Công suất cao hơn, xung ngắn hơn và độ sáng mạnh hơn là mục tiêu không ngừng phát triển của công nghệ laser. Trong ứng dụng công nghiệp của laser xung, xung ngắn và giá trị cực đại cao có tác động quan trọng đến hiệu quả xử lý vật liệu. So với laser trạng thái rắn, laser sợi quang có nhiều ưu điểm hơn về công suất trung bình nhưng bị hạn chế đáng kể ở công suất cực đại. Trong một thời gian dài, độ rộng xung của laser xung sợi quang bị giới hạn ở mức hơn ns, với giá trị cực đại dưới 15kW và tiêu chuẩn là 100ns 1mJ.
Phương pháp tăng công suất đỉnh xung
Trong chuỗi xung laser được hiển thị trên Hình 1, công suất cực đại bằng năng lượng xung chia cho độ rộng xung. Do đó, trong cùng điều kiện năng lượng, việc rút ngắn độ rộng xung có thể làm tăng công suất cực đại lên rất nhiều. Trong cùng điều kiện độ rộng xung, việc tăng giá trị cực đại có thể làm tăng năng lượng xung.
Trong số các laser xung rắn hiện có trên thị trường công nghiệp chính thống, năng lượng của laser có độ rộng xung nano giây có thể đạt tới mức mJ. Tính ở mức năng lượng 1mJ và độ rộng xung 10ns, công suất cực đại có thể đạt tới 100kW. Năng lượng của laser xung picosecond là khoảng 300μJ. Tính ra ở 10ps, công suất cực đại có thể đạt tới 30MW. Năng lượng của laser xung femto giây là 100μJ và độ rộng xung là 500fs nên công suất cực đại đạt tới 200MW. Để so sánh, công suất cực đại của laser xung nano giây MOPA thông thường là khoảng 10kW, thấp hơn nhiều so với chỉ số của laser rắn.
Các yếu tố hạn chế trong việc tăng công suất đỉnh xung của sợi quang
Các yếu tố hạn chế chính bao gồm năm hạng mục: khả năng tải hạn chế, tích phân B hạn chế, hiệu suất trích xuất hạn chế, chất lượng chùm tia hạn chế và trạng thái phân cực hạn chế. Đồng thời, các giải pháp cơ chế vật lý khác nhau được đưa ra thuộc các cấp thiết kế khác nhau, bao gồm: vật liệu ma trận, trường mode tăng, cấu trúc mode dẫn hướng và cấu trúc phân cực thuộc cấp thiết kế sợi; mở rộng chùm tia nắp cuối, kích thích chế độ, lọc chế độ thuộc cấp độ thiết kế của thiết bị; chế độ bơm, lọc cách ly và điều khiển phân cực thuộc cấp độ thiết kế đơn vị; tăng băng thông, lựa chọn độ rộng xung, lựa chọn tần số lặp lại và phân bổ mức tăng thuộc về cấp độ thiết kế hệ thống.
Ngoài năm mục trên, các hiệu ứng nhiệt cần được xem xét trong laser sợi quang công suất cao liên tục không được liệt kê ở đây, bởi vì công suất trung bình của bộ khuếch đại sợi quang công suất cực đại mà chúng tôi theo đuổi thấp hơn nhiều so với phạm vi mà nhiệt hiệu ứng có thể đóng một vai trò quan trọng nên nó sẽ không được thảo luận ở đây.
Khả năng tải bị giới hạn bởi cường độ laser. Cơ chế vật lý bao gồm tổn thương cơ thể và tổn thương bề mặt. Trong số đó, có thể tránh được hư hỏng bề mặt bằng công nghệ đóng nắp cuối và hư hỏng cơ thể được hạn chế bởi các đặc tính của vật liệu ma trận sợi, đây là yếu tố giới hạn giới hạn. Thông thường, ngưỡng cường độ ánh sáng vào khoảng 4,75kW/μm2. Đối với đường kính trường chế độ là 50μm, ngưỡng công suất sát thương tương ứng đạt 9,3MW, cao hơn nhiều so với mức công suất cực đại hiện tại của lõi laser sợi quang xung và cao hơn công suất ngưỡng tự lấy nét. Vì vậy, tổn thương cơ thể không phải là vấn đề cần quan tâm lúc này.
Hiệu suất trích xuất chủ yếu bị giới hạn bởi sự khuếch đại phát xạ tự phát (ASE), sự phân bố khuếch đại của bộ khuếch đại nhiều tầng và chu kỳ hoạt động của xung trong tầng. Đặc biệt trong điều kiện khuếch đại xung ngắn dưới nano giây, ASE trực tiếp hạn chế sự gia tăng năng lượng xung và công suất cực đại. Tuy nhiên, hạn chế của ASE có thể được hạn chế bằng cách thiết kế hợp lý các bộ khuếch đại nhiều tầng, tối ưu hóa các phương pháp bơm và phân phối khuếch đại giữa các tầng, đồng thời giảm thành phần ASE truyền sang tầng tiếp theo bằng cách lọc quang phổ và lọc quang âm. Phân phối khuếch đại giữa các giai đoạn hợp lý cũng có thể giúp ngăn chặn các vấn đề bão hòa khuếch đại xung và thu được dạng sóng xung hoàn hảo hơn.
Chất lượng chùm tia bị giới hạn và được đo bằng hệ số chất lượng chùm tia M2. Để có được đầu ra chế độ cơ bản, điều chính là đảm bảo hoạt động ở chế độ đơn hoặc vài chế độ thông qua thiết kế cấu trúc chế độ ống dẫn sóng quang. Trên cơ sở đó, điều khiển kích thích chế độ trong quá trình hợp nhất các sợi có đường kính lõi khác nhau và các phương pháp lọc chế độ như cuộn sợi được sử dụng để cải thiện chất lượng chùm tia. Hiện tại, sợi quang thông thường có thể đảm bảo đầu ra chất lượng chùm tia cao là 30/250 và lõi của các sợi quang đặc biệt như tinh thể quang tử có thể mở rộng đến khoảng 100μm. Kích thước trường chế độ này vẫn còn quá nhỏ so với kích thước điểm cấp milimet của laser trạng thái rắn công nghiệp. Nhiều hiệu ứng phi tuyến được đề cập sau này có liên quan đến tích phân B, tỷ lệ nghịch với diện tích trường mode.
Trạng thái phân cực bị giới hạn và được đo bằng mức độ phân cực. Cơ chế vật lý chủ yếu là đặc tính phân cực của ống dẫn sóng sợi quang. Trong sợi quang phủ đôi thông thường, ánh sáng phân cực tuyến tính sẽ khử cực và mức độ khử cực rất nhạy cảm với các thông số uốn cong và môi trường, gây khó khăn cho việc duy trì đầu ra trạng thái phân cực ổn định. Trong cùng điều kiện, ngưỡng công suất cực đại của ánh sáng phân cực thường bằng một nửa ngưỡng công suất của ánh sáng không phân cực, vì ánh sáng không phân cực có thể bị phân hủy thành hai thành phần ánh sáng không phân cực trực giao.
Các hiệu ứng phi tuyến bậc ba trong sợi quang có thể được chia thành hai loại: một là hiệu ứng điều chế chiết suất gây ra bởi cường độ ánh sáng, bao gồm điều chế tự pha (SPM), điều chế chéo pha (XPM), điều chế không ổn định (MI). , trộn bốn sóng (FWM) và tự lấy nét (SF); cái còn lại là hiệu ứng tán xạ ánh sáng không đàn hồi, bao gồm sự trao đổi năng lượng giữa các photon và dao động mạng của vật liệu ma trận, bao gồm tán xạ Brillouin kích thích (SBS) và tán xạ Raman kích thích (SRS).
Trong đó, giới hạn cao nhất phụ thuộc vào ngưỡng tự hội tụ là khoảng 4MW đối với vật liệu sợi quang. Dưới ngưỡng tự hội tụ, tán xạ Raman kích thích là hạn chế quan trọng nhất, vì độ lệch tần số phổ của ánh sáng Raman so với ánh sáng tần số cơ bản cao tới 60nm. Các thành phần Raman quá cao sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chức năng của tinh thể quang từ cách ly và cũng sẽ gây ra quang sai màu lớn cho thấu kính. Hình cho thấy sự phát triển của dây tóc tự hội tụ được tạo ra khi công suất cực đại trong sợi quang vượt quá ngưỡng tự hội tụ.
Địa chỉ của chúng tôi
B-1507 Ruiding Mansion,Số 200 Đường Zhenhua,Quận Tây Hồ
Số điện thoại
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
