Co je vláknový laser?

Definice: Laser, který používá jako médium zesílení dopované vlákno, nebo laser, jehož laserový rezonátor je většinou složen z vlákna.

Vláknové lasery obvykle odkazují na lasery, které používají vlákno jako médium zisku, ačkoli některé lasery, které používají média pro polovodičové zesílení (polovodičové optické zesilovače) a vláknové rezonátory, lze také nazývat vláknové lasery (nebo polovodičové optické lasery). Kromě toho se některé další typy laserů (například polovodičové diody s vláknovou vazbou) a vláknové zesilovače také nazývají vláknové lasery (nebo vláknové laserové systémy).

Ve většině případů je ziskovým médiem vlákno dopované ionty vzácných zemin, jako je erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), thorium (Tm3+) nebo praseodym (Pr3+), a je vyžadována jedna nebo více laserových diod s vlákny. pro čerpání. Ačkoli je médium zisku vláknových laserů podobné jako u pevnolátkových hromadných laserů, efekt vlnovodu a malá oblast efektivního režimu vedou k laserům s různými vlastnostmi. Obvykle mají například vysoký zisk laseru a vysoké ztráty v dutině rezonátoru. Viz položky vláknový laser a hromadný laser.

Obrázek 1

Vláknový laserový rezonátor

Pro získání laserového rezonátoru pomocí optického vlákna lze použít řadu reflektorů pro vytvoření lineárního rezonátoru nebo pro vytvoření vláknového prstencového laseru. V lineárním optickém laserovém rezonátoru lze použít různé typy reflektorů:

Obrázek 2

1. V laboratorních sestavách lze na koncích kolmo štěpených vláken použít běžná dichroická zrcadla, jak je znázorněno na obrázku 1. Toto řešení však nelze použít ve velkovýrobě a není trvanlivé.

2. Fresnelův odraz na konci holého vlákna je dostatečný, aby sloužil jako výstupní vazební člen pro vláknový laser. Obrázek 2 ukazuje příklad.

3. Dielektrické povlaky lze také nanášet přímo na konce vláken, obvykle odpařováním. Takové povlaky mohou dosáhnout vysoké odrazivosti v širokém rozsahu.

4. V komerčních produktech se obvykle používají vláknité Braggovy mřížky, které lze připravit přímo z dotovaných vláken nebo spojováním nedopovaných vláken na vlákna aktivní. Obrázek 3 ukazuje distribuovaný Braggův reflektorový laser (DBR laser), který obsahuje dvě vláknové mřížky. Existuje také distribuovaný zpětnovazební laser s mřížkou v dopovaném vláknu a fázovým posunem mezi nimi.

5. Pokud je světlo vyzařované z vlákna kolimováno čočkou a odraženo zpět dichroickým zrcadlem, lze dosáhnout lepší manipulace s výkonem. Světlo přijímané zrcadlem bude mít výrazně sníženou intenzitu v důsledku větší plochy paprsku. Nicméně mírné vychýlení může způsobit značné ztráty odrazem a další Fresnelovy odrazy na koncových fazetách vlákna mohou způsobit efekty filtru. Posledně jmenované může být potlačeno použitím šikmých štěpených konců vláken, ale to přináší ztráty závislé na vlnové délce.

6. Je také možné vytvořit reflektor optické smyčky pomocí vláknové spojky a pasivních vláken.

Většina optických laserů je čerpána jedním nebo více polovodičovými lasery s vlákny. Světlo čerpadla je připojeno přímo do jádra vlákna nebo při vysokém výkonu do pláště čerpadla (viz dvojitě plátovaná vlákna), což bude podrobně diskutováno níže.

Existuje mnoho typů vláknových laserů, z nichž některé jsou popsány níže.

Existuje mnoho typů vláknových laserů, z nichž některé jsou popsány níže.

Vysoce výkonné vláknové lasery

Zpočátku byly vláknové lasery schopny dosáhnout výstupního výkonu jen několik miliwattů. Dnes mohou vysoce výkonné vláknové lasery dosahovat výstupního výkonu několik stovek wattů a někdy dokonce několik kilowattů z jednovidových vláken. Toho je dosaženo zvýšením poměru stran a efektů vlnovodu, které zabraňují termo-optickým efektům.

Další podrobnosti najdete v článku Vysokovýkonné vláknové lasery a zesilovače.

Upkonverzní vláknové lasery

Vláknové lasery jsou zvláště vhodné pro realizaci upkonverzních laserů, které obvykle pracují na relativně málo častých laserových přechodech a vyžadují velmi vysoké intenzity pumpy. U vláknových laserů lze vysoké intenzity pumpy udržovat na dlouhé vzdálenosti, takže získané účinnosti zisku lze snadno dosáhnout pro přechody s velmi nízkým ziskem.

Ve většině případů nejsou křemičitá vlákna vhodná pro upkonverzní vláknové lasery, protože upkonverzní mechanismus vyžaduje dlouhou životnost mezistavu na úrovni elektronové energie, která je u křemičitých vláken obvykle velmi malá kvůli vysoké fononové energii (viz multifotonové přechody). Proto se obvykle používají některá vlákna z fluoridu těžkých kovů, jako je ZBLAN (fluorozirkonát) s nízkou fononovou energií.

Nejčastěji používanými upkonverzními vláknovými lasery jsou vlákna dotovaná thoriem pro modré světlo, lasery dotované praseodymem (někdy s ytterbiem) pro červené, oranžové, zelené nebo modré světlo a lasery dotované erbiem pro triodu.

Vláknové lasery s úzkou šířkou čáry

Vláknové lasery mohou pracovat pouze v jediném podélném režimu (viz jednofrekvenční laser, operace s jedním režimem) s velmi úzkou šířkou čáry několik kilohertzů nebo dokonce méně než 1 kHz. Pro dlouhodobě stabilní jednofrekvenční provoz a bez dalších požadavků po zvážení teplotní stability by měla být dutina laseru krátká (např. 5 cm), i když čím delší dutina, tím v zásadě nižší fázový šum a užší šířka čáry. Konec vlákna obsahuje úzkopásmovou vláknovou Braggovu mřížku (viz distribuovaný Braggův reflektorový laser, vláknový laser DBR) pro výběr režimu dutiny. Výstupní výkon se obvykle pohybuje od několika miliwattů do desítek miliwattů a k dispozici jsou také jednofrekvenční vláknové lasery s výstupním výkonem až 1 W.

Extrémní formou je distribuovaný zpětnovazební laser (DFB laser), kde je celá laserová dutina obsažena ve vláknové Braggově mřížce s fázovým posunem mezi nimi. Zde je dutina relativně krátká, což obětuje výstupní výkon a šířku vedení, ale jednofrekvenční provoz je velmi stabilní.

K dalšímu zesílení na vyšší výkony lze použít i vláknové zesilovače.

Q-spínané vláknové lasery

Vláknové lasery mohou generovat pulsy o délkách od desítek do stovek nanosekund pomocí různých aktivních nebo pasivních Q spínačů. Pulzní energie několika milijoulů lze dosáhnout s vlákny s velkou vidovou plochou a v extrémních případech mohou dosáhnout desítek milijoulů, omezených saturační energií (dokonce i s vlákny s velkou vidovou oblastí) a prahem poškození (výraznější u kratších pulzů). Všechna vláknová zařízení (kromě optiky s volným prostorem) mají omezenou energii pulzu, protože obvykle nemohou implementovat vlákna s velkou vidovou oblastí a efektivní Q přepínání.

Vzhledem k vysokému laserovému zisku je Q-přepínání u vláknových laserů svou povahou velmi odlišné od přepínání v hromadných laserech a je složitější. V časové oblasti je obvykle více špiček a je také možné produkovat Q-spínané impulzy s délkou menší, než je doba oběhu rezonátoru.

Vláknové lasery s uzamčeným módem používají k výrobě pikosekundových nebo femtosekundových pulzů složitější rezonátory (ultrakrátké vláknové lasery). Laserový rezonátor zde obsahuje aktivní modulátor nebo některé nasycené absorbéry. Nasycené absorbéry mohou být realizovány nelineárními polarizačními rotačními efekty nebo použitím nelineárního vláknového smyčkového zrcadla. Nelineární smyčková zrcadla lze použít například v "osmičkovém laseru" na obrázku 8, kde levá strana obsahuje hlavní rezonátor a prstenec nelineárního vlákna pro zesilování, tvarování a stabilizaci okružních ultrakrátkých pulzů. Zejména při blokování harmonického režimu jsou vyžadována další zařízení, jako jsou poddutiny používané jako optické filtry.