Mis on kiudlaser?

Definitsioon: laser, mis kasutab võimenduskeskkonnana legeeritud kiudu, või laser, mille laserresonaator koosneb enamasti kiust.

Kiudlaserid viitavad tavaliselt laseritele, mis kasutavad kiudaineid võimenduskandjana, kuigi mõnda pooljuhtvõimenduskandjat (pooljuht-optilised võimendid) ja kiudresonaatoreid kasutavaid lasereid võib nimetada ka kiudlaseriteks (või pooljuht-optiliseks laseriteks). Lisaks nimetatakse kiudlaseriteks (või kiudlasersüsteemideks) ka mõnda muud tüüpi lasereid (näiteks fiibersidestatud pooljuhtdioodid) ja kiudvõimendeid.

Enamasti on võimenduskeskkonnaks haruldaste muldmetallide ioonidega legeeritud kiud, näiteks erbium (Er3+), ütterbium (Yb3+), toorium (Tm3+) või praseodüüm (Pr3+) ning vaja on ühte või mitut fiibersidestatud laserdioodi. pumpamiseks. Kuigi kiudlaserite võimendusmeedium on sarnane tahkislaseri omaga, annavad lainejuhiefekti ja väikese efektiivse režiimi pindala tulemuseks erinevate omadustega laserid. Näiteks on neil tavaliselt suur laservõimendus ja suured resonaatoriõõnsuse kaod. Vaadake kirjeid kiudlaser ja hulgilaser.

Joonis 1

Kiudlaserresonaator

Optilist kiudu kasutades laserresonaatori saamiseks võib lineaarse resonaatori moodustamiseks või fiiberrõngaslaseri loomiseks kasutada mitmeid reflektoreid. Lineaarses optilises laserresonaatoris saab kasutada erinevat tüüpi reflektoreid:

Joonis 2

1. Laboratoorsetes seadistustes saab risti lõhestatud kiudude otstes kasutada tavalisi dikrootilisi peegleid, nagu on näidatud joonisel 1. Seda lahendust ei saa aga kasutada suuremahulises tootmises ja see ei ole vastupidav.

2. Fresneli peegeldus palja kiu otsas on piisav, et toimida kiudlaseri väljundühendusena. Joonisel 2 on näide.

3. Dielektrilisi katteid saab kanda ka otse kiu otstele, tavaliselt aurustamise teel. Sellised katted võivad saavutada suure peegelduvuse laias vahemikus.

4. Kaubanduslikes toodetes kasutatakse tavaliselt fiiber-Braggi reste, mida saab valmistada otse legeeritud kiududest või liimides legeerimata kiud aktiivkiududeks. Joonisel 3 on kujutatud hajutatud Braggi reflektorlaser (DBR laser), mis sisaldab kahte kiudresti. Samuti on hajutatud tagasiside laser, mille legeeritud kius on rest ja nende vahel on faasinihe.

5. Kui kiust kiirgavat valgust kollimeerib lääts ja peegeldab tagasi dikroiline peegel, on võimalik saavutada parem võimsuse käsitsemine. Peegli poolt vastuvõetava valguse intensiivsus on suurema valgusvihu pindala tõttu oluliselt vähenenud. Kuid väikesed kõrvalekalded võivad põhjustada märkimisväärseid peegelduskadusid ja täiendavad Fresneli peegeldused kiu otste külgedel võivad tekitada filtriefekte. Viimast saab maha suruda, kasutades nurga all olevaid lõhustatud kiuotsi, kuid see toob kaasa lainepikkusest sõltuvaid kadusid.

6. Samuti on võimalik moodustada optiline silmusreflektor, kasutades fiibersidurit ja passiivkiude.

Enamikku optilisi lasereid pumbatakse ühe või mitme kiudühendusega pooljuhtlaseriga. Pumba tuli on ühendatud otse kiudsüdamikuga või suure võimsusega pumba kattekihiga (vt topeltkattega kiud), mida käsitletakse üksikasjalikult allpool.

Kiudlasereid on mitut tüüpi, mõnda neist kirjeldatakse allpool.

Kiudlasereid on mitut tüüpi, mõnda neist kirjeldatakse allpool.

Suure võimsusega kiudlaserid

Algselt suutsid kiudlaserid saavutada vaid mõne millivatti väljundvõimsust. Tänapäeval suudavad suure võimsusega kiudlaserid saavutada ühemoodilistest kiududest mitmesaja vatti väljundvõimsust ja mõnikord isegi mitu kilovatti. See saavutatakse kuvasuhte ja lainejuhiefektide suurendamisega, mis väldivad termooptilisi efekte.

Lisateabe saamiseks vaadake kirjet Suure võimsusega kiudlaserid ja -võimendid.

Üleskonversiooni kiudlaserid

Kiudlaserid sobivad eriti hästi üleskonversioonlaserite realiseerimiseks, mis tavaliselt töötavad suhteliselt harvadel lasersiirdetel ja nõuavad väga suurt pumba intensiivsust. Kiudlaserites saab kõrget pumba intensiivsust säilitada pikkadel vahemaadel, nii et saavutatud võimenduse efektiivsus on kergesti saavutatav väga väikese võimendusega üleminekute puhul.

Enamasti ei sobi ränidioksiidkiud üleskonversioonkiudlaseriteks, sest üleskonversioonimehhanism eeldab pikka vahepealset oleku eluiga elektroonilises energiatasemes, mis on ränikiudude puhul kõrge fononenergia tõttu tavaliselt väga väike (vt mitmefotoni üleminekud). Seetõttu kasutatakse tavaliselt mõningaid raskmetallide fluoriidkiude, näiteks madala fonoonienergiaga ZBLAN-i (fluorosirkonaat).

Kõige sagedamini kasutatavad üleskonversioonikiudlaserid on sinise valguse jaoks tooriumiga legeeritud kiud, punase, oranži, rohelise või sinise valguse jaoks praseodüümiga legeeritud laserid (mõnikord koos ytterbiumiga) ja trioodi jaoks erbiumiga legeeritud laserid.

Kitsa joonelaiusega kiudlaserid

Kiudlaserid võivad töötada ainult ühes pikisuunalises režiimis (vt ühe sagedusega laser, ühemoodiline töö) väga kitsa joonelaiusega mõne kilohertsi või isegi alla 1 kHz. Pikaajaliseks stabiilseks ühesageduslikuks tööks ja ilma täiendavate nõueteta pärast temperatuuri stabiilsuse arvestamist peaks laseri õõnsus olema lühike (nt 5 cm), kuigi mida pikem on õõnsus, seda väiksem on faasimüra ja seda kitsam on põhimõtteliselt joone laius. Kiu ots sisaldab kitsariba kiud Braggi võre (vt hajutatud Braggi reflektorlaser, DBR kiudlaser), et valida õõnsusrežiim. Väljundvõimsus ulatub tavaliselt mõnest millivatist kuni kümnete millivattideni ning saadaval on ka kuni 1 W väljundvõimsusega ühesageduslikud fiiberopsid.

Äärmuslik vorm on hajutatud tagasiside laser (DFB laser), kus kogu laseri õõnsus asub Braggi kiudvõre sees, mille vahel on faasinihe. Siin on õõnsus suhteliselt lühike, mis ohverdab väljundvõimsust ja liinilaiust, kuid ühe sagedusega töö on väga stabiilne.

Kiudvõimendeid saab kasutada ka täiendavaks võimendamiseks suurematele võimsustele.

Q-lülitusega kiudlaserid

Kiudlaserid võivad erinevate aktiivsete või passiivsete Q-lülitite abil genereerida impulsse pikkusega kümnetest kuni sadade nanosekunditeni. Suure režiimi pindalaga kiududega on võimalik saavutada mõne millidžauli impulsienergiat ja äärmuslikel juhtudel võib see ulatuda kümnete millidžauliteni, mida piiravad küllastusenergia (isegi suure režiimi pindalaga kiudude puhul) ja kahjustuslävi (see on lühemate impulsside puhul rohkem väljendunud). Kõik fiiberoptilised seadmed (v.a vaba ruumi optika) on impulsienergiaga piiratud, kuna tavaliselt ei suuda need rakendada suure režiimi pindalaga kiude ja tõhusat Q-lülitust.

Tänu suurele laservõimendusele on kiudlaserite Q-lülitus olemuselt väga erinev hulgilaserite omast ja on keerulisem. Ajapiirkonnas on tavaliselt mitu piiki, samuti on võimalik toota Q-lülitusega impulsse, mille pikkus on väiksem kui resonaatori edasi-tagasi aeg.

Režiimilukuga kiudlaserid kasutavad pikosekundiliste või femtosekundiliste impulsside tekitamiseks keerukamaid resonaatoreid (ülilühikese kiudlaseriga). Siin sisaldab laserresonaator aktiivset modulaatorit või mõnda küllastunud neeldurit. Küllastunud neeldujaid saab realiseerida mittelineaarse polarisatsiooni pöörlemisefektide või mittelineaarse kiudahela peegli abil. Mittelineaarseid silmuspeegleid saab kasutada näiteks joonisel 8 kujutatud "kaheksa laseriga", mille vasakpoolne külg sisaldab põhiresonaatorit ja mittelineaarset kiurõngast edasi-tagasi ülilühikeste impulsside võimendamiseks, kujundamiseks ja stabiliseerimiseks. Eriti harmoonilise režiimi lukustamisel on vaja lisaseadmeid, näiteks optiliste filtritena kasutatavaid alamõõnesid.