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 mật độ hạt, có khoang cộng hưởng phù hợp và đạt được...tia laserngưỡng (sự khuếch đại ánh sáng trong khoang cộng hưởng phải lớn hơn sự suy hao). Cơ chế hoạt động của laser sợi quang đơn mode dựa chính xác trên các nguyên lý vật lý cơ bản này và đạt được sự tối ưu hóa hiệu suất thông qua cấu trúc đặc biệt của các ống dẫn sóng sợi quang.

Bức xạ kích thích và sự đảo ngược mật độ electron là cơ sở vật lý cho sự tạo ra laser. Khi năng lượng ánh sáng phát ra từ nguồn bơm (thường là điốt laser bán dẫn) được đưa vào sợi quang khuếch đại được pha tạp các ion đất hiếm (như Ytterbium Yb³⁺, Erbium Er³⁺), các ion đất hiếm sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển từ trạng thái cơ bản sang 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 electron 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, từ đó đạt được sự khuếch đại quang học.

Đặc điểm cốt lõi của chế độ đơnlaser sợi quangƯu điểm nằm ở đường kính lõi cực nhỏ của chúng (thường là 8-14μm). Theo lý thuyết quang học sóng, lõi nhỏ như vậy chỉ cho phép một chế độ trường điện từ (tức là chế độ cơ bản LP₀₁ hoặc HE₁₁) được truyền ổn định, nghĩa là chế độ đơn. Điều này loại bỏ vấn đề tán sắc giữa các chế độ tồn tại trong sợi đa chế độ, tức là hiện tượng giãn rộng xung do sự lan truyền của các chế độ khác nhau ở tốc độ khác nhau. Từ góc độ đặc tính truyền dẫn, sự chênh lệch đường đi của ánh sáng truyền dọc theo hướng trục trong sợi quang đơn chế độ là cực kỳ nhỏ, điều này làm cho chùm tia đầu ra có độ kết hợp không gian hoàn hảo và phân bố năng lượng Gaussian, và hệ số chất lượng chùm tia M² có thể tiến gần đến 1 (M²=1 đối với chùm tia Gaussian lý tưởng).

Laser sợi quang là những đại diện xuất sắc của thế hệ thứ ba.công nghệ laserChúng 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 một thị phần ngày càng quan trọng trên thị trường laser toàn cầu, nhờ những ưu điểm vượt trội về hiệu năng. So với laser sợi quang đa mode hoặc laser trạng thái rắn truyền thống, laser sợi quang đơn mode có thể tạo ra chùm tia Gaussian lý tưởng với chất lượng chùm tia gần bằng 1, có nghĩa là chùm tia gần như đạt được góc phân kỳ tối thiểu lý thuyết và điểm hội tụ tối thiểu. Tính năng này làm cho nó không thể thay thế được trong các lĩnh vực xử lý và đo lường đòi hỏi độ chính xác cao và tác động nhiệt thấp.