прорыв в области легированных волокон (Er³⁺) в Саутгемптонском университете (Великобритания) значительно расширили практические возможности волоконных лазеров, показав весьма многообещающие перспективы их применения.

По сравнению с традиционными твердотельными и газовыми лазерами волоконные лазеры имеют множество уникальных преимуществ, таких как высокое качество луча, небольшие размеры, малый вес, отсутствие необходимости в обслуживании, воздушное охлаждение, простота в эксплуатации, низкие эксплуатационные расходы и длительное использование в промышленных условиях.

Они также обеспечивают высокую точность обработки, высокую скорость, длительный срок службы, экономию энергии и отличную гибкость для интеллектуального и автоматизированного использования. Поэтому они заменили традиционные YAG и CO2 лазеры во многих областях.

Диапазон выходных длин волн волоконных лазеров находится в пределах 400-3400 нм и применяется в различных областях, таких как оптическое хранение данных, оптическая связь, сенсорные технологии, спектроскопия и медицинские приложения.

В настоящее время быстро развиваются лазеры на легированном волокне, лазеры на волоконной брэгговской решетке, перестраиваемые волоконные лазеры с узкой шириной линии и мощные волоконные лазеры с двойной оболочкой.

2. Основная структура и принцип работы волоконных лазеров

2.1 Базовая структура волоконных лазеров

Волоконный лазер состоит из трех частей: среды усиления, которая может генерировать фотоны, оптического резонатора, который обеспечивает обратную связь по фотонам и резонансное усиление в среде усиления, и источника накачки, который может возбуждать лазерную среду.

Основная структура волоконного лазера показана на рисунке 2.1.

Среда усиления представляет собой сердцевину волокна, легированную ионами редкоземельных металлов. Легированное волокно помещено между двумя зеркалами с выбранной отражательной способностью. Свет накачки попадает в волокно от левого зеркала волоконного лазера и выводит лазерное излучение через коллимирующую оптическую систему и фильтр.

Теоретически источник накачки и волокно усиления являются основными компонентами волоконного лазера, а резонансный резонатор не является обязательным. Выбор режима резонансного резонатора и удлинение среды усиления не являются необходимыми в волоконных лазерах, поскольку само волокно может быть очень длинным, что позволяет получить очень высокий однопроходной коэффициент усиления, а волноводный эффект волокна может играть роль выбора режима.

Однако в практических приложениях люди обычно предпочитают использовать более короткие волокна, поэтому в большинстве случаев для введения обратной связи используется резонансный резонатор.

Благодаря волноводной структуре волоконных лазеров, они способны выдерживать мощную накачку и имеют высокий коэффициент усиления (однопроходной коэффициент усиления до 50 дБ). Редкоземельные элементы в стеклянной матрице имеют широкую линейную ширину и диапазон перестройки (Yb³⁺ составляет 125 нм, Tm³⁺ >300 нм).

Особенности заключаются в следующем:

1) Волокно служит в качестве волноводной среды, обеспечивая высокую эффективность связи, малый диаметр сердцевины и легкость формирования высокой плотности мощности внутри волокна. Оно может удобно подключаться к современным оптоволоконным системам связи. Полученные лазеры имеют высокую эффективность преобразования, низкий лазерный порог, отличное качество луча и узкую ширину линии.

2) Учитывая высокое соотношение площади поверхности и объема волокна, оно обладает хорошей теплоотдачей. Температура окружающей среды может варьироваться от -20 до 70℃, что исключает необходимость в большой системе водяного охлаждения и требует только простого воздушного охлаждения.

3) Волоконный лазер может работать в жестких условиях, таких как сильное воздействие, высокая вибрация, высокая температура и пыль.

4) Благодаря отличной гибкости волокна, лазер может быть разработан довольно маленьким и гибким, с компактной формой и небольшим объемом, что облегчает интеграцию в систему и обеспечивает высокое соотношение производительности и цены.

5) Волоконный лазер имеет довольно много перестраиваемых параметров и селективности, что позволяет ему охватывать широкий диапазон перестройки, отличную монохроматичность и высокую стабильность. Он имеет длительный срок службы насоса, среднее время безотказной работы составляет 10 и даже более 100 часов.

2.2 Принцип работы волоконного лазера

Разработанные в настоящее время волоконные лазеры в основном используют в качестве усиливающей среды волокна, легированные редкоземельными элементами.

Принцип работы волоконного лазера заключается в том, что свет накачки падает на легированное волокно через передний отражатель (или переднюю решетку), и редкоземельные ионы, поглотившие энергию фотона, претерпевают переходы энергетических уровней, достигая "инверсии числа частиц".

Инвертированные частицы после релаксации переходят обратно в основное состояние в виде излучения, одновременно высвобождая энергию в виде фотонов и выводя лазер через задний отражатель (заднюю решетку).

Волоконный усилитель, легированный редкоземельными элементами, способствовал развитию волоконных лазеров, поскольку волоконные усилители могут формировать волоконные лазеры с помощью соответствующих механизмов обратной связи.

Когда свет накачки проходит через редкоземельные ионы в волокне, он поглощается редкоземельными ионами. В это время атомы редкоземельных металлов, поглощающие энергию фотонов, возбуждаются до более высокого уровня энергии свечения, тем самым достигая инверсии ионного числа.

Инвертированный ионный номер будет переходить с высокого энергетического уровня в основное состояние в виде излучения и высвобождать энергию, завершая вынужденное излучение. Режим излучения из возбужденного состояния в основное имеет два типа: спонтанное излучение и вынужденное излучение.

Среди них вынужденное излучение - это излучение одинаковой частоты и фазы, которое может образовывать очень когерентный лазер. Лазерное излучение - это физический процесс, в котором стимулированное излучение значительно превосходит спонтанное.

Чтобы этот процесс продолжался, должна происходить инверсия ионного числа. Поэтому энергетических уровней, участвующих в процессе, должно быть больше двух, а также должен быть источник накачки для обеспечения энергией.

Волоконный лазер фактически можно назвать преобразователем длины волны, с помощью которого свет с длиной волны накачки может быть преобразован в свет с требуемой длиной волны свечения.

Например, эрбиевый волоконный лазер излучает 980 нм света и выдает 1550 нм лазера. Выходной сигнал лазера может быть непрерывным или импульсным.

Волоконные лазеры имеют два состояния излучения: трехуровневое и четырехуровневое. Принципы работы трехуровневого и четырехуровневого лазеров показаны на рисунке 2.2.

Насос (коротковолновый фотон высокой энергии) вызывает переход электрона из основного состояния в состояние с высокой энергией E4⁴ или E3³, затем переходит на верхний лазерный уровень E4³ или E3² через нерадиационные переходы.

При дальнейшем переходе электрона с верхнего лазерного уровня на нижний энергетический уровень E4² или E3¹, the лазерный процесс произойдет.

3. Типы волоконно-оптических лазеров

Существуют различные типы волоконно-оптических лазеров, которые можно разделить на различные категории, как показано в таблице 3.1. В следующих разделах мы познакомимся с несколькими типами этих лазеров.

Таблица 3.1 Классификация волоконно-оптических лазеров

3.1 Волоконные лазеры с легированием редкоземельными элементами

Редкоземельные элементы включают в себя 15 элементов, расположенных в пятом ряду периодической таблицы.

В настоящее время уже разработанные редкоземельные ионы, включенные в активные волокна, включают Er³⁺, Nd³⁺, Pr³⁺, Tm³⁺, и Yb³⁺.

В последние годы волоконные лазеры с двойным легированием, использующие технологию накачки через оболочку, значительно увеличили выходную мощность, став еще одной горячей точкой исследований в области лазеров.

Волоконная структура этого типа, как показано на рисунке 3.1, состоит из внешней оболочки, внутренней оболочки и легированной сердцевины.

Показатель преломления внешней оболочки меньше показателя преломления внутренней оболочки, который, в свою очередь, меньше показателя преломления сердцевины волокна, что позволяет сформировать двухслойную волноводную структуру.

Легированное волокно с двойной оболочкой - ключевой компонент в конструкции волоконных лазеров. Его основные функции в волоконном лазере включают:

1) Преобразование мощности света накачки в рабочую среду лазера;

2) Совместная работа с другими устройствами для создания лазерного резонатора.

Принцип его работы заключается в подаче света накачки в волокно либо сбоку, либо с торца. Поскольку коэффициент преломления внешней оболочки намного ниже, чем внутренней, внутренняя оболочка может пропускать многомодовый свет накачки.

Размер поперечного сечения внутренней оболочки больше, чем сердечника. Таким образом, для длины волны генерируемого лазера внутренняя оболочка и сердечник, легированный редкоземельными элементами, образуют идеальный одномодовый волновод, а он и внешняя оболочка образуют многомодовый волновод для передачи мощности света накачки.

Это позволяет подключить к внутренней оболочке многомодовую лампу накачки большой мощности. Многомодовый свет накачки многократно поглощается, проходя по волокну и пересекая сердцевину. Благодаря возбуждению редкоземельных ионов в сердцевине возникает мощный сигнальный лазер.

Принцип работы показан на рисунке 3.1.

3.2 Лазер с волоконной брэгговской решеткой

Растущая зрелость технологии ультрафиолетовых волоконных брэгговских решеток в 1990-х годах привела к повышенному вниманию к волоконным брэгговским лазерам, в первую очередь к лазерам с распределенным брэгговским отражателем (DBR) и волоконным лазерам с распределенной обратной связью (DFB).

Основное различие между ними заключается в том, что в волоконном лазере DFB используется только одна решетка для обеспечения оптической обратной связи и выбора длины волны, что обеспечивает лучшую стабильность и позволяет избежать потерь на слияние между Er-допированным волокном и решеткой.

Однако, хотя решетка может быть непосредственно записана в Er-допированное волокно с помощью ультрафиолета, практическое изготовление волоконного лазера DEB не так просто из-за низкого содержания Ge в сердцевине волокна и плохой фоточувствительности.

В отличие от этого, волоконный лазер DBR может быть изготовлен более простым способом - путем вплавления решетки из Ge-допированного волокна на обоих концах Er-допированного волокна для формирования резонансной полости.

Волоконные решетчатые лазеры DBR и DFB сталкиваются с рядом проблем, таких как низкая эффективность поглощения накачки из-за коротких резонансных полостей, более широкие спектральные линии, чем у кольцевых лазеров, и скачки мод.

В настоящее время предпринимаются постоянные усилия по решению этих проблем. Предлагаемые усовершенствования включают использование со-допированного волокна Er:Yb в качестве среды усиления, применение метода внутриполостной накачки, а также интеграцию генератора и усилителя мощности.

3.3 Волоконные лазеры с ультракороткими импульсами

Ультракороткие импульсные лазеры в настоящее время являются актуальной темой исследований в области волоконных лазеров, в основном с использованием методов пассивной синхронизации мод.

Подобно твердотельным лазерам, волоконные лазеры генерируют короткие импульсы на основе принципа модовой блокировки. Когда волоконный лазер работает на большом количестве продольных мод в полосе усиления, модовая блокировка достигается, когда фаза каждой продольной моды синхронизируется, а разность фаз между любыми двумя соседними продольными модами постоянна.

Одиночный импульс, циркулирующий в резонансном резонаторе, выдает энергию через выходной соединитель. Волоконные лазеры делятся на активные волоконные лазеры с модовой блокировкой и пассивные волоконные лазеры с модовой блокировкой.

Возможность модуляции с активной блокировкой мод ограничивает длительность импульса с блокировкой мод, которая обычно составляет порядка пикосекунды. Пассивные волоконные лазеры с блокировкой мод используют нелинейные оптические эффекты волокна или других оптических компонентов для достижения блокировки мод.

Структура лазера проста и позволяет добиться самозапускающейся режимной блокировки при определенных условиях без каких-либо модуляционных компонентов. Использование пассивных волоконных лазеров с модовой блокировкой позволяет получать ультракороткие импульсы порядка фемтосекунд.

Лазеры с ультракороткими импульсами используются в сверхбыстрых источниках света, что привело к появлению разнообразных методов спектроскопии и накачки с временным разрешением. Технология генерации ультракоротких импульсов является ключевой для достижения сверхскоростного оптического мультиплексирования с временным разделением каналов (OTDM). Ультракороткоимпульсные волоконные лазеры широко распространены в различных областях, таких как материаловедение, биология, медицина, химия и военное дело.

4. Перспективы на будущее

Лазеры являются основой лазерной технологии, и будущее направление развития волоконных лазеров будет заключаться в дальнейшем улучшении характеристик волоконных лазеров, таких как дальнейшее увеличение выходной мощности и улучшение качества луча; расширение новых длин волн, расширение диапазона перестраиваемых лазеров; сужение лазерного спектра; разработка ультракоротких импульсов (пс и фс уровни) лазеров высокой яркости; и проведение исследований по общей миниатюризации, практичности и интеллектуальности.

В последние годы разработка была сосредоточена в основном на трех аспектах:

(1) улучшение характеристик волоконных брэгговских решеток, что позволяет использовать их в волоконных лазерах;

(2) волоконные лазеры с более узкой шириной импульса и спектральной линии, более высокой выходной мощностью, более широким диапазоном перестройки и т.д.;

(3) сделать волоконные лазеры более практичными.

Промышленное применение: Наиболее заметное применение волокна лазеры в промышленности это обработка материалов. Благодаря постоянно растущей мощности волоконные лазеры начали широко применяться для промышленной резки.

Волоконные лазеры идеально подходят для резки, обработки и перемещения как металлических, так и неметаллические материалы. Они могут быть использованы для калибровки лазерных изделий, точной резки, лазерной гравировки, лазерная сваркаПрецизионное сверление, лазерное обнаружение, микрогибка, лазерные измерения и другие технические аспекты.

Телекоммуникационные приложения: Для удовлетворения современных требований к высокопроизводительной связи применение волоконных лазеров стало одной из новых технологий в сфере коммуникаций.

В будущем технологии связи будут постепенно переходить от электрической к оптической связи. Волоконные лазеры могут не только генерировать непрерывное лазерное излучение, но и создавать ультракороткие лазерные импульсы длительностью пикосекунды (ps) или даже фемтосекунды (fs).

Волоконные лазеры добились больших успехов в снижении порогов, расширении диапазона длин волн и возможности перестройки длины волны. Солитонная связь, практическая технология, может достигать расстояния передачи в миллионы километров, скорости передачи 20 Гбит/с и коэффициента битовых ошибок ниже 10-13, обеспечивая высокоскоростную и качественную передачу сигнала.

Военное применение: С постоянным увеличением мощности волоконных лазеров их применение в военной сфере становится все более широким.

Для достижения цели направленного энергетического оружия несколько волоконных лазеров объединяются в когерентную структуру, что позволяет увеличить мощность волоконных лазеров.

В Исследовательской лаборатории ВВС в США в настоящее время проводятся исследования волоконных лазеров мощностью 100 кВт для решения задач военного применения.