Laser sợi quang là gì?
Sợi quang là viết tắt của sợi quang và thường là một ống dẫn sóng hình trụ cho sóng ánh sáng. Nó sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần để giới hạn sóng ánh sáng trong lõi và dẫn chúng theo hướng của trục sợi quang. Thay thế dây đồng bằng thủy tinh thạch anh đã thay đổi thế giới.
Là một phương tiện để dẫn sóng ánh sáng, sợi quang được sử dụng rộng rãi từ năm 1966 khi được Charles Kao giới thiệu, nhờ khả năng truyền thông cao, khả năng chống nhiễu cao, suy hao truyền dẫn thấp, khoảng cách chuyển tiếp xa, tính bảo mật tốt, khả năng thích ứng, kích thước nhỏ , trọng lượng nhẹ và nguồn nguyên liệu dồi dào. Được mệnh danh là "cha đẻ của sợi quang học", Kao đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2009 cho công trình của mình. Với sự hoàn thiện và tính thực tế ngày càng tăng của sợi quang, nó đã cách mạng hóa ngành viễn thông và thay thế phần lớn dây đồng làm thành phần cốt lõi của truyền thông hiện đại.
Hệ thống thông tin liên lạc sợi quang là một hệ thống thông tin liên lạc sử dụng ánh sáng làm chất mang thông tin và sợi quang làm phương tiện dẫn sóng. Khi sợi quang truyền thông tin, tín hiệu điện được chuyển đổi thành tín hiệu quang, tín hiệu này sau đó được truyền bên trong sợi quang. Là một công nghệ truyền thông mới nổi, truyền thông cáp quang ngay từ đầu đã thể hiện ưu thế vô song và đã thu hút được sự quan tâm lớn cũng như sự chú ý rộng rãi. Việc sử dụng rộng rãi sợi quang trong thông tin liên lạc cũng đã góp phần vào sự phát triển nhanh chóng của bộ khuếch đại sợi quang và laser sợi quang cùng một lúc . Ngoài thông tin liên lạc, hệ thống cáp quang cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng trong y học, cảm biến và các lĩnh vực khác.
Sợi quang
Môi trường khuếch đại của laser sợi quang là sợi quang hoạt động. Theo cấu trúc của nó có thể được chia thành sợi đơn mode, sợi đôi và sợi tinh thể quang tử ba.
Sợi quang đơn mode bao gồm lõi, lớp phủ và lớp phủ, trong đó chiết suất của vật liệu lõi n1, cao hơn chiết suất vật liệu lớp phủ n2, khi góc tới của ánh sáng tới lớn hơn góc tới của ánh sáng tới hình ảnh góc tới hạn, chùm ánh sáng trong lõi phát xạ đầy đủ, do đó sợi quang có thể được liên kết với chùm ánh sáng trong quá trình truyền lõi. Lớp vỏ bên trong của các sợi quang đơn mode không thể đóng vai trò hạn chế đối với ánh sáng bơm đa chế độ và khẩu độ số của lõi thấp, do đó, chỉ có thể sử dụng khớp nối ánh sáng bơm đơn chế độ vào lõi để thu được đầu ra laze. Các laser sợi quang ban đầu sử dụng sợi quang đơn mode này, dẫn đến hiệu suất ghép thấp và các laser có công suất đầu ra trong phạm vi milliwatt.
Sợi kép
Để khắc phục những hạn chế của sợi đơn chế độ, pha tạp ytterbium (Yb3 plus ) thông thường về hiệu suất chuyển đổi và công suất đầu ra, Maurer (R. Maurer) lần đầu tiên đề xuất khái niệm về sợi phủ kép vào năm 1974 . Kể từ đó, mãi đến năm 1988, khi E. Snitzer và những người khác đề xuất công nghệ bơm lớp phủ [3], thì các bộ khuếch đại/laser sợi quang pha tạp Yb công suất cao mới được phát triển nhanh chóng.
Sợi quang hai lớp là sợi quang có cấu trúc đặc biệt bổ sung thêm lớp bọc bên trong sợi thông thường, bao gồm lớp phủ, lớp bọc bên trong, lớp bọc bên ngoài và lõi sợi pha tạp. Công nghệ bơm lớp vỏ dựa trên sợi quang hai lớp, lõi của nó cho phép ánh sáng bơm đa chế độ được truyền vào lớp vỏ bên trong và ánh sáng laser được truyền vào lõi, cho phép hiệu suất chuyển đổi bơm và công suất đầu ra của laser sợi quang được cải thiện rất nhiều. Cấu trúc của sợi quang hai lớp, hình dạng của lớp vỏ bên trong và phương pháp ghép ánh sáng bơm là chìa khóa của công nghệ này.
Lõi của sợi quang hai lớp bao gồm silicon dioxide (SiO2) pha tạp với các nguyên tố đất hiếm, vừa là môi trường laser vừa là kênh truyền tín hiệu laser trong laser sợi quang, tương ứng với bước sóng làm việc. Kích thước ngang (gấp hàng chục lần đường kính của lõi thông thường) và khẩu độ số của lớp phủ bên trong lớn hơn nhiều so với lõi và chỉ số khúc xạ nhỏ hơn so với lõi, điều này hạn chế hoàn toàn sự lan truyền của ánh sáng laser bên trong lõi. Điều này tạo ra một ống dẫn sóng quang có khẩu độ số lớn, mặt cắt ngang lớn giữa lõi và lớp vỏ ngoài, cho phép khẩu độ số lớn, mặt cắt ngang lớn và ánh sáng được bơm công suất cao đa chế độ được ghép vào sợi quang và hạn chế truyền bên trong. lớp bọc bên trong không khuếch tán, tạo điều kiện thuận lợi cho việc duy trì bơm quang mật độ công suất cao. Lớp phủ bên ngoài bao gồm vật liệu polyme có chiết suất nhỏ hơn lớp phủ bên trong; lớp ngoài cùng là lớp bảo vệ bao gồm vật liệu hữu cơ. Diện tích khớp nối của sợi quang có lớp phủ kép với ánh sáng được bơm được xác định bởi kích thước của lớp phủ bên trong, không giống như sợi quang đơn mode thông thường chỉ được xác định bởi lõi. Một mặt, điều này cải thiện hiệu quả ghép nối năng lượng của laser sợi quang của con người, cho phép ánh sáng bơm đi qua lớp vỏ bên trong nhiều lần để kích thích các ion pha tạp để phát xạ laser; mặt khác, chất lượng chùm tia đầu ra được xác định bởi bản chất của lõi sợi quang và việc đưa lớp bọc bên trong vào không làm hỏng chất lượng chùm tia của đầu ra laser sợi quang.
Ban đầu, lớp bọc bên trong của các sợi hai lớp đối xứng theo hình trụ và tương đối đơn giản để chế tạo và dễ ghép với đuôi lợn của đi-ốt laser bơm (LD), nhưng tính đối xứng hoàn hảo của nó dẫn đến một số lượng lớn các tia sáng bơm xoắn ốc trong lớp vỏ bên trong không bao giờ đến được vùng lõi ngay cả sau khi có đủ phản xạ để lõi hấp thụ, do đó, ngay cả với sợi thậm chí dài hơn, vẫn có một lượng lớn rò rỉ ánh sáng, gây khó khăn cho việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi. Vì lý do này, tính đối xứng hình trụ của lớp phủ bên trong phải bị phá vỡ.
Sợi tinh thể quang tử
Trong sợi quang kép thông thường, hình dạng của lõi xác định công suất laser đầu ra. Khẩu độ số xác định chất lượng chùm tia laser đầu ra. Do những hạn chế về hiệu ứng phi tuyến tính, hư hỏng quang học và các cơ chế vật lý khác trong sợi quang, một phương pháp tăng đường kính lõi đơn lẻ không thể đáp ứng nhu cầu vận hành chế độ đơn ở công suất đầu ra cao trong sợi quang có lớp phủ kép trường chế độ lớn. Sự xuất hiện của các loại sợi đặc biệt, chẳng hạn như sợi tinh thể quang tử (PCF), cung cấp một giải pháp kỹ thuật hiệu quả cho thách thức này.
Khái niệm về tinh thể quang tử được E. Yablonovitch đưa ra lần đầu tiên vào năm 19871 như một cấu trúc tuần hoàn với các hằng số điện môi khác nhau trong một, hai hoặc ba chiều cho phép ánh sáng truyền trong dải dẫn quang tử và cấm ánh sáng truyền trong vùng cấm quang tử ( PBG). PCF là các tinh thể quang tử hai chiều, còn được gọi là sợi vi cấu trúc hoặc sợi xốp, và vào năm 1996, JC Knight et al. đã tạo ra các PCF đầu tiên có cơ chế dẫn ánh sáng tương tự như cơ chế của các sợi thông thường với phản xạ toàn phần bên trong. Sau năm 2005, việc thiết kế và chuẩn bị các PCF trường chế độ lớn bắt đầu đa dạng hóa, với sự xuất hiện của nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm PCF kênh rò rỉ, PCF hình que, PCF bước lớn và PCF đa lõi. Diện tích trường mode của sợi quang cũng tiếp tục tăng tương ứng.
Về ngoại hình, PCF rất giống với các sợi đơn mode thông thường, nhưng về mặt hiển vi, chúng thể hiện các cấu trúc mảng lỗ phức tạp. Chính những đặc điểm cấu trúc này mang lại cho PCF những lợi thế độc đáo và chưa từng có so với các sợi thông thường, chẳng hạn như truyền dẫn chế độ đơn không bị cắt, diện tích trường chế độ lớn, tán sắc có thể điều chỉnh và suy hao giới hạn thấp, có thể vượt qua nhiều thách thức của laser thông thường . Ví dụ, PCF có thể đạt được hoạt động một chế độ trong khu vực trường chế độ lớn, đồng thời đảm bảo chất lượng chùm tia, giảm đáng kể mật độ năng lượng laser trong sợi quang, giảm hiệu ứng phi tuyến tính trong sợi quang và tăng ngưỡng sát thương của sợi quang; nó có thể đạt được khẩu độ số lớn, có nghĩa là có thể đạt được nhiều khớp nối quang bơm hơn và có thể đạt được công suất laser cao hơn. Điều này đã làm cho nó trở thành một điểm sáng nghiên cứu mới trong laser sợi quang, đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc ứng dụng laser sợi quang công suất cao.
Sự ra đời của laser sợi quang
Laser sử dụng sợi quang làm phương tiện khuếch đại laser được gọi là laser sợi quang. Giống như các loại laser khác, nó bao gồm ba phần: môi trường khuếch đại, nguồn bơm và khoang cộng hưởng. laser sợi quang sử dụng sợi quang hoạt động có lõi pha tạp các nguyên tố đất hiếm làm môi trường khuếch đại. Laser bán dẫn thường được sử dụng làm nguồn bơm. Khoang cộng hưởng thường bao gồm các gương phản chiếu, bề mặt đầu sợi, gương vòng sợi hoặc lưới sợi.
Theo đặc điểm miền thời gian của laser sợi quang, nó có thể được chia thành laser sợi quang liên tục và laser sợi quang xung; theo cấu trúc khoang cộng hưởng, nó có thể được chia thành laser sợi quang khoang tuyến tính, laser sợi quang phản hồi phân tán và laser sợi quang khoang vòng; theo sợi khuếch đại và các phương pháp bơm khác nhau, nó có thể được chia thành laser sợi quang bọc đơn (bơm lõi sợi quang) và laser sợi quang bọc kép (bơm vỏ bọc).
Năm 1961, Snitzer phát hiện ra bức xạ laze trong ống dẫn sóng thủy tinh pha tạp neodymium (Nd). Năm 1966, Kao nghiên cứu chi tiết các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao ánh sáng trong sợi quang và chỉ ra các vấn đề kỹ thuật chính cần giải quyết để ứng dụng thực tế của sợi quang trong thông tin liên lạc. Năm 1970, Corning ở Hoa Kỳ đã phát triển sợi quang có độ suy giảm dưới 20 dB/km, đặt nền móng cho sự phát triển của ngành truyền thông quang học và quang điện tử. Điều này đã đặt nền móng cho sự phát triển của ngành truyền thông quang học và quang điện tử. Trong những năm 1970 và 1980, sự trưởng thành và thương mại hóa của công nghệ laser bán dẫn đã cung cấp một nguồn bơm đa dạng và đáng tin cậy cho sự phát triển của laser sợi quang. Đồng thời, sự phát triển của phương pháp lắng đọng hơi hóa học làm cho tổn thất truyền dẫn của sợi quang liên tục giảm. Laser sợi quang cũng đang phát triển nhanh chóng theo hướng đa dạng hóa, với các sợi được pha tạp nhiều loại nguyên tố đất hiếm, chẳng hạn như erbium (Er3 plus ), ytterbium (Yb3 plus ), neodymium (Nd3 plus ), samarium (Sm 3 plus ), thulium (Tm3 plus ), holmi (Ho3 plus ), praseodymium (Pr3 plus ), dysprosi (Dy3 plus ), bismuth (Bi3 plus ), v.v. Tùy thuộc vào các ion được pha tạp, có thể đạt được các bước sóng khác nhau của đầu ra laser. Để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng khác nhau.
Các tính năng của laser sợi quang công suất cao
Ưu điểm của laser sợi quang công suất cao như sau.
(1) Chất lượng chùm tia tốt. Cấu trúc ống dẫn sóng của sợi quang giúp dễ dàng thu được một đầu ra chế độ ngang duy nhất và ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài là rất nhỏ, để đạt được đầu ra laser có độ sáng cao.
(2) Hiệu quả cao. Laser sợi quang bằng cách chọn bước sóng phát xạ và đặc tính hấp thụ các nguyên tố đất hiếm pha tạp của laser bán dẫn cho nguồn bơm, bạn có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành ánh sáng rất cao. Đối với laser sợi quang công suất cao pha tạp ytterbium, thường chọn laser bán dẫn 915nm hoặc 975nm, do cấu trúc mức năng lượng đơn giản của Yb3 plus, chuyển đổi ngược, hấp thụ trạng thái kích thích và bùng nổ nồng độ ít xảy ra hơn, tuổi thọ huỳnh quang dài hơn và có thể lưu trữ năng lượng hiệu quả cho hoạt động công suất cao. Hiệu suất quang điện tổng thể của laser sợi quang thương mại cao tới 25 phần trăm, điều này có lợi cho việc giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
(3) Đặc tính tản nhiệt tốt. Laser sợi quang được sử dụng làm môi trường khuếch đại laser bằng cách sử dụng sợi pha tạp nguyên tố đất hiếm, mỏng với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất lớn. Khoảng 1000 lần so với laser khối rắn, về khả năng tản nhiệt có lợi thế tự nhiên. Không cần làm mát sợi quang đặc biệt đối với các trường hợp công suất thấp và trung bình, đồng thời làm mát bằng nước được sử dụng cho các trường hợp công suất cao, điều này cũng giúp tránh hiệu quả sự suy giảm chất lượng và hiệu quả của chùm tia do hiệu ứng nhiệt thường thấy trong laser trạng thái rắn.
(4) Cấu trúc nhỏ gọn, độ tin cậy cao. Vì laser sợi quang sử dụng một sợi nhỏ và linh hoạt làm phương tiện khuếch đại laser, nó giúp nén âm lượng và tiết kiệm chi phí. Nguồn bơm cũng được sử dụng ở kích thước nhỏ, dễ mô-đun hóa laser bán dẫn, các sản phẩm thương mại thường có đầu ra đuôi lợn, kết hợp với cách tử sợi Bragg và các thiết bị sợi quang khác, miễn là các thiết bị này được hợp nhất với nhau để đạt được toàn bộ sợi quang, khả năng miễn nhiễm với các xáo trộn của môi trường, có độ ổn định cao, có thể tiết kiệm thời gian và chi phí bảo trì.
Laser sợi quang công suất cao cũng có những nhược điểm khó khắc phục: một là dễ bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng phi tuyến tính. Laser sợi quang có chiều dài hiệu dụng dài và ngưỡng thấp đối với các hiệu ứng phi tuyến tính khác nhau do hình dạng của ống dẫn sóng của chúng. Một số hiệu ứng phi tuyến có hại như tán xạ Raman kích thích (SRS), tự điều biến pha (SPM)... có thể gây dao động pha và truyền năng lượng trên phổ, thậm chí làm hỏng hệ thống laser, hạn chế sự phát triển của sợi quang công suất cao. laze. Thứ hai là hiệu ứng làm tối photon. Với sự gia tăng thời gian bơm, hiệu ứng làm tối photon có thể dẫn đến nồng độ pha tạp cao của hiệu suất chuyển đổi năng lượng sợi pha tạp nguyên tố đất hiếm giảm một cách đơn điệu không thể đảo ngược, hạn chế độ ổn định lâu dài và tuổi thọ của laser sợi quang công suất cao, điều này đặc biệt rõ ràng trong laser sợi quang công suất cao pha tạp ytterbium.
Với sự tiến bộ của laser bán dẫn kết hợp sợi quang độ sáng cao và công nghệ sợi quang hai lớp, công suất đầu ra, hiệu suất chuyển đổi quang-quang và chất lượng chùm tia của laser sợi quang công suất cao đã phát triển đáng kể. Trong chế biến công nghiệp, vũ khí năng lượng định hướng, đo từ xa tầm xa, LIDAR và các ứng dụng khác có lực kéo nhu cầu rất lớn, chủ yếu là đối với Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) và Tong Express Group của Đức. các đơn vị nghiên cứu về nghiên cứu và phát triển laser sợi quang công suất cao sóng liên tục, sóng xung, cho ra đời nhiều dòng sản phẩm phong phú. Kết quả thú vị cũng đã được báo cáo bởi một số đơn vị ở Trung Quốc, bao gồm Đại học Thanh Hoa, Đại học Công nghệ Quốc phòng, Viện Quang học và Máy móc Chính xác Thượng Hải thuộc Viện Khoa học Trung Quốc và Viện Nghiên cứu thứ tư của Khoa học Vũ trụ và Khoa học Hàng không Trung Quốc. Tổng công ty Công nghiệp.
Công nghệ tăng cường năng lượng laser sợi quang
Do các hiệu ứng phi tuyến tính trong laser sợi quang, hiệu ứng nhiệt và giới hạn ngưỡng thiệt hại vật chất, công suất đầu ra của một laser sợi quang bị giới hạn ở một mức độ nhất định và khi công suất tăng lên, chất lượng chùm tia giảm dần, yêu cầu sử dụng của công nghệ điều khiển chế độ và thiết kế cấu trúc đặc biệt của sợi quang mới để cải thiện chất lượng chùm tia. Dawson (JW Dawson) và cộng sự đã phân tích về mặt lý thuyết giới hạn công suất đầu ra của một sợi quang và tính toán rằng trong laser sợi quang băng thông rộng, một sợi quang đơn lẻ có thể thu được công suất tối đa là 36 kW gần đầu ra laser giới hạn nhiễu xạ, trong khi đối với laser sợi quang băng thông hẹp, công suất tối đa công suất là 2 kW. Để nâng cao hơn nữa công suất đầu ra của laser sợi quang và bộ khuếch đại, tổng hợp năng lượng của nhiều laser sợi quang bằng công nghệ tổng hợp kết hợp là một phương pháp hiệu quả. Nó đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu quốc tế trong những năm gần đây.
Quá trình tổng hợp kết hợp đạt được bằng cách kiểm soát pha, tần số và độ phân cực của từng chùm tia laser với độ nhất quán nhất định, để nó đáp ứng điều kiện kết hợp và thu được đầu ra khóa pha đồng nhất, có thể thu được cường độ cực đại cao hơn nhiều so với không kết hợp đơn giản chồng chất và duy trì chất lượng chùm tia tốt. Lịch sử phát triển của công nghệ tổng hợp mạch lạc cũng dài gần bằng lịch sử của bản thân laser và liên quan đến nhiều loại laser khí, laser hóa học, laser bán dẫn, laser trạng thái rắn, v.v. Tuy nhiên, do sự non nớt của các thiết bị khác nhau trong những ngày đầu, kết quả thử nghiệm đạt được bằng công nghệ tổng hợp kết hợp không vượt qua công suất đầu ra tối đa của laser đơn liên kết tương ứng vào thời điểm đó, vì vậy hiệu quả không rõ ràng lắm. Từ những năm 1990 trở đi, sự ra đời của laser sợi quang đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của các kỹ thuật tổng hợp mạch lạc. Ngoài những ưu điểm độc đáo của laser sợi quang và nhu cầu sử dụng chiến thuật hàng trăm kilowatt, một số thiết bị (tức là bộ ghép hình nón sợi quang, sợi đa lõi, bộ điều biến pha có bím tóc và bộ chuyển đổi tần số quang âm, v.v.) đã đóng một vai trò quan trọng. vai trò quan trọng trong việc triển khai thương mại thông tin liên lạc sợi quang. Bộ ghép sợi hình nón và sợi đa lõi hỗ trợ điều khiển pha thụ động dựa trên khớp nối phun năng lượng laze và khớp nối sóng nhanh, trong khi bộ điều biến pha có bím tóc và bộ dịch tần quang âm cho phép điều khiển pha chủ động với băng thông điều khiển megahertz, có thể được sử dụng để điều khiển dao động pha ở điều kiện công suất cao và đạt được đầu ra khóa pha. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số sơ đồ tổng hợp mạch lạc đặc biệt.
Tổng hợp quang phổ là một kỹ thuật tổng hợp không kết hợp sử dụng một hoặc nhiều cách tử nhiễu xạ để nhiễu xạ nhiều chùm tia phụ vào cùng một khẩu độ, dẫn đến đầu ra một khẩu độ với chất lượng chùm tia tốt. Sự tổng hợp quang phổ của laser sợi quang có thể tận dụng tối đa băng thông khuếch đại rộng của laser sợi quang pha tạp Yb để bù cho công suất đầu ra hạn chế của một laser sợi quang.
