Mayor potencia, pulsos más cortos y brillo más intenso son la búsqueda constante del desarrollo de la tecnología láser. En la aplicación industrial de láseres pulsados, los pulsos cortos y los valores máximos altos tienen un impacto importante en el efecto de procesamiento del material. En comparación con los láseres de estado sólido, los láseres de fibra tienen más ventajas en potencia promedio, pero están significativamente limitados en potencia máxima. Durante mucho tiempo, el ancho de pulso de los láseres de pulso de fibra se ha limitado a más de ns, con un valor máximo de menos de 15 kW y un estándar de 100 ns 1 mJ.
Métodos para aumentar la potencia máxima del pulso.
En la secuencia de pulsos láser mostrada en la Figura 1, la potencia máxima es igual a la energía del pulso dividida por el ancho del pulso. Por lo tanto, bajo las mismas condiciones de energía, acortar el ancho del pulso puede aumentar considerablemente la potencia máxima. En las mismas condiciones de ancho de pulso, aumentar el valor máximo puede aumentar la energía del pulso.
Entre los láseres de pulso sólido actualmente en el mercado industrial principal, la energía de los láseres de ancho de pulso de nanosegundos puede alcanzar el nivel de mJ. Calculada con una energía de 1 mJ y un ancho de pulso de 10 ns, la potencia máxima puede alcanzar los 100 kW. La energía de los láseres de pulso de picosegundos es de alrededor de 300 μJ. Calculada a 10 ps, la potencia máxima puede alcanzar los 30 MW. La energía de los láseres de pulso de femtosegundo es de 100 μJ y el ancho del pulso es de 500 fs, por lo que la potencia máxima alcanza los 200 MW. En comparación, la potencia máxima de los láseres de pulso de nanosegundos MOPA convencionales es de alrededor de 10 kW, una potencia muy inferior a la de los láseres sólidos.
Factores limitantes en el aumento de la potencia máxima del pulso de fibra
Los principales factores limitantes incluyen cinco elementos: capacidad de carga limitada, integral B limitada, eficiencia de extracción limitada, calidad del haz limitada y estado de polarización limitado. Al mismo tiempo, las diversas soluciones de mecanismos físicos dadas pertenecen a diferentes niveles de diseño, que incluyen: el material de la matriz, el campo de modo aumentado, la estructura de modo guiado y la estructura de polarización pertenecen al nivel de diseño de fibra; la expansión del haz de la tapa final, la excitación del modo y el filtrado del modo pertenecen al nivel de diseño del dispositivo; el modo de bombeo, el filtrado de aislamiento y el control de polarización pertenecen al nivel de diseño de la unidad; el aumento del ancho de banda, la selección del ancho del pulso, la selección de la frecuencia de repetición y la asignación de ganancia pertenecen al nivel de diseño del sistema.
Además de los cinco elementos anteriores, los efectos térmicos que deben considerarse en los láseres de fibra continuos de alta potencia no se enumeran aquí, porque la potencia promedio del amplificador de fibra de potencia de pico alto que perseguimos es mucho menor que el alcance donde se aplica la energía térmica. El efecto puede desempeñar un papel importante, por lo que no se discutirá aquí.
La capacidad de carga está limitada por la intensidad del láser. El mecanismo físico incluye daño corporal y daño superficial. Entre ellos, el daño a la superficie se puede evitar mediante la tecnología de protección de extremos, y el daño al cuerpo está limitado por las características del material de la matriz de fibra, que es el factor limitante. Normalmente, el umbral de intensidad de la luz es de aproximadamente 4,75 kW/μm2. Para un diámetro de campo modal de 50 μm, el umbral de potencia de daño correspondiente alcanza los 9,3 MW, que es mucho más alto que el nivel de potencia máxima actual del núcleo del láser de fibra de pulso y más alto que la potencia umbral de autoenfoque. Por tanto, el daño corporal no es un problema que deba considerarse en la actualidad.
La eficiencia de extracción está limitada principalmente por la amplificación de emisión espontánea (ASE), la distribución de ganancia del amplificador multietapa y el ciclo de trabajo del pulso dentro de la etapa. Especialmente bajo la condición de amplificación de pulso corto de menos de nanosegundos, ASE limita directamente el aumento de la energía del pulso y la potencia máxima. Sin embargo, la limitación de ASE se puede suprimir diseñando racionalmente amplificadores de múltiples etapas, optimizando la distribución de ganancia entre etapas y los métodos de bombeo, y reduciendo el componente ASE transmitido a la etapa posterior mediante filtrado espectral y filtrado acústico-óptico. Una distribución razonable de ganancia entre etapas también puede ayudar a suprimir los problemas de saturación de ganancia de pulso y obtener formas de onda de pulso más perfectas.
La calidad del haz está limitada y se mide mediante el factor de calidad del haz M2. Para obtener la salida del modo fundamental, lo principal es garantizar el funcionamiento monomodo o de pocos modos mediante el diseño de la estructura del modo de guía de ondas ópticas. Sobre esta base, el control de excitación de modo durante la fusión de fibras de diferentes diámetros de núcleo y métodos de filtrado de modo como el bobinado de fibra se utilizan para mejorar la calidad del haz. En la actualidad, la fibra óptica convencional que puede garantizar una salida de calidad de haz alto es 30/250, y el núcleo de fibras ópticas especiales, como los cristales fotónicos, se puede expandir a aproximadamente 100 μm. El tamaño de este campo modal sigue siendo demasiado pequeño en comparación con el tamaño del punto milimétrico de los láseres industriales de estado sólido. Muchos efectos no lineales mencionados más adelante están relacionados con la integral B, que es inversamente proporcional al área del campo modal.
El estado de polarización está limitado y medido por el grado de polarización. El mecanismo físico son principalmente las características de polarización de la guía de ondas de fibra óptica. En las fibras ópticas de doble revestimiento ordinarias, la luz polarizada linealmente se despolariza y el grado de despolarización es sensible a la flexión y a los parámetros ambientales, lo que dificulta mantener una salida de estado de polarización estable. En las mismas condiciones, el umbral de potencia máxima de la luz polarizada es generalmente la mitad que el de la luz no polarizada, porque la luz no polarizada se puede descomponer en dos componentes ortogonales de luz no polarizada.
Los efectos no lineales de tercer orden en las fibras ópticas se pueden dividir en dos categorías: una es el efecto de modulación del índice de refracción inducido por la intensidad de la luz, incluida la modulación de fase propia (SPM), la modulación de fase cruzada (XPM) y la inestabilidad de modulación (MI). , mezcla de cuatro ondas (FWM) y autoenfoque (SF); el otro es el efecto inelástico de dispersión de la luz, que implica el intercambio de energía entre fotones y la vibración reticular del material de la matriz, incluida la dispersión Brillouin estimulada (SBS) y la dispersión Raman estimulada (SRS).
Entre ellos, el límite más alto depende del umbral de autoenfoque, que es de aproximadamente 4 MW para materiales de fibra óptica. Por debajo del umbral de autoenfoque, la dispersión Raman estimulada es la limitación más importante, porque el cambio de frecuencia espectral de la luz Raman en comparación con la luz de frecuencia fundamental es de hasta 60 nm. Los componentes Raman demasiado altos afectarán seriamente la función del cristal magnetoóptico aislador y también causarán una gran aberración cromática en la lente. La figura muestra la evolución de la filamentación de autoenfoque generada cuando la potencia máxima en la fibra óptica excede el umbral de autoenfoque.
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