Стекловолокно коротко для стекловолокна, обычно цилиндрического волновода света. Оно использует принцип полного отражения для того чтобы задержать световую волну в ядре волокна и направить световую волну для того чтобы путешествовать вдоль оси волокна. Замена медной проволоки на стекло кварца изменила мир.
Как средство для проводя световых волн, стекловолокно широко было использовано в виду того что было предложено Чарльзом Kao в 1966 должном к своим преимуществам большой емкости связи, сильной противоинтерференционной способности, низкого затухания передачи, длинного расстояния реле, хорошей засекреченности, сильной приспособляемостьи, небольших источников размера, облегченных и обильных сырья. Наградил Д-р Kao, известное как «отец стекловолокна,» Нобелевскую премию 2009 в физике для его работы. Со все больше и больше идеальным и практически представлением стекловолокна, стекловолокно революционизировало преобразование индустрии радиосвязей, и оно по существу заменяло медную проволоку как компонент ядра современного сообщения.
Система коммуникаций стекловолокна вид системы коммуникаций со светом как несущая информации и стекловолокном как средство ведомой волны. Когда стекловолокно передает информацию, электрический сигнал преобразован в оптически сигнал и после этого передан внутри стекловолокна. Как новая техника связи, связь стекловолокна показывала большее превосходство с самого начала, которое полошило большой интерес и широкое внимание людей. Обширное применение волокна в сообщении также повышает быстрое развитие усилителя волокна и лазера волокна [1]. В дополнение к полю связи, системы оптического волокна имеют широкий диапазон применений в полях медицины, воспринимать и другого.
Стекловолокно
Средство увеличения лазера волокна активное волокно. Согласно своей структуре, его можно разделить в волокно одиночного режима, двойное волокно плакирования и фотонное кристаллическое волокно.
Волокно однорежимного волокна однорежимное составлено ядра волокна, плакирования и покрывая слоя. R.I. вещества активной зоны волокна, n1, выше чем это из материала плакирования, n2. Когда угол случая света случая больше чем предельный угол, луч полно будет испущен в ядр волокна, поэтому волокно может ограничить свет для того чтобы распространять в ядре волокна. Внутреннее плакирование однорежимного волокна не может ограничить мультимодный свет насоса, и численная апертура ядра волокна низка. Поэтому, выход лазера может только быть получен путем соединять однорежимный свет насоса в ядр волокна. Предыдущие лазеры все волокна используют это однорежимное волокно, приводящ в низкой соединяя эффективности, сила выхода лазера только милливатты.
Двойное одетое стекловолокно
Для того чтобы преодолевать ограничения обычного однорежимного одно-одетого иттербия (Yb3+) - данного допинг волокна на эффективности преобразования и силе выхода, R.Moeller сперва предложило концепцию двух-одетого волокна в 1974 [2]. После этого, оно не будет до 1988 когда E.Snitzer и др. предложило технологию плакирования нагнетая [3] которой высокомощным иттерби-данным допинг лазерам/усилителям волокна быстро начали.
Двойное волокно плакирования вид волокна с особенной структурой. Сравненный с обычным волокном, оно добавляет внутреннюю оболочку оптического волокна, которая составлена покрывая слоя, внутренней оболочки оптического волокна, наружной оболочки оптического волокна и данного допинг ядра волокна. Технология насоса плакирования основана на двойном волокне плакирования, ядре чего передать мультимодный свет насоса во внутренних плакировании и лазере в ядре волокна, так, что эффективность преобразования насоса и силу выхода лазера волокна можно значительно улучшить. Структура двойного волокна плакирования, форма внутреннего плакирования и соединяя режим света насоса узловые пункты этой технологии.
Ядр двух-одетого волокна составлено двуокиси кремния (SiO2) дало допинг с элементами редкой земли, которая не только средство лазера но также канал передачи сигнала лазера в лазере волокна. Параметр v соответствуя работая длины волны вообще уменьшен путем конструировать свои численную апертуру и диаметр ядра для обеспечения что лазер выхода основной поперечный режим. Внутреннее плакирование имеет гораздо больше поперечный размер (десятки времен диаметр обычного ядра) и численную апертуру, и более небольшой R.I. чем ядр, которое может ограничивать распространение лазера совершенно в ядре. Таким образом, оптически волновод с большим поперечным сечением и большая численная апертура сформированы между ядром волокна и наружным слоем, которое могут позволить высокомощному свету насоса с большой численной апертурой, большие поперечное сечение и мультимодный быть соединенным к волокну, и быть ограниченным к внутреннему плакированию для передачи и не-диффузии, которая благоприятна к поддерживая нагнетать плотности наивысшей мощности оптически. Наружный слой составлен материалов полимера с более низким R.I. чем внутреннее плакирование. Внешний слой защитный слой сделанный органического материала. Соединяя зона двух-одетого волокна к свету насоса определена внутренним размером плакирования, не похож на традиционное однорежимное волокно которое только определено ядром. С одной стороны, улучшена эффективность силы соединяя человеческого лазера волокна. Когда свет насоса проводит во внутренней оболочке оптического волокна, он пройдет через ядр волокна много времен возбудить данный допинг ион для того чтобы испустить лазер. С другой стороны, качество луча выхода определено природой ядра волокна. Введение внутреннего плакирования не разрушает качество луча выхода лазера волокна.
Первоначально, внутренняя структура плакирования двойного волокна плакирования цилиндрическая симметрия, свой производственный процесс относительно прост, и легок нагнести соединение соединения участка волокна кабеля лазерного диода (LD), но идеальная симметрия присутсвия большое количество насоса во внутреннем свете спирали плакирования, свет даже отразила достаточные времена может никогда не достигать основную область волокна, таким образом, невозможно быть поглощенным ядром волокна, так даже если более длинное волокно использовано, там все еще будет много светлой утечкой, которая делает ее трудный улучшить эффективность преобразования. Поэтому, цилиндрическую симметричную структуру внутреннего плакирования необходимо разрушить.
Фотонное кристаллическое волокно
В общем двух-одетом волокне, сила лазера выхода определена геометрическим размером ядра. Численная апертура определяет качество луча лазера выхода. Должный к ограничениям нелинейных влияний, оптически повреждения и других физических механизмов в волокне, одиночный метод увеличения диаметра ядра не может отвечать потребностямы однорежимной деятельности двух-одетого волокна с большим полем режима на выходной мощности наивысшей мощности. Появление особенного стекловолокна, как фотонное кристаллическое волокно (PCF), обеспечивает эффективный технический путь разрешить эту проблему.
Концепция фотонного кристалла сперва была предложена E. Yablonovitch «1 в 1987, т.е., диэлектрические материалы с различными диэлектрическими константами в 1D, 2D или космосе 3D составлены периодических структур с заказом оптически длины волны, в которую фотонную зону проводимости (PBG) позволяя светлому распространению и фотонному зазору диапазона (PBG) предотвращая светлое распространение произведите. Путем изменение периода расположения и распределения различных средств массовой информации, много изменений в фотонных кристаллических свойствах можно причинить, для того чтобы достигнуть специфических функций. PCF двухмерный фотонный кристалл, также известный как волокно микроструктуры или пористое волокно. В 1996, J.C.Knight и др. начало первое PCF, которого светлый механизм кондукции был подобен полному внутреннему отражению традиционного стекловолокна. Первое PCF которое использует фотонный принцип bandgap для того чтобы направить свет было рождено в 1998. После 2005, методы дизайна и подготовки поля PCF больш-режима начали разнообразить, и различные формы структур появились, включая канал PCF, палочковидное PCF, больш-дистанционирование PCF и мульти-ядр PCF утечки. Зона поля режима волокна также увеличена.
По внешнему виду, PCF очень подобно традиционному однорежимному волокну, но оно показывает сложную структуру массива поры в микроструктуре. Эти структурные характеристики которые дают преимущества PCF уникальные и несравнимые, как никакая передача выключения однорежимная, большая зона поля режима, рассеивание и низкое ограничиваясь представление потери, может преодолевать много затруднений традиционных лазеров. Например, PCF может достигнуть однорежимной деятельности под большой зоной поля режима, и значительно уменьшить плотности мощности лазера в волокне, уменьшить нелинейного влияния в волокне, и улучшает порог повреждения волокна пока обеспечивающ качество луча. Больших численных апертур можно достигнуть, который значит что выхода лазера болееоптически соединения и более высокой силы можно достигнуть. Эти преимущества PCF причиняли серию усиления исследования в мире, которое делает PCF стать новым самым интересным исследования в применении лазеров волокна наивысшей мощности и сыграть все больше и больше важной ролью.
Вымысел лазера волокна
Лазер с волокном по мере того как средство увеличения лазера вызвано лазером волокна. Как другие типы лазеров, оно составлен 3 частей: средство увеличения, источник насоса и резонатор. Лазеры волокна используют активное волокно данное допинг с элементами редкой земли как средство увеличения. Вообще, лазеры полупроводника использованы как источники насоса. Резонатор обычно составлен рефлектора, конечной грани волокна, зеркала кольца волокна или решетки волокна.
Согласно характеристикам временного интервала лазера волокна, его можно разделить в непрерывный лазер волокна и пульсированный лазер волокна. Согласно различной структуре резонатора, его можно разделить в линейный лазер волокна полости, распределил лазер волокна полости лазера и кольца волокна обратной связи. В зависимости от волокна увеличения и нагнетая режима, их можно разделить в одно-одетые лазеры волокна (ядр нагнетая) и двух-одетые лазеры волокна (плакирование нагнетая).
В 1961, Snitzer открыло радиацию лазера в неодими-данном допинг (Nd) стеклянном волноводе. В 1966, Чарльз Kao сделал глубокое изучение главных причин оптически амортизации в стекловолокнах, и указал вне основные технические проблемы, который нужно разрешить для практического применения стекловолокон в сообщении [5]. В 1970, Corning начал стекловолокно с амортизацией чем 20 dB/km, кладя учреждение для развития оптической связи и электронно-оптической индустрии технологии [5]. Этот технологический прорыв также значительно повышал развитие лазеров волокна. В 1970s и 1980s, зрелость и коммерциализация лазерной техники полупроводника обеспечили надежный и разнообразный источник насоса для развития лазеров волокна. В то же время, развитие низложения химического пара уменьшает затухание передачи стекловолокна. Лазеры волокна также превращаются быстро в направлении диверсификации. Волокна дано допинг с много элементов редкой земли, как эрбий (Er3+), иттербий (Yb3+), неодимий (Nd3+), самарий (Sm 3+), тулий (Tm3+), гольмий (Ho3+), празеодим (Pr3+), диспрозий (Dy3+), висмут (Bi3+), etc. в зависимости от данных допинг ионов, различные длины волны выхода лазера можно достигнуть. Прикладные требования встречи различные.
Характеристики лазеров волокна наивысшей мощности
Преимущества лазеров волокна наивысшей мощности показаны следующим образом.
(1) хорошее качество луча. Структура волновода волокна определяет что лазер волокна легок для того чтобы получить одиночный выход поперечного режима, и влияние внешних факторов небольшое, которые могут достигнуть выхода лазера высокой яркости.
(2) высокая эффективность. Лазер стекловолокна может достигнуть высокой эффективности преобразования свет-к-света путем выбирать лазер полупроводника с соответствуя длиной волны излучения и характеристиками поглощения данных допинг элементов редкой земли как источник насоса. Для иттерби-данных допинг высокомощных лазеров волокна, 915 975 полупроводника nm лазеров nm или вообще выбраны. Должный к простой структуре энергетического уровня Yb3+, upconversion, абсорбции государства возбуждения и концентрации гася редко происходите, и длинная продолжительность жизни флуоресцирования, YB3 + может эффектно хранить энергия для того чтобы достигнуть высокомощной деятельности. Общая электрооптическая эффективность коммерчески лазеров волокна до 25%, которое благоприятно к уменьшению цен, энергосберегающий и охраны окружающей среды.
(3) хорошие характеристики тепловыделения. Лазер волокна использует худенький элемент редк-земли дал допинг волокну как средство увеличения лазера, которое имеет очень большую поверхностную область к коэффициенту тома. Он около 1000 раз это из твердого лазера большей части, и имеет естественное преимущество в тепловыделении. В случае средства и низкой мощности, никакая потребность для особенный охлаждать волокна, и в случае наивысшей мощности, водяное охлаждение использовано для тепловыделения, которое может также эффектно избежать ухудшения качества и эффективности луча причиняемых термальным влиянием обыкновенно - увиденный в твердотельных лазерах.
(4) компактная текстура, высокая надежность. Потому что лазер волокна использует небольшое и мягкое волокно как средство увеличения лазера, полезно обжать том и сохранить цену. Использованы источники насоса также небольшой том, легкий к модульному лазеру полупроводника, коммерческий продукт могут вообще быть выходом волокна кабеля, совмещенным с решеткой Bragg стекловолокна, packtized приборы, покуда эти приборы сваривают можно осуществить весь packtized, иммунный к способности возмущения среды высоки, имеют очень высокую стабильность, и могут сохранить время и стоимость содержания.
Лазеры волокна наивысшей мощности также имеют некоторые недостатки которые трудны для того чтобы преодолевать. Во-первых, они легко ограничены нелинейными влияниями. Из-за геометрической структуры волновода, действительная длина лазера волокна длинна, и порог различных нелинейных влияний низок. Некоторые вредные нелинейные влияния, как простимулированный разбрасывать Raman (SRS) и модуляция само-участка (SPM), зыбкость участка причины, перекачка энергии в спектре, и даже повреждение к системе лазера, которая ограничивает развитие высокомощных лазеров волокна. Второе влияние фотона затмевая. С увеличением нагнетая времени, влияние фотона затмевая приведет к монотонно необратимому уменшению в эффективности преобразования силы элемента редк-земли дало допинг волокну, которое ограничивает долгосрочную стабильность и срок службы высокомощного лазера волокна, особенно в иттерби-данном допинг высокомощном лазере волокна.
С развитием высоко-яркости волокн-соединил лазеры полупроводника и двух-одетые технологии волокна, сила выхода, opto-оптически эффективность преобразования и качество луча высокомощных лазеров волокна значительно были улучшены. Управленный огромным требованием для промышленной обработки, оружия энергии направленного движения, международная телеметрия, lidar и другие применения, апаш Photonics (IPG), Nufern (Nlight) и группа транца Германии основные блоки научных исследований и разработки CW и лазеров волокна пульсировать-волны высокомощных, и запускали богатую номенклатуру товаров. Возбуждая результаты также были сообщены университетом Tsinghua, национальным университетом военной техники, институтом Шанхая оптики и точными механиками под китайской академией наук и четвертой академией науки Китая космической и Индустрии Корпорации.
Технология силы лазера волокна поддерживая
Должный к ограничению нелинейного влияния, термального влияния и порога материального ущерба в лазере волокна, сила выхода одиночного лазера волокна ограничена в определенной степени, и с увеличением силы, качество луча постепенно уменьшает. Необходимо использовать технологию управлением режима и конструировать новый Н тип волокна с особенной структурой для того чтобы улучшить качество луча. J.w. Dawson и др. [6] теоретически проанализировал предел силы выхода одиночного волокна, и высчитанный что одиночное волокно может получить лазеру предела близко-огибания выведите наружу с максимальной силой 36 kW в широкополосном лазере волокна, пока для лазера волокна узк-ширины линии, максимальная сила 2 kW. Дальше для того чтобы улучшить силу выхода лазера волокна и усилителя, эффективный метод для того чтобы синтезировать силу множественных лазеров волокна когерентной технологией синтеза. Было международной Точкой доступа исследования в последние годы.