Qu'est-ce qu'un laser à fibre ?
La fibre optique est l'abréviation de fibre optique et est généralement un guide d'ondes cylindrique pour les ondes lumineuses. Il utilise le principe de réflexion totale pour confiner les ondes lumineuses au cœur et les guider dans la direction de l'axe de la fibre. Remplacer le fil de cuivre par du verre de quartz a changé le monde.
En tant que support de conduction des ondes lumineuses, la fibre optique est largement utilisée depuis 1966, date de son introduction par Charles Kao, grâce à sa grande capacité de communication, sa haute immunité aux interférences, sa faible perte de transmission, sa longue distance de relais, sa bonne confidentialité, son adaptabilité, sa petite taille. , poids léger et sources abondantes de matières premières. Connu comme le "père de la fibre optique", Kao a reçu le prix Nobel de physique en 2009 pour ses travaux. Avec la perfection et la praticité croissantes de la fibre optique, elle a révolutionné l'industrie des télécommunications et a largement remplacé le fil de cuivre en tant que composant central des communications modernes.
Le système de communication par fibre optique est un système de communication qui utilise la lumière comme support d'informations et la fibre optique comme support de guide d'ondes. Lorsque la fibre optique transmet des informations, le signal électrique est transformé en un signal optique, qui est ensuite transmis à l'intérieur de la fibre. En tant que technologie de communication émergente, la communication par fibre optique a montré une supériorité inégalée dès le début et a suscité un grand intérêt et une large attention. L'utilisation généralisée des fibres optiques dans les communications a également contribué au développement rapide des amplificateurs à fibre optique et des lasers à fibre en même temps. En plus des communications, les systèmes à fibres optiques sont également utilisés dans un large éventail d'applications en médecine, en détection et dans d'autres domaines.
Fibres optiques
Le milieu de gain d'un laser à fibre est la fibre active. Selon sa structure peut être divisé en fibre monomode, fibre à double gaine et fibre à cristal photonique trois.
Fibre optique monomode La fibre monomode se compose d'un noyau, d'une gaine et d'une couche de revêtement, où l'indice de réfraction du matériau de noyau n1, supérieur à l'indice de réfraction du matériau de gaine n2, lorsque l'angle d'incidence de la lumière incidente est supérieur à la image d'angle critique, le faisceau lumineux dans le noyau de la pleine émission, de sorte que la fibre peut être liée au faisceau lumineux dans la propagation du noyau. La gaine interne des fibres monomodes ne peut pas jouer un rôle de retenue pour la lumière de pompe multimode, et l'ouverture numérique du noyau est faible, de sorte que seul le couplage de lumière de pompe monomode dans le noyau peut être utilisé pour obtenir une sortie laser. Les premiers lasers à fibre utilisaient cette fibre monomode, ce qui entraînait une faible efficacité de couplage et des lasers avec une puissance de sortie de l'ordre du milliwatt.
Fibres à double gaine
Afin de surmonter les limites des fibres monomodes conventionnelles dopées à l'ytterbium (Yb3 plus) en termes d'efficacité de conversion et de puissance de sortie, Maurer (R. Maurer) a d'abord proposé le concept de fibres à double gaine en 1974 . Depuis lors, ce n'est qu'en 1988, lorsque E. Snitzer et d'autres ont proposé la technologie de pompage de gaine [3], que les lasers/amplificateurs à fibre dopée Yb de haute puissance ont été développés rapidement.
Une fibre à double gaine est une fibre optique avec une structure spéciale qui ajoute une couche de gaine interne à la fibre conventionnelle, composée d'une couche de revêtement, d'une couche de gaine interne, d'une couche de gaine externe et d'un noyau de fibre dopée. La technologie de pompage de la gaine est basée sur une fibre à double gaine, dont le noyau doit permettre à la lumière de pompe multimode d'être transmise dans la gaine interne et à la lumière laser d'être transmise dans le noyau, permettant l'efficacité de conversion de pompage et la puissance de sortie de le laser à fibre à être grandement amélioré. La structure de la fibre à double gaine, la forme de la gaine interne et la méthode de couplage de la lumière de la pompe sont les clés de cette technologie.
Le coeur de la fibre double gaine est composé de dioxyde de silicium (SiO2) dopé aux terres rares, qui est à la fois le milieu laser et le canal de transmission du signal laser dans la fibre laser, correspondant à la longueur d'onde de travail. La taille transversale (des dizaines de fois le diamètre d'un noyau conventionnel) et l'ouverture numérique de la gaine interne sont beaucoup plus grandes que celles du noyau, et l'indice de réfraction est inférieur à celui du noyau, ce qui limite entièrement la propagation de la lumière laser au sein du noyau. Cela crée un guide d'ondes optique à large section transversale et à grande ouverture numérique entre le noyau et la gaine extérieure, ce qui permet de coupler dans la fibre une lumière pompée à grande ouverture numérique, à grande puissance transversale et multimode dans la fibre et confinée à la transmission dans la gaine interne sans diffusion, facilitant le maintien d'un pompage optique à haute densité de puissance. La gaine externe est composée d'un matériau polymère d'indice de réfraction plus faible que la gaine interne ; la couche la plus externe est une couche protectrice composée de matière organique. La zone de couplage de la fibre à double gaine à la lumière pompée est déterminée par la taille de la gaine interne, contrairement aux fibres monomodes conventionnelles, qui sont déterminées par le cœur seul. D'une part, cela améliore l'efficacité du couplage de puissance du laser à fibre humaine, permettant à la lumière de pompe de traverser plusieurs fois la gaine interne pour exciter les ions dopés pour l'émission laser ; d'autre part, la qualité du faisceau de sortie est déterminée par la nature du cœur de la fibre, et l'introduction de la gaine interne ne détruit pas la qualité du faisceau de la sortie du laser à fibre.
Initialement, la gaine interne des fibres à double gaine était à symétrie cylindrique et relativement simple à fabriquer et facile à coupler à la queue de cochon de la diode laser de pompe (LD), mais sa symétrie parfaite a entraîné un grand nombre de rayons en spirale de lumière de pompe dans la gaine intérieure qui n'a jamais atteint la région du cœur même après suffisamment de réflexions pour être absorbée par le cœur, de sorte que même avec un Même avec des fibres plus longues, il y a encore une grande quantité de fuite de lumière, ce qui rend difficile l'amélioration de l'efficacité de conversion. Pour cette raison, la symétrie cylindrique de la gaine intérieure doit être rompue.
Fibres à cristaux photoniques
Dans les fibres normales à double gaine, la géométrie du noyau détermine la puissance laser de sortie. L'ouverture numérique détermine la qualité du faisceau du laser de sortie. En raison des limitations des effets non linéaires, des dommages optiques et d'autres mécanismes physiques dans les fibres optiques, un seul moyen d'augmenter le diamètre du cœur ne peut pas répondre à la demande d'un fonctionnement monomode à haute puissance de sortie dans les fibres à double gaine à grand champ de mode. L'émergence de fibres spéciales, telles que les fibres à cristaux photoniques (PCF), apporte une solution technique efficace à ce défi.
Le concept de cristaux photoniques a été introduit pour la première fois par E. Yablonovitch en 19871 en tant que structure périodique avec différentes constantes diélectriques dans une, deux ou trois dimensions qui permet à la lumière de se propager dans la bande de conduction photonique et interdit à la lumière de se propager dans la bande interdite photonique ( PBG). Les PCF sont des cristaux photoniques bidimensionnels, également appelés fibres microstructurées ou fibres poreuses, et en 1996 JC Knight et al. a produit les premiers PCF avec un mécanisme de guidage de la lumière similaire à celui des fibres conventionnelles à réflexion interne totale. Après 2005, la conception et la préparation des PCF à grand champ de mode ont commencé à se diversifier, avec l'émergence de diverses formes, y compris les PCF à canaux qui fuient, les PCF en forme de tige, les PCF à grand pas et les PCF multicœurs. La zone de champ de mode de la fibre a également continué à augmenter en conséquence.
En apparence, les PCF sont très similaires aux fibres monomodes conventionnelles, mais au microscope, elles présentent des structures complexes de réseaux de trous. Ce sont ces caractéristiques structurelles qui confèrent aux PCF des avantages uniques et inégalés par rapport aux fibres conventionnelles, telles qu'une transmission monomode sans coupure, une grande zone de champ de mode, une dispersion réglable et une faible perte de limitation, qui peuvent surmonter de nombreux défis des lasers conventionnels. . Par exemple, le PCF peut réaliser un fonctionnement monomode dans une grande zone de champ de mode, tout en garantissant la qualité du faisceau, en réduisant considérablement la densité de puissance laser dans la fibre, en réduisant les effets non linéaires dans la fibre et en augmentant le seuil d'endommagement de la fibre ; il peut atteindre une grande ouverture numérique, ce qui signifie qu'il est possible d'obtenir plus de couplage optique de pompe et une puissance de sortie laser plus élevée. Cela en a fait un nouveau point culminant de la recherche sur les lasers à fibre, jouant un rôle de plus en plus important dans l'application des lasers à fibre haute puissance.
L'invention du laser à fibre
Les lasers qui utilisent des fibres optiques comme milieu de gain laser sont appelés lasers à fibre. Comme les autres types de lasers, il se compose de trois parties : le milieu de gain, la source de pompage et la cavité résonnante. les lasers à fibre utilisent une fibre active avec un noyau dopé avec des éléments de terres rares comme milieu de gain. Un laser à semi-conducteur est généralement utilisé comme source de pompage. La cavité résonnante est généralement composée de miroirs réfléchissants, de surfaces d'extrémité de fibre, de miroirs annulaires de fibre ou de réseaux de fibre.
Selon les caractéristiques du domaine temporel du laser à fibre, il peut être divisé en laser à fibre continue et laser à fibre pulsée ; selon la structure de la cavité résonnante, il peut être divisé en laser à fibre à cavité linéaire, laser à fibre à rétroaction distribuée et laser à fibre à cavité annulaire ; selon la fibre de gain et les différentes méthodes de pompage, il peut être divisé en laser à fibre à simple gaine (pompage à cœur de fibre) et laser à fibre à double gaine (pompage de gaine).
En 1961, Snitzer a découvert le rayonnement laser dans des guides d'ondes en verre dopé au néodyme (Nd). 1966, Kao a étudié en détail les principales causes d'atténuation de la lumière dans les fibres optiques et a souligné les principaux problèmes techniques qui doivent être résolus pour l'application pratique des fibres optiques dans les communications. 1970, Corning aux États-Unis a développé des fibres optiques avec une atténuation inférieure à 20 dB/km, qui ont jeté les bases du développement de l'industrie des communications optiques et de l'optoélectronique. Cela a jeté les bases du développement des industries des communications optiques et de l'optoélectronique. Dans les années 1970 et 1980, la maturation et la commercialisation de la technologie des lasers à semi-conducteurs ont fourni une source de pompage fiable et diversifiée pour le développement des lasers à fibre. Dans le même temps, le développement de la méthode de dépôt chimique en phase vapeur réduit en permanence la perte de transmission de la fibre optique. Les lasers à fibre se développent également rapidement dans le sens de la diversification, avec des fibres dopées avec une variété d'éléments de terres rares, tels que l'erbium (Er3 plus ), l'ytterbium (Yb3 plus ), le néodyme (Nd3 plus ), le samarium (Sm 3 plus ), thulium (Tm3 plus), holmium (Ho3 plus), praséodyme (Pr3 plus), dysprosium (Dy3 plus), bismuth (Bi3 plus), etc. Selon les ions dopés, différentes longueurs d'onde de sortie laser peuvent être obtenues. Pour répondre aux exigences des différentes applications.
Caractéristiques des lasers à fibre haute puissance
Les avantages des lasers à fibre haute puissance sont les suivants.
(1) Bonne qualité de faisceau. La structure de guide d'ondes de la fibre optique permet d'obtenir facilement une sortie en mode transversal unique, et l'influence des facteurs externes est très faible, pour obtenir une sortie laser à haute luminosité.
(2) Haute efficacité. Laser à fibre en choisissant la longueur d'onde d'émission et les caractéristiques d'absorption des éléments de terre rare dopés du laser à semi-conducteur pour la source de pompage, vous pouvez obtenir une efficacité de conversion de lumière très élevée. Pour les lasers à fibre haute puissance dopés à l'ytterbium, choisissez généralement des lasers à semi-conducteurs de 915 nm ou 975 nm, en raison de la structure simple du niveau d'énergie de Yb3 plus, la conversion ascendante, l'absorption de l'état excité et les rafales de concentration sont moins susceptibles de se produire, la durée de vie de la fluorescence est plus longue et peut stocker efficacement l'énergie pour un fonctionnement à haute puissance. L'efficacité électro-optique globale des lasers à fibre commerciaux atteint 25 %, ce qui est propice à la réduction des coûts, aux économies d'énergie et à la protection de l'environnement.
(3) Bonnes caractéristiques de dissipation thermique. Les lasers à fibre sont utilisés comme milieu de gain laser à l'aide d'une fibre fine dopée à l'élément de terre rare avec un très grand rapport surface / volume. Environ 1000 fois le laser à bloc solide, en termes de capacité de dissipation thermique, présente un avantage naturel. Aucun refroidissement spécial de la fibre n'est requis pour les boîtiers à faible et moyenne puissance, et le refroidissement par eau est utilisé pour les boîtiers à haute puissance, ce qui évite également efficacement la dégradation de la qualité et de l'efficacité du faisceau en raison des effets thermiques couramment rencontrés dans les lasers à semi-conducteurs.
(4) Structure compacte, haute fiabilité. Comme le laser à fibre utilise une petite fibre flexible comme milieu de gain laser, il aide à comprimer le volume et à réduire les coûts. La source de pompe est également utilisée dans les lasers à semi-conducteurs de petite taille et faciles à moduler, les produits commerciaux sont généralement disponibles avec une sortie en queue de cochon, combinés avec un réseau de Bragg à fibre et d'autres dispositifs à fibre optique, tant que ces dispositifs sont fusionnés les uns aux autres pour obtenir une fibre complète, l'immunité aux perturbations environnementales, avec une grande stabilité, peut économiser du temps et des coûts de maintenance.
Les lasers à fibre haute puissance présentent également des inconvénients difficiles à surmonter : l'un est la vulnérabilité aux effets non linéaires. Les lasers à fibre ont une grande longueur efficace et un seuil bas pour divers effets non linéaires en raison de la géométrie de leurs guides d'ondes. Certains effets non linéaires nocifs tels que la diffusion Raman excitée (SRS), l'automodulation de phase (SPM), etc. peuvent provoquer des fluctuations de phase et un transfert d'énergie sur le spectre, voire endommager le système laser, limitant le développement de la fibre de haute puissance. lasers. Le second est l'effet d'assombrissement des photons. Avec l'augmentation du temps de pompage, l'effet d'assombrissement des photons peut entraîner une forte concentration de dopage de l'efficacité de conversion de puissance des fibres dopées aux éléments de terres rares, un déclin monotone irréversible, limitant la stabilité à long terme et la durée de vie des lasers à fibre haute puissance, ce qui est particulièrement évident. dans les lasers à fibre de haute puissance dopés à l'ytterbium.
Avec l'avancement des lasers à semi-conducteurs couplés à des fibres à haute luminosité et de la technologie des fibres à double gaine, la puissance de sortie, l'efficacité de conversion optique-optique et la qualité du faisceau des lasers à fibre haute puissance se sont considérablement développées. Dans le traitement industriel, les armes à énergie dirigée, la télémétrie à longue portée, le LIDAR et d'autres applications à forte demande, aux États-Unis Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) et l'Allemagne Tong Express Group, principalement unités de recherche sur la recherche et le développement de laser à fibre haute puissance à onde continue et à onde pulsée, ont lancé une riche gamme de produits. Des résultats passionnants ont également été signalés par un certain nombre d'unités en Chine, notamment l'Université Tsinghua, l'Université nationale des technologies de la défense, l'Institut d'optique et de machines de précision de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences et le quatrième institut de recherche de l'Institut chinois des sciences aérospatiales et spatiales. Société industrielle.
Technologie d'amélioration de la puissance du laser à fibre
En raison des effets non linéaires dans le laser à fibre, des effets thermiques et des limites du seuil de dommage matériel, la puissance de sortie d'un laser à fibre unique est limitée dans une certaine mesure, et à mesure que la puissance augmente, la qualité du faisceau diminue progressivement, nécessitant l'utilisation de la technologie de contrôle de mode et la conception d'une structure spéciale de la nouvelle fibre pour améliorer la qualité du faisceau. Dawson (JW Dawson) et al ont théoriquement analysé la limite de puissance de sortie d'une seule fibre et ont calculé que dans les lasers à fibre à large bande, une seule fibre peut obtenir une puissance maximale de 36 kW près de la sortie laser limite de diffraction, tandis que pour les lasers à fibre à largeur de raie étroite, le maximum la puissance est de 2kW. Afin d'améliorer davantage la puissance de sortie du laser à fibre et de l'amplificateur, la synthèse de puissance de plusieurs lasers à fibre par la technologie de synthèse cohérente est une méthode efficace. Il est devenu un haut lieu de la recherche internationale ces dernières années.
La synthèse cohérente est obtenue en contrôlant la phase, la fréquence et la polarisation de chaque faisceau laser avec une certaine cohérence, de sorte qu'il réponde à la condition de cohérence et obtienne une sortie homogène à verrouillage de phase, qui peut obtenir une intensité de crête beaucoup plus élevée que la simple non cohérente superposition et maintenir une bonne qualité de faisceau. L'histoire du développement de la technologie de synthèse cohérente est presque aussi longue que l'histoire des lasers eux-mêmes et implique divers types de lasers à gaz, lasers chimiques, lasers à semi-conducteurs, lasers à semi-conducteurs, etc. Cependant, en raison de l'immaturité de divers dispositifs Au début, les résultats expérimentaux obtenus par la technologie de synthèse cohérente ne dépassaient pas la puissance de sortie maximale du laser à liaison unique correspondant à ce moment-là, de sorte que l'effet n'était pas très évident. A partir des années 1990, l'avènement des lasers à fibre a conduit à un développement rapide des techniques de synthèse cohérente. En plus des avantages uniques des lasers à fibre et de la nécessité d'une utilisation tactique de centaines de kilowatts, plusieurs dispositifs (c. rôle crucial dans le déploiement commercial des communications par fibre optique. Les coupleurs à cône de fibre et les fibres multicœurs facilitent le contrôle de phase passif basé sur le couplage d'injection d'énergie laser et le couplage d'onde rapide, tandis que les modulateurs de phase avec tresses et décaleurs de fréquence acousto-optiques permettent un contrôle de phase actif avec des bandes passantes de contrôle en mégahertz, qui peuvent être utilisées pour contrôler les fluctuations de phase à conditions de puissance élevée et obtenir des sorties à verrouillage de phase. Les chercheurs ont proposé un certain nombre de schémas de synthèse cohérents distinctifs.
La synthèse spectrale est une technique de synthèse non cohérente qui utilise un ou plusieurs réseaux de diffraction pour diffracter plusieurs sous-faisceaux dans la même ouverture, ce qui donne une sortie à ouverture unique avec une bonne qualité de faisceau. La synthèse spectrale des lasers à fibre peut tirer pleinement parti de la large bande passante de gain des lasers à fibre dopée Yb pour compenser la puissance de sortie limitée d'un laser à fibre unique.
