Veća snaga, kraći impulsi i jača svjetlina stalna su potraga za razvojem laserske tehnologije. U industrijskoj primjeni pulsirajućih lasera, kratki impulsi i visoke vršne vrijednosti imaju važan utjecaj na učinak obrade materijala. U usporedbi s laserima u čvrstom stanju, vlaknasti laseri imaju više prednosti u prosječnoj snazi, ali su značajno ograničeni u vršnoj snazi. Dugo je vrijeme širina pulsa vlaknastih pulsnih lasera bila ograničena na više od ns, s vršnom vrijednošću manjom od 15kW i standardom od 100ns 1mJ.
Metode povećanja vršne snage pulsa
U sekvenci laserskog impulsa prikazanoj na SLICI 1, vršna snaga jednaka je energiji impulsa podijeljenoj sa širinom impulsa. Stoga, pod istim energetskim uvjetima, skraćivanje širine impulsa može uvelike povećati vršnu snagu. Pod istim uvjetima širine pulsa, povećanje vršne vrijednosti može povećati energiju pulsa.
Među čvrstim pulsnim laserima koji su trenutno na glavnom industrijskom tržištu, energija lasera nanosekundne širine pulsa može doseći razinu od mJ. Izračunato na 1mJ energije i 10ns širine impulsa, vršna snaga može doseći 100kW. Energija pikosekundnog pulsnog lasera je oko 300μJ. Izračunato na 10ps, vršna snaga može doseći 30MW. Energija femtosekundnih pulsnih lasera je 100μJ, a širina impulsa 500fs, tako da vršna snaga doseže 200MW. Za usporedbu, vršna snaga konvencionalnih MOPA nanosekundnih pulsnih lasera je oko 10kW, što je daleko niže od pokazatelja čvrstih lasera.
Ograničavajući čimbenici u povećanju vršne snage pulsa vlakana
Glavni ograničavajući čimbenici uključuju pet stavki: ograničeni kapacitet opterećenja, ograničeni B integral, ograničena učinkovitost ekstrakcije, ograničena kvaliteta snopa i ograničeno stanje polarizacije. U isto vrijeme, različita navedena rješenja fizičkog mehanizma pripadaju različitim razinama dizajna, uključujući: materijal matrice, povećano polje moda, strukturu vođenog moda i polarizacijsku strukturu pripadaju razini dizajna vlakana; proširenje snopa završne kape, pobuda moda, filtriranje moda pripadaju razini dizajna uređaja; način pumpanja, izolacijsko filtriranje i kontrola polarizacije pripadaju razini dizajna jedinice; povećana propusnost, odabir širine impulsa, odabir frekvencije ponavljanja i raspodjela pojačanja pripadaju razini dizajna sustava.
Uz gornjih pet stavki, toplinski učinci koje treba uzeti u obzir kod kontinuiranih lasera s vlaknima velike snage nisu navedeni ovdje, jer je prosječna snaga pojačala s vlaknima velike vršne snage kojoj težimo daleko niža od opsega u kojem toplinska učinak može igrati značajnu ulogu, pa se o njemu ovdje neće raspravljati.
Nosivost je ograničena intenzitetom lasera. Fizički mehanizam uključuje oštećenje tijela i oštećenje površine. Među njima, oštećenje površine može se izbjeći tehnologijom zatvaranja kraja, a oštećenje tijela je ograničeno karakteristikama materijala vlaknaste matrice, što je granični ograničavajući faktor. Obično je prag intenziteta svjetlosti oko 4,75kW/μm2. Za promjer polja moda od 50 μm, odgovarajući prag snage oštećenja doseže 9,3 MW, što je daleko više od trenutne vršne razine snage laserske jezgre pulsnog vlakna i više od snage praga samofokusiranja. Stoga oštećenje tijela nije problem koji treba razmatrati u ovom trenutku.
Učinkovitost ekstrakcije je uglavnom ograničena pojačanjem spontane emisije (ASE), raspodjelom pojačanja višestupanjskog pojačala i radnim ciklusom impulsa unutar stupnja. Osobito pod uvjetom pojačanja kratkog impulsa ispod nanosekunde, ASE izravno ograničava povećanje energije pulsa i vršne snage. Međutim, ograničenje ASE može se potisnuti racionalnim projektiranjem višestupanjskih pojačala, optimiziranjem distribucije pojačanja među stupnjevima i metodama pumpanja, te smanjenjem komponente ASE koja se prenosi u sljedeći stupanj spektralnim filtriranjem i akusto-optičkim filtriranjem. Razumna raspodjela pojačanja između stupnjeva također može pomoći u suzbijanju problema zasićenja pojačanja pulsa i dobiti savršenije valne oblike pulsa.
Kvaliteta snopa ograničena je i mjeri se faktorom kvalitete snopa M2. Za dobivanje izlaza osnovnog moda, glavna stvar je osigurati rad s jednim ili nekoliko modova kroz dizajn strukture moda optičkog valovoda. Na temelju toga, kontrola pobude moda tijekom spajanja vlakana različitih promjera jezgre i metode filtriranja moda kao što je namotavanje vlakana koriste se za poboljšanje kvalitete snopa. Trenutačno, konvencionalno optičko vlakno koje može jamčiti izlaz visoke kvalitete snopa je 30/250, a jezgra posebnih optičkih vlakana kao što su fotonski kristali može se proširiti na oko 100 μm. Veličina polja ovog moda je još uvijek premala u usporedbi s veličinom mrlje na milimetarskoj razini industrijskih solid-state lasera. Mnogi kasnije spomenuti nelinearni učinci povezani su s B integralom, koji je obrnuto proporcionalan površini polja moda.
Stanje polarizacije ograničeno je i mjeri se stupnjem polarizacije. Fizički mehanizam uglavnom su polarizacijske karakteristike valovoda optičkog vlakna. U običnim dvostrukim optičkim vlaknima, linearno polarizirana svjetlost će se depolarizirati, a stupanj depolarizacije je osjetljiv na savijanje i parametre okoline, što otežava održavanje stabilnog izlaznog stanja polarizacije. Pod istim uvjetima, prag vršne snage polarizirane svjetlosti općenito je upola manji od nepolarizirane svjetlosti, jer se nepolarizirana svjetlost može rastaviti na dvije ortogonalne komponente nepolarizirane svjetlosti.
Nelinearni efekti trećeg reda u optičkim vlaknima mogu se podijeliti u dvije kategorije: jedan je efekt modulacije indeksa loma induciran intenzitetom svjetlosti, uključujući samofaznu modulaciju (SPM), faznu modulaciju (XPM), modulacijsku nestabilnost (MI) , četverovalno miješanje (FWM) i samofokusiranje (SF); drugi je učinak neelastičnog raspršenja svjetlosti, koji uključuje izmjenu energije između fotona i vibracije rešetke materijala matrice, uključujući stimulirano Brillouinovo raspršenje (SBS) i stimulirano Ramanovo raspršenje (SRS).
Među njima, najviša granica ovisi o pragu samofokusiranja, koji je oko 4MW za materijale od optičkih vlakana. Ispod praga samofokusiranja, stimulirano Ramanovo raspršenje je najvažnije ograničenje, jer je spektralni pomak frekvencije Ramanove svjetlosti u usporedbi sa svjetlom osnovne frekvencije čak 60 nm. Previsoke Raman komponente ozbiljno će utjecati na funkciju izolacijskog magneto-optičkog kristala i uzrokovat će veliku kromatsku aberaciju na leći. Slika prikazuje evoluciju filamentacije samofokusiranja koja se stvara kada vršna snaga u optičkom vlaknu premaši prag samofokusiranja.
Naša adresa
B-1507 Ruiding Mansion, No.200 Zhenhua Rd, Xihu District
Broj telefona
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
