Co to jest laser światłowodowy?

Definicja: Laser wykorzystujący domieszkowane włókno jako ośrodek wzmacniający lub laser, którego rezonator laserowy składa się głównie z włókna.

Lasery światłowodowe zwykle odnoszą się do laserów wykorzystujących włókno jako ośrodek wzmacniający, chociaż niektóre lasery wykorzystujące półprzewodnikowe środki wzmacniające (półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne) i rezonatory światłowodowe można również nazwać laserami światłowodowymi (lub półprzewodnikowymi laserami optycznymi). Ponadto niektóre inne typy laserów (na przykład diody półprzewodnikowe sprzężone z włóknami) i wzmacniacze światłowodowe nazywane są również laserami światłowodowymi (lub systemami laserów światłowodowych).

W większości przypadków ośrodkiem wzmacniającym jest włókno domieszkowane jonami ziem rzadkich, takimi jak erb (Er3+), iterb (Yb3+), tor (Tm3+) lub prazeodym (Pr3+) i wymagana jest jedna lub więcej diod laserowych sprzężonych włóknem do pompowania. Chociaż ośrodek wzmocnienia laserów światłowodowych jest podobny do ośrodka laserów na ciele stałym, efekt falowodu i mała powierzchnia modu efektywnego powodują, że lasery mają inne właściwości. Na przykład zwykle mają duże wzmocnienie lasera i duże straty w jamie rezonatora. Zobacz wpisy Laser światłowodowy i Laser masowy.

Rysunek 1

Rezonator lasera światłowodowego

Aby uzyskać rezonator laserowy za pomocą światłowodu, można zastosować pewną liczbę reflektorów w celu utworzenia rezonatora liniowego lub wytworzenia lasera z pierścieniem włóknowym. W liniowym optycznym rezonatorze laserowym można zastosować różne typy reflektorów:

Rysunek 2

1. W układach laboratoryjnych na końcach prostopadle przeciętych włókien można zastosować zwykłe zwierciadła dichroiczne, jak pokazano na rysunku 1. Rozwiązanie to nie nadaje się jednak do stosowania w produkcji na dużą skalę i nie jest trwałe.

2. Odbicie Fresnela na końcu gołego światłowodu jest wystarczające, aby służyć jako sprzęgacz wyjściowy dla lasera światłowodowego. Rysunek 2 pokazuje przykład.

3. Powłoki dielektryczne można również nakładać bezpośrednio na końcówki włókien, zwykle przez odparowanie. Takie powłoki mogą osiągnąć wysoki współczynnik odbicia w szerokim zakresie.

4. W produktach komercyjnych zwykle stosuje się siatki Bragga z włókien, które można przygotować bezpośrednio z włókien domieszkowanych lub poprzez splatanie włókien niedomieszkowanych z włóknami aktywnymi. Rysunek 3 przedstawia rozproszony laser reflektorowy Bragga (laser DBR), który zawiera dwie siatki włókniste. Istnieje również rozproszony laser ze sprzężeniem zwrotnym z siatką w domieszkowanym włóknie i przesunięciem fazowym pomiędzy.

5. Jeśli światło emitowane przez włókno zostanie skolimowane przez soczewkę i odbite przez lustro dichroiczne, można uzyskać lepszą moc. Światło odbierane przez lustro będzie miało znacznie zmniejszoną intensywność ze względu na większą powierzchnię wiązki. Jednakże niewielkie niewspółosiowość może powodować znaczne straty w zakresie odbicia, a dodatkowe odbicia Fresnela na powierzchniach końcowych światłowodu mogą powodować efekty filtra. To ostatnie można stłumić, stosując końcówki włókien przycięte pod kątem, ale powoduje to straty zależne od długości fali.

6. Możliwe jest również wykonanie odbłyśnika pętlowego za pomocą sprzęgacza światłowodowego i włókien pasywnych.

Większość laserów optycznych jest pompowana przez jeden lub więcej laserów półprzewodnikowych sprzężonych włóknem. Światło pompy jest wprowadzane bezpośrednio do rdzenia światłowodu lub przy dużej mocy do płaszcza pompy (patrz włókna podwójnie platerowane), co zostanie szczegółowo omówione poniżej.

Istnieje wiele rodzajów laserów światłowodowych, z których kilka opisano poniżej.

Istnieje wiele rodzajów laserów światłowodowych, z których kilka opisano poniżej.

Lasery światłowodowe dużej mocy

Początkowo lasery światłowodowe były w stanie osiągnąć moc wyjściową zaledwie kilku miliwatów. Obecnie lasery światłowodowe dużej mocy mogą osiągać moce wyjściowe kilkuset watów, a czasami nawet kilku kilowatów przy użyciu włókien jednomodowych. Osiąga się to poprzez zwiększenie współczynnika kształtu i efektów falowodowych, co pozwala uniknąć efektów termooptycznych.

Więcej szczegółów znajdziesz we wpisie Lasery i wzmacniacze światłowodowe dużej mocy.

Lasery światłowodowe z konwersją w górę

Lasery światłowodowe są szczególnie odpowiednie do realizacji laserów konwersji w górę, które zwykle działają na stosunkowo rzadkich przejściach lasera i wymagają bardzo dużej intensywności pompy. W laserach światłowodowych wysokie natężenia pomp można utrzymać na długich dystansach, dzięki czemu uzyskaną wydajność wzmocnienia można łatwo osiągnąć w przypadku przejść o bardzo niskim wzmocnieniu.

W większości przypadków włókna krzemionkowe nie nadają się do laserów światłowodowych z konwersją w górę, ponieważ mechanizm konwersji w górę wymaga długiego czasu życia stanu pośredniego na poziomie energii elektronowej, który jest zwykle bardzo mały we włóknach krzemionkowych ze względu na wysoką energię fononów (patrz przejścia wielofotonowe). Dlatego zwykle stosuje się niektóre włókna z fluorku metali ciężkich, takie jak ZBLAN (fluorocyrkonian) o niskiej energii fononów.

Najczęściej stosowanymi laserami światłowodowymi z konwersją w górę są włókna domieszkowane torem dla światła niebieskiego, lasery domieszkowane prazeodymem (czasami iterbem) dla światła czerwonego, pomarańczowego, zielonego lub niebieskiego oraz lasery domieszkowane erbem dla triody.

Lasery światłowodowe o wąskiej szerokości linii

Lasery światłowodowe mogą pracować tylko w jednym trybie podłużnym (patrz laser jednoczęstotliwościowy, praca jednomodowa) z bardzo wąską szerokością linii wynoszącą kilka kiloherców lub nawet mniejszą niż 1 kHz. Aby zapewnić długoterminową stabilną pracę na jednej częstotliwości i bez dodatkowych wymagań po uwzględnieniu stabilności temperaturowej, wnęka lasera powinna być krótka (np. 5 cm), chociaż im dłuższa wnęka, w zasadzie, tym niższy jest szum fazowy i węższa szerokość linii. Koniec światłowodu zawiera wąskopasmową siatkę Bragga (patrz rozproszony laser reflektorowy Bragga, laser światłowodowy DBR) służącą do wyboru trybu wnęki. Moc wyjściowa waha się zazwyczaj od kilku miliwatów do kilkudziesięciu miliwatów. Dostępne są również lasery światłowodowe o pojedynczej częstotliwości o mocy wyjściowej do 1 W.

Ekstremalną formą jest laser z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (laser DFB), w którym cała wnęka lasera jest zawarta w światłowodowej siatce Bragga z przesunięciem fazowym pomiędzy. W tym przypadku wnęka jest stosunkowo krótka, co ogranicza moc wyjściową i szerokość linii, ale praca na jednej częstotliwości jest bardzo stabilna.

Wzmacniacze światłowodowe można również wykorzystać do dalszego wzmocnienia do wyższych mocy.

Lasery światłowodowe z przełączaniem Q

Lasery światłowodowe mogą generować impulsy o długości od kilkudziesięciu do setek nanosekund, wykorzystując różne aktywne lub pasywne przełączniki Q. Energie impulsów rzędu kilku milidżulów można osiągnąć w przypadku włókien o dużym obszarze modowym, a w skrajnych przypadkach mogą osiągnąć dziesiątki milidżul, ograniczone energią nasycenia (nawet w przypadku włókien o dużym obszarze modowym) i progiem uszkodzenia (bardziej wyraźnym w przypadku krótszych impulsów). Wszystkie urządzenia światłowodowe (z wyjątkiem optyki w wolnej przestrzeni) mają ograniczoną energię impulsów, ponieważ zwykle nie są w stanie wdrożyć światłowodów o dużym obszarze modowym i efektywnego przełączania Q.

Ze względu na duże wzmocnienie lasera, przełączanie Q w laserach światłowodowych ma zupełnie inny charakter niż w laserach masowych i jest bardziej złożone. Zwykle w dziedzinie czasu występuje wiele impulsów i możliwe jest również wytworzenie impulsów z przełączaniem Q o długości mniejszej niż czas powrotu rezonatora w obie strony.

Lasery światłowodowe z synchronizacją modów wykorzystują bardziej złożone rezonatory (ultrakrótkie lasery światłowodowe) do wytwarzania impulsów pikosekundowych lub femtosekundowych. Tutaj rezonator laserowy zawiera aktywny modulator lub niektóre nasycone absorbery. Nasycone absorbery można zrealizować poprzez nieliniowe efekty rotacji polaryzacji lub przy użyciu nieliniowego zwierciadła pętlowego z włókna. Nieliniowe zwierciadła pętlowe można zastosować na przykład w „laserze ósemkowym” pokazanym na rysunku 8, gdzie lewa strona zawiera główny rezonator i nieliniowy pierścień światłowodowy do wzmacniania, kształtowania i stabilizowania ultrakrótkich impulsów w obie strony. Zwłaszcza w przypadku blokowania w trybie harmonicznym wymagane są dodatkowe urządzenia, takie jak podwnęki stosowane jako filtry optyczne.