Cấu tạo nguồn laser fiber

Ánh sáng từ các diode laser bơm đi qua bộ kết hợp bơm được ghép vào sợi quang “hoạt chất” để kích thích phần tử hoạt động trong lõi sợi quang. Trong ngữ cảnh này, “hoạt chất” ám chỉ lõi sợi quang pha tạp ytterbium -Yb và “thụ động” ám chỉ các phần sợi quang không pha tạp. Ánh sáng laser phát ra từ laser bơm kích thích làm cho các electron của các nguyên tử ytterbium ở  trong lõi sợi quang pha tạp sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái năng lượng tăng. Điều này tạo ra các mức kích thích dẫn đến trạng thái phát xạ tự phát được mô tả ở trên. Các electron được bơm để đạt đến mức năng lượng tương ứng với bước sóng của ánh sáng bơm. Thông qua thiết kế, chúng sau đó di chuyển xuống trạng thái bán bền thấp hơn. Trong trường hợp sợi quang pha tạp ytterbium, một photon ở 976nm được hấp thụ bởi nguyên tử ytterbium sẽ buộc các electron xung quanh hạt nhân nguyên tử của nguyên tử Yb di chuyển đến các quỹ đạo cao hơn. Điều này xảy ra vì các electron đã hấp thụ năng lượng bơm 976nm.

Sau khi chuyển sang quỹ đạo năng lượng cao hơn, các electron bị kích thích sẽ rơi xuống trạng thái cơ bản ban đầu và phát ra một photon ở bước sóng 1064nm. Sự sụt giảm này xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn, dưới một mili giây. Mối quan hệ giữa đầu vào bước sóng laser bơm 976nm với đầu ra laser sợi quang 1064nm là do nguyên tố ytterbium. Các bước sóng khác cũng có thể được tạo ra. Nếu cường độ của ánh sáng bơm 976nm đủ cao, số lượng electron ở trạng thái bán bền sẽ vượt quá số lượng electron còn lại ở trạng thái cơ bản. Trạng thái này biểu thị cả nguyên lý phát xạ kích thích và nguyên lý đảo ngược mật độ. Sự chuyển đổi của các electron trở lại trạng thái cơ bản gây ra sự phát xạ ánh sáng có bước sóng tương ứng với sự chênh lệch năng lượng. Trong trường hợp này, một photon sẽ được tạo ra ở bước sóng 1064nm.

Để hoàn tất quá trình tạo ánh sáng trong laser sợi quang, cuộn sợi được liên kết bằng các cách tử Bragg sợi ở mỗi đầu. Các cách tử được mô tả chi tiết hơn bên dưới. Về cơ bản, chúng là những tấm gương tạo ra bộ cộng hưởng công suất cao khi được đặt ở cả hai đầu của sợi pha tạp. Ánh sáng có bước sóng dài hơn (đầu ra 1064nm) cộng hưởng giữa các cách tử này. Các cách tử phản xạ ánh sáng theo một góc được xác định bởi hình dạng của bề mặt phản xạ. Khi ánh sáng bị phản xạ qua lại giữa hai cách tử, nó được khuếch đại với mỗi lần đi qua. Cách tử ở đầu ra của laser sợi quang truyền qua một phần, cho phép ánh sáng laser có bước sóng dài hơn được tạo ra thoát ra khỏi sợi.

Cuộn sợi pha tạp có thể dài từ vài mét đến vài kilômét. Điều này cho phép chúng có phạm vi công suất đầu ra rất rộng và có khả năng đạt mức công suất đầu ra rất cao.

An Bình laser cung cấp bản tóm tắt nhanh về cách thức hoạt động của nguồn laser sợi quang và các nguyên lý cơ bản của laser và quang học. Để hiểu sâu hơn, video dưới đã giải thích rất rõ các thành phần và quy trình cơ bản:

Sợi quang là sợi hình trụ làm từ thủy tinh silica rất tinh khiết. Chức năng của chúng là dẫn tia laser bằng cách phản xạ ánh sáng laser bên trong khi truyền xuống sợi. Chúng được sản xuất theo chiều dài từ vài mét đến vài kilômét. Khả năng sản xuất sợi rất dài là một trong những yếu tố chính giúp laser sợi quang thay thế hầu hết các công nghệ laser công suất cao cạnh tranh khác. Vì sợi quang cung cấp diện tích bề mặt rất lớn so với thể tích ánh sáng laser truyền qua chúng nên chúng có khả năng tản nhiệt tuyệt vời. Điều này khiến sợi quang hình trụ trở thành môi trường rất tốt để hỗ trợ mức công suất quang cao. Ngoài sợi hình trụ, nghiên cứu mới về phát triển sợi ruy băng để có thể đạt mức công suất cao hơn nhiều » đang được phát triển ở nhiều nước trên thế giới.

Thủy tinh silica hình trụ được sử dụng trong laser sợi quang có chiều rộng từ vài micrômét (chiều rộng của một sợi tóc người) đến hàng trăm micrômét. Như đã đề cập trong phần giới thiệu, các nhà sản xuất sử dụng các ion đất hiếm làm tác nhân phụ gia để thay đổi các đặc tính quang học của sợi thủy tinh. Quá trình này được gọi là pha tạp sợi. Pha tạp sợi làm thay đổi chiết suất của thủy tinh. Pha tạp sợi là đưa một lượng nhỏ nguyên tố đất hiếm vào sợi thủy tinh silica. Các nguyên tố đất hiếm được sử dụng phổ biến nhất là ytterbium, erbium hoặc thulium Trong ba nguyên tố này, nguyên tố được sử dụng phổ biến nhất là ytterbium.

Chỉ cần một lượng rất nhỏ chất pha tạp nguyên tố đất hiếm để tạo ra các đặc tính laser mong muốn. Các ion đất hiếm cụ thể được chọn để tạo ra bước sóng mong muốn. Corning, Nufern và OFS Optics từ lâu đã là những công ty dẫn đầu trong lĩnh vực sản xuất sợi quang pha tạp.

Loại sợi quang thường được sử dụng nhất trong nguồn laser sợi quang công suất cao là sợi quang hai lớp. Sợi quang hai lớp có lõi được pha tạp các chất pha tạp đất hiếm được mô tả ở trên. Một sợi quang đơn mode tiêu chuẩn cung cấp các đặc tính chất lượng chùm tia mà nhà sản xuất laser sợi quang mong muốn. Nhưng lõi sợi quang đơn mode tiêu chuẩn yêu cầu sử dụng điốt laser bơm đơn mode. Đường kính lõi đơn mode được giữ đủ nhỏ để cho phép dao động laser đơn mode tạo ra chùm tia chất lượng cao. Tuy nhiên, các bơm đơn mode bước sóng 9XX nm cần được sử dụng làm nguồn bơm không cung cấp đủ công suất để đạt được mức công suất đầu ra mong muốn. Chúng cũng rất đắt. Sợi quang hai lớp giải quyết vấn đề này bằng cách có lõi đơn mode được pha tạp với hai lớp vỏ bọc xung quanh lõi. Lõi có chiết suất cao nhất. Lớp vỏ bọc bên trong bao quanh lõi được bơm bằng điốt laser bơm đa mode công suất cao và chi phí tương đối thấp. Lớp vỏ bọc bên trong có thể tiếp nhận lượng lớn ánh sáng bơm từ nhiều nguồn bơm được ghép nối vào lớp vỏ bọc bên trong. Lớp vỏ ngoài được thiết kế để có chiết suất thấp hơn lớp vỏ trong hoặc lõi. Phương pháp hai lớp vỏ cung cấp sự cân bằng tốt giữa công suất cao và chất lượng chùm tia cao.

Ytterbium là nguyên tố đất hiếm phổ biến nhất được sử dụng để pha tạp sợi quang trong nguồn laser sợi quang. Nguyên tử ytterbium hấp thụ ánh sáng rất tốt trong phạm vi bước sóng diode laser bơm từ 900nm đến 1100nm. Phạm vi bơm này cũng cung cấp nguồn bơm tiết kiệm nhất và công suất cao nhất hiện có trên thị trường. Ytterbium cũng cung cấp huỳnh quang gây ra dao động laser và đầu ra trong phạm vi 1000nm đến 1100nm. Phạm vi bước sóng này thường được hấp thụ tốt bởi hầu hết các kim loại. Do đó, Yb là loại sợi pha tạp chính được sử dụng cho laser sợi quang được sử dụng trong quá trình gia công kim loại. Gia công kim loại là phân khúc ứng dụng lớn nhất đối với laser sợi quang.

Diode laser là thiết bị bán dẫn hiệu quả nhỏ gọn chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng laser. Các thiết bị này được sử dụng để “bơm” sợi quang pha tạp vì độ sáng và đặc điểm quang phổ của chúng. Các chùm tia laser phát ra từ các nguồn bơm diode laser kích thích các ion đất hiếm được có trong sợi quang pha tạp. Sự kích thích này tạo ra các mức khuếch đại cao tương ứng. Chất pha tạp, chẳng hạn như Yb, được lựa chọn một phần vì khả năng hấp thụ ánh sáng từ các laser bơm này. Laser diode là nguồn kích thích tuyệt vời vì một số lý do kỹ thuật và thương mại. Đầu tiên, chúng rất nhỏ gọn. Chúng được chế tạo trên một chip bán dẫn duy nhất chứa mọi thứ cần thiết cho laser. Chúng có kích thước khoảng 40mm x 40mm và có thể dễ dàng lắp vào các nguồn laser sợi quang. Thứ hai, chúng cung cấp tỷ lệ hiệu suất tương đối cao. Tỷ lệ chuyển đổi của chúng từ năng lượng điện sang năng lượng đầu ra quang học là khoảng 50%. Chúng cung cấp sự kích thích trực tiếp với mức dòng điện thấp để các mạch dựa trên bóng bán dẫn thông thường có thể cung cấp cho laser diode. Điều này cho phép chúng được điều khiển bằng công suất điện thấp hơn so với các công nghệ laser khác.

Các loại laser diode chính được sử dụng laser sợi quang là nguồn bơm  có bước sóng 915nm ~ 980nm và nguồn hạt giống (laser mầm) 1060nm. Các nguồn hạt giống 1060nm được sử dụng làm nguồn kích hoạt trong nguồn laser sợi quang xung cực nhanh. Trong khi 10 năm trước, nhiều nguồn bơm sợi quang là các thiết bị phát đơn (chip diode laser đơn), thì các bộ phát đa năng thế hệ tiếp theo đã trở thành nguồn thống trị. Các bộ phát đa năng dựa trên nguyên tắc kết hợp nhiều chip diode laser nối tiếp trong một gói duy nhất. Chúng kết hợp nhiều khẩu độ chip laser và sử dụng quang học vi mô để tập trung chùm tia kết quả vào sợi quang Chúng cung cấp mức công suất bơm trong phạm vi 100W đến 300W từ sợi quang đường kính 105µm, 0,22NA.

Bộ kết hợp chùm tia trong nguồn laser sợi quang được thiết kế để tăng thêm công suất đầu ra của các nguồn bơm đang được sử dụng để kích thích các ion pha tạp. Chúng là các thành phần thụ động dựa trên sợi quang. Ví dụ, nhiều diode laser đơn phát đa chế độ 976nm có thể được kết hợp để bơm laser sợi quang pha tạp Yb 120 watt. Bốn trong số các bơm 976nm được ghép thành bộ kết hợp thụ động 4 (đầu vào) x 1 (đầu ra). Năm trong số các bộ kết hợp 4 x 1 này có thể được sử dụng để kết hợp công suất từ ​​20 diode laser. Công suất đầu ra từ mỗi bộ kết hợp là khoảng 36 watt, tạo ra công suất bơm khoảng 180 watt. Mức công suất bơm này sẽ tạo ra công suất đầu ra laser sợi quang > 120 watt ở 1064nm. Mức hiệu suất của công suất bơm so với công suất đầu ra laser sợi quang > 65% là phổ biến.

Cách tử Bragg sợi quang (FBG) là một loại phản xạ Bragg phân tán được chế tạo trong một đoạn ngắn của sợi quang. FBG được sử dụng như một bộ lọc bước sóng nội tuyến để chặn một số bước sóng nhất định hoặc được sử dụng như một bộ phản xạ bước sóng cụ thể. Cách tử Bragg chỉ đơn giản là một phần kính trong sợi quang có các sọc được khắc vào kính. Đối với laser sợi quang, FBG được sử dụng để tạo ra một khoang trong sợi quang pha tạp, bẫy các nguyên tử ytterbium hoặc erbium và giữ chúng trong lõi sợi quang. Cách tử Bragg được sử dụng trong nguồn laser sợi quang như một bộ phản xạ bước sóng. Ở cấp độ rất cơ bản, laser sợi quang hoạt động bằng cách phản xạ ánh sáng qua khoang quang học được tạo thành bởi cách tử theo cách buộc các photon kích thích các nguyên tử ytterbi pha tạp vào sợi quang. Ở cả hai mặt của sợi quang “hoạt chất” pha tạp Yb, cách tử Bragg sợi quang được đặt vào, hoạt động như những tấm gương phản xạ ánh sáng của bước sóng mong muốn. Các tấm gương tạo thành một bộ cộng hưởng laser. Bước sóng ánh sáng mong muốn được phản xạ có chọn lọc bởi cách tử. Điều này tạo ra sự phát xạ cảm ứng trong bộ cộng hưởng. Ánh sáng cảm ứng này sau đó lan truyền trong bộ cộng hưởng và được phản xạ bởi cả hai FBG để kích thích sự phát xạ cảm ứng tiếp theo. Sự lặp lại của sự phát xạ cảm ứng dẫn đến dao động laser và cuối cùng ánh sáng laser được phát ra từ cổng ra có mạng lưới phản xạ thấp hơn.

Hầu hết các laser sợi quang đều sử dụng ytterbi hoặc erbi làm tác nhân pha tạp nguyên tố đất hiếm trong lõi sợi quang. Ytterbi cung cấp khả năng phát xạ photon ở các bước sóng trong phạm vi một micromet. Cụ thể là ở 1030nm, 1064nm và 1080nm. Erbi là nguyên tố được lựa chọn để tạo ra đầu ra trong phạm vi 1550nm. Erbi cung cấp phạm vi từ khoảng 1528nm đến 1620nm đến 1620nm. Laser sợi quang xung 1550nm đang trở nên khá phổ biến trong các ứng dụng cảm biến vì chúng cung cấp công suất rất cao trong phạm vi bước sóng an toàn cho mắt 1,5 micron. Để đạt được mức công suất đầu ra trên 5 watt ở 1550nm, người ta thường sử dụng kết hợp erbi và ytterbi làm tác nhân pha tạp. Trong trường hợp này, ytterbi bị kích thích và sau đó năng lượng được truyền đến các ion erbi.

Trong ứng dụng công nghiệp, các máy cắt laser, máy hàn laser, máy khắc laser kim loại chủ yếu sử dụng nguồn phát laser sợi quang Yterbium pha tạp có bước sóng 1060-1080 nm.