Veća snaga, kraći impulsi i jači sjaj su stalna težnja za razvojem laserske tehnologije. U industrijskoj primjeni impulsnih lasera, kratki impulsi i visoke vršne vrijednosti imaju važan utjecaj na učinak obrade materijala. U poređenju sa solid-state laserima, laseri sa vlaknima imaju više prednosti u prosječnoj snazi, ali su značajno ograničeni u vršnoj snazi. Dugo vremena, širina impulsa vlaknastih impulsnih lasera bila je ograničena na više od ns, sa vršnom vrijednošću manjom od 15kW, a standardom od 100ns 1mJ.
Metode za povećanje vršne snage pulsa
U sekvenci laserskih impulsa prikazanoj na SLICI 1, vršna snaga jednaka je energiji impulsa podijeljenoj sa širinom impulsa. Stoga, pod istim energetskim uslovima, skraćivanje širine impulsa može značajno povećati vršnu snagu. Pod istim uslovima širine impulsa, povećanje vršne vrednosti može povećati energiju impulsa.
Među čvrstim impulsnim laserima koji su trenutno na glavnom industrijskom tržištu, energija nanosekundnih lasera širine impulsa može doseći nivo mJ. Izračunato na energiju od 1mJ i širinu impulsa od 10ns, vršna snaga može doseći 100kW. Energija pikosekundnih pulsnih lasera je oko 300μJ. Izračunato na 10ps, vršna snaga može doseći 30MW. Energija femtosekundnih impulsnih lasera je 100μJ, a širina impulsa je 500fs, tako da vršna snaga dostiže 200MW. Za poređenje, vršna snaga konvencionalnih MOPA nanosekundnih impulsnih lasera je oko 10 kW, što je daleko niže od pokazatelja čvrstih lasera.
Ograničavajući faktori u povećanju vršne snage impulsa vlakana
Glavni ograničavajući faktori uključuju pet stavki: ograničen kapacitet opterećenja, ograničen B integral, ograničena efikasnost ekstrakcije, ograničen kvalitet zraka i ograničeno stanje polarizacije. U isto vrijeme, različita rješenja fizičkog mehanizma koja su data pripadaju različitim nivoima dizajna, uključujući: materijal matrice, povećano polje moda, struktura vođenog moda i struktura polarizacije pripadaju nivou dizajna vlakana; proširenje snopa krajnjeg poklopca, pobuda moda, filtriranje modova pripadaju nivou dizajna uređaja; režim pumpanja, izolaciono filtriranje i kontrola polarizacije pripadaju nivou projektovanja jedinice; povećani propusni opseg, izbor širine impulsa, izbor frekvencije ponavljanja i alokacija pojačanja pripadaju nivou projektovanja sistema.
Pored gore navedenih pet stavki, ovdje nisu navedeni termalni efekti koje treba uzeti u obzir kod kontinuiranih vlaknastih lasera velike snage, jer je prosječna snaga vlaknastog pojačala velike vršne snage za kojim težimo daleko niža od opsega u kojem je termalna efekat može igrati značajnu ulogu, tako da se o tome ovdje neće raspravljati.
Kapacitet opterećenja je ograničen intenzitetom lasera. Fizički mehanizam uključuje oštećenje tijela i površinsko oštećenje. Među njima, površinska oštećenja mogu se izbjeći tehnologijom završnog zatvaranja, a oštećenje tijela ograničeno je karakteristikama materijala vlaknastog matriksa, koji je limitirajući faktor. Tipično, prag intenziteta svjetlosti je oko 4,75kW/μm2. Za prečnik polja modusa od 50 μm, odgovarajući prag snage oštećenja dostiže 9,3 MW, što je daleko više od trenutnog vršnog nivoa snage laserskog jezgra pulsnog vlakna i više od granične snage samofokusiranja. Dakle, oštećenje tijela nije problem koji se trenutno mora razmatrati.
Efikasnost ekstrakcije je uglavnom ograničena pojačanjem spontane emisije (ASE), distribucijom pojačanja višestepenog pojačavača i radnim ciklusom impulsa unutar stepena. Posebno pod uslovom sub-nanosekundnog pojačanja kratkog impulsa, ASE direktno ograničava povećanje energije impulsa i vršne snage. Međutim, ograničenje ASE može biti potisnuto racionalnim projektovanjem višestepenih pojačala, optimizacijom međustepenih distribucije pojačanja i metoda pumpanja, i smanjenjem ASE komponente koja se prenosi u kasniji stepen spektralnim filtriranjem i akusto-optičkim filtriranjem. Razumna međustepena distribucija pojačanja takođe može pomoći u suzbijanju problema sa zasićenjem pojačanja impulsa i dobijanju savršenijih talasnih oblika impulsa.
Kvalitet zraka je ograničen i mjeri se faktorom kvalitete zraka M2. Da bi se dobio izlaz osnovnog moda, glavna stvar je osigurati rad u jednom ili nekoliko modova kroz dizajn strukture optičkog talasovoda. Na osnovu toga, za poboljšanje kvaliteta snopa koristi se kontrola pobude režima tokom fuzije različitih vlakana prečnika jezgre i metode filtriranja modova kao što je namotavanje vlakana. Trenutno, konvencionalno optičko vlakno koje može garantovati visok kvalitet izlaznog snopa je 30/250, a jezgra specijalnih optičkih vlakana kao što su fotonski kristali mogu se proširiti na oko 100 μm. Veličina polja ovog moda je i dalje premala u poređenju sa veličinom mrlje na milimetarskom nivou industrijskih lasera u čvrstom stanju. Mnogi nelinearni efekti koji se spominju kasnije povezani su sa B integralom, koji je obrnuto proporcionalan površini polja moda.
Stanje polarizacije je ograničeno i mjeri se stepenom polarizacije. Fizički mehanizam su uglavnom polarizacione karakteristike talasovoda optičkih vlakana. U običnim dvostruko obloženim optičkim vlaknima, linearno polarizirano svjetlo će se depolarizirati, a stupanj depolarizacije je osjetljiv na savijanje i parametre okoline, što otežava održavanje stabilnog izlaznog stanja polarizacije. Pod istim uslovima, prag vršne snage polarizovane svetlosti je generalno upola manji od nepolarizovane svetlosti, jer se nepolarizovana svetlost može razložiti na dve ortogonalne nepolarizovane svetlosne komponente.
Nelinearni efekti trećeg reda u optičkim vlaknima mogu se podijeliti u dvije kategorije: jedna je efekat modulacije indeksa prelamanja izazvan intenzitetom svjetlosti, uključujući samofaznu modulaciju (SPM), međufaznu modulaciju (XPM), modulacijsku nestabilnost (MI) , četvorotalasno mešanje (FWM) i samofokusiranje (SF); drugi je efekat neelastičnog rasejanja svetlosti, koji uključuje razmenu energije između fotona i vibracije rešetke materijala matriksa, uključujući stimulisano Brilouinovo rasejanje (SBS) i stimulisano Ramanovo rasejanje (SRS).
Među njima, najviša granica ovisi o pragu samofokusiranja, koji je oko 4MW za materijale optičkih vlakana. Ispod praga samofokusiranja, stimulirano Ramanovo raspršenje je najvažnije ograničenje, jer je pomak spektralne frekvencije Ramanove svjetlosti u odnosu na svjetlost osnovne frekvencije čak 60 nm. Previsoke Raman komponente će ozbiljno uticati na funkciju izolatorskog magneto-optičkog kristala i takođe će uzrokovati veliku hromatsku aberaciju na sočivu. Slika prikazuje evoluciju samofokusne filamentacije koja nastaje kada vršna snaga u optičkom vlaknu premaši prag samofokusiranja.
Naša adresa
B{0}} Ruiding Mansion, br. 200 Zhenhua Rd, Xihu Distrikt
Broj telefona
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
