Вища потужність, коротші імпульси та сильніша яскравість — це постійний розвиток лазерних технологій. У промисловому застосуванні імпульсних лазерів короткі імпульси та високі пікові значення мають важливий вплив на ефект обробки матеріалу. У порівнянні з твердотільними лазерами волоконні лазери мають більше переваг у середній потужності, але значно обмежені в піковій потужності. Довгий час ширина імпульсу волоконно-імпульсних лазерів була обмежена понад нс, з піковим значенням менше 15 кВт і стандартом 100 нс 1 мДж.
Методи підвищення пікової потужності імпульсу
У послідовності лазерних імпульсів, показаній на ФІГ.1, пікова потужність дорівнює енергії імпульсу, поділеній на ширину імпульсу. Отже, за однакових енергетичних умов скорочення тривалості імпульсу може значно збільшити пікову потужність. За однакових умов тривалості імпульсу збільшення пікового значення може збільшити енергію імпульсу.
Серед твердотільних імпульсних лазерів, які зараз представлені на основному промисловому ринку, енергія лазерів із шириною імпульсу наносекунд може досягати рівня мДж. Розрахована при енергії 1 мДж і ширині імпульсу 10 нс, пікова потужність може досягати 100 кВт. Енергія пікосекундних імпульсних лазерів становить близько 300 мкДж. Розрахована на 10ps, пікова потужність може досягати 30MW. Енергія фемтосекундних імпульсних лазерів становить 100 мкДж, а ширина імпульсу 500 фс, тому пікова потужність досягає 200 МВт. Для порівняння, пікова потужність звичайних наносекундних імпульсних лазерів MOPA становить близько 10 кВт, що значно нижче показників твердотільних лазерів.
Фактори, що обмежують збільшення пікової потужності імпульсу волокна
Основні обмежувальні фактори включають п'ять елементів: обмежена навантажувальна здатність, обмежений інтеграл B, обмежена ефективність вилучення, обмежена якість променя та обмежений стан поляризації. У той же час, наведені різні рішення фізичного механізму належать до різних рівнів проектування, включаючи: матеріал матриці, збільшене поле моди, структуру керованої моди та поляризаційну структуру належать до рівня дизайну волокна; розширення променя торцевої кришки, збудження моди, фільтрація моди належать до рівня конструкції пристрою; режим накачування, фільтрація ізоляції та контроль поляризації належать до проектного рівня установки; збільшена смуга пропускання, вибір ширини імпульсу, вибір частоти повторення та розподіл посилення належать до рівня проектування системи.
На додаток до п’яти вищезазначених пунктів, теплові ефекти, які необхідно враховувати в безперервних високопотужних волоконних лазерах, тут не перераховані, оскільки середня потужність волоконного підсилювача високої пікової потужності, яку ми прагнемо, набагато нижча, ніж обсяг, де теплова ефект може відігравати значну роль, тому тут не обговорюватиметься.
Вантажопідйомність обмежена інтенсивністю лазера. Фізичний механізм включає пошкодження тіла та пошкодження поверхні. Серед них пошкодження поверхні можна уникнути за допомогою технології торцевого закриття, а пошкодження корпусу обмежується характеристиками матеріалу волокнистої матриці, який є обмежуючим фактором. Як правило, поріг інтенсивності світла становить приблизно 4,75 кВт/мкм2. Для діаметра поля моди 50 мкм відповідний поріг потужності пошкодження досягає 9,3 МВт, що набагато вище, ніж поточний піковий рівень потужності ядра імпульсного волоконного лазера, і вище, ніж порогова потужність самофокусування. Тому пошкодження тіла не є проблемою, яку потрібно розглядати на даний момент.
Ефективність вилучення в основному обмежується посиленням спонтанного випромінювання (ASE), розподілом підсилення багатокаскадного підсилювача та шпаруватістю імпульсу в каскаді. Особливо за умови субнаносекундного посилення короткого імпульсу, ASE безпосередньо обмежує збільшення енергії імпульсу та пікової потужності. Однак обмеження ASE можна усунути шляхом раціонального проектування багатокаскадних підсилювачів, оптимізації міжкаскадного розподілу підсилення та методів накачування, а також зменшенням компонента ASE, що передається на наступний каскад, шляхом спектральної фільтрації та акустооптичної фільтрації. Розумний розподіл підсилення між каскадами також може допомогти усунути проблеми насичення посилення імпульсу та отримати більш досконалі форми імпульсу.
Якість променя обмежена і вимірюється коефіцієнтом якості променя M2. Для отримання вихідного сигналу основного режиму головним є забезпечення одномодової або маломодової роботи за допомогою конструкції модової структури оптичного хвилеводу. На цій основі для покращення якості пучка використовуються контроль збудження моди під час злиття волокон різного діаметру серцевини та методи фільтрації мод, такі як намотування волокна. В даний час звичайне оптичне волокно, яке може гарантувати високу якість вихідного променя, становить 30/250, а серцевина спеціальних оптичних волокон, таких як фотонні кристали, може бути розширена приблизно до 100 мкм. Цей розмір поля моди все ще занадто малий порівняно з міліметровим розміром плями промислових твердотільних лазерів. Багато нелінійних ефектів, згаданих пізніше, пов’язані з інтегралом B, який обернено пропорційний площі поля моди.
Стан поляризації обмежений і вимірюється ступенем поляризації. Фізичний механізм полягає в основному в поляризаційних характеристиках хвилеводу оптичного волокна. У звичайних оптичних волокнах з подвійною оболонкою лінійно поляризоване світло деполяризується, і ступінь деполяризації чутливий до вигину та параметрів навколишнього середовища, що ускладнює підтримку вихідного сигналу в стабільному стані поляризації. За тих самих умов поріг пікової потужності поляризованого світла, як правило, вдвічі менший, ніж у неполяризованого світла, оскільки неполяризоване світло можна розкласти на дві ортогональні неполяризовані світлові компоненти.
Нелінійні ефекти третього порядку в оптичних волокнах можна розділити на дві категорії: одна - це ефект модуляції показника заломлення, викликаний інтенсивністю світла, включаючи самофазову модуляцію (SPM), крос-фазову модуляцію (XPM), нестабільність модуляції (MI) , чотирихвильове змішування (FWM) і самофокусування (SF); інший — це ефект непружного розсіювання світла, який передбачає обмін енергією між фотонами та коливаннями решітки матеріалу матриці, включаючи вимушене розсіювання Бріллюена (SBS) і вимушене комбінаційне розсіювання (SRS).
Серед них найвища межа залежить від порогу самофокусування, який становить близько 4 МВт для оптичних волокон. Нижче порогу самофокусування вимушене комбінаційне розсіювання є найважливішим обмеженням, оскільки спектральний зсув частоти комбінаційного світла порівняно зі світлом основної частоти становить 60 нм. Занадто високі компоненти комбінаційного розсіювання серйозно вплинуть на функцію магнітооптичного кристала ізолятора, а також спричинять велику хроматичну аберацію лінзи. На рисунку показано еволюцію самофокусуючої філаментації, яка виникає, коли пікова потужність оптичного волокна перевищує поріг самофокусування.
Наша адреса
B-1507 Ruiding Mansion, No.200 Zhenhua Rd, Xihu District
Номер телефону
0086 181 5840 0345
Електронна пошта
info@brandnew-china.com
