Mi az a szálas lézer?

Definíció: Olyan lézer, amely adalékolt szálat használ erősítő közegként, vagy olyan lézer, amelynek lézerrezonátora többnyire szálból áll.

A szálas lézerek általában azokra a lézerekre utalnak, amelyek szálat használnak erősítési közegként, bár egyes lézereket, amelyek félvezető erősítést (félvezető optikai erősítőket) és szálrezonátorokat használnak, szálas lézernek (vagy félvezető optikai lézernek) is nevezhetünk. Ezenkívül néhány más típusú lézert (például szálcsatolt félvezető diódákat) és szálerősítőket szálas lézereknek (vagy szálas lézerrendszereknek) is neveznek.

A legtöbb esetben az erősítő közeg ritkaföldfém-ionnal adalékolt szál, például erbium (Er3+), itterbium (Yb3+), tórium (Tm3+) vagy prazeodímium (Pr3+), és egy vagy több szálcsatolt lézerdiódára van szükség. szivattyúzáshoz. Bár a szálas lézerek erősítési közege hasonló a szilárdtest-tömblézerekhez, a hullámvezető hatás és a kis effektív módusterület eltérő tulajdonságú lézereket eredményez. Például általában nagy lézererősítéssel és nagy rezonátorüregveszteséggel rendelkeznek. Lásd a szálas lézer és a tömeges lézer bejegyzéseket.

1.ábra

Fiber lézer rezonátor

Lézerrezonátor optikai szál segítségével történő előállításához számos reflektor használható lineáris rezonátor vagy szálgyűrűs lézer létrehozására. A lineáris optikai lézerrezonátorban különböző típusú reflektorok használhatók:

2. ábra

1. Laboratóriumi elrendezésekben közönséges dikroikus tükrök használhatók a merőlegesen hasított szálak végein, ahogy az 1. ábrán látható. Ez a megoldás azonban nem használható nagyüzemi gyártásban, és nem is tartós.

2. A Fresnel-reflexió a csupasz szál végén elegendő ahhoz, hogy egy szálas lézer kimeneti csatolójaként szolgáljon. A 2. ábra egy példát mutat be.

3. A dielektromos bevonatok közvetlenül a szálvégekre is felvihetők, általában párologtatással. Az ilyen bevonatok széles tartományban nagy fényvisszaverő képességet érhetnek el.

4. A kereskedelmi termékekben általában rost-Bragg rácsokat használnak, amelyek közvetlenül adalékolt szálakból vagy adalékolatlan szálak aktív szálakká való toldásával állíthatók elő. A 3. ábrán egy elosztott Bragg reflektor lézer (DBR lézer) látható, amely két szálrácsot tartalmaz. Létezik egy elosztott visszacsatolású lézer is, az adalékolt szálban egy ráccsal és egy fáziseltolással közöttük.

5. Ha a szálból kibocsátott fényt egy lencse kollimálja és egy dikroikus tükör visszaveri, jobb teljesítménykezelés érhető el. A tükör által kapott fény intenzitása jelentősen csökken a nagyobb sugárfelület miatt. Az enyhe eltolódások azonban jelentős reflexiós veszteséget okozhatnak, és a további Fresnel-reflexiók a szálvégoldalakon szűrőhatásokat idézhetnek elő. Ez utóbbi elnyomható ferde hasított szálvégek alkalmazásával, de ez hullámhossz-függő veszteségeket okoz.

6. Optikai hurokreflektor kialakítása is lehetséges szálcsatoló és passzív szálak felhasználásával.

A legtöbb optikai lézert egy vagy több szálcsatolt félvezető lézer pumpálja. A szivattyú lámpája közvetlenül a szálas magba vagy nagy teljesítménnyel a szivattyú burkolatába van csatlakoztatva (lásd a kettős burkolatú szálakat), amelyet az alábbiakban részletesen tárgyalunk.

Sokféle szálas lézer létezik, amelyek közül néhányat az alábbiakban ismertetünk.

Sokféle szálas lézer létezik, amelyek közül néhányat az alábbiakban ismertetünk.

Nagy teljesítményű szálas lézerek

Kezdetben a szálas lézerek csak néhány milliwattos kimeneti teljesítményt tudtak elérni. Napjainkban a nagy teljesítményű szálas lézerek több száz watt, sőt néha több kilowatt teljesítményt is elérhetnek az egymódusú szálakból. Ezt a képarány és a hullámvezető effektusok növelésével érik el, amelyek elkerülik a termooptikai hatásokat.

További részletekért lásd a Nagy teljesítményű szálas lézerek és erősítők című bejegyzést.

Felkonverziós szálas lézerek

A szálas lézerek különösen alkalmasak felkonverziós lézerek megvalósítására, amelyek általában viszonylag ritka lézerátmeneteken működnek, és nagyon nagy szivattyúintenzitást igényelnek. A szálas lézereknél a nagy szivattyúintenzitás nagy távolságokon is tartható, így a kapott erősítési hatásfok könnyen elérhető nagyon alacsony erősítésű átmeneteknél.

A legtöbb esetben a szilícium-dioxid szálak nem alkalmasak felkonverziós szálas lézerekhez, mert a felkonverziós mechanizmus hosszú köztes állapot-élettartamot igényel az elektronikus energiaszintben, ami a szilícium-dioxid szálakban a nagy fononenergia miatt általában nagyon kicsi (lásd többfoton átmenetek). Ezért általában néhány nehézfém-fluorid szálat használnak, mint például a ZBLAN (fluorocirkonát) alacsony fononenergiájú.

A leggyakrabban használt felkonverziós szálas lézerek a tóriummal adalékolt szálak a kék fényhez, a prazeodímiummal adalékolt lézerek (néha itterbiummal) a vörös, narancssárga, zöld vagy kék fényhez, és az erbiummal adalékolt lézerek a triódákhoz.

Keskeny vonalszélességű szálas lézerek

A szálas lézerek csak egyetlen longitudinális üzemmódban működhetnek (lásd egyfrekvenciás lézer, egymódusú működés), nagyon szűk, néhány kilohertzes vagy akár 1 kHz-nél kisebb vonalszélességgel. A hosszú távú stabil egyfrekvenciás működéshez és a hőmérséklet-stabilitás figyelembevételével további követelmények nélkül a lézerüregnek rövidnek kell lennie (pl. 5 cm), bár elvileg minél hosszabb az üreg, annál alacsonyabb a fáziszaj és annál szűkebb a vonalvastagság. A szálvég keskeny sávú szálas Bragg rácsot tartalmaz (lásd elosztott Bragg reflektor lézer, DBR szálas lézer) az üreges mód kiválasztásához. A kimenő teljesítmény jellemzően néhány milliwatttól több tíz milliwatig terjed, és egyfrekvenciás szálas lézerek is elérhetők akár 1 W kimeneti teljesítménnyel.

Extrém forma az elosztott visszacsatolású lézer (DFB lézer), ahol a teljes lézerüreg egy szálas Bragg-rácson belül van, köztük fáziseltolással. Itt az üreg viszonylag rövid, ami feláldozza a kimeneti teljesítményt és a vonalszélességet, de az egyfrekvenciás működés nagyon stabil.

Szálerősítők is használhatók további erősítésre nagyobb teljesítményre.

Q-kapcsolt szálas lézerek

A szálas lézerek több tíztől több száz nanoszekundumig terjedő hosszúságú impulzusokat tudnak generálni különféle aktív vagy passzív Q kapcsolók segítségével. A nagy módusú felületű szálakkal néhány millijoules impulzusenergiát lehet elérni, extrém esetben pedig akár több tíz millijoule-t is, amit a telítési energia (még nagy módú területű szálak esetén is) és a sebzési küszöb (rövidebb impulzusoknál kifejezettebb) korlátoz. Minden üvegszálas eszköz (kivéve a szabadterű optikát) korlátozott impulzusenergiával, mivel általában nem tudnak nagy módusú felületű szálakat és hatékony Q kapcsolást megvalósítani.

A nagy lézererősítés miatt a szálas lézerek Q-kapcsolása természetében nagyon eltér a tömeges lézerekétől, és összetettebb. Az időtartományban általában több tüske van, és lehetséges olyan Q-kapcsolt impulzusok előállítása is, amelyek hossza kisebb, mint a rezonátor körideje.

A mód-zárolt szálas lézerek bonyolultabb rezonátorokat (ultrarövid szálas lézereket) használnak pikoszekundumos vagy femtoszekundumos impulzusok előállítására. Itt a lézerrezonátor aktív modulátort vagy néhány telített abszorbert tartalmaz. A telített abszorberek nemlineáris polarizációs forgatási effektusokkal vagy nemlineáris szálhurok tükör használatával valósíthatók meg. Nemlineáris huroktükrök használhatók például a 8. ábrán látható „nyolcas lézerben”, ahol a bal oldalon egy fő rezonátor és egy nemlineáris szálgyűrű található az oda-vissza ultrarövid impulzusok erősítésére, alakítására és stabilizálására. Különösen a harmonikus módú zárolásnál további eszközökre van szükség, például optikai szűrőként használt alüregekre.