Det grundlæggende princip for single-mode fiberlasere

Det grundlæggende princip omsingle-mode fiberlasere

Generering af laser kræver opfyldelse af tre grundlæggende betingelser: populationsinversion, et passende resonant hulrum og at nålasertærskel (lysforstærkningen i resonanskaviteten skal være større end tabet). Virkemekanismen for single-mode fiberlasere er netop baseret på disse grundlæggende fysiske principper og opnår ydeevneoptimering gennem den særlige struktur af fiberbølgeledere.

Stimuleret stråling og populationsinversion er det fysiske grundlag for generering af lasere. Når lysenergien, der udsendes af pumpekilden (normalt en halvlederlaserdiode), injiceres i forstærkningsfiberen doteret med sjældne jordarters ioner (såsom Ytterbium Yb³⁺, erbium Er³⁺), absorberer de sjældne jordarters ioner energi og overgår fra grundtilstanden til den exciterede tilstand. Når antallet af ioner i den exciterede tilstand overstiger antallet i grundtilstanden, dannes en populationsinversionstilstand. På dette tidspunkt vil den indfaldende foton udløse den stimulerede stråling fra den exciterede ion, hvilket genererer nye fotoner med samme frekvens, fase og retning som den indfaldende foton, hvorved der opnås optisk forstærkning.

Kernefunktionen ved single-modefiberlasereligger i deres ekstremt fine kernediameter (typisk 8-14 μm). Ifølge bølgeoptikteori kan en sådan fin kerne kun tillade stabil transmission af én elektromagnetisk felttilstand (dvs. fundamentaltilstand LP₀₁ eller HE₁₁-tilstand), dvs. single-mode. Dette eliminerer problemet med intermodal dispersion, der findes i multimodefibre, dvs. pulsudvidelsesfænomenet forårsaget af udbredelsen af ​​forskellige tilstande ved forskellige hastigheder. Fra et transmissionsegenskabsperspektiv er lysets vejforskel, der udbreder sig langs den aksiale retning i single-mode optiske fibre, ekstremt lille, hvilket giver udgangsstrålen perfekt rumlig kohærens og gaussisk energifordeling, og strålekvalitetsfaktoren M² kan nærme sig 1 (M²=1 for en ideel gaussisk stråle).

Fiberlasere er fremragende repræsentanter for tredje generationlaserteknologi, som bruger glasfibre dopet med sjældne jordarter som forstærkningsmedium. I løbet af det seneste årti har single-mode fiberlasere indtaget en stadig vigtigere andel af det globale lasermarked takket være deres unikke ydeevnefordele. Sammenlignet med multi-mode fiberlasere eller traditionelle solid-state-lasere kan single-mode fiberlasere generere en ideel gaussisk stråle med en strålekvalitet tæt på 1, hvilket betyder, at strålen næsten kan nå den teoretiske minimumsdivergensvinkel og det minimumsfokuserede punkt. Denne egenskab gør den uerstattelig inden for behandling og måling, der kræver høj præcision og lav termisk påvirkning.