لیزرهای فیبری
به طور معمول لیزرهای فیبری به لیزرهایی اطلاق می شود که در آن‌ها از فیبر نوری به عنوان محیط بهره[۱] استفاده می شود. اگرچه، برخی از لیزرها که محیط بهره شان یک نیم رسانا (یک تقویت کننده نوری نیم رسانا[۲]) است ولی تشدیدگری[۳] از نوع فیبر نوری دارند نیز به عنوان لیزرهای فیبری (یا لیزرهای فیبر نوری نیم رسانا[۴]) شناخته می شوند. همچنین سیستم هایی که شامل نوعی لیزر هستند (به عنوان مثال، لیزرهای دیودی جفت شده با فیبر نوری) و تقویت کننده آن‌ها فیبر نوری است، اغلب لیزر فیبری (یا سیستم های لیزری فیبری) نامیده می‌شوند.
در بیشتر موارد محیط بهره این لیزرها یک فیبر نوری است که با یون های عناصر نادر خاکی مانند اربیوم (Er3+)، نئودیمیوم (Nd3+)، ایتربیوم (Yb3+)، تلیوم (Tm3+)، یا پراسئودیمیوم (Pr3+) آلائیده شده و توسط یک یا چند لیزر دیودی جفت شده با فیبر نوری پمپ می شوند. به طور معمول نور تولید شده توسط لیزر طول موج کوتاه تری نسبت به نور استفاده شده برای پمپ لیزر دارد. برای دستیابی به این هدف ماده مؤثر لیزر باید از قابلیت جذب چند فوتونی برخوردار باشد. هسته فیبرهای نوری اغلب از جنس شیشه است و سیلیکا ماده مناسبی برای جذب چند فوتونی نیست. برای دستیابی به این هدف، از عناصر نادر خاکی برای آلایش فیبر استفاده می شود.
اگرچه محیط بهره لیزرهای فیبری مانند لیزرهای حالت جامد است اما اثرات موجبری[۵] و محدوده مد مؤثر[۶] کوچک آن‌ها اغلب خصوصیات منحصربفردی را برای این نوع لیزرها به همراه می آورد. به عنوان مثال این نوع لیزرها اغلب، نرخ بهره[۷] بسیار زیادی دارند و اتلاف[۸] ناشی از تشدید آن‌ها کم است.
تشدیدگرهای لیزر فیبری
به منظور ایجاد یک تقویت کننده لیزری در فیبر نوری، به یک نوع بازتابنده (آینه) نیاز است تا یک تشدیدگر خطی ایجاد شود، یا آن که می توان به جای آینه از یک فیبر نوری حلقه شده استفاده کرد. انواع مختلفی از آینه ها در ساختار تشدیدگرهای خطی لیزر فیبری استفاده می شوند:
- آینه های دی الکتریک: استفاده از آینه های معمولی دی الکتریک در دو سر فیبر بسیار مرسوم است اما این روش برای ساختارهای پیچیده مناسب نیست و دوام زیادی ندارد.
- قانون بازتابش فرنل: بازتاب فرنل[۹] از سطح انتهایی فیبر اغلب برای اتصال کوپلر خروجی[۱۰] در لیزر فیبری کافی است. انتهای عمودی بریده شده فیبر را می‌توان نوعی آینه قلمداد کرد. شکل ۱ چیدمان یک لیزر فمتوثانیه آلائیده با اربیوم را نشان می دهد که در آن برای جفت کردن خروجی از فیبری با انتهای شامل بازتابنده فرنل استفاده شده است (قانون فرنل بیان می کند که با توجه به زاویه انتهای فیبر و ضریب شکست فیبر آیا امکان خروج نور از آن وجود خواهد داشت یا خیر).
شکل۱- یک لیزر فمتوثانیه آلائیده با اربیوم که در آن برای جفت کردن خروجی از فیبری با انتهای شامل بازتابنده فرنل استفاده شده است.
- همچنین می توان پوشش های دی‌الکتریک را به طور مستقیم روی دو سر انتهایی فیبر لایه نشانی کرد. چنین پوشش هایی می توانند برای بازتاب از دو سر فیبر در طیف گسترده ای از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند.
- آینه براگ: برای محصولات تجاری اغلب از توری براگی[۱۱] که به طور مستقیم در انتهای فیبر قرار گرفته، استفاده می شود (آینه براگ که با عنوان بازتابنده براگ توزیع شده هم شناخته می شود یک ساختار آینه مانند است که از توالی متناوب از لایه های دو ماده نوری با ضریب شکست های مختلف تشکیل شده است. نحوه کار آن بدین شکل است که با تعیین ضخامت، تعداد لایه ها و ضریب شکست مواد استفاده شده در آن می توان نور وارد شده به لایه های مختلف را منعکس نمود. استفاده از آینه براگ در ساختار فیبر نوری به تک مد ماندن آن کمک می‌کند (شکل ۲).
شکل۲- (الف) لیزر فیبری با بازتابنده براگ توزیعی برای گسیل پهنای خطی باریک و (ب) بازتابنده انتهایی شامل عدسی و آینه
- یکی از بهترین راه های کنترل توان لیزر آن است که نور خارج شده از فیبر را با کمک یک عدسی موازی کنیم سپس با قرار دادن یک آینه دی الکتریک نور را به داخل فیبر نوری بازگردانیم. با این کار شدت نور به دلیل مساحت زیاد پرتو بر روی آینه کاهش می یابد. در هر صورت مواردی مانند هم تراز نبودن آینه ها هم می تواند باعث اتلاف قابل توجهی از نور شود و بازتاب فرنل در انتهای فیبر هم اثرات فیلتر مانندی ایجاد می کند. اثرات بازتاب فرنل را می توان با استفاده از برش زاویه دار انتهای فیبر از بین برد، اما در آن صورت نیز اتلاف وابسته به قطبش به وجود می آید.
- گزینه دیگر ایجاد یک آینه حلقه ای با استفاده از فیبر است که ساختار آن مبتنی بر استفاده از کوپلر فیبر نوری (به عنوان مثال با نسبت تقسیم ۵۰-۵۰) و مقادیری فیبر غیرفعال است. در یک حلقه از فیبر نوری، امواج با هم تداخل می کنند (شکل ۳). این تداخل بازگشت نور به درون فیبر یا خروج آن را تعیین می کند. عوامل متفاوتی مانند رفتار چند مدی، تغییرات قطبش نور و اثرات غیرخطی در این تداخل مؤثر است. طول فیبر در این آینه حلقه ای مهم نیست. تک مد بودن، ثابت بودن قطبش و کم بودن شدت نوری برای جلوگیری از اثرات غیر خطی مهم است.
شکل ۳- چیدمانی از یک لیزر فیبری ساده. نور پمپ از سمت چپ با عبور از یک آینه دو رنگ وارد هسته فیبر آلائیده می شود. نور لیزر تولید شده از سمت راست خارج می شود.
اکثر لیزرهای فیبری با یک یا چند لیزر دیودی جفت شده با فیبر پمپ می شوند. نور پمپ شده ممکن است به صورت مستقیم به هسته فیبر نوری وارد شود یا در لیزرهای توان بالا به روکش فیبر متصل شود (برای داشتن فیبرهای نوری تک مد باید قطر هسته در آن‌ها بسیار کم باشد اما ورود نور پمپ شده به این هسته بسیار نازک دشوار است. بنابراین در چنین مواردی از فیبرهای دو جداره[۱۲] استفاده می شود و نور را به پوسته درونی پمپاژ می کنند).
انواع مختلفی از لیزرهای فیبر نوری وجود دارد که برخی از آن‌ها در ادامه مورد بحث قرار می گیرد.
لیزرهای فیبر توان بالا
اگرچه لیزرهای فیبری اولیه توان خروجیشان تنها چند میلی وات بود، اما اکنون لیزرهای فیبری با توان خروجی چند صد وات یا چندین کیلوواتی تولید می شود که تنها از یک فیبر نوری در ساخت آن‌ها استفاده شده است. این ویژگی منحصربفرد از نسبت سطح به حجم بالای این لیزرها (بدون افزایش دمای زیاد) سرچشمه می گیرد. همچنین اثرات موجبری فیبرها، حتی در شرایطی که دما بالاست از ایجاد مشکلات گرما نوری جلوگیری می کند.
امروزه لیزرهای فیبر نوری توان بالا به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال در پردازش های متفاوت مواد که توسط لیزر انجام می شود، مورد استفاده قرار می گیرند. برشکاری و جوشکاری لیزری مثال های از این پردازش هستند که روی مواد مختلفی مانند فلز و دیگر مواد مورد استفاده در صنعت صورت می گیرد.
لیزرهای فیبری Q-سوئیچ
با روش های متفاوت اعمال Q-سوئیچ می توان لیزرهای فیبر نوری پالسی ساخت که پهنای پالس آن از ده ها نانوثانیه تا چند صد نانوثانیه قابل تنظیم باشد به طوری که انرژی هر پالس می تواند بین چند میلی ژول تا چند ده میلی ژول متغیر باشد. محدودیت دسترسی به انرژی بالاتر در هر لیزر تنها به حد اشباع و آستانه تخریب لیزر بستگی دارد. تمام چیدمان های اپتیکی مبتنی بر فیبر نوری در دستیابی به پالس های پر انرژی محدود هستند زیرا نمی توان در آن‌ها روش های Q-سوئیچ مؤثر را پیاده سازی کرد یا از فیبرهایی با ناحیه مد مؤثر بزرگ در آن‌ها بهره برد (در برخی کاربردهای اپتیکی مانند تقویت پالس یا تک فرکانس سازی سیگنال‌ها باید از فیبرهای نوری با ناحیه مد مؤثر بزرگ استفاده کرد. از ویژگی های آن‌ها می توان به اثرات غیرخطی کمتر و آستانه تخریب بالاتر اشاره کرد. در مقایسه با فیبرهای تک مد که ناحیه مد مؤثر آن‌ها زیر ۱۰۰ میکرومتر مربع است، این نوع فیبرهای نوری می توانند ناحیه مؤثر بزرگ‌تری در حدود چند صد یا هزار میکرومتر مربع داشته باشند).
شکل ۴- یک لیزر فیبری Q-سوئیچ ساده. این چیدمان تا حد زیادی مشابه چیدمان لیزر قفل مدی است که در بالا بررسی شد اما پارامترهای SESAM آن‌ها با هم تفاوت دارد.
لیزرهای فیبری قفل مدی[۱۳]
اغلب ساخت تشدیدگر و تقویت کننده لیزرهای فیبر با مد قفل شده که برای تولید پالس های فمتوثانیه یا پیکوثانیه استفاده می شوند، با پیچیدگی های زیادی همراه است. در این حالت، تشدیدگر لیزر ممکن است دارای یک مدولاتور فعال یا نوعی ماده جاذب اشباع پذیر باشد. یک جاذب اشباع پذیر مصنوعی با استفاده از اثر تغییر قطبش یا یک آینه حلقه ای غیرخطی عمل می کند. آینه حلقه ای غیرخطی از جنس فیبر ساخته می شود و در ساختار لیزری که به شکل عدد هشت لاتین ساخته می شود، قرار می گیرد (شکل ۵).
شکل ۵- چیدمان لیزری به شکل عدد هشت انگلیسی مربوط به لیزرهای فیبری قفل مدی
ویژگی های منحصربفرد فیبر نوری به عنوان محیط بهره لیزری
از آنجا که فیبرهای نوری را می توان به صورت پیچه درآورد و تابش نور در فیبرها به خوبی در مقابل اثرات محیطی (به عنوان مثال از گرد و غبار) محافظت می شود، لیزرهای فیبری می توانند ساختاری فشرده و مستحکم داشته باشند، به شرطی که تمام تشدیدگرهای لیزر فقط از جنس فیبر (چیدمان تمام فیبری) ساخته شوند و اجزایی مانند آینه براگ و کوپلر نداشته باشند.
- با توجه به گستردگی موادی که می توان در محیط بهره فیبر آلایش نمود، می توان طول موج های متفاوتی با استفاده از این لیزرها تولید کرد. همچنین لیزرهای فیبری محدوده طیفی گسترده ای دارند و نور پمپ را به خوبی جذب می کنند. بنابراین وجود طول موجی دقیق برای پمپاژ آن‌ها غیرضروری است. از این رو، تثبیت دما در لیزهای دیودی پمپ آن‌ها حیاتی نیست.
- با استفاده از فیبرهای تک مد و گاهی چند مد، می توان باریکه لیزر بدون اثرات پراش به دست آورد.
- با توجه به بازده بالای فیبرهای آلایش شده، لیزرهای فیبری می توانند با پمپاژ بسیار ضعیف عملکرد خود را آغاز کنند. همچنین می توان بهره توان بسیار بالایی از آن‌ها به دست آورد.
- در سال های اخیر، لیزرهای فیبری با توان خروجی بسیار بالایی (چندین کیلووات با فیبرهای دوجداره) ساخته شده است.
معایب لیزرهای فیبری
- اگر نور مورد نیاز برای پمپ کردن لیزر از فضای آزاد وارد هسته یک فیبر تک مد شود، این کار به دشواری صورت می گیرد. برای رفع این مشکل می توان از لیزرهای دیودی جفت شده با فیبر استفاده کرد.
- به طور معمول، قطبش نور در فیبرهای نوری به دما وابسته است.
- اغلب اثرات غیرخطی عملکرد لیزر را محدود می کنند. به عنوان مثال توان قابل دستیابی در کار با لیزرهای تک فرکانس یا کیفیت پالس در لیزرهای قفل مدی تحت تأثیر این اثرات غیر خطی قرار می گیرد.
- در لیزرهای فیبری توان بالا امکان آسیب رسیدن به فیبر، حتی در توان های کمتر از آستانه تخریب ماده، وجود دارد.
- فیبرهای نوری در جذب انرژی پمپ و همچنین در نرخ بهره شان محدودیت هایی وابسته به طول دارند. بنابراین به عنوان مثال ساخت تشدیدگرهای بسیار کوچک در لیزرهای تک فرکانس یا لیزرهای قفل مدی چند گیگاهرتز دشوار است. با این حال، در پژوهش های اخیر آلایش بسیار زیاد فیبرهایی که به طور معمول از شیشه های فسفات ساخته می شوند، منجر به پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه شده است.
همچنین لازم به ذکر است که ساخت لیزرهای فیبر نوری به نسبت لیزرهای حالت جامد دشوارتر است. برای مثال اثرات اشباع بالا به دلیل شدت زیاد نور یا مکانیزم پیچیده تولید پالس در لیزرهای قفل مدی باعث می شود که توسعه این نوع لیزرها پرهزینه و دشوار شود.
[۱] Gain media
[۲] Semiconductor Optical Amplifier
[۳] Resonator
[۴] Semiconductor Fiber Laser
[۵] Waveguiding Effects
[۶] Effective Mode Area
[۷] Gain
[۸] Loss
[۹] Fresnel Reflection
[۱۰] Output Coupler
[۱۱] Bragg Grating
[۱۲] Double-Clad Fiber
[۱۳] Mode-Locked Fiber Lasers