لیزر فیبر چیست؟

تعریف: لیزری که از یک فیبر دوپ شده به عنوان محیط افزایش استفاده می کند، یا لیزری که تشدید کننده لیزر آن بیشتر از فیبر تشکیل شده است.

لیزرهای فیبر معمولاً به لیزرهایی اطلاق می شود که از فیبر به عنوان رسانه بهره استفاده می کنند، اگرچه برخی از لیزرهایی که از رسانه های بهره نیمه هادی (تقویت کننده های نوری نیمه هادی) و تشدید کننده های فیبر استفاده می کنند را می توان لیزر فیبر (یا لیزرهای نوری نیمه هادی) نیز نامید. علاوه بر این، برخی از انواع دیگر لیزرها (به عنوان مثال، دیودهای نیمه هادی جفت شده با فیبر) و تقویت کننده های فیبر نیز لیزر فیبر (یا سیستم های لیزر فیبر) نامیده می شوند.

در بیشتر موارد، محیط افزایش یک فیبر دوپ شده با یون خاکی کمیاب است، مانند اربیوم (Er3+)، ایتربیوم (Yb3+)، توریم (Tm3+)، یا پرازئودیمیم (Pr3+)، و یک یا چند دیود لیزر جفت شده با فیبر مورد نیاز است. برای پمپاژ اگرچه محیط بهره لیزرهای فیبر مشابه لیزرهای حجیم حالت جامد است، اثر موجبر و ناحیه حالت موثر کوچک منجر به لیزرهایی با خواص متفاوت می شود. به عنوان مثال، آنها معمولاً بهره لیزر و تلفات حفره تشدید کننده بالایی دارند. ورودی های لیزر فیبر و لیزر حجیم را ببینید.

شکل 1

تشدید کننده لیزر فیبر

برای به دست آوردن تشدیدگر لیزری با استفاده از فیبر نوری، می توان از تعدادی بازتابنده برای تشکیل یک تشدید کننده خطی یا ایجاد لیزر حلقه فیبر استفاده کرد. انواع مختلفی از بازتابنده ها را می توان در تشدید کننده لیزری نوری خطی استفاده کرد:

شکل 2

1. در تنظیمات آزمایشگاهی، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، می توان از آینه های دو رنگ معمولی در انتهای الیاف عمود برش خورده استفاده کرد. با این حال، این محلول نمی تواند در تولید در مقیاس بزرگ استفاده شود و بادوام نیست.

2. انعکاس فرنل در انتهای یک فیبر لخت به عنوان یک جفت کننده خروجی برای لیزر فیبر کافی است. شکل 2 یک مثال را نشان می دهد.

3. پوشش های دی الکتریک همچنین می توانند به طور مستقیم بر روی انتهای الیاف، معمولاً از طریق تبخیر، رسوب کنند. چنین پوشش هایی می توانند بازتابی بالایی در محدوده وسیعی داشته باشند.

4. در محصولات تجاری معمولاً از گریتینگ های الیافی براگ استفاده می شود که می توان آن را مستقیماً از الیاف دوپ شده یا با اتصال الیاف دوپ نشده به الیاف فعال تهیه کرد. شکل 3 یک لیزر بازتابنده براگ توزیع شده (لیزر DBR) را نشان می دهد که شامل دو توری فیبر است. همچنین یک لیزر بازخورد توزیع شده با یک توری در فیبر دوپ شده و یک تغییر فاز در بین وجود دارد.

5. اگر نور ساطع شده از فیبر توسط یک عدسی هماهنگ شده و توسط یک آینه دو رنگی منعکس شود، می توان به قدرت بهتری دست یافت. نور دریافت شده توسط آینه به دلیل مساحت پرتو بزرگتر، شدت کاهش بسیار زیادی خواهد داشت. با این حال، ناهماهنگی های جزئی می تواند باعث تلفات بازتابی قابل توجهی شود و بازتاب های فرنل اضافی در وجوه انتهایی فیبر می تواند اثرات فیلتر ایجاد کند. دومی را می توان با استفاده از انتهای فیبر شکافدار سرکوب کرد، اما این باعث تلفات وابسته به طول موج می شود.

6. همچنین می توان یک بازتابنده حلقه نوری را با استفاده از کوپلر فیبر و فیبرهای غیرفعال تشکیل داد.

بیشتر لیزرهای نوری توسط یک یا چند لیزر نیمه هادی جفت شده با فیبر پمپ می شوند. چراغ پمپ مستقیماً به هسته فیبر یا با توان بالا به روکش پمپ متصل می شود (به الیاف دوپوش مراجعه کنید)، که در زیر به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.

انواع مختلفی از لیزرهای فیبر وجود دارد که در زیر به تعدادی از آنها اشاره می شود.

انواع مختلفی از لیزرهای فیبر وجود دارد که در زیر به تعدادی از آنها اشاره می شود.

لیزرهای فیبر پرقدرت

در ابتدا، لیزرهای فیبر تنها قادر به دستیابی به توان خروجی چند میلی وات بودند. امروزه لیزرهای فیبر پرتوان می توانند به توان خروجی چند صد وات و گاهی حتی چندین کیلووات از فیبرهای تک حالته دست یابند. این امر با افزایش نسبت ابعاد و جلوه‌های موجبر به دست می‌آید که از اثرات حرارتی نوری جلوگیری می‌کند.

برای جزئیات بیشتر به ورودی لیزرهای فیبر و تقویت کننده های پرقدرت مراجعه کنید.

لیزرهای فیبر تبدیل بالا

لیزرهای فیبر مخصوصاً برای تحقق لیزرهای تبدیل رو به بالا مناسب هستند، که معمولاً در انتقال لیزر نسبتاً نادر عمل می کنند و به شدت پمپ بسیار بالایی نیاز دارند. در لیزرهای فیبر، شدت پمپ بالا را می توان در فواصل طولانی حفظ کرد، به طوری که راندمان بهره به دست آمده به راحتی برای انتقال با بهره بسیار کم به دست می آید.

در بیشتر موارد، الیاف سیلیس برای لیزرهای فیبر تبدیل مناسب نیستند، زیرا مکانیسم تبدیل به یک طول عمر متوسط ​​طولانی در سطح انرژی الکترونیکی نیاز دارد، که معمولاً در فیبرهای سیلیسی به دلیل انرژی فونون بالا بسیار کوچک است (به انتقال چند فوتونی مراجعه کنید). بنابراین، معمولاً از برخی الیاف فلوراید فلزات سنگین استفاده می شود، مانند ZBLAN (یک فلورزیرکونات) با انرژی فونون کم.

پرکاربردترین لیزرهای فیبر تبدیل به بالا، فیبرهای دوپ شده با توریم برای نور آبی، لیزرهای دوپ شده با پرازئودیمیم (گاهی اوقات با ایتربیوم) برای نور قرمز، نارنجی، سبز یا آبی و لیزرهای دوپ شده با اربیوم برای تریود هستند.

لیزرهای فیبر با عرض خط

لیزرهای فیبر ممکن است تنها در یک حالت طولی (نگاه کنید به لیزر تک فرکانس، عملکرد تک حالته) با پهنای خط بسیار باریک چند کیلوهرتز یا حتی کمتر از 1 کیلوهرتز کار کنند. برای عملکرد طولانی مدت تک فرکانس پایدار و بدون نیاز به نیازهای اضافی پس از در نظر گرفتن پایداری دما، حفره لیزر باید کوتاه باشد (مثلاً 5 سانتی متر)، اگرچه در اصل هر چه حفره طولانی تر باشد، نویز فاز کمتر و باریک تر است. عرض خط انتهای فیبر حاوی یک گریتینگ فیبر باریک براگ است (لیزر بازتابنده براگ توزیع شده، لیزر فیبر DBR) برای انتخاب حالت حفره. توان خروجی معمولاً از چند میلی‌وات تا ده‌ها میلی‌وات متغیر است و لیزرهای فیبر تک فرکانس با توان خروجی تا 1 وات نیز موجود است.

یک شکل افراطی، لیزر بازخورد توزیع شده (لیزر DFB) است، که در آن کل حفره لیزر درون یک توری فیبر براگ با یک تغییر فاز در بین آن قرار دارد. در اینجا حفره نسبتا کوتاه است که توان خروجی و عرض خط را قربانی می کند، اما عملکرد تک فرکانس بسیار پایدار است.

تقویت کننده های فیبر همچنین می توانند برای تقویت بیشتر به توان های بالاتر استفاده شوند.

لیزرهای فیبر سوئیچ کیو

لیزرهای فیبر می توانند پالس هایی با طول های مختلف از ده ها تا صدها نانوثانیه را با استفاده از سوئیچ های مختلف Q فعال یا غیرفعال تولید کنند. انرژی‌های پالسی چند میلی‌ژول را می‌توان با فیبرهای با مساحت حالت بزرگ به دست آورد، و در موارد شدید می‌تواند به ده‌ها میلی‌ژول برسد، که توسط انرژی اشباع (حتی با فیبرهای منطقه حالت بزرگ) و آستانه آسیب (برای پالس‌های کوتاه‌تر مشخص‌تر است) محدود می‌شود. همه دستگاه‌های فیبر (به جز اپتیک‌های فضای آزاد) از نظر انرژی پالس محدود هستند، زیرا معمولاً نمی‌توانند فیبرهای منطقه بزرگ و سوئیچینگ مؤثر Q را پیاده‌سازی کنند.

به دلیل بهره بالای لیزر، سوئیچ Q در لیزرهای فیبر ماهیت بسیار متفاوتی با لیزرهای حجیم دارد و پیچیده تر است. معمولاً در حوزه زمان چندین اسپک وجود دارد و همچنین می توان پالس های سوئیچ کیو با طول کمتر از زمان رفت و برگشت تشدید کننده تولید کرد.

لیزرهای فیبر حالت قفل شده از تشدید کننده های پیچیده تری (لیزرهای فیبر فوق کوتاه) برای تولید پالس های پیکوثانیه یا فمتوثانیه استفاده می کنند. در اینجا تشدید کننده لیزر حاوی یک مدولاتور فعال یا برخی جاذب های اشباع شده است. جاذب های اشباع را می توان با اثرات چرخش قطبش غیرخطی یا با استفاده از یک آینه حلقه فیبر غیرخطی متوجه شد. آینه های حلقه غیرخطی را می توان به عنوان مثال در "لیزر شکل هشت" در شکل 8 استفاده کرد، جایی که سمت چپ شامل یک تشدید کننده اصلی و یک حلقه فیبر غیرخطی برای تقویت، شکل دادن و تثبیت پالس های فوق کوتاه رفت و برگشت است. به خصوص در حالت قفل هارمونیک، دستگاه های اضافی مورد نیاز است، مانند زیر حفره هایی که به عنوان فیلترهای نوری استفاده می شوند.