Det grunnleggende prinsippet for enkeltmodusfiberlasere

Det grunnleggende prinsippet omenkeltmodus fiberlasere

Generering av laser krever at tre grunnleggende betingelser oppfylles: populasjonsinversjon, et passende resonanskavitet og å nålaserterskel (lysforsterkningen i resonanshulrommet må være større enn tapet). Virkemekanismen til enkeltmodusfiberlasere er nettopp basert på disse grunnleggende fysiske prinsippene og oppnår ytelsesoptimalisering gjennom den spesielle strukturen til fiberbølgeledere.

Stimulert stråling og populasjonsinversjon er det fysiske grunnlaget for generering av lasere. Når lysenergien som sendes ut av pumpekilden (vanligvis en halvlederlaserdiode) injiseres i forsterkningsfiberen dopet med sjeldne jordartsmetaller (som ytterbium Yb³⁺, erbium Er³⁺), absorberer de sjeldne jordartsmetallene energi og går over fra grunntilstand til eksitert tilstand. Når antallet ioner i eksitert tilstand overstiger antallet i grunntilstand, dannes en populasjonsinversjonstilstand. På dette tidspunktet vil det innfallende fotonet utløse den stimulerte strålingen fra det eksiterte ionet, og generere nye fotoner med samme frekvens, fase og retning som det innfallende fotonet, og dermed oppnå optisk forsterkning.

Kjernefunksjonen til single-modefiberlasereligger i deres ekstremt fine kjernediameter (typisk 8–14 μm). I følge bølgeoptikkteori kan en slik fin kjerne bare tillate stabil overføring av én elektromagnetisk feltmodus (dvs. fundamentalmodus LP₀₁ eller HE₁₁-modus), det vil si enkeltmodus. Dette eliminerer problemet med intermodal dispersjon som finnes i multimodusfibre, det vil si pulsutvidelsesfenomenet forårsaket av forplantning av forskjellige modi med forskjellige hastigheter. Fra et transmisjonsperspektiv er baneforskjellen for lys som forplanter seg langs aksialretningen i enkeltmodusoptiske fibre ekstremt liten, noe som gjør at utgangsstrålen har perfekt romlig koherens og gaussisk energifordeling, og strålekvalitetsfaktoren M² kan nærme seg 1 (M²=1 for en ideell gaussisk stråle).

Fiberlasere er fremragende representanter for tredje generasjonlaserteknologi, som bruker glassfibre dopet med sjeldne jordartsmetaller som forsterkningsmedium. I løpet av det siste tiåret har enmodusfiberlasere tatt en stadig viktigere andel av det globale lasermarkedet, takket være deres unike ytelsesfordeler. Sammenlignet med multimodusfiberlasere eller tradisjonelle faststofflasere, kan enmodusfiberlasere generere en ideell gaussisk stråle med en strålekvalitet nær 1, noe som betyr at strålen nesten kan nå den teoretiske minimumsdivergensvinkelen og minimum fokuspunkt. Denne funksjonen gjør den uerstattelig innen prosessering og måling som krever høy presisjon og lav termisk påvirkning.