A λέιζερ ινών χρησιμοποιεί γυάλινη ίνα με ντοπαρισμένες σπάνιες γαίες ως μέσο κέρδους και η ίνα με ντοπαρισμένο ύττερβιο είναι ένα από τα βασικά εξαρτήματα στα συστήματα λέιζερ ινών με ντοπαρισμένο ύττερβιο υψηλής ισχύος. Καθώς η ισχύς εξόδου του λέιζερ ινών αυξάνεται, έχουν αναδειχθεί ως προκλήσεις διάφοροι “δολοφόνοι” της σταθερότητας, όπως η αστάθεια εγκάρσιου τρόπου λειτουργίας (Transverse Mode Instability - TMI), η διεγερμένη σκέδαση Ραμάν (Stimulated Raman Scattering - SRS) και η θερμική βλάβη.

Πρόσφατα, ο Zhao Juyun, ο Διευθυντής Προϊόντων της Kepin Fiber Laser, μοιράστηκε διαδικτυακές ιδέες σχετικά με τις “Τεχνολογίες αιχμής και καινοτόμες εφαρμογές των λέιζερ ινών υψηλής ισχύος”, περιγράφοντας λεπτομερώς τον τρόπο καταπολέμησης των “δολοφόνων” σταθερότητας στην λέιζερ ινών. Ας επανεξετάσουμε τα κύρια σημεία που συζητήθηκαν.

Αρχή και δομή λέιζερ ινών

A λέιζερ ινών αποτελείται κυρίως από τρία στοιχεία: την πηγή άντλησης, το μέσο ενίσχυσης (ενεργή ίνα) και την κοιλότητα του συντονιστή.

Αρχή λέιζερ οπτικών ινών με κοιλότητα συντονιστή: Η ισχύς του λέιζερ ημιαγωγού αντλίας εγχέεται στην ίνα διπλής επένδυσης (YDF) με ιώδιο ιττερβίου μέσω πλεγμάτων ίνας (HR για υψηλή ανακλαστικότητα, OC για χαμηλή ανακλαστικότητα). Η ίνα με πρόσμιξη ιττερβίου απορροφά το φως της αντλίας, οδηγώντας σε αντιστροφή πληθυσμού, και παράγει αυθόρμητη ακτινοβολία. Αυτή η ακτινοβολία ενισχύεται στη συνέχεια με διεγερμένη εκπομπή στην κοιλότητα που σχηματίζεται από τα πλέγματα της ίνας, δημιουργώντας έξοδο λέιζερ, η οποία στη συνέχεια οδηγείται προς τα έξω μέσω του οπτικού καλωδίου εξόδου.

Δομή ενισχυτή Αρχή λέιζερ ινών: Παρόμοια με την κοιλότητα αντηχείου, η διαφορά έγκειται στο λέιζερ εκκίνησης από το προηγούμενο στάδιο, μειώνοντας τις απαιτήσεις ισχύος για τα επιμέρους εξαρτήματα, επιτρέποντας έτσι την παραγωγή μεγαλύτερης ισχύος.

Επίδραση αστάθειας εγκάρσιου τρόπου λειτουργίας (TMI) σε λέιζερ οπτικών ινών

Η αστάθεια εγκάρσιου τρόπου λειτουργίας (Transverse Mode Instability, TMI) εμφανίζεται όταν οι υψηλής ισχύος λέιζερ ινών φτάσει ένα συγκεκριμένο όριο. Καθώς η ισχύς εξόδου αυξάνεται ή μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, η λειτουργία εξόδου μεταβαίνει από μια σταθερή θεμελιώδη λειτουργία σε μια ασταθή λειτουργία υψηλής τάξης. Αυτό οδηγεί σε υποβάθμιση της ποιότητας της δέσμης και περιορίζει την αύξηση της ισχύος εξόδου. Σε σοβαρές περιπτώσεις, μπορεί να υπονομεύσει την αποτελεσματικότητα ενός λέιζερ ινών, καθιστώντας το λιγότερο αποτελεσματικό από ό,τι διαφημίζεται.

Αρχή και πειραματικά δεδομένα για την αστάθεια τρόπου λειτουργίας

Μετά την αστάθεια του τρόπου λειτουργίας, η ισχύς μεταξύ του θεμελιώδους και του τρόπου λειτουργίας υψηλής τάξης συνεχίζει να συνδέεται, διατηρώντας σταθερή τη συνολική ισχύ. Όταν υπάρχουν μηχανισμοί όπως το φιλτράρισμα κάμψης, ο θεμελιώδης τρόπος έχει μικρότερες απώλειες και οι τρόποι υψηλότερης τάξης εμφανίζουν σημαντικότερες απώλειες κάμψης, με αποτέλεσμα οι τρόποι υψηλής τάξης να φιλτράρονται και η έξοδος να εμφανίζει τρεμούλιασμα του θεμελιώδους τρόπου στο πεδίο του χρόνου.

Παράγοντες που επηρεάζουν την αστάθεια λειτουργίας

Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά λέιζερ υψηλής ενέργειας, η αστάθεια του τρόπου λειτουργίας προκαλείται από θερμικά φαινόμενα και τη σύζευξη μεταξύ των τρόπων λειτουργίας της ίνας. Επομένως, οι παράγοντες που επηρεάζουν την αστάθεια τρόπου λειτουργίας δεν σχετίζονται μόνο με την απορριπτόμενη θερμότητα αλλά και με τα χαρακτηριστικά τρόπου λειτουργίας της ίνας. Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν είναι οι εξής:

Χαρακτηριστικά προσμίξεων ινών: Συγκέντρωση ντοπαρίσματος και ακτίνα της περιοχής ντοπαρίσματος.

Επιδράσεις συσκότισης: Επιπτώσεις στην ισχύ φωτός του σήματος, στον θόρυβο ισχύος του σήματος και στον αρχικό λόγο λειτουργίας υψηλής τάξης του σήματος.

Χαρακτηριστικά αντλίας: Ισχύς αντλίας, μήκος κύματος και διαμόρφωση έντασης.

Μέθοδος αντλίας: Αντλία προς τα εμπρός, άντληση προς τα πίσω, πλευρική άντληση και αμφίδρομη άντληση.

Υλικό ινών: Διάμετρος πυρήνα ίνας, διάμετρος επένδυσης και αριθμητικό άνοιγμα.

Παράγοντες επιρροής του τρόπου λειτουργίας ινών: απώλειες τρόπου λειτουργίας υψηλής τάξης, ικανότητα ψύξης του συστήματος και ιδιότητες πόλωσης της ίνας.

Μέθοδοι καταστολής της αστάθειας λειτουργίας

Για την αντιμετώπιση της αστάθειας λειτουργίας, τα μέτρα επικεντρώνονται στη βελτίωση της θερμικής διαχείρισης και των δυνατοτήτων ελέγχου λειτουργίας.

Ενίσχυση της θερμικής διαχείρισης: Ρυθμίζοντας την αναλογία πυρήνα-περιβλήματος της ίνας, αλλάζοντας το μήκος κύματος της αντλίας ημιαγωγού, αυξάνοντας την ισχύ έγχυσης σήματος και βελτιστοποιώντας την κατεύθυνση του φωτός αντλίας, ο κορεσμός του κέρδους μπορεί να βελτιωθεί, μειώνοντας τις θερμικές βλάβες.

Βελτίωση του ελέγχου λειτουργίας: Η αύξηση της απώλειας κάμψης (με μείωση της ακτίνας κάμψης, μείωση του αριθμητικού ανοίγματος του πυρήνα της ίνας και βελτιστοποίηση των μεθόδων περιέλιξης της ίνας) μπορεί να βοηθήσει στην καταστολή των τρόπων υψηλότερης τάξης και στη βελτίωση της σταθερότητας της εξόδου.

Διεγερμένη σκέδαση Raman (SRS) σε λέιζερ ινών

Η διεγερμένη σκέδαση Raman (SRS) συμβαίνει όταν ένα φωτόνιο λέιζερ αλληλεπιδρά με το μέσο, προκαλώντας μετατόπιση σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Η SRS είναι ένα σημαντικό μη γραμμικό φαινόμενο που περιορίζει την αύξηση της λέιζερ ινών δύναμη. Για τις ίνες με ντοπαρισμένο ύττερβιο, το φαινόμενο SRS εξαρτάται από τη διάμετρο του πυρήνα, το μήκος της ίνας, τη συγκέντρωση ντοπαρίσματος και τη μέθοδο αντλίας.

Μέθοδοι καταστολής της διεγερμένης σκέδασης Raman

Διάμετρος πυρήνα Επιπτώσεις: Καθώς αυξάνεται η ισχύς της αντλίας, η SRS εμφανίζεται σε υψηλότερα επίπεδα ισχύος της αντλίας. Η αύξηση της διαμέτρου του πυρήνα της ίνας αυξάνει σημαντικά το κατώφλι ισχύος SRS.

Μήκος ινών Επιπτώσεις: SRS μειώνεται καθώς αυξάνεται το μήκος της ίνας. Μειώνοντας το μήκος της ίνας, η ισχύς εξόδου μπορεί να αυξηθεί.

Επίδραση της συγκέντρωσης ντόπινγκ: Καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση ντοπαρίσματος, το κατώφλι για SRS μειώνεται, με αποτέλεσμα χαμηλότερη ισχύ λέιζερ εξόδου. Στα λέιζερ ινών υψηλής ισχύος, επιλέγονται ίνες χαμηλής συγκέντρωσης ντοπαρίσματος για τον μετριασμό των φαινομένων SRS.

Μελλοντικές εξελίξεις στην τεχνολογία Fiber Laser

Χάρη στις εξελίξεις στην τεχνολογία ινών κέρδους Large Mode Area (LMA), στις πηγές αντλίας ημιαγωγών υψηλής ισχύος και φωτεινότητας και στην τεχνολογία ζεύξης αντλίας υψηλής ισχύος, λέιζερ ινών αναμένεται να συνεχίσουν να αναπτύσσονται προς υψηλότερα επίπεδα ισχύος και καλύτερη ποιότητα δέσμης.