Ce este un laser cu fibră?

Definiție: Un laser care utilizează o fibră dopată ca mediu de câștig sau un laser al cărui rezonator laser este compus în mare parte din fibră.

Laserele cu fibră se referă de obicei la laserele care folosesc fibra ca mediu de câștig, deși unele lasere care utilizează medii de câștig semiconductor (amplificatoare optice cu semiconductor) și rezonatoare cu fibră pot fi numite și lasere cu fibră (sau lasere optice semiconductoare). În plus, unele alte tipuri de lasere (de exemplu, diode semiconductoare cuplate cu fibre) și amplificatoare cu fibre sunt, de asemenea, numite lasere cu fibră (sau sisteme laser cu fibră).

În cele mai multe cazuri, mediul de câștig este o fibră dopată cu ioni de pământ rari, cum ar fi erbiu (Er3+), iterbiu (Yb3+), toriu (Tm3+) sau praseodimiu (Pr3+) și sunt necesare una sau mai multe diode laser cuplate cu fibre. pentru pompare. Deși mediul de câștig al laserelor cu fibră este similar cu cel al laserelor în vrac cu stare solidă, efectul ghidului de undă și aria de mod eficient mică au ca rezultat lasere cu proprietăți diferite. De exemplu, de obicei au un câștig mare al laserului și pierderi mari în cavitatea rezonatorului. Vedeți intrările laser cu fibră și laser în vrac.

figura 1

Rezonator laser cu fibra

Pentru a obține un rezonator laser folosind o fibră optică, un număr de reflectoare pot fi utilizați pentru a forma un rezonator liniar sau pentru a crea un laser cu inel de fibră. Diferite tipuri de reflectoare pot fi utilizate într-un rezonator laser optic liniar:

Figura 2

1. În configurațiile de laborator, oglinzile dicroice obișnuite pot fi utilizate la capetele fibrelor scindate perpendicular, așa cum se arată în Figura 1. Cu toate acestea, această soluție nu poate fi utilizată în producția la scară largă și nu este durabilă.

2. Reflexia Fresnel la capătul unei fibre goale este suficientă pentru a servi drept cuplaj de ieșire pentru un laser cu fibră. Figura 2 prezintă un exemplu.

3. Acoperirile dielectrice pot fi depuse și direct pe capetele fibrelor, de obicei prin evaporare. Astfel de acoperiri pot atinge o reflectivitate ridicată pe o gamă largă.

4. În produsele comerciale, se folosesc de obicei grătare de fibre Bragg, care pot fi preparate direct din fibre dopate sau prin îmbinare a fibrelor nedopate cu fibre active. Figura 3 prezintă un laser reflector Bragg distribuit (laser DBR), care conține două rețele de fibre. Există, de asemenea, un laser cu feedback distribuit, cu o rețea în fibra dopată și o schimbare de fază între ele.

5. Dacă lumina emisă de fibră este colimată de o lentilă și reflectată înapoi de o oglindă dicroică, se poate obține o mai bună manevrare a puterii. Lumina primită de oglindă va avea o intensitate mult redusă datorită ariei mai mari a fasciculului. Cu toate acestea, ușoare dezaliniri pot cauza pierderi semnificative de reflexie, iar reflecțiile Fresnel suplimentare la fațetele capătului fibrei pot produce efecte de filtru. Acesta din urmă poate fi suprimat prin utilizarea capetelor de fibre clivate în unghi, dar acest lucru introduce pierderi dependente de lungimea de undă.

6. De asemenea, este posibil să se formeze un reflector de buclă optică folosind un cuplaj de fibre și fibre pasive.

Majoritatea laserelor optice sunt pompate de unul sau mai multe lasere semiconductoare cuplate cu fibre. Lumina pompei este cuplată direct în miezul fibrei sau la putere mare în placarea pompei (a se vedea fibrele cu două acoperiri), care vor fi discutate în detaliu mai jos.

Există multe tipuri de lasere cu fibră, dintre care câteva sunt descrise mai jos.

Există multe tipuri de lasere cu fibră, dintre care câteva sunt descrise mai jos.

Laser cu fibră de mare putere

Inițial, laserele cu fibră au fost capabile să atingă puteri de ieșire de doar câțiva miliwați. Astăzi, laserele cu fibră de mare putere pot atinge puteri de ieșire de câteva sute de wați și, uneori, chiar câțiva kilowați din fibre cu un singur mod. Acest lucru se realizează prin creșterea raportului de aspect și a efectelor ghidului de undă, care evită efectele termo-optice.

Consultați intrarea Laser și amplificatoare cu fibră de mare putere pentru mai multe detalii.

Laser cu fibră de upconversion

Laserele cu fibră sunt potrivite în special pentru realizarea laserelor de conversie ascendentă, care de obicei funcționează pe tranziții laser relativ rare și necesită intensități foarte mari ale pompei. În laserele cu fibră, intensitățile mari ale pompei pot fi menținute pe distanțe mari, astfel încât eficiența câștigului obținut este ușor de realizat pentru tranzițiile cu câștig foarte scăzut.

În cele mai multe cazuri, fibrele de siliciu nu sunt potrivite pentru laserele cu fibră de conversie ascendentă, deoarece mecanismul de conversie ascendentă necesită o durată de viață lungă a stării intermediare la nivelul energiei electronice, care este de obicei foarte mică în fibrele de siliciu din cauza energiei fonice mari (vezi tranzițiile multifotonice). Prin urmare, se folosesc de obicei unele fibre de fluorură de metale grele, cum ar fi ZBLAN (un fluorozirconat) cu energie fonică scăzută.

Cele mai frecvent utilizate lasere cu fibre de conversie ascendentă sunt fibrele dopate cu toriu pentru lumina albastră, laserele dopate cu praseodim (uneori cu iterbiu) pentru lumină roșie, portocalie, verde sau albastră și laserele dopate cu erbiu pentru triodă.

Laser cu fibră cu lățime de linie îngustă

Laserele cu fibră pot funcționa doar într-un singur mod longitudinal (vezi laser cu o singură frecvență, funcționare cu un singur mod) cu o lățime de linie foarte îngustă de câțiva kiloherți sau chiar mai mică de 1 kHz. Pentru o funcționare stabilă pe o singură frecvență pe termen lung și fără cerințe suplimentare după luarea în considerare a stabilității temperaturii, cavitatea laserului ar trebui să fie scurtă (de exemplu, 5 cm), deși cu cât cavitatea este mai lungă, în principiu, cu atât zgomotul de fază este mai mic și cu atât este mai îngustă. lățimea liniei. Capătul fibrei conține o rețea Bragg cu fibră în bandă îngustă (vezi laser reflector Bragg distribuit, laser cu fibră DBR) pentru a selecta un mod de cavitate. Puterea de ieșire variază în mod obișnuit de la câțiva miliwați la zeci de miliwați, iar laserele cu fibră cu o singură frecvență cu puteri de ieșire de până la 1 W sunt, de asemenea, disponibile.

O formă extremă este laserul cu feedback distribuit (laser DFB), în care întreaga cavitate laser este conținută într-o rețea de fibre Bragg cu o schimbare de fază între ele. Aici cavitatea este relativ scurtă, ceea ce sacrifică puterea de ieșire și lățimea liniei, dar funcționarea cu o singură frecvență este foarte stabilă.

Amplificatoarele cu fibră pot fi, de asemenea, utilizate pentru a amplifica în continuare la puteri mai mari.

Laser cu fibră Q-switched

Laserele cu fibră pot genera impulsuri cu lungimi cuprinse între zeci și sute de nanosecunde, folosind diferite comutatoare Q active sau pasive. Energiile pulsului de câțiva milijouli pot fi atinse cu fibre cu suprafață de mod mare, iar în cazuri extreme pot ajunge la zeci de milijouli, limitate de energia de saturație (chiar și cu fibre cu zonă de mod mare) și de pragul de deteriorare (mai pronunțat pentru impulsuri mai scurte). Toate dispozitivele cu fibră (cu excepția opticii cu spațiu liber) sunt limitate în energie de impuls, deoarece de obicei nu pot implementa fibre cu suprafață de mod mare și comutare Q eficientă.

Datorită câștigului ridicat al laserului, comutarea Q în laserele cu fibră este foarte diferită ca natură de cea a laserelor în vrac și este mai complexă. De obicei, există mai multe vârfuri în domeniul timpului și este, de asemenea, posibil să se producă impulsuri Q-switched cu o lungime mai mică decât timpul dus-întors al rezonatorului.

Laserele cu fibră blocate în mod utilizează rezonatoare mai complexe (lasere cu fibră ultrascurtă) pentru a produce impulsuri de picosecundă sau femtosecundă. Aici, rezonatorul laser conține un modulator activ sau niște absorbanți saturati. Absorbantele saturate pot fi realizate prin efecte de rotație de polarizare neliniară sau prin utilizarea unei oglinzi neliniare cu buclă de fibre. Oglinzile cu buclă neliniară pot fi utilizate, de exemplu, în „laserul în formă de opt” din Figura 8, unde partea stângă conține un rezonator principal și un inel de fibre neliniare pentru amplificarea, modelarea și stabilizarea impulsurilor ultrascurte dus-întors. În special în blocarea în modul armonic, sunt necesare dispozitive suplimentare, cum ar fi subcavități utilizate ca filtre optice.