Mikä on kuitulaser?

Määritelmä: Laser, joka käyttää seostettua kuitua vahvistusväliaineena, tai laser, jonka laserresonaattori koostuu pääosin kuidusta.

Kuitulaserit viittaavat yleensä lasereihin, jotka käyttävät kuitua vahvistusväliaineena, vaikka joitain lasereita, jotka käyttävät puolijohdevahvistusvälineitä (optisia puolijohdevahvistimia) ja kuituresonaattoreita, voidaan kutsua myös kuitulasereiksi (tai puolijohdelasereiksi). Lisäksi eräitä muun tyyppisiä lasereita (esimerkiksi kuitukytkettyjä puolijohdediodeja) ja kuituvahvistimia kutsutaan myös kuitulasereiksi (tai kuitulaserjärjestelmiksi).

Useimmissa tapauksissa vahvistusväliaine on harvinaisten maametallien ioneilla seostettu kuitu, kuten erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), torium (Tm3+) tai praseodyymi (Pr3+), ja tarvitaan yksi tai useampi kuitukytketty laserdiodi. pumppausta varten. Vaikka kuitulaserien vahvistusväliaine on samanlainen kuin solid-state-bulkkilaserien, aaltoputkiefekti ja pieni tehollinen tila-alue johtavat lasereihin, joilla on erilaiset ominaisuudet. Niillä on esimerkiksi yleensä korkea laservahvistus ja suuret resonaattoriontelohäviöt. Katso kohdat kuitulaser ja bulkkilaser.

Kuvio 1

Kuitulaserresonaattori

Laserresonaattorin saamiseksi optisella kuidulla voidaan käyttää useita heijastimia lineaarisen resonaattorin muodostamiseksi tai kuiturengaslaserin muodostamiseksi. Lineaarisessa optisessa laserresonaattorissa voidaan käyttää erilaisia ​​heijastimia:

Kuva 2

1. Laboratorioasennuksissa tavallisia dikroisia peilejä voidaan käyttää kohtisuoraan katkaistujen kuitujen päissä, kuten kuvassa 1. Tätä ratkaisua ei kuitenkaan voida käyttää suurtuotannossa, eikä se ole kestävä.

2. Fresnel-heijastus paljaan kuidun päässä riittää toimimaan kuitulaserin lähtöliittimenä. Kuvassa 2 on esimerkki.

3. Dielektriset pinnoitteet voidaan levittää myös suoraan kuidun päihin, yleensä haihduttamalla. Tällaiset pinnoitteet voivat saavuttaa korkean heijastavuuden laajalla alueella.

4. Kaupallisissa tuotteissa käytetään yleensä kuitu-Bragg-ritilöitä, jotka voidaan valmistaa suoraan seostetuista kuiduista tai liittämällä seostamattomat kuidut aktiivikuiduiksi. Kuvassa 3 on hajautettu Bragg-heijastinlaser (DBR-laser), joka sisältää kaksi kuituritilää. On myös hajautettu takaisinkytkentälaser, jossa seostettu kuidussa on hila ja välissä vaihesiirto.

5. Jos kuidusta säteilevä valo kollimoidaan linssillä ja heijastuu takaisin dikroiselta peililtä, ​​voidaan saavuttaa parempi tehonkäsittely. Peilin vastaanottaman valon intensiteetti on huomattavasti pienempi johtuen suuremmasta sädealueesta. Pienet kohdistusvirheet voivat kuitenkin aiheuttaa merkittäviä heijastushäviöitä, ja ylimääräiset Fresnel-heijastukset kuidun päätypinnassa voivat tuottaa suodatinefektejä. Jälkimmäinen voidaan vaimentaa käyttämällä kulmassa katkaistuja kuidun päitä, mutta tämä aiheuttaa aallonpituudesta riippuvia häviöitä.

6. On myös mahdollista muodostaa optinen silmukkaheijastin käyttämällä kuituliitintä ja passiivikuituja.

Useimmat optiset laserit pumpataan yhdellä tai useammalla kuitukytketyllä puolijohdelaserilla. Pumpun valo on kytketty suoraan kuituytimeen tai suurella teholla pumpun päällysteeseen (katso kaksoispäällysteiset kuidut), joista keskustellaan yksityiskohtaisesti alla.

Kuitulasereita on monenlaisia, joista muutama kuvataan alla.

Kuitulasereita on monenlaisia, joista muutama kuvataan alla.

Tehokkaat kuitulaserit

Aluksi kuitulaserit pystyivät saavuttamaan vain muutaman milliwatin tehon. Nykyään suuritehoiset kuitulaserit voivat saavuttaa useita satoja watteja ja joskus jopa useita kilowatteja yksimuotokuiduista. Tämä saavutetaan lisäämällä kuvasuhdetta ja aaltoputkiefektejä, jotka välttävät termooptisia vaikutuksia.

Katso lisätietoja artikkelista Tehokkaat kuitulaserit ja vahvistimet.

Upconversion kuitulaserit

Kuitulaserit soveltuvat erityisen hyvin upconversion lasereiden toteuttamiseen, jotka yleensä toimivat suhteellisen harvoissa lasersiirtymissä ja vaativat erittäin korkeita pumpun intensiteettejä. Kuitulasereissa korkeat pumpun intensiteetit voidaan ylläpitää pitkiä matkoja, jolloin saavutettu vahvistustehokkuus saavutetaan helposti siirtymillä, joilla on erittäin pieni vahvistus.

Useimmissa tapauksissa piidioksidikuidut eivät sovellu ylöskonversiokuitulasereille, koska ylösmuuntomekanismi vaatii pitkän välitilan eliniän elektroniikkaenergiatasolla, joka on yleensä piidioksidikuiduissa erittäin pieni korkeasta fononienergiasta johtuen (katso monifotonisiirtymät). Siksi joitain raskasmetallifluoridikuituja käytetään yleensä, kuten ZBLAN (fluorosirkonaatti), jolla on pieni fononienergia.

Yleisimmin käytetyt ylöskonversiokuitulaserit ovat torium-seostetut kuidut siniselle valolle, praseodyymi-seostetut laserit (joskus ytterbiumilla) punaiselle, oranssille, vihreälle tai siniselle valolle ja erbium-seostetut laserit triodille.

Kapealinjaiset kuitulaserit

Kuitulaserit voivat toimia vain yhdessä pitkittäismoodissa (katso yksitaajuinen laser, yksimuotokäyttö) erittäin kapealla, muutaman kilohertsin tai jopa alle 1 kHz:n viivanleveydellä. Pitkäaikaista vakaata yksitaajuista toimintaa varten ja ilman lisävaatimuksia lämpötilan stabiilisuuden huomioon ottaen laserontelon tulee olla lyhyt (esim. 5 cm), vaikka mitä pidempi onkalo periaatteessa, sitä pienempi vaihekohina ja kapeampi ontelo. viivan leveys. Kuitupäässä on kapeakaistainen Bragg-kuituhila (katso hajautettu Bragg-heijastinlaser, DBR-kuitulaser) onkalotilan valitsemiseksi. Lähtöteho vaihtelee tyypillisesti muutamasta milliwatista kymmeniin milliwatteihin, ja saatavilla on myös yksitaajuisia kuitulasereita, joiden lähtöteho on jopa 1 W.

Äärimmäinen muoto on hajautettu palautelaser (DFB-laser), jossa koko laserontelo on kuitu-Bragg-hilan sisällä, jossa on vaihesiirto. Tässä onkalo on suhteellisen lyhyt, mikä uhraa lähtötehoa ja linjan leveyttä, mutta yksitaajuinen toiminta on erittäin vakaata.

Kuituvahvistimia voidaan käyttää myös vahvistamaan edelleen suurempiin tehoihin.

Q-kytketyt kuitulaserit

Kuitulaserit voivat tuottaa pulsseja, joiden pituus vaihtelee kymmenistä satoihin nanosekuntiin, käyttämällä erilaisia ​​aktiivisia tai passiivisia Q-kytkimiä. Muutaman millijoulen pulssienergiat voidaan saavuttaa suuren moodialueen kuiduilla, ja äärimmäisissä tapauksissa ne voivat saavuttaa kymmeniä millijouleja, joita rajoittavat kyllästysenergia (jopa suuren moodialueen kuiduilla) ja vauriokynnys (joka on selvempi lyhyemmille pulsseille). Kaikki kuitulaitteet (paitsi vapaan tilan optiikka) ovat pulssienergialtaan rajallisia, koska ne eivät yleensä pysty toteuttamaan suurimuotoisia kuituja ja tehokasta Q-kytkentää.

Suuresta laservahvistuksesta johtuen kuitulaserien Q-kytkentä on luonteeltaan hyvin erilainen kuin bulkkilasereissa ja on monimutkaisempi. Aika-alueella on yleensä useita piikkejä, ja on myös mahdollista tuottaa Q-kytkettyjä pulsseja, joiden pituus on pienempi kuin resonaattorin kiertoaika.

Mode-lukitut kuitulaserit käyttävät monimutkaisempia resonaattoreita (ultralyhyitä kuitulasereita) piko- tai femtosekuntien pulssien tuottamiseen. Tässä laserresonaattori sisältää aktiivisen modulaattorin tai joitain kyllästyneitä absorboijia. Tyydytetyt absorboijat voidaan toteuttaa epälineaarisilla polarisaatiokiertovaikutuksilla tai käyttämällä epälineaarista kuitusilmukkapeiliä. Epälineaarisia silmukkapeilejä voidaan käyttää esimerkiksi kuvan 8 "kahdeksasta laserista", jossa vasemmalla puolella on pääresonaattori ja epälineaarinen kuiturengas edestakaisten ultralyhyiden pulssien vahvistamiseksi, muokkaamiseksi ja stabiloimiseksi. Varsinkin harmonisen tilan lukituksessa tarvitaan lisälaitteita, kuten optisina suodattimina käytettäviä alionteloita.