Kas yra skaidulinis lazeris?

Apibrėžimas: lazeris, kuris kaip stiprinimo terpę naudoja legiruotą pluoštą, arba lazeris, kurio lazerio rezonatorius daugiausia sudarytas iš skaidulų.

Skaiduliniai lazeriai paprastai vadinami lazeriais, kurie naudoja šviesolaidį kaip stiprinimo terpę, nors kai kurie lazeriai, kuriuose naudojamos puslaidininkinės stiprinimo terpės (puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai) ir skaiduliniai rezonatoriai, taip pat gali būti vadinami skaiduliniais lazeriais (arba puslaidininkiniais optiniais lazeriais). Be to, kai kurie kiti lazerių tipai (pavyzdžiui, skaiduliniai puslaidininkiniai diodai) ir skaiduliniai stiprintuvai taip pat vadinami skaiduliniais lazeriais (arba skaidulinių lazerių sistemomis).

Daugeliu atvejų stiprinimo terpė yra retųjų žemių jonais legiruotas pluoštas, pvz., erbis (Er3+), iterbis (Yb3+), toris (Tm3+) arba prazeodimis (Pr3+), ir reikalingas vienas ar daugiau pluoštu sujungtų lazerinių diodų. siurbimui. Nors skaidulinių lazerių stiprinimo terpė yra panaši į kietojo kūno masinių lazerių, bangolaidžio efektas ir mažas efektyvaus režimo plotas lemia skirtingų savybių lazerius. Pavyzdžiui, jie paprastai turi didelį lazerio stiprinimą ir didelius rezonatoriaus ertmės nuostolius. Žiūrėkite įrašus pluošto lazeris ir masinis lazeris.

figūra 1

Šviesolaidinis lazerinis rezonatorius

Norint gauti lazerinį rezonatorių naudojant optinį skaidulą, tiesiniam rezonatoriui arba pluošto žiediniam lazeriui sukurti gali būti naudojami keli atšvaitai. Linijiniame optiniame lazeriniame rezonatoriuje gali būti naudojami įvairių tipų atšvaitai:

2 pav

1. Laboratoriniuose įrenginiuose įprastus dichroinius veidrodžius galima naudoti statmenai suskaidytų pluoštų galuose, kaip parodyta 1 paveiksle. Tačiau šis sprendimas negali būti naudojamas didelio masto gamyboje ir nėra patvarus.

2. Frenelio atspindys pliko pluošto gale yra pakankamas, kad būtų naudojamas kaip pluoštinio lazerio išvesties jungtis. 2 paveiksle parodytas pavyzdys.

3. Dielektrinės dangos taip pat gali būti dedamos tiesiai ant pluošto galų, dažniausiai išgarinant. Tokios dangos gali pasiekti didelį atspindį plačiame diapazone.

4. Komerciniuose gaminiuose dažniausiai naudojamos pluoštinės Bragg grotelės, kurias galima paruošti tiesiai iš legiruotų pluoštų arba sujungiant neleguotą pluoštą į aktyvius pluoštus. 3 paveiksle parodytas paskirstytasis Bragg reflektoriaus lazeris (DBR lazeris), kuriame yra dvi skaidulinės gardelės. Taip pat yra paskirstytas grįžtamojo ryšio lazeris su gardelėmis legiruotoje skaiduloje ir fazės poslinkiu tarp jų.

5. Jei šviesą, skleidžiamą iš pluošto, kolimuoja lęšis ir atspindi dichroinis veidrodis, galima pasiekti geresnį galios valdymą. Dėl didesnio spindulio ploto veidrodžio gaunamos šviesos intensyvumas bus labai sumažintas. Tačiau nedideli nesutapimai gali sukelti didelių atspindžio nuostolių, o papildomi Frenelio atspindžiai pluošto galinėse briaunose gali sukelti filtro efektus. Pastarąjį galima nuslopinti naudojant kampuotus suskilusius pluošto galus, tačiau tai sukelia nuo bangos ilgio priklausomus nuostolius.

6. Taip pat galima suformuoti optinės kilpos reflektorių naudojant skaidulinę jungtį ir pasyviąsias skaidulas.

Dauguma optinių lazerių yra pumpuojami vienu ar daugiau pluoštu sujungtų puslaidininkinių lazerių. Siurblio lemputė yra prijungta tiesiai prie pluošto šerdies arba esant didelei galiai prie siurblio apvalkalo (žr. dvigubo apvalkalo pluoštus), kuris bus išsamiai aptartas toliau.

Yra daug pluoštinių lazerių tipų, kai kurie iš jų aprašyti toliau.

Yra daug pluoštinių lazerių tipų, kai kurie iš jų aprašyti toliau.

Didelės galios skaiduliniai lazeriai

Iš pradžių pluoštiniai lazeriai galėjo pasiekti tik kelių milivatų išėjimo galią. Šiandien didelės galios šviesolaidiniai lazeriai gali pasiekti kelių šimtų vatų, o kartais net kelis kilovatus iš vienmodžių skaidulų. Tai pasiekiama padidinus kraštinių santykį ir bangolaidžio efektus, kurie išvengia termooptinių efektų.

Norėdami gauti daugiau informacijos, žr. įrašą Didelės galios skaiduliniai lazeriai ir stiprintuvai.

Upconversion pluošto lazeriai

Skaiduliniai lazeriai ypač tinka realizuoti aukštyn konversijos lazerius, kurie paprastai veikia palyginti retais lazerio perėjimais ir reikalauja labai didelio siurblio intensyvumo. Skaiduliniuose lazeriuose didelis siurblio intensyvumas gali būti palaikomas dideliais atstumais, kad gautas stiprinimo efektyvumas būtų lengvai pasiekiamas atliekant perėjimus su labai mažu stiprėjimu.

Daugeliu atvejų silicio skaidulos netinka aukštyn konvertuojantiems šviesolaidiniams lazeriams, nes aukštyn konvertavimo mechanizmui reikalingas ilgas tarpinės būsenos gyvavimo laikas elektroninės energijos lygyje, kuris silicio skaidulose dėl didelės fonono energijos paprastai būna labai mažas (žr. daugiafotoninius perėjimus). Todėl dažniausiai naudojami kai kurie sunkiųjų metalų fluorido pluoštai, tokie kaip ZBLAN (fluorocirkonatas), kurių fonono energija yra maža.

Dažniausiai naudojami toriu legiruoti pluoštai mėlynai šviesai, prazeodimiu legiruoti lazeriai (kartais su iterbiu) raudonai, oranžinei, žaliai arba mėlynai šviesai ir erbiu legiruoti lazeriai triodui.

Siauros linijos pločio skaiduliniai lazeriai

Skaiduliniai lazeriai gali veikti tik vienu išilginiu režimu (žr. vieno dažnio lazeris, vieno režimo veikimas) su labai siauru kelių kilohercų arba net mažesniu nei 1 kHz linijos pločiu. Ilgalaikiam stabiliam vieno dažnio veikimui ir be papildomų reikalavimų, įvertinus temperatūros stabilumą, lazerio ertmė turėtų būti trumpa (pvz., 5 cm), nors kuo ilgesnė ertmė, iš esmės tuo fazinis triukšmas mažesnis ir siauresnis linijos plotis. Pluošto gale yra siaurajuosčio pluošto Bragg grotelės (žr. paskirstytą Bragg reflektoriaus lazerį, DBR pluošto lazerį), kad būtų galima pasirinkti ertmės režimą. Išėjimo galia paprastai svyruoja nuo kelių milivatų iki dešimčių milivatų, taip pat yra vieno dažnio skaidulinių lazerių, kurių išėjimo galia iki 1 W.

Ekstremali forma yra paskirstytojo grįžtamojo ryšio lazeris (DFB lazeris), kai visa lazerio ertmė yra pluoštinėje Braggo grotelėje su fazės poslinkiu tarp jų. Čia ertmė yra palyginti trumpa, todėl aukojama išėjimo galia ir linijos plotis, tačiau vieno dažnio veikimas yra labai stabilus.

Skaiduliniai stiprintuvai taip pat gali būti naudojami toliau stiprinti iki didesnės galios.

Q perjungiami skaiduliniai lazeriai

Skaiduliniai lazeriai gali generuoti impulsus, kurių ilgis svyruoja nuo dešimčių iki šimtų nanosekundžių, naudojant įvairius aktyvius arba pasyvius Q jungiklius. Kelių milidžaulių impulsų energija gali būti pasiekta naudojant didelio režimo ploto skaidulas, o kraštutiniais atvejais ji gali siekti dešimtis milidžaulių, ribojama prisotinimo energijos (net ir naudojant didelio režimo ploto skaidulas) ir pažeidimo slenkstį (ryškesnis trumpesniems impulsams). Visiems šviesolaidiniams įrenginiams (išskyrus laisvos erdvės optiką) yra ribota impulsų energija, nes jie dažniausiai negali įgyvendinti didelio režimo ploto skaidulų ir efektyvaus Q perjungimo.

Dėl didelio lazerio stiprinimo skaidulinių lazerių Q perjungimas labai skiriasi nuo masinių lazerių ir yra sudėtingesnis. Paprastai laiko srityje yra keli spygliai, taip pat galima gaminti Q perjungiamus impulsus, kurių ilgis yra mažesnis nei rezonatoriaus kelionės pirmyn ir atgal laikas.

Skaiduliniai lazeriai su režimu naudoja sudėtingesnius rezonatorius (ultratrumpus pluošto lazerius), kad gautų pikosekundinius arba femtosekundinius impulsus. Čia lazeriniame rezonatoriuje yra aktyvus moduliatorius arba kai kurie prisotinti absorberiai. Sotieji absorberiai gali būti realizuojami naudojant netiesinės poliarizacijos sukimosi efektus arba naudojant netiesinį pluošto kilpos veidrodį. Netiesiniai kilpiniai veidrodžiai gali būti naudojami, pavyzdžiui, „aštuonių figūrų lazeryje“ 8 paveiksle, kur kairėje pusėje yra pagrindinis rezonatorius ir netiesinio pluošto žiedas, skirtas stiprinti, formuoti ir stabilizuoti itin trumpus impulsus pirmyn ir atgal. Ypač harmoninio režimo užrakinimo atveju reikalingi papildomi įrenginiai, pvz., ertmės, naudojamos kaip optiniai filtrai.