A laser sợi quang sử dụng sợi thủy tinh pha tạp đất hiếm làm môi trường khuếch đại, và sợi pha tạp ytterbium là một trong những thành phần cốt lõi của các hệ thống laser sợi pha tạp ytterbium công suất cao. Do công suất đầu ra của laser sợi quang khi tần số tăng lên, các yếu tố gây mất ổn định như Hiện tượng mất ổn định chế độ ngang (TMI), Hiện tượng tán xạ Raman kích thích (SRS) và hư hỏng do nhiệt đã trở thành những thách thức.

Gần đây, ông Zhao Juyun, Giám đốc Sản phẩm của Kepin Fiber Laser, đã chia sẻ trên mạng những phân tích về chủ đề “Công nghệ tiên tiến và các ứng dụng sáng tạo của laser sợi quang công suất cao”, trong đó nêu chi tiết cách khắc phục các yếu tố gây mất ổn định trong laser sợi quang. Hãy cùng điểm lại những nội dung chính đã được thảo luận.

Nguyên lý và cấu tạo của laser sợi quang

A laser sợi quang chủ yếu bao gồm ba thành phần: nguồn bơm, môi trường khuếch đại (sợi quang hoạt động) và khoang cộng hưởng.

Nguyên lý hoạt động của laser sợi quang có khoang cộng hưởng: Công suất của laser bán dẫn bơm được truyền vào sợi quang hai lớp pha tạp ytterbium (YDF) thông qua các lưới sợi quang (HR là lưới có độ phản xạ cao, OC là lưới có độ phản xạ thấp). Sợi quang pha tạp ytterbium hấp thụ ánh sáng bơm, dẫn đến hiện tượng đảo ngược dân số, và tạo ra bức xạ tự phát. Bức xạ này sau đó được khuếch đại bằng phát xạ kích thích trong khoang được hình thành bởi các lưới sợi quang, tạo ra đầu ra laser, sau đó được dẫn ra ngoài qua cáp quang đầu ra.

Cấu trúc bộ khuếch đại và nguyên lý hoạt động của laser sợi quang: Tương tự như khoang cộng hưởng, điểm khác biệt nằm ở tia laser hạt giống từ giai đoạn trước, giúp giảm yêu cầu về công suất đối với từng thành phần, từ đó cho phép đạt được công suất đầu ra cao hơn.

Hiệu ứng bất ổn chế độ ngang (TMI) trong laser sợi quang

Sự bất ổn định chế độ ngang (TMI) xảy ra khi công suất cao laser sợi quang đạt đến một ngưỡng cụ thể. Khi công suất đầu ra tăng lên hoặc sau một khoảng thời gian nhất định, chế độ phát xạ sẽ chuyển từ chế độ cơ bản ổn định sang chế độ bậc cao không ổn định. Điều này dẫn đến sự suy giảm chất lượng chùm tia và hạn chế khả năng tăng công suất đầu ra. Trong những trường hợp nghiêm trọng, điều này có thể làm giảm hiệu quả của một laser sợi quang, khiến nó kém hiệu quả hơn so với quảng cáo.

Nguyên lý và dữ liệu thực nghiệm về sự bất ổn định chế độ

Sau khi xảy ra hiện tượng mất ổn định chế độ, công suất giữa chế độ cơ bản và các chế độ bậc cao tiếp tục tương tác với nhau, duy trì tổng công suất không đổi. Khi có các cơ chế như lọc uốn, chế độ cơ bản có tổn thất nhỏ hơn, trong khi các chế độ bậc cao chịu tổn thất uốn lớn hơn, dẫn đến việc các chế độ bậc cao bị lọc bỏ, và tín hiệu đầu ra thể hiện dao động của chế độ cơ bản trong miền thời gian.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự mất ổn định chế độ

Khác với các tia laser năng lượng cao truyền thống, sự bất ổn định chế độ phát sinh do các tác động nhiệt và sự tương tác giữa các chế độ của sợi quang. Do đó, các yếu tố ảnh hưởng đến sự bất ổn định chế độ không chỉ liên quan đến nhiệt thải mà còn liên quan đến các đặc tính chế độ của sợi quang. Các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm:

Đặc điểm pha tạp sợi: Nồng độ chất pha tạp và bán kính vùng pha tạp.

Hiệu ứng làm tối: Ảnh hưởng đến công suất ánh sáng tín hiệu, nhiễu cường độ tín hiệu và tỷ lệ chế độ bậc cao ban đầu của tín hiệu.

Đặc tính của bơm: Công suất bơm, bước sóng và điều chế cường độ.

Phương pháp bơm: Bơm tiến, bơm lùi, bơm ngang và bơm hai chiều.

Vật liệu sợi: Đường kính lõi sợi quang, đường kính lớp vỏ và khẩu độ số.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ sợi quang: Mất mát ở chế độ bậc cao, khả năng làm mát của hệ thống và các đặc tính phân cực của sợi quang.

Các phương pháp khắc phục hiện tượng mất ổn định chế độ

Để khắc phục tình trạng mất ổn định chế độ, các biện pháp tập trung vào việc cải thiện khả năng quản lý nhiệt và kiểm soát chế độ.

Nâng cao khả năng quản lý nhiệt: Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ lõi-vỏ sợi quang, thay đổi bước sóng bơm bán dẫn, tăng công suất truyền tín hiệu và tối ưu hóa hướng ánh sáng bơm, có thể cải thiện độ bão hòa khuếch đại, từ đó giảm thiểu hư hỏng do nhiệt.

Cải thiện việc điều khiển chế độ: Việc tăng tổn thất do uốn cong (bằng cách giảm bán kính uốn cong, giảm khẩu độ số của lõi sợi quang và tối ưu hóa phương pháp quấn sợi quang) có thể giúp triệt tiêu các chế độ bậc cao và cải thiện độ ổn định của tín hiệu đầu ra.

Hiện tượng tán xạ Raman kích thích (SRS) trong laser sợi quang

Hiện tượng tán xạ Raman kích thích (SRS) xảy ra khi một photon laser tương tác với môi trường, dẫn đến sự dịch chuyển sang các bước sóng dài hơn. SRS là một hiệu ứng phi tuyến quan trọng hạn chế sự gia tăng laser sợi quang công suất. Đối với sợi quang pha tạp ytterbium, hiệu ứng SRS phụ thuộc vào đường kính lõi, chiều dài sợi, nồng độ pha tạp và phương pháp bơm.

Các phương pháp ức chế hiện tượng tán xạ Raman kích thích

Ảnh hưởng của đường kính lõi: Khi công suất bơm tăng lên, hiện tượng SRS xảy ra ở các mức công suất bơm cao hơn. Việc tăng đường kính lõi sợi quang làm tăng đáng kể ngưỡng công suất SRS.

Ảnh hưởng của chiều dài sợi: Hệ số SRS giảm khi chiều dài sợi tăng lên. Bằng cách giảm chiều dài sợi, công suất đầu ra có thể được tăng lên.

Ảnh hưởng của nồng độ chất kích thích: Khi nồng độ chất pha tạp tăng lên, ngưỡng kích hoạt SRS sẽ giảm xuống, dẫn đến công suất đầu ra của laser thấp hơn. Trong các laser sợi quang công suất cao, người ta thường chọn các sợi quang có nồng độ chất pha tạp thấp để giảm thiểu tác động của SRS.

Những xu hướng phát triển trong tương lai của công nghệ laser sợi quang

Nhờ những tiến bộ trong công nghệ sợi quang khuếch đại vùng chế độ rộng (LMA), các nguồn bơm bán dẫn công suất cao, độ sáng cao, và công nghệ ghép nối nguồn bơm công suất cao, laser sợi quang dự kiến sẽ tiếp tục phát triển để đạt công suất cao hơn và chất lượng chùm tia tốt hơn.