-
introducere
- 1 Istoricul
- 2 Principii de funcționare
- 2.1 Schema generală
- 2.2 Active Fiber
- 2.3 pompare
- 2.4 rezonatoare precum Fabry - Perot
- 2.4.1 rezonatoare cu ajutorul oglinzilor dielectrice
- 2.4.2 rezonator folosind grilaje din fibre Bragg
- Caracteristici tehnice 3
- 3.1 lasere Odnopolyazizatsionnye
- 3.2 Conversie
- 3.3 lasere Raman
- 3.4 lasere cu fibre pe cristale fotonice
- 4 Aplicații
- 4.1 Avantaje și dezavantaje
- 4.2 Aplicații
literatură
Toate-fibra cu laser erbiu femtosecond.
cu laser Fiber - un mediu activ laser și, eventual, rezonatorul care se bazează pe fibră optică. La implementarea unui astfel de laser, toate fibră este numit all-fibre, prin utilizarea combinată a fibrelor și a altor elemente în proiectarea laser este numit discret fibră sau hibrid.
1. Istoricul
2. Cum funcționează
2.1. schemă generală
cu laser cu fibre tipice (Fig. 1) și amplificatorul (Fig. 2). M1 și M2 - oglinzi, A Bragg - fibră D activă - dioda de pompare.
Un laser din fibre cuprinde un modul de pompă (de obicei LED-uri de bandă largă sau de diode laser), fibrele din care este generat, și rezonator. Waveguide optic cuprinde o substanță activă (fibră optică legirovannnoe - miezul fără coajă, spre deosebire de waveguides optice convenționale) și waveguides pompei. [5] Construcția rezonator este definită în mod obișnuit sarcina tehnică, este posibil să se aloce unele dintre cele mai comune clase: rezonatori de tip Fabry - Perot si rezonatoare inel. [6] În instalațiile industriale pentru creșterea puterii de ieșire, uneori, combina mai multe lasere într-o singură unitate pentru mai multă putere. [7]
2.2. fibra activă
cuart transparenta ridicata - materialul de bază pentru fibre optice - condiții saturate cu condiția nivelele de energie ale atomilor. Impurități introduse de dopaj, cuart este convertit într-un mediu absorbant. Ridicarea puterea radiației pompei într-un astfel de mediu poate crea starea inversată a populațiilor din nivelurile de energie (de exemplu, mai mult de câteva niveluri de mare de energie vor fi umplute cu mai mult principal). Pe baza cerințelor privind frecvența de rezonanță (în domeniul infraroșu pentru telecomunicații) și o putere redusă a pompei prag este în general vypolyanyut dopare pământuri rare ale grupului lantanidelor. Un tip comun de fibre este erbiu, care este utilizat în domeniul sistemelor cu laser și amplificator de lucru, care se află în intervalul de 1530-1565 nm. Amplificatoarele au nevoie să se facă distincția între semnalul de semnal și pompă, astfel de pompare este realizată la frecvențe mai mari. Acesta din urmă este motivul pentru care sistemul convențional pe două niveluri, în pompare amplificatoare de fibre nu sunt utilizate. Ca urmare a diferitelor probabilități de tranziții la starea solului cu subnivele metastabile sau spori eficiența generării este diferit pentru diferite lungimi de undă ale intervalului de funcționare. [8]
2.3. de pompare
Există diferite modele ale pompei Ghiduri de undă optice, dintre care cele mai comune sunt pur structuri de fibre. O opțiune este de a plasa în interiorul fibrei active a mai multor scoici, cel exterior este o protectoare (așa-numita dublu acoperit fibra (Engl. Dublu placat cu fibre)). Prima placare din cuarț pur, cu un diametru de câteva sute de micrometri, iar celălalt - un material polimeric al cărui indice de refracție este ales în mod substanțial mai mică decât cea din cuarț. Astfel, primul și al doilea înveliș multimod waveguide produc o secțiune transversală mare și o deschidere numerică la care este lansat radiația pompei. excitație eficientă a ionilor de pământuri rare se realizează prin selectarea diametrele activ nitty gritty și pompa waveguide. Conform acestei tehnologii se poate obține o putere de ieșire de aproximativ 100 de wați.
sistem de pompare cu laser bazat pe fibra cu un strat dublu
Două tipuri diferite de fibre optice pentru lasere cu fibre (nu la scară). Stânga: schemă convențională cu fibra waveguide o pompă cu un strat dublu (Engl fibră dublu placat.). Dreapta: GTWave circuitul pompei de tehnologie cu două ghiduri de undă (de exemplu). 1. nitty cu pietricele dopat cu ioni de pământuri rare. 2. Pompa waveguide. 3. coajă comună. 4. Teaca protectoare.
Pompa de putere mare, sunt realizate prin tehnologia GTWave. Într-o teacă de protecție încorporat nitty gritty mai multe waveguides, dintre care unul este un mediu activ, iar celălalt - ghiduri de unda ale pompei. Pomparea se face prin câmpul evanescentă pătrunde în mediul activ prin pereții lor. O caracteristică a tehnologiei este abilitatea de a lumina pompei de intrare prin ambele capete ale fiecăreia dintre waveguide pompei și lipsa necesității unei WDM-cuple. [5], [9]
2.4. Rezonatoare, cum ar fi Fabry - Perot
Rezonatoare bazate pe Fabry - Perot, sunt printre cele mai frecvente. [10] Diferențele dintre ele sunt în procesul de creare a oglinzilor rezonator.
2.4.1. Rezonatoarele folosind oglinzi dielectrice
Primele lasere de fibre pentru a crea un Fabry - Perot aplicat oglinzilor dielectrice (Eng.) Rusă. datorită capacității lor de a crea aproape transparentă la lungimea de undă a pompei de 0,82 micrometri menținând în același timp un grad de reflexie ridicat la lungimea de undă de 1.088 microni (parametrii cu laser au fost după cum urmează, în care fibrele aplicate dopate cu Nd 3+). Inițial, fibra a fost plasat între oglinzi, dar o astfel de construcție a fost dificil să se adapteze. O soluție parțială pentru problema consta in aplicarea oglinzilor dielectrice direct la capetele fibrelor, care, totuși, a crescut riscul de deteriorare a pompei de puternic radiație focalizat și rigurozității cerințelor pentru prelucrarea capetelor fibrei. problemă de protecție Oglinzi este uneori rezolvată prin utilizarea WDM-cuplaj. [6]
2.4.2. Un rezonator folosind fibră de grătare Bragg
Rezonatorul în fibra optică creează perechi de Bragg filee vnutrivolokonnyh - porțiuni ale ghidului de undă optic, în care este creată o structură cu indice de refracție modulată. Zonele cu un indice de refracție alterată (accident vascular cerebral) sunt aranjate perpendicular pe axa waveguide. Reflecția unor astfel de structuri are loc la o lungime de undă
în cazul în care Neff - indicele de refracție efectiv al modului fundamental, Qb - grilaje perioadă. Caracter de reflecție (complet sau parțial), va depinde de parametrii săi. Lățimea spectrului de reflexie devine coeficient proporțional κ legătură cu un număr mare de accidente vasculare cerebrale. care afectează raportul de reflexie
unde L - lungimea gratarului. În practică, creat în interiorul fibrei Bragg are mai multe alți parametri, cum chiar crearea sa modifică indicele de refracție efectiv la locul grilajului, și astfel lungimea de undă de rezonanță în sine. Pentru gurile de vnutrivolokonnyh sunt temperaturi ridicate periculoase. Deși, în general, distrugerea temperaturii zabrele depinde în mod esențial de metoda de creare și material fibros, de multe ori temperaturile critice se află în intervalul 300-600 ° C [5] [11] Selectivitatea frecvenței grătare Bragg permite obținerea unui laser care funcționează într-un singur mod longitudinal cu o bandă de frecvență îngustă este generată. [12]
Laserele din fibre Raman crea uneori mai mult de o pereche de grătare Bragg la lungimi de undă diferite pentru a atinge mai mare ordine de împrăștiere (fiecare următoarea ordine de împrăștiere schimbă lungimea de undă a fotonilor care realizează lungimea de undă dorită). [5]
3. Caracteristici tehnice
3.1. lasere Odnopolyazizatsionnye
Chiar și într-o fibră monomod, există o legătură între modurile de propagare cu constantele apropiate și polarizări ortogonale. Pentru liniile de comunicație cu fibre optice este un factor de limitare a debitului și a lungimii, deoarece este de preferat să se păstreze polarizarea în propagarea impulsului prin fibra. [13]
Radiația laser fibra de polarizare, în general, depinde de mulți factori, în special cu privire la puterea pompei și nu este liniară. O metodă utilizată în mod frecvent de suprimare unul dintre polyazatsy ortogonale este aplicarea vnutrivolokonnogo polarizator. În rolul său efectuează anumite secțiuni cu fir metalic (de exemplu, sub formă de litere latine D), construit în fibre și întinse de-a lungul pietroase sale amanuntite. Aceasta cauzează pierderi ohmice la ortogonală de polarizare pe suprafața fire. Pentru a crea un alt tip de fibre polarizor, bazate pe același principiu fizic, fibra optică este prelucrată astfel încât o distanță de ordinul lungimii de undă a nitty suprafață șlefuită nisipos este format pe care este depus un strat de metal. Studii experimentale structuri descrise demonstrat polarizări diferență amplitudinilor până la 25 dB în domeniul infraroșu, la o putere de ieșire de mai multe miliwatt și eficiența de aproximativ 25%. [14]
O abordare fundamental diferită este de a utiliza fibre optice cu moduri de birefringente puternice. Această fibră, în care asimetria canal deschis de propagare create în mod artificial, de exemplu, prin crearea unei nitty eliptice sau degajări pietricele laterale, provocând tensiunilor mecanice din fibra într-o anumită direcție. În aceste moduri cu diferite polarizări au diferite constante de propagare. Generarea unei polarizare necesară realizarea vnutrivolokonnyh folosind grilaje, Bragg în care coeficientul de reflexie depinde de polarizarea unui Fabry - interferometru Perot. [13] [14]
3.2. Up-conversie
Conversie (up-conversie), menționate lasere în care lungimea de undă este mai mică decât lungimea de undă a pompei (în cele mai multe lasere convenționale pompate de lumină, situația opusă apare). Conversie schema de pompare este absorbția mai multor fotoni medii activ, prin care energia tranziției c nivelul de energie finit mai mare decât energia fiecărui foton absorbit. Fibra laserele aplicarea ei necesită deseori fibrele utilizarea flyuoridnyh (ZBLAN). Up-conversie este utilizat în tuliy-, erbiy- și praseodim aliat / yterbiu lasere. [15] Trebuie remarcat faptul că fiecare nivel de energie al ionului utilizat pentru generarea unei lățite datorate interacțiunii cu matricea. Up-conversie este de interes semnificativ, deoarece vă permite să creați lasere care operează în regiunea albastră a spectrului atunci când se utilizează pompa în intervalul roșu sau în infraroșu. [16]
Tipic pompare thulium circuitului fibră activă (centre active sunt Tm 3+ ioni) pentru absorbtia trei fotoni de fotoni este 1.06 tranziții ,. tranzițiile intermediare sunt de relaxare. Rezultatul este generarea de radiații intense, la o lungime de undă de 475 nm la tranziție. absorbție cu doi fotoni de fotoni cu lungimea de undă de 660 nm conduce la conversia și urmat de 460 nm radiație fotonică. [17] [16]
Praseodim este de interes considerabil ca un ion de lucru ca up-conversie sistem de fibre dopate cu ei ne permite să genereze culorile roșu, portocaliu, verde și albastru. De multe ori aplicat dopajul suplimentare cu yterbiu, datorită unei benzi de absorbție foarte largă, care se situează în intervalul de diode GaAs puternice. Yt 3+ ioni servi ca sensibilizatori (particule de transmisie a puterii între diferitele niveluri ale ionilor care servesc pentru generarea). [18]
3.3. lasere Raman
Laserele din fibre pot fi create pe baza fibrei optice activă - fibre de siliciu dopat cu elemente de pământuri rare (yterbiu, erbiu, neodimiu, tuliu, holmiu și altele), sau o fibră pasivă, utilizând efectul stimulat Raman. În acest ultim caz, waveguide optic formează un rezonator în combinație cu Bragg filee indicele de refracție, „scris“ în fibra. Astfel de lasere sunt numite lasere de fibre Raman.
Laserul de fibre poate fi foarte mult timp pentru a obține puteri mari de ieșire. In lasere cu fibre moderne kilowatt de putere este utilizat un compus dintr-o multitudine de fibre optice individuale într-o singură fibră optică prin sudură „spic“. Zonă mare distribuite suprafeței fibrelor să se răcească în mod eficient elementul activ al laserului.
Radiația laser se propagă în interiorul fibrei optice cu laser și rezonator de fibre astfel nu necesită ajustare. Această situație a dus la dezvoltarea rapidă a lasere de acest tip, cu toate acestea, simplitatea relativă a rezonatoare cu laser de multe ori nu permite realizarea unor astfel de opțiuni sau moduri de modificări de radiații, care sunt realizate în lasere discrete (în volum) a elementelor optice.
Laserul din fibre pot fi preparate ca o generație singură frecvență, și generarea de ultrascurte (femtosecunde, picosecunde) impulsuri optice.
3.4. lasere cu fibre pe cristale fotonice
Putere de ieșire în creștere și control al diafragmei numerică poate fi realizată folosind fibre optice pentru cristale fotonice. [19] [20] [21]
4. Aplicații
Mașină pentru tăiere metal Cincinnati CL-920 (2 kw, fibre yterbiu laser)
4.1. Avantaje și dezavantaje
Avantajele laseri cu fibre în mod tradițional transporta un raport semnificativ al zonei cavității la volumul său, pentru a oferi un silicon rezistent la căldură de răcire ridicată și de dimensiuni mici de astfel de dispozitive în cerințele de putere și clase de calitate. Raza laser, este de obicei necesar să existe o fibră optică pentru utilizarea ulterioară în domeniu. Pentru lasere cu un design diferit care necesită sisteme speciale de colimare optice și face dispozitivul sensibil la vibrații. În radiația laser de fibre este generată direct în fibra si are o calitate optică ridicată. Dezavantajele acestui tip de laser este pericolul efectelor neliniare datorită densității ridicate a radiației în fibră este relativ mică, iar energia impuls de ieșire, datorită volumului redus al substanței active. [22] [23]
4.2. Domenii de aplicare
Comparativ cu alte modele cu laser lasere de fibre au astfel de avantaje importante pentru utilizarea practică, ca o simplă creștere a capacității, răcire eficientă, o mare fiabilitate, costuri reduse de întreținere.
Dintre minusuri poate fi numit o dimensiune relativ mare și complexitatea de fabricație.
Aplicarea principală a laserelor cu fibre - tăierea materialelor „grele“ (metale, plastic, lemn).
Printre alte aplicații se numără:
- Tăierea plachetelor semiconductoare în cristale individuale.
- În medicină, ca bisturie cu laser, coalescență (pentru disecție și îndepărtarea țesutului moale, hemostază, în general, cosmetice, ginecologice, ORL, endo, chirurgie laparoscopică și alte zone).
- Pentru transmisia de date cu fibră optică.
Această metodă de transfer de date este esențială pentru transmisia de date de mare viteză pe distanțe lungi. Cabluri cu fibre optice sunt utilizate pentru televiziunea prin cablu la Internet și între casele în orașe (în aer sau sub pământ), iar pentru conexiunile intercontinentale (cablu submarin blindat de stabilire cu amplificatoare) [25].