La fibre optique est abréviation la fibre optique, habituellement un guide d'ondes cylindrique de la lumière. Elle emploie le principe de la réflexion totale pour retenir l'onde lumineuse dans le noyau de fibre et pour guider l'onde lumineuse pour voyager le long de l'axe de la fibre. Le remplacement du câblage cuivre par le verre de quartz a changé le monde.
Comme milieu pour les ondes lumineuses de conduite, la fibre optique a été très utilisée depuis que Charles Kao a proposé lui en 1966 dû à ses avantages de grande capacité de communication, de capacité anti-parasitage forte, de basse perte de transmission, de longue distance de relais, de bon secret, de sources d'adaptabilité, de petite taille, légères et abondantes fortes de matière première. Dr. Kao, connu sous le nom de « père de la fibre optique, » a été attribué le prix 2009 Nobel dans la physique pour son travail. Avec la représentation de plus en plus parfaite et pratique de la fibre optique, la fibre optique a révolutionné la transformation de l'industrie des télécommunications, et elle a fondamentalement remplacé le câblage cuivre comme composant de noyau de communication moderne.
Le système de communication de fibre optique est un genre de système de communication avec la lumière comme transporteur de l'information et la fibre optique comme milieu de vague guidée. Quand la fibre optique transmet l'information, le signal électrique est converti en signal optique et puis transmis à l'intérieur de la fibre optique. Comme nouvelle technologie des communications, la communication de fibre optique a montré la grande supériorité dès le début, qui a réveillé le grand intérêt et l'attention large des personnes. L'application étendue de la fibre dans la communication favorise également le développement rapide de l'amplificateur de fibre et du laser de fibre [1]. En plus du champ de communication, les systèmes optiques de fibre ont un large éventail d'applications dans domaines de médecine, de détection et autre.
Fibre optique
Le milieu de gain du laser de fibre est fibre active. Selon sa structure, il peut être divisé en fibre de mode unitaire, double fibre de revêtement et fibre en cristal photonique.
La fibre unimodale de fibre unimodale se compose de noyau de fibre, de revêtement et de couche de revêtement. L'indice de réfraction du matériel de noyau de fibre, n1, est plus haut que celui du matériel de revêtement, N2. Quand l'angle d'incident de la lumière d'incident est plus grand que l'angle critique, la poutre sera entièrement émise dans le noyau de fibre, ainsi la fibre peut limiter la lumière pour propager dans le noyau de fibre. Le revêtement intérieur de la fibre unimodale ne peut pas contraindre la lumière à plusieurs modes de fonctionnement de pompe, et l'ouverture numérique du noyau de fibre est basse. Par conséquent, la sortie de laser peut seulement être obtenue en couplant la lumière unimodale de pompe dans le noyau de fibre. Les premiers lasers tous de fibre emploient cette fibre unimodale, ayant pour résultat la basse efficacité de accouplement, laser de puissance de sortie est seulement des milliwatts.
Fibre optique à double gainage
Afin de surmonter les limitations du ytterbium habillé simple unimodal conventionnel (Yb3+) - la fibre sur l'efficacité de conversion et de puissance de sortie enduits, R.Moeller ont proposé la première fois le concept de la fibre à double gainage en 1974 [2]. Après cela, elle n'était pas jusqu'en 1988 quand E.Snitzer a et autres proposé la technologie de pompage de revêtement [3] que des lasers/amplificateurs ytterbium-enduits de haute puissance de fibre ont été rapidement développées.
La double fibre de revêtement est un genre de fibre avec la structure spéciale. Comparé à la fibre conventionnelle, elle ajoute une couche intérieure de revêtement, qui se compose de couche de revêtement, de couche intérieure de revêtement, de couche externe de revêtement et de noyau enduit de fibre. La technologie de pompe de revêtement est basée sur la double fibre de revêtement, le noyau dont est transmettre la lumière à plusieurs modes de fonctionnement de pompe dans le revêtement et le laser intérieurs dans le noyau de fibre, de sorte que l'efficacité de conversion de pompe et le de puissance de sortie du laser de fibre puissent être considérablement améliorés. La structure de la double fibre de revêtement, la forme du revêtement intérieur et le mode de accouplement de la lumière de pompe sont les points clés de cette technologie.
Le noyau de la fibre à double gainage se compose de silice (SiO2) a enduit des éléments de terres rares, qui est non seulement le milieu de laser mais également le canal de transmission du signal de laser dans le laser de fibre. Le paramètre de V de la longueur d'onde fonctionnante correspondante est généralement réduit en concevant son ouverture numérique et diamètre de noyau pour s'assurer que le laser de sortie est un mode transversal fondamental. Le revêtement intérieur a une taille transversale beaucoup plus grande (dizaines de périodes le diamètre du noyau conventionnel) et l'ouverture numérique, et un plus petit indice de réfraction que le noyau, qui peut limiter la propagation de laser complètement dans le noyau. De cette façon, un guide d'ondes optique avec la grande section transversale et la grande ouverture numérique est formé entre le noyau de fibre et la couche externe, qui peuvent permettre à la lumière de haute puissance de pompe avec la grande ouverture numérique, grands en coupe et à plusieurs modes de fonctionnement d'être couplés à la fibre, et être confiné au revêtement intérieur pour la transmission et la non-diffusion, qui favorise maintenir le pompage optique de densité de puissance élevée. La couche externe se compose de matériaux de polymère avec un indice de réfraction inférieur que le revêtement intérieur. La couche extérieure est une couche protectrice faite de matière organique. Le secteur de accouplement de la fibre à double gainage à la lumière de pompe est déterminé par la taille intérieure de revêtement, à la différence de la fibre unimodale traditionnelle qui est seulement déterminée par le noyau. D'une part, l'efficacité de accouplement de puissance du laser humain de fibre est améliorée. Quand la lumière de pompe conduit dans la couche intérieure de revêtement, elle traversera le noyau de fibre beaucoup de fois d'exciter l'ion enduit pour émettre le laser. D'autre part, la qualité de poutre de sortie est déterminée par la nature du noyau de fibre. L'introduction du revêtement intérieur ne détruit pas la qualité de poutre de sortie du laser de fibre.
Au commencement, la structure intérieure de revêtement de la double fibre de revêtement est symétrie cylindrique, son processus de fabrication est relativement simple, et facile pour pomper la connexion d'accouplement de phase de fibre de queue de la diode laser (LD), mais la symétrie parfaite de la présence d'un grand nombre de pompe dans la lumière intérieure de spirale de revêtement, la lumière a même reflété assez de temps peut ne jamais atteindre le secteur de noyau de fibre, ainsi, il est impossible à être absorbé par le noyau de fibre, ainsi même si la fibre plus longue est employée, là sera toujours beaucoup de fuite légère, qui le rend difficile d'améliorer l'efficacité de conversion. Par conséquent, la structure symétrique cylindrique du revêtement intérieur doit être détruite.
Fibre en cristal photonique
Dans la fibre à double gainage commune, la puissance de laser de sortie est déterminée par la taille géométrique du noyau. L'ouverture numérique détermine la qualité de poutre du laser de sortie. En raison des limitations des effets non linéaires, des dommages optiques et d'autres mécanismes physiques dans la fibre, la méthode simple d'augmenter le diamètre de noyau ne peut pas répondre aux besoins de l'opération unimodale de la fibre à double gainage avec le grand champ de mode à la puissance de sortie élevée. L'émergence de la fibre optique spéciale, telle que la fibre en cristal photonique (PCF), fournit une manière technique efficace de résoudre ce problème.
Le concept du cristal photonique a été la première fois proposé par E. Yablonovitch « 1 en 1987, c.-à-d., des matériaux diélectriques avec différentes constantes diélectriques dans 1D, le 2D ou espace 3D se composent de structures périodiques avec l'ordre de la longueur d'onde optique, dans lequel la bande de conduction photonique (PBG) permettant la propagation légère et l'espace de bande photonique (PBG) empêchant la propagation légère sont produits. En changeant la période de disposition et de distribution des médias différents, beaucoup de changements des propriétés en cristal photoniques peuvent être causés, afin de réaliser des fonctions spécifiques. PCF est un cristal photonique bidimensionnel, également connu sous le nom de fibre de microstructure ou fibre poreuse. En 1996, J.C.Knight a et autres développé le premier PCF, dont le mécanisme léger de conduction était semblable à toute la réflexion interne de la fibre optique traditionnelle. Le premier PCF qui emploie le principe photonique de bandgap pour guider la lumière était né en 1998. Après 2005, la conception et les méthodes de préparation de champ PCF de grand-mode ont commencé à diversifier, et les diverses formes des structures sont apparues, y compris le canal de fuite PCF, PCF en forme de tige, grand-espacement PCF et PCF multinucléaire. Le secteur du champ du mode de la fibre est également augmenté.
Dans l'aspect, PCF est très semblable à la fibre unimodale traditionnelle, mais il montre une structure complexe de rangée de pore dans la microstructure. C'est ces caractéristiques structurelles qui donnent des avantages uniques et incomparables de PCF, tels qu'aucune transmission unimodale de coupure, grand secteur de champ de mode, dispersion et basse représentation limiteuse de perte, peut surmonter beaucoup de difficultés des lasers traditionnels. Par exemple, PCF peut réaliser l'opération unimodale sous le grand secteur de champ de mode, et de manière significative réduire la densité de puissance de laser dans la fibre, réduire l'effet non linéaire en fibre, et améliore le seuil de dommages de la fibre tout en assurant la qualité de poutre. De grandes ouvertures numériques peuvent être réalisées, qui signifie qu'une sortie pompe-plus optique d'accouplement et de laser de puissance plus élevée peut être réalisée. Ces avantages de PCF ont causé une série de croissance de recherches dans le monde, qui fait PCF devenir un nouveau point culminant de recherches dans l'application des lasers de fibre de puissance élevée et jouer un rôle de plus en plus important.
L'invention du laser de fibre
Un laser avec la fibre comme le milieu de gain de laser s'appelle un laser de fibre. Comme d'autres types de lasers, il se compose de trois parts : milieu de gain, source de pompe et résonateur. Les lasers de fibre emploient la fibre active enduite des éléments de terres rares comme milieu de gain. Généralement, des lasers de semi-conducteur sont utilisés comme sources de pompe. Le résonateur se compose habituellement de réflecteur, de visage d'extrémité de fibre, de miroir d'anneau de fibre ou de grille de fibre.
Selon les caractéristiques de domaine de temps du laser de fibre, il peut être divisé en laser continu de fibre et laser pulsé de fibre. Selon la structure différente de résonateur, il peut être divisé en laser linéaire de fibre de cavité, a distribué le laser de fibre de cavité de laser et d'anneau de fibre de retour. Selon la fibre de gain et le mode de pompage, ils peuvent être divisés en lasers habillés simple de fibre (noyau pompant) et lasers à double gainage de fibre (revêtement pompant).
En 1961, Snitzer a découvert le rayonnement de laser dans (ND) un guide d'ondes en verre néodyme-enduit. En 1966, Charles Kao a effectué une étude détaillée des causes principales de l'atténuation optique dans les fibres optiques, et a précisé les problèmes techniques principaux à résoudre pour l'application pratique des fibres optiques dans la communication [5]. En 1970, Corning a développé la fibre optique avec l'atténuation moins de 20 dB/km, jetant les fondements pour le développement de la télécommunication optique et de l'industrie optoélectronique de technologie [5]. Cette percée technologique également a considérablement favorisé le développement des lasers de fibre. Pendant les années 1970 et les années 1980, la maturité et la commercialisation de la technologie laser de semi-conducteur ont fourni une source fiable et diverse de pompe pour le développement des lasers de fibre. En même temps, le développement de la déposition en phase vapeur réduit la perte de transmission de fibre optique. Les lasers de fibre se développent également rapidement en direction de la diversification. La fibre est enduite de beaucoup d'éléments de terres rares, tels que l'erbium (Er3+), le ytterbium (Yb3+), le néodyme (Nd3+), le samarium (SM 3+), le thulium (Tm3+), le holmium (Ho3+), le praséodyme (Pr3+), le dysprosium (Dy3+), le bismuth (Bi3+), etc. selon les ions enduits, différentes longueurs d'onde de sortie de laser peut être réalisée. Différentes conditions d'application de rassemblement.
Caractéristiques des lasers de fibre de puissance élevée
Les avantages des lasers de fibre de puissance élevée sont montrés comme suit.
(1) bonne qualité de poutre. La structure de guide d'ondes de la fibre détermine que le laser de fibre est facile d'obtenir la sortie simple de mode transversal, et l'influence des facteurs externes est petite, qui peuvent réaliser la sortie de laser d'intense luminosité.
(2) rendement élevé. Le laser de fibre optique peut réaliser l'efficacité de conversion élevée de lumière-à-lumière en choisissant le laser de semi-conducteur avec des caractéristiques assorties de longueur d'onde et d'absorption d'émission des éléments de terres rares enduits comme source de pompe. Pour les lasers de haute puissance ytterbium-enduits de fibre, 915 975 de semi-conducteur de nanomètre lasers de nanomètre ou sont généralement choisis. En raison de la structure simple de force de Yb3+, d'upconversion, d'absorption d'état d'excitation et de concentration éteignant produisez-vous rarement, et la longue vie de fluorescence, YB3 + peut effectivement stocker l'énergie pour réaliser l'opération de haute puissance. L'efficacité électro-optique globale des lasers commerciaux de fibre est jusqu'à 25%, qui favorise réduire la protection de l'environnement de coûts, économiseuse d'énergie et.
(3) bonnes caractéristiques de dissipation thermique. Le laser de fibre emploie l'élément de terres rares mince a enduit la fibre comme milieu de gain de laser, qui a une superficie très grande au rapport de volume. Il est environ 1000 temps qui du laser solide en vrac, et ont un avantage naturel dans la dissipation thermique. Dans le cas de la puissance faible moyenne et, il n'y a aucun besoin de refroidissement spécial de la fibre, et dans le cas de la puissance élevée, le refroidissement par l'eau est employé pour la dissipation thermique, qui peut également effectivement éviter la dégradation de la qualité et de l'efficacité de poutre provoquées par l'effet thermique généralement - vu dans des lasers à état solide.
(4) structure compacte, fiabilité élevée. Puisque le laser de fibre emploie la petite et molle fibre comme milieu de gain de laser, il est salutaire de comprimer le volume et d'épargner le coût. Des sources de pompe sont employées sont également petit volume, facile au laser modulaire de semi-conducteur, produit commercial peuvent généralement être sortie de fibre de queue, combinée avec la grille de fibre optique de Bragg, les dispositifs packtized, tant que ces dispositifs soudent peuvent être réalisés tout le packtized, immunisé contre la capacité de perturbation environnementale est haut, a très le de forte stabilité, et peut sauver la période et le coût d'entretien.
Les lasers de fibre de puissance élevée ont également quelques inconvénients il est difficile surmonter que. D'abord, ils sont facilement limités par des effets non linéaires. En raison de la structure géométrique du guide d'ondes, la longueur utile du laser de fibre est longue, et le seuil de divers effets non linéaires est bas. Quelques effets non linéaires néfastes, tels que la dispersion stimulée de Raman (SRS) et la modulation d'auto-phase (SPM), fluctuation de phase de cause, transfert d'énergie dans le spectre, et même dommages au système de laser, qui limite le développement des lasers de haute puissance de fibre. Le deuxième est l'effet de ternissure de photon. Avec l'augmentation du temps de pompage, l'effet de ternissure de photon mènera à une diminution monotoniquement irréversible de l'efficacité de conversion de puissance de l'élément de terres rares a enduit la fibre, qui limite la stabilité à long terme et la durée de vie du laser de haute puissance de fibre, particulièrement dans le laser de haute puissance ytterbium-enduit de fibre.
Avec le développement du haut-éclat fibre-a couplé des lasers de semi-conducteur et des technologies à double gainage de fibre, l'efficacité de conversion et la qualité de puissance de sortie et opto-optiques de poutre des lasers de haute puissance de fibre ont été considérablement améliorées. Conduit par la demande énorme du traitement industriel, les armes à énergie dirigée, la télémétrie de fond, le radar à laser et tous autres applications, Apache Photonics (IPG), Nufern (Nlight) et groupe de la traverse de l'Allemagne sont les unités principales de recherche et développement de l'onde entretenue et des lasers de haute puissance de fibre de palpiter-vague, et ont lancé un produit riche. Des résultats passionnants ont été également rapportés par l'université de Tsinghua, l'université nationale de la technologie de la défense, l'institut de Changhaï de l'optique et la bonne mécanique sous l'académie des sciences chinoise et la quatrième académie de la Science aérospatiale de la Chine et Industry Corporation.
Technologie de amplification de puissance de laser de fibre
En raison de la limitation de l'effet non linéaire, de l'effet thermique et du seuil de dommages de matériel dans le laser de fibre, le de puissance de sortie du laser simple de fibre est limité dans une certaine mesure, et avec l'augmentation de la puissance, la qualité de poutre diminue graduellement. Il est nécessaire d'employer la technologie de contrôle de mode et de concevoir un nouveau type de fibre avec la structure spéciale pour améliorer la qualité de poutre. J.w. Dawson et autres [6] a théoriquement analysé la limite de puissance de sortie d'une fibre simple, et calculé qu'une fibre simple peut obtenir un laser de limite de proche-diffraction produisez avec une puissance maximum de 36 kilowatts dans un laser à large bande de fibre, tandis que pour un laser de fibre d'étroit-largeur des raies, la puissance maximum est 2 kilowatts. Afin d'améliorer plus loin le de puissance de sortie du laser de fibre et de l'amplificateur, c'est une méthode efficace pour synthétiser la puissance des lasers multiples de fibre par technologie logique de synthèse. C'est devenu un point névralgique international de recherches ces dernières années.