파이버 레이저란?
광섬유는 광섬유의 약자로 일반적으로 광파용 원통형 도파관입니다. 전반사 원리를 사용하여 광파를 코어에 가두어 섬유 축 방향으로 안내합니다. 구리선을 석영 유리로 교체하면 세상이 바뀌었습니다.
광파를 전도하는 매개체로서 광섬유는 1966년 Charles Kao에 의해 소개된 이후 널리 사용되어 왔는데, 그 이유는 높은 통신 용량, 높은 간섭 내성, 낮은 전송 손실, 긴 중계 거리, 좋은 기밀성, 적응성, 작은 크기 때문입니다. , 가볍고 풍부한 원료 공급원. "광섬유의 아버지"로 알려진 Kao는 그의 업적으로 2009년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 광섬유의 완성도와 실용성이 높아짐에 따라 통신 산업에 혁명을 일으켰고 현대 통신의 핵심 구성 요소인 구리선을 대체했습니다.
광섬유 통신 시스템은 빛을 정보 매체로 사용하고 광섬유를 도파관 매체로 사용하는 통신 시스템입니다. 광섬유가 정보를 전송할 때 전기 신호가 광 신호로 변환되어 광섬유 내부로 전송됩니다. 신흥 통신 기술로서 광섬유 통신은 초기부터 독보적인 우위를 보여 많은 관심과 광범위한 관심을 받고 있습니다. 통신에서 광섬유의 광범위한 사용은 또한 광섬유 증폭기와 광섬유 레이저의 급속한 발전에 동시에 기여했습니다. 통신 외에도 광섬유 시스템은 의료, 감지 및 기타 분야의 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다.
광섬유
파이버 레이저의 이득 매질은 활성 파이버입니다. 그 구조에 따라 단일 모드 광섬유, 이중 클래드 광섬유 및 광결정 광섬유 세 가지로 나눌 수 있습니다.
단일 모드 광섬유 단일 모드 광섬유는 코어, 클래딩 및 코팅층으로 구성되며, 여기서 코어 재료의 굴절률 n1은 입사광의 입사각이 임계 각도 사진, 전체 방출의 코어에 있는 광선, 그래서 섬유는 코어 전파에서 광선에 바인딩될 수 있습니다. 단일 모드 광섬유의 내부 클래딩은 다중 모드 펌프 광에 대한 구속 역할을 할 수 없으며 코어의 개구수가 낮기 때문에 코어에 결합된 단일 모드 펌프 광만 레이저 출력을 얻는 데 사용할 수 있습니다. 초기 파이버 레이저는 이 단일 모드 파이버를 사용하여 낮은 결합 효율과 밀리와트 범위의 출력을 가진 레이저를 생성했습니다.
이중 클래드 섬유
변환 효율과 출력 전력에 대한 기존의 단일 모드, 단일 클래드 이테르븀 도핑(Yb3 플러스) 광섬유의 한계를 극복하기 위해 Maurer(R. Maurer)는 1974년에 이중 클래드 광섬유의 개념을 처음 제안했습니다. 그 이후로 E. Snitzer와 다른 사람들이 클래딩 펌핑 기술[3]을 제안한 1988년이 되어서야 고전력 Yb 도핑 파이버 레이저/증폭기가 빠르게 개발되었습니다.
이중 클래드 광섬유는 코팅층, 내부 클래딩층, 외부 클래딩층 및 도핑된 광섬유 코어로 구성된 기존 광섬유에 내부 클래딩층을 추가한 특수 구조의 광섬유입니다. 클래딩 펌핑 기술은 이중 클래드 광섬유를 기반으로 하며, 코어는 다중 모드 펌프 광이 내부 클래딩에 전송되고 레이저 광이 코어에 전송되도록 하여 펌핑 변환 효율과 출력 전력을 허용합니다. 크게 개선될 파이버 레이저. 이중 클래드 광섬유의 구조, 내부 클래딩의 형태, 펌프 광 결합 방식이 이 기술의 핵심이다.
이중 클래드 광섬유의 코어는 희토류 원소가 도핑된 이산화규소(SiO2)로 구성되며, 이는 작동 파장에 해당하는 파이버 레이저에서 레이저 신호의 레이저 매질이자 전송 채널입니다. 내부 클래딩의 가로 크기(기존 코어 직경의 수십 배)와 개구수는 코어보다 훨씬 크며 굴절률은 코어보다 작아 레이저 광의 전파를 완전히 제한합니다. 코어 내에서. 이것은 코어와 외부 클래딩 사이에 큰 단면의 큰 개구수 광학 도파관을 생성하여 큰 개구수, 큰 단면 및 다중 모드 고출력 펌핑 광이 광섬유에 결합되고 내부 전송에 국한되도록 합니다. 확산이 없는 내부 클래딩으로 고출력 밀도 광 펌핑의 유지를 용이하게 합니다. 외부 클래딩은 내부 클래딩보다 굴절률이 작은 폴리머 재료로 구성됩니다. 최외층은 유기물로 구성된 보호층이다. 이중 클래드 광섬유와 펌핑된 빛의 결합 영역은 코어만으로 결정되는 기존의 단일 모드 광섬유와 달리 내부 클래딩의 크기에 의해 결정됩니다. 한편으로 이것은 인간 파이버 레이저의 전력 결합 효율을 향상시켜 펌프 광이 내부 클래딩을 여러 번 통과하여 레이저 방출을 위해 도핑된 이온을 여기시킵니다. 한편, 출력 빔 품질은 파이버 코어의 특성에 의해 결정되며 내부 클래딩의 도입은 파이버 레이저 출력의 빔 품질을 파괴하지 않습니다.
처음에 이중 클래드 광섬유의 내부 클래딩은 원통형 대칭이었고 비교적 제작이 간단하고 펌프 레이저 다이오드(LD)의 피그테일에 결합하기 쉬웠지만 완벽한 대칭으로 인해 펌프 광의 많은 나선형 광선이 발생했습니다. 내부 클래딩은 코어가 흡수하기에 충분한 반사 후에도 코어 영역에 도달하지 않았기 때문에 더 긴 광섬유를 사용하더라도 여전히 많은 양의 빛 누출이 있어 변환 효율을 개선하기 어렵습니다. 이러한 이유로 내부 클래딩의 원통형 대칭이 깨져야 합니다.
광결정 섬유
일반 이중 클래드 광섬유에서는 코어의 형상이 출력 레이저 출력을 결정합니다. 개구수는 출력 레이저의 빔 품질을 결정합니다. 광섬유의 비선형 효과, 광학적 손상 및 기타 물리적 메커니즘의 한계로 인해 코어 직경을 늘리는 단일 수단은 대형 모드 필드 이중 클래딩 광섬유에서 높은 출력에서 단일 모드 작동에 대한 요구를 충족할 수 없습니다. 광결정 섬유(PCF)와 같은 특수 섬유의 출현은 이 문제에 대한 효과적인 기술 솔루션을 제공합니다.
광자 결정의 개념은 19871년 E. Yablonovitch에 의해 1차원, 2차원 또는 3차원에서 서로 다른 유전 상수를 갖는 주기적인 구조로 처음 도입되어 광 전도대에서 빛이 전파되도록 하고 광자 밴드 갭에서 빛이 전파되는 것을 금지합니다. PBG). PCF는 미세구조 섬유 또는 다공성 섬유로도 알려진 2차원 광결정이며 1996년 JC Knight et al. 내부 전반사를 가진 기존 섬유와 유사한 도광 메커니즘을 가진 최초의 PCF를 생산했습니다. 2005년 이후, 누설 채널 PCF, 막대 모양 PCF, 큰 피치 PCF 및 멀티 코어 PCF를 포함한 다양한 모양의 출현과 함께 대형 모드 필드 PCF의 설계 및 준비가 다양화되기 시작했습니다. 광섬유의 모드 필드 영역도 그에 따라 계속 증가했습니다.
외관상 PCF는 기존의 단일 모드 광섬유와 매우 유사하지만 미시적으로는 복잡한 홀 배열 구조를 나타냅니다. 컷오프 없는 단일 모드 전송, 넓은 모드 필드 영역, 조정 가능한 분산 및 낮은 제한 손실과 같은 기존 광섬유에 비해 PCF에 고유하고 타의 추종을 불허하는 이점을 제공하는 것은 이러한 구조적 특징으로, 기존 레이저의 많은 문제를 극복할 수 있습니다. . 예를 들어, PCF는 빔 품질을 보장하고 광섬유의 레이저 출력 밀도를 크게 낮추고 광섬유의 비선형 효과를 줄이고 광섬유의 손상 임계값을 높이면서 넓은 모드 필드 영역에서 단일 모드 작동을 달성할 수 있습니다. 큰 개구수를 달성할 수 있으며, 이는 더 많은 펌프 광 결합과 더 높은 출력의 레이저 출력을 달성할 수 있음을 의미합니다. 이것은 고출력 파이버 레이저의 적용에서 점점 더 중요한 역할을 하는 파이버 레이저의 새로운 연구 하이라이트가 되었습니다.
파이버 레이저의 발명
광섬유를 레이저 이득 매질로 사용하는 레이저를 광섬유 레이저라고 합니다. 다른 유형의 레이저와 마찬가지로 이득 매질, 펌프 소스 및 공진 공동의 세 부분으로 구성됩니다. 파이버 레이저는 코어가 희토류 원소로 도핑된 활성 파이버를 이득 매질로 사용합니다. 반도체 레이저는 일반적으로 펌프 소스로 사용됩니다. 공진 공동은 일반적으로 반사 거울, 섬유 끝 표면, 섬유 고리 거울 또는 섬유 격자로 구성됩니다.
파이버 레이저의 시간 영역 특성에 따라 연속 파이버 레이저와 펄스 파이버 레이저로 나눌 수 있습니다. 공진 공동 구조에 따라 선형 공동 파이버 레이저, 분산 피드백 파이버 레이저 및 링 캐비티 파이버 레이저로 나눌 수 있습니다. 이득 광섬유와 다른 펌핑 방법에 따라 단일 클래딩 광섬유 레이저(파이버 코어 펌핑)와 이중 클래딩 광섬유 레이저(클래딩 펌핑)로 나눌 수 있습니다.
1961년에 Snitzer는 네오디뮴(Nd)이 도핑된 유리 도파관에서 레이저 방사를 발견했습니다. 1966년 Kao는 광섬유에서 광 감쇠의 주요 원인을 자세히 연구하고 통신에서 광섬유의 실제 적용을 위해 해결해야 할 주요 기술적 문제를 지적했습니다. 1970년 미국 코닝은 감쇠율이 20dB/km 이하인 광섬유를 개발하여 광통신 및 광전자 산업 발전의 기반을 마련했습니다. 이것은 광통신 및 광전자 산업 발전의 기반을 마련했습니다. 1970년대와 1980년대에 반도체 레이저 기술의 성숙과 상용화는 파이버 레이저 개발을 위한 안정적이고 다양한 펌프 소스를 제공했습니다. 동시에 화학기상증착법의 발달로 광섬유의 전송손실이 지속적으로 감소하고 있다. 파이버 레이저도 에르븀(Er3 플러스 ), 이테르븀(Yb3 플러스 ), 네오디뮴(Nd3 플러스 ), 사마륨(Sm 3 플러스 ), 툴륨(Tm3 플러스 ), 홀뮴(Ho3 플러스 ), 프라세오디뮴(Pr3 플러스 ), 디스프로슘(Dy3 플러스 ), 비스무트(Bi3 플러스 ) 등. 도핑된 이온에 따라 레이저 출력의 다른 파장을 얻을 수 있습니다. 다른 응용 프로그램의 요구 사항을 충족합니다.
고출력 파이버 레이저의 특징
고출력 광섬유 레이저의 장점은 다음과 같습니다.
(1) 좋은 빔 품질. 광섬유의 도파관 구조는 단일 횡 모드 출력을 쉽게 얻을 수 있으며 외부 요인의 영향이 매우 적어 고휘도 레이저 출력을 달성합니다.
(2) 고효율. 파이버 레이저는 반도체 레이저의 방출 파장과 도핑된 희토류 원소 흡수 특성을 펌프 소스로 선택하여 매우 높은 광 변환 효율을 달성할 수 있습니다. 이터븀 도핑된 고출력 파이버 레이저의 경우 일반적으로 915nm 또는 975nm 반도체 레이저를 선택합니다. Yb3 플러스의 단순한 에너지 준위 구조로 인해 업컨버전, 여기 상태 흡수 및 집중 버스트가 발생할 가능성이 적고 형광 수명이 더 길고 효과적으로 에너지를 저장할 수 있습니다. 고전력 작동을 위해. 상업용 파이버 레이저의 전체 전기 광학 효율은 25%로 비용 절감, 에너지 절약 및 환경 보호에 도움이 됩니다.
(3) 좋은 방열 특성. 파이버 레이저는 표면적 대 체적 비율이 매우 큰 얇은 희토류 원소 도핑 파이버를 사용하는 레이저 이득 매질로 사용됩니다. 고체 블록 레이저의 약 1000배, 방열 능력 면에서 자연적인 이점이 있습니다. 저출력 및 중출력 케이스에는 광섬유의 특별한 냉각이 필요하지 않으며, 고출력 케이스에는 수냉식을 사용하여 고체 레이저에서 일반적으로 발견되는 열 효과로 인한 빔 품질 및 효율성 저하를 효과적으로 방지합니다.
(4) 조밀한 구조, 높은 신뢰성. 파이버 레이저는 작고 유연한 파이버를 레이저 이득 매질로 사용하기 때문에 부피를 압축하고 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다. 펌프 소스는 또한 작은 크기의 모듈형 반도체 레이저에 사용되며 상용 제품은 일반적으로 광섬유 브래그 격자 및 기타 광섬유 장치와 결합된 피그테일 출력으로 사용할 수 있습니다. 환경 교란에 대한 내성과 높은 안정성으로 유지보수 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.
고출력 파이버 레이저는 또한 극복하기 어려운 단점이 있습니다. 하나는 비선형 효과에 대한 취약성입니다. 파이버 레이저는 도파관의 기하학적 구조로 인해 유효 길이가 길고 다양한 비선형 효과에 대한 임계값이 낮습니다. 여기된 라만 산란(SRS), 자체 위상 변조(SPM) 등과 같은 일부 유해한 비선형 효과는 스펙트럼에서 위상 변동 및 에너지 전달을 유발하거나 심지어 레이저 시스템을 손상시켜 고출력 광섬유의 개발을 제한할 수 있습니다. 레이저. 두 번째는 광자 어둡게 하는 효과입니다. 펌핑 시간이 증가함에 따라 광자 암화 효과는 희토류 원소 도핑 섬유 전력 변환 효율의 단조 돌이킬 수 없는 감소의 높은 도핑 농도로 이어질 수 있으며, 이는 특히 명백한 고전력 섬유 레이저의 장기 안정성과 서비스 수명을 제한합니다. 이테르븀 도핑된 고출력 파이버 레이저에서.
고휘도 광섬유 결합 반도체 레이저 및 이중 클래드 광섬유 기술의 발전으로 고출력 광섬유 레이저의 출력 전력, 광-광 변환 효율 및 빔 품질이 크게 발전했습니다. 산업 공정에서 지향성 에너지 무기, 장거리 원격 측정, LIDAR 및 기타 막대한 수요 견인 응용 프로그램, 주로 미국 Apache Photonics(IPG Photonics), Nufern(Nufern), Nlight(Nlight) 및 독일 Tong Express Group 연속파, 펄스파 고출력 파이버 레이저 연구 개발에 관한 연구 단위는 풍부한 제품 라인을 출시했습니다. 칭화대학교, 국립국방기술대학교, 중국과학원 상하이광학정밀기계연구소, 중국항공우주과학원 제4연구소 등 중국의 여러 기관에서도 흥미로운 결과를 보고했습니다. 산업 공사.
파이버 레이저 출력 향상 기술
파이버 레이저의 비선형 효과, 열 효과 및 재료 손상 임계값 제한으로 인해 단일 파이버 레이저의 출력 전력은 어느 정도 제한되며 출력이 증가함에 따라 빔 품질이 점차 저하되어 사용이 필요합니다. 빔 품질을 향상시키기 위해 모드 제어 기술 및 새로운 광섬유의 특수 구조 설계. Dawson(JW Dawson) 등은 이론적으로 단일 광섬유의 출력 한계를 분석하고 광대역 광섬유 레이저에서 단일 광섬유가 회절 한계 레이저 출력에 가까운 36kW의 최대 출력을 얻을 수 있는 반면 좁은 선폭 광섬유 레이저의 경우 최대 출력을 얻을 수 있다고 계산했습니다. 전력은 2kW입니다. 파이버 레이저와 증폭기의 출력을 더욱 향상시키기 위해서는 코히어런트 합성 기술에 의한 다중 파이버 레이저의 파워 합성이 효과적인 방법입니다. 최근 몇 년 동안 국제 연구 핫스팟이되었습니다.
코히어런트 합성은 각 레이저 빔의 위상, 주파수 및 편광을 특정 일관성으로 제어하여 달성되므로 코히어런스 조건을 충족하고 균일한 위상 잠금 출력을 얻습니다. 이는 단순한 비코히어런트보다 훨씬 더 높은 피크 강도를 얻을 수 있습니다. 중첩하고 좋은 빔 품질을 유지합니다. 코히어런트 합성 기술의 발전 역사는 거의 레이저 자체의 역사만큼이나 길며, 다양한 종류의 가스 레이저, 화학 레이저, 반도체 레이저, 고체 레이저 등을 포함한다. 초기에는 코히어런트 합성 기술로 달성한 실험 결과가 당시 해당 단일 링크 레이저의 최대 출력을 돌파하지 못하여 그 효과가 그다지 뚜렷하지 않았습니다. 1990년대부터 파이버 레이저의 출현으로 일관된 합성 기술이 빠르게 발전했습니다. 파이버 레이저의 고유한 장점과 수백 킬로와트의 전술적 사용 필요성 외에도 여러 장치(예: 파이버 콘 커플러, 멀티 코어 파이버, 피그테일이 있는 위상 변조기 및 음향 광학 주파수 시프터 등)가 사용되었습니다. 광섬유 통신의 상업적 롤아웃에서 중요한 역할. 파이버 콘 커플러 및 멀티코어 파이버는 레이저 에너지 주입 커플링 및 스위프트 웨이브 커플링을 기반으로 수동 위상 제어를 용이하게 하며, 피그테일 및 음향 광학 주파수 시프터가 있는 위상 변조기는 위상 변동을 제어하는 데 사용할 수 있는 메가헤르츠 제어 대역폭으로 능동 위상 제어를 가능하게 합니다. 고전력 조건 및 위상 고정 출력을 달성합니다. 연구원들은 여러 가지 독특한 일관된 합성 체계를 제안했습니다.
스펙트럼 합성은 하나 이상의 회절 격자를 사용하여 여러 하위 빔을 동일한 조리개로 회절시켜 빔 품질이 좋은 단일 조리개 출력을 생성하는 비간섭 합성 기술입니다. 파이버 레이저의 스펙트럼 합성은 단일 파이버 레이저의 제한된 출력 전력을 보상하기 위해 Yb 도핑된 파이버 레이저의 넓은 이득 대역폭을 최대한 활용할 수 있습니다.
