Laser sợi quang là gì?

Định nghĩa: Tia laser sử dụng sợi quang pha tạp làm môi trường khuếch đại hoặc tia laser có bộ cộng hưởng laser chủ yếu bao gồm sợi quang.

Laser sợi quang thường đề cập đến các laser sử dụng sợi quang làm môi trường khuếch đại, mặc dù một số laser sử dụng môi trường khuếch đại bán dẫn (bộ khuếch đại quang bán dẫn) và bộ cộng hưởng sợi quang cũng có thể được gọi là laser sợi quang (hoặc laser quang bán dẫn). Ngoài ra, một số loại laser khác (ví dụ như điốt bán dẫn ghép sợi quang) và bộ khuếch đại sợi quang còn được gọi là laser sợi quang (hoặc hệ thống laser sợi quang).

Trong hầu hết các trường hợp, môi trường khuếch đại là sợi pha tạp ion đất hiếm, chẳng hạn như erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), thorium (Tm3+) hoặc praseodymium (Pr3+) và cần có một hoặc nhiều điốt laser ghép sợi quang để bơm. Mặc dù môi trường khuếch đại của laser sợi quang tương tự như môi trường khuếch đại của laser khối trạng thái rắn, hiệu ứng ống dẫn sóng và vùng chế độ hiệu dụng nhỏ dẫn đến laser có các đặc tính khác nhau. Ví dụ, chúng thường có độ lợi laser cao và tổn hao khoang cộng hưởng cao. Xem các mục laser sợi quang và laser số lượng lớn.

Hình 1

Bộ cộng hưởng laser sợi quang

Để thu được bộ cộng hưởng laser sử dụng sợi quang, một số gương phản xạ có thể được sử dụng để tạo thành bộ cộng hưởng tuyến tính hoặc để tạo ra tia laser vòng sợi quang. Các loại gương phản xạ khác nhau có thể được sử dụng trong bộ cộng hưởng laser quang tuyến tính:

Hình 2

1. Trong các thiết lập trong phòng thí nghiệm, gương lưỡng sắc thông thường có thể được sử dụng ở các đầu của các sợi được cắt vuông góc, như trong Hình 1. Tuy nhiên, giải pháp này không thể sử dụng trong sản xuất quy mô lớn và không bền.

2. Sự phản xạ Fresnel ở cuối sợi trần đủ để đóng vai trò là bộ ghép đầu ra cho laser sợi quang. Hình 2 cho thấy một ví dụ.

3. Lớp phủ điện môi cũng có thể được lắng đọng trực tiếp trên các đầu sợi, thường là do bay hơi. Những lớp phủ như vậy có thể đạt được độ phản xạ cao trên phạm vi rộng.

4. Trong các sản phẩm thương mại, lưới Bragg sợi thường được sử dụng, có thể được điều chế trực tiếp từ sợi đã pha tạp hoặc bằng cách nối các sợi không pha tạp với sợi hoạt tính. Hình 3 cho thấy một tia laser phản xạ Bragg phân tán (laser DBR), chứa hai cách tử sợi. Ngoài ra còn có một tia laser phản hồi phân tán với cách tử trong sợi pha tạp và sự dịch pha ở giữa.

5. Nếu ánh sáng phát ra từ sợi quang được chuẩn trực bởi một thấu kính và phản xạ lại bởi gương lưỡng sắc thì có thể đạt được khả năng xử lý công suất tốt hơn. Ánh sáng mà gương nhận được sẽ có cường độ giảm đi rất nhiều do diện tích chùm tia lớn hơn. Tuy nhiên, những sai lệch nhỏ có thể gây ra tổn thất phản xạ đáng kể và phản xạ Fresnel bổ sung ở các mặt cuối sợi quang có thể tạo ra hiệu ứng bộ lọc. Loại thứ hai có thể được triệt tiêu bằng cách sử dụng các đầu sợi quang được cắt góc, nhưng điều này gây ra tổn thất phụ thuộc vào bước sóng.

6. Cũng có thể tạo thành bộ phản xạ vòng quang học bằng cách sử dụng bộ ghép sợi và sợi thụ động.

Hầu hết các laser quang học được bơm bởi một hoặc nhiều laser bán dẫn ghép sợi quang. Đèn bơm được ghép trực tiếp vào lõi sợi quang hoặc ở công suất cao vào vỏ bơm (xem sợi bọc kép), điều này sẽ được thảo luận chi tiết bên dưới.

Có nhiều loại laser sợi quang, một số loại được mô tả dưới đây.

Có nhiều loại laser sợi quang, một số loại được mô tả dưới đây.

Laser sợi quang công suất cao

Ban đầu, laser sợi quang chỉ có thể đạt được công suất đầu ra vài miliwatt. Ngày nay, laser sợi quang công suất cao có thể đạt công suất đầu ra vài trăm watt, và đôi khi thậm chí vài kilowatt từ sợi quang đơn mode. Điều này đạt được bằng cách tăng tỷ lệ khung hình và hiệu ứng ống dẫn sóng, giúp tránh các hiệu ứng quang nhiệt.

Xem mục Laser sợi quang công suất cao và bộ khuếch đại để biết thêm chi tiết.

Laser sợi chuyển đổi ngược

Laser sợi quang đặc biệt thích hợp để hiện thực hóa các laser chuyển đổi ngược, thường hoạt động với các chuyển tiếp laser tương đối hiếm và yêu cầu cường độ bơm rất cao. Trong laser sợi quang, cường độ bơm cao có thể được duy trì trên khoảng cách xa, do đó có thể dễ dàng đạt được hiệu suất khuếch đại khi chuyển đổi với mức tăng rất thấp.

Trong hầu hết các trường hợp, sợi silica không phù hợp với laser sợi quang chuyển đổi ngược, vì cơ chế chuyển đổi ngược đòi hỏi thời gian tồn tại ở trạng thái trung gian dài ở mức năng lượng điện tử, thường rất nhỏ ở sợi silica do năng lượng phonon cao (xem chuyển đổi đa photon). Do đó, một số sợi florua kim loại nặng thường được sử dụng, chẳng hạn như ZBLAN (một loại fluorozirconate) có năng lượng phonon thấp.

Các laser sợi quang chuyển đổi ngược được sử dụng phổ biến nhất là sợi pha tạp thorium cho ánh sáng xanh, laser pha tạp praseodymium (đôi khi với ytterbium) cho ánh sáng đỏ, cam, lục hoặc lam và laser pha tạp erbium cho triode.

Laser sợi quang có băng thông hẹp

Laser sợi quang chỉ có thể hoạt động ở một chế độ dọc duy nhất (xem laser tần số đơn, hoạt động ở chế độ đơn) với băng thông rất hẹp vài kilohertz hoặc thậm chí dưới 1 kHz. Để hoạt động tần số đơn ổn định lâu dài và không có yêu cầu bổ sung sau khi xem xét độ ổn định nhiệt độ, khoang laser phải ngắn (ví dụ: 5 cm), mặc dù về nguyên tắc, khoang càng dài thì nhiễu pha càng thấp và phạm vi hoạt động càng hẹp. băng thông. Đầu sợi chứa một cách tử Bragg sợi quang hẹp (xem laser phản xạ Bragg phân tán, laser sợi DBR) để chọn chế độ khoang. Công suất đầu ra thường dao động từ vài miliwatt đến hàng chục miliwatt và cũng có sẵn các laser sợi quang tần số đơn có công suất đầu ra lên tới 1 W.

Một dạng cực đoan là laser phản hồi phân tán (laser DFB), trong đó toàn bộ khoang laser được chứa trong cách tử Bragg sợi với sự dịch pha ở giữa. Ở đây khoang tương đối ngắn, hy sinh công suất đầu ra và băng thông đường truyền, nhưng hoạt động tần số đơn rất ổn định.

Bộ khuếch đại sợi quang cũng có thể được sử dụng để khuếch đại hơn nữa đến công suất cao hơn.

Laser sợi quang chuyển mạch Q

Laser sợi quang có thể tạo ra các xung có độ dài từ hàng chục đến hàng trăm nano giây, sử dụng nhiều công tắc Q chủ động hoặc thụ động khác nhau. Năng lượng xung vài milijoule có thể đạt được với các sợi diện tích chế độ lớn và trong trường hợp cực đoan có thể đạt tới hàng chục milijoule, bị giới hạn bởi năng lượng bão hòa (ngay cả với các sợi diện tích chế độ lớn) và ngưỡng thiệt hại (rõ ràng hơn đối với các xung ngắn hơn). Tất cả các thiết bị sợi quang (ngoại trừ quang học không gian tự do) đều bị hạn chế về năng lượng xung, vì chúng thường không thể thực hiện các sợi quang vùng chế độ lớn và chuyển mạch Q hiệu quả.

Do mức tăng laser cao, chuyển mạch Q trong laser sợi quang có bản chất rất khác so với laser số lượng lớn và phức tạp hơn. Thường có nhiều xung trong miền thời gian và cũng có thể tạo ra các xung chuyển mạch Q có độ dài nhỏ hơn thời gian khứ hồi của bộ cộng hưởng.

Laser sợi quang bị khóa chế độ sử dụng các bộ cộng hưởng phức tạp hơn (laser sợi quang siêu ngắn) để tạo ra các xung picosecond hoặc femtosecond. Ở đây, bộ cộng hưởng laser chứa bộ điều biến hoạt động hoặc một số bộ hấp thụ bão hòa. Chất hấp thụ bão hòa có thể được thực hiện bằng hiệu ứng quay phân cực phi tuyến hoặc bằng cách sử dụng gương vòng sợi phi tuyến. Gương vòng phi tuyến có thể được sử dụng, ví dụ, trong "laser hình số tám" trong Hình 8, trong đó phía bên trái chứa bộ cộng hưởng chính và vòng sợi phi tuyến để khuếch đại, định hình và ổn định các xung siêu ngắn hành trình khứ hồi. Đặc biệt trong khóa chế độ điều hòa, cần có các thiết bị bổ sung, chẳng hạn như khoang con được sử dụng làm bộ lọc quang.