Τι είναι το λέιζερ ινών;
Η οπτική ίνα είναι συντομογραφία της οπτικής ίνας και είναι συνήθως ένας κυλινδρικός κυματοδηγός για ελαφρά κύματα. Χρησιμοποιεί την αρχή της ολικής ανάκλασης για να περιορίσει τα κύματα φωτός στον πυρήνα και να τα καθοδηγήσει προς την κατεύθυνση του άξονα των ινών. Η αντικατάσταση του χάλκινου σύρματος με το γυαλί χαλαζία άλλαξε τον κόσμο.
Ως μέσο για τη μεταφορά κυμάτων φωτός, η οπτική ίνα έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως από το 1966 όταν εισήχθη από τον Charles Kao, χάρη στην υψηλή ικανότητα επικοινωνίας, την υψηλή ατρωσία παρεμβολών, τη χαμηλή απώλεια μετάδοσης, τη μεγάλη απόσταση ρελέ, την καλή εμπιστευτικότητα, την προσαρμοστικότητα, το μικρό μέγεθος. , μικρό βάρος και άφθονες πηγές πρώτων υλών. Γνωστός ως «πατέρας των οπτικών ινών», ο Κάο τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 2009 για το έργο του. Με την αυξανόμενη τελειότητα και πρακτικότητα των οπτικών ινών, έχει φέρει επανάσταση στη βιομηχανία των τηλεπικοινωνιών και έχει αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό το χάλκινο σύρμα ως το βασικό συστατικό των σύγχρονων επικοινωνιών.
Το σύστημα επικοινωνίας οπτικών ινών είναι ένα σύστημα επικοινωνίας που χρησιμοποιεί το φως ως φορέα πληροφοριών και την οπτική ίνα ως μέσο οδηγό κυμάτων. Όταν η οπτική ίνα μεταδίδει πληροφορίες, το ηλεκτρικό σήμα μετατρέπεται σε οπτικό σήμα, το οποίο στη συνέχεια μεταδίδεται μέσα στην ίνα. Ως αναδυόμενη τεχνολογία επικοινωνίας, η επικοινωνία με οπτικές ίνες έχει επιδείξει απαράμιλλη υπεροχή από την αρχή και έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον και ευρεία προσοχή. Η ευρεία χρήση των οπτικών ινών στις επικοινωνίες συνέβαλε επίσης στην ταχεία ανάπτυξη ενισχυτών οπτικών ινών και λέιζερ ινών ταυτόχρονα. Εκτός από τις επικοινωνίες, τα συστήματα οπτικών ινών χρησιμοποιούνται επίσης σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην ιατρική, την αίσθηση και άλλους τομείς.
Οπτικές ίνες
Το μέσο κέρδους ενός laser ινών είναι η ενεργή ίνα. Σύμφωνα με τη δομή του μπορεί να χωριστεί σε ίνα μονής λειτουργίας, ίνα διπλής επένδυσης και ίνα φωτονικών κρυστάλλων τρία.
Μονότροπη οπτική ίνα Η απλή ίνα αποτελείται από έναν πυρήνα, ένα στρώμα επένδυσης και επίστρωσης, όπου ο δείκτης διάθλασης του υλικού πυρήνα n1, υψηλότερος από τον δείκτη διάθλασης του υλικού επένδυσης n2, όταν η γωνία πρόσπτωσης του προσπίπτοντος φωτός είναι μεγαλύτερη από το εικόνα κρίσιμης γωνίας, η δέσμη φωτός στον πυρήνα της πλήρους εκπομπής, έτσι ώστε η ίνα να μπορεί να συνδεθεί με τη δέσμη φωτός στη διάδοση του πυρήνα. Η εσωτερική επένδυση των ινών μονής λειτουργίας δεν μπορεί να παίξει περιοριστικό ρόλο για το φως της αντλίας πολλαπλών λειτουργιών και το αριθμητικό άνοιγμα του πυρήνα είναι χαμηλό, επομένως μόνο η σύζευξη φωτός αντλίας μονής λειτουργίας στον πυρήνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ληφθεί έξοδος λέιζερ. Τα πρώιμα λέιζερ ινών χρησιμοποιούσαν αυτήν την ίνα μονής λειτουργίας, με αποτέλεσμα χαμηλή απόδοση σύζευξης και λέιζερ με ισχύ εξόδου στην περιοχή milliwatt.
Ίνες διπλής επένδυσης
Προκειμένου να ξεπεραστούν οι περιορισμοί των συμβατικών ινών μονής λειτουργίας, μονής επένδυσης με πρόσμειξη υττερβίου (Yb3 plus ) στην απόδοση μετατροπής και στην ισχύ εξόδου, ο Maurer (R. Maurer) πρότεινε για πρώτη φορά την έννοια των ινών διπλής επένδυσης το 1974. Από τότε, μόλις το 1988, όταν ο E. Snitzer και άλλοι πρότειναν την τεχνολογία άντλησης επένδυσης [3], τα λέιζερ/ενισχυτές ινών υψηλής ισχύος με πρόσμειξη Yb αναπτύχθηκαν γρήγορα.
Μια ίνα διπλής επένδυσης είναι μια οπτική ίνα με ειδική δομή που προσθέτει μια εσωτερική στρώση επένδυσης στη συμβατική ίνα, που αποτελείται από ένα στρώμα επικάλυψης, ένα εσωτερικό στρώμα επένδυσης, ένα εξωτερικό στρώμα επένδυσης και έναν πυρήνα ινών με πρόσμιξη. Η τεχνολογία άντλησης επένδυσης βασίζεται σε μια ίνα διπλής επένδυσης, ο πυρήνας της οποίας είναι να επιτρέπει τη μετάδοση του φωτός της αντλίας πολλαπλών λειτουργιών στην εσωτερική επένδυση και το φως λέιζερ να μεταδίδεται στον πυρήνα, επιτρέποντας την απόδοση μετατροπής άντλησης και την ισχύ εξόδου του το λέιζερ ινών να βελτιωθεί σημαντικά. Η δομή της ίνας διπλής επένδυσης, το σχήμα της εσωτερικής επένδυσης και η μέθοδος σύζευξης φωτός αντλίας είναι τα κλειδιά αυτής της τεχνολογίας.
Ο πυρήνας της διπλής επένδυσης ίνας αποτελείται από διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) με στοιχεία σπάνιας γαίας, που είναι τόσο το μέσο λέιζερ όσο και το κανάλι μετάδοσης του σήματος λέιζερ στο λέιζερ ινών, που αντιστοιχεί στο μήκος κύματος εργασίας. Το εγκάρσιο μέγεθος (δεκάδες φορές η διάμετρος ενός συμβατικού πυρήνα) και το αριθμητικό άνοιγμα της εσωτερικής επένδυσης είναι πολύ μεγαλύτερα από αυτό του πυρήνα και ο δείκτης διάθλασης είναι μικρότερος από αυτόν του πυρήνα, γεγονός που περιορίζει πλήρως τη διάδοση του φωτός λέιζερ εντός του πυρήνα. Αυτό δημιουργεί έναν οπτικό κυματοδηγό μεγάλης διατομής, μεγάλου αριθμητικού ανοίγματος μεταξύ του πυρήνα και της εξωτερικής επένδυσης, ο οποίος επιτρέπει τη σύζευξη μεγάλου αριθμητικού ανοίγματος, μεγάλης διατομής και πολλαπλών λειτουργιών αντλούμενου φωτός υψηλής ισχύος στην ίνα και περιορισμό στη μετάδοση εντός της η εσωτερική επένδυση χωρίς διάχυση, διευκολύνοντας τη διατήρηση της οπτικής άντλησης υψηλής πυκνότητας ισχύος. Η εξωτερική επένδυση αποτελείται από πολυμερές υλικό με μικρότερο δείκτη διάθλασης από την εσωτερική επένδυση. το εξωτερικό στρώμα είναι ένα προστατευτικό στρώμα που αποτελείται από οργανικό υλικό. Η περιοχή σύζευξης της ίνας διπλής επένδυσης με το αντλούμενο φως καθορίζεται από το μέγεθος της εσωτερικής επένδυσης, σε αντίθεση με τις συμβατικές ίνες μονής λειτουργίας, οι οποίες καθορίζονται μόνο από τον πυρήνα. Από τη μία πλευρά, αυτό βελτιώνει την απόδοση σύζευξης ισχύος του λέιζερ ανθρώπινης ίνας, επιτρέποντας στο φως της αντλίας να περάσει μέσα από την εσωτερική επένδυση αρκετές φορές για να διεγείρει τα ντοπαρισμένα ιόντα για εκπομπή λέιζερ. Από την άλλη πλευρά, η ποιότητα της δέσμης εξόδου καθορίζεται από τη φύση του πυρήνα της ίνας και η εισαγωγή της εσωτερικής επένδυσης δεν καταστρέφει την ποιότητα δέσμης της εξόδου λέιζερ ινών.
Αρχικά, η εσωτερική επένδυση των ινών διπλής επένδυσης ήταν κυλινδρικά συμμετρική και σχετικά απλή στην κατασκευή και εύκολη σύζευξη με την ουρά της διόδου λέιζερ αντλίας (LD), αλλά η τέλεια συμμετρία της είχε ως αποτέλεσμα μεγάλο αριθμό σπειροειδών ακτίνων φωτός αντλίας στο η εσωτερική επένδυση που δεν έφτασε ποτέ στην περιοχή του πυρήνα ακόμα και μετά από αρκετές αντανακλάσεις για να απορροφηθεί από τον πυρήνα, έτσι ώστε ακόμη και με μακρύτερες ίνες να υπάρχει μεγάλη διαρροή φωτός, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη βελτίωση της απόδοσης μετατροπής. Για το λόγο αυτό πρέπει να σπάσει η κυλινδρική συμμετρία της εσωτερικής επένδυσης.
Φωτονικές κρυσταλλικές ίνες
Σε κανονικές ίνες διπλής επένδυσης, η γεωμετρία του πυρήνα καθορίζει την ισχύ λέιζερ εξόδου. Το αριθμητικό διάφραγμα καθορίζει την ποιότητα της δέσμης του λέιζερ εξόδου. Λόγω των περιορισμών των μη γραμμικών επιδράσεων, της οπτικής βλάβης και άλλων φυσικών μηχανισμών στις οπτικές ίνες, ένα μόνο μέσο αύξησης της διαμέτρου του πυρήνα δεν μπορεί να καλύψει τη ζήτηση για λειτουργία μονής λειτουργίας σε υψηλή απόδοση ισχύος σε ίνες διπλής επένδυσης πεδίου μεγάλου τρόπου λειτουργίας. Η εμφάνιση ειδικών ινών, όπως οι φωτονικές κρυσταλλικές ίνες (PCF), παρέχει μια αποτελεσματική τεχνική λύση σε αυτή την πρόκληση.
Η έννοια των φωτονικών κρυστάλλων εισήχθη για πρώτη φορά από τον E. Yablonovitch το 19871 ως μια περιοδική δομή με διαφορετικές διηλεκτρικές σταθερές σε μία, δύο ή τρεις διαστάσεις που επιτρέπει στο φως να διαδίδεται στη ζώνη φωτονικής αγωγιμότητας και απαγορεύει τη διάδοση του φωτός στο διάκενο της φωτονικής ζώνης ( PBG). Τα PCF είναι δισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι, γνωστοί επίσης ως μικροδομημένες ίνες ή πορώδεις ίνες, και το 1996 οι JC Knight et al. παρήγαγε τα πρώτα PCF με μηχανισμό καθοδήγησης φωτός παρόμοιο με αυτόν των συμβατικών ινών με ολική εσωτερική ανάκλαση. Μετά το 2005, ο σχεδιασμός και η προετοιμασία των PCF πεδίου μεγάλου τρόπου άρχισε να διαφοροποιείται, με την εμφάνιση διαφόρων σχημάτων, συμπεριλαμβανομένων των PCF με διαρροή καναλιών, των PCF σε σχήμα ράβδου, των PCF μεγάλου βήματος και των πολυπυρήνων PCF. Η περιοχή λειτουργίας-πεδίου της ίνας συνέχισε επίσης να αυξάνεται ανάλογα.
Στην εμφάνιση, τα PCF μοιάζουν πολύ με τις συμβατικές ίνες μονής λειτουργίας, αλλά μικροσκοπικά εμφανίζουν πολύπλοκες δομές συστοιχίας οπών. Αυτά τα δομικά χαρακτηριστικά είναι που δίνουν στα PCF μοναδικά και απαράμιλλα πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές ίνες, όπως μετάδοση απλής λειτουργίας χωρίς αποκοπή, μεγάλη περιοχή πεδίου λειτουργίας, ρυθμιζόμενη διασπορά και χαμηλή περιοριστική απώλεια, τα οποία μπορούν να ξεπεράσουν πολλές από τις προκλήσεις των συμβατικών λέιζερ . Για παράδειγμα, το PCF μπορεί να επιτύχει λειτουργία μονής λειτουργίας σε μια περιοχή πεδίου μεγάλου τρόπου λειτουργίας, διασφαλίζοντας παράλληλα ποιότητα δέσμης, μειώνοντας σημαντικά την πυκνότητα ισχύος λέιζερ στην ίνα, μειώνοντας τα μη γραμμικά φαινόμενα στην ίνα και αυξάνοντας το όριο βλάβης της ίνας. μπορεί να επιτύχει μεγάλο αριθμητικό διάφραγμα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να επιτευχθεί περισσότερη οπτική σύζευξη αντλίας και μεγαλύτερη απόδοση λέιζερ. Αυτό το έχει καταστήσει ένα νέο ερευνητικό σημείο αναφοράς στα λέιζερ ινών, διαδραματίζοντας ολοένα και πιο σημαντικό ρόλο στην εφαρμογή λέιζερ ινών υψηλής ισχύος.
Η εφεύρεση του laser ινών
Τα λέιζερ που χρησιμοποιούν οπτικές ίνες ως μέσο κέρδους λέιζερ είναι γνωστά ως λέιζερ ινών. Όπως και άλλοι τύποι λέιζερ, αποτελείται από τρία μέρη: το μέσο απολαβής, την πηγή της αντλίας και την κοιλότητα συντονισμού. Τα λέιζερ ινών χρησιμοποιούν μια ενεργή ίνα με έναν πυρήνα εμποτισμένο με στοιχεία σπάνιων γαιών ως μέσο κέρδους. Ένα λέιζερ ημιαγωγών χρησιμοποιείται γενικά ως πηγή αντλίας. Η κοιλότητα συντονισμού αποτελείται γενικά από ανακλαστικά κάτοπτρα, ακραίες επιφάνειες ινών, καθρέφτες δακτυλίου ινών ή σχάρες ινών.
Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του πεδίου χρόνου του λέιζερ ινών, μπορεί να χωριστεί σε λέιζερ συνεχών ινών και λέιζερ παλμικής ίνας. Σύμφωνα με τη δομή της συντονιστικής κοιλότητας, μπορεί να χωριστεί σε λέιζερ ινών γραμμικής κοιλότητας, λέιζερ ινών κατανεμημένης ανάδρασης και λέιζερ ινών κοιλότητας δακτυλίου. Σύμφωνα με την ίνα απολαβής και τις διαφορετικές μεθόδους άντλησης, μπορεί να χωριστεί σε λέιζερ ινών μονής επένδυσης (άντληση πυρήνα ινών) και λέιζερ ινών διπλής επένδυσης (άντληση επένδυσης).
Το 1961, ο Snitzer ανακάλυψε την ακτινοβολία λέιζερ σε γυάλινους κυματοδηγούς με πρόσμειξη νεοδυμίου (Nd). Το 1966, ο Kao μελέτησε λεπτομερώς τις κύριες αιτίες της εξασθένησης του φωτός στις οπτικές ίνες και επεσήμανε τα κύρια τεχνικά προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν για την πρακτική εφαρμογή των οπτικών ινών στις επικοινωνίες. Το 1970, η Corning στις ΗΠΑ ανέπτυξε οπτικές ίνες με εξασθένηση μικρότερη από 20 dB/km, οι οποίες έθεσαν τα θεμέλια για την ανάπτυξη της βιομηχανίας οπτικών επικοινωνιών και οπτοηλεκτρονικής. Αυτό έθεσε τα θεμέλια για την ανάπτυξη των βιομηχανιών οπτικών επικοινωνιών και οπτοηλεκτρονικών. Στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, η ωρίμανση και η εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας λέιζερ ημιαγωγών παρείχε μια αξιόπιστη και ποικιλόμορφη πηγή αντλίας για την ανάπτυξη λέιζερ ινών. Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη της μεθόδου εναπόθεσης χημικών ατμών μειώνει συνεχώς τις απώλειες μετάδοσης οπτικών ινών. Τα λέιζερ ινών αναπτύσσονται επίσης γρήγορα προς την κατεύθυνση της διαφοροποίησης, με ίνες εμποτισμένες με μια ποικιλία στοιχείων σπάνιων γαιών, όπως έρβιο (Er3 plus), υττέρβιο (Yb3 plus), νεοδύμιο (Nd3 plus), σαμάριο (Sm 3 plus), θούλιο (Tm3 plus), χόλμιο (Ho3 plus), πρασεοδύμιο (Pr3 plus), δυσπρόσιο (Dy3 plus), βισμούθιο (Bi3 plus) και ούτω καθεξής. Ανάλογα με τα ιόντα που έχουν προστεθεί, μπορούν να επιτευχθούν διαφορετικά μήκη κύματος εξόδου λέιζερ. Για την κάλυψη των απαιτήσεων διαφορετικών εφαρμογών.
Χαρακτηριστικά των λέιζερ ινών υψηλής ισχύος
Τα πλεονεκτήματα των λέιζερ ινών υψηλής ισχύος είναι τα εξής.
(1) Καλή ποιότητα δέσμης. Η δομή κυματοδηγού της οπτικής ίνας καθιστά εύκολη την απόκτηση μιας ενιαίας εγκάρσιας εξόδου λειτουργίας και η επίδραση εξωτερικών παραγόντων είναι πολύ μικρή, για να επιτευχθεί έξοδος λέιζερ υψηλής φωτεινότητας.
(2) Υψηλή απόδοση. Λέιζερ ινών επιλέγοντας τα χαρακτηριστικά απορρόφησης μήκους κύματος εκπομπής και ντοπαρισμένων στοιχείων σπάνιων γαιών του λέιζερ ημιαγωγών για την πηγή αντλίας, μπορείτε να επιτύχετε πολύ υψηλή απόδοση μετατροπής φωτός και φωτός. Για λέιζερ ινών υψηλής ισχύος με πρόσμειξη υττερβίου, επιλέξτε γενικά λέιζερ ημιαγωγών 915 nm ή 975 nm, λόγω της απλής δομής ενεργειακών επιπέδων του Yb3 plus, η μετατροπή προς τα πάνω, η απορρόφηση διεγερμένης κατάστασης και οι εκρήξεις συγκέντρωσης είναι λιγότερο πιθανό να συμβούν, η διάρκεια ζωής του φθορισμού είναι μεγαλύτερη και μπορεί να αποθηκεύσει αποτελεσματικά ενέργεια για λειτουργία υψηλής ισχύος. Η συνολική ηλεκτρο-οπτική απόδοση των εμπορικών λέιζερ ινών είναι τόσο υψηλή όσο 25 τοις εκατό, γεγονός που συμβάλλει στη μείωση του κόστους, στην εξοικονόμηση ενέργειας και στην προστασία του περιβάλλοντος.
(3) Καλά χαρακτηριστικά απαγωγής θερμότητας. Τα λέιζερ ινών χρησιμοποιούνται ως μέσο κέρδους λέιζερ χρησιμοποιώντας μια λεπτή ίνα με επικάλυψη σπάνιων γαιών με πολύ μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο. Περίπου 1000 φορές το λέιζερ στερεού μπλοκ, όσον αφορά την ικανότητα διάχυσης θερμότητας έχει ένα φυσικό πλεονέκτημα. Δεν απαιτείται ειδική ψύξη της ίνας για περιπτώσεις χαμηλής και μέσης ισχύος και η υδρόψυξη χρησιμοποιείται για περιπτώσεις υψηλής ισχύος, γεγονός που επίσης αποφεύγει αποτελεσματικά την υποβάθμιση της ποιότητας και της απόδοσης της δέσμης λόγω των θερμικών επιδράσεων που απαντώνται συνήθως στα λέιζερ στερεάς κατάστασης.
(4) Συμπαγής δομή, υψηλή αξιοπιστία. Καθώς το λέιζερ ινών χρησιμοποιεί μια μικρή και εύκαμπτη ίνα ως μέσο κέρδους λέιζερ, συμβάλλει στη συμπίεση του όγκου και στην εξοικονόμηση κόστους. Η πηγή αντλίας χρησιμοποιείται επίσης σε μικρό μέγεθος, εύκολα σε αρθρωτά λέιζερ ημιαγωγών, εμπορικά προϊόντα είναι γενικά διαθέσιμα με έξοδο pigtail, σε συνδυασμό με πλέγμα ινών Bragg και άλλες συσκευές οπτικών ινών, αρκεί αυτές οι συσκευές να συγχωνεύονται μεταξύ τους για να επιτευχθεί πλήρης ίνα. Η ανοσία σε περιβαλλοντικές διαταραχές, με υψηλή σταθερότητα, μπορεί να εξοικονομήσει χρόνο και κόστος συντήρησης.
Τα λέιζερ υψηλής ισχύος ινών έχουν επίσης μειονεκτήματα που είναι δύσκολο να ξεπεραστούν: ένα είναι η ευπάθεια σε μη γραμμικά φαινόμενα. Τα λέιζερ ινών έχουν μεγάλο ενεργό μήκος και χαμηλό κατώφλι για διάφορα μη γραμμικά φαινόμενα λόγω της γεωμετρίας των κυματοδηγών τους. Ορισμένες επιβλαβείς μη γραμμικές επιδράσεις όπως η διεγερμένη σκέδαση Raman (SRS), η διαμόρφωση αυτοφάσης (SPM) κ.λπ. μπορεί να προκαλέσουν διακυμάνσεις φάσης και μεταφορά ενέργειας στο φάσμα ή ακόμη και βλάβη στο σύστημα λέιζερ, περιορίζοντας την ανάπτυξη ινών υψηλής ισχύος λέιζερ. Το δεύτερο είναι το φαινόμενο σκουρότητας φωτονίων. Με την αύξηση του χρόνου άντλησης, το φαινόμενο σκουρόχρωμου φωτονίου μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή συγκέντρωση ντόπινγκ της απόδοσης μετατροπής ισχύος ινών με πρόσμειξη σπάνιων γαιών, μονοτονικά μη αναστρέψιμη πτώση, περιορίζοντας τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα και τη διάρκεια ζωής των λέιζερ ινών υψηλής ισχύος, κάτι που είναι ιδιαίτερα εμφανές σε λέιζερ ινών υψηλής ισχύος με πρόσμειξη υττερβίου.
Με την πρόοδο των λέιζερ ημιαγωγών με συζευγμένες ίνες υψηλής φωτεινότητας και της τεχνολογίας ινών διπλής επένδυσης, η ισχύς εξόδου, η απόδοση μετατροπής οπτικού σε οπτικό και η ποιότητα δέσμης των λέιζερ ινών υψηλής ισχύος έχουν αναπτυχθεί σημαντικά. Στη βιομηχανική επεξεργασία, κατευθυνόμενα ενεργειακά όπλα, τηλεμετρία μεγάλης εμβέλειας, LIDAR και άλλες εφαρμογές τεράστιας ζήτησης, στις Ηνωμένες Πολιτείες Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) και Γερμανία Tong Express Group, κυρίως ερευνητικές μονάδες για συνεχή κύμα, παλμικό κύμα λέιζερ υψηλής ισχύος έρευνας και ανάπτυξης, ξεκίνησε μια πλούσια σειρά προϊόντων. Συναρπαστικά αποτελέσματα έχουν επίσης αναφερθεί από διάφορες μονάδες στην Κίνα, όπως το Πανεπιστήμιο Tsinghua, το Εθνικό Πανεπιστήμιο Αμυντικής Τεχνολογίας, το Ινστιτούτο Οπτικής και Μηχανημάτων Ακριβείας της Σαγκάης της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και το Τέταρτο Ινστιτούτο Ερευνών της Κίνας Αεροδιαστημικής Επιστήμης και Industry Corporation.
Τεχνολογία ενίσχυσης ισχύος λέιζερ ινών
Λόγω των μη γραμμικών επιδράσεων στο λέιζερ ινών, των θερμικών επιπτώσεων και των περιορισμών ορίου ζημίας υλικών, η ισχύς εξόδου ενός λέιζερ μεμονωμένης ίνας περιορίζεται σε κάποιο βαθμό και καθώς αυξάνεται η ισχύς, η ποιότητα της δέσμης σταδιακά μειώνεται, απαιτώντας τη χρήση τεχνολογίας ελέγχου τρόπου λειτουργίας και ο σχεδιασμός μιας ειδικής δομής της νέας ίνας για τη βελτίωση της ποιότητας της δέσμης. Οι Dawson (JW Dawson) και άλλοι ανέλυσαν θεωρητικά το όριο ισχύος εξόδου μιας μεμονωμένης ίνας και υπολόγισαν ότι στα λέιζερ ευρυζωνικής ίνας μια μεμονωμένη ίνα μπορεί να αποκτήσει μέγιστη ισχύ 36 kW κοντά στην έξοδο λέιζερ ορίου περίθλασης, ενώ για λέιζερ ινών στενού εύρους γραμμής, το μέγιστο η ισχύς είναι 2 kW. Προκειμένου να ενισχυθεί περαιτέρω η ισχύς εξόδου του λέιζερ ινών και του ενισχυτή, η σύνθεση ισχύος πολλαπλών λέιζερ ινών με συνεκτική τεχνολογία σύνθεσης είναι μια αποτελεσματική μέθοδος. Έχει γίνει διεθνές ερευνητικό hotspot τα τελευταία χρόνια.
Η συνεκτική σύνθεση επιτυγχάνεται με τον έλεγχο της φάσης, της συχνότητας και της πόλωσης κάθε δέσμης λέιζερ με μια ορισμένη συνέπεια, έτσι ώστε να πληροί τη συνθήκη συνοχής και να λαμβάνει μια ομοιογενή έξοδο κλειδωμένης φάσης, η οποία μπορεί να αποκτήσει πολύ υψηλότερη ένταση κορυφής από την απλή μη συνεκτική υπέρθεση και διατήρηση καλής ποιότητας δέσμης. Η ιστορία της ανάπτυξης της τεχνολογίας συνεκτικής σύνθεσης είναι σχεδόν τόσο μεγάλη όσο η ιστορία των ίδιων των λέιζερ και περιλαμβάνει διάφορους τύπους λέιζερ αερίου, χημικά λέιζερ, λέιζερ ημιαγωγών, λέιζερ στερεάς κατάστασης κ.λπ. Ωστόσο, λόγω της ανωριμότητας διαφόρων συσκευών Στις πρώτες μέρες, τα πειραματικά αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν με την τεχνολογία συνεκτικής σύνθεσης δεν διέσπασαν τη μέγιστη ισχύ εξόδου του αντίστοιχου λέιζερ μονής ζεύξης εκείνη τη στιγμή, επομένως το αποτέλεσμα δεν ήταν πολύ εμφανές. Από τη δεκαετία του 1990 και μετά, η εμφάνιση των λέιζερ ινών οδήγησε σε μια ταχεία ανάπτυξη τεχνικών συνεκτικής σύνθεσης. Εκτός από τα μοναδικά πλεονεκτήματα των λέιζερ ινών και την ανάγκη τακτικής χρήσης εκατοντάδων κιλοβάτ, πολλές συσκευές (π.χ. συζεύκτες κώνου ινών, ίνες πολλαπλών πυρήνων, διαμορφωτές φάσης με πλεξίδες και ακουστικο-οπτικά μετατοπιστές συχνότητας κ.λπ.) έχουν παίξει ένα κρίσιμο ρόλο στην εμπορική ανάπτυξη των επικοινωνιών οπτικών ινών. Οι συζευκτήρες κώνου ινών και οι πολυπύρηνες ίνες διευκολύνουν τον παθητικό έλεγχο φάσης με βάση τη σύζευξη έγχυσης ενέργειας λέιζερ και τη σύζευξη ταχείας κυματικής σύζευξης, ενώ οι διαμορφωτές φάσης με πλεξίδες και ακουστικο-οπτικά μετατοπιστές συχνότητας επιτρέπουν τον ενεργό έλεγχο φάσης με εύρη ζώνης ελέγχου megahertz, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο των διακυμάνσεων φάσης σε συνθήκες υψηλής ισχύος και επιτυγχάνουν εξόδους κλειδώματος φάσης. Οι ερευνητές έχουν προτείνει μια σειρά από διακριτά σχήματα συνεκτικής σύνθεσης.
Η φασματική σύνθεση είναι μια μη συνεκτική τεχνική σύνθεσης που χρησιμοποιεί ένα ή περισσότερα πλέγματα περίθλασης για τη διάθλαση πολλαπλών υποδοκών στο ίδιο άνοιγμα, με αποτέλεσμα την έξοδο ενός διαφράγματος με καλή ποιότητα δέσμης. Η φασματική σύνθεση λέιζερ ινών μπορεί να κάνει πλήρη χρήση του ευρέος εύρους ζώνης κέρδους των λέιζερ ινών με πρόσμειξη Yb για να αντισταθμίσει την περιορισμένη ισχύ εξόδου ενός μόνο λέιζερ ινών.
