Що таке волоконний лазер?

Визначення: лазер, який використовує леговане волокно як середовище підсилення, або лазер, лазерний резонатор якого в основному складається з волокна.

Волоконні лазери зазвичай відносяться до лазерів, які використовують волокно як підсилювальне середовище, хоча деякі лазери, які використовують напівпровідникові підсилювальні середовища (напівпровідникові оптичні підсилювачі) і волоконні резонатори, також можна назвати волоконними лазерами (або напівпровідниковими оптичними лазерами). Крім того, деякі інші типи лазерів (наприклад, волоконно-зв'язані напівпровідникові діоди) і волоконні підсилювачі також називають волоконними лазерами (або волоконними лазерними системами).

У більшості випадків підсилювальним середовищем є волокно, леговане рідкоземельними іонами, наприклад, ербієве (Er3+), ітербієве (Yb3+), торієве (Tm3+) або празеодимієве (Pr3+), і потрібен один або більше волоконних лазерних діодів. для накачування. Хоча середовище підсилення волоконних лазерів подібне до середовища твердотільних об’ємних лазерів, ефект хвилеводу та мала ефективна площа моди призводять до лазерів з іншими властивостями. Наприклад, вони зазвичай мають високий лазерний підсилення і великі втрати в резонаторі. Див. записи волоконний лазер і масовий лазер.

Фігура 1

Волоконний лазерний резонатор

Щоб отримати лазерний резонатор з використанням оптичного волокна, можна використовувати ряд відбивачів для формування лінійного резонатора або для створення волоконно-кільцевого лазера. У лінійному оптичному лазерному резонаторі можуть використовуватися різні типи відбивачів:

малюнок 2

1. У лабораторних установках звичайні дихроїчні дзеркала можна використовувати на кінцях перпендикулярно сколених волокон, як показано на малюнку 1. Однак це рішення не можна використовувати у великомасштабному виробництві та не є довговічним.

2. Відбиття Френеля на кінці голого волокна є достатнім, щоб служити вихідним сполучником для волоконного лазера. На рисунку 2 показаний приклад.

3. Діелектричні покриття також можна наносити безпосередньо на кінці волокна, як правило, шляхом випаровування. Такі покриття можуть досягти високої відбивної здатності в широкому діапазоні.

4. У комерційних продуктах зазвичай використовуються волокнисті бреггівські решітки, які можуть бути виготовлені безпосередньо з легованих волокон або шляхом з’єднання нелегованих волокон з активними волокнами. На малюнку 3 показано розподілений бреггівський рефлекторний лазер (лазер DBR), який містить дві волоконні решітки. Існує також лазер із розподіленим зворотним зв’язком із ґраткою в легованому волокні та фазовим зсувом між ними.

5. Якщо світло, випромінюване волокном, колімується лінзою та відбивається назад дихроїчним дзеркалом, можна досягти кращого керування потужністю. Світло, яке отримує дзеркало, матиме значно меншу інтенсивність через більшу площу променя. Однак невеликі зсуви можуть спричинити значні втрати від відбиття, а додаткові відбиття Френеля на торцевих гранях волокна можуть спричинити ефекти фільтра. Останнє можна придушити за допомогою сколених під кутом кінців волокна, але це призводить до втрат, залежних від довжини хвилі.

6. Також можна сформувати оптичний петлевий відбивач, використовуючи волоконний з’єднувач і пасивні волокна.

Більшість оптичних лазерів накачується одним або кількома оптоволоконними напівпровідниковими лазерами. Світло накачки підключається безпосередньо до серцевини волокна або з високою потужністю в оболонку накачки (див. волокна з подвійною оболонкою), які будуть детально розглянуті нижче.

Існує багато типів волоконних лазерів, деякі з яких описано нижче.

Існує багато типів волоконних лазерів, деякі з яких описано нижче.

Волоконні лазери високої потужності

Спочатку волоконні лазери могли досягти вихідної потужності лише в кілька міліват. Сьогодні потужні волоконні лазери можуть досягати вихідної потужності в кілька сотень ват, а іноді навіть кілька кіловат від одномодового волокна. Це досягається за рахунок збільшення співвідношення сторін і хвилеводних ефектів, які дозволяють уникнути термооптичних ефектів.

Додаткову інформацію див. у розділі «Потужні волоконні лазери та підсилювачі».

Волоконні лазери з підвищенням частоти перетворення

Волоконні лазери особливо підходять для реалізації лазерів з підвищенням частоти, які зазвичай працюють на відносно рідкісних лазерних переходах і потребують дуже високої інтенсивності накачування. У волоконних лазерах високі інтенсивності накачки можна підтримувати на великих відстанях, так що отримана ефективність підсилення легко досягається для переходів з дуже низьким підсиленням.

У більшості випадків кремнеземні волокна не підходять для волоконних лазерів з підвищенням частоти, оскільки механізм підвищення потребує тривалого часу життя проміжного стану на рівні електронної енергії, який зазвичай дуже малий у кремнеземних волокнах через високу фононну енергію (див. багатофотонні переходи). Тому зазвичай використовуються деякі волокна з фторидом важких металів, такі як ZBLAN (фторцирконат) з низькою фононною енергією.

Найбільш часто використовуваними волоконними лазерами з підвищенням перетворення є торієві волокна для синього світла, празеодимові лазери (іноді з ітербієм) для червоного, оранжевого, зеленого або синього світла та ербієві лазери для тріоду.

Вузьколінійні волоконні лазери

Волоконні лазери можуть працювати тільки в одному поздовжньому режимі (див. одночастотний лазер, одномодовий режим роботи) з дуже вузькою шириною лінії в кілька кілогерц або навіть менше 1 кГц. Для довготривалої стабільної одночастотної роботи та без додаткових вимог після врахування стабільності температури лазерний резонатор має бути коротким (наприклад, 5 см), хоча, в принципі, чим довше резонатор, тим нижчий фазовий шум і вужчий резонатор. ширина лінії. Кінець волокна містить вузькосмугову волоконну бреггівську решітку (див. розподілений рефлекторний лазер Брегга, волоконний лазер DBR) для вибору режиму резонатора. Вихідна потужність зазвичай коливається від кількох міліват до десятків міліват, також доступні одночастотні волоконні лазери з вихідною потужністю до 1 Вт.

Крайньою формою є лазер із розподіленим зворотним зв’язком (DFB-лазер), де весь резонатор лазера міститься в волоконній бреггівській ґратці зі зсувом фаз між ними. Тут резонатор відносно короткий, що знижує вихідну потужність і ширину лінії, але одночастотна робота дуже стабільна.

Оптоволоконні підсилювачі також можна використовувати для подальшого посилення до вищих потужностей.

Волоконні лазери з модуляцією добротності

Волоконні лазери можуть генерувати імпульси тривалістю від десятків до сотень наносекунд, використовуючи різні активні або пасивні перемикачі Q. Енергія імпульсу в кілька міліджоулів може бути досягнута за допомогою волокон з великою площею моди, а в екстремальних випадках може досягати десятків міліджоулів, обмежена енергією насичення (навіть з волокнами з великою площею моди) і порогом пошкодження (більш вираженим для коротших імпульсів). Усі волоконно-оптичні пристрої (за винятком оптики у вільному просторі) обмежені в імпульсній енергії, оскільки вони зазвичай не можуть реалізувати волокна з великою площею моди та ефективне перемикання добротності.

Завдяки високому посиленню лазера модуляція добротності у волоконних лазерах сильно відрізняється від такої в об’ємних лазерах і є більш складною. У часовій області зазвичай є кілька спалахів, і також можна створювати імпульси з модуляцією добротності довжиною, меншою за час проходження резонатора.

Волоконні лазери з синхронізацією мод використовують більш складні резонатори (ультракороткі волоконні лазери) для отримання пікосекундних або фемтосекундних імпульсів. Тут лазерний резонатор містить активний модулятор або кілька насичених поглиначів. Насичені поглиначі можуть бути реалізовані за допомогою ефектів обертання нелінійної поляризації або за допомогою нелінійного дзеркала з петлею волокна. Нелінійні петлеві дзеркала можна використовувати, наприклад, у «лазері у вигляді вісімки» на малюнку 8, де ліва сторона містить головний резонатор і нелінійне волоконне кільце для підсилення, формування та стабілізації ультракоротких імпульсів із зворотним ходом. Особливо при синхронізації гармонійного режиму потрібні додаткові пристрої, такі як субрезонатори, які використовуються як оптичні фільтри.