Apa itu laser serat?
Serat optik adalah kependekan dari serat optik dan biasanya merupakan pandu gelombang silinder untuk gelombang cahaya. Ini menggunakan prinsip refleksi total untuk membatasi gelombang cahaya ke inti dan mengarahkannya ke arah sumbu serat. Mengganti kawat tembaga dengan kaca kuarsa mengubah dunia.
Sebagai media penghantar gelombang cahaya, serat optik telah banyak digunakan sejak tahun 1966 ketika diperkenalkan oleh Charles Kao, berkat kapasitas komunikasinya yang tinggi, imunitas interferensi yang tinggi, kehilangan transmisi yang rendah, jarak relai yang panjang, kerahasiaan yang baik, kemampuan beradaptasi, ukuran kecil , ringan dan sumber bahan baku yang melimpah. Dikenal sebagai "bapak serat optik", Kao dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2009 untuk karyanya. Dengan peningkatan kesempurnaan dan kepraktisan serat optik, serat optik telah merevolusi industri telekomunikasi dan sebagian besar telah menggantikan kabel tembaga sebagai komponen inti komunikasi modern.
Sistem komunikasi serat optik merupakan sistem komunikasi yang menggunakan cahaya sebagai pembawa informasi dan serat optik sebagai media pemandu gelombang. Ketika serat optik mentransmisikan informasi, sinyal listrik diubah menjadi sinyal optik, yang kemudian ditransmisikan di dalam serat. Sebagai teknologi komunikasi yang sedang berkembang, komunikasi serat optik telah menunjukkan keunggulan yang tak tertandingi sejak awal dan telah menarik banyak minat dan perhatian luas. Meluasnya penggunaan serat optik dalam komunikasi juga berkontribusi pada perkembangan pesat penguat serat optik dan laser serat pada saat yang bersamaan. Selain komunikasi, sistem serat optik juga digunakan dalam berbagai aplikasi di bidang kedokteran, penginderaan, dan bidang lainnya.
Serat optik
Media penguatan laser serat adalah serat aktif. Menurut strukturnya dapat dibagi menjadi serat mode tunggal, serat berlapis ganda dan serat kristal fotonik tiga.
Serat optik mode tunggal Serat mode tunggal terdiri dari lapisan inti, kelongsong dan pelapis, di mana indeks bias bahan inti n1, lebih tinggi dari indeks bias bahan kelongsong n2, ketika sudut datang cahaya datang lebih besar dari gambar sudut kritis, berkas cahaya di inti dari emisi penuh, sehingga serat dapat terikat ke berkas cahaya di propagasi inti. Kelongsong bagian dalam serat mode tunggal tidak dapat memainkan peran penahan untuk lampu pompa multimode, dan bukaan numerik inti rendah, sehingga hanya penggandengan lampu pompa mode tunggal ke dalam inti yang dapat digunakan untuk mendapatkan output laser. Laser serat awal menggunakan serat mode tunggal ini, menghasilkan efisiensi sambungan yang rendah dan laser dengan daya keluaran dalam kisaran miliwatt.
Serat berlapis ganda
Untuk mengatasi keterbatasan serat single-mode, single-clad ytterbium-doped (Yb3 plus) konvensional pada efisiensi konversi dan daya output, Maurer (R. Maurer) pertama kali mengusulkan konsep serat double-clad pada tahun 1974 . Sejak itu, baru pada tahun 1988, ketika E. Snitzer dan yang lainnya mengusulkan teknologi pemompaan kelongsong [3], laser/amplifier serat doping Yb berkekuatan tinggi dikembangkan dengan cepat.
Serat berlapis ganda adalah serat optik dengan struktur khusus yang menambahkan lapisan kelongsong dalam ke serat konvensional, yang terdiri dari lapisan pelapis, lapisan kelongsong dalam, lapisan kelongsong luar, dan inti serat yang diolah. Teknologi pemompaan kelongsong didasarkan pada serat berlapis ganda, yang intinya memungkinkan cahaya pompa multimode ditransmisikan di kelongsong bagian dalam dan sinar laser ditransmisikan di dalam inti, memungkinkan efisiensi konversi pemompaan dan daya keluaran dari laser serat menjadi sangat ditingkatkan. Struktur serat berlapis ganda, bentuk kelongsong bagian dalam, dan metode kopling lampu pompa adalah kunci dari teknologi ini.
Inti dari serat berlapis ganda terdiri dari silikon dioksida (SiO2) yang diolah dengan elemen tanah jarang, yang merupakan media laser dan saluran transmisi sinyal laser dalam laser serat, sesuai dengan panjang gelombang kerja. Ukuran transversal (puluhan kali diameter inti konvensional) dan bukaan numerik kelongsong bagian dalam jauh lebih besar daripada inti, dan indeks bias lebih kecil daripada inti, yang membatasi propagasi sinar laser sepenuhnya dalam inti. Hal ini menciptakan pandu gelombang optik bukaan numerik penampang lintang besar antara inti dan kelongsong luar, yang memungkinkan bukaan numerik besar, penampang melintang besar, dan cahaya yang dipompa daya tinggi multi-mode untuk digabungkan ke dalam serat dan terbatas pada transmisi di dalam kelongsong bagian dalam tanpa difusi, memfasilitasi pemeliharaan pemompaan optik kepadatan daya tinggi. Kelongsong luar terdiri dari bahan polimer dengan indeks bias lebih kecil dari kelongsong dalam; lapisan terluar merupakan lapisan pelindung yang tersusun dari bahan organik. Area kopling dari serat berlapis ganda ke lampu yang dipompa ditentukan oleh ukuran kelongsong bagian dalam, tidak seperti serat mode tunggal konvensional, yang ditentukan oleh inti saja. Di satu sisi, ini meningkatkan efisiensi penggandengan daya dari laser serat manusia, memungkinkan cahaya pompa melewati kelongsong bagian dalam beberapa kali untuk membangkitkan ion yang diolah untuk emisi laser; di sisi lain, kualitas sinar keluaran ditentukan oleh sifat inti serat, dan pengenalan kelongsong bagian dalam tidak merusak kualitas sinar dari keluaran laser serat.
Awalnya, kelongsong bagian dalam dari serat berlapis ganda berbentuk silinder simetris dan relatif sederhana untuk dibuat dan mudah dipasangkan ke kuncir dioda laser pompa (LD), tetapi kesimetriannya yang sempurna menghasilkan sejumlah besar sinar spiral cahaya pompa di kelongsong bagian dalam yang tidak pernah mencapai daerah inti bahkan setelah pantulan yang cukup untuk diserap oleh inti, sehingga bahkan dengan serat yang lebih panjang masih ada kebocoran cahaya dalam jumlah besar, sehingga sulit untuk meningkatkan efisiensi konversi. Untuk alasan ini, simetri silinder kelongsong bagian dalam harus dipatahkan.
Serat kristal fotonik
Dalam serat berlapis ganda normal, geometri inti menentukan daya keluaran laser. Bukaan numerik menentukan kualitas berkas laser keluaran. Karena keterbatasan efek non-linier, kerusakan optik, dan mekanisme fisik lainnya dalam serat optik, cara tunggal untuk meningkatkan diameter inti tidak dapat memenuhi permintaan untuk operasi mode tunggal pada keluaran daya tinggi dalam serat kelongsong ganda bidang mode besar. Munculnya serat khusus, seperti serat kristal fotonik (PCF), memberikan solusi teknis yang efektif untuk tantangan ini.
Konsep kristal fotonik pertama kali diperkenalkan oleh E. Yablonovitch pada tahun 19871 sebagai struktur periodik dengan konstanta dielektrik yang berbeda dalam satu, dua atau tiga dimensi yang memungkinkan cahaya merambat pada pita konduksi fotonik dan melarang cahaya merambat dalam celah pita fotonik ( PBG). PCF adalah kristal fotonik dua dimensi, juga dikenal sebagai serat berstruktur mikro atau serat berpori, dan pada tahun 1996 JC Knight et al. menghasilkan PCF pertama dengan mekanisme pemandu cahaya yang serupa dengan serat konvensional dengan pantulan internal total. Setelah tahun 2005, desain dan persiapan PCF lapangan mode besar mulai diversifikasi, dengan munculnya berbagai bentuk, termasuk PCF saluran bocor, PCF berbentuk batang, PCF pitch besar, dan PCF multi-inti. Area bidang mode dari serat juga terus meningkat.
Dalam penampilan, PCF sangat mirip dengan serat mode tunggal konvensional, tetapi secara mikroskopis mereka menunjukkan struktur susunan lubang yang kompleks. Fitur struktural inilah yang memberikan PCF keunggulan unik dan tak tertandingi dibandingkan serat konvensional, seperti transmisi mode tunggal bebas cut-off, area bidang mode besar, dispersi merdu, dan kerugian pembatas rendah, yang dapat mengatasi banyak tantangan laser konvensional. . Misalnya, PCF dapat mencapai operasi mode tunggal di area bidang mode besar, sambil memastikan kualitas pancaran, secara signifikan mengurangi kerapatan daya laser dalam serat, mengurangi efek non-linier pada serat dan meningkatkan ambang kerusakan serat; itu dapat mencapai apertur numerik yang besar, yang berarti lebih banyak kopling optik pompa dan output laser daya yang lebih tinggi dapat dicapai. Hal ini menjadikannya sorotan penelitian baru dalam laser serat, memainkan peran yang semakin penting dalam penerapan laser serat berdaya tinggi.
Penemuan laser serat
Laser yang menggunakan serat optik sebagai media penguatan laser dikenal sebagai laser serat. Seperti jenis laser lainnya, ini terdiri dari tiga bagian: media penguatan, sumber pompa, dan rongga resonansi. laser serat menggunakan serat aktif dengan inti yang diolah dengan elemen tanah jarang sebagai media penguatan. Laser semikonduktor umumnya digunakan sebagai sumber pompa. Rongga resonansi umumnya terdiri dari cermin reflektif, permukaan ujung serat, cermin cincin serat atau kisi-kisi serat.
Menurut karakteristik domain waktu dari laser serat, dapat dibagi menjadi laser serat kontinu dan laser serat berdenyut; menurut struktur rongga resonansi, dapat dibagi menjadi laser serat rongga linier, laser serat umpan balik terdistribusi dan laser serat rongga cincin; menurut serat penguat dan metode pemompaan yang berbeda, dapat dibagi menjadi laser serat kelongsong tunggal (pemompaan inti serat) dan laser serat kelongsong ganda (pemompaan kelongsong).
Pada tahun 1961, Snitzer menemukan radiasi laser dalam pandu gelombang kaca neodymium (Nd). 1966, Kao mempelajari secara rinci penyebab utama redaman cahaya pada serat optik dan menunjukkan masalah teknis utama yang perlu dipecahkan untuk aplikasi praktis serat optik dalam komunikasi. Pada tahun 1970, Corning di AS mengembangkan serat optik dengan redaman kurang dari 20 dB/km, yang meletakkan dasar bagi perkembangan industri komunikasi optik dan optoelektronik. Ini meletakkan dasar untuk pengembangan komunikasi optik dan industri optoelektronik. Pada 1970-an dan 1980-an, pematangan dan komersialisasi teknologi laser semikonduktor menyediakan sumber pompa yang andal dan beragam untuk pengembangan laser serat. Pada saat yang sama, pengembangan metode pengendapan uap kimia membuat kerugian transmisi serat optik terus berkurang. Laser serat juga berkembang pesat ke arah diversifikasi, dengan serat yang diolah dengan berbagai elemen tanah jarang, seperti erbium (Er3 plus ), ytterbium (Yb3 plus ), neodymium (Nd3 plus ), samarium (Sm 3 plus ), thulium (Tm3 plus ), holmium (Ho3 plus ), praseodymium (Pr3 plus ), dysprosium (Dy3 plus ), bismut (Bi3 plus ) dan seterusnya. Bergantung pada ion yang diolah, panjang gelombang output laser yang berbeda dapat dicapai. Untuk memenuhi persyaratan aplikasi yang berbeda.
Fitur laser serat daya tinggi
Keuntungan dari laser serat daya tinggi adalah sebagai berikut.
(1) Kualitas balok bagus. Struktur pandu gelombang serat optik memudahkan untuk mendapatkan keluaran mode melintang tunggal, dan pengaruh faktor eksternal sangat kecil, untuk mencapai keluaran laser kecerahan tinggi.
(2) Efisiensi tinggi. Laser serat dengan memilih panjang gelombang emisi dan karakteristik penyerapan elemen tanah jarang yang didoping dari laser semikonduktor untuk sumber pompa, Anda dapat mencapai efisiensi konversi cahaya cahaya yang sangat tinggi. Untuk laser serat daya tinggi yang didoping ytterbium, umumnya pilih laser semikonduktor 915nm atau 975nm, karena struktur tingkat energi sederhana Yb3 plus , upconversion, penyerapan keadaan tereksitasi dan semburan konsentrasi cenderung terjadi, masa pakai fluoresensi lebih lama dan dapat menyimpan energi secara efektif untuk operasi daya tinggi. Efisiensi elektro-optik keseluruhan dari laser serat komersial setinggi 25 persen , yang kondusif untuk pengurangan biaya, penghematan energi, dan perlindungan lingkungan.
(3) Karakteristik pembuangan panas yang baik. Laser serat digunakan sebagai media penguatan laser menggunakan serat doping elemen tanah jarang yang tipis dengan rasio luas permukaan terhadap volume yang sangat besar. Sekitar 1000 kali laser blok padat, dalam hal kapasitas pembuangan panas memiliki keunggulan alami. Tidak diperlukan pendinginan serat khusus untuk casing daya rendah dan sedang, dan pendinginan air digunakan untuk casing daya tinggi, yang juga secara efektif menghindari penurunan kualitas sinar dan efisiensi karena efek termal yang biasa ditemukan pada laser solid-state.
(4) Struktur kompak, keandalan tinggi. Karena laser serat menggunakan serat kecil dan fleksibel sebagai media penguatan laser, hal ini membantu menekan volume dan menghemat biaya. Sumber pompa juga digunakan dalam ukuran kecil, laser semikonduktor modular yang mudah, produk komersial umumnya tersedia dengan keluaran kuncir, dikombinasikan dengan kisi serat Bragg dan perangkat serat optik lainnya, selama perangkat ini menyatu satu sama lain untuk mencapai serat penuh, kekebalan terhadap gangguan lingkungan, dengan stabilitas tinggi, dapat menghemat waktu dan biaya perawatan.
Laser serat berdaya tinggi juga memiliki kelemahan yang sulit diatasi: salah satunya adalah kerentanan terhadap efek non-linear. Laser serat memiliki panjang efektif yang panjang dan ambang rendah untuk berbagai efek non-linier karena geometri pandu gelombangnya. Beberapa efek nonlinier berbahaya seperti hamburan Raman tereksitasi (SRS), modulasi fase mandiri (SPM), dll. Dapat menyebabkan fluktuasi fase dan transfer energi pada spektrum, atau bahkan merusak sistem laser, membatasi pengembangan serat berdaya tinggi laser. Yang kedua adalah efek penggelapan foton. Dengan peningkatan waktu pemompaan, efek penggelapan foton dapat menyebabkan konsentrasi doping yang tinggi dari efisiensi konversi daya serat elemen tanah jarang yang didoping secara monoton, penurunan yang tidak dapat diubah secara monoton, membatasi stabilitas jangka panjang dan masa pakai laser serat daya tinggi, yang sangat jelas. dalam laser serat berdaya tinggi yang didoping ytterbium.
Dengan kemajuan laser semikonduktor berpasangan serat kecerahan tinggi dan teknologi serat berlapis ganda, daya keluaran, efisiensi konversi optik-ke-optik, dan kualitas berkas laser serat daya tinggi telah berkembang secara signifikan. Dalam pemrosesan industri, senjata energi terarah, telemetri jarak jauh, LIDAR dan aplikasi traksi permintaan besar lainnya, ke Apache Photonics (IPG Photonics) Amerika Serikat, Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) dan Jerman Tong Express Group, terutama unit penelitian pada gelombang terus menerus, penelitian dan pengembangan laser serat gelombang daya tinggi gelombang pulsa, meluncurkan lini produk yang kaya. Hasil yang menggembirakan juga telah dilaporkan oleh sejumlah unit di China, termasuk Universitas Tsinghua, Universitas Teknologi Pertahanan Nasional, Institut Optik dan Mesin Presisi Shanghai dari Akademi Ilmu Pengetahuan China dan Institut Penelitian Keempat dari Ilmu Pengetahuan Luar Angkasa China dan Korporasi Industri.
Teknologi peningkatan daya laser serat
Karena efek non-linier pada laser serat, efek termal, dan batasan ambang batas kerusakan material, daya keluaran laser serat tunggal dibatasi sampai batas tertentu, dan dengan meningkatnya daya, kualitas pancaran secara bertahap menurun, membutuhkan penggunaan teknologi kontrol mode dan desain struktur khusus serat baru untuk meningkatkan kualitas balok. Dawson (JW Dawson) et al secara teoritis menganalisis batas daya output dari satu serat dan menghitung bahwa dalam laser serat broadband, satu serat dapat memperoleh daya maksimum 36 kW dekat output laser batas difraksi, sedangkan untuk laser serat linewidth sempit, maksimum daya 2 kW. Untuk lebih meningkatkan daya keluaran laser serat dan penguat, sintesis daya dari beberapa laser serat dengan teknologi sintesis yang koheren adalah metode yang efektif. Ini telah menjadi hotspot penelitian internasional dalam beberapa tahun terakhir.
Sintesis yang koheren dicapai dengan mengontrol fase, frekuensi, dan polarisasi dari setiap sinar laser dengan konsistensi tertentu, sehingga memenuhi kondisi koherensi dan memperoleh output fase-terkunci yang homogen, yang dapat memperoleh intensitas puncak yang jauh lebih tinggi daripada non-koheren sederhana. superposisi dan menjaga kualitas balok yang baik. Sejarah perkembangan teknologi sintesis koheren hampir sepanjang sejarah laser itu sendiri, dan melibatkan berbagai jenis laser gas, laser kimia, laser semikonduktor, laser solid-state, dll. Namun, karena ketidakmatangan berbagai perangkat pada hari-hari awal, hasil eksperimen yang dicapai dengan teknologi sintesis koheren tidak menembus daya keluaran maksimum dari laser tautan tunggal yang sesuai pada saat itu, sehingga efeknya tidak terlalu jelas. Sejak 1990-an dan seterusnya, munculnya laser serat menyebabkan perkembangan pesat teknik sintesis yang koheren. Selain keuntungan unik dari laser serat dan kebutuhan untuk penggunaan taktis ratusan kilowatt, beberapa perangkat (yaitu skrup kerucut serat, serat multi-inti, modulator fase dengan kuncir dan pemindah frekuensi akustik-optik, dll.) telah berperan peran penting dalam peluncuran komersial komunikasi serat optik. Fiber cone coupler dan serat multicore memfasilitasi kontrol fase pasif berdasarkan kopling injeksi energi laser dan kopling gelombang cepat, sedangkan modulator fase dengan kuncir dan pemindah frekuensi akustik-optik memungkinkan kontrol fase aktif dengan bandwidth kontrol megahertz, yang dapat digunakan untuk mengontrol fluktuasi fase pada kondisi daya tinggi dan mencapai keluaran fase-terkunci. Para peneliti telah mengusulkan sejumlah skema sintesis koheren yang khas.
Sintesis spektral adalah teknik sintesis non-koheren yang menggunakan satu atau lebih kisi difraksi untuk mendifraksi beberapa subbeam ke dalam apertur yang sama, menghasilkan output apertur tunggal dengan kualitas pancaran yang baik. Sintesis spektral dari laser serat dapat memanfaatkan sepenuhnya bandwidth penguatan lebar dari laser serat yang didoping Yb untuk mengkompensasi daya keluaran terbatas dari laser serat tunggal.
