Højere effekt, kortere pulser og stærkere lysstyrke er den konstante stræben efter udvikling af laserteknologi. I den industrielle anvendelse af pulserende lasere har korte pulser og høje spidsværdier en vigtig indflydelse på materialebehandlingseffekten. Sammenlignet med solid-state lasere har fiberlasere flere fordele i gennemsnitseffekt, men er betydeligt begrænset i spidseffekt. I lang tid har pulsbredden af fiberpulslasere været begrænset til mere end ns, med en spidsværdi på mindre end 15kW og en standard på 100ns 1mJ.
Metoder til at øge pulsspidseffekten
I laserimpulssekvensen vist i fig. 1 er spidseffekten lig med impulsenergien divideret med impulsbredden. Derfor kan en afkortning af pulsbredden under de samme energiforhold øge spidseffekten betydeligt. Under de samme pulsbreddeforhold kan en forøgelse af spidsværdien øge pulsenergien.
Blandt de solide pulslasere, der i øjeblikket er på det almindelige industrielle marked, kan energien i nanosekunds pulsbreddelasere nå mJ-niveauet. Beregnet ved 1mJ energi og 10ns pulsbredde kan spidseffekten nå 100kW. Energien af picosekund pulslasere er omkring 300μJ. Beregnet ved 10ps kan spidseffekten nå 30MW. Energien af femtosekund pulslasere er 100μJ og pulsbredden er 500fs, så spidseffekten når 200MW. Til sammenligning er spidseffekten af konventionelle MOPA nanosekund-pulslasere omkring 10 kW, hvilket er langt lavere end indikatorerne for solide lasere.
Begrænsende faktorer for at øge fiberpulsspidseffekten
De vigtigste begrænsende faktorer omfatter fem elementer: begrænset belastningskapacitet, begrænset B-integral, begrænset ekstraktionseffektivitet, begrænset strålekvalitet og begrænset polarisationstilstand. Samtidig hører de forskellige fysiske mekanismeløsninger til forskellige designniveauer, herunder: matrixmateriale, øget modefelt, guidet modestruktur og polarisationsstruktur tilhører fiberdesignniveauet; endehætte stråleudvidelse, mode excitation, mode filtrering hører til enhedsdesignniveauet; pumpetilstand, isolationsfiltrering og polarisationskontrol hører til enhedsdesignniveauet; øget båndbredde, valg af pulsbredde, valg af gentagelsesfrekvens og forstærkningsallokering hører til systemdesignniveauet.
Ud over de ovennævnte fem punkter er de termiske effekter, der skal tages i betragtning i kontinuerlige højeffektfiberlasere, ikke opført her, fordi den gennemsnitlige effekt af den højspidseffektfiberforstærker, vi forfølger, er langt lavere end omfanget, hvor den termiske effekt kan spille en væsentlig rolle, så den vil ikke blive diskuteret her.
Belastningskapaciteten er begrænset af laserintensiteten. Den fysiske mekanisme omfatter kropsskader og overfladeskader. Blandt dem kan overfladeskader undgås ved endeafdækningsteknologi, og kropsskader er begrænset af egenskaberne af fibermatrixmaterialet, som er den grænsebegrænsende faktor. Typisk er lysintensitetstærsklen omkring 4,75kW/μm2. For en tilstandsfeltdiameter på 50 μm når den tilsvarende skadeseffekttærskel 9,3 MW, hvilket er langt højere end det aktuelle spidseffektniveau for pulsfiberlaserkernen og højere end den selvfokuserende tærskeleffekt. Derfor er kropsskader ikke et problem, der skal overvejes på nuværende tidspunkt.
Ekstraktionseffektiviteten er hovedsageligt begrænset af forstærkningen af spontan emission (ASE), forstærkningsfordelingen af flertrinsforstærkeren og pulsens arbejdscyklus i scenen. Især under betingelsen af sub-nanosekunders kort pulsforstærkning, begrænser ASE direkte stigningen af pulsenergi og spidseffekt. Begrænsningen af ASE kan dog undertrykkes ved rationelt at designe flertrinsforstærkere, optimere inter-trins forstærkningsfordeling og pumpemetoder og reducere ASE-komponenten transmitteret til det efterfølgende trin ved spektralfiltrering og akusto-optisk filtrering. Rimelig forstærkningsfordeling mellem trin kan også hjælpe med at undertrykke problemer med pulsforstærkningsmætning og opnå mere perfekte pulsbølgeformer.
Strålekvaliteten er begrænset og målt ved strålekvalitetsfaktoren M2. For at opnå den fundamentale mode-output er det vigtigste at sikre single-mode eller få-mode drift gennem designet af den optiske bølgeleder mode struktur. På dette grundlag anvendes modusexcitationsstyringen under sammensmeltningen af fibre med forskellige kernediameter og modusfiltreringsmetoder såsom fibervikling til at forbedre strålekvaliteten. På nuværende tidspunkt er den konventionelle optiske fiber, der kan garantere output af høj strålekvalitet, 30/250, og kernen af specielle optiske fibre, såsom fotoniske krystaller, kan udvides til omkring 100μm. Denne tilstandsfeltstørrelse er stadig for lille sammenlignet med spotstørrelsen på millimeterniveau for industrielle solid-state lasere. Mange ikke-lineære effekter nævnt senere er relateret til B-integralet, som er omvendt proportional med tilstandsfeltområdet.
Polarisationstilstanden er begrænset og målt ved graden af polarisering. Den fysiske mekanisme er hovedsageligt polarisationsegenskaberne for den optiske fiberbølgeleder. I almindelige dobbeltbeklædte optiske fibre vil lineært polariseret lys depolarisere, og graden af depolarisering er følsom over for bøjning og miljøparametre, hvilket gør det vanskeligt at opretholde en stabil polarisationstilstandsoutput. Under de samme forhold er spidseffekttærsklen for polariseret lys generelt halvdelen af ikke-polariseret lys, fordi ikke-polariseret lys kan nedbrydes i to ortogonale ikke-polariseret lyskomponenter.
De tredje-ordens ikke-lineære effekter i optiske fibre kan opdeles i to kategorier: den ene er brydningsindeksmodulationseffekten induceret af lysintensitet, herunder selvfasemodulation (SPM), krydsfasemodulation (XPM), modulationsinstabilitet (MI) , fire-bølge blanding (FWM) og selvfokusering (SF); den anden er den uelastiske lysspredningseffekt, som involverer energiudvekslingen mellem fotoner og gittervibrationen af matrixmaterialet, herunder stimuleret Brillouin-spredning (SBS) og stimuleret Raman-spredning (SRS).
Blandt dem afhænger den højeste grænse af selvfokuseringstærsklen, som er omkring 4MW for optiske fibermaterialer. Under selvfokuseringstærsklen er stimuleret Raman-spredning den vigtigste begrænsning, fordi Raman-lysets spektrale frekvensforskydning sammenlignet med grundfrekvenslyset er så højt som 60nm. For høje Raman-komponenter vil alvorligt påvirke funktionen af den isolator magneto-optiske krystal og vil også forårsage stor kromatisk aberration til linsen. Figuren viser udviklingen af selvfokuserende filamentering genereret, når spidseffekten i den optiske fiber overstiger selvfokuseringstærsklen.
Vores adresse
B-1507 Ruiding Mansion, No.200 Zhenhua Rd, Xihu District
Telefonnummer
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
