Vyšší výkon, kratší pulzy a silnější jas jsou neustálou snahou o vývoj laserové technologie. Při průmyslové aplikaci pulzních laserů mají krátké pulzy a vysoké špičkové hodnoty důležitý vliv na efekt zpracování materiálu. Ve srovnání s pevnolátkovými lasery mají vláknové lasery více výhod v průměrném výkonu, ale jsou výrazně omezeny ve špičkovém výkonu. Šířka pulsu vláknových pulsních laserů byla dlouhou dobu omezena na více než ns, se špičkovou hodnotou nižší než 15kW a standardem 100ns 1mJ.
Metody pro zvýšení pulzního špičkového výkonu
V sekvenci laserových pulzů znázorněné na OBR. 1 je špičkový výkon roven energii pulzu dělené šířkou pulzu. Proto za stejných energetických podmínek může zkrácení šířky pulzu značně zvýšit špičkový výkon. Za stejných podmínek šířky pulzu může zvýšení špičkové hodnoty zvýšit energii pulzu.
Mezi pevnými pulzními lasery, které jsou v současnosti na hlavním průmyslovém trhu, může energie laserů o šířce nanosekundového pulzu dosáhnout úrovně mJ. Vypočteno při energii 1 mJ a šířce pulzu 10 ns může špičkový výkon dosáhnout 100 kW. Energie pikosekundových pulzních laserů se pohybuje kolem 300μJ. Vypočteno při 10ps, špičkový výkon může dosáhnout 30MW. Energie femtosekundových pulzních laserů je 100μJ a šířka pulzu je 500fs, takže špičkový výkon dosahuje 200MW. Pro srovnání, špičkový výkon konvenčních nanosekundových pulzních laserů MOPA je kolem 10 kW, což je mnohem méně než indikátory pevných laserů.
Omezující faktory při zvyšování špičkového výkonu pulzního vlákna
Mezi hlavní omezující faktory patří pět položek: omezená nosnost, omezený integrál B, omezená účinnost extrakce, omezená kvalita paprsku a stav omezené polarizace. Různá řešení fyzikálních mechanismů současně patří k různým úrovním návrhu, včetně: materiálu matrice, pole se zvýšeným videm, struktura řízeného vidu a struktura polarizace patří k úrovni návrhu vlákna; rozpínání paprsku koncového uzávěru, buzení režimu, filtrování režimů patří k úrovni návrhu zařízení; režim čerpání, filtrace izolace a řízení polarizace patří do konstrukční úrovně jednotky; zvýšená šířka pásma, výběr šířky pulzu, výběr opakovací frekvence a přidělení zisku patří k úrovni návrhu systému.
Kromě výše uvedených pěti položek zde nejsou uvedeny tepelné efekty, které je třeba vzít v úvahu u kontinuálních vysoce výkonných vláknových laserů, protože průměrný výkon vláknového zesilovače s vysokým špičkovým výkonem, který sledujeme, je mnohem nižší než rozsah, ve kterém je tepelný vliv může hrát významnou roli, proto se zde nebudeme zabývat.
Nosnost je omezena intenzitou laseru. Fyzikální mechanismus zahrnuje poškození těla a poškození povrchu. Mezi nimi lze povrchovému poškození zabránit technologií zakončení a poškození těla je omezeno vlastnostmi materiálu matrice vláken, což je limitující limitující faktor. Obvykle je prahová hodnota intenzity světla asi 4,75 kW/μm2. Pro průměr pole režimu 50 μm dosahuje odpovídající práh výkonu poškození 9,3 MW, což je mnohem více než aktuální špičkový výkon jádra pulzního vláknového laseru a vyšší než prahový výkon samozaostřování. Poškození těla proto není problém, který by bylo třeba v současnosti brát v úvahu.
Účinnost extrakce je omezena především zesílením spontánní emise (ASE), rozložením zisku vícestupňového zesilovače a pracovním cyklem pulzu v rámci stupně. Zejména za podmínek subnanosekundového krátkého pulzního zesílení ASE přímo omezuje nárůst pulzní energie a špičkového výkonu. Omezení ASE však lze potlačit racionálním návrhem vícestupňových zesilovačů, optimalizací distribuce mezistupňového zisku a metod čerpání a snížením ASE složky přenášené do následujícího stupně spektrální filtrací a akusticko-optickou filtrací. Rozumná distribuce zesílení mezi fázemi může také pomoci potlačit problémy se saturací zesílení pulzu a získat dokonalejší průběhy pulzu.
Kvalita paprsku je omezena a měřena faktorem kvality paprsku M2. Pro získání výstupu základního režimu je hlavní věcí zajistit jednovidový nebo několikavidový provoz prostřednictvím návrhu struktury optického vlnovodu. Na tomto základě se ke zlepšení kvality paprsku používá řízení režimu buzení během fúze vláken o různém průměru jádra a metody filtrování režimu, jako je navíjení vlákna. V současné době je konvenční optické vlákno, které může zaručit vysokou kvalitu výstupu paprsku, 30/250 a jádro speciálních optických vláken, jako jsou fotonické krystaly, lze rozšířit na přibližně 100 μm. Tato velikost pole režimu je stále příliš malá ve srovnání s velikostí bodu na milimetrové úrovni průmyslových pevnolátkových laserů. Mnoho nelineárních efektů zmíněných později souvisí s integrálem B, který je nepřímo úměrný ploše pole režimu.
Polarizační stav je omezen a měřen stupněm polarizace. Fyzikálním mechanismem je především polarizační charakteristika vlnovodu optického vlákna. V běžných optických vláknech s dvojitým pláštěm se lineárně polarizované světlo depolarizuje a stupeň depolarizace je citlivý na ohyb a parametry prostředí, což ztěžuje udržení stabilního výstupu polarizačního stavu. Za stejných podmínek je práh špičkového výkonu polarizovaného světla obecně poloviční než u nepolarizovaného světla, protože nepolarizované světlo lze rozložit na dvě ortogonální složky nepolarizovaného světla.
Nelineární efekty třetího řádu v optických vláknech lze rozdělit do dvou kategorií: jednou je efekt modulace indexu lomu vyvolaný intenzitou světla, včetně samofázové modulace (SPM), křížové fázové modulace (XPM), modulační nestability (MI) , čtyřvlnné míchání (FWM) a samozaostřování (SF); druhým je efekt neelastického rozptylu světla, který zahrnuje výměnu energie mezi fotony a vibrace mřížky materiálu matrice, včetně stimulovaného Brillouinova rozptylu (SBS) a stimulovaného Ramanova rozptylu (SRS).
Mezi nimi nejvyšší limit závisí na prahu samozaostřování, který je pro materiály z optických vláken asi 4 MW. Pod prahem samozaostřování je stimulovaný Ramanův rozptyl nejdůležitějším omezením, protože spektrální frekvenční posun Ramanova světla ve srovnání se světlem se základní frekvencí je až 60nm. Příliš vysoké Ramanovy složky vážně ovlivní funkci magnetooptického krystalu izolátoru a způsobí také velkou chromatickou aberaci čočky. Obrázek ukazuje vývoj samozaostřovací filamentace generované, když špičkový výkon v optickém vláknu překročí práh samozaostřování.
Naše adresa
B-1507 Ruiding Mansion, č. 200 Zhenhua Rd, okres Xihu
Telefonní číslo
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
