ما هو ليزر الألياف؟

التعريف: ليزر يستخدم أليافًا مخدرة كوسيط كسب، أو ليزر يتكون مرنان الليزر الخاص به في الغالب من ألياف.

تشير ليزرات الألياف عادةً إلى أشعة الليزر التي تستخدم الألياف كوسيلة كسب، على الرغم من أن بعض أنواع الليزر التي تستخدم وسائط كسب أشباه الموصلات (مكبرات الصوت الضوئية لأشباه الموصلات) ومرنانات الألياف يمكن أيضًا أن تسمى ليزرات الألياف (أو ليزرات ضوئية لأشباه الموصلات). بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض الأنواع الأخرى من الليزر (على سبيل المثال، الثنائيات شبه الموصلة بالألياف) ومضخمات الألياف تسمى أيضًا ليزر الألياف (أو أنظمة ليزر الألياف).

في معظم الحالات، يكون وسط الكسب عبارة عن ألياف أرضية نادرة مشبعة بالأيونات، مثل الإربيوم (Er3+)، والإيتربيوم (Yb3+)، والثوريوم (Tm3+)، أو البراسيوديميوم (Pr3+)، ويلزم وجود صمام ثنائي أو أكثر من صمامات الليزر المقترنة بالألياف. للضخ. على الرغم من أن وسيلة الكسب الخاصة بليزر الألياف تشبه تلك الخاصة بأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة، إلا أن تأثير الدليل الموجي ومساحة الوضع الفعال الصغيرة ينتج عنها أشعة ليزر ذات خصائص مختلفة. على سبيل المثال، عادةً ما يكون لديهم كسب ليزر عالي وخسارة عالية في تجويف الرنان. رؤية مداخل الألياف الليزر والليزر السائبة.

شكل 1

مرنان ألياف الليزر

للحصول على مرنان ليزر باستخدام ألياف ضوئية، يمكن استخدام عدد من العاكسات لتكوين مرنان خطي، أو لإنشاء ليزر حلقي من الألياف. يمكن استخدام أنواع مختلفة من العاكسات في مرنان الليزر البصري الخطي:

الشكل 2

1. في إعدادات المختبر، يمكن استخدام المرايا ثنائية اللون العادية في نهايات الألياف المشقوقة بشكل عمودي، كما هو موضح في الشكل 1. ومع ذلك، لا يمكن استخدام هذا الحل في الإنتاج على نطاق واسع وغير متين.

2. إن انعكاس فرينل في نهاية الألياف العارية يكفي ليكون بمثابة مقرنة إخراج لليزر الألياف. ويبين الشكل 2 مثالا.

3. يمكن أيضًا ترسيب الطلاءات العازلة مباشرة على أطراف الألياف، عادةً عن طريق التبخر. يمكن لمثل هذه الطلاءات تحقيق انعكاسية عالية على نطاق واسع.

4. في المنتجات التجارية، عادة ما يتم استخدام شبكات الألياف Bragg، والتي يمكن تحضيرها مباشرة من الألياف المشبعة أو عن طريق ربط الألياف غير المشابهة بالألياف النشطة. ويبين الشكل 3 ليزر Bragg العاكس الموزع (ليزر DBR)، والذي يحتوي على شبكتين من الألياف. يوجد أيضًا ليزر تغذية مرتدة موزع مع شبكة في الألياف المخدرة وتحول طور بينهما.

5. إذا تمت موازاة الضوء المنبعث من الألياف بواسطة عدسة وانعكس مرة أخرى بواسطة مرآة مزدوجة اللون، فيمكن تحقيق معالجة أفضل للطاقة. ستكون شدة الضوء الذي تستقبله المرآة أقل بكثير بسبب مساحة الشعاع الأكبر. ومع ذلك، يمكن أن تتسبب اختلالات طفيفة في حدوث خسائر انعكاسية كبيرة، ويمكن أن تؤدي انعكاسات فريسنل الإضافية في جوانب نهاية الألياف إلى إنتاج تأثيرات المرشح. ويمكن قمع هذا الأخير باستخدام نهايات الألياف المشقوقة الزاوية، ولكن هذا يقدم خسائر تعتمد على الطول الموجي.

6. من الممكن أيضًا تشكيل عاكس حلقة بصرية باستخدام قارنة الألياف والألياف المنفعلة.

يتم ضخ معظم أجهزة الليزر الضوئية بواسطة واحد أو أكثر من ليزرات أشباه الموصلات المقترنة بالألياف. يقترن ضوء المضخة مباشرة في قلب الألياف أو بقوة عالية في كسوة المضخة (انظر الألياف المزدوجة الكسوة)، والتي سيتم مناقشتها بالتفصيل أدناه.

هناك أنواع عديدة من ألياف الليزر، نذكر القليل منها أدناه.

هناك أنواع عديدة من ألياف الليزر، نذكر القليل منها أدناه.

ليزر ألياف عالي الطاقة

في البداية، كانت ألياف الليزر قادرة فقط على تحقيق طاقات إنتاجية تبلغ بضعة ملي واط. اليوم، يمكن لليزر الليفي عالي الطاقة أن يحقق طاقات خرج تبلغ عدة مئات من الواط، وأحيانًا عدة كيلووات من الألياف أحادية الوضع. يتم تحقيق ذلك عن طريق زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع وتأثيرات الدليل الموجي، والتي تتجنب التأثيرات الحرارية الضوئية.

راجع الإدخال أجهزة ليزر الألياف ومكبرات الصوت عالية الطاقة لمزيد من التفاصيل.

تحويل ألياف الليزر

تعد ليزرات الألياف مناسبة بشكل خاص لتحقيق تحويل الليزر، والذي يعمل عادةً على تحولات ليزر غير متكررة نسبيًا ويتطلب مضخات ذات كثافة عالية جدًا. في ليزر الألياف، يمكن الحفاظ على شدة المضخة العالية على مسافات طويلة، بحيث يتم تحقيق كفاءة الكسب التي تم الحصول عليها بسهولة للتحولات ذات الكسب المنخفض للغاية.

في معظم الحالات، لا تكون ألياف السيليكا مناسبة لليزر الألياف التحويلي، لأن آلية التحويل تتطلب عمرًا متوسطًا طويلًا للحالة في مستوى الطاقة الإلكترونية، والذي عادة ما يكون صغيرًا جدًا في ألياف السيليكا بسبب طاقة الفونون العالية (انظر التحولات متعددة الفوتون). ولذلك، عادة ما يتم استخدام بعض ألياف الفلورايد المعدنية الثقيلة، مثل ZBLAN (فلوروزيركونات) ذات طاقة فونون منخفضة.

أكثر أنواع ليزر الألياف التحويلية استخدامًا هي الألياف المشبعة بالثوريوم للضوء الأزرق، والليزر المطعم بالبراسيوديميوم (أحيانًا مع الإيتربيوم) للضوء الأحمر أو البرتقالي أو الأخضر أو ​​الأزرق، والليزر المشبع بالإربيوم للصمام الثلاثي.

ليزرات الألياف ذات العرض الضيق

قد تعمل ليزرات الألياف في وضع طولي واحد فقط (انظر الليزر أحادي التردد، التشغيل أحادي الوضع) مع عرض خط ضيق جدًا يبلغ بضعة كيلو هرتز أو حتى أقل من 1 كيلو هرتز. من أجل التشغيل أحادي التردد المستقر على المدى الطويل، ودون متطلبات إضافية بعد النظر في استقرار درجة الحرارة، يجب أن يكون تجويف الليزر قصيرًا (على سبيل المثال، 5 سم)، على الرغم من أنه كلما زاد التجويف، من حيث المبدأ، انخفض ضوضاء الطور وأصبح أضيق عرض الخط. تحتوي نهاية الألياف على شبكة Bragg من الألياف ضيقة النطاق (انظر ليزر Bragg العاكس الموزع، ليزر ألياف DBR) لتحديد وضع التجويف. تتراوح طاقة الخرج عادةً من بضعة ملي واط إلى عشرات المللي واط، كما تتوفر أيضًا أجهزة ليزر ألياف أحادية التردد بقدرة إخراج تصل إلى 1 واط.

الشكل المتطرف هو ليزر التغذية المرتدة الموزع (ليزر DFB)، حيث يتم احتواء تجويف الليزر بالكامل داخل شبكة من الألياف Bragg مع تحول الطور بينهما. هنا يكون التجويف قصيرًا نسبيًا، مما يضحي بقدرة الخرج وعرض الخط، لكن التشغيل أحادي التردد مستقر جدًا.

يمكن أيضًا استخدام مكبرات الصوت الليفية لزيادة التضخيم إلى قوى أعلى.

ليزر الألياف Q-switched

يمكن لليزر الليفي توليد نبضات بأطوال تتراوح من عشرات إلى مئات النانو ثانية، باستخدام مفاتيح Q النشطة أو السلبية المختلفة. يمكن تحقيق طاقات نبضية تبلغ بضعة ملي جول باستخدام ألياف ذات مساحة كبيرة، وفي الحالات القصوى يمكن أن تصل إلى عشرات المللي جول، وتكون محدودة بطاقة التشبع (حتى مع ألياف ذات مساحة كبيرة) وعتبة الضرر (أكثر وضوحًا للنبضات الأقصر). جميع أجهزة الألياف (باستثناء بصريات الفضاء الحر) محدودة في طاقة النبض، لأنها عادةً لا تستطيع تنفيذ ألياف ذات مساحة كبيرة وتبديل Q فعال.

نظرًا لكسب الليزر العالي، فإن تبديل Q في ليزر الألياف يختلف تمامًا في طبيعته عن ذلك الموجود في الليزر السائب ويكون أكثر تعقيدًا. عادةً ما تكون هناك طفرات متعددة في المجال الزمني، ومن الممكن أيضًا إنتاج نبضات Q-switched بطول أقل من زمن رحلة الذهاب والإياب للمرنان.

تستخدم ليزرات الألياف ذات النمط المقفل رنانات أكثر تعقيدًا (ليزر ألياف فائق القصر) لإنتاج نبضات بيكو ثانية أو فيمتوثانية. هنا، يحتوي مرنان الليزر على مُعدِّل نشط أو بعض الممتصات المشبعة. يمكن تحقيق الامتصاصات المشبعة من خلال تأثيرات دوران الاستقطاب غير الخطية أو باستخدام مرآة حلقة ليفية غير خطية. يمكن استخدام المرايا الحلقية غير الخطية، على سبيل المثال، في "ليزر الرقم ثمانية" في الشكل 8، حيث يحتوي الجانب الأيسر على مرنان رئيسي وحلقة ليفية غير خطية لتضخيم وتشكيل وتثبيت النبضات فائقة القصر ذهابًا وإيابًا. خاصة في وضع القفل التوافقي، يلزم وجود أجهزة إضافية، مثل التجاويف الفرعية المستخدمة كمرشحات بصرية.