A laser serat menggunakan serat kaca yang didoping tanah jarang sebagai media penguatan, dan serat yang didoping ytterbium adalah salah satu komponen inti dalam sistem laser serat yang didoping ytterbium berdaya tinggi. Sebagai daya keluaran dari laser serat meningkat, berbagai “pembunuh” stabilitas seperti Transverse Mode Instability (TMI), Stimulated Raman Scattering (SRS), dan kerusakan termal telah muncul sebagai tantangan.

Baru-baru ini, Zhao Juyun, Direktur Produk Kepin Fiber Laser, berbagi wawasan online tentang “Teknologi Mutakhir dan Aplikasi Inovatif Laser Serat Daya Tinggi,” yang merinci cara memerangi “pembunuh” stabilitas dalam laser serat. Mari kita tinjau kembali poin-poin utama yang dibahas.

Prinsip dan Struktur Laser Serat

A laser serat terutama terdiri dari tiga komponen: sumber pompa, media penguatan (serat aktif), dan rongga resonator.

Prinsip Laser Serat Rongga Resonator: Daya laser semikonduktor pompa disuntikkan ke dalam serat berlapis ganda yang didoping ytterbium (YDF) melalui kisi-kisi serat (HR untuk reflektifitas tinggi, OC untuk reflektifitas rendah). Serat yang didoping ytterbium menyerap cahaya pompa, yang menyebabkan pembalikan populasi, dan menghasilkan radiasi spontan. Radiasi ini kemudian diperkuat oleh emisi terstimulasi dalam rongga yang dibentuk oleh kisi-kisi serat, menciptakan output laser, yang kemudian dipandu keluar melalui kabel optik output.

Prinsip Laser Serat Struktur Penguat: Serupa dengan rongga resonator, perbedaannya terletak pada laser seed dari tahap sebelumnya, mengurangi kebutuhan daya untuk masing-masing komponen, sehingga memungkinkan output daya yang lebih tinggi.

Efek Ketidakstabilan Mode Melintang (TMI) pada Laser Serat

Ketidakstabilan Mode Melintang (TMI) terjadi ketika daya tinggi laser serat mencapai ambang batas tertentu. Saat daya output meningkat atau setelah jangka waktu tertentu, mode output beralih dari mode fundamental yang stabil ke mode orde tinggi yang tidak stabil. Hal ini menyebabkan penurunan kualitas sinar dan membatasi peningkatan daya output. Dalam kasus yang parah, hal ini dapat merusak efektivitas laser serat, sehingga kurang efektif daripada yang diiklankan.

Prinsip dan Data Eksperimental tentang Ketidakstabilan Mode

Setelah ketidakstabilan mode terjadi, daya antara mode fundamental dan mode orde tinggi terus berpasangan, mempertahankan daya total yang konstan. Ketika mekanisme seperti penyaringan tikungan hadir, mode fundamental memiliki kehilangan yang lebih kecil, dan mode orde tinggi mengalami kehilangan tikungan yang lebih signifikan, sehingga mode orde tinggi disaring, dan output menunjukkan jitter mode fundamental dalam domain waktu.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Ketidakstabilan Moda

Tidak seperti laser energi tinggi tradisional, ketidakstabilan mode disebabkan oleh efek termal dan penggabungan antara mode serat. Oleh karena itu, faktor yang mempengaruhi ketidakstabilan mode tidak hanya berhubungan dengan panas yang terbuang, tetapi juga karakteristik mode serat. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi adalah:

Karakteristik Doping Serat: Konsentrasi doping dan radius wilayah doping.

Efek Penggelapan: Berdampak pada daya cahaya sinyal, noise kekuatan sinyal, dan rasio mode orde tinggi awal sinyal.

Karakteristik Pompa: Daya pompa, panjang gelombang, dan modulasi intensitas.

Metode Pompa: Pemompaan maju, pemompaan mundur, pemompaan samping, dan pemompaan dua arah.

Bahan Serat: Diameter inti serat, diameter kelongsong, dan aperture numerik.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Mode Serat: Rugi-rugi mode orde tinggi, kemampuan pendinginan sistem, dan sifat polarisasi serat.

Metode untuk Menekan Ketidakstabilan Mode

Untuk mengatasi ketidakstabilan mode, tindakan fokus pada peningkatan manajemen termal dan kemampuan kontrol mode.

Meningkatkan Manajemen Termal: Dengan menyesuaikan rasio selubung inti serat, mengubah panjang gelombang pompa semikonduktor, meningkatkan daya injeksi sinyal, dan mengoptimalkan arah cahaya pompa, saturasi penguatan dapat ditingkatkan, sehingga mengurangi kerusakan termal.

Meningkatkan Kontrol Mode: Meningkatkan kehilangan tekukan (dengan mengurangi radius tekukan, mengurangi bukaan numerik inti serat, dan mengoptimalkan metode penggulungan serat) dapat membantu menekan mode orde lebih tinggi dan meningkatkan stabilitas output.

Hamburan Raman Terstimulasi (SRS) dalam Laser Serat

Stimulated Raman Scattering (SRS) terjadi ketika foton laser berinteraksi dengan medium, menyebabkan pergeseran ke panjang gelombang yang lebih panjang. SRS adalah efek nonlinier utama yang membatasi peningkatan laser serat daya. Untuk serat yang didoping ytterbium, efek SRS tergantung pada diameter inti, panjang serat, konsentrasi doping, dan metode pompa.

Metode untuk Menekan Hamburan Raman Terstimulasi

Dampak Diameter Inti: Ketika daya pompa meningkat, SRS terjadi pada tingkat daya pompa yang lebih tinggi. Meningkatkan diameter inti serat secara signifikan meningkatkan ambang batas daya SRS.

Dampak Panjang Serat: SRS berkurang seiring bertambahnya panjang serat. Dengan mengurangi panjang serat, daya output dapat ditingkatkan.

Dampak Konsentrasi Doping: Saat konsentrasi doping meningkat, ambang batas untuk SRS menurun, sehingga menghasilkan daya laser keluaran yang lebih rendah. Pada laser serat berdaya tinggi, serat dengan konsentrasi doping rendah dipilih untuk mengurangi efek SRS.

Perkembangan Masa Depan dalam Teknologi Laser Serat

Berkat kemajuan dalam teknologi Large Mode Area (LMA) gain fiber, sumber pompa semikonduktor berdaya tinggi dan kecerahan tinggi, serta teknologi kopling pompa berdaya tinggi, laser serat diharapkan untuk terus berkembang menuju tingkat daya yang lebih tinggi dan kualitas sinar yang lebih baik.