ما هو ليزر الألياف؟
الألياف الضوئية هي اختصار للألياف الضوئية وعادة ما تكون دليل موجي أسطواني لموجات الضوء. يستخدم مبدأ الانعكاس الكلي لحصر موجات الضوء في القلب وتوجيهها في اتجاه محور الألياف. أدى استبدال الأسلاك النحاسية بزجاج الكوارتز إلى تغيير العالم.
كوسيلة لتوصيل الموجات الضوئية ، تم استخدام الألياف الضوئية على نطاق واسع منذ عام 1966 عندما قدمها تشارلز كاو ، وذلك بفضل قدرتها العالية على الاتصال ، ومناعة عالية من التداخل ، وفقدان الإرسال المنخفض ، ومسافة الترحيل الطويلة ، والسرية الجيدة ، والقدرة على التكيف ، وصغر الحجم وخفة الوزن ومصادر وفيرة للمواد الخام. المعروف باسم "أبو الألياف البصرية" ، حصل كاو على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2009 عن عمله. مع زيادة الكمال والتطبيق العملي للألياف الضوئية ، فقد أحدثت ثورة في صناعة الاتصالات واستبدلت إلى حد كبير الأسلاك النحاسية كمكون أساسي للاتصالات الحديثة.
نظام اتصالات الألياف الضوئية هو نظام اتصال يستخدم الضوء كحامل للمعلومات والألياف الضوئية كوسيط توجيه الموجة. عندما تنقل الألياف الضوئية المعلومات ، يتم تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية ، والتي تنتقل بعد ذلك داخل الألياف. نظرًا لكونها تقنية اتصالات ناشئة ، فقد أظهرت اتصالات الألياف الضوئية تفوقًا لا مثيل له منذ البداية وجذبت اهتمامًا كبيرًا واهتمامًا واسع النطاق. كما ساهم الاستخدام الواسع النطاق للألياف الضوئية في الاتصالات في التطور السريع لمضخمات الألياف الضوئية وليزر الألياف في نفس الوقت. بالإضافة إلى الاتصالات ، تُستخدم أنظمة الألياف الضوئية أيضًا في مجموعة واسعة من التطبيقات في الطب والاستشعار ومجالات أخرى.
الألياف البصرية
وسيط كسب ليزر الألياف هو الألياف النشطة. وفقًا لهيكلها ، يمكن تقسيمها إلى ألياف أحادية الوضع ، وألياف مزدوجة الملبس ، وألياف بلورية ضوئية ثلاثية.
تتكون الألياف أحادية النمط من الألياف الضوئية أحادية الوضع من طبقة أساسية وتكسية وطبقة طلاء ، حيث يكون معامل الانكسار للمادة الأساسية n1 أعلى من معامل انكسار مادة الكسوة n2 ، عندما تكون زاوية سقوط الضوء الساقط أكبر من صورة زاوية حرجة ، شعاع الضوء في جوهر الانبعاث الكامل ، لذلك يمكن ربط الألياف بشعاع الضوء في انتشار الأساسية. لا يمكن للكسوة الداخلية للألياف أحادية الوضع أن تلعب دورًا مقيدًا لضوء المضخة متعدد الأوضاع ، كما أن الفتحة العددية للنواة منخفضة ، لذلك يمكن استخدام اقتران ضوء المضخة أحادي الوضع فقط في القلب للحصول على خرج الليزر. استخدمت الليزرات الليفية المبكرة هذه الألياف أحادية الوضع ، مما أدى إلى انخفاض كفاءة الاقتران والليزر بطاقة خرج في نطاق ملي واط.
ألياف مزدوجة الغلاف
من أجل التغلب على قيود الألياف التقليدية ذات النمط الفردي ، والمغطاة بالتربيوم (Yb3 plus) على كفاءة التحويل وطاقة الخرج ، اقترح Maurer (R.Morer) لأول مرة مفهوم الألياف المزدوجة الكسوة في عام 1974. منذ ذلك الحين ، لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1988 ، عندما اقترح E. Snitzer وآخرون تقنية ضخ الكسوة [3] ، تم تطوير ليزر / مضخمات الألياف عالية الطاقة Yb بسرعة.
الألياف ذات الغلاف المزدوج هي ألياف بصرية ذات هيكل خاص يضيف طبقة تكسية داخلية إلى الألياف التقليدية ، وتتكون من طبقة طلاء وطبقة تكسية داخلية وطبقة تكسية خارجية ولب ليفي مخدر. تعتمد تقنية ضخ الكسوة على ألياف ذات غلاف مزدوج ، يتمثل جوهرها في السماح بنقل ضوء المضخة متعدد الأوضاع في الكسوة الداخلية ونقل ضوء الليزر في القلب ، مما يسمح بكفاءة تحويل الضخ وإخراج الطاقة من يجب تحسين ألياف الليزر بشكل كبير. إن بنية الألياف ذات الكسوة المزدوجة ، وشكل الكسوة الداخلية ، وطريقة اقتران ضوء المضخة هي مفاتيح هذه التقنية.
يتكون قلب الألياف المزدوجة المكسوة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) مخدر بعناصر أرضية نادرة ، وهي عبارة عن وسيط الليزر وقناة نقل إشارة الليزر في ليزر الألياف ، والتي تتوافق مع طول موجة العمل. الحجم العرضي (عشرات المرات من قطر النواة التقليدية) والفتحة العددية للكسوة الداخلية أكبر بكثير من تلك الموجودة في اللب ، ومؤشر الانكسار أصغر من النواة ، مما يحد من انتشار ضوء الليزر تمامًا في الصميم. يؤدي ذلك إلى إنشاء دليل موجي ضوئي كبير للمقطع العرضي وفتحة رقمية كبيرة بين اللب والغطاء الخارجي ، مما يسمح بفتحة عددية كبيرة ، وضوء مقطعي كبير ومتعدد وضخ عالي الطاقة ليتم اقترانه بالألياف وحصره في ناقل الحركة داخل الكسوة الداخلية بدون انتشار ، مما يسهل صيانة الضخ البصري عالي الكثافة للطاقة. وتتكون الكسوة الخارجية من مادة بوليمر ذات معامل انكسار أصغر من الكسوة الداخلية ؛ الطبقة الخارجية عبارة عن طبقة واقية تتكون من مادة عضوية. يتم تحديد منطقة اقتران الألياف ذات الكسوة المزدوجة بالضوء الذي تم ضخه من خلال حجم الكسوة الداخلية ، على عكس الألياف أحادية الوضع التقليدية ، والتي يتم تحديدها بواسطة اللب وحده. من ناحية ، يعمل هذا على تحسين كفاءة اقتران الطاقة لليزر الألياف البشرية ، مما يسمح لضوء المضخة بالمرور عبر الكسوة الداخلية عدة مرات لإثارة أيونات مخدرة لانبعاث الليزر ؛ من ناحية أخرى ، يتم تحديد جودة شعاع الإخراج حسب طبيعة نواة الألياف ، ولا يؤدي إدخال الكسوة الداخلية إلى تدمير جودة الحزمة لإخراج ألياف الليزر.
في البداية ، كانت الكسوة الداخلية للألياف ذات الكسوة المزدوجة متماثلة أسطوانيًا وبسيطة نسبيًا في التصنيع وسهلة الاقتران بضفيرة صمام ثنائي ليزر المضخة (LD) ، ولكن تناسقها المثالي أدى إلى عدد كبير من الأشعة الحلزونية لضوء المضخة في الكسوة الداخلية التي لم تصل أبدًا إلى المنطقة الأساسية حتى بعد الانعكاسات الكافية ليتم امتصاصها من قبل اللب ، بحيث لا يزال هناك قدر كبير من تسرب الضوء حتى مع وجود ألياف أطول ، مما يجعل من الصعب تحسين كفاءة التحويل. لهذا السبب ، يجب كسر التماثل الأسطواني للكسوة الداخلية.
ألياف الكريستال الضوئية
في الألياف العادية ذات الغلاف المزدوج ، تحدد هندسة اللب طاقة الليزر الناتجة. تحدد الفتحة العددية جودة شعاع الليزر الناتج. نظرًا لقيود التأثيرات غير الخطية ، والضرر البصري والآليات الفيزيائية الأخرى في الألياف الضوئية ، فإن وسيلة واحدة لزيادة قطر النواة لا يمكن أن تلبي الطلب على تشغيل الوضع الفردي بإخراج طاقة عالية في ألياف الكسوة المزدوجة ذات المجال الكبير. يوفر ظهور ألياف خاصة ، مثل الألياف البلورية الضوئية (PCF) ، حلاً تقنيًا فعالًا لهذا التحدي.
تم تقديم مفهوم البلورات الضوئية لأول مرة بواسطة E. Yablonovitch في عام 19871 كهيكل دوري به ثوابت عازلة مختلفة في واحد أو اثنين أو ثلاثة أبعاد تسمح للضوء بالانتشار في نطاق التوصيل الضوئي ويمنع الضوء من الانتشار في فجوة النطاق الضوئية ( PBG). PCFs عبارة عن بلورات ضوئية ثنائية الأبعاد ، تُعرف أيضًا باسم الألياف المجهرية أو الألياف المسامية ، وفي عام 1996 JC Knight et al. أنتجت أول PCFs بآلية توجيه الضوء مماثلة لتلك الخاصة بالألياف التقليدية مع انعكاس داخلي كلي. بعد عام 2005 ، بدأ تصميم وإعداد وحدات PCF ذات المجال الكبير في التنويع ، مع ظهور أشكال مختلفة ، بما في ذلك قناة PCFs المتسربة ، و PCFs على شكل قضيب ، و PCFs الكبيرة ، و PCFs متعددة النواة. كما استمرت مساحة مجال الأسلوب للألياف في الزيادة وفقًا لذلك.
في المظهر ، تشبه PCFs إلى حد كبير الألياف التقليدية أحادية الوضع ، ولكنها تظهر مجهريًا هياكل معقدة من مصفوفة الثقوب. هذه الميزات الهيكلية هي التي تمنح PCFs مزايا فريدة لا مثيل لها مقارنة بالألياف التقليدية ، مثل النقل أحادي الوضع بدون قطع ، ومنطقة حقل الوضع الكبير ، والتشتت القابل للضبط ، وفقدان الحد المنخفض ، والتي يمكنها التغلب على العديد من تحديات الليزر التقليدي . على سبيل المثال ، يمكن أن يحقق PCF عملية أحادية الوضع في منطقة مجال ذات وضع كبير ، مع ضمان جودة الحزمة ، وتقليل كثافة طاقة الليزر بشكل كبير في الألياف ، وتقليل التأثيرات غير الخطية في الألياف وزيادة عتبة تلف الألياف ؛ يمكن أن تحقق فتحة عددية كبيرة ، مما يعني أنه يمكن تحقيق المزيد من اقتران بصري للمضخة وإخراج ليزر عالي الطاقة. وقد أدى ذلك إلى إبراز بحث جديد في ليزر الألياف ، حيث يلعب دورًا متزايد الأهمية في تطبيق ليزر الألياف عالي الطاقة.
اختراع ألياف الليزر
تُعرف الليزرات التي تستخدم الألياف الضوئية كوسيط اكتساب الليزر باسم الليزرات الليفية. مثل أنواع الليزر الأخرى ، يتكون من ثلاثة أجزاء: وسيط الكسب ومصدر المضخة وتجويف الرنين. تستخدم الليزرات الليفية أليافًا نشطة ذات قلب مخدر بعناصر أرضية نادرة كوسيط ربح. يستخدم ليزر أشباه الموصلات بشكل عام كمصدر للمضخة. يتكون تجويف الرنين عمومًا من مرايا عاكسة أو أسطح طرفية ليفية أو مرايا حلقية ليفية أو حواجز شبكية من الألياف.
وفقًا لخصائص المجال الزمني لليزر الألياف ، يمكن تقسيمه إلى ليزر ليفي مستمر وليزر ليف نابض ؛ وفقًا لهيكل التجويف الرنان ، يمكن تقسيمه إلى ليزر ألياف التجويف الخطي ، وليزر ألياف التجويف الموزع ، وليزر ألياف التجويف الدائري ؛ وفقًا للألياف المكتسبة وطرق الضخ المختلفة ، يمكن تقسيمها إلى ألياف ليزر أحادية الكسوة (ضخ الألياف الأساسية) وليزر ألياف مزدوج الكسوة (ضخ الكسوة).
في عام 1961 ، اكتشف Snitzer إشعاع الليزر في موجهات الموجات الزجاجية المصنوعة من النيوديميوم (Nd). في عام 1966 ، درس Kao بالتفصيل الأسباب الرئيسية لتوهين الضوء في الألياف الضوئية وأشار إلى المشكلات الفنية الرئيسية التي يجب حلها من أجل التطبيق العملي للألياف الضوئية في الاتصالات. في عام 1970 ، طورت شركة Corning في الولايات المتحدة الأمريكية أليافًا ضوئية بتوهين أقل من 20 ديسيبل / كم ، مما وضع الأساس لتطوير الاتصالات الضوئية وصناعة الإلكترونيات الضوئية. وضع هذا الأساس لتطوير صناعات الاتصالات الضوئية والإلكترونيات الضوئية. في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي ، وفر نضج تكنولوجيا الليزر شبه الموصلة وتسويقها مصدرًا موثوقًا ومتنوعًا للمضخات لتطوير الليزرات الليفية. في الوقت نفسه ، يؤدي تطوير طريقة ترسيب البخار الكيميائي إلى تقليل فقدان نقل الألياف الضوئية باستمرار. تتطور ليزر الألياف أيضًا بسرعة في اتجاه التنويع ، مع ألياف مخدرة بمجموعة متنوعة من العناصر الأرضية النادرة ، مثل الإربيوم (Er3 plus) ، الإيتربيوم (Yb3 plus) ، النيوديميوم (Nd3 plus) ، السماريوم (Sm 3 plus) ، الثوليوم (Tm3 plus) ، الهولميوم (Ho3 plus) ، البراسيوديميوم (Pr3 plus) ، الديسبروسيوم (Dy3 plus) ، البزموت (Bi3 plus) وما إلى ذلك. اعتمادًا على الأيونات المخدرة ، يمكن تحقيق أطوال موجية مختلفة لإخراج الليزر. لتلبية متطلبات التطبيقات المختلفة.
ميزات ليزر الألياف عالية الطاقة
مزايا ليزر الألياف عالية الطاقة كما يلي.
(1) جودة شعاع جيدة. يجعل هيكل الدليل الموجي للألياف الضوئية من السهل الحصول على إخراج وضع عرضي واحد ، وتأثير العوامل الخارجية صغير جدًا ، لتحقيق إخراج ليزر عالي السطوع.
(2) كفاءة عالية. ليزر الألياف عن طريق اختيار الطول الموجي للانبعاث وخصائص امتصاص العناصر الأرضية النادرة المخدرة لليزر أشباه الموصلات لمصدر المضخة ، يمكنك تحقيق إضاءة عالية جدًا وكفاءة تحويل الضوء. بالنسبة إلى الليزرات الليزرية عالية الطاقة المشبعة بالإيتربيوم ، اختر عمومًا ليزر أشباه الموصلات 915 نانومتر أو 975 نانومتر ، نظرًا لهيكل مستوى الطاقة البسيط لـ Yb3 plus ، من غير المرجح حدوث التحويل ، وامتصاص الحالة المثارة وانفجارات التركيز ، وعمر التألق أطول ويمكنه تخزين الطاقة بشكل فعال لتشغيل الطاقة العالية. تصل الكفاءة الكهروضوئية الإجمالية لليزر الألياف التجارية إلى 25 في المائة ، مما يؤدي إلى خفض التكلفة وتوفير الطاقة وحماية البيئة.
(3) خصائص تبديد الحرارة الجيدة. تُستخدم الليزرات الليفية كوسيط كسب ليزر باستخدام ألياف مخدرة رقيقة وعناصر أرضية نادرة مع مساحة سطح كبيرة جدًا إلى نسبة الحجم. حوالي 1000 مرة من ليزر الكتلة الصلبة ، من حيث قدرة تبديد الحرارة له ميزة طبيعية. لا يلزم تبريد خاص للألياف لحالات الطاقة المنخفضة والمتوسطة ، ويتم استخدام تبريد المياه في حالات الطاقة العالية ، والتي تتجنب أيضًا بشكل فعال تدهور جودة الحزمة وكفاءتها بسبب التأثيرات الحرارية الشائعة في ليزر الحالة الصلبة.
(4) هيكل مدمج وموثوقية عالية. نظرًا لأن ليزر الألياف يستخدم أليافًا صغيرة ومرنة كوسيط اكتساب الليزر ، فإنه يساعد على ضغط الحجم وتوفير التكاليف. يتم استخدام مصدر المضخة أيضًا بحجم صغير ، سهل إلى وحدات ليزر أشباه الموصلات المعيارية ، المنتجات التجارية متوفرة بشكل عام مع خرج جديلة ، جنبًا إلى جنب مع شبكة الألياف Bragg وأجهزة الألياف البصرية الأخرى ، طالما أن هذه الأجهزة مدمجة مع بعضها البعض لتحقيق الألياف الكاملة ، الحصانة من الاضطرابات البيئية ، مع الاستقرار العالي ، يمكن أن توفر وقت الصيانة وتكاليفها.
تحتوي ليزرات الألياف عالية الطاقة أيضًا على عيوب يصعب التغلب عليها: أحدها هو التعرض للتأثيرات غير الخطية. تتمتع الليزرات الليفية بطول فعال طويل وعتبة منخفضة للتأثيرات غير الخطية المختلفة بسبب هندسة أدلة الموجات الخاصة بها. يمكن أن تتسبب بعض التأثيرات غير الخطية الضارة مثل تشتت رامان المثير (SRS) ، وتعديل الطور الذاتي (SPM) ، وما إلى ذلك ، في حدوث تقلبات في الطور ونقل الطاقة على الطيف ، أو حتى تلف نظام الليزر ، مما يحد من تطوير الألياف عالية الطاقة الليزر. والثاني هو تأثير الفوتون القاتم. مع زيادة وقت الضخ ، يمكن أن يؤدي تأثير سواد الفوتون إلى تركيز عالي من المنشطات لكفاءة تحويل طاقة الألياف المخدرة بعناصر الأرض النادرة ، وانخفاض لا رجعة فيه ، مما يحد من الاستقرار على المدى الطويل وعمر خدمة ليزرات الألياف عالية الطاقة ، وهو أمر واضح بشكل خاص في ليزر الألياف عالي الطاقة المشبع بالإيتربيوم.
مع تقدم ليزر أشباه الموصلات المقترن بالألياف عالية السطوع وتقنية الألياف المزدوجة المغلفة ، تطورت بشكل كبير طاقة الإخراج وكفاءة التحويل البصري إلى البصري وجودة شعاع ليزر الألياف عالية الطاقة. في المعالجة الصناعية ، أسلحة الطاقة الموجهة ، القياس عن بعد بعيد المدى ، LIDAR والتطبيقات الأخرى للطلب الضخم ، إلى الولايات المتحدة Apache Photonics (IPG Photonics) ، Nufern (Nufern) ، Nlight (Nlight) و Germany Tong Express Group ، بشكل أساسي أطلقت وحدات البحث على الموجة المستمرة ، والبحث والتطوير بالليزر عالي الطاقة الموجة النبضية ، خطوط إنتاج غنية. تم الإبلاغ عن نتائج مثيرة أيضًا من قبل عدد من الوحدات في الصين ، بما في ذلك جامعة تسينغهوا ، والجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع ، ومعهد شنغهاي للبصريات والآلات الدقيقة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم ، ومعهد الأبحاث الرابع التابع لمعهد علوم الفضاء الصيني و شركة الصناعة.
تقنية تعزيز طاقة الليزر الليفي
نظرًا للتأثيرات غير الخطية في ليزر الألياف والتأثيرات الحرارية وقيود عتبة تلف المواد ، فإن طاقة خرج ليزر ليفي واحد محدودة إلى حد معين ، ومع زيادة الطاقة ، تنخفض جودة الحزمة تدريجيًا ، مما يتطلب الاستخدام تقنية التحكم في الوضع وتصميم هيكل خاص للألياف الجديدة لتحسين جودة الحزمة. قام Dawson (JW Dawson) وآخرون نظريًا بتحليل حد قدرة الخرج لليف واحد وحسبوا أنه في ليزر الألياف عريض النطاق يمكن للألياف الواحدة الحصول على طاقة قصوى تبلغ 36 كيلو وات بالقرب من خرج الليزر حد الانعراج ، بينما بالنسبة لليزر الألياف ذات النطاق الضيق ، فإن الحد الأقصى الطاقة 2 كيلو واط. من أجل زيادة تعزيز طاقة الإخراج لليزر الليفي ومكبر الصوت ، يعد تخليق الطاقة لليزر ليفي متعدد بواسطة تقنية التوليف المتماسك طريقة فعالة. لقد أصبحت نقطة ساخنة للبحث الدولي في السنوات الأخيرة.
يتم تحقيق التوليف المتماسك من خلال التحكم في الطور والتردد والاستقطاب لكل شعاع ليزر باتساق معين ، بحيث يفي بشرط التماسك ويحصل على خرج متجانس مغلق الطور ، والذي يمكن أن يحصل على كثافة ذروة أعلى بكثير من بسيطة غير متماسكة التراكب والحفاظ على جودة شعاع جيدة. يمتد تاريخ تطوير تقنية التوليف المتماسك تقريبًا إلى ما يقرب من تاريخ الليزر نفسه ، ويتضمن أنواعًا مختلفة من الليزر الغازي ، والليزر الكيميائي ، وأشباه الموصلات وأشعة الليزر ، وما إلى ذلك ، ومع ذلك ، بسبب عدم نضج الأجهزة المختلفة في الأيام الأولى ، لم تخترق النتائج التجريبية التي تم تحقيقها بواسطة تقنية التوليف المتماسك الطاقة القصوى الناتجة عن الليزر أحادي الوصلة المقابل في ذلك الوقت ، لذلك لم يكن التأثير واضحًا جدًا. منذ التسعينيات فصاعدًا ، أدى ظهور الليزرات الليفية إلى تطور سريع لتقنيات التوليف المتماسكة. بالإضافة إلى المزايا الفريدة لليزر الليفي والحاجة إلى الاستخدام التكتيكي لمئات الكيلوات ، فقد لعبت العديد من الأجهزة (مثل مقرنات الألياف المخروطية والألياف متعددة النواة ومعدلات الطور مع أسلاك التوصيل المصنوعة ومحولات التردد الصوتية والبصرية ، وما إلى ذلك). دور حاسم في النشر التجاري لاتصالات الألياف البصرية. تسهل قارنات الألياف المخروطية والألياف متعددة النواة التحكم السلبي في الطور استنادًا إلى اقتران حقن طاقة الليزر والاقتران السريع للموجة ، بينما تتيح مُعدِّلات الطور مع أسلاك التوصيل المصنوعة ومحولات التردد الصوتية البصرية التحكم في الطور النشط مع عرض نطاق تحكم ميغا هرتز ، والذي يمكن استخدامه للتحكم في تقلبات الطور عند ظروف طاقة عالية وتحقيق مخرجات طور مغلق. اقترح الباحثون عددًا من مخططات التوليف المتماسكة المميزة.
التوليف الطيفي هو أسلوب توليف غير متماسك يستخدم واحدًا أو أكثر من حواجز الانعراج لتحيد عدة حزم فرعية في نفس الفتحة ، مما ينتج عنه إخراج فتحة واحدة بجودة شعاع جيدة. يمكن للتوليف الطيفي لليزر الليفي الاستفادة الكاملة من عرض النطاق الترددي الواسع للليزر الليفي المشبع من Yb للتعويض عن طاقة الإخراج المحدودة لليزر ليفي واحد.
