Ki sa ki se yon lazè fib?

Ki sa ki se yon lazè fib?

Fib optik se kout pou fib optik epi anjeneral se yon gid ond silendrik pou vag limyè. Li itilize prensip refleksyon total pou limite vag limyè nan nwayo a epi gide yo nan direksyon aks fib la. Ranplase fil kwiv ak vè kwatz chanje mond lan.

Kòm yon mwayen pou fè vag limyè, fib optik te lajman itilize depi 1966 lè li te prezante pa Charles Kao, gras a gwo kapasite kominikasyon li yo, gwo iminite entèferans, pèt transmisyon ki ba, distans relè long, bon konfidansyalite, adaptabilite, ti gwosè. , pwa limyè ak sous abondan nan matyè premyè. Li te ye kòm "papa fib optik la", Kao te bay Pri Nobèl nan Fizik an 2009 pou travay li. Avèk pèfeksyon an ogmante ak pratik nan fib optik, li te revolusyone endistri telekominikasyon an e li te lajman ranplase fil kwiv kòm eleman debaz nan kominikasyon modèn.

Sistèm kominikasyon fib optik se yon sistèm kominikasyon ki sèvi ak limyè kòm konpayi asirans enfòmasyon ak fib optik kòm mwayen gid vag. Lè fib optik transmèt enfòmasyon, siyal elektrik la transfòme nan yon siyal optik, ki Lè sa a, transmèt andedan fib la. Kòm yon teknoloji kominikasyon émergentes, kominikasyon fib optik te montre siperyorite san parèy depi nan konmansman an e li te atire gwo enterè ak atansyon toupatou. Te itilize toupatou nan fib optik nan kominikasyon tou kontribye nan devlopman rapid nan anplifikatè fib-optik ak lazè fib an menm tan an. Anplis de kominikasyon, sistèm fib optik yo itilize tou nan yon pakèt aplikasyon nan medikaman, deteksyon ak lòt domèn.

Fib optik

Mwayen benefis nan yon lazè fib se fib aktif la. Dapre estrikti li yo ka divize an fib sèl-mòd, fib doub-rekouvèr ak fib kristal fotonik twa.

Single-mòd fib optik sèl-mòd fib konsiste de yon nwayo, CLADDING ak kouch kouch, kote endèks la refraktif nan materyèl debaz la n1, pi wo pase endèks la refraksyon materyèl CLADDING n2, lè ang ensidan an nan limyè ensidan an pi gran pase a. foto ang kritik, gwo bout bwa a limyè nan nwayo a nan emisyon an plen, se konsa fib la ka mare nan gwo bout bwa a limyè nan pwopagasyon nwayo a. CLADDING anndan an nan fib sèl-mòd pa ka jwe yon wòl restriksyon pou limyè ponp multimode, ak Ouverture a nimerik nan nwayo a se ba, kidonk sèlman yon sèl-mòd ponp limyè kouple nan nwayo a ka itilize pou jwenn pwodiksyon lazè. Lazè fib bonè te itilize fib sèl-mòd sa a, sa ki lakòz efikasite kouti ki ba ak lazè ak pouvwa pwodiksyon nan seri miliwatt.

Double-rekouvèt fib

Yo nan lòd yo simonte limit yo nan konvansyonèl sèl-mòd, sèl-rekouvèr itterbium-doped (Yb3 plis) fib sou efikasite konvèsyon ak pouvwa pwodiksyon, Maurer (R. Maurer) premye pwopoze konsèp nan fib doub-rekouvèr an 1974. Depi lè sa a, li pa t 'jouk 1988, lè E. Snitzer ak lòt moun te pwopoze CLADDING ponpe teknoloji [3], ke gwo pouvwa Yb-dope fib lazè / anplifikatè yo te devlope rapidman.

Yon fib doub-rekouvèt se yon fib optik ki gen yon estrikti espesyal ki ajoute yon kouch CLADDING enteryè nan fib konvansyonèl la, ki fòme ak yon kouch kouch, yon kouch CLADDING enteryè, yon kouch CLADDING ekstèn, ak yon nwayo fib dope. Teknoloji ponpe CLADDING la baze sou yon fib doub-rekouvèr, nwayo a ki pèmèt limyè ponp multimode transmèt nan CLADDING enteryè a ak limyè lazè transmèt nan nwayo a, sa ki pèmèt efikasite konvèsyon ponpe ak pouvwa pwodiksyon an. lazè a fib yo dwe anpil amelyore. Estrikti fib doub-rekouvèt la, fòm nan CLADDING enteryè a, ak metòd kouti ponp limyè a se kle nan teknoloji sa a.

Nwayo a nan fib doub-rekouvèr la konpoze de diyoksid Silisyòm (SiO2) dope ak eleman ra-latè, ki se tou de mwayen lazè a ak kanal transmisyon siyal lazè a nan lazè fib la, ki koresponn ak longèdonn k ap travay la. Gwosè transverse a (dè dizèn de fwa dyamèt yon nwayo konvansyonèl) ak ouvèti nimerik nan CLADDING enteryè a pi gwo pase sa yo ki nan nwayo a, ak endèks refraktif la pi piti pase sa yo ki nan nwayo a, ki limite pwopagasyon limyè lazè antyèman. nan nwayo a. Sa a kreye yon gwo seksyon transvèsal, gwo ouvèti nimerik gid ond optik ant nwayo a ak kouvèti ekstèn lan, ki pèmèt gwo ouvèti nimerik, gwo transvèsal ak milti-mòd gwo pouvwa ponpe limyè yo dwe makonnen nan fib la ak fèmen nan transmisyon nan. CLADDING enteryè a san difizyon, fasilite antretyen nan gwo dansite pouvwa optik ponpe. CLADDING ekstèn lan konpoze de yon materyèl polymère ak yon endèks refraktif ki pi piti pase CLADDING enteryè a; kouch ki pi eksteryè a se yon kouch pwoteksyon ki konpoze de materyèl òganik. Se zòn nan kouple nan fib doub-rekouvèr nan limyè a ponpe detèmine pa gwosè a nan CLADDING enteryè a, kontrèman ak fib konvansyonèl sèl-mòd, ki detèmine pa nwayo a pou kont li. Sou yon bò, sa a amelyore efikasite kouti pouvwa nan lazè fib imen an, ki pèmèt limyè ponp lan pase nan CLADDING enteryè a plizyè fwa eksite iyon dope pou emisyon lazè; an lòt men an, bon jan kalite a gwo bout bwa pwodiksyon detèmine pa nati a nan nwayo a fib, ak entwodiksyon nan CLADDING enteryè a pa detwi bon jan kalite a gwo bout bwa nan pwodiksyon an lazè fib.

Okòmansman, kouvèti anndan an nan fib doub-rekouvèr te silendrik simetrik ak relativman senp yo fabrike ak fasil koup la pigtail nan ponp lazè dyod (LD), men simetri pafè li yo te lakòz yon gwo kantite reyon espiral nan limyè ponp lan. CLADDING enteryè a ki pa janm rive nan rejyon debaz la menm apre refleksyon ase yo dwe absòbe nwayo a, se konsa ke menm ak yon Menm ak pi long fib gen toujou yon gwo kantite flit limyè, ki fè li difisil amelyore efikasite konvèsyon. Pou rezon sa a, simetri a silendrik nan CLADDING enteryè a dwe kase.

Fib kristal fotonik

Nan fib nòmal doub-rekouvèr, jeyometri nwayo a detèmine pouvwa lazè pwodiksyon an. Ouverture nimerik la detèmine kalite gwo bout bwa lazè pwodiksyon an. Akòz limit efè ki pa lineyè, domaj optik ak lòt mekanis fizik nan fib optik, yon sèl mwayen pou ogmante dyamèt nwayo a pa ka satisfè demann pou operasyon mòd sèl nan pwodiksyon gwo pouvwa nan fib gwo mòd jaden doub CLADDING. Aparisyon fib espesyal, tankou fib kristal fotonik (PCF), bay yon solisyon teknik efikas pou defi sa a.

Konsèp kristal fotonik te premye prezante pa E. Yablonovitch an 19871 kòm yon estrikti peryodik ki gen diferan konstan dyelèktrik nan youn, de oswa twa dimansyon ki pèmèt limyè pwopaje nan gwoup kondiksyon fotonik la epi li entèdi limyè pwopaje nan espas sa a fotonik ( PBG). PCF yo se kristal fotonik ki genyen de dimansyon, ke yo rele tou fib microstructured oswa fib pore, ak nan 1996 JC Knight et al. te pwodwi premye PCF yo ak yon mekanis limyè-gide ki sanble ak sa yo ki nan fib konvansyonèl ak refleksyon total entèn yo. Apre 2005, konsepsyon ak preparasyon gwo PCF jaden mòd yo te kòmanse divèsifye, ak Aparisyon divès fòm, ki gen ladan PCF chanèl ki gen koule, PCF ki gen fòm baton, PCF gwo anplasman ak PCF milti-nwayo. Zòn nan mòd-jaden nan fib la te kontinye ogmante kòmsadwa.

Nan aparans, PCF yo sanble anpil ak fib konvansyonèl sèl-mòd, men mikwoskopik yo montre estrikti twou-etalaj konplèks. Li se karakteristik estriktirèl sa yo ki bay PCFs avantaj inik ak inegal sou fib konvansyonèl yo, tankou koupe-gratis transmisyon sèl-mòd, gwo zòn mòd jaden, dispèsyon reglabl ak pèt limite ki ba, ki ka simonte anpil nan defi yo nan lazè konvansyonèl yo. . Pou egzanp, PCF ka reyalize operasyon sèl-mòd nan yon zòn jaden mòd gwo, pandan y ap asire bon jan kalite gwo bout bwa, siyifikativman diminye dansite pouvwa lazè nan fib la, diminye efè ki pa lineyè nan fib la ak ogmante papòt la domaj nan fib la; li ka reyalize yon gwo Ouverture nimerik, ki vle di plis ponp optik kouple ak pi wo pwodiksyon lazè pouvwa ka reyalize. Sa a te fè li yon nouvo rekò rechèch nan lazè fib, jwe yon wòl de pli zan pli enpòtan nan aplikasyon an nan lazè fib gwo pouvwa.

Envansyon nan lazè a fib

Lazè ki sèvi ak fib optik kòm mwayen an genyen lazè yo ke yo rekonèt kòm lazè fib. Tankou lòt kalite lazè, li konsiste de twa pati: mwayen an genyen, sous ponp lan ak kavite a sonan. lazè fib sèvi ak yon fib aktif ak yon nwayo dope ak eleman latè ra kòm mwayen benefis la. Yon lazè semiconductor jeneralman itilize kòm sous ponp lan. Kavite a sonan jeneralman konpoze de miwa meditativ, sifas fen fib, miwa bag fib oswa griyaj fib.

Dapre karakteristik domèn tan nan lazè a fib, li ka divize an lazè fib kontinyèl ak lazè fib enpulsyonèl; dapre estrikti nan kavite sonan, li ka divize an lazè fib kavite lineyè, distribye lazè fib fidbak ak lazè fib kavite bag; dapre fib la genyen ak diferan metòd ponpe, li ka divize an yon sèl CLADDING fib lazè (nwayo fib ponpe) ak doub CLADDING fib lazè (Cladding ponpe).

An 1961, Snitzer te dekouvri radyasyon lazè nan gid ond vè Neyodim (Nd). 1966, Kao etidye an detay kòz prensipal yo nan atenuasyon limyè nan fib optik ak vize deyò prensipal pwoblèm teknik ki bezwen yo dwe rezoud pou aplikasyon an pratik nan fib optik nan kominikasyon. 1970, Corning nan Etazini te devlope fib optik ak atenuasyon mwens pase 20 dB / km, ki te mete fondasyon pou devlopman kominikasyon optik ak endistri optoelektwonik. Sa a te mete fondasyon an pou devlopman nan kominikasyon optik ak optoelektwonik endistri yo. Nan ane 1970 yo ak ane 1980 yo, spirasyon ak komèsyalizasyon teknoloji semi-conducteurs lazè bay yon sous ponp serye ak divès pou devlopman fib lazè. An menm tan an, devlopman nan metòd depo chimik vapè fè pèt transmisyon fib optik kontinyèlman redwi. Lazè fib yo tou ap devlope rapidman nan direksyon divèsifikasyon, ak fib dope ak yon varyete de eleman latè ra, tankou èrbyòm (Er3 plis), itterbyòm (Yb3 plis), neyodim (Nd3 plis), samaryom (Sm 3 plis), thulium (Tm3 plis ), holmium (Ho3 plis ), praseyodim (Pr3 plis ), disprosyòm (Dy3 plis ), bismit (Bi3 plis ) ak sou sa. Tou depan de iyon yo dope, diferan longèdonn pwodiksyon lazè ka reyalize. Pou satisfè kondisyon yo nan aplikasyon diferan.

Karakteristik nan lazè fib gwo pouvwa

Avantaj ki genyen nan lazè fib gwo pouvwa yo jan sa a.

(1) Bon kalite gwo bout bwa. Estrikti waveguide fib optik la fè li fasil pou jwenn yon sèl pwodiksyon mòd transverse, ak enfliyans faktè ekstèn piti anpil, pou reyalize yon pwodiksyon lazè segondè klète.

(2) Segondè efikasite. Fib lazè pa w ap chwazi longèdonn emisyon an ak dope latè ra eleman absòpsyon karakteristik lazè semi-conducteurs pou sous ponp lan, ou ka reyalize yon limyè trè wo yon efikasite konvèsyon limyè. Pou itterbium dope lazè fib gwo pouvwa, jeneralman chwazi 915nm oswa 975nm lazè semi-conducteurs, akòz estrikti nan nivo enèji senp nan Yb3 plis, upconversion, absòpsyon eta eksite ak pete konsantrasyon gen mwens chans rive, lavi fluoresans se pi long epi yo ka efektivman magazen enèji. pou operasyon gwo pouvwa. Efikasite an jeneral elektwo-optik nan lazè fib komèsyal se kòm yon wo 25 pousan, ki se fezab nan rediksyon pri, ekonomize enèji ak pwoteksyon anviwònman an.

(3) Bon karakteristik dissipation chalè. Lazè fib yo itilize kòm yon mwayen genyen lazè lè l sèvi avèk yon mens, eleman latè ra dope fib ak yon sifas ki trè gwo rapò volim. Apeprè 1000 fwa lazè a blòk solid, an tèm de kapasite dissipation chalè gen yon avantaj natirèl. Pa gen refwadisman espesyal nan fib la obligatwa pou ka ba ak mwayen pouvwa, ak refwadisman dlo yo itilize pou ka gwo pouvwa, ki tou efektivman evite degradasyon nan bon jan kalite gwo bout bwa ak efikasite akòz efè tèmik souvan yo te jwenn nan lazè solid-eta.

(4) Estrikti kontra enfòmèl ant, segondè fyab. Kòm lazè a fib sèvi ak yon fib ti ak fleksib kòm mwayen an genyen lazè, li ede konprese volim nan epi ekonomize depans yo. Sous ponp tou yo itilize nan ti gwosè, fasil modilè semi-conducteurs lazè, pwodwi komèsyal yo jeneralman disponib ak pwodiksyon pigtail, konbine avèk fib Bragg griyaj ak lòt aparèy fib optik, osi lontan ke aparèy sa yo yo fusion youn ak lòt reyalize fib plen, iminite nan twoub anviwònman an, ak estabilite segondè, ka ekonomize tan antretyen ak depans yo.

Lazè fib gwo pouvwa gen tou dezavantaj ki difisil pou simonte: youn se vilnerabilite nan efè ki pa lineyè. Lazè fib gen yon longè efikas long ak yon papòt ki ba pou divès kalite efè ki pa lineyè akòz jeyometri gid ond yo. Gen kèk efè danjere ki pa lineyè tankou eksite Raman gaye (SRS), pwòp tèt ou-faz modulation (SPM), elatriye ka lakòz fluctuations faz ak transfè enèji sou spectre an, oswa menm domaj nan sistèm lazè a, limite devlopman nan fib gwo pouvwa. lazè. Dezyèm lan se efè a nwa foton. Avèk ogmantasyon nan tan ponpe, efè foton nwa ka mennen nan gwo konsantrasyon dopan nan latè ra eleman-dope fib pouvwa konvèsyon efikasite monotone irevokabl bès, limite estabilite alontèm ak lavi sèvis nan lazè fib segondè-pouvwa, ki se patikilyèman evidan. nan lazè fib ki gen anpil pouvwa ittèbyòm-dope.

Ak avansman gwo klète fibre makonnen lazè semi-conducteurs ak teknoloji fibre doub-rekouvèt, pouvwa pèsistans yap ogmante jiska, ptik-a-optik konvèsyon efikasite ak travès kalite gwo-pouvwa fibre lasers te devlope anpil. Nan pwosesis endistriyèl la, dirije zam enèji, telemetri alontèm, LIDAR ak lòt aplikasyon pou traction demann gwo, nan Etazini Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) ak Almay Tong Express Group, sitou. inite rechèch sou vag kontinyèl, vag batman kè wo-pouvwa fib lazè rechèch ak devlopman, te lanse yon liy pwodwi rich. Rezilta enteresan yo te rapòte tou pa yon kantite inite nan Lachin, ki gen ladan Tsinghua University, National University of Defense Technology, Shanghai Institute of Optique ak Precision machin nan Akademi Chinwa Syans ak Katriyèm Enstiti rechèch nan Lachin Aerospace Syans ak Industry Corporation.

Fib lazè pouvwa amelyorasyon teknoloji

Akòz efè ki pa lineyè nan lazè fib la, efè tèmik ak limit papòt domaj materyèl, pouvwa pwodiksyon yon sèl lazè fib limite nan yon sèten limit, ak kòm pouvwa a ogmante, bon jan kalite gwo bout bwa a piti piti diminye, ki egzije itilizasyon an. nan teknoloji kontwòl mòd ak desen an nan yon estrikti espesyal nan fib nan nouvo amelyore kalite a gwo bout bwa. Dawson (JW Dawson) et al teyorikman analize limit pouvwa pwodiksyon an nan yon sèl fib ak kalkile ke nan lazè fib bande yon fib sèl ka jwenn yon pouvwa maksimòm de 36 kW tou pre difraksyon limit pwodiksyon lazè, pandan y ap pou etwat lazè fib linewidth, maksimòm la pouvwa a se 2 kW. Yo nan lòd yo plis amelyore pouvwa pwodiksyon an nan lazè a fib ak anplifikatè, sentèz pouvwa nan lazè fib miltip pa teknoloji sentèz aderan se yon metòd efikas. Li te vin tounen yon otspo rechèch entènasyonal nan dènye ane yo.

Se sentèz aderan reyalize pa kontwole faz, frekans ak polarizasyon chak reyon lazè ak yon konsistans sèten, pou ke li satisfè kondisyon koerans la epi li jwenn yon pwodiksyon omojèn faz-bloke, ki ka jwenn yon pi gwo entansite pi wo pase senp ki pa aderan. sipèpozisyon epi kenbe bon kalite gwo bout bwa. Istwa a nan devlopman nan teknoloji sentèz aderan se prèske osi lontan ke istwa a nan lazè tèt yo, epi li enplike divès kalite lazè gaz, lazè chimik, lazè semi-conducteurs, lazè solid-eta, elatriye Sepandan, akòz immaturite nan aparèy divès kalite. nan jou yo byen bonè, rezilta yo eksperimantal reyalize pa teknoloji sentèz aderan pa t 'kraze nan pouvwa a pwodiksyon maksimòm nan korespondan sèl-lyen lazè a nan moman sa a, kidonk efè a pa t 'trè evidan. Soti nan ane 1990 yo ivè, avènement lazè fib te mennen nan yon devlopman rapid nan teknik sentèz aderan. Anplis de avantaj inik nan lazè fib ak bezwen pou itilizasyon taktik dè santèn de kilowat, plizyè aparèy (sa vle di kouple kòn fib, fib milti-nwayo, modulateur faz ak pigtails ak frekans frekans acousto-optik, elatriye) te jwe yon wòl enpòtan nan dewoulman komèsyal nan kominikasyon fib optik. Fib kòn kouple ak fib multicore fasilite kontwòl faz pasif ki baze sou kouti piki enèji lazè ak kouti vag rapid, pandan y ap modulateur faz ak pigtails ak frekans acousto-optik pèmèt kontwòl faz aktif ak bandwidth kontwòl megahertz, ki ka itilize pou kontwole fluctuations faz nan kondisyon pouvwa segondè ak reyalize pwodiksyon faz-bloke. Chèchè yo te pwopoze yon kantite diferan rapid sentèz aderan.

Spectral sentèz se yon teknik sentèz ki pa aderan ki sèvi ak youn oswa plis griyaj difraksyon pou difrakte plizyè subbeams nan menm ouvèti a, sa ki lakòz yon sèl pwodiksyon ouvèti ak bon kalite gwo bout bwa. Spectral sentèz lazè fib ka fè tout itilizasyon Pleasant lajè a nan lazè fib Yb-dope pou konpanse pou pouvwa pwodiksyon an limite nan yon lazè fib sèl.