Лазеры используют квантовый эффект (вынужденное излучение) для генерации света и имеют ряд общих элементов конструкции, таких как активная среда для обеспечения усиления, оптический резонатор для усиления и управления оптическим полем и источник накачки для обеспечения энергии. Однако некоторые особенности этих элементов играют важную роль в различении характеристик лазеров, возможностей масштабирования мощности, стабильности, занимаемой площади и стоимости. Различные наполненные газом трубки, кристаллические стержни и диски традиционно использовались в качестве активных сред, встроенных внутрь оптического резонатора.
Волоконные лазеры является последним достижением в области технологий твердотельных лазеров, быстро увеличивая их проникновение во все секторы промышленности, медицины и области применения направленной энергии.
Оптические волокна, которые считаются волноводами, могут применяться для передачи света. Сердцевина оптического волокна окружена стеклянным или пластиковым слоем, называемым оболочкой, которая характеризуется более низким показателем преломления по сравнению с показателем преломления сердцевины. Явление полного внутреннего отражения необходимо для надежного удержания света внутри волновода. В принципе, оптические волокна можно разделить на разные категории по структуре, количеству мод, профилю показателя преломления, дисперсии, способности обработки сигнала и поляризации. Их можно использовать в волоконных лазерах для создания и усиления узкого интенсивного пучка когерентного и монохроматического света.
Рисунок 1 - Упрощенная схема конструкции оптоволокна
В волоконных лазерах усиление обеспечивается волноводами различных типов с сердцевиной, легированной активными редкоземельными ионами, такими как иттербий, эрбий, тулий или гольмий. Резонатор может быть образован объемными зеркалами, размещенными на концах волокна, или волоконными брэгговскими решетками (ВБР), записанными непосредственно в сердцевине волокна. Накачка достигается объединением лазерных диодов (одиночные излучатели или линейки) и заведением излучения либо в сердцевину, либо в оболочку волокна.
Рисунок 2 - Ход лучей внутри оптического волокна
Волоконный лазер может охватывать широкий диапазон длин волн, посредством выбора легирующей добавки. В большинстве волоконных лазеров в качестве легирующего агента на основе редкоземельного элемента в сердцевине волокна используется иттербий или эрбий. Иттербий излучает фотоны с длинами волн в диапазоне одного микрометра. В частности, на 1030 нм, 1064 нм и 1080 нм. Эрбий является предпочтительным элементом для получения продукции в диапазоне 1550 нм. Этот элемент предлагает диапазон от 1528 до 1620 до 1620 нм. Импульсные волоконные лазеры с длиной волны 1550 нм становятся незаменимым элементом в сенсорных приложениях, поскольку они обеспечивают очень высокую мощность в безопасном для глаз диапазоне длин волн 1,5 микрона. Чтобы получить уровни выходной мощности более 5 Вт на длине волны 1550 нм, довольно часто в качестве легирующих агентов используют комбинацию эрбия и иттербия. В этом случае иттербий переходит в возбужденное состояние, и энергия затем передается ионам эрбия. Волоконный лазер, легированный туллием Tm, работает в безопасной для глаз области 2 мкм и производит излучение с мощностью до кВт. Такой генератор кажется многообещающим для новых направленных источников энергии и промышленных приложений. На базе гольмия (Ho) можно получить монолитный, надежный одномодовый волоконный лазер с резонансной накачкой в оболочке с выходной мощностью более 400 Вт в диапазоне длин волн 2,05–2,15 мкм. Используя нелинейные процессы, высокомощные лазеры, могут использоваться в качестве накачки и в сочетании с правильно сконструированными и оптимизированными волокнами могут обеспечивать значительную мощность практически в любой спектральной области в диапазоне 1–2,5 мкм.
Волоконный лазер также можно использовать в качестве задающего источника для создания высокоэффективных суперконтинуумных источников. Генерацию непрерывного суперконтинуума, простирающегося на видимую область спектра, можно продемонстрировать путем накачки световодов на фотонно-кристаллических волокнах на 1,07 мкм одномодовым непрерывным волоконным иттербиевым лазером мощностью порядка 400 Вт. Можно получить более широкий суперконтинуум (более 1300 нм), пригодный для STED-микроскопии. Волоконный лазер с распределенной обратной связью (DFB) может обеспечивать одночастотность и малый фазовый шум, что делает такой тип лазеров идеальным вариантом для усовершенствования конфигураций MOPA высокой мощности, датчиков и других приложений.
Конфигурации волоконного лазера включают в себя:
- одномодовый непрерывный, который может быстро модулироваться до частоты выше 100 кГц;
- на базе эффекта Рамана; с модуляцией добротности;
- с удвоением/утроением частоты;
- квазинепрерывные (QCW).
Выходные длины волн генерации покрывают УФ, видимый и ближний инфракрасный спектральные диапазоны.
- Есть ряд особенностей, которые отличают волоконные лазеры от других существующих лазерных устройств и обеспечивают им превосходные характеристики:
- Благодаря большому соотношению площади поверхности к объему устройства обеспечивают лучшее управление температурой и полное устранение теплового линзирования, которое присуще их аналогам на кристаллах;
- Хорошо контролируемое пространственное распределение сигнала, приводит к превосходному качеству и стабильности луча;
- Незначительный квантовый дефект, а также низкие потери в резонаторе приводят к рекордной эффективности устройства;
- Представляют собой полностью готовые системы «под ключ» и имеют небольшие размеры;
- Нет дополнительных оптических устройств, а именно в конструкции нет элементов, которые нужно калибровать или юстировать;
- Волноводы делают систему более простой и надежной;
- Практически не требуют обслуживания и отличаются длительным сроком службы, составляющим не менее 100 000 часов работы.
В таблице, приведенной ниже, представлена квантовая эффективность преобразования (КПД) в зависимости от используемого легирующего материала.
| Активный элемент | Длина волны генерации | Полоса накачки | Эффективность преобразования |
| Неодим (Nd) | 1064 нм – 1088 нм | 808 нм | 76% |
| Иттербий (Yb) | 1030 нм – 110 нм | 910 нм, 940 нм, 975 нм | более 90%@940/1030 нм |
| Эрбий (Er) | 1550 нм | 980 нм и 1480 нм | 95% или 63% |
| Yb-Er | Эрбий | Иттербий | |
| Тулий (Tm) | 1720 нм – 2100 нм | 793 нм | 2 фотона out/1 фотон in |
Уникальные свойства лазеров на базе волноводов, в частности стабильность выходной мощности и беспрецедентное качество луча при высоких выходных мощностях, увеличили их проникновение на рынок и открыли ряд новых приложений.
Аморфная природа стеклянной матрицы в сердцевине волокна создает неоднородно уширенные спектры излучения и поглощения активных ионов, которые шире, чем в кристаллах. Это позволяет осуществлять перестройку по длине волны в широком диапазоне и эффективно работать от непрерывного режима (CW) до генерации сверхкоротких оптических импульсов. Они демонстрируют высокий коэффициент усиления, который позволяет создавать мастер-генераторы мощности (MOPA) и каскадные конфигурации усилителей и делает их пригодными для масштабирования средней мощности. Однако малая энергия насыщения, связанная с относительно небольшим - по сравнению с аналогами твердотельных стержней - диаметром сердцевины волокна, ставит под угрозу возможности аккумулирования энергии и работу с высокой энергией.
Рисунок 3 - Диапазон длин волн волоконных лазеров и их выходная мощность
Волоконные лазеры стали предпочтительным инструментом для быстрой, эффективной и надежной обработки в широком диапазоне приложений. Они эффективны для обработки поверхности вне зависимости от материала (металл или полимер), толщины (толстой или тонкий слой), размера (большая или маленькая деталь).
В промышленности мощные генераторы на основе волноводов применяются в таких областях как:
- Сварка
- Резка
- Очистка поверхности
- Маркировка
- Абляция
- Плакировка
- Сверление
- Пайка
За последнее десятилетие рост производительности и мощности волоконных лазеров стал впечатляющим, что сделало такие лазеры успешным и быстрорастущим направление лазерного рынка. Ключом к дальнейшему масштабированию мощности высокомощных волоконных лазеров является развитие основных волоконно-оптических технологий, таких как высококачественные пассивные и активные волокна, мощные пассивные волоконные компоненты, включая сумматоры пучков, волоконные брэгговские решетки (ВБР), изоляторы и торцевые крышки, а также модули накачки ярких диодных лазеров.
