A لیزر فیبری از فیبر شیشه‌ای دوپ‌شده با فلزات کمیاب به‌عنوان محیط تقویت‌کننده استفاده می‌کند و فیبر دوپ‌شده با یتریم یکی از اجزای اصلی در سیستم‌های لیزر فیبری یتریم با توان بالا است. با توجه به توان خروجی لیزرهای فیبری با افزایش، چالش‌های مختلفی همچون “کشنده‌های پایداری” مانند ناپایداری حالت عرضی (TMI)، پراکندگی رامان تحریک‌شده (SRS) و آسیب حرارتی پدیدار شده‌اند.

اخیراً ژائو جویون، مدیر محصول شرکت کیپین فیبر لیزر، بینش‌های آنلاین خود را درباره‌ی “فناوری‌های پیشرفته و کاربردهای نوآورانه لیزرهای فیبر پرقدرت” به اشتراک گذاشت و جزئیات نحوه مقابله با “قاتلان” پایداری را در لیزرهای فیبری. بیایید نکات اصلی مورد بحث را مرور کنیم.

اصول و ساختار لیزر فیبر

A لیزر فیبری عمدتاً از سه جزء تشکیل شده است: منبع پمپ، محیط تقویت (فیبر فعال)، و محفظه تشدید.

اصول لیزر فیبر حفره‌ای تشدیدکنندهتوان لیزر نیمه‌رسانای پمپ از طریق گریتینگ‌های فیبری (HR برای بازتاب‌پذیری بالا، OC برای بازتاب‌پذیری پایین) به فیبر دوپ شده با یتریم (YDF) تزریق می‌شود. فیبر یتریم‌دوپ شده نور پمپ را جذب می‌کند، منجر به وارونگی جمعیت می‌شود و تابش خودجوش تولید می‌کند. این تابش سپس در محفظهٔ ایجادشده توسط گریتیگ‌های فیبر از طریق انتشار تحریک‌شده تقویت شده و خروجی لیزر را ایجاد می‌کند که در ادامه از طریق کابل نوری خروجی هدایت می‌شود.

ساختار تقویت‌کننده، اصل لیزر فیبریمشابه محفظهٔ رزوناتور، تفاوت در لیزر بذر مرحلهٔ قبلی است که نیازمندی‌های توان اجزای جداگانه را کاهش داده و بدین ترتیب امکان خروجی توان بالاتر را فراهم می‌کند.

اثر ناپایداری حالت عرضی (TMI) در لیزرهای فیبری

ناپایداری حالت عرضی (TMI) زمانی رخ می‌دهد که توان بالا لیزرهای فیبری به آستانه‌ای مشخص برسد. با افزایش توان خروجی یا پس از گذشت مدت زمان معین، حالت خروجی از یک حالت بنیادی پایدار به یک حالت مرتبهٔ بالا ناپایدار تغییر می‌کند. این امر به افت کیفیت پرتو منجر می‌شود و افزایش توان خروجی را محدود می‌کند. در موارد شدید، می‌تواند اثربخشی یک را تضعیف کند. لیزر فیبری, و باعث می‌شود که از آنچه تبلیغ شده است کمتر مؤثر باشد.

اصول و داده‌های تجربی بر روی ناپایداری مد

پس از وقوع ناپایداری مد، توان بین مد پایه و مدهای مرتبه بالاتر همچنان کوپل باقی می‌ماند و توان کل ثابت حفظ می‌شود. وقتی سازوکارهایی مانند فیلترینگ خمیدگی وجود دارد، مد پایه تلفات کمتری دارد و مدهای مرتبه بالاتر تلفات خمیدگی بیشتری را تجربه می‌کنند که منجر به حذف مدهای مرتبه بالاتر می‌شود و خروجی در حوزه زمانی جیتری از مد پایه نشان می‌دهد.

عوامل مؤثر بر ناپایداری مد

برخلاف لیزرهای پرانرژی سنتی، ناپایداری مد در لیزرهای فیبری به‌دلیل اثرات حرارتی و کوپلینگ بین مدهای فیبر ایجاد می‌شود. بنابراین، عواملی که بر ناپایداری مد تأثیر می‌گذارند، نه تنها به گرمای هدررفته مربوط می‌شوند، بلکه به ویژگی‌های مد فیبر نیز بستگی دارند. عوامل اصلی مؤثر عبارتند از:

ویژگی‌های دوپینگ فیبر: غلظت دوپینگ و شعاع ناحیهٔ دوپینگ.

اثرهای تاریک شدنتأثیرات بر توان نور سیگنال، نویز قدرت سیگنال و نسبت مدهای مرتبهٔ بالاتر اولیهٔ سیگنال.

ویژگی‌های پمپتوان پمپ، طول موج و مدولاسیون شدت.

روش پمپپمپاژ رو به جلو، پمپاژ رو به عقب، پمپاژ جانبی و پمپاژ دوطرفه.

جنس فیبرقطر هستهٔ فیبر، قطر روکش و گشودگی عددی.

عوامل مؤثر بر حالت فیبر: اتلافات مد مرتبه بالا، توان خنک‌کنندگی سیستم و خواص قطبش فیبر.

روش‌هایی برای سرکوب ناپایداری مد

برای مقابله با ناپایداری حالت، اقدامات بر بهبود مدیریت حرارتی و قابلیت‌های کنترل حالت متمرکز است.

بهبود مدیریت حرارتیبا تنظیم نسبت هسته به پوسته فیبر، تغییر طول موج پمپ نیمه‌رسانا، افزایش توان تزریق سیگنال و بهینه‌سازی جهت نور پمپ، اشباع بهره بهبود یافته و آسیب حرارتی کاهش می‌یابد.

بهبود کنترل حالتافزایش تلفات خمش (با کاهش شعاع خمش، کاهش عدد نوری هستهٔ فیبر و بهینه‌سازی روش‌های پیچاندن فیبر) می‌تواند به سرکوب حالت‌های مرتبهٔ بالاتر کمک کرده و پایداری خروجی را بهبود بخشد.

پراکندگی رامان تحریک‌شده (SRS) در لیزرهای فیبری

پراکندگی رامان تحریک‌شده (SRS) زمانی رخ می‌دهد که فوتون لیزر با محیط تعامل می‌کند و باعث جابه‌جایی به طول‌موج‌های بلندتر می‌شود. SRS یک اثر غیرخطی عمده است که افزایش در لیزر فیبری توان. برای فیبرهای دوپ‌شده با یتربیوم، اثر SRS به قطر هسته، طول فیبر، غلظت دوپ و روش پمپاژ بستگی دارد.

روش‌هایی برای سرکوب پراکندگی رامان تحریک‌شده

تأثیر قطر هستهبا افزایش توان پمپ، SRS در سطوح توان پمپ بالاتر رخ می‌دهد. افزایش قطر هستهٔ فیبر به‌طور قابل‌توجهی آستانه توان SRS را بالا می‌برد.

تأثیر طول الیافSRS با افزایش طول فیبر کاهش می‌یابد. با کاهش طول فیبر می‌توان توان خروجی را افزایش داد.

تأثیر غلظت دوپینگبا افزایش غلظت دوپینگ، آستانه SRS کاهش می‌یابد که منجر به کاهش توان خروجی لیزر می‌شود. در لیزرهای فیبری پرقدرت، فیبرهایی با غلظت دوپینگ پایین برای کاهش اثرات SRS انتخاب می‌شوند.

توسعات آینده در فناوری لیزر فیبر

به لطف پیشرفت‌ها در فناوری فیبر تقویت‌کننده با ناحیه مد بزرگ (LMA)، منابع پمپ نیمه‌رسانا با توان و روشنایی بالا، و فناوری کوپلینگ پمپ با توان بالا،, لیزرهای فیبری انتظار می‌رود که به سمت سطوح توان بالاتر و کیفیت پرتو بهتر توسعه یابند.