Tolali lazer nima?
Optik tola optik tola uchun qisqa va odatda yorug'lik to'lqinlari uchun silindrsimon to'lqin qo'llanmasidir. U yorug'lik to'lqinlarini yadro bilan cheklash va ularni tolalar o'qi yo'nalishi bo'yicha boshqarish uchun to'liq aks ettirish printsipidan foydalanadi. Mis simni kvarts oynasi bilan almashtirish dunyoni o'zgartirdi.
Yorug'lik to'lqinlarini o'tkazish uchun vosita sifatida optik tola 1966 yilda Charlz Kao tomonidan taqdim etilganidan beri keng qo'llanilib kelinmoqda, chunki uning yuqori aloqa qobiliyati, yuqori shovqin immuniteti, past uzatish yo'qotilishi, uzoq o'rni masofasi, yaxshi konfidensialligi, moslashuvchanligi, kichik o'lchamlari, engilligi va ko'p xom ashyo manbalari. “Optik tolaning otasi” sifatida tanilgan Kao 2009-yilda fizika bo‘yicha Nobel mukofoti bilan taqdirlangan edi. Optik tolaning mukammalligi va amaliyligi ortib borishi bilan u telekommunikatsiya sanoatida inqilob qildi va zamonaviy aloqaning asosiy komponenti sifatida mis simni katta darajada almashtirdi.
Optik tolali aloqa tizimi axborot tashuvchisi sifatida yorug'likdan va to'lqinni yo'naltiruvchi vosita sifatida optik toladan foydalanadigan aloqa tizimidir. Optik tola ma'lumotni uzatganda, elektr signali optik signalga aylanadi, keyinchalik u tolaning ichiga uzatiladi. Rivojlanayotgan aloqa texnologiyasi sifatida optik tolali aloqa boshidanoq misli ko'rilmagan ustunlikni ko'rsatdi va katta qiziqish va keng e'tiborni tortdi. Aloqada optik tolalarning keng qo'llanilishi ham bir vaqtning o'zida optik tolali kuchaytirgichlar va tolali lazerlarning jadal rivojlanishiga yordam berdi. Aloqadan tashqari, optik tolali tizimlar tibbiyot, sezish va boshqa sohalarda keng ko'lamli dasturlarda ham qo'llaniladi.
Optik tolalar
Elyaf lazerining daromadli muhiti faol toladir. Uning tuzilishiga ko'ra, bitta rejimli tolalar, ikki qavatli tolalar va fotonik kristalli tolalar uchta bo'linishi mumkin.
Yagona rejimli optik tolali bir rejimli tola yadro, qoplama va qoplama qatlamidan iborat bo'lib, bu erda yadro materialining sinishi ko'rsatkichi n1, qoplama materialining sinishi ko'rsatkichi n2 dan yuqori bo'lsa, tushayotgan yorug'likning tushish burchagi kritik burchakdagi rasmdan kattaroq bo'lsa, to'liq emissiya yadrosidagi yorug'lik nuri to'liq emissiya bo'lishi mumkin. Yagona rejimli tolalarning ichki qoplamasi ko'p rejimli nasos nuri uchun to'xtatuvchi rol o'ynay olmaydi va yadroning raqamli diafragma kam, shuning uchun lazer chiqishini olish uchun yadroga faqat bitta rejimli nasos yorug'lik ulanishi ishlatilishi mumkin. Dastlabki tolali lazerlar ushbu yagona rejimli toladan foydalangan, natijada ulanish samaradorligi past va millivatt oralig'ida chiqish quvvatiga ega lazerlar paydo bo'ldi.
Ikki qavatli tolalar
Konvertatsiya samaradorligi va chiqish quvvati bo'yicha an'anaviy bir rejimli, bir qoplamali ytterbium-doped (Yb3 plus) tolalarining cheklovlarini bartaraf etish uchun Maurer (R. Maurer) birinchi marta 1974 yilda ikki qavatli tolalar kontseptsiyasini taklif qildi. O'shandan beri faqat 1988 yilda E. Snitzer va boshqalar qoplamali nasos texnologiyasini taklif qilganlarida [3], yuqori quvvatli Yb qo'shilgan tolali lazerlar/kuchaytirgichlar tez ishlab chiqildi.
Ikki qavatli tola - bu an'anaviy tolaga ichki qoplama qatlamini qo'shadigan, qoplama qatlami, ichki qoplama qatlami, tashqi qoplama qatlami va doplangan tolali yadrodan iborat bo'lgan maxsus tuzilishga ega optik tola. Qoplama nasosi texnologiyasi ikki qavatli tolaga asoslangan bo'lib, uning yadrosi ko'p rejimli nasos nurini ichki qoplamada va lazer nurini yadroda o'tkazishga imkon beradi, bu esa nasosning konvertatsiya qilish samaradorligini va tolali lazerning chiqish quvvatini sezilarli darajada yaxshilashga imkon beradi. Ikki qavatli tolaning tuzilishi, ichki qoplamaning shakli va nasos nurini ulash usuli bu texnologiyaning kalitidir.
Ikki qavatli tolaning yadrosi noyob tuproq elementlari bilan qo'shilgan silikon dioksiddan (SiO2) iborat bo'lib, u ham lazer muhiti, ham ishchi to'lqin uzunligiga mos keladigan tolali lazerdagi lazer signalining uzatish kanali hisoblanadi. Ichki qoplamaning ko'ndalang o'lchami (an'anaviy yadro diametridan o'nlab baravar ko'p) va raqamli diafragma yadronikidan ancha katta va sinishi ko'rsatkichi yadrodan kichikroq, bu lazer nurining tarqalishini butunlay yadro ichida cheklaydi. Bu yadro va tashqi qoplama o'rtasida katta raqamli diafragma, katta kesma va ko'p rejimli yuqori quvvatli pompalanadigan yorug'likni tolaga ulash va diffuziyasiz ichki qoplama ichida uzatishni cheklash imkonini beradigan katta kesma, katta raqamli diafragma optik to'lqin o'tkazgichni yaratadi, bu esa nasosning yuqori quvvatini saqlashni osonlashtiradi. Tashqi qoplama ichki qoplamaga qaraganda kichikroq sinishi indeksiga ega bo'lgan polimer materialdan iborat; eng tashqi qatlam organik materialdan tashkil topgan himoya qatlamidir. Ikki qavatli tolaning pompalanadigan yorug'likka ulanish maydoni, faqat yadro tomonidan belgilanadigan an'anaviy bir rejimli tolalardan farqli o'laroq, ichki qoplamaning o'lchami bilan belgilanadi. Bir tomondan, bu inson tolasi lazerining quvvatni ulash samaradorligini yaxshilaydi, lazer emissiyasi uchun doplangan ionlarni qo'zg'atish uchun nasos nurining ichki qoplamadan bir necha marta o'tishiga imkon beradi; boshqa tomondan, chiqish nurlarining sifati tolalar yadrosining tabiati bilan belgilanadi va ichki qoplamaning kiritilishi tolali lazer chiqishining nur sifatini buzmaydi.
Dastlab, ikki qavatli tolalarning ichki qoplamasi silindrsimon nosimmetrik va nisbatan sodda tarzda ishlab chiqarilgan va nasos lazer diodining (LD) cho'chqa qismiga ulanishi oson edi, ammo uning mukammal simmetriyasi ichki qoplamada nasos nurining ko'p miqdordagi spiral nurlarini keltirib chiqardi, ular hatto yadro zonasiga etib bormagan bo'lsa ham, tolalar etarli darajada uzoqroq bo'lsa ham, u erda ham uzoqroq singib ketadi. ko'p miqdorda yorug'lik oqishi, konversiya samaradorligini oshirishni qiyinlashtiradi. Shu sababli, ichki qoplamaning silindrsimon simmetriyasini buzish kerak.
Fotonik kristall tolalar
Oddiy ikki qavatli tolalarda yadroning geometriyasi chiqish lazer quvvatini aniqlaydi. Raqamli diafragma chiqadigan lazerning nurlanish sifatini aniqlaydi. Optik tolalardagi chiziqli bo'lmagan ta'sirlar, optik shikastlanishlar va boshqa jismoniy mexanizmlarning cheklovlari tufayli yadro diametrini oshirishning yagona vositasi katta rejimli maydonda ikki tomonlama qoplamali tolalarda yuqori quvvat chiqishida bitta rejimda ishlash talabini qondira olmaydi. Fotonik kristalli tolalar (PCF) kabi maxsus tolalarning paydo bo'lishi ushbu muammoni samarali texnik hal qiladi.
Fotonik kristallar tushunchasi birinchi marta 19871 yilda E.Yablonovich tomonidan bir, ikki yoki uch o'lchamdagi turli dielektrik o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan davriy tuzilma sifatida kiritilgan bo'lib, bu yorug'likning fotonik o'tkazuvchanlik zonasida tarqalishiga imkon beradi va yorug'likning fotonik tarmoqli bo'shlig'ida (PBG) tarqalishini taqiqlaydi. PCFlar ikki o'lchovli fotonik kristallar bo'lib, ular mikroyapılı tolalar yoki gözenekli tolalar sifatida ham tanilgan va 1996 yilda JC Knight va boshqalar. umumiy ichki aks ettiruvchi an'anaviy tolalarga o'xshash yorug'lik yo'naltiruvchi mexanizmga ega bo'lgan birinchi PCFlarni ishlab chiqardi. 2005 yildan keyin katta rejimli maydon PCFlarini loyihalash va tayyorlash turli shakllar, jumladan, oqadigan kanalli PCFlar, novda shaklidagi PCFlar, katta pitch PCFlar va ko'p yadroli PCFlar paydo bo'lishi bilan diversifikatsiyalana boshladi. Tolaning rejim-maydon maydoni ham shunga mos ravishda o'sishda davom etdi.
Tashqi ko'rinishida PCFlar an'anaviy bir rejimli tolalarga juda o'xshash, ammo mikroskopik jihatdan ular murakkab teshikli qator tuzilmalarini namoyish etadilar. Aynan mana shu strukturaviy xususiyatlar PCF-larga an'anaviy tolalarga nisbatan noyob va tengsiz afzalliklarni beradi, masalan, uzilishsiz bir rejimli uzatish, katta rejimli maydon maydoni, sozlanishi dispersiya va past chegaraviy yo'qotish, an'anaviy lazerlarning ko'plab qiyinchiliklarini engib o'tish mumkin. Masalan, PCF nur sifatini ta'minlagan holda, toladagi lazer quvvati zichligini sezilarli darajada kamaytiradigan, tolada chiziqli bo'lmagan ta'sirlarni kamaytiradigan va tolaning shikastlanish chegarasini oshiradigan holda, katta rejimli maydon maydonida bir rejimli ishlashga erishishi mumkin; u katta raqamli diafragmaga erishishi mumkin, ya'ni ko'proq nasos optik ulanishi va yuqori quvvatli lazer chiqishiga erishish mumkin. Bu uni yuqori quvvatli tolali lazerlarni qo'llashda tobora muhim rol o'ynagan tolali lazerlardagi yangi tadqiqot yo'nalishiga aylantirdi.
Tolali lazerning ixtirosi
Optik tolalarni lazerni kuchaytirish vositasi sifatida ishlatadigan lazerlar tolali lazerlar deb nomlanadi. Boshqa turdagi lazerlar singari, u uch qismdan iborat: qozonish muhiti, nasos manbai va rezonans bo'shlig'i. tolali lazerlar qozonish vositasi sifatida noyob tuproq elementlari bilan qo'shilgan yadroli faol toladan foydalanadi. Yarimo'tkazgichli lazer odatda nasos manbai sifatida ishlatiladi. Rezonans bo'shlig'i odatda aks ettiruvchi ko'zgular, tolaning uchi sirtlari, tolali halqali nometall yoki tolali panjaralardan iborat.
Elyaf lazerining vaqt sohasi xususiyatlariga ko'ra, uni doimiy tolali lazer va impulsli tolali lazerga bo'lish mumkin; rezonansli bo'shliq tuzilishiga ko'ra, uni chiziqli bo'shliq tolali lazerga, taqsimlangan geribildirimli tolali lazerga va halqali bo'shliq tolali lazerga bo'lish mumkin; daromadli tola va turli nasos usullariga ko'ra, uni bitta qoplamali tolali lazerga (tolali yadroli nasos) va ikki qoplamali tolali lazerga (qoplama nasosi) bo'lish mumkin.
1961 yilda Snitzer neodimiy (Nd) qo'shilgan shisha to'lqin uzatgichlarda lazer nurlanishini topdi. 1966 yilda Kao optik tolalardagi yorug'likning pasayishining asosiy sabablarini batafsil o'rganib chiqdi va optik tolalarni aloqada amaliy qo'llash uchun hal qilinishi kerak bo'lgan asosiy texnik muammolarni ko'rsatdi. 1970 yilda AQSHdagi Korning 20 dB/km dan kam boʻlgan optik tolalarni ishlab chiqdi, bu esa optik aloqa va optoelektronika sanoatining rivojlanishiga asos boʻldi. Bu optik aloqa va optoelektronika sanoatining rivojlanishi uchun asos yaratdi. 1970 va 1980-yillarda yarimo'tkazgichli lazer texnologiyasining etukligi va tijoratlashuvi tolali lazerlarni ishlab chiqish uchun ishonchli va xilma-xil nasos manbasini ta'minladi. Shu bilan birga, kimyoviy bug 'cho'ktirish usulining rivojlanishi optik tolali uzatish yo'qotilishini doimiy ravishda kamaytiradi. Elyaf lazerlari ham diversifikatsiya yo‘nalishida jadal rivojlanmoqda, tolalar erbiy (Er3 plyus), iterbiy (Yb3 plyus), neodimiy (Nd3 plus), samariy (Sm 3 plus), tuliy (Tm3 plus), holmiyum (prarse plyus) ), holmiyum (prarse plyus 3), turli nodir yer elementlari bilan qo‘shilgan. plus ), vismut (Bi3 plus ) va boshqalar. Doplangan ionlarga qarab, lazer chiqishining turli to'lqin uzunliklariga erishish mumkin. Turli xil ilovalar talablarini qondirish uchun.
Yuqori quvvatli tolali lazerlarning xususiyatlari
Yuqori quvvatli tolali lazerlarning afzalliklari quyidagilardan iborat.
(1) Yaxshi nur sifati. Optik tolaning to'lqinli tuzilishi bitta transvers rejimli chiqishni olishni osonlashtiradi va tashqi omillarning ta'siri juda kichik bo'lib, yuqori nashrida lazer chiqishiga erishadi.
(2) Yuqori samaradorlik. Nasos manbai uchun yarimo'tkazgichli lazerning emissiya to'lqin uzunligini va doplangan nodir tuproq elementlarini assimilyatsiya qilish xususiyatlarini tanlab, siz juda yuqori yorug'lik va yorug'lik konvertatsiya samaradorligiga erishishingiz mumkin. Ytterbium qo'shilgan yuqori quvvatli tolali lazerlar uchun odatda 915nm yoki 975nm yarimo'tkazgichli lazerlarni tanlang, Yb3 plus ning oddiy energiya darajasining tuzilishi tufayli yuqoriga konversiya, hayajonlangan holatning yutilishi va kontsentratsiyali portlashlar kamroq sodir bo'ladi, floresans muddati uzoqroq va yuqori quvvatli ishlash uchun energiyani samarali saqlashi mumkin. Tijorat tolali lazerlarning umumiy elektro-optik samaradorligi 25 foizni tashkil etadi, bu esa xarajatlarni kamaytirish, energiya tejash va atrof-muhitni muhofaza qilish uchun qulaydir.
(3) Yaxshi issiqlik tarqalish xususiyatlari. Elyaf lazerlari juda katta sirt maydoni va hajm nisbati bo'lgan nozik, noyob tuproq elementi bilan qoplangan toladan foydalangan holda lazerni kuchaytirish vositasi sifatida ishlatiladi. Taxminan 1000 marta qattiq blokli lazer, issiqlik tarqalish qobiliyati jihatidan tabiiy afzalliklarga ega. Past va o'rta quvvatli korpuslar uchun tolani maxsus sovutish talab qilinmaydi va yuqori quvvatli holatlar uchun suvni sovutish qo'llaniladi, bu ham qattiq holatdagi lazerlarda tez-tez uchraydigan termal effektlar tufayli nur sifati va samaradorligining pasayishini samarali oldini oladi.
(4) Yilni tuzilish, yuqori ishonchlilik. Elyaf lazeri lazerni kuchaytiruvchi vosita sifatida kichik va moslashuvchan toladan foydalanganligi sababli, u hajmni siqish va xarajatlarni tejashga yordam beradi. Nasos manbai, shuningdek, kichik o'lchamli, modulli yarimo'tkazgichli lazerlarda ham qo'llaniladi, tijorat mahsulotlari odatda tolali Bragg panjarasi va boshqa optik tolali qurilmalar bilan birlashtirilgan pigtail chiqishi bilan mavjud, chunki bu qurilmalar to'liq tolaga erishish uchun bir-biriga birlashtirilsa, atrof-muhitning buzilishiga qarshi immunitet, yuqori barqarorlik bilan, texnik xizmat ko'rsatish vaqtini va xarajatlarini tejash imkonini beradi.
Yuqori quvvatli tolali lazerlarning kamchiliklari ham bor, ularni bartaraf etish qiyin: biri chiziqli bo'lmagan ta'sirlarga nisbatan zaiflik. Elyaf lazerlar uzoq samarali uzunlikka va to'lqin o'tkazgichlarining geometriyasi tufayli turli xil chiziqli bo'lmagan effektlar uchun past chegaraga ega. Hayajonlangan Ramanning tarqalishi (SRS), o'z-o'zini fazali modulyatsiya (SPM) va boshqalar kabi ba'zi zararli nochiziqli ta'sirlar spektrda fazalar o'zgarishi va energiya uzatishga olib kelishi yoki hatto lazer tizimiga zarar etkazishi mumkin, bu esa yuqori quvvatli tolali lazerlarning rivojlanishini cheklaydi. Ikkinchisi - foton qorayish effekti. Nasos vaqtining oshishi bilan fotonni qorayish effekti nodir tuproq elementi bilan qo'shilgan tola quvvatini konversiyalash samaradorligining monotonik ravishda qaytarilmas pasayishiga olib kelishi mumkin, bu yuqori quvvatli tolali lazerlarning uzoq muddatli barqarorligi va xizmat qilish muddatini cheklaydi, bu ayniqsa ytterbium bilan qo'shilgan yuqori quvvatli tolali lazerlarda aniq.
Yuqori yorqinlikdagi tolaga ulangan yarimo'tkazgichli lazerlar va ikki qavatli tolali texnologiyaning rivojlanishi bilan yuqori quvvatli tolali lazerlarning chiqish quvvati, optik-optik konversiya samaradorligi va nur sifati sezilarli darajada rivojlandi. Sanoatni qayta ishlashda energiya qurollari, uzoq masofali telemetriya, LIDAR va katta talabga ega bo'lgan boshqa ilovalar Amerika Qo'shma Shtatlari Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) va Germaniya Tong Express Group, asosan doimiy to'lqin, impuls to'lqinlari bo'yicha tadqiqot bo'linmalari, yuqori quvvatli tolali lazer tadqiqot va ishlab chiqish, boy mahsulot liniyasini ishga tushirdi. Xitoyning Tsinghua universiteti, Milliy mudofaa texnologiyalari universiteti, Xitoy Fanlar akademiyasining Shanxay optika va nozik mashinalar instituti va Xitoy aerokosmik fan va sanoat korporatsiyasining 4-tadqiqot instituti kabi bir qator bo'linmalar tomonidan ham hayajonli natijalar qayd etildi.
Fiber lazer quvvatini oshirish texnologiyasi
Elyaf lazeridagi chiziqli bo'lmagan ta'sirlar, termal effektlar va moddiy zarar eshigi cheklovlari tufayli bitta tolali lazerning chiqish quvvati ma'lum darajada cheklangan va quvvat ortishi bilan nur sifati asta-sekin pasayadi, bu rejimni boshqarish texnologiyasidan foydalanishni va nur sifatini yaxshilash uchun yangi tolaning maxsus tuzilishini loyihalashni talab qiladi. Dawson (JW Dawson) va boshqalar bitta tolaning chiqish quvvati chegarasini nazariy tahlil qildilar va keng polosali tolali lazerlarda bitta tola diffraktsiya chegarasi yaqinida maksimal 36 kVt quvvat olishi mumkinligini hisoblab chiqdilar, tor chiziqli tolali lazerlar uchun esa maksimal quvvat 2 kVtni tashkil qiladi. Tolali lazer va kuchaytirgichning chiqish quvvatini yanada oshirish uchun kogerent sintez texnologiyasi orqali bir nechta tolali lazerlarning quvvat sintezi samarali usul hisoblanadi. So'nggi yillarda u xalqaro tadqiqot nuqtasiga aylandi.
Kogerent sintez har bir lazer nurining fazasini, chastotasini va polarizatsiyasini ma'lum bir konsistensiya bilan nazorat qilish orqali erishiladi, shuning uchun u kogerentlik shartiga javob beradi va bir hil fazali qulflangan chiqishni oladi, bu oddiy kogerent bo'lmagan superpozitsiyaga qaraganda ancha yuqori cho'qqi intensivligini olishi va yaxshi nur sifatini saqlab turishi mumkin. Kogerent sintez texnologiyasining rivojlanish tarixi deyarli lazerlarning o'z tarixiga teng bo'lib, turli xil gaz lazerlari, kimyoviy lazerlar, yarim o'tkazgichli lazerlar, qattiq holatdagi lazerlar va boshqalarni o'z ichiga oladi. Biroq, dastlabki kunlarda turli xil qurilmalarning etuk bo'lmaganligi sababli, kogerent sintez texnologiyasi bilan erishilgan eksperimental natijalar bir vaqtning o'zida maksimal darajada ta'sir ko'rsata olmadi. ous. 1990-yillardan boshlab tolali lazerlarning paydo boʻlishi kogerent sintez texnikasining jadal rivojlanishiga olib keldi. Tolali lazerlarning noyob afzalliklari va yuzlab kilovattlarni taktik jihatdan qo'llash zarurati bilan bir qatorda, bir nechta qurilmalar (ya'ni, tolali konusning biriktirgichlari, ko'p yadroli tolalar, pigtailli faza modulyatorlari va akusto-optik chastota o'zgartirgichlari va boshqalar) optik tolali aloqalarni tijorat yo'lga qo'yishda hal qiluvchi rol o'ynadi. Elyaf konusli ulagichlar va ko'p yadroli tolalar lazer energiyasini in'ektsiyalash va tez to'lqinlarni ulashga asoslangan passiv fazani boshqarishni osonlashtiradi, pigtailli fazali modulyatorlar va akusto-optik chastota o'tkazgichlari esa megahertz boshqaruv tarmoqli kengligi bilan faol fazani boshqarish imkonini beradi, bu esa yuqori quvvat sharoitida faza tebranishlarini nazorat qilish va fazali blokirovkaga erishish uchun ishlatilishi mumkin. Tadqiqotchilar bir qator o'ziga xos kogerent sintez sxemalarini taklif qilishdi.
Spektral sintez - bu kogerent bo'lmagan sintez usuli bo'lib, bir nechta pastki nurlarni bir xil diafragmaga diffraktsiya qilish uchun bir yoki bir nechta diffraktsiya panjaralaridan foydalanadi, natijada yaxshi nur sifati bilan bitta diafragma chiqishi olinadi. Tolali lazerlarning spektral sintezi bitta tolali lazerning cheklangan chiqish quvvatini qoplash uchun Yb qo'shilgan tolali lazerlarning keng tarmoqli kengligidan to'liq foydalanishi mumkin.
