Cos'è un laser a fibra?

Cos'è un laser a fibra?

La fibra ottica è l'abbreviazione di fibra ottica e di solito è una guida d'onda cilindrica per le onde luminose. Utilizza il principio della riflessione totale per confinare le onde luminose al nucleo e guidarle nella direzione dell'asse della fibra. La sostituzione del filo di rame con il vetro al quarzo ha cambiato il mondo.

Come mezzo per condurre onde luminose, la fibra ottica è stata ampiamente utilizzata dal 1966 quando fu introdotta da Charles Kao, grazie alla sua elevata capacità di comunicazione, elevata immunità alle interferenze, bassa perdita di trasmissione, lunga distanza di trasmissione, buona riservatezza, adattabilità, dimensioni ridotte , fonti leggere e abbondanti di materie prime. Conosciuto come il "padre della fibra ottica", Kao è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 2009 per il suo lavoro. Con la crescente perfezione e praticità della fibra ottica, ha rivoluzionato l'industria delle telecomunicazioni e ha ampiamente sostituito il filo di rame come componente principale delle comunicazioni moderne.

Il sistema di comunicazione in fibra ottica è un sistema di comunicazione che utilizza la luce come vettore di informazioni e la fibra ottica come mezzo di guida d'onda. Quando la fibra ottica trasmette informazioni, il segnale elettrico viene trasformato in un segnale ottico, che viene poi trasmesso all'interno della fibra. Come tecnologia di comunicazione emergente, la comunicazione in fibra ottica ha mostrato fin dall'inizio una superiorità senza pari e ha suscitato grande interesse e attenzione diffusa. L'uso diffuso delle fibre ottiche nelle comunicazioni ha anche contribuito al rapido sviluppo di amplificatori in fibra ottica e laser in fibra allo stesso tempo. Oltre alle comunicazioni, i sistemi in fibra ottica sono utilizzati anche in un'ampia gamma di applicazioni in medicina, rilevamento e altri campi.

Fibre ottiche

Il mezzo di guadagno di un laser a fibra è la fibra attiva. Secondo la sua struttura può essere suddiviso in fibra monomodale, fibra a doppio rivestimento e fibra a cristalli fotonici tre.

Fibra ottica monomodale La fibra monomodale è costituita da un nucleo, un rivestimento e uno strato di rivestimento, in cui l'indice di rifrazione del materiale del nucleo n1, superiore all'indice di rifrazione del materiale di rivestimento n2, quando l'angolo di incidenza della luce incidente è maggiore del immagine ad angolo critico, il raggio di luce nel nucleo dell'emissione completa, quindi la fibra può essere legata al raggio di luce nella propagazione del nucleo. Il rivestimento interno delle fibre monomodali non può svolgere un ruolo restrittivo per la luce della pompa multimodale e l'apertura numerica del nucleo è bassa, quindi è possibile utilizzare solo l'accoppiamento della luce della pompa monomodale nel nucleo per ottenere l'uscita laser. I primi laser in fibra utilizzavano questa fibra monomodale, con conseguente bassa efficienza di accoppiamento e laser con potenza di uscita nell'ordine dei milliwatt.

Fibre a doppio rivestimento

Al fine di superare i limiti delle fibre convenzionali monomodali, a rivestimento singolo drogate con itterbio (Yb3 plus) sull'efficienza di conversione e sulla potenza di uscita, Maurer (R. Maurer) ha proposto per la prima volta il concetto di fibre a doppio rivestimento nel 1974. Da allora, non è stato fino al 1988, quando E. Snitzer e altri hanno proposto la tecnologia di pompaggio del rivestimento [3], che i laser/amplificatori a fibra drogata con Yb ad alta potenza sono stati sviluppati rapidamente.

Una fibra a doppio rivestimento è una fibra ottica con una struttura speciale che aggiunge uno strato di rivestimento interno alla fibra convenzionale, costituito da uno strato di rivestimento, uno strato di rivestimento interno, uno strato di rivestimento esterno e un nucleo di fibra drogata. La tecnologia di pompaggio del rivestimento si basa su una fibra a doppio rivestimento, il cui nucleo è quello di consentire la trasmissione della luce della pompa multimodale nel rivestimento interno e la trasmissione della luce laser nel nucleo, consentendo l'efficienza di conversione del pompaggio e la potenza di uscita di il laser in fibra da migliorare notevolmente. La struttura della fibra a doppio rivestimento, la forma del rivestimento interno e il metodo di accoppiamento della luce della pompa sono le chiavi di questa tecnologia.

Il nucleo della fibra a doppio rivestimento è composto da biossido di silicio (SiO2) drogato con elementi di terre rare, che è sia il mezzo laser che il canale di trasmissione del segnale laser nel laser a fibra, corrispondente alla lunghezza d'onda di lavoro. La dimensione trasversale (decine di volte il diametro di un nucleo convenzionale) e l'apertura numerica del rivestimento interno sono molto maggiori di quelle del nucleo e l'indice di rifrazione è inferiore a quello del nucleo, il che limita completamente la propagazione della luce laser all'interno del nucleo. Ciò crea una guida d'onda ottica di grande sezione trasversale e grande apertura numerica tra il nucleo e il rivestimento esterno, che consente di accoppiare nella fibra luce pompata ad alta potenza di grande apertura numerica, grande sezione trasversale e multimodalità e confinata alla trasmissione all'interno il rivestimento interno senza diffusione, facilitando il mantenimento del pompaggio ottico ad alta densità di potenza. Il rivestimento esterno è composto da un materiale polimerico con un indice di rifrazione inferiore rispetto al rivestimento interno; lo strato più esterno è uno strato protettivo composto da materiale organico. L'area di accoppiamento della fibra a doppio rivestimento alla luce pompata è determinata dalla dimensione del rivestimento interno, a differenza delle fibre monomodali convenzionali, che sono determinate solo dal nucleo. Da un lato, ciò migliora l'efficienza di accoppiamento di potenza del laser a fibra umana, consentendo alla luce della pompa di passare più volte attraverso il rivestimento interno per eccitare gli ioni drogati per l'emissione laser; d'altra parte, la qualità del raggio di uscita è determinata dalla natura del nucleo della fibra e l'introduzione del rivestimento interno non distrugge la qualità del raggio dell'uscita del laser in fibra.

Inizialmente, il rivestimento interno delle fibre a doppio rivestimento era cilindricamente simmetrico e relativamente semplice da fabbricare e facile da accoppiare al codino del diodo laser della pompa (LD), ma la sua perfetta simmetria si traduceva in un gran numero di raggi a spirale di luce della pompa in il rivestimento interno che non ha mai raggiunto la regione centrale anche dopo riflessioni sufficienti per essere assorbito dal nucleo, cosicché anche con fibre più lunghe c'è ancora una grande quantità di perdita di luce, rendendo difficile migliorare l'efficienza di conversione. Per questo motivo, la simmetria cilindrica del rivestimento interno deve essere interrotta.

Fibre di cristallo fotonico

Nelle normali fibre a doppio rivestimento, la geometria del nucleo determina la potenza del laser in uscita. L'apertura numerica determina la qualità del raggio del laser in uscita. A causa delle limitazioni degli effetti non lineari, dei danni ottici e di altri meccanismi fisici nelle fibre ottiche, un unico mezzo per aumentare il diametro del nucleo non può soddisfare la domanda di funzionamento in modalità singola ad alta potenza in fibre a doppio rivestimento di campo di grandi dimensioni. L'emergere di fibre speciali, come le fibre a cristalli fotonici (PCF), fornisce una soluzione tecnica efficace a questa sfida.

Il concetto di cristalli fotonici è stato introdotto per la prima volta da E. Yablonovitch nel 19871 come struttura periodica con diverse costanti dielettriche in una, due o tre dimensioni che consente alla luce di propagarsi nella banda di conduzione fotonica e impedisce alla luce di propagarsi nella banda proibita fotonica ( PBG). I PCF sono cristalli fotonici bidimensionali, noti anche come fibre microstrutturate o fibre porose, e nel 1996 JC Knight et al. ha prodotto i primi PCF con un meccanismo di guida della luce simile a quello delle fibre convenzionali con riflessione interna totale. Dopo il 2005, la progettazione e la preparazione di PCF a campo di grandi dimensioni ha iniziato a diversificarsi, con l'emergere di varie forme, tra cui PCF a canale che perde, PCF a forma di bastoncino, PCF a passo largo e PCF multi-core. Anche l'area del campo modale della fibra ha continuato ad aumentare di conseguenza.

In apparenza, i PCF sono molto simili alle fibre monomodali convenzionali, ma al microscopio presentano complesse strutture a matrice di fori. Sono queste caratteristiche strutturali che conferiscono ai PCF vantaggi unici e ineguagliabili rispetto alle fibre convenzionali, come la trasmissione monomodale senza interruzioni, l'ampia area di campo modale, la dispersione regolabile e la bassa perdita di limitazione, che possono superare molte delle sfide dei laser convenzionali . Ad esempio, PCF può ottenere il funzionamento monomodale in un'ampia area di campo modale, garantendo al contempo la qualità del raggio, riducendo significativamente la densità di potenza del laser nella fibra, riducendo gli effetti non lineari nella fibra e aumentando la soglia di danno della fibra; può raggiungere una grande apertura numerica, il che significa che è possibile ottenere un maggiore accoppiamento ottico della pompa e una maggiore potenza del laser. Ciò lo ha reso un nuovo punto culminante della ricerca nei laser a fibra, svolgendo un ruolo sempre più importante nell'applicazione dei laser a fibra ad alta potenza.

L'invenzione del laser a fibra

I laser che utilizzano fibre ottiche come mezzo di guadagno laser sono noti come laser a fibra. Come altri tipi di laser, si compone di tre parti: il mezzo di guadagno, la sorgente della pompa e la cavità risonante. i laser a fibra utilizzano una fibra attiva con un nucleo drogato con elementi di terre rare come mezzo di guadagno. Un laser a semiconduttore viene generalmente utilizzato come sorgente di pompaggio. La cavità risonante è generalmente composta da specchi riflettenti, superfici terminali di fibre, specchi ad anello di fibre o reticoli di fibre.

In base alle caratteristiche del dominio del tempo del laser a fibra, può essere suddiviso in laser a fibra continua e laser a fibra pulsata; secondo la struttura della cavità risonante, può essere suddiviso in laser a fibra a cavità lineare, laser a fibra a feedback distribuito e laser a fibra a cavità anulare; in base alla fibra di guadagno e ai diversi metodi di pompaggio, può essere suddiviso in laser a fibra a rivestimento singolo (pompaggio del nucleo in fibra) e laser a fibra a doppio rivestimento (pompaggio del rivestimento).

Nel 1961, Snitzer scoprì la radiazione laser nelle guide d'onda di vetro drogate al neodimio (Nd). 1966, Kao ha studiato in dettaglio le principali cause dell'attenuazione della luce nelle fibre ottiche e ha evidenziato i principali problemi tecnici che devono essere risolti per l'applicazione pratica delle fibre ottiche nelle comunicazioni. 1970, Corning negli Stati Uniti sviluppa fibre ottiche con attenuazione inferiore a 20 dB/km, che gettano le basi per lo sviluppo dell'industria delle comunicazioni ottiche e dell'optoelettronica. Ciò ha gettato le basi per lo sviluppo delle industrie delle comunicazioni ottiche e dell'optoelettronica. Negli anni '70 e '80, la maturazione e la commercializzazione della tecnologia laser a semiconduttore ha fornito una fonte di pompaggio affidabile e diversificata per lo sviluppo di laser a fibra. Allo stesso tempo, lo sviluppo del metodo di deposizione chimica da vapore riduce continuamente la perdita di trasmissione della fibra ottica. Anche i laser a fibra si stanno rapidamente sviluppando nella direzione della diversificazione, con fibre drogate con una varietà di elementi delle terre rare, come erbio (Er3 plus), itterbio (Yb3 plus), neodimio (Nd3 plus), samario (Sm 3 plus), tulio (Tm3 plus ), olmio (Ho3 plus ), praseodimio (Pr3 plus ), disprosio (Dy3 plus ), bismuto (Bi3 plus ) e così via. A seconda degli ioni drogati, è possibile ottenere diverse lunghezze d'onda dell'uscita laser. Per soddisfare i requisiti di diverse applicazioni.

Caratteristiche dei laser in fibra ad alta potenza

I vantaggi dei laser in fibra ad alta potenza sono i seguenti.

(1) Buona qualità del raggio. La struttura della guida d'onda della fibra ottica consente di ottenere facilmente un'uscita in modalità trasversale singola e l'influenza di fattori esterni è molto ridotta per ottenere un'uscita laser ad alta luminosità.

(2) Alta efficienza. Laser a fibra scegliendo la lunghezza d'onda di emissione e le caratteristiche di assorbimento degli elementi di terre rare drogate del laser a semiconduttore per la sorgente della pompa, è possibile ottenere una luce molto elevata un'efficienza di conversione della luce. Per i laser a fibra ad alta potenza drogati con itterbio, generalmente si scelgono laser a semiconduttore da 915 nm o 975 nm, a causa della semplice struttura del livello di energia di Yb3 plus, l'upconversion, l'assorbimento dello stato eccitato e le esplosioni di concentrazione hanno meno probabilità di verificarsi, la durata della fluorescenza è più lunga e può immagazzinare efficacemente energia per il funzionamento ad alta potenza. L'efficienza elettro-ottica complessiva dei laser a fibra commerciale raggiunge il 25%, il che favorisce la riduzione dei costi, il risparmio energetico e la protezione dell'ambiente.

(3) Buone caratteristiche di dissipazione del calore. I laser a fibra vengono utilizzati come mezzo di guadagno laser utilizzando una sottile fibra drogata con elementi di terre rare con un rapporto tra superficie e volume molto ampio. Circa 1000 volte il laser a blocchi solidi, in termini di capacità di dissipazione del calore ha un vantaggio naturale. Non è richiesto alcun raffreddamento speciale della fibra per i casi a bassa e media potenza e il raffreddamento ad acqua viene utilizzato per i casi ad alta potenza, che evita efficacemente anche il degrado della qualità e dell'efficienza del raggio dovuto agli effetti termici comunemente presenti nei laser a stato solido.

(4) Struttura compatta, alta affidabilità. Poiché il laser a fibra utilizza una fibra piccola e flessibile come mezzo di guadagno del laser, aiuta a comprimere il volume e a risparmiare sui costi. La sorgente della pompa viene utilizzata anche in laser a semiconduttore di piccole dimensioni, facili da modulare, i prodotti commerciali sono generalmente disponibili con uscita pigtail, combinati con reticolo di Bragg in fibra e altri dispositivi in ​​fibra ottica, purché questi dispositivi siano fusi tra loro per ottenere la fibra piena, l'immunità ai disturbi ambientali, con elevata stabilità, può far risparmiare tempo e costi di manutenzione.

I laser in fibra ad alta potenza presentano anche svantaggi difficili da superare: uno è la vulnerabilità agli effetti non lineari. I laser a fibra hanno una lunga lunghezza effettiva e una bassa soglia per vari effetti non lineari a causa della geometria delle loro guide d'onda. Alcuni effetti non lineari dannosi come lo scattering Raman eccitato (SRS), la modulazione di fase autonoma (SPM), ecc. possono causare fluttuazioni di fase e trasferimento di energia sullo spettro, o persino danni al sistema laser, limitando lo sviluppo della fibra ad alta potenza laser. Il secondo è l'effetto di oscuramento dei fotoni. Con l'aumento del tempo di pompaggio, l'effetto di oscuramento dei fotoni può portare a un'elevata concentrazione di drogaggio di efficienza di conversione della potenza in fibra drogata con elementi di terre rare declino monotonicamente irreversibile, limitando la stabilità a lungo termine e la durata dei laser in fibra ad alta potenza, che è particolarmente evidente nei laser a fibra ad alta potenza drogati con itterbio.

Con il progresso dei laser a semiconduttore accoppiati in fibra ad alta luminosità e della tecnologia delle fibre a doppio rivestimento, la potenza di uscita, l'efficienza di conversione da ottico a ottico e la qualità del raggio dei laser in fibra ad alta potenza si sono notevolmente sviluppate. Nella lavorazione industriale, armi ad energia diretta, telemetria a lungo raggio, LIDAR e altre applicazioni di grande trazione della domanda, negli Stati Uniti Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) e Germania Tong Express Group, principalmente unità di ricerca su onda continua, onda pulsata ad alta potenza laser in fibra di ricerca e sviluppo, ha lanciato una ricca linea di prodotti. Risultati entusiasmanti sono stati riportati anche da un certo numero di unità in Cina, tra cui la Tsinghua University, la National University of Defense Technology, lo Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery dell'Accademia cinese delle scienze e il Fourth Research Institute of the China Aerospace Science and Corporazione di settore.

Tecnologia di potenziamento della potenza del laser in fibra

A causa degli effetti non lineari nel laser a fibra, degli effetti termici e delle limitazioni della soglia di danno materiale, la potenza di uscita di un singolo laser a fibra è limitata in una certa misura e, all'aumentare della potenza, la qualità del raggio diminuisce gradualmente, richiedendo l'uso della tecnologia di controllo della modalità e la progettazione di una struttura speciale della nuova fibra per migliorare la qualità del fascio. Dawson (JW Dawson) et al hanno teoricamente analizzato il limite di potenza di uscita di una singola fibra e hanno calcolato che nei laser a fibra a banda larga una singola fibra può ottenere una potenza massima di 36 kW vicino all'uscita laser del limite di diffrazione, mentre per i laser a fibra a larghezza di linea stretta, il massimo la potenza è di 2 kW. Al fine di migliorare ulteriormente la potenza di uscita del laser a fibra e dell'amplificatore, la sintesi di potenza di più laser a fibra mediante una tecnologia di sintesi coerente è un metodo efficace. Negli ultimi anni è diventato un hotspot di ricerca internazionale.

La sintesi coerente si ottiene controllando la fase, la frequenza e la polarizzazione di ciascun raggio laser con una certa coerenza, in modo che soddisfi la condizione di coerenza e ottenga un'uscita omogenea ad aggancio di fase, che può ottenere un'intensità di picco molto più elevata rispetto al semplice non coerente sovrapposizione e mantenere una buona qualità del fascio. La storia dello sviluppo della tecnologia di sintesi coerente è lunga quasi quanto la storia dei laser stessi e coinvolge vari tipi di laser a gas, laser chimici, laser a semiconduttore, laser a stato solido, ecc. Tuttavia, a causa dell'immaturità di vari dispositivi nei primi giorni, i risultati sperimentali raggiunti dalla tecnologia di sintesi coerente non hanno sfondato la massima potenza di uscita del corrispondente laser a collegamento singolo in quel momento, quindi l'effetto non era molto evidente. Dagli anni '90 in poi, l'avvento dei laser a fibra ha portato a un rapido sviluppo di tecniche di sintesi coerenti. Oltre ai vantaggi unici dei laser in fibra e alla necessità di un uso tattico di centinaia di kilowatt, diversi dispositivi (es. ruolo cruciale nel roll-out commerciale delle comunicazioni in fibra ottica. Gli accoppiatori a cono in fibra e le fibre multicore facilitano il controllo di fase passivo basato sull'accoppiamento dell'iniezione di energia laser e sull'accoppiamento rapido dell'onda, mentre i modulatori di fase con pigtail e variatori di frequenza acusto-ottici consentono il controllo di fase attivo con larghezze di banda di controllo megahertz, che possono essere utilizzate per controllare le fluttuazioni di fase a condizioni di alta potenza e ottenere uscite ad aggancio di fase. I ricercatori hanno proposto una serie di schemi di sintesi coerenti distintivi.

La sintesi spettrale è una tecnica di sintesi non coerente che utilizza uno o più reticoli di diffrazione per diffrangere più sottoraggi nella stessa apertura, risultando in un'uscita a singola apertura con una buona qualità del raggio. La sintesi spettrale dei laser a fibra può sfruttare appieno l'ampia larghezza di banda del guadagno dei laser a fibra drogata con Yb per compensare la potenza di uscita limitata di un singolo laser a fibra.