إن الطاقة الأعلى والنبضات الأقصر والسطوع الأقوى هي السعي المستمر لتطوير تكنولوجيا الليزر. في التطبيق الصناعي لليزر النبضي، يكون للنبضات القصيرة وقيم الذروة العالية تأثير مهم على تأثير معالجة المواد. بالمقارنة مع ليزر الحالة الصلبة، تتمتع ليزرات الألياف بمزايا أكبر في متوسط الطاقة، ولكنها محدودة بشكل كبير في ذروة الطاقة. لفترة طويلة، اقتصر عرض نبضة الليزر النبضي الليفي على أكثر من ns، مع قيمة ذروة أقل من 15 كيلو وات، ومعيار 100ns 1mJ.
طرق زيادة قوة ذروة النبض
في تسلسل نبضة الليزر الموضح في الشكل 1، تساوي طاقة الذروة طاقة النبضة مقسومة على عرض النبضة. ولذلك، في ظل نفس ظروف الطاقة، فإن تقصير عرض النبضة يمكن أن يزيد بشكل كبير من ذروة الطاقة. في ظل نفس ظروف عرض النبضة، يمكن أن تؤدي زيادة قيمة الذروة إلى زيادة طاقة النبض.
من بين أجهزة الليزر النبضية الصلبة الموجودة حاليًا في السوق الصناعية الرئيسية، يمكن أن تصل طاقة ليزر عرض النبض بالنانو ثانية إلى مستوى مللي جول. عند حساب طاقة 1 مللي جول وعرض نبضة 10 نانوثانية، يمكن أن تصل طاقة الذروة إلى 100 كيلو واط. تبلغ طاقة الليزر النبضي البيكو ثانية حوالي 300 ميكروجول. عند حسابها بـ 10ps، يمكن أن تصل طاقة الذروة إلى 30MW. تبلغ طاقة ليزر نبض الفيمتو ثانية 100μJ وعرض النبضة 500fs، وبالتالي تصل طاقة الذروة إلى 200MW. وبالمقارنة، تبلغ الطاقة القصوى لأشعة الليزر النبضية النانو ثانية MOPA التقليدية حوالي 10 كيلو واط، وهو أقل بكثير من مؤشرات الليزر الصلب.
العوامل المحددة في زيادة قوة ذروة نبض الألياف
تشمل العوامل المحددة الرئيسية خمسة عناصر: سعة الحمولة المحدودة، التكامل B المحدود، كفاءة الاستخراج المحدودة، جودة الشعاع المحدودة وحالة الاستقطاب المحدودة. في الوقت نفسه، تنتمي حلول الآلية الفيزيائية المختلفة المقدمة إلى مستويات تصميم مختلفة، بما في ذلك: مادة المصفوفة، ومجال الوضع المتزايد، وهيكل الوضع الموجه، وهيكل الاستقطاب تنتمي إلى مستوى تصميم الألياف؛ توسيع شعاع الغطاء النهائي، وضع الإثارة، وضع التصفية ينتمي إلى مستوى تصميم الجهاز؛ ينتمي وضع الضخ وتصفية العزل والتحكم في الاستقطاب إلى مستوى تصميم الوحدة؛ إن زيادة عرض النطاق الترددي واختيار عرض النبض واختيار تردد التكرار وتخصيص الكسب تنتمي إلى مستوى تصميم النظام.
بالإضافة إلى العناصر الخمسة المذكورة أعلاه، فإن التأثيرات الحرارية التي يجب مراعاتها في ليزرات الألياف المستمرة عالية الطاقة غير مدرجة هنا، لأن متوسط الطاقة لمضخم الألياف عالي الطاقة الذي نتبعه أقل بكثير من النطاق حيث يكون النطاق الحراري يمكن أن يلعب التأثير دورًا مهمًا، لذلك لن يتم مناقشته هنا.
سعة الحمولة محدودة بكثافة الليزر. تشمل الآلية الفيزيائية تلف الجسم وتلف السطح. من بينها، يمكن تجنب تلف السطح من خلال تقنية السد النهائي، ويقتصر تلف الجسم على خصائص مادة مصفوفة الألياف، وهو العامل الذي يحد من الحد. عادةً، تبلغ عتبة شدة الضوء حوالي 4.75 كيلو واط/ميكرومتر مربع. بالنسبة لقطر حقل الوضع الذي يبلغ 50 ميكرومتر، تصل عتبة طاقة الضرر المقابلة إلى 9.3 ميجاوات، وهو أعلى بكثير من مستوى طاقة الذروة الحالي لنواة ليزر الألياف النبضية وأعلى من قدرة عتبة التركيز الذاتي. لذلك، فإن تلف الجسم ليس مشكلة يجب أخذها في الاعتبار في الوقت الحاضر.
كفاءة الاستخراج محدودة بشكل أساسي بتضخيم الانبعاث التلقائي (ASE)، وتوزيع الكسب لمكبر الصوت متعدد المراحل، ودورة عمل النبض داخل المرحلة. خاصة في ظل حالة تضخيم النبض القصير دون النانو ثانية، يحد ASE بشكل مباشر من زيادة طاقة النبض وقدرة الذروة. ومع ذلك، يمكن الحد من قيود ASE من خلال التصميم العقلاني لمكبرات الصوت متعددة المراحل، وتحسين توزيع الكسب بين المراحل وطرق الضخ، وتقليل مكون ASE المنقول إلى المرحلة اللاحقة عن طريق الترشيح الطيفي والترشيح الصوتي البصري. يمكن أن يساعد التوزيع المعقول للكسب بين المراحل أيضًا في منع مشاكل تشبع كسب النبض والحصول على أشكال موجية نبضية أكثر كمالا.
جودة الشعاع محدودة ويتم قياسها بعامل جودة الشعاع M2. للحصول على إخراج الوضع الأساسي، الشيء الرئيسي هو ضمان التشغيل أحادي الوضع أو الوضع القليل من خلال تصميم هيكل وضع الدليل الموجي البصري. على هذا الأساس، يتم استخدام التحكم في إثارة الوضع أثناء دمج الألياف ذات القطر الأساسي المختلفة وطرق ترشيح الوضع مثل لف الألياف لتحسين جودة الشعاع. في الوقت الحاضر، الألياف الضوئية التقليدية التي يمكن أن تضمن إخراج جودة شعاع عالية هي 30/250، ويمكن توسيع جوهر الألياف الضوئية الخاصة مثل البلورات الضوئية إلى حوالي 100 ميكرومتر. لا يزال حجم حقل الوضع هذا صغيرًا جدًا مقارنة بحجم البقعة على مستوى المليمتر لليزر الصناعي ذو الحالة الصلبة. ترتبط العديد من التأثيرات غير الخطية المذكورة لاحقًا بالتكامل B، والذي يتناسب عكسيًا مع مساحة مجال الوضع.
حالة الاستقطاب محدودة وتقاس بدرجة الاستقطاب. الآلية الفيزيائية هي بشكل أساسي خصائص الاستقطاب للدليل الموجي للألياف الضوئية. في الألياف الضوئية العادية ذات الطبقة المزدوجة، سيتم إزالة استقطاب الضوء المستقطب خطيًا، وتكون درجة إزالة الاستقطاب حساسة للانحناء والمعلمات البيئية، مما يجعل من الصعب الحفاظ على مخرجات حالة استقطاب مستقرة. في ظل نفس الظروف، تكون عتبة قدرة الذروة للضوء المستقطب عمومًا نصف عتبة الضوء غير المستقطب، لأن الضوء غير المستقطب يمكن أن يتحلل إلى مكونين ضوئيين متعامدين غير مستقطبين.
يمكن تقسيم التأثيرات غير الخطية من الدرجة الثالثة في الألياف الضوئية إلى فئتين: إحداهما هي تأثير تعديل معامل الانكسار الناجم عن شدة الضوء، بما في ذلك تعديل الطور الذاتي (SPM)، والتشكيل عبر الطور (XPM)، وعدم استقرار التشكيل (MI). وخلط الموجات الأربعة (FWM) والتركيز الذاتي (SF)؛ والآخر هو تأثير تشتت الضوء غير المرن، والذي يتضمن تبادل الطاقة بين الفوتونات واهتزاز الشبكة لمادة المصفوفة، بما في ذلك تشتت بريلوين المحفز (SBS) وتشتت رامان المحفز (SRS).
من بينها، يعتمد الحد الأعلى على عتبة التركيز الذاتي، والتي تبلغ حوالي 4 ميجاوات لمواد الألياف الضوئية. تحت عتبة التركيز الذاتي، يعد تشتت رامان المحفز هو القيد الأكثر أهمية، لأن تحول التردد الطيفي لضوء رامان مقارنة بضوء التردد الأساسي يصل إلى 60 نانومتر. سوف تؤثر مكونات رامان العالية جدًا بشكل خطير على وظيفة العازل البلوري المغناطيسي البصري وستتسبب أيضًا في انحراف لوني كبير للعدسة. يوضح الشكل تطور خيوط التركيز الذاتي المتولدة عندما تتجاوز طاقة الذروة في الألياف الضوئية عتبة التركيز الذاتي.
عنواننا
B-1507 قصر Ruiding، رقم 200 طريق Zhenhua، منطقة Xihu
رقم التليفون
0086 181 5840 0345
بريد إلكتروني
info@brandnew-china.com
