Fiber lazer nedir?

Tanım: Kazanç ortamı olarak katkılı fiber kullanan bir lazer veya lazer rezonatörü çoğunlukla fiberden oluşan bir lazer.

Fiber lazerler genellikle kazanç ortamı olarak fiber kullanan lazerleri ifade eder, ancak yarı iletken kazanç ortamı (yarı iletken optik amplifikatörler) ve fiber rezonatörler kullanan bazı lazerlere fiber lazerler (veya yarı iletken optik lazerler) de denilebilir. Ayrıca diğer bazı lazer türleri (örneğin, fiber-bağlantılı yarı iletken diyotlar) ve fiber amplifikatörler de fiber lazerler (veya fiber lazer sistemleri) olarak adlandırılır.

Çoğu durumda kazanç ortamı, erbiyum (Er3+), iterbiyum (Yb3+), toryum (Tm3+) veya praseodimyum (Pr3+) gibi nadir toprak iyon katkılı bir fiberdir ve bir veya daha fazla fiber bağlantılı lazer diyot gerekir pompalamak için. Fiber lazerlerin kazanç ortamı, katı hal toplu lazerlerinkine benzer olmasına rağmen, dalga kılavuzu etkisi ve küçük etkili mod alanı, lazerlerin farklı özelliklere sahip olmasına neden olur. Örneğin, genellikle yüksek lazer kazancına ve yüksek rezonatör boşluğu kayıplarına sahiptirler. Fiber lazer ve toplu lazer girişlerine bakın.

Şekil 1

Fiber lazer rezonatörü

Bir optik fiber kullanarak bir lazer rezonatör elde etmek için, doğrusal bir rezonatör oluşturmak veya bir fiber halka lazeri oluşturmak için bir dizi reflektör kullanılabilir. Doğrusal bir optik lazer rezonatöründe farklı tipte reflektörler kullanılabilir:

şekil 2

1. Laboratuar kurulumlarında, Şekil 1'de gösterildiği gibi dik olarak ayrılan liflerin uçlarında sıradan dikroik aynalar kullanılabilir. Ancak bu çözüm büyük ölçekli üretimde kullanılamaz ve dayanıklı değildir.

2. Çıplak fiberin ucundaki Fresnel yansıması, fiber lazer için çıkış kuplörü olarak hizmet etmek için yeterlidir. Şekil 2'de bir örnek gösterilmektedir.

3. Dielektrik kaplamalar genellikle buharlaştırma yoluyla doğrudan fiber uçlarına da uygulanabilmektedir. Bu tür kaplamalar geniş bir aralıkta yüksek yansıtma elde edebilir.

4. Ticari ürünlerde genellikle doğrudan katkılı fiberlerden veya katkısız fiberlerin aktif fiberlere eklenmesiyle hazırlanabilen Bragg fiber ızgaraları kullanılır. Şekil 3, iki fiber ızgara içeren dağıtılmış bir Bragg reflektör lazerini (DBR lazer) göstermektedir. Ayrıca katkılı fiberde bir ızgara ve arada bir faz kayması bulunan dağıtılmış bir geri besleme lazeri de vardır.

5. Fiberden yayılan ışık bir mercek tarafından yönlendirilir ve dikroik bir ayna tarafından geri yansıtılırsa, daha iyi güç kullanımı elde edilebilir. Ayna tarafından alınan ışığın yoğunluğu, daha geniş ışın alanı nedeniyle büyük ölçüde azalacaktır. Bununla birlikte, hafif yanlış hizalamalar önemli yansıma kayıplarına neden olabilir ve fiberin uç kısımlarındaki ilave Fresnel yansımaları, filtre efektleri üretebilir. İkincisi, açılı bölünmüş fiber uçları kullanılarak bastırılabilir, ancak bu, dalga boyuna bağlı kayıplara neden olur.

6. Bir fiber bağlayıcı ve pasif fiberler kullanarak bir optik döngü reflektörü oluşturmak da mümkündür.

Çoğu optik lazer, bir veya daha fazla fiber bağlantılı yarı iletken lazer tarafından pompalanır. Pompa ışığı doğrudan fiber çekirdeğe veya yüksek güçte pompa kaplamasına (çift kaplamalı fiberlere bakın) bağlanır; bu, aşağıda ayrıntılı olarak tartışılacaktır.

Birkaçı aşağıda açıklanan birçok fiber lazer türü vardır.

Birkaçı aşağıda açıklanan birçok fiber lazer türü vardır.

Yüksek güçlü fiber lazerler

Başlangıçta fiber lazerler yalnızca birkaç miliwattlık çıkış gücüne ulaşabiliyordu. Günümüzde yüksek güçlü fiber lazerler, tek modlu fiberlerden birkaç yüz watt'lık, hatta bazen birkaç kilovatlık çıkış gücüne ulaşabiliyor. Bu, termo-optik etkileri önleyen en boy oranı ve dalga kılavuzu efektlerinin arttırılmasıyla elde edilir.

Daha fazla ayrıntı için Yüksek güçlü fiber lazerler ve amplifikatörler girişine bakın.

Yukarı dönüşüm fiber lazerleri

Fiber lazerler, genellikle nispeten seyrek lazer geçişleriyle çalışan ve çok yüksek pompa yoğunlukları gerektiren yukarı dönüşüm lazerlerini gerçekleştirmek için özellikle uygundur. Fiber lazerlerde yüksek pompa yoğunlukları uzun mesafelerde muhafaza edilebilmekte, böylece çok düşük kazançlı geçişler için elde edilen kazanç verimliliğine kolaylıkla ulaşılabilmektedir.

Çoğu durumda silika fiberler, yukarı dönüşüm fiber lazerleri için uygun değildir, çünkü yukarı dönüştürme mekanizması, yüksek fonon enerjisinden dolayı silika fiberlerde genellikle çok küçük olan elektronik enerji seviyesinde uzun bir ara durum ömrü gerektirir (bkz. çoklu foton geçişleri). Bu nedenle, düşük fonon enerjisine sahip ZBLAN (bir florozirkonat) gibi bazı ağır metal florür lifleri genellikle kullanılır.

En yaygın kullanılan yukarı dönüşüm fiber lazerleri, mavi ışık için toryum katkılı fiberler, kırmızı, turuncu, yeşil veya mavi ışık için praseodimyum katkılı lazerler (bazen iterbiyum ile) ve triyot için erbiyum katkılı lazerlerdir.

Dar çizgi genişliğine sahip fiber lazerler

Fiber lazerler, birkaç kilohertz veya hatta 1 kHz'den daha az çok dar bir çizgi genişliğiyle yalnızca tek bir uzunlamasına modda çalışabilir (tek frekanslı lazere, tek modlu çalışmaya bakın). Uzun süreli istikrarlı tek frekanslı çalışma için ve sıcaklık stabilitesi dikkate alındıktan sonra ek gereksinimler olmadan, lazer boşluğu kısa olmalıdır (örn. 5 cm), ancak boşluk ne kadar uzun olursa prensip olarak faz gürültüsü o kadar düşük olur ve lazer alanı o kadar dar olur. hat genişliği. Fiber ucu, bir boşluk modunu seçmek için dar bantlı bir fiber Bragg ızgarası içerir (bkz. dağıtılmış Bragg reflektör lazeri, DBR fiber lazer). Çıkış gücü tipik olarak birkaç miliwatt'tan onlarca miliwatt'a kadar değişir ve 1 W'a kadar çıkış gücüne sahip tek frekanslı fiber lazerler de mevcuttur.

En uç biçim, tüm lazer boşluğunun arada bir faz kayması ile bir fiber Bragg ızgarası içinde yer aldığı dağıtılmış geri besleme lazeridir (DFB lazer). Burada boşluk nispeten kısadır, bu da çıkış gücünden ve hat genişliğinden ödün verir, ancak tek frekanslı çalışma çok kararlıdır.

Fiber amplifikatörler ayrıca daha yüksek güçlere yükseltme yapmak için de kullanılabilir.

Q-anahtarlı fiber lazerler

Fiber lazerler, çeşitli aktif veya pasif Q anahtarlarını kullanarak onlarca ila yüzlerce nanosaniye arasında değişen uzunluklarda darbeler üretebilir. Geniş mod alanlı fiberlerle birkaç milijul'lük darbe enerjileri elde edilebilir ve aşırı durumlarda, doyma enerjisi (büyük mod alanlı fiberlerle bile) ve hasar eşiği (daha kısa darbeler için daha belirgin) ile sınırlanan onlarca milijoule ulaşabilir. Tüm fiber cihazların (boş alan optikleri hariç) darbe enerjisi sınırlıdır çünkü genellikle geniş mod alanlı fiberleri ve etkili Q anahtarlamayı uygulayamazlar.

Yüksek lazer kazancı nedeniyle, fiber lazerlerdeki Q-anahtarlama, doğası gereği toplu lazerlerdekilerden çok farklıdır ve daha karmaşıktır. Zaman alanında genellikle birden fazla ani artış vardır ve rezonatörün gidiş-dönüş süresinden daha kısa bir uzunluğa sahip Q-anahtarlı darbeler üretmek de mümkündür.

Mod kilitli fiber lazerler, pikosaniye veya femtosaniye darbeleri üretmek için daha karmaşık rezonatörler (ultra kısa fiber lazerler) kullanır. Burada lazer rezonatörü aktif bir modülatör veya bazı doymuş emiciler içerir. Doymuş emiciler, doğrusal olmayan polarizasyon dönme etkileriyle veya doğrusal olmayan bir fiber döngü aynası kullanılarak gerçekleştirilebilir. Doğrusal olmayan döngü aynaları, örneğin Şekil 8'deki "sekiz şeklindeki lazerde" kullanılabilir; burada sol taraf, gidiş-dönüş ultra kısa darbeleri güçlendirmek, şekillendirmek ve stabilize etmek için bir ana rezonatör ve doğrusal olmayan bir fiber halka içerir. Özellikle harmonik mod kilitlemede optik filtre olarak kullanılan alt boşluklar gibi ek cihazlara ihtiyaç vardır.