Puterea mai mare, impulsurile mai scurte și luminozitatea mai puternică sunt urmărirea constantă a dezvoltării tehnologiei laser. În aplicația industrială a laserelor pulsate, impulsurile scurte și valorile de vârf ridicate au un impact important asupra efectului de prelucrare a materialului. În comparație cu laserele cu stare solidă, laserele cu fibră au mai multe avantaje în ceea ce privește puterea medie, dar sunt limitate semnificativ în puterea de vârf. Pentru o lungă perioadă de timp, lățimea impulsului laserelor cu impulsuri cu fibră a fost limitată la mai mult de ns, cu o valoare de vârf mai mică de 15kW și un standard de 100ns 1mJ.
Metode de creștere a puterii de vârf a impulsului
În secvența de impulsuri laser prezentată în FIG1, puterea de vârf este egală cu energia impulsului împărțită la lățimea impulsului. Prin urmare, în aceleași condiții de energie, scurtarea lățimii impulsului poate crește foarte mult puterea de vârf. În aceleași condiții de lățime a impulsului, creșterea valorii de vârf poate crește energia pulsului.
Printre laserele cu impulsuri solide aflate în prezent pe piața industrială principală, energia laserelor cu lățime a impulsului în nanosecunde poate atinge nivelul mJ. Calculată la 1 mJ de energie și 10 ns lățimea impulsului, puterea de vârf poate ajunge la 100 kW. Energia laserelor cu impuls de picosecundă este de aproximativ 300μJ. Calculat la 10ps, puterea de vârf poate ajunge la 30MW. Energia laserelor cu impulsuri femtosecunde este de 100μJ și lățimea impulsului este de 500fs, astfel încât puterea de vârf ajunge la 200MW. În comparație, puterea de vârf a laserelor convenționale cu impulsuri în nanosecunde MOPA este de aproximativ 10 kW, ceea ce este mult mai mic decât indicatorii laserelor solide.
Factori limitatori în creșterea puterii de vârf a impulsului fibrei
Principalii factori limitanți includ cinci elemente: capacitate de încărcare limitată, integrală B limitată, eficiență de extracție limitată, calitate limitată a fasciculului și stare de polarizare limitată. În același timp, diferitele soluții de mecanism fizic oferite aparțin nivelurilor de proiectare diferite, inclusiv: materialul matricei, câmpul de mod crescut, structura de mod ghidat și structura de polarizare aparțin nivelului de proiectare a fibrei; extinderea fasciculului capacului de capăt, excitarea modului, filtrarea modului aparțin nivelului de proiectare a dispozitivului; modul de pompare, filtrarea izolației și controlul polarizării aparțin nivelului de proiectare a unității; lățimea de bandă crescută, selecția lățimii impulsului, selecția frecvenței de repetiție și alocarea câștigului aparțin nivelului de proiectare a sistemului.
În plus față de cele cinci elemente de mai sus, efectele termice care trebuie luate în considerare în laserele continue cu fibră de mare putere nu sunt enumerate aici, deoarece puterea medie a amplificatorului cu fibră de mare putere de vârf pe care îl urmărim este mult mai mică decât domeniul de aplicare în care temperatura termică. efectul poate juca un rol semnificativ, deci nu va fi discutat aici.
Capacitatea de încărcare este limitată de intensitatea laserului. Mecanismul fizic include deteriorarea corpului și deteriorarea suprafeței. Printre acestea, deteriorarea suprafeței poate fi evitată prin tehnologia de acoperire, iar deteriorarea corpului este limitată de caracteristicile materialului cu matrice de fibre, care este factorul limitator. De obicei, pragul de intensitate a luminii este de aproximativ 4,75 kW/μm2. Pentru un diametru al câmpului de mod de 50μm, pragul de putere de deteriorare corespunzător atinge 9,3 MW, ceea ce este mult mai mare decât nivelul curent de putere de vârf al miezului laser cu fibră de impuls și mai mare decât puterea pragului de autofocalizare. Prin urmare, afectarea corpului nu este o problemă care trebuie luată în considerare în prezent.
Eficiența extracției este limitată în principal de amplificarea emisiei spontane (ASE), de distribuția câștigului amplificatorului cu mai multe trepte și de ciclul de lucru al impulsului în cadrul etapei. În special în condițiile amplificării pulsului scurt sub nanosecunde, ASE limitează direct creșterea energiei pulsului și a puterii de vârf. Cu toate acestea, limitarea ASE poate fi suprimată prin proiectarea rațională a amplificatoarelor cu mai multe etape, optimizarea distribuției câștigului între etape și a metodelor de pompare și prin reducerea componentei ASE transmise în etapa ulterioară prin filtrare spectrală și filtrare acusto-optică. Distribuția rezonabilă a câștigului între etape poate ajuta, de asemenea, la suprimarea problemelor de saturație a câștigului pulsului și la obținerea unor forme de undă a pulsului mai perfecte.
Calitatea fasciculului este limitată și măsurată prin factorul de calitate a fasciculului M2. Pentru a obține ieșirea modului fundamental, principalul lucru este de a asigura funcționarea cu un singur mod sau cu câteva moduri prin proiectarea structurii modului de ghid de undă optic. Pe această bază, controlul excitației modului în timpul fuziunii diferitelor fibre cu diametru de miez și metode de filtrare a modului, cum ar fi înfășurarea fibrei, sunt utilizate pentru a îmbunătăți calitatea fasciculului. În prezent, fibra optică convențională care poate garanta o ieșire de înaltă calitate a fasciculului este de 30/250, iar miezul fibrelor optice speciale, cum ar fi cristalele fotonice, poate fi extins la aproximativ 100μm. Această dimensiune a câmpului de mod este încă prea mică în comparație cu dimensiunea spotului la nivel de milimetri a laserelor industriale cu stare solidă. Multe efecte neliniare menționate mai târziu sunt legate de integrala B, care este invers proporțională cu aria câmpului de mod.
Starea de polarizare este limitată și măsurată prin gradul de polarizare. Mecanismul fizic este în principal caracteristicile de polarizare ale ghidului de undă din fibră optică. În fibrele optice obișnuite cu două învelișuri, lumina polarizată liniar se va depolariza, iar gradul de depolarizare este sensibil la îndoire și parametrii de mediu, ceea ce face dificilă menținerea unei stări de polarizare stabile. În aceleași condiții, pragul de putere de vârf al luminii polarizate este în general jumătate din cel al luminii nepolarizate, deoarece lumina nepolarizată poate fi descompusă în două componente ortogonale de lumină nepolarizată.
Efectele neliniare de ordinul al treilea din fibrele optice pot fi împărțite în două categorii: una este efectul de modulare a indicelui de refracție indus de intensitatea luminii, inclusiv modulația de fază proprie (SPM), modulația de fază încrucișată (XPM), instabilitatea modulației (MI) , amestecare cu patru unde (FWM) și autofocalizare (SF); celălalt este efectul de împrăștiere a luminii inelastice, care implică schimbul de energie între fotoni și vibrația rețelei a materialului matricei, inclusiv împrăștierea Brillouin stimulată (SBS) și împrăștierea Raman stimulată (SRS).
Dintre acestea, cea mai mare limită depinde de pragul de autofocalizare, care este de aproximativ 4MW pentru materialele din fibră optică. Sub pragul de autofocalizare, împrăștierea Raman stimulată este cea mai importantă limitare, deoarece deplasarea frecvenței spectrale a luminii Raman în comparație cu lumina cu frecvența fundamentală este de până la 60 nm. Componentele Raman prea mari vor afecta serios funcția cristalului magneto-optic izolator și vor provoca, de asemenea, o mare aberație cromatică lentilei. Figura prezintă evoluția filamentării cu autofocalizare generată atunci când puterea de vârf în fibra optică depășește pragul de autofocalizare.
Adresa noastră
B-1507 Conacul Ruiding, nr.200 Zhenhua Rd, districtul Xihu
Număr de telefon
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
