ไฟเบอร์เลเซอร์คืออะไร?

คำนิยาม: เลเซอร์ที่ใช้ไฟเบอร์เจือเป็นตัวกลางเกน หรือเลเซอร์ที่ตัวสะท้อนเสียงเลเซอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยไฟเบอร์

เลเซอร์ไฟเบอร์มักจะหมายถึงเลเซอร์ที่ใช้ไฟเบอร์เป็นตัวกลางเกน แม้ว่าเลเซอร์บางตัวที่ใช้สื่อเกนเซมิคอนดักเตอร์ (เครื่องขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์) และเครื่องสะท้อนไฟเบอร์ก็สามารถเรียกว่าเลเซอร์ไฟเบอร์ (หรือเลเซอร์ออปติคอลเซมิคอนดักเตอร์) นอกจากนี้ เลเซอร์ประเภทอื่นๆ บางประเภท (เช่น ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบบไฟเบอร์คู่) และเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เรียกอีกอย่างว่าเลเซอร์ไฟเบอร์ (หรือระบบเลเซอร์ไฟเบอร์)

ในกรณีส่วนใหญ่ ตัวกลางเกนคือไฟเบอร์เจือไอออนของแรร์เอิร์ธ เช่น เออร์เบียม (Er3+), อิตเทอร์เบียม (Yb3+), ทอเรียม (Tm3+) หรือเพราซีโอดิเมียม (Pr3+) และต้องใช้ไดโอดเลเซอร์คู่ไฟเบอร์อย่างน้อยหนึ่งตัว สำหรับการสูบน้ำ แม้ว่าตัวกลางเกนของเลเซอร์ไฟเบอร์จะคล้ายคลึงกับเลเซอร์จำนวนมากในโซลิดสเตต แต่เอฟเฟกต์ท่อนำคลื่นและพื้นที่โหมดที่มีประสิทธิภาพขนาดเล็กส่งผลให้เลเซอร์มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น พวกมันมักจะมีอัตราขยายของเลเซอร์สูงและการสูญเสียช่องตัวสะท้อนเสียงสูง ดูรายการไฟเบอร์เลเซอร์และเลเซอร์จำนวนมาก

รูปที่ 1

เครื่องสะท้อนไฟเบอร์เลเซอร์

เพื่อให้ได้เครื่องสะท้อนเสียงแบบเลเซอร์โดยใช้ใยแก้วนำแสง สามารถใช้ตัวสะท้อนจำนวนหนึ่งเพื่อสร้างเครื่องสะท้อนเสียงเชิงเส้น หรือสร้างเลเซอร์วงแหวนไฟเบอร์ได้ ตัวสะท้อนแสงประเภทต่างๆ สามารถใช้ในตัวสะท้อนเลเซอร์แบบออปติคัลเชิงเส้นได้:

รูปที่ 2

1. ในการตั้งค่าห้องปฏิบัติการ กระจกไดโครอิกธรรมดาสามารถใช้ที่ปลายของเส้นใยที่แยกตั้งฉากกัน ดังแสดงในรูปที่ 1 อย่างไรก็ตาม สารละลายนี้ไม่สามารถใช้ในการผลิตขนาดใหญ่ได้ และไม่คงทน

2. การสะท้อนของเฟรสเนลที่ปลายไฟเบอร์เปลือยเพียงพอที่จะทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมต่อเอาต์พุตสำหรับไฟเบอร์เลเซอร์ รูปที่ 2 แสดงตัวอย่าง

3. การเคลือบอิเล็กทริกสามารถฝากไว้ที่ปลายไฟเบอร์ได้โดยตรง ซึ่งโดยปกติแล้วจะเกิดจากการระเหย การเคลือบดังกล่าวสามารถสะท้อนแสงได้สูงในช่วงกว้าง

4. ในผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ มักใช้ตะแกรงไฟเบอร์ Bragg ซึ่งสามารถเตรียมได้โดยตรงจากเส้นใยที่เจือปน หรือโดยการต่อเส้นใยที่ไม่มีการเจือเข้ากับเส้นใยที่ใช้งานอยู่ รูปที่ 3 แสดงเลเซอร์สะท้อนแสงแบบ Bragg (เลเซอร์ DBR) แบบกระจายซึ่งมีตะแกรงไฟเบอร์สองตัว นอกจากนี้ยังมีเลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจายพร้อมตะแกรงในไฟเบอร์เจือและมีการเปลี่ยนเฟสระหว่างนั้น

5. หากแสงที่ปล่อยออกมาจากไฟเบอร์ถูกเลนส์ชนกันและสะท้อนกลับด้วยกระจกไดโครอิก ก็จะสามารถจัดการพลังงานได้ดีขึ้น แสงที่ได้รับจากกระจกจะมีความเข้มลดลงอย่างมากเนื่องจากพื้นที่ลำแสงกว้างขึ้น อย่างไรก็ตาม การวางแนวที่ไม่ตรงเล็กน้อยอาจทำให้เกิดการสูญเสียการสะท้อนอย่างมีนัยสำคัญ และการสะท้อนของเฟรสเพิ่มเติมที่ด้านปลายไฟเบอร์สามารถสร้างเอฟเฟกต์ของฟิลเตอร์ได้ ส่วนหลังสามารถระงับได้โดยใช้ปลายไฟเบอร์แบบแยกมุม แต่ทำให้เกิดการสูญเสียที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น

6. นอกจากนี้ยังสามารถสร้างตัวสะท้อนแสงแบบวงรอบแสงได้โดยใช้ตัวเชื่อมต่อไฟเบอร์และไฟเบอร์แบบพาสซีฟ

เลเซอร์แสงส่วนใหญ่ถูกปั๊มโดยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คู่ไฟเบอร์ตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป ไฟปั๊มเชื่อมต่อโดยตรงกับแกนไฟเบอร์หรือที่กำลังไฟสูงเข้าไปในแผ่นหุ้มปั๊ม (ดูเส้นใยหุ้มสองชั้น) ซึ่งจะกล่าวถึงในรายละเอียดด้านล่าง

ไฟเบอร์เลเซอร์มีหลายประเภท ซึ่งบางส่วนได้อธิบายไว้ด้านล่างนี้

ไฟเบอร์เลเซอร์มีหลายประเภท ซึ่งบางส่วนได้อธิบายไว้ด้านล่างนี้

เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง

ในตอนแรก ไฟเบอร์เลเซอร์สามารถบรรลุกำลังเอาต์พุตเพียงไม่กี่มิลลิวัตต์เท่านั้น ปัจจุบัน เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงสามารถให้กำลังเอาต์พุตได้หลายร้อยวัตต์ และบางครั้งก็อาจถึงหลายกิโลวัตต์จากไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยว ซึ่งทำได้โดยการเพิ่มอัตราส่วนภาพและเอฟเฟ็กต์ท่อนำคลื่น ซึ่งหลีกเลี่ยงผลกระทบจากเทอร์โมออปติคอล

ดูรายการเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงและเครื่องขยายสัญญาณสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม

ไฟเบอร์เลเซอร์แบบอัพคอนเวอร์ชั่น

ไฟเบอร์เลเซอร์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างเลเซอร์อัพคอนเวอร์ชัน ซึ่งโดยปกติจะทำงานบนการเปลี่ยนเลเซอร์ไม่บ่อยนัก และต้องใช้ความเข้มของปั๊มที่สูงมาก ในไฟเบอร์เลเซอร์ สามารถรักษาความเข้มของปั๊มที่สูงได้ในระยะทางไกล เพื่อให้ได้รับประสิทธิภาพที่ได้รับได้อย่างง่ายดายสำหรับการเปลี่ยนที่มีอัตราขยายต่ำมาก

ในกรณีส่วนใหญ่ เส้นใยซิลิกาไม่เหมาะสำหรับไฟเบอร์เลเซอร์การแปลงกลับ เนื่องจากกลไกการแปลงกลับต้องใช้อายุการใช้งานช่วงกลางที่ยาวนานในระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งโดยปกติจะมีขนาดเล็กมากในเส้นใยซิลิกาเนื่องจากมีพลังงานโฟนอนสูง (ดูการเปลี่ยนผ่านแบบหลายโฟตอน) ดังนั้นจึงมักใช้เส้นใยฟลูออไรด์ของโลหะหนักบางชนิด เช่น ZBLAN (ฟลูออโรเซอร์โคเนต) ที่มีพลังงานฟอนอนต่ำ

เลเซอร์ไฟเบอร์แบบแปลงกลับที่ใช้กันมากที่สุดคือเส้นใยที่เจือด้วยทอเรียมสำหรับแสงสีฟ้า เลเซอร์ที่เจือด้วยพราซีโอดิเมียม (บางครั้งก็มีอิตเทอร์เบียม) สำหรับแสงสีแดง สีส้ม สีเขียวหรือสีน้ำเงิน และเลเซอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียมสำหรับไตรโอด

เลเซอร์ไฟเบอร์แบบเส้นแคบ

ไฟเบอร์เลเซอร์อาจทำงานในโหมดยาวเดียวเท่านั้น (ดูเลเซอร์ความถี่เดียว การทำงานในโหมดเดียว) โดยมีเส้นตรงที่แคบมากไม่กี่กิโลเฮิรตซ์หรือแม้แต่น้อยกว่า 1 kHz สำหรับการทำงานความถี่เดียวที่เสถียรในระยะยาว และไม่มีข้อกำหนดเพิ่มเติมหลังจากพิจารณาความเสถียรของอุณหภูมิแล้ว ช่องเลเซอร์ควรสั้น (เช่น 5 ซม.) แม้ว่าตามหลักการแล้ว ยิ่งช่องยาวเท่าไร สัญญาณรบกวนของเฟสก็จะยิ่งต่ำและแคบลงเท่านั้น ความกว้างของเส้น ปลายไฟเบอร์ประกอบด้วยตะแกรง Bragg ไฟเบอร์แถบแคบ (ดูเลเซอร์สะท้อนแสง Bragg, ไฟเบอร์เลเซอร์ DBR) เพื่อเลือกโหมดคาวิตี้ โดยทั่วไปกำลังเอาต์พุตจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ไม่กี่มิลลิวัตต์ไปจนถึงหลายสิบมิลลิวัตต์ และยังมีไฟเบอร์เลเซอร์ความถี่เดี่ยวที่มีกำลังเอาท์พุตสูงถึง 1 W อีกด้วย

รูปแบบที่รุนแรงที่สุดคือเลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจาย (เลเซอร์ DFB) โดยที่ช่องเลเซอร์ทั้งหมดจะอยู่ภายในตะแกรงไฟเบอร์ Bragg โดยมีการเปลี่ยนเฟสอยู่ระหว่างนั้น ที่นี่ช่องค่อนข้างสั้น ซึ่งทำให้กำลังเอาท์พุตและความกว้างของเส้นลดลง แต่การทำงานความถี่เดียวมีเสถียรภาพมาก

แอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์ยังสามารถใช้เพื่อขยายกำลังให้สูงขึ้นได้อีก

ไฟเบอร์เลเซอร์แบบ Q-switched

ไฟเบอร์เลเซอร์สามารถสร้างพัลส์ที่มีความยาวตั้งแต่สิบถึงหลายร้อยนาโนวินาที โดยใช้สวิตช์ Q แบบแอคทีฟหรือพาสซีฟต่างๆ พลังงานพัลส์ไม่กี่มิลลิจูลสามารถทำได้ด้วยไฟเบอร์พื้นที่โหมดขนาดใหญ่ และในกรณีที่รุนแรงอาจสูงถึงหลายสิบมิลลิจูล ซึ่งถูกจำกัดโดยพลังงานความอิ่มตัว (แม้จะมีไฟเบอร์พื้นที่โหมดขนาดใหญ่) และขีดจำกัดความเสียหาย (เด่นชัดมากขึ้นสำหรับพัลส์ที่สั้นกว่า) อุปกรณ์ไฟเบอร์ทั้งหมด (ยกเว้นออปติกในพื้นที่ว่าง) ถูกจำกัดด้วยพลังงานพัลส์ เนื่องจากโดยปกติแล้วอุปกรณ์เหล่านี้จะไม่สามารถใช้ไฟเบอร์พื้นที่โหมดขนาดใหญ่และการสลับ Q ที่มีประสิทธิภาพได้

เนื่องจากได้รับเลเซอร์สูง Q-switching ในไฟเบอร์เลเซอร์จึงมีความแตกต่างอย่างมากจากเลเซอร์จำนวนมากและมีความซับซ้อนมากกว่า โดยปกติจะมีการพุ่งขึ้นหลายครั้งในโดเมนเวลา และยังสามารถสร้างพัลส์ Q-switched ที่มีความยาวน้อยกว่าเวลาไปกลับของตัวสะท้อนเสียงได้อีกด้วย

ไฟเบอร์เลเซอร์แบบล็อคโหมดใช้ตัวสะท้อนเสียงที่ซับซ้อนมากขึ้น (เลเซอร์ไฟเบอร์แบบสั้นพิเศษ) เพื่อสร้างพัลส์พิโควินาทีหรือเฟมโตวินาที ในที่นี้ เครื่องสะท้อนคลื่นเลเซอร์ประกอบด้วยโมดูเลเตอร์แบบแอคทีฟหรือตัวดูดซับอิ่มตัวบางตัว ตัวดูดซับที่อิ่มตัวสามารถรับรู้ได้จากเอฟเฟกต์การหมุนโพลาไรเซชันแบบไม่เชิงเส้นหรือโดยการใช้กระจกลูปไฟเบอร์แบบไม่เชิงเส้น ตัวอย่างเช่น คุณสามารถใช้กระจกวนแบบไม่เชิงเส้นใน "ฟิกเกอร์ออฟแปดเลเซอร์" ในรูปที่ 8 โดยที่ด้านซ้ายมีตัวสะท้อนเสียงหลักและวงแหวนไฟเบอร์แบบไม่เชิงเส้นสำหรับขยาย สร้างรูปร่าง และรักษาเสถียรภาพของพัลส์สั้นเกินขีดแบบไปกลับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการล็อคโหมดฮาร์มอนิก จำเป็นต้องมีอุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น ช่องย่อยที่ใช้เป็นตัวกรองแสง