Волоконные лазеры

Классификация и принципы действия волоконных лазеров

Волоконные лазеры относятся к классу твердотельных лазеров, в которых активная среда представляет собой оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами (чаще всего иттрием, неодимом, эрбием, тулием, пр. — в форме ионов Yb³⁺, Nd³⁺, Er³⁺, Tm³⁺ и др.). Волокно одновременно выполняет роль активной среды и резонатора, что обеспечивает ряд уникальных характеристик, таких как высокая эффективность, отличное качество луча, компактность и термическая устойчивость.

Активные среды волоконных лазеров

К основным типам волокон, применяемым в лазерной технике, относятся:

• Иттербий-содержащие волокна (Yb³⁺) — обладают широким спектром возбуждения (около 915–980 нм) и генерации (около 1030–1100 нм), высокой квантовой эффективностью и устойчивостью к термическим эффектам. Используются как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

• Эрбиевые волокна (Er³⁺) — генерация в области 1550 нм, что соответствует минимуму поглощения в кварцевом оптическом волокне. Часто применяются в телекоммуникациях и в сенсорике.

• Неодимовые волокна (Nd³⁺) — спектр генерации около 1060 нм, сравним с Yb³⁺, но с меньшей эффективностью.

• Тулиевые и гольмиевые волокна (Tm³⁺, Ho³⁺) — генерация в среднем ИК-диапазоне (1.9–2.1 мкм). Перспективны для медицины, спектроскопии и создания источников высокой мощности.

Конструкция волоконного лазера

Основной элемент — это легированное редкоземельными ионами оптическое волокно с двойной оболочкой (Double-Clad Fiber, DCF). Внутренняя часть (ядро) — активная среда, в которую вводится накачка с помощью внешнего лазера (диодной сборки) через наружную оболочку. Это позволяет эффективно преобразовывать высокомощную, но слабо фокусируемую накачку в узконаправленное когерентное излучение.

Зеркала резонатора могут быть реализованы:

• с помощью диэлектрических отражателей на торцах волокна;
• путем формирования волоконной брэгговской решетки (Fiber Bragg Grating, FBG), интегрированной в само волокно;
• при помощи внешнего резонатора в более сложных системах.

Режимы генерации и управление излучением

Волоконные лазеры могут работать в различных режимах:

• Непрерывный режим — предпочтителен для задач резки, сварки и накачки других лазеров.
• Импульсный режим с Q-модуляцией — используется для создания коротких и мощных импульсов, например в микромеханике.
• Модуляция добротности (Q-switching) реализуется с помощью акустооптических или электрооптических модуляторов, или пассивных насыщаемых поглотителей.
• Генерация сверхкоротких импульсов — при помощи режимов самофазовой модуляции, дисперсионного сжатия и синхронизации мод (mode-locking), что позволяет достигать длительностей порядка фемтосекунд.

Преимущества волоконных лазеров

• Высокая эффективность преобразования: коэффициент полезного действия (КПД) по электрическому току может превышать 30–40 %, что значительно выше, чем у традиционных твердотельных лазеров.
• Высокое качество лазерного пучка: благодаря длинной активной среде (метры и более), обеспечивается превосходная дифракционная ограниченность (M² ≈ 1).
• Компактность и модульность: лазерная система может быть интегрирована в стандартные модули или устройства.
• Надежность и длительный срок службы: отсутствует необходимость в частой замене компонентов, т.к. отсутствует юстировка и оптические элементы с открытой поверхностью.
• Низкая чувствительность к термической деструкции: тепло эффективно рассеивается вдоль всей длины волокна.

Ограничения и проблемы волоконных лазеров

• Нелинейные эффекты: в силу большой длины активной среды и малого диаметра ядра волокна наблюдаются нелинейные явления — стимулированное комбинационное рассеяние (SRS), самоиндуцированное фазовое искажение (SPM), четырёхволновое смешивание и др., что ограничивает максимальную мощность и стабильность излучения.

• Модуляционные нестабильности: при генерации сверхкоротких импульсов может происходить дробление импульса, возникновение хаотических автоколебаний и шумов.

• Разрушение материала при высоких мощностях: особенно актуально для маломодовых волокон, где плотность мощности велика.

Высокомощные волоконные лазеры

В последние годы достигнуты рекордные уровни мощности — свыше 10 кВт в непрерывном режиме при сохранении дифракционного качества луча. Это стало возможным благодаря применению:

• волокон с увеличенным диаметром ядра (Large Mode Area, LMA),
• многомодовой накачки и её многократной рекуперации,
• активного охлаждения и управления тепловыми потоками.

Высокомощные волоконные лазеры применяются в машиностроении, оборонной промышленности (лазерное оружие, системы ПВО), авиации, в лазерной сварке и резке материалов высокой прочности.

Ультракороткоимпульсные волоконные лазеры

Системы на основе синхронизации мод в волоконных лазерах позволяют получать фемтосекундные импульсы (менее 100 фс) с высокой стабильностью. Такие лазеры сочетают компактность, надежность и возможность масштабирования энергии, что делает их востребованными в:

• прецизионной микрообработке материалов;
• спектроскопии высокого разрешения;
• когерентной томографии;
• нелинейной микроскопии.

Используются схемы с фемтосекундными осцилляторами и усилителями на основе волокон с дисперсией, управляемой по длине волны (dispersion-managed fiber systems), а также технологии сжатия импульсов после усиления (chirped pulse amplification, CPA).

Сверхнепрерывные источники на основе волоконных лазеров

Волоконные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности или с синхронизацией мод, могут служить накачкой для нелинейных волоконных генераторов сверхшироких спектров излучения (supercontinuum sources). Генерация сверхнепрерывного спектра используется в:

• спектроскопии;
• биомедицинских приложениях;
• метрологии;
• квантовых технологиях.

Основой служит нелинейное волокно, в которое вводится короткий импульс высокой пиковой мощности. За счёт комбинации эффектов СРС, SPM и дисперсионного расширения спектр может охватывать диапазон от ближнего ИК до УФ.

Применение волоконных лазеров

• Промышленность: лазерная резка, сварка, наплавка, маркировка.
• Медицина: хирургические лазеры, абляционные системы, фотореактивная терапия.
• Наука: спектроскопия, генерация аттосекундных импульсов, создание когерентных источников в ИК-диапазоне.
• Связь: источники когерентной оптической передачи, передача данных на большие расстояния.
• Военные технологии: создание компактных источников высокой мощности для противоракетной обороны и систем активной защиты.

Современные направления развития

• Разработка высокоэнергетических CPA-систем с выходной энергией импульсов в миллиджоулевом и джоулевом диапазоне.
• Создание многоканальных волоконных усилителей и фазированной решетки волокон для формирования и управления пространственным профилем пучка.
• Развитие гибридных волоконных систем, сочетающих лазеры на разных ионах для расширения спектрального диапазона и управления дисперсией.
• Повышение долговременной стабильности и защиты от разрушения активного волокна на сверхвысоких мощностях.

Волоконные лазеры представляют собой одно из наиболее динамично развивающихся направлений в современной лазерной физике, обеспечивая уникальное сочетание высокой эффективности, стабильности, масштабируемости и качества лазерного излучения.