Beth yw laser ffibr?
Mae ffibr optegol yn fyr ar gyfer ffibr optegol ac fel arfer mae'n arweiniad tonnau silindrog ar gyfer tonnau golau. Mae'n defnyddio'r egwyddor o adlewyrchiad llwyr i gyfyngu tonnau golau i'r craidd a'u harwain i gyfeiriad yr echelin ffibr. Newidiodd newid gwifren gopr gyda gwydr cwarts y byd.
Fel cyfrwng ar gyfer cynnal tonnau ysgafn, mae ffibr optegol wedi cael ei ddefnyddio'n helaeth ers 1966 pan gafodd ei gyflwyno gan Charles Kao, diolch i'w allu cyfathrebu uchel, imiwnedd ymyrraeth uchel, colled trosglwyddo isel, pellter cyfnewid hir, cyfrinachedd da, gallu i addasu, maint bach , pwysau ysgafn a ffynonellau helaeth o ddeunyddiau crai. Yn cael ei adnabod fel "tad opteg ffibr", dyfarnwyd Gwobr Nobel mewn Ffiseg i Kao yn 2009 am ei waith. Gyda pherffeithrwydd ac ymarferoldeb cynyddol opteg ffibr, mae wedi chwyldroi'r diwydiant telathrebu ac wedi disodli gwifren gopr i raddau helaeth fel elfen graidd cyfathrebu modern.
Mae system gyfathrebu ffibr optegol yn system gyfathrebu sy'n defnyddio golau fel cludwr gwybodaeth a ffibr optegol fel cyfrwng canllaw tonnau. Pan fydd ffibr optegol yn trosglwyddo gwybodaeth, mae'r signal trydanol yn cael ei drawsnewid yn signal optegol, sydd wedyn yn cael ei drosglwyddo y tu mewn i'r ffibr. Fel technoleg gyfathrebu sy'n dod i'r amlwg, mae cyfathrebu ffibr optig wedi dangos rhagoriaeth heb ei ail o'r cychwyn cyntaf ac wedi denu diddordeb mawr a sylw eang. Mae'r defnydd eang o ffibrau optegol mewn cyfathrebiadau hefyd wedi cyfrannu at ddatblygiad cyflym chwyddseinyddion ffibr-optig a laserau ffibr ar yr un pryd. Yn ogystal â chyfathrebu, defnyddir systemau ffibr optig hefyd mewn ystod eang o gymwysiadau mewn meddygaeth, synhwyro a meysydd eraill.
Ffibrau optegol
Cyfrwng ennill laser ffibr yw'r ffibr gweithredol. Yn ôl ei strwythur gellir ei rannu'n ffibr un modd, ffibr dwbl-clad a ffibr grisial ffotonig tri.
Mae ffibr un modd ffibr optegol un modd yn cynnwys craidd, cladin a haen cotio, lle mae mynegai plygiannol y deunydd craidd n1, yn uwch na mynegai plygiant deunydd cladin n2, pan fo ongl digwyddiad y golau digwyddiad yn fwy na'r llun ongl critigol, y trawst golau yng nghraidd yr allyriad llawn, felly gall y ffibr fod yn rhwym i'r trawst golau yn y lluosogiad craidd. Ni all cladin mewnol ffibrau un modd chwarae rhan ataliol ar gyfer golau pwmp amlfodd, ac mae agorfa rifiadol y craidd yn isel, felly dim ond cyplu golau pwmp un modd i'r craidd y gellir ei ddefnyddio i gael allbwn laser. Defnyddiodd laserau ffibr cynnar y ffibr un modd hwn, gan arwain at effeithlonrwydd cyplu isel a laserau â phŵer allbwn yn yr ystod miliwatt.
Ffibrau wedi'u gorchuddio â dwbl
Er mwyn goresgyn cyfyngiadau ffibrau confensiynol un modd, un-clad ytterbium-doped (Yb3 plus) ar effeithlonrwydd trosi a phŵer allbwn, cynigiodd Maurer (R. Maurer) y cysyniad o ffibrau â chladin dwbl yn gyntaf ym 1974 . Ers hynny, nid tan 1988, pan gynigiodd E. Snitzer ac eraill dechnoleg pwmpio cladin [3], y datblygwyd laserau / mwyhaduron ffibr â dop Yb pŵer uchel yn gyflym.
Mae ffibr clad dwbl yn ffibr optegol gyda strwythur arbennig sy'n ychwanegu haen cladin fewnol i'r ffibr confensiynol, sy'n cynnwys haen cotio, haen cladin fewnol, haen cladin allanol, a chraidd ffibr doped. Mae'r dechnoleg pwmpio cladin yn seiliedig ar ffibr cladin dwbl, a'i graidd yw caniatáu i olau pwmp amlfodd gael ei drosglwyddo yn y cladin mewnol a golau laser i'w drosglwyddo yn y craidd, gan ganiatáu effeithlonrwydd trosi pwmpio a phŵer allbwn. y laser ffibr i gael ei wella'n fawr. Strwythur y ffibr cladin dwbl, siâp y cladin mewnol, a'r dull cyplu golau pwmp yw'r allwedd i'r dechnoleg hon.
Mae craidd y ffibr cladin dwbl yn cynnwys silicon deuocsid (SiO2) wedi'i ddopio ag elfennau daear prin, sef y cyfrwng laser a sianel drosglwyddo'r signal laser yn y laser ffibr, sy'n cyfateb i'r donfedd gweithio. Mae maint traws (ddegau o weithiau diamedr craidd confensiynol) ac agorfa rifiadol y cladin mewnol yn llawer mwy na maint y craidd, ac mae'r mynegai plygiannol yn llai na'r craidd, sy'n cyfyngu ar ymlediad golau laser yn gyfan gwbl. o fewn y craidd. Mae hyn yn creu canllaw tonnau optegol agorfa rifiadol fawr groestoriadol rhwng y craidd a'r cladin allanol, sy'n caniatáu i agorfa rifiadol fawr, golau pwmpio pŵer uchel trawstoriad mawr ac aml-ddull gael ei gysylltu â'r ffibr a'i gyfyngu i drosglwyddo o fewn. y cladin mewnol heb drylediad, gan hwyluso cynnal pwmpio optegol dwysedd pŵer uchel. Mae'r cladin allanol yn cynnwys deunydd polymer gyda mynegai plygiannol llai na'r cladin mewnol; mae'r haen allanol yn haen amddiffynnol sy'n cynnwys deunydd organig. Mae maint y cladin mewnol yn pennu arwynebedd cyplu'r ffibr dwbl â'r golau wedi'i bwmpio, yn wahanol i ffibrau un modd confensiynol, sy'n cael eu pennu gan y craidd yn unig. Ar y naill law, mae hyn yn gwella effeithlonrwydd cyplu pŵer y laser ffibr dynol, gan ganiatáu i'r golau pwmp basio trwy'r cladin mewnol sawl gwaith i gyffroi ïonau doped ar gyfer allyriadau laser; ar y llaw arall, mae ansawdd y trawst allbwn yn cael ei bennu gan natur y craidd ffibr, ac nid yw cyflwyno'r cladin mewnol yn dinistrio ansawdd trawst yr allbwn laser ffibr.
I ddechrau, roedd cladin mewnol ffibrau â chladin dwbl yn gymesur yn silindrog ac yn gymharol syml i'w gwneud ac yn hawdd eu cyplysu â pigtail y deuod laser pwmp (LD), ond arweiniodd ei gymesuredd perffaith at nifer fawr o belydrau troellog o olau pwmp yn y cladin mewnol na chyrhaeddodd y rhanbarth craidd erioed hyd yn oed ar ôl digon o adlewyrchiadau i gael ei amsugno gan y craidd, fel bod hyd yn oed gyda ffibrau hirach yn dal i fod llawer iawn o ollyngiadau ysgafn, gan ei gwneud hi'n anodd gwella effeithlonrwydd trosi. Am y rheswm hwn, rhaid torri cymesuredd silindrog y cladin mewnol.
Ffibrau grisial ffotonig
Mewn ffibrau dwbl arferol, mae geometreg y craidd yn pennu pŵer laser allbwn. Mae'r agorfa rifiadol yn pennu ansawdd trawst y laser allbwn. Oherwydd cyfyngiadau effeithiau aflinol, difrod optegol a mecanweithiau ffisegol eraill mewn ffibrau optegol, ni all un dull o gynyddu'r diamedr craidd fodloni'r galw am weithrediad un modd ar allbwn pŵer uchel mewn ffibrau cladin dwbl maes modd mawr. Mae ymddangosiad ffibrau arbennig, fel ffibrau grisial ffotonig (PCF), yn darparu ateb technegol effeithiol i'r her hon.
Cyflwynwyd y cysyniad o grisialau ffotonig gyntaf gan E. Yablonovitch ym 19871 fel strwythur cyfnodol gyda chysonion dielectrig gwahanol mewn un, dau neu dri dimensiwn sy'n caniatáu i olau luosogi yn y band dargludiad ffotonig ac yn gwahardd golau i luosogi yn y bwlch band ffotonig ( PBG). Mae PCFs yn grisialau ffotonig dau ddimensiwn, a elwir hefyd yn ffibrau microstrwythuredig neu ffibrau mandyllog, ac ym 1996 JC Knight et al. cynhyrchu'r PCFs cyntaf gyda mecanwaith arwain golau tebyg i'r un o ffibrau confensiynol gyda chyfanswm adlewyrchiad mewnol. Ar ôl 2005, dechreuodd dylunio a pharatoi PCFs maes modd mawr arallgyfeirio, gydag ymddangosiad siapiau amrywiol, gan gynnwys PCFs sianel sy'n gollwng, PCFs siâp gwialen, PCFs traw mawr a PCFs aml-graidd. Mae ardal maes modd y ffibr hefyd wedi parhau i gynyddu yn unol â hynny.
O ran ymddangosiad, mae PCFs yn debyg iawn i ffibrau un modd confensiynol, ond yn ficrosgopig maent yn arddangos strwythurau cyfres tyllau cymhleth. Y nodweddion strwythurol hyn sy'n rhoi manteision unigryw a digymar i PCFs dros ffibrau confensiynol, megis trosglwyddiad un modd di-dor, ardal maes modd mawr, gwasgariad tiwnadwy a cholled gyfyngol isel, a all oresgyn llawer o heriau laserau confensiynol. . Er enghraifft, gall PCF gyflawni gweithrediad un modd mewn maes maes modd mawr, tra'n sicrhau ansawdd trawst, gan leihau'n sylweddol y dwysedd pŵer laser yn y ffibr, lleihau effeithiau aflinol yn y ffibr a chynyddu trothwy difrod y ffibr; gall gyflawni agorfa rifiadol fawr, sy'n golygu y gellir cyflawni mwy o gyplu optegol pwmp ac allbwn laser pŵer uwch. Mae hyn wedi ei gwneud yn uchafbwynt ymchwil newydd mewn laserau ffibr, gan chwarae rhan gynyddol bwysig wrth gymhwyso laserau ffibr pŵer uchel.
Dyfeisio'r laser ffibr
Gelwir laserau sy'n defnyddio ffibrau optegol fel cyfrwng ennill laser yn laserau ffibr. Fel mathau eraill o laserau, mae'n cynnwys tair rhan: y cyfrwng ennill, y ffynhonnell pwmp a'r ceudod soniarus. Mae laserau ffibr yn defnyddio ffibr gweithredol gyda chraidd wedi'i ddopio ag elfennau daear prin fel cyfrwng ennill. Yn gyffredinol, defnyddir laser lled-ddargludyddion fel ffynhonnell y pwmp. Yn gyffredinol, mae'r ceudod soniarus yn cynnwys drychau adlewyrchol, arwynebau diwedd ffibr, drychau cylch ffibr neu gratiau ffibr.
Yn ôl nodweddion parth amser y laser ffibr, gellir ei rannu'n laser ffibr parhaus a laser ffibr pwls; yn ôl y strwythur ceudod soniarus, gellir ei rannu'n laser ffibr ceudod llinellol, laser ffibr adborth dosbarthu a laser ffibr ceudod cylch; yn ôl y ffibr ennill a'r gwahanol ddulliau pwmpio, gellir ei rannu'n laser ffibr cladin sengl (pwmpio craidd ffibr) a laser ffibr cladin dwbl (pwmpio cladin).
Ym 1961, darganfu Snitzer ymbelydredd laser mewn tonnau gwydr â dop neodymium (Nd). 1966, astudiodd Kao yn fanwl brif achosion gwanhau golau mewn ffibrau optegol a thynnodd sylw at y prif broblemau technegol y mae angen eu datrys ar gyfer cymhwyso ffibrau optegol yn ymarferol mewn cyfathrebiadau. 1970, datblygodd Corning yn UDA ffibrau optegol gyda gwanhad o lai na 20 dB / km, a osododd y sylfaen ar gyfer datblygu'r diwydiant cyfathrebu optegol ac optoelectroneg. Gosododd hyn y sylfaen ar gyfer datblygiad y diwydiannau cyfathrebu optegol ac optoelectroneg. Yn y 1970au a'r 1980au, roedd aeddfedu a masnacheiddio technoleg laser lled-ddargludyddion yn darparu ffynhonnell pwmp dibynadwy ac amrywiol ar gyfer datblygu laserau ffibr. Ar yr un pryd, mae datblygiad dull dyddodiad anwedd cemegol yn lleihau colled trosglwyddo ffibr optig yn barhaus. Mae laserau ffibr hefyd yn datblygu'n gyflym i gyfeiriad arallgyfeirio, gyda ffibrau wedi'u dopio ag amrywiaeth o elfennau daear prin, megis erbium (Er3 plus), ytterbium (Yb3 plus), neodymium (Nd3 plus), samarium (Sm 3 plus ), thulium (Tm3 plus ), holmium (Ho3 plus ), praseodymium (Pr3 plus ), dysprosium (Dy3 plus ), bismuth (Bi3 plus ) ac yn y blaen. Yn dibynnu ar yr ïonau doped, gellir cyflawni tonfeddi gwahanol o allbwn laser. Er mwyn bodloni gofynion gwahanol geisiadau.
Nodweddion laserau ffibr pŵer uchel
Mae manteision laserau ffibr pŵer uchel fel a ganlyn.
(1) Ansawdd trawst da. Mae strwythur waveguide y ffibr optegol yn ei gwneud hi'n hawdd cael allbwn modd trawsbynciol sengl, ac mae dylanwad ffactorau allanol yn fach iawn, er mwyn cyflawni allbwn laser disgleirdeb uchel.
(2) Effeithlonrwydd uchel. Laser ffibr drwy ddewis y tonfedd allyriadau a doped rare earth elfennau amsugno nodweddion y laser lled-ddargludyddion ar gyfer y ffynhonnell pwmp, gallwch gyflawni golau uchel iawn ac effeithlonrwydd trosi golau. Ar gyfer laserau ffibr pŵer uchel doped ytterbium, yn gyffredinol yn dewis laserau lled-ddargludyddion 915nm neu 975nm, oherwydd y strwythur lefel ynni syml o Yb3 plus , upconversion, amsugno cyflwr llawn cyffro a byrstio crynodiad yn llai tebygol o ddigwydd, mae bywyd fflworoleuedd yn hirach a gall storio ynni yn effeithiol. ar gyfer gweithrediad pŵer uchel. Mae effeithlonrwydd electro-optegol cyffredinol laserau ffibr masnachol mor uchel â 25 y cant, sy'n ffafriol i leihau costau, arbed ynni a diogelu'r amgylchedd.
(3) Nodweddion afradu gwres da. Mae laserau ffibr yn cael eu defnyddio fel cyfrwng cynnydd laser gan ddefnyddio ffibr dop elfen ddaear prin, tenau gyda chymhareb arwynebedd arwyneb i gyfaint mawr iawn. Tua 1000 gwaith y laser bloc solet, o ran gallu afradu gwres wedi fantais naturiol. Nid oes angen oeri'r ffibr yn arbennig ar gyfer achosion pŵer isel a chanolig, a defnyddir oeri dŵr ar gyfer achosion pŵer uchel, sydd hefyd yn effeithiol yn osgoi dirywiad ansawdd ac effeithlonrwydd trawst oherwydd effeithiau thermol a geir yn gyffredin mewn laserau cyflwr solet.
(4) Strwythur compact, dibynadwyedd uchel. Gan fod y laser ffibr yn defnyddio ffibr bach a hyblyg fel cyfrwng ennill laser, mae'n helpu i gywasgu'r cyfaint ac arbed costau. Defnyddir ffynhonnell pwmp hefyd mewn laserau lled-ddargludyddion maint bach, hawdd eu modiwlaidd, mae cynhyrchion masnachol ar gael yn gyffredinol gydag allbwn pigtail, ynghyd â gratio Bragg ffibr a dyfeisiau ffibr optig eraill, cyn belled â bod y dyfeisiau hyn yn cael eu hasio i'w gilydd i gyflawni ffibr llawn, gall imiwnedd i aflonyddwch amgylcheddol, gyda sefydlogrwydd uchel, arbed amser a chostau cynnal a chadw.
Mae gan laserau ffibr pŵer uchel hefyd anfanteision sy'n anodd eu goresgyn: un yw'r bregusrwydd i effeithiau aflinol. Mae gan laserau ffibr hyd effeithiol hir a throthwy isel ar gyfer effeithiau aflinol amrywiol oherwydd geometreg eu canllawiau tonnau. Gall rhai effeithiau aflinol niweidiol fel gwasgariad Raman cyffrous (SRS), modiwleiddio hunan-gam (SPM), ac ati achosi amrywiadau cyfnod a throsglwyddo ynni ar y sbectrwm, neu hyd yn oed niwed i'r system laser, gan gyfyngu ar ddatblygiad ffibr pŵer uchel laserau. Yr ail yw effaith tywyllu ffoton. Gyda'r cynnydd yn yr amser pwmpio, gall effaith tywyllu ffoton arwain at grynodiad dopio uchel o effeithlonrwydd trosi pŵer ffibr wedi'i dopio gan elfennau daear prin dirywiad undonog anghildroadwy, gan gyfyngu ar sefydlogrwydd hirdymor a bywyd gwasanaeth laserau ffibr pŵer uchel, sy'n arbennig o amlwg mewn laserau ffibr pŵer uchel wedi'u dopio gan ytterbium.
Gyda datblygiad laserau lled-ddargludyddion ffibr-cyplu disgleirdeb uchel a thechnoleg ffibr dwbl-clad, mae'r pŵer allbwn, effeithlonrwydd trosi optegol-i-optegol ac ansawdd trawst laserau ffibr pŵer uchel wedi datblygu'n sylweddol. Yn y prosesu diwydiannol, arfau ynni cyfeirio, telemetreg ystod hir, LIDAR a chymwysiadau eraill o tyniant galw enfawr, i'r Unol Daleithiau Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) a'r Almaen Tong Express Group, yn bennaf unedau ymchwil ar don barhaus, tonnau pwls high-power laser ffibr ymchwil a datblygu, lansiodd llinellau cynnyrch cyfoethog. Mae canlyniadau cyffrous hefyd wedi cael eu hadrodd gan nifer o unedau yn Tsieina, gan gynnwys Prifysgol Tsinghua, Prifysgol Genedlaethol Technoleg Amddiffyn, Sefydliad Opteg a Pheirianwaith Manwl Shanghai Academi Gwyddorau Tsieineaidd a Phedwerydd Sefydliad Ymchwil Gwyddoniaeth Awyrofod Tsieina a Corfforaeth Diwydiant.
Technoleg gwella pŵer laser ffibr
Oherwydd yr effeithiau aflinol yn y laser ffibr, effeithiau thermol a chyfyngiadau trothwy difrod materol, mae pŵer allbwn un laser ffibr wedi'i gyfyngu i raddau, ac wrth i'r pŵer gynyddu, mae ansawdd y trawst yn gostwng yn raddol, sy'n gofyn am y defnydd o dechnoleg rheoli modd a dyluniad strwythur arbennig o'r ffibr newydd i wella ansawdd y trawst. Yn ddamcaniaethol, dadansoddodd Dawson (JW Dawson) et al derfyn pŵer allbwn ffibr sengl a chyfrifodd y gall un ffibr mewn laserau ffibr band eang gael pŵer uchaf o 36 kW ger allbwn laser terfyn diffreithiant, tra ar gyfer laserau ffibr llinellolth cul, yr uchafswm pŵer yw 2 kW. Er mwyn gwella pŵer allbwn y laser ffibr a'r mwyhadur ymhellach, mae synthesis pŵer laserau ffibr lluosog trwy dechnoleg synthesis cydlynol yn ddull effeithiol. Mae wedi dod yn fan poeth ymchwil rhyngwladol yn y blynyddoedd diwethaf.
Cyflawnir synthesis cydlynol trwy reoli cyfnod, amlder a polareiddio pob trawst laser gyda chysondeb penodol, fel ei fod yn cwrdd â'r amod cydlyniad a chael allbwn clo cam homogenaidd, a all gael dwyster brig llawer uwch na dim ond anghydlynol. arosod a chynnal ansawdd trawst da. Mae hanes datblygiad technoleg synthesis cydlynol bron mor hir â hanes laserau eu hunain, ac mae'n cynnwys gwahanol fathau o laserau nwy, laserau cemegol, laserau lled-ddargludyddion, laserau cyflwr solet, ac ati Fodd bynnag, oherwydd anaeddfedrwydd dyfeisiau amrywiol yn y dyddiau cynnar, nid oedd y canlyniadau arbrofol a gyflawnwyd gan dechnoleg synthesis cydlynol yn torri trwy bŵer allbwn uchaf y laser un-cyswllt cyfatebol bryd hynny, felly nid oedd yr effaith yn amlwg iawn. O'r 1990au ymlaen, arweiniodd dyfodiad laserau ffibr at ddatblygiad cyflym o dechnegau synthesis cydlynol. Yn ogystal â manteision unigryw laserau ffibr a'r angen am ddefnydd tactegol o gannoedd o gilowat, mae sawl dyfais (hy cyplyddion côn ffibr, ffibrau aml-graidd, modulatyddion cyfnod gyda pigtails a symudwyr amlder acwsto-optegol, ac ati) wedi chwarae a rôl hanfodol wrth gyflwyno cyfathrebiadau ffibr optig yn fasnachol. Mae cyplyddion côn ffibr a ffibrau amlgraidd yn hwyluso rheolaeth cyfnod goddefol yn seiliedig ar gyplu chwistrelliad ynni laser a chyplu tonnau cyflym, tra bod modulatyddion cam gyda pigtails a symudwyr amledd acwsto-optegol yn galluogi rheolaeth cyfnod gweithredol gyda lled band rheoli megahertz, y gellir ei ddefnyddio i reoli amrywiadau cyfnod yn amodau pŵer uchel a chyflawni allbynnau wedi'u cloi fesul cam. Mae ymchwilwyr wedi cynnig nifer o gynlluniau synthesis cydlynol nodedig.
Mae synthesis sbectrol yn dechneg synthesis anghydlynol sy'n defnyddio un neu fwy o gratiau diffreithiant i ddifreithio is-belydrau lluosog i'r un agorfa, gan arwain at allbwn agorfa sengl gydag ansawdd trawst da. Gall synthesis sbectrol laserau ffibr wneud defnydd llawn o'r lled band cynnydd eang o laserau ffibr doped Yb i wneud iawn am bŵer allbwn cyfyngedig laser ffibr sengl.
