더 높은 출력, 더 짧은 펄스, 더 강한 밝기는 레이저 기술 개발의 끊임없는 추구입니다. 펄스 레이저의 산업적 적용에서 짧은 펄스와 높은 피크 값은 재료 가공 효과에 중요한 영향을 미칩니다. 고체 레이저와 비교하여 파이버 레이저는 평균 출력에서 더 많은 이점을 갖지만 피크 출력에서는 크게 제한됩니다. 오랫동안 광섬유 펄스 레이저의 펄스 폭은 ns 이상으로 제한되어 왔으며 피크 값은 15kW 미만, 표준은 100ns 1mJ입니다.
펄스 피크 전력을 증가시키는 방법
도 1에 도시된 레이저 펄스 시퀀스에서, 피크 전력은 펄스 에너지를 펄스 폭으로 나눈 값과 동일하다. 따라서 동일한 에너지 조건에서 펄스 폭을 줄이면 피크 전력이 크게 증가할 수 있습니다. 동일한 펄스 폭 조건에서 피크 값을 늘리면 펄스 에너지가 증가할 수 있습니다.
현재 주류 산업 시장에 있는 고체 펄스 레이저 중 나노초 펄스 폭 레이저의 에너지는 mJ 수준에 도달할 수 있습니다. 1mJ 에너지와 10ns 펄스 폭으로 계산하면 피크 전력은 100kW에 도달할 수 있습니다. 피코초 펄스 레이저의 에너지는 약 300μJ입니다. 10ps로 계산하면 피크 전력은 30MW에 도달할 수 있습니다. 펨토초 펄스 레이저의 에너지는 100μJ이고 펄스 폭은 500fs이므로 피크 전력은 200MW에 이릅니다. 이에 비해 기존 MOPA 나노초 펄스 레이저의 피크 출력은 약 10kW로 고체 레이저의 표시기보다 훨씬 낮습니다.
광섬유 펄스 피크 전력 증가의 제한 요인
주요 제한 요소에는 제한된 부하 용량, 제한된 B 적분, 제한된 추출 효율성, 제한된 빔 품질 및 제한된 편광 상태의 5가지 항목이 포함됩니다. 동시에, 주어진 다양한 물리적 메커니즘 솔루션은 매트릭스 재료, 증가된 모드 필드, 유도 모드 구조 및 편광 구조를 포함하여 다양한 설계 수준에 속합니다. 엔드 캡 빔 확장, 모드 여기, 모드 필터링은 장치 설계 수준에 속합니다. 펌핑 모드, 격리 필터링 및 편광 제어는 장치 설계 수준에 속합니다. 증가된 대역폭, 펄스 폭 선택, 반복 주파수 선택 및 이득 할당은 시스템 설계 수준에 속합니다.
위의 5가지 항목 외에도 연속적인 고출력 광섬유 레이저에서 고려해야 할 열 효과는 여기에 나열되지 않습니다. 왜냐하면 우리가 추구하는 고 피크 전력 광섬유 증폭기의 평균 출력은 열이 발생하는 범위보다 훨씬 낮기 때문입니다. 효과는 중요한 역할을 할 수 있으므로 여기서는 논의하지 않습니다.
적재 용량은 레이저 강도에 따라 제한됩니다. 물리적 메커니즘에는 신체 손상과 표면 손상이 포함됩니다. 그 중 엔드캡핑(end capping) 기술을 통해 표면 손상을 피할 수 있으며, 본체 손상은 섬유 매트릭스 소재의 특성으로 인해 제한되는데, 이는 한계 제한 요소이다. 일반적으로 광도 임계값은 약 4.75kW/μm2입니다. 50μm의 모드 필드 직경의 경우 해당 손상 전력 임계값은 9.3MW에 도달하며 이는 펄스 섬유 레이저 코어의 현재 피크 전력 수준보다 훨씬 높고 자체 초점 임계 전력보다 높습니다. 따라서 신체 손상은 현재 고려해야 할 문제가 아닙니다.
추출 효율은 주로 자발 방출(ASE)의 증폭, 다단 증폭기의 이득 분포 및 단 내 펄스의 듀티 사이클에 의해 제한됩니다. 특히 나노초 이하의 짧은 펄스 증폭 조건에서 ASE는 펄스 에너지와 피크 전력의 증가를 직접적으로 제한합니다. 그러나 다단 증폭기를 합리적으로 설계하고, 단간 이득 분배 및 펌핑 방법을 최적화하고, 스펙트럼 필터링 및 음향 광학 필터링을 통해 다음 단으로 전송되는 ASE 구성 요소를 줄이면 ASE의 한계를 억제할 수 있습니다. 합리적인 스테이지 간 이득 분배는 펄스 이득 포화 문제를 억제하고 보다 완벽한 펄스 파형을 얻는 데도 도움이 될 수 있습니다.
빔 품질은 빔 품질 계수 M2에 의해 제한되고 측정됩니다. 기본 모드 출력을 얻으려면 광 도파관 모드 구조 설계를 통해 단일 모드 또는 소수 모드 동작을 보장하는 것이 가장 중요합니다. 이를 바탕으로 서로 다른 코어 직경의 섬유를 융합하는 동안 모드 여기 제어와 섬유 권선과 같은 모드 필터링 방법을 사용하여 빔 품질을 향상시킵니다. 현재 높은 빔 품질 출력을 보장할 수 있는 기존 광섬유는 30/250이며, 광결정 등 특수 광섬유의 코어는 약 100μm까지 확장이 가능하다. 이 모드 필드 크기는 산업용 고체 레이저의 밀리미터 수준 스폿 크기에 비해 여전히 너무 작습니다. 나중에 언급되는 많은 비선형 효과는 모드 필드 영역에 반비례하는 B 적분과 관련됩니다.
편광 상태는 편광 정도에 따라 제한되고 측정됩니다. 물리적 메커니즘은 주로 광섬유 도파관의 편광 특성입니다. 일반적인 이중 클래드 광섬유에서는 선형 편광된 빛이 탈분극되며, 탈분극 정도는 굽힘 및 환경 변수에 민감하여 안정적인 편광 상태 출력을 유지하기 어렵습니다. 동일한 조건에서 편광의 피크 전력 임계값은 일반적으로 비편광의 절반입니다. 왜냐하면 비편광은 두 개의 직교하는 비편광 성분으로 분해될 수 있기 때문입니다.
광섬유의 3차 비선형 효과는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 자체 위상 변조(SPM), 교차 위상 변조(XPM), 변조 불안정성(MI)을 포함하여 광 강도에 의해 유도되는 굴절률 변조 효과입니다. , 4파장 믹싱(FWM) 및 셀프 포커싱(SF); 다른 하나는 자극 브릴루앙 산란(SBS) 및 자극 라만 산란(SRS)을 포함하여 광자 사이의 에너지 교환과 매트릭스 물질의 격자 진동을 포함하는 비탄성 광산란 효과입니다.
그 중 최고 한도는 셀프 포커싱 임계값에 따라 달라지며 광섬유 소재의 경우 약 4MW입니다. 자체 초점 임계값 아래에서는 유도 라만 산란이 가장 중요한 제한 사항입니다. 기본 주파수 광과 비교하여 라만 광의 스펙트럼 주파수 이동이 60nm만큼 높기 때문입니다. 라만 구성 요소가 너무 높으면 아이솔레이터 광자기 결정의 기능에 심각한 영향을 미치고 렌즈에 큰 색수차가 발생합니다. 그림은 광섬유의 피크 전력이 셀프 포커싱 임계값을 초과할 때 생성되는 셀프 포커싱 필라멘트의 진화를 보여줍니다.
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