Grundprincipen för single-mode fiberlasrar

Grundprincipen förenkelmodiga fiberlasrar

Genereringen av laser kräver att tre grundläggande villkor uppfylls: populationsinversion, en lämplig resonanskavitet och att nålasertröskelvärde (ljusförstärkningen i resonanskaviteten måste vara större än förlusten). Funktionsmekanismen för single-mode fiberlasrar är exakt baserad på dessa grundläggande fysikaliska principer och uppnår prestandaoptimering genom fibervågledarnas speciella struktur.

Stimulerad strålning och populationsinversion är den fysiska grunden för generering av lasrar. När ljusenergin som emitteras av pumpkällan (vanligtvis en halvledarlaserdiod) injiceras i förstärkningsfibern dopad med sällsynta jordartsmetalljoner (såsom ytterbium Yb³⁺, erbium Er³⁺), absorberar de sällsynta jordartsmetalljonerna energi och övergår från grundtillstånd till exciterat tillstånd. När antalet joner i exciterat tillstånd överstiger antalet joner i grundtillståndet bildas ett populationsinversionstillstånd. Vid denna tidpunkt kommer den infallande fotonen att utlösa den stimulerade strålningen från den exciterade jonen, vilket genererar nya fotoner med samma frekvens, fas och riktning som den infallande fotonen, varigenom optisk förstärkning uppnås.

Kärnfunktionen hos single-modefiberlasrarligger i deras extremt fina kärndiameter (vanligtvis 8-14 μm). Enligt vågoptikteorin kan en sådan fin kärna endast tillåta att ett elektromagnetiskt fältläge (dvs. grundläge LP₀₁ eller HE₁₁) stabilt överförs, det vill säga singelläge. Detta eliminerar problemet med intermodal dispersion som finns i multilägesfibrer, det vill säga pulsbredningsfenomenet som orsakas av utbredningen av olika lägen med olika hastigheter. Ur överföringsegenskapernas perspektiv är ljusets vägskillnad som utbreder sig längs axiell riktning i singellägesfibrer extremt liten, vilket gör att utgångsstrålen har perfekt rumslig koherens och gaussisk energifördelning, och strålkvalitetsfaktorn M² kan närma sig 1 (M²=1 för en ideal gaussisk stråle).

Fiberlasrar är framstående representanter för tredje generationenslaserteknik, som använder glasfibrer dopade med sällsynta jordartsmetaller som förstärkningsmedium. Under det senaste decenniet har enlägesfiberlasrar tagit en allt större andel av den globala lasermarknaden tack vare sina unika prestandafördelar. Jämfört med multilägesfiberlasrar eller traditionella fasttillståndslasrar kan enlägesfiberlasrar generera en idealisk Gaussisk stråle med en strålkvalitet nära 1, vilket innebär att strålen nästan kan nå den teoretiska minsta divergensvinkeln och minsta fokuserade punkten. Denna egenskap gör den oersättlig inom bearbetning och mätning som kräver hög precision och låg termisk påverkan.