מהו לייזר סיב?
סיב אופטי הוא קיצור של סיב אופטי והוא בדרך כלל מוליך גל גלילי עבור גלי אור. הוא משתמש בעקרון השתקפות מוחלטת כדי להגביל את גלי האור לליבה ולהנחות אותם לכיוון ציר הסיבים. החלפת חוט נחושת בזכוכית קוורץ שינתה את העולם.
כמדיום להולכת גלי אור, סיב אופטי נמצא בשימוש נרחב מאז 1966, כאשר הוצג על ידי צ'רלס קאו, הודות ליכולת התקשורת הגבוהה שלו, חסינותו הגבוהה להפרעות, אובדן שידור נמוך, מרחק ממסר ארוך, סודיות טובה, יכולת הסתגלות, גודל קטן. , משקל קל ומקורות חומרי גלם בשפע. קאו, הידוע בתור "אבי הסיבים האופטיים", זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2009 על עבודתו. עם השלמות ההולכת וגוברת של סיבים אופטיים, היא חוללה מהפכה בתעשיית הטלקומוניקציה והחליפה במידה רבה את חוטי הנחושת כמרכיב הליבה של התקשורת המודרנית.
מערכת תקשורת סיבים אופטיים היא מערכת תקשורת המשתמשת באור כמעביר מידע ובסיב אופטי כמדיום מנחה הגל. כאשר סיב אופטי מעביר מידע, האות החשמלי הופך לאות אופטי, אשר מועבר לאחר מכן בתוך הסיב. כטכנולוגיית תקשורת מתפתחת, תקשורת סיבים אופטיים הראתה עליונות שאין שני לה כבר מההתחלה ומשכה עניין רב ותשומת לב רחבה. השימוש הנרחב בסיבים אופטיים בתקשורת תרם גם להתפתחות המהירה של מגברים סיבים אופטיים ולייזרי סיבים בו זמנית. בנוסף לתקשורת, מערכות סיבים אופטיות משמשות גם במגוון רחב של יישומים ברפואה, חישה ותחומים נוספים.
סיבים אופטיים
מדיום הרווח של לייזר סיבים הוא הסיב הפעיל. על פי המבנה שלה ניתן לחלק סיבים במצב יחיד, סיבים בחיפוי כפול וסיבי גביש פוטוניים שלושה.
סיב אופטי חד מצב סיב מורכב מליבה, שכבת חיפוי ושכבת ציפוי, כאשר מקדם השבירה של חומר הליבה n1, גבוה ממקדם השבירה של חומר החיפוי n2, כאשר זווית התקיפה של האור הנכנס גדולה מ- תמונת זווית קריטית, קרן האור בליבת הפליטה המלאה, כך שניתן לקשור את הסיב לקרן האור בהתפשטות הליבה. החיפוי הפנימי של סיבים במצב יחיד אינו יכול למלא תפקיד מרסן עבור אור משאבה רב-מצבי, והפתח המספרי של הליבה נמוך, כך שניתן להשתמש רק בצימוד אור משאבה במצב יחיד לליבה כדי להשיג פלט לייזר. לייזרים סיבים מוקדמים השתמשו בסיב חד מצב זה, וכתוצאה מכך יעילות צימוד נמוכה ולייזרים עם הספק פלט בטווח מיליוואט.
סיבים בחיפוי כפול
על מנת להתגבר על המגבלות של סיבי איטרביום (Yb3 פלוס) קונבנציונליים עם מצב יחיד, בחיפוי יחיד על יעילות המרה והספק, הציע מאורר (R. Maurer) לראשונה את הרעיון של סיבים בציפוי כפול ב-1974. מאז, רק בשנת 1988, כאשר E. Snitzer ואחרים הציעו את טכנולוגיית שאיבת החיפוי [3], פותחו במהירות לייזרים/מגברים סיבים תומכי Yb.
סיב בחיפוי כפול הוא סיב אופטי בעל מבנה מיוחד המוסיף שכבת חיפוי פנימית לסיב הקונבנציונלי, המורכב משכבת ציפוי, שכבת חיפוי פנימית, שכבת חיפוי חיצונית וליבת סיבים מסוממים. טכנולוגיית שאיבת החיפוי מבוססת על סיב בחיפוי כפול, הליבה שלו היא לאפשר העברת אור משאבה מולטי-מוד בחיפוי הפנימי והעברת אור לייזר בליבה, המאפשרת את יעילות המרת השאיבה והספק המוצא של לייזר הסיבים להשתפר מאוד. מבנה הסיב הכפול, צורת החיפוי הפנימי ושיטת צימוד האור המשאבה הם המפתחות לטכנולוגיה זו.
הליבה של הסיב הכפול מורכב מסיליקון דו חמצני (SiO2) המסומם ביסודות אדמה נדירים, המהווה גם את מדיום הלייזר וגם את ערוץ השידור של אות הלייזר בלייזר הסיבים, המתאים לאורך הגל הפועל. הגודל הרוחבי (פי עשרות מונים מקוטר של ליבה קונבנציונלית) והפתח המספרי של החיפוי הפנימי גדולים בהרבה מזה של הליבה, ומקדם השבירה קטן מזה של הליבה, מה שמגביל לחלוטין את התפשטות אור הלייזר בתוך הליבה. זה יוצר מוליך גל אופטי בעל חתך גדול, צמצם מספרי גדול בין הליבה לחיפוי החיצוני, המאפשר לצמצם מספרי גדול, חתך גדול ורב-מצבי אור שאוב עם כוח גבוה להיות מחובר לתוך הסיב ולהגביל לשידור בתוך החיפוי הפנימי ללא דיפוזיה, מקל על תחזוקה של שאיבה אופטית בצפיפות הספק גבוהה. החיפוי החיצוני מורכב מחומר פולימרי בעל מקדם שבירה קטן יותר מהחיפוי הפנימי; השכבה החיצונית ביותר היא שכבת הגנה המורכבת מחומר אורגני. שטח הצימוד של הסיב הכפול לאור השאוב נקבע לפי גודל החיפוי הפנימי, בניגוד לסיבים חד-מודים רגילים, שנקבעים על ידי הליבה בלבד. מצד אחד, זה משפר את יעילות צימוד הכוח של לייזר הסיבים האנושיים, ומאפשר לאור המשאבה לעבור דרך החיפוי הפנימי מספר פעמים כדי לעורר יונים מסוממים לפליטת לייזר; מצד שני, איכות קרן הפלט נקבעת על פי אופי ליבת הסיבים, והחדרת החיפוי הפנימי אינה הורסת את איכות הקרן של פלט הלייזר הסיב.
בתחילה, החיפוי הפנימי של סיבים בחיפוי כפול היה סימטרי גלילי ופשוט יחסית לייצור וקל לחיבור לצמה של דיודת הלייזר המשאבה (LD), אך הסימטריה המושלמת שלו הביאה למספר רב של קרניים ספירליות של אור המשאבה. החיפוי הפנימי שמעולם לא הגיע לאזור הליבה גם לאחר מספיק השתקפויות כדי להיקלט בליבה, כך שגם עם אבן עם סיבים ארוכים יותר עדיין יש כמות גדולה של דליפת אור, מה שמקשה על שיפור יעילות ההמרה. מסיבה זו יש לשבור את הסימטריה הגלילית של החיפוי הפנימי.
סיבי קריסטל פוטוניים
בסיבים כפולים רגילים, הגיאומטריה של הליבה קובעת את הספק הלייזר הפלט. הצמצם המספרי קובע את איכות האלומה של לייזר הפלט. בשל המגבלות של השפעות לא ליניאריות, נזק אופטי ומנגנונים פיזיים אחרים בסיבים אופטיים, אמצעי יחיד להגדלת קוטר הליבה אינו יכול לענות על הדרישה לפעולת מצב יחיד בהספק גבוה בסיבי חיפוי כפול בשדה מצב גדול. הופעת סיבים מיוחדים, כמו סיבי קריסטל פוטוניים (PCF), מספקת פתרון טכני יעיל לאתגר זה.
הרעיון של גבישים פוטוניים הוצג לראשונה על ידי E. Yablonovitch בשנת 19871 כמבנה מחזורי עם קבועים דיאלקטריים שונים בממד אחד, שניים או שלושה המאפשר לאור להתפשט ברצועת ההולכה הפוטונית ואוסר על התפשטות האור במרווח הפס הפוטוני ( PBG). PCFs הם גבישים פוטוניים דו מימדיים, הידועים גם כסיבים מיקרו-מובנים או סיבים נקבוביים, ובשנת 1996 JC Knight et al. ייצרו את ה-PCFs הראשונים עם מנגנון מנחה אור דומה לזה של סיבים רגילים עם השתקפות פנימית מוחלטת. לאחר 2005, התכנון וההכנה של PCFs בשדה מצב גדול החל להתגוון, עם הופעתן של צורות שונות, כולל PCFs ערוצים דולפים, PCFs בצורת מוט, PCFs גדול ו-PCFs מרובי ליבות. גם שטח השדה-מוד של הסיב המשיך לגדול בהתאם.
במראה, PCFs דומים מאוד לסיבים רגילים במצב יחיד, אך מבחינה מיקרוסקופית הם מציגים מבנים מורכבים של מערך חורים. התכונות המבניות הללו הן שמעניקות למחשבי PCF יתרונות ייחודיים וחסרי תחרות על פני סיבים קונבנציונליים, כגון שידור חד-מודד ללא ניתוק, שטח שדה גדול במצב, פיזור מתכוונן ואובדן מגביל נמוך, שיכולים להתגבר על רבים מהאתגרים של לייזרים קונבנציונליים . לדוגמה, PCF יכול להשיג פעולה חד-מודית בשטח שדה מצב גדול, תוך הבטחת איכות האלומה, הפחתה משמעותית של צפיפות הספק הלייזר בסיב, הפחתת השפעות לא-לינאריות בסיב והגדלת סף הנזק של הסיב; זה יכול להשיג צמצם מספרי גדול, מה שאומר שניתן להשיג יותר צימוד אופטי של משאבה ותפוקת לייזר גבוהה יותר. זה הפך אותו לגולת כותרת מחקרית חדשה בלייזרי סיבים, הממלאים תפקיד חשוב יותר ויותר ביישום לייזרים סיבים בעלי הספק גבוה.
המצאת הלייזר סיב
לייזרים המשתמשים בסיבים אופטיים כמדיום הרווח בלייזר ידועים כלייזרי סיבים. כמו סוגים אחרים של לייזרים, הוא מורכב משלושה חלקים: מדיום הרווח, מקור המשאבה וחלל התהודה. לייזרים סיבים משתמשים בסיב פעיל עם ליבה מסוממת ביסודות אדמה נדירים כמדיום ההגברה. לייזר מוליכים למחצה משמש בדרך כלל כמקור המשאבה. חלל התהודה מורכב בדרך כלל ממראות רפלקטיביות, משטחי קצה של סיבים, מראות טבעות סיבים או רשתות סיבים.
על פי מאפייני תחום הזמן של לייזר הסיבים, ניתן לחלק אותו ללייזר סיבים רציפים וללייזר סיבים פועם; על פי מבנה חלל התהודה, ניתן לחלק אותו ללייזר סיב חלל ליניארי, לייזר סיב משוב מבוזר ולייזר סיב חלל טבעת; על פי סיבי הרווח ושיטות השאיבה השונות, ניתן לחלק אותו ללייזר סיבי חיפוי יחיד (שאיבת ליבות סיבים) ולייזר סיבי חיפוי כפול (שאיבת חיפוי).
בשנת 1961 גילה סנצר קרינת לייזר במוליכי גל זכוכית מסוממים בניאודימיום (Nd). 1966, קאו חקר בפירוט את הגורמים העיקריים להנחתת האור בסיבים אופטיים והצביע על הבעיות הטכניות העיקריות שיש לפתור עבור היישום המעשי של סיבים אופטיים בתקשורת. בשנת 1970, קורנינג בארה"ב פיתחה סיבים אופטיים עם הנחתה של פחות מ-20 dB/km, מה שהניח את הבסיס לפיתוח תעשיית התקשורת האופטית והאופטואלקטרוניקה. זה הניח את הבסיס לפיתוח תעשיות התקשורת האופטית והאופטואלקטרוניקה. בשנות ה-70 וה-80, הבשלה ומסחור של טכנולוגיית הלייזר מוליכים למחצה סיפקו מקור משאבה אמין ומגוון לפיתוח לייזרים סיבים. במקביל, הפיתוח של שיטת השקעת אדים כימית הופכת את אובדן ההולכה של סיבים אופטיים לצמצום ברציפות. לייזרים סיבים מתפתחים במהירות גם בכיוון של גיוון, עם סיבים מסוממים במגוון אלמנטים נדירים של אדמה, כגון ארביום (Er3 פלוס), איטרביום (Yb3 פלוס), ניאודימיום (Nd3 פלוס), סמריום (Sm 3 פלוס), thulium (Tm3 plus ), holmium (Ho3 plus ), praseodymium (Pr3 plus ), dysprosium (Dy3 plus ), ביסמוט (Bi3 plus ) וכן הלאה. בהתאם ליונים המסוימים, ניתן להשיג אורכי גל שונים של פלט לייזר. כדי לעמוד בדרישות של יישומים שונים.
תכונות של לייזרים סיבים בעלי הספק גבוה
היתרונות של לייזרים סיבים בעלי הספק גבוה הם כדלקמן.
(1) איכות קרן טובה. מבנה מוליך הגל של הסיב האופטי מקל על קבלת פלט מצב רוחבי יחיד, והשפעת גורמים חיצוניים קטנה מאוד, כדי להשיג פלט לייזר בהירות גבוהה.
(2) יעילות גבוהה. לייזר סיבים על ידי בחירת אורך גל פליטה ומאפייני ספיגה של יסודות אדמה נדירים מסוממים של הלייזר המוליך למחצה עבור מקור המשאבה, אתה יכול להשיג אור גבוה מאוד ויעילות המרת אור. עבור לייזרים סיבים בעלי הספק גבוה עם סימום איטרביום, בחר בדרך כלל בלייזרים מוליכים למחצה 915nm או 975nm, בשל המבנה הפשוט של רמת האנרגיה של Yb3 plus, סבירות נמוכה יותר להתרחש המרה מעלה, קליטת מצב נרגש והתפרצויות ריכוז, חיי הקרינה ארוכים יותר ויכולים לאגור אנרגיה ביעילות לפעולה בעוצמה גבוהה. היעילות האלקטרו-אופטית הכוללת של לייזרים סיבים מסחריים היא עד 25 אחוז, מה שמסייע להפחתת עלויות, חיסכון באנרגיה והגנה על הסביבה.
(3) מאפייני פיזור חום טובים. לייזרים סיבים משמשים כאמצעי לייזר רווח באמצעות סיב דק ונדיר מסומם אלמנטי אדמה עם יחס שטח פנים לנפח גדול מאוד. בערך פי 1000 ללייזר בלוק מוצק, מבחינת יכולת פיזור חום יש יתרון טבעי. אין צורך בקירור מיוחד של הסיב עבור מקרי הספק נמוך ובינוני, וקירור מים משמש עבור מקרי הספק גבוה, מה שגם מונע למעשה את הפחתת האיכות והיעילות של האלומה עקב השפעות תרמיות הנפוצות בלייזרים במצב מוצק.
(4) מבנה קומפקטי, אמינות גבוהה. מכיוון שלייזר הסיבים משתמש בסיב קטן וגמיש כמדיום הרווח של הלייזר, הוא עוזר לדחוס את הנפח ולחסוך בעלויות. מקור המשאבה משמש גם בלייזרים מוליכים למחצה בגודל קטן, קל למודולרי, מוצרים מסחריים זמינים בדרך כלל עם פלט צמה, בשילוב עם סריג סיבים בראג והתקני סיבים אופטיים אחרים, כל עוד התקנים אלה מאויכים זה לזה כדי להשיג סיבים מלאים, חסינות להפרעות סביבתיות, עם יציבות גבוהה, יכולה לחסוך זמן תחזוקה ועלויות.
ללייזרי סיבים בעלי הספק גבוה יש גם חסרונות שקשה להתגבר עליהם: האחד הוא הפגיעות להשפעות לא ליניאריות. ללייזרי סיבים יש אורך אפקטיבי ארוך וסף נמוך להשפעות לא ליניאריות שונות בשל הגיאומטריה של מובילי הגל שלהם. כמה השפעות לא ליניאריות מזיקות כמו פיזור רמאן נרגש (SRS), אפנון פאזה עצמית (SPM) וכו' עלולות לגרום לתנודות פאזה והעברת אנרגיה על הספקטרום, או אפילו נזק למערכת הלייזר, להגביל את הפיתוח של סיבים בעלי הספק גבוה. לייזרים. השני הוא אפקט החשיכת הפוטונים. עם העלייה בזמן השאיבה, אפקט הכהה פוטון יכול להוביל לריכוז סימום גבוה של יעילות המרת כוח סיבים מסוממים באדמה נדירה באלמנטים של אדמה נדירה לירידה חד-גונית בלתי הפיכה, להגביל את היציבות ארוכת הטווח וחיי השירות של לייזרים סיבים בעלי הספק גבוה, וזה ברור במיוחד בלייזרי סיבים גבוהים המסוימים באיטרביום.
עם התקדמותם של לייזרים מוליכים למחצה בבהירות גבוהה וטכנולוגיית סיבים בחיפוי כפול, הספק המוצא, יעילות ההמרה האופטית לאופטית ואיכות האלומה של לייזרים סיבים בעלי הספק גבוה התפתחו באופן משמעותי. בעיבוד התעשייתי, הפנו כלי נשק אנרגטיים, טלמטריה ארוכת טווח, LIDAR ויישומים אחרים בעלי ביקוש עצום, לארצות הברית Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) וגרמניה Tong Express Group, בעיקר יחידות מחקר על גל מתמשך, גל דופק בעל הספק גבוה לייזר סיב מחקר ופיתוח, השיקה קווי מוצרים עשירים. תוצאות מרגשות דווחו גם על ידי מספר יחידות בסין, כולל אוניברסיטת טסינגואה, האוניברסיטה הלאומית לטכנולוגיה של הגנה, מכון שנחאי לאופטיקה ומכונות מדויקות של האקדמיה הסינית למדעים ומכון המחקר הרביעי של מדעי התעופה והחלל בסין. תאגיד התעשייה.
טכנולוגיית שיפור כוח לייזר סיבים
בשל ההשפעות הלא ליניאריות בלייזר הסיבים, ההשפעות התרמיות ומגבלות סף הנזק החומרי, הספק המוצא של לייזר סיב בודד מוגבל במידה מסוימת, וככל שההספק עולה, איכות האלומה יורדת בהדרגה, מה שמצריך שימוש של טכנולוגיית בקרת מצב ועיצוב מבנה מיוחד של הסיב החדש לשיפור איכות האלומה. Dawson (JW Dawson) וחב' ניתחו באופן תיאורטי את מגבלת הספק המוצא של סיב בודד וחישבו כי בלייזרי סיבים רחבי פס סיב בודד יכול להשיג הספק מקסימלי של 36 קילוואט תפוקת לייזר ליד מגבלת עקיפה, בעוד שעבור לייזרים סיבים ברוחב קו צר, המקסימום. הספק הוא 2 קילוואט. על מנת לשפר עוד יותר את עוצמת המוצא של הלייזר והמגבר הסיבים, סינתזת הספק של מספר לייזרים סיבים על ידי טכנולוגיית סינתזה קוהרנטית היא שיטה יעילה. זה הפך בשנים האחרונות למוקד מחקר בינלאומי.
סינתזה קוהרנטית מושגת על ידי שליטה על הפאזה, התדירות והקיטוב של כל קרן לייזר בעקביות מסוימת, כך שהיא עומדת בתנאי הקוהרנטיות ומקבלת פלט נעול פאזה הומוגנית, שיכולה להשיג עוצמת שיא גבוהה בהרבה מעוצמת שיא לא קוהרנטית פשוטה. סופרפוזיציה ושמירה על איכות אלומה טובה. ההיסטוריה של התפתחות טכנולוגיית הסינתזה הקוהרנטית ארוכה כמעט כמו ההיסטוריה של הלייזרים עצמם, וכוללת סוגים שונים של לייזרים גז, לייזרים כימיים, לייזרים מוליכים למחצה, לייזרים במצב מוצק וכו'. עם זאת, בשל חוסר בשלות של מכשירים שונים בימים הראשונים, תוצאות הניסוי שהושגו על ידי טכנולוגיית סינתזה קוהרנטית לא פרצו את עוצמת המוצא המקסימלית של הלייזר החד-קשרי המקביל באותה תקופה, כך שהאפקט לא היה ברור במיוחד. משנות ה-90 ואילך, הופעתם של לייזרים סיבים הובילה להתפתחות מהירה של טכניקות סינתזה קוהרנטיות. בנוסף ליתרונות הייחודיים של לייזרים סיבים והצורך בשימוש טקטי במאות קילוואט, מספר מכשירים (כלומר מחברי קונוס סיבים, סיבים מרובי ליבות, מאפננים פאזה עם צמות ומעבירי תדר אקוסטו-אופטיים וכו') שיחקו תפקיד מכריע בהשקה מסחרית של תקשורת סיבים אופטיים. מחברי סיבים קונוסים וסיבים מרובי ליבות מאפשרים בקרת פאזה פסיבית המבוססת על צימוד הזרקת אנרגיית לייזר וצימוד גל מהיר, בעוד שמאפני פאזה עם צמות ומעבירי תדר אקוסטו-אופטיים מאפשרים בקרת פאזה אקטיבית עם רוחבי פס בקרת מגה-הרץ, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לשלוט בתנודות פאזה ב- תנאי הספק גבוהים והשגת יציאות נעולות פאזה. חוקרים הציעו מספר תוכניות סינתזה קוהרנטיות ייחודיות.
סינתזה ספקטרלית היא טכניקת סינתזה לא קוהרנטית המשתמשת בסורג עקיפה אחד או יותר כדי לעקוף תת-אלומות מרובות לאותו צמצם, וכתוצאה מכך פלט צמצם יחיד עם איכות אלומה טובה. סינתזה ספקטרלית של לייזרים סיבים יכולים לעשות שימוש מלא ברוחב הפס הרחב של לייזרים סיבים מסוממים ב-Yb כדי לפצות על כוח המוצא המוגבל של לייזר סיב יחיד.
