Τι είναι το λέιζερ ινών;

Ορισμός: Ένα λέιζερ που χρησιμοποιεί μια ντοπαρισμένη ίνα ως μέσο κέρδους ή ένα λέιζερ του οποίου ο συντονιστής λέιζερ αποτελείται κυρίως από ίνα.

Τα λέιζερ ινών αναφέρονται συνήθως σε λέιζερ που χρησιμοποιούν ίνα ως μέσο απολαβής, αν και ορισμένα λέιζερ που χρησιμοποιούν μέσα απολαβής ημιαγωγών (οπτικοί ενισχυτές ημιαγωγών) και συντονιστές ινών μπορούν επίσης να ονομαστούν λέιζερ ινών (ή οπτικά λέιζερ ημιαγωγών). Επιπλέον, ορισμένοι άλλοι τύποι λέιζερ (για παράδειγμα, δίοδοι ημιαγωγών συζευγμένων με ίνες) και ενισχυτές ινών ονομάζονται επίσης λέιζερ ινών (ή συστήματα λέιζερ ινών).

Στις περισσότερες περιπτώσεις, το μέσο κέρδους είναι μια ίνα με πρόσμειξη ιόντων σπανίων γαιών, όπως το έρβιο (Er3+), το υττέρβιο (Yb3+), το θόριο (Tm3+) ή το πρασεοδύμιο (Pr3+) και απαιτούνται μία ή περισσότερες δίοδοι λέιζερ συζευγμένων με ίνες για άντληση. Αν και το μέσο απολαβής των λέιζερ ινών είναι παρόμοιο με αυτό των χύδην λέιζερ στερεάς κατάστασης, το φαινόμενο κυματοδηγού και η μικρή περιοχή ενεργού τρόπου λειτουργίας έχουν ως αποτέλεσμα λέιζερ με διαφορετικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, έχουν συνήθως υψηλό κέρδος λέιζερ και υψηλές απώλειες κοιλότητας συντονιστή. Δείτε τις καταχωρήσεις fiber laser και bulk laser.

Φιγούρα 1

Αντηχείο λέιζερ ινών

Για να αποκτήσετε ένα αντηχείο λέιζερ χρησιμοποιώντας μια οπτική ίνα, ένας αριθμός ανακλαστήρων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματιστεί ένα γραμμικό αντηχείο ή για να δημιουργηθεί ένα λέιζερ δακτυλίου ινών. Διαφορετικοί τύποι ανακλαστήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα γραμμικό οπτικό αντηχείο λέιζερ:

Σχήμα 2

1. Σε εργαστηριακές εγκαταστάσεις, τα συνηθισμένα διχρωμικά κάτοπτρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα άκρα των κάθετα κομμένων ινών, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Ωστόσο, αυτή η λύση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλης κλίμακας παραγωγή και δεν είναι ανθεκτική.

2. Η ανάκλαση Fresnel στο άκρο μιας γυμνής ίνας είναι αρκετή για να χρησιμεύσει ως συζεύκτης εξόδου για ένα λέιζερ ινών. Το σχήμα 2 δείχνει ένα παράδειγμα.

3. Οι διηλεκτρικές επικαλύψεις μπορούν επίσης να εναποτεθούν απευθείας στα άκρα των ινών, συνήθως με εξάτμιση. Τέτοιες επικαλύψεις μπορούν να επιτύχουν υψηλή ανακλαστικότητα σε ένα ευρύ φάσμα.

4. Στα εμπορικά προϊόντα, χρησιμοποιούνται συνήθως πλέγματα Bragg από ίνες, τα οποία μπορούν να παρασκευαστούν απευθείας από ίνες με ντόπινγκ ή με μάτισμα μη επικαλυμμένων ινών σε ενεργές ίνες. Το σχήμα 3 δείχνει ένα κατανεμημένο λέιζερ ανακλαστήρα Bragg (λέιζερ DBR), το οποίο περιέχει δύο πλέγματα ινών. Υπάρχει επίσης ένα κατανεμημένο λέιζερ ανάδρασης με ένα πλέγμα στην ντοπαρισμένη ίνα και μια μετατόπιση φάσης ενδιάμεσα.

5. Εάν το φως που εκπέμπεται από την ίνα ευθυγραμμίζεται με φακό και ανακλάται από έναν διχρωμικό καθρέφτη, μπορεί να επιτευχθεί καλύτερος χειρισμός ισχύος. Το φως που δέχεται ο καθρέφτης θα έχει πολύ μειωμένη ένταση λόγω της μεγαλύτερης περιοχής δέσμης. Ωστόσο, μικρές λανθασμένες ευθυγραμμίσεις μπορεί να προκαλέσουν σημαντικές απώλειες ανάκλασης και πρόσθετες αντανακλάσεις Fresnel στις ακραίες όψεις των ινών μπορεί να προκαλέσουν εφέ φίλτρου. Το τελευταίο μπορεί να κατασταλεί χρησιμοποιώντας γωνιακά σχισμένα άκρα ινών, αλλά αυτό εισάγει απώλειες εξαρτώμενες από το μήκος κύματος.

6. Είναι επίσης δυνατός ο σχηματισμός ενός ανακλαστήρα οπτικού βρόχου με χρήση συζευκτήρα ινών και παθητικών ινών.

Τα περισσότερα οπτικά λέιζερ αντλούνται από ένα ή περισσότερα λέιζερ ημιαγωγών συζευγμένων με ίνες. Το φως της αντλίας συνδέεται απευθείας στον πυρήνα της ίνας ή με υψηλή ισχύ στην επένδυση της αντλίας (βλέπε διπλές ίνες), το οποίο θα συζητηθεί λεπτομερώς παρακάτω.

Υπάρχουν πολλοί τύποι λέιζερ ινών, μερικά από τα οποία περιγράφονται παρακάτω.

Υπάρχουν πολλοί τύποι λέιζερ ινών, μερικά από τα οποία περιγράφονται παρακάτω.

Λέιζερ ινών υψηλής ισχύος

Αρχικά, τα λέιζερ ινών μπορούσαν να επιτύχουν ισχύ εξόδου μόνο μερικών milliwatts. Σήμερα, τα λέιζερ ινών υψηλής ισχύος μπορούν να επιτύχουν ισχύ εξόδου αρκετών εκατοντάδων watt, και μερικές φορές ακόμη και πολλών κιλοβάτ από ίνες απλής λειτουργίας. Αυτό επιτυγχάνεται με την αύξηση του λόγου διαστάσεων και των εφέ κυματοδηγού, τα οποία αποφεύγουν τα θερμο-οπτικά εφέ.

Δείτε το λήμμα Laser και ενισχυτές ινών υψηλής ισχύος για περισσότερες λεπτομέρειες.

Λέιζερ ινών ανοδικής μετατροπής

Τα λέιζερ ινών είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για την υλοποίηση λέιζερ μετατροπής, τα οποία συνήθως λειτουργούν σε σχετικά σπάνιες μεταβάσεις λέιζερ και απαιτούν πολύ υψηλές εντάσεις αντλιών. Στα λέιζερ ινών, οι υψηλές εντάσεις της αντλίας μπορούν να διατηρηθούν σε μεγάλες αποστάσεις, έτσι ώστε η απόδοση κέρδους που επιτυγχάνεται να επιτυγχάνεται εύκολα για μεταβάσεις με πολύ χαμηλό κέρδος.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι ίνες πυριτίου δεν είναι κατάλληλες για λέιζερ ινών ανοδικής μετατροπής, επειδή ο μηχανισμός ανοδικής μετατροπής απαιτεί μεγάλη διάρκεια ζωής ενδιάμεσης κατάστασης στο επίπεδο ηλεκτρονικής ενέργειας, η οποία είναι συνήθως πολύ μικρή στις ίνες πυριτίου λόγω της υψηλής ενέργειας φωνονίων (βλ. μεταβάσεις πολλαπλών φωτονίων). Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται συνήθως ορισμένες ίνες φθορίου βαρέων μετάλλων, όπως το ZBLAN (ένα φθοριοζιρκονικό) με χαμηλή ενέργεια φωνονίων.

Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα λέιζερ ινών ανοδικής μετατροπής είναι ίνες με πρόσμειξη θορίου για μπλε φως, λέιζερ με πρόσμειξη με πρασεοδύμιο (μερικές φορές με υττέρβιο) για κόκκινο, πορτοκαλί, πράσινο ή μπλε φως και λέιζερ με πρόσμειξη ερβίου για τρίοδο.

Λέιζερ ινών στενού πλάτους

Τα λέιζερ οπτικών ινών μπορούν να λειτουργούν μόνο σε μία μόνο διαμήκη λειτουργία (δείτε λέιζερ μονής συχνότητας, λειτουργία απλής λειτουργίας) με πολύ στενό πλάτος γραμμής μερικών kilohertz ή ακόμη και μικρότερο από 1 kHz. Για μακροχρόνια σταθερή λειτουργία μονής συχνότητας και χωρίς πρόσθετες απαιτήσεις αφού ληφθεί υπόψη η σταθερότητα της θερμοκρασίας, η κοιλότητα του λέιζερ θα πρέπει να είναι μικρή (π.χ. 5 cm), αν και όσο μεγαλύτερη είναι η κοιλότητα, κατ' αρχήν, τόσο χαμηλότερος είναι ο θόρυβος φάσης και τόσο στενότερο είναι πλάτος γραμμής. Το άκρο της ίνας περιέχει ένα πλέγμα ινών Bragg στενής ζώνης (βλ. κατανεμημένο λέιζερ ανακλαστήρα Bragg, λέιζερ ινών DBR) για να επιλέξετε μια λειτουργία κοιλότητας. Η ισχύς εξόδου κυμαίνεται τυπικά από μερικά milliwatts έως δεκάδες milliwatts, ενώ διατίθενται επίσης λέιζερ ινών μονής συχνότητας με ισχύ εξόδου έως 1 W.

Μια ακραία μορφή είναι το λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης (λέιζερ DFB), όπου ολόκληρη η κοιλότητα λέιζερ περιέχεται σε ένα πλέγμα ίνας Bragg με μια μετατόπιση φάσης μεταξύ τους. Εδώ η κοιλότητα είναι σχετικά μικρή, γεγονός που θυσιάζει την ισχύ εξόδου και το πλάτος γραμμής, αλλά η λειτουργία μιας συχνότητας είναι πολύ σταθερή.

Οι ενισχυτές ινών μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για περαιτέρω ενίσχυση σε υψηλότερες ισχύς.

Λέιζερ ινών με μεταγωγή Q

Τα λέιζερ ινών μπορούν να δημιουργήσουν παλμούς με μήκη που κυμαίνονται από δεκάδες έως εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα, χρησιμοποιώντας διάφορους ενεργούς ή παθητικούς διακόπτες Q. Παλμικές ενέργειες μερικών millijoules μπορούν να επιτευχθούν με ίνες μεγάλης περιοχής λειτουργίας και σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να φτάσουν τα δεκάδες millijoule, που περιορίζονται από την ενέργεια κορεσμού (ακόμα και με ίνες μεγάλης περιοχής λειτουργίας) και το όριο βλάβης (πιο έντονο για μικρότερους παλμούς). Όλες οι συσκευές οπτικών ινών (εκτός από την οπτική ελεύθερου χώρου) έχουν περιορισμένη παλμική ενέργεια, επειδή συνήθως δεν μπορούν να εφαρμόσουν ίνες μεγάλης περιοχής λειτουργίας και αποτελεσματική μεταγωγή Q.

Λόγω του υψηλού κέρδους λέιζερ, η μεταγωγή Q στα λέιζερ ινών είναι πολύ διαφορετική στη φύση από αυτή στα λέιζερ χύδην και είναι πιο περίπλοκη. Υπάρχουν συνήθως πολλαπλές αιχμές στον τομέα του χρόνου και είναι επίσης δυνατή η παραγωγή παλμών με μεταγωγή Q με μήκος μικρότερο από το χρόνο μετ' επιστροφής του συντονιστή.

Τα λέιζερ ινών με κλειδωμένη λειτουργία χρησιμοποιούν πιο πολύπλοκους συντονιστές (λέιζερ υπερσύντομης ίνας) για την παραγωγή παλμών picosecond ή femtosecond. Εδώ, το αντηχείο λέιζερ περιέχει έναν ενεργό διαμορφωτή ή κάποιους κορεσμένους απορροφητές. Οι κορεσμένοι απορροφητές μπορούν να πραγματοποιηθούν με φαινόμενα περιστροφής μη γραμμικής πόλωσης ή με χρήση ενός καθρέφτη βρόχου μη γραμμικής ίνας. Τα κάτοπτρα μη γραμμικού βρόχου μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για παράδειγμα, στο "λέιζερ σχήματος οκτώ" στο Σχήμα 8, όπου η αριστερή πλευρά περιέχει έναν κύριο συντονιστή και έναν μη γραμμικό δακτύλιο ινών για την ενίσχυση, τη διαμόρφωση και τη σταθεροποίηση των υπερμικρών παλμών μετ' επιστροφής. Ειδικά στο κλείδωμα αρμονικής λειτουργίας, απαιτούνται πρόσθετες συσκευές, όπως υποκοιλότητες που χρησιμοποιούνται ως οπτικά φίλτρα.