По-висока мощност, по-кратки импулси и по-силна яркост са постоянен стремеж към развитие на лазерната технология. При промишленото приложение на импулсни лазери късите импулси и високите пикови стойности имат важно влияние върху ефекта от обработката на материала. В сравнение с лазерите в твърдо състояние, лазерите с влакна имат повече предимства по отношение на средната мощност, но са значително ограничени по отношение на пиковата мощност. Дълго време ширината на импулса на импулсните лазери с влакна е била ограничена до повече от ns, с пикова стойност под 15kW и стандарт от 100ns 1mJ.
Методи за увеличаване на пиковата мощност на импулса
В лазерната импулсна последователност, показана на ФИГ.1, пиковата мощност е равна на енергията на импулса, разделена на ширината на импулса. Следователно, при същите енергийни условия, скъсяването на ширината на импулса може значително да увеличи пиковата мощност. При същите условия на ширина на импулса, увеличаването на пиковата стойност може да увеличи енергията на импулса.
Сред твърдите импулсни лазери, които понастоящем са на масовия промишлен пазар, енергията на лазерите с наносекундна ширина на импулса може да достигне ниво в mJ. Изчислена при 1mJ енергия и 10ns ширина на импулса, пиковата мощност може да достигне 100kW. Енергията на пикосекундните импулсни лазери е около 300μJ. Изчислена при 10ps, пиковата мощност може да достигне 30MW. Енергията на фемтосекундните импулсни лазери е 100μJ, а ширината на импулса е 500fs, така че пиковата мощност достига 200MW. За сравнение пиковата мощност на конвенционалните MOPA наносекундни импулсни лазери е около 10kW, което е много по-ниско от показателите на твърдите лазери.
Ограничаващи фактори при увеличаване на пиковата мощност на импулса на влакното
Основните ограничаващи фактори включват пет елемента: ограничен капацитет на натоварване, ограничен B интеграл, ограничена ефективност на извличане, ограничено качество на лъча и ограничено състояние на поляризация. В същото време различните дадени решения на физическия механизъм принадлежат към различни нива на проектиране, включително: матричен материал, увеличено поле на режима, структура на управляван режим и поляризационна структура принадлежат към нивото на проектиране на влакна; разширяването на лъча на крайната капачка, възбуждането на режима, филтрирането на режима принадлежат към нивото на проектиране на устройството; режимът на изпомпване, изолиращото филтриране и поляризационният контрол принадлежат към проектното ниво на модула; увеличената честотна лента, изборът на ширина на импулса, изборът на честота на повторение и разпределението на печалбата принадлежат към нивото на проектиране на системата.
В допълнение към горните пет елемента, топлинните ефекти, които трябва да се вземат предвид при непрекъснатите лазери с влакна с висока мощност, не са изброени тук, тъй като средната мощност на усилвателя с влакна с висока пикова мощност, който преследваме, е много по-ниска от обхвата, в който топлинният ефектът може да играе значителна роля, така че няма да бъде обсъждан тук.
Капацитетът на натоварване е ограничен от интензитета на лазера. Физическият механизъм включва увреждане на тялото и повърхностно увреждане. Сред тях повърхностните повреди могат да бъдат избегнати чрез технология за затваряне на края, а повредите на тялото са ограничени от характеристиките на материала на матрицата с влакна, което е ограничителният фактор. Обикновено прагът на интензитета на светлината е около 4,75kW/μm2. За диаметър на полето на режим от 50 μm, съответният праг на мощността на повреда достига 9,3 MW, което е много по-високо от текущото пиково ниво на мощност на сърцевината на импулсния лазер и по-високо от праговата мощност на самофокусирането. Следователно увреждането на тялото не е проблем, който трябва да се разглежда в момента.
Ефективността на извличане се ограничава главно от усилването на спонтанното излъчване (ASE), разпределението на усилването на многостъпалния усилвател и работния цикъл на импулса в рамките на етапа. Особено при условие на поднаносекундно усилване на къс импулс, ASE директно ограничава увеличаването на импулсната енергия и пиковата мощност. Въпреки това, ограничението на ASE може да бъде потиснато чрез рационално проектиране на многостъпални усилватели, оптимизиране на разпределението на усилването между етапите и методите на изпомпване и намаляване на ASE компонента, предаван на следващия етап чрез спектрално филтриране и акустооптично филтриране. Разумното разпределение на усилването между етапите може също да помогне за потискане на проблемите с насищането на усилването на импулса и да се получат по-съвършени форми на вълната на импулса.
Качеството на лъча е ограничено и се измерва с коефициента на качество на лъча M2. За да се получи основният изходен режим, основното нещо е да се осигури едномодова или няколкомодова работа чрез проектирането на структурата на режима на оптичния вълновод. На тази основа се използват контролът на възбуждането на режима по време на сливането на влакна с различен диаметър на сърцевината и методите за филтриране на режима, като например навиване на влакна, за подобряване на качеството на лъча. Понастоящем конвенционалното оптично влакно, което може да гарантира изход с високо качество на лъча, е 30/250, а сърцевината на специални оптични влакна като фотонни кристали може да бъде разширена до около 100 μm. Размерът на полето на този режим все още е твърде малък в сравнение с размера на петното на милиметрово ниво на индустриалните твърдотелни лазери. Много нелинейни ефекти, споменати по-късно, са свързани с B интеграла, който е обратно пропорционален на площта на полето на модата.
Състоянието на поляризация е ограничено и се измерва чрез степента на поляризация. Физическият механизъм е главно поляризационните характеристики на оптичния вълновод. В обикновените оптични влакна с двойна обвивка линейно поляризираната светлина ще се деполяризира и степента на деполяризация е чувствителна към параметрите на огъване и околната среда, което затруднява поддържането на изходно състояние на стабилна поляризация. При същите условия прагът на пиковата мощност на поляризираната светлина обикновено е половината от тази на неполяризираната светлина, тъй като неполяризираната светлина може да се разложи на два ортогонални неполяризирани светлинни компонента.
Нелинейните ефекти от трети ред в оптичните влакна могат да бъдат разделени на две категории: едната е модулационният ефект на индекса на пречупване, предизвикан от интензитета на светлината, включително самофазова модулация (SPM), кръстосана фазова модулация (XPM), модулационна нестабилност (MI) , четиривълново смесване (FWM) и самофокусиране (SF); другият е ефектът на нееластично разсейване на светлината, който включва обмена на енергия между фотоните и вибрациите на решетката на материала на матрицата, включително стимулирано разсейване на Брилуен (SBS) и стимулирано разсейване на Raman (SRS).
Сред тях най-високата граница зависи от прага на самофокусиране, който е около 4MW за материали с оптични влакна. Под прага на самофокусиране, стимулираното раманово разсейване е най-важното ограничение, тъй като спектралното честотно изместване на рамановата светлина в сравнение със светлината на основната честота е до 60 nm. Твърде високите Raman компоненти ще повлияят сериозно на функцията на магнитооптичния кристал на изолатора и ще причинят голяма хроматична аберация на лещата. Фигурата показва развитието на самофокусиращата нишка, генерирана, когато пиковата мощност в оптичното влакно надвишава прага на самофокусиране.
Нашият адрес
B-1507 Ruiding Mansion, No.200 Zhenhua Rd, Xihu District
Телефонен номер
0086 181 5840 0345
Имейл
info@brandnew-china.com
