Ano ang isang fiber laser?

Kahulugan: Isang laser na gumagamit ng doped fiber bilang gain medium, o isang laser na ang laser resonator ay kadalasang binubuo ng fiber.

Karaniwang tumutukoy ang fiber laser sa mga laser na gumagamit ng fiber bilang gain medium, bagama't ang ilang laser na gumagamit ng semiconductor gain media (semiconductor optical amplifier) ​​at fiber resonator ay maaari ding tawaging fiber lasers (o semiconductor optical lasers). Bilang karagdagan, ang ilang iba pang mga uri ng lasers (halimbawa, fiber-coupled semiconductor diodes) at fiber amplifier ay tinatawag ding fiber lasers (o fiber laser system).

Sa karamihan ng mga kaso, ang gain medium ay isang rare earth ion-doped fiber, gaya ng erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), thorium (Tm3+), o praseodymium (Pr3+), at kailangan ng isa o higit pang fiber-coupled laser diodes. para sa pumping. Kahit na ang gain medium ng fiber lasers ay katulad ng solid-state bulk lasers, ang waveguide effect at maliit na epektibong mode area ay nagreresulta sa mga laser na may iba't ibang katangian. Halimbawa, kadalasan ay mayroon silang mataas na laser gain at mataas na resonator cavity losses. Tingnan ang mga entry na fiber laser at bulk laser.

Larawan 1

Fiber laser resonator

Upang makakuha ng isang laser resonator gamit ang isang optical fiber, isang bilang ng mga reflector ay maaaring gamitin upang bumuo ng isang linear resonator, o upang lumikha ng isang fiber ring laser. Maaaring gamitin ang iba't ibang uri ng reflector sa isang linear optical laser resonator:

Figure 2

1. Sa mga pag-setup ng laboratoryo, ang mga ordinaryong dichroic na salamin ay maaaring gamitin sa mga dulo ng mga perpendicularly cleaved fibers, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Gayunpaman, ang solusyon na ito ay hindi maaaring gamitin sa malakihang produksyon at hindi matibay.

2. Ang Fresnel reflection sa dulo ng isang hubad na hibla ay sapat upang magsilbi bilang isang output coupler para sa isang fiber laser. Ang Figure 2 ay nagpapakita ng isang halimbawa.

3. Ang mga dielectric coatings ay maaari ding direktang ideposito sa mga dulo ng hibla, kadalasan sa pamamagitan ng pagsingaw. Ang ganitong mga coatings ay maaaring makamit ang mataas na reflectivity sa isang malawak na hanay.

4. Sa mga komersyal na produkto, kadalasang ginagamit ang fiber Bragg grating, na maaaring ihanda nang direkta mula sa doped fibers o sa pamamagitan ng pagdugtong ng mga undoped fibers sa mga aktibong fibers. Ipinapakita ng Figure 3 ang isang ipinamahagi na Bragg reflector laser (DBR laser), na naglalaman ng dalawang fiber grating. Mayroon ding distributed feedback laser na may grating sa doped fiber at phase shift sa pagitan.

5. Kung ang liwanag na ibinubuga mula sa hibla ay na-collimate ng isang lens at naaaninag pabalik ng isang dichroic mirror, maaaring makamit ang mas mahusay na power handling. Ang liwanag na natanggap ng salamin ay magkakaroon ng lubos na pagbawas ng intensity dahil sa mas malaking lugar ng sinag. Gayunpaman, ang mga bahagyang maling pagkakahanay ay maaaring magdulot ng makabuluhang pagkalugi sa pagmuni-muni, at ang mga karagdagang pagmuni-muni ng Fresnel sa mga dulo ng fiber ay maaaring magdulot ng mga epekto ng filter. Ang huli ay maaaring pigilan sa pamamagitan ng paggamit ng angled cleaved fiber ends, ngunit ito ay nagpapakilala ng wavelength-dependent losses.

6. Posible rin na bumuo ng optical loop reflector gamit ang fiber coupler at passive fibers.

Karamihan sa mga optical laser ay binomba ng isa o higit pang fiber-coupled semiconductor laser. Ang pump light ay direktang pinagsama sa fiber core o sa mataas na kapangyarihan sa pump cladding (tingnan ang double-clad fibers), na tatalakayin nang detalyado sa ibaba.

Mayroong maraming mga uri ng fiber lasers, ang ilan ay inilalarawan sa ibaba.

Mayroong maraming mga uri ng fiber lasers, ang ilan ay inilalarawan sa ibaba.

High-power fiber lasers

Sa una, ang mga fiber laser ay nakamit lamang ang output powers ng ilang milliwatts. Ngayon, ang mga high-power fiber laser ay maaaring makamit ang output powers ng ilang daang watts, at minsan kahit ilang kilowatts mula sa single-mode fibers. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pagtaas ng aspect ratio at waveguide effect, na umiiwas sa mga thermo-optical effect.

Tingnan ang entry na High-power fiber laser at amplifier para sa higit pang mga detalye.

Upconversion fiber lasers

Ang mga fiber laser ay partikular na angkop para sa pagsasakatuparan ng upconversion lasers, na karaniwang gumagana sa medyo madalang na laser transition at nangangailangan ng napakataas na pump intensity. Sa fiber lasers, ang mataas na pump intensity ay maaaring mapanatili sa mahabang distansya, upang ang gain efficiency na nakuha ay madaling makamit para sa mga transition na may napakababang gain.

Sa karamihan ng mga kaso, ang mga silica fibers ay hindi angkop para sa upconversion fiber lasers, dahil ang mekanismo ng upconversion ay nangangailangan ng mahabang intermediate state lifetime sa electronic energy level, na kadalasang napakaliit sa silica fibers dahil sa mataas na phonon energy (tingnan ang multiphoton transition). Samakatuwid, ang ilang mabibigat na metal na fluoride fiber ay karaniwang ginagamit, tulad ng ZBLAN (isang fluorozirconate) na may mababang phonon energy.

Ang pinakakaraniwang ginagamit na upconversion fiber laser ay thorium-doped fibers para sa blue light, praseodymium-doped lasers (minsan may ytterbium) para sa pula, orange, green o blue light, at erbium-doped lasers para sa triode.

Narrow-linewidth fiber lasers

Ang mga fiber laser ay maaaring gumana sa iisang longitudinal mode lamang (tingnan ang single-frequency laser, single-mode na operasyon) na may napakakitid na linewidth na ilang kilohertz o mas mababa pa sa 1 kHz. Para sa pangmatagalang matatag na single-frequency na operasyon, at nang walang karagdagang mga kinakailangan pagkatapos isaalang-alang ang katatagan ng temperatura, ang laser cavity ay dapat na maikli (hal., 5 cm), kahit na mas mahaba ang cavity, sa prinsipyo, mas mababa ang ingay ng phase at mas makitid ang linewidth. Ang dulo ng hibla ay naglalaman ng narrowband fiber Bragg grating (tingnan ang ipinamahagi na Bragg reflector laser, DBR fiber laser) upang pumili ng cavity mode. Karaniwang umaabot ang output power mula sa ilang milliwatts hanggang sampu-sampung milliwatts, at available din ang single-frequency fiber laser na may output powers hanggang 1 W.

Ang isang matinding anyo ay ang distributed feedback laser (DFB laser), kung saan ang buong laser cavity ay nakapaloob sa loob ng fiber Bragg grating na may phase shift sa pagitan. Narito ang lukab ay medyo maikli, na nagsasakripisyo ng kapangyarihan ng output at linewidth, ngunit ang single-frequency na operasyon ay napaka-stable.

Ang mga fiber amplifiers ay maaari ding gamitin upang higit pang palakasin sa mas mataas na kapangyarihan.

Q-switched fiber lasers

Ang mga fiber laser ay maaaring makabuo ng mga pulso na may mga haba mula sampu hanggang daan-daang nanosecond, gamit ang iba't ibang aktibo o passive Q switch. Ang mga lakas ng pulso ng ilang millijoules ay maaaring makamit gamit ang malalaking mode area fibers, at sa matinding mga kaso ay maaaring umabot sa sampu-sampung millijoules, na limitado ng saturation energy (kahit na may malalaking mode area fibers) at ang damage threshold (mas malinaw para sa mas maiikling pulso). Lahat ng fiber device (maliban sa free-space optics) ay limitado sa pulse energy, dahil kadalasan ay hindi nila maipapatupad ang malalaking mode area fibers at epektibong Q switching.

Dahil sa mataas na nakuha ng laser, ang Q-switching sa fiber lasers ay ibang-iba sa likas na katangian mula sa mga bulk laser at mas kumplikado. Kadalasan mayroong maraming spike sa domain ng oras, at posible ring gumawa ng mga Q-switched pulse na may haba na mas mababa kaysa sa oras ng round-trip na resonator.

Gumagamit ang mode-locked fiber lasers ng mas kumplikadong mga resonator (ultrashort fiber laser) upang makagawa ng picosecond o femtosecond pulses. Dito, ang laser resonator ay naglalaman ng isang aktibong modulator o ilang saturated absorbers. Ang mga saturated absorbers ay maaaring matanto sa pamamagitan ng nonlinear polarization rotation effect o sa pamamagitan ng paggamit ng nonlinear fiber loop mirror. Ang mga nonlinear loop mirror ay maaaring gamitin, halimbawa, sa "figure-of-eight laser" sa Figure 8, kung saan ang kaliwang bahagi ay naglalaman ng pangunahing resonator at isang nonlinear fiber ring para sa pagpapalakas, paghubog at pag-stabilize ng mga round-trip na ultrashort pulse. Lalo na sa pag-lock ng harmonic mode, kinakailangan ang mga karagdagang device, tulad ng mga subcavity na ginagamit bilang optical filter.