Nguyên lý cơ bản của laser sợi quang đơn mode

Nguyên tắc cơ bản củalaser sợi quang đơn mode

Việc tạo ra tia laser đòi hỏi phải đáp ứng ba điều kiện cơ bản: đảo ngược dân số, khoang cộng hưởng thích hợp và đạt tớitia laserngưỡng (độ khuếch đại ánh sáng trong khoang cộng hưởng phải lớn hơn độ suy hao). Cơ chế hoạt động của laser sợi quang đơn mode hoàn toàn dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản này và đạt được hiệu suất tối ưu thông qua cấu trúc đặc biệt của ống dẫn sóng sợi quang.

Bức xạ kích thích và đảo ngược mật độ là cơ sở vật lý cho việc tạo ra laser. Khi năng lượng ánh sáng phát ra từ nguồn bơm (thường là diode laser bán dẫn) được đưa vào sợi quang khuếch đại được pha tạp các ion đất hiếm (như Ytterbi Yb³⁺, Erbium Er³⁺), các ion đất hiếm hấp thụ năng lượng và chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Khi số lượng ion ở trạng thái kích thích vượt quá số lượng ion ở trạng thái cơ bản, trạng thái đảo ngược mật độ được hình thành. Tại thời điểm này, photon tới sẽ kích hoạt bức xạ kích thích của ion ở trạng thái kích thích, tạo ra các photon mới có cùng tần số, pha và hướng với photon tới, do đó đạt được sự khuếch đại quang học.

Tính năng cốt lõi của chế độ đơnlaser sợi quangnằm ở đường kính lõi cực kỳ mịn của chúng (thường là 8-14μm). Theo lý thuyết quang học sóng, một lõi cực kỳ mịn như vậy chỉ có thể cho phép một chế độ trường điện từ (tức là chế độ cơ bản LP₀₁ hoặc chế độ HE₁₁) được truyền ổn định, tức là chế độ đơn. Điều này loại bỏ vấn đề tán sắc liên phương thức tồn tại trong sợi quang đa chế độ, tức là hiện tượng mở rộng xung do sự lan truyền của các chế độ khác nhau ở các tốc độ khác nhau. Xét về đặc tính truyền dẫn, độ lệch đường truyền của ánh sáng truyền dọc theo hướng trục trong sợi quang đơn chế độ cực kỳ nhỏ, giúp chùm tia đầu ra có độ kết hợp không gian và phân bố năng lượng Gauss hoàn hảo, và hệ số chất lượng chùm tia M² có thể đạt tới 1 (M² = 1 đối với chùm tia Gauss lý tưởng).

Laser sợi quang là đại diện nổi bật của thế hệ thứ bacông nghệ laser, sử dụng sợi thủy tinh pha tạp nguyên tố đất hiếm làm môi trường khuếch đại. Trong thập kỷ qua, laser sợi quang đơn mode đã chiếm thị phần ngày càng quan trọng trên thị trường laser toàn cầu nhờ những ưu điểm về hiệu suất độc đáo. So với laser sợi quang đa mode hoặc laser thể rắn truyền thống, laser sợi quang đơn mode có thể tạo ra chùm tia Gauss lý tưởng với chất lượng chùm tia gần bằng 1, nghĩa là chùm tia gần như có thể đạt được góc phân kỳ tối thiểu lý thuyết và điểm hội tụ tối thiểu. Tính năng này khiến nó trở thành thiết bị không thể thay thế trong các lĩnh vực gia công và đo lường đòi hỏi độ chính xác cao và tác động nhiệt thấp.