Apa itu laser serat?

Definisi: Laser yang menggunakan serat yang didoping sebagai media penguatan, atau laser yang resonator lasernya sebagian besar terdiri dari serat.

Laser serat biasanya mengacu pada laser yang menggunakan serat sebagai media penguatannya, meskipun beberapa laser yang menggunakan media penguatan semikonduktor (penguat optik semikonduktor) dan resonator serat juga dapat disebut laser serat (atau laser optik semikonduktor). Selain itu, beberapa jenis laser lainnya (misalnya, dioda semikonduktor berpasangan serat) dan penguat serat juga disebut laser serat (atau sistem laser serat).

Dalam kebanyakan kasus, media penguatan adalah serat yang didoping ion tanah jarang, seperti erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), thorium (Tm3+), atau praseodymium (Pr3+), dan diperlukan satu atau lebih dioda laser yang digabungkan dengan serat. untuk memompa. Meskipun media penguatan laser serat mirip dengan laser massal solid-state, efek pandu gelombang dan area mode efektif yang kecil menghasilkan laser dengan sifat berbeda. Misalnya, mereka biasanya memiliki penguatan laser yang tinggi dan kehilangan rongga resonator yang tinggi. Lihat entri laser serat dan laser massal.

Gambar 1

Resonator laser serat

Untuk mendapatkan resonator laser menggunakan serat optik, sejumlah reflektor dapat digunakan untuk membentuk resonator linier, atau untuk membuat laser cincin serat. Berbagai jenis reflektor dapat digunakan dalam resonator laser optik linier:

Gambar 2

1. Dalam pengaturan laboratorium, cermin dichroic biasa dapat digunakan pada ujung serat yang dibelah secara tegak lurus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Namun, larutan ini tidak dapat digunakan dalam produksi skala besar dan tidak tahan lama.

2. Refleksi Fresnel pada ujung serat telanjang cukup untuk berfungsi sebagai penggandeng keluaran untuk laser serat. Gambar 2 menunjukkan sebuah contoh.

3. Lapisan dielektrik juga dapat diendapkan langsung pada ujung serat, biasanya melalui penguapan. Lapisan seperti itu dapat mencapai reflektifitas tinggi pada rentang yang luas.

4. Dalam produk komersial, biasanya digunakan kisi-kisi serat Bragg, yang dapat dibuat langsung dari serat yang didoping atau dengan menyambungkan serat yang tidak didoping ke serat aktif. Gambar 3 menunjukkan laser reflektor Bragg terdistribusi (laser DBR), yang berisi dua kisi serat. Ada juga laser umpan balik terdistribusi dengan kisi pada serat yang diolah dan pergeseran fasa di antaranya.

5. Jika cahaya yang dipancarkan dari serat dikolimasi oleh lensa dan dipantulkan kembali oleh cermin dichroic, penanganan daya yang lebih baik dapat dicapai. Cahaya yang diterima cermin akan berkurang intensitasnya karena luas pancaran yang lebih besar. Namun, sedikit ketidaksejajaran dapat menyebabkan hilangnya pantulan yang signifikan, dan tambahan pantulan Fresnel pada sisi ujung serat dapat menghasilkan efek filter. Yang terakhir ini dapat ditekan dengan menggunakan ujung serat yang dibelah miring, tetapi hal ini menimbulkan kerugian yang bergantung pada panjang gelombang.

6. Dimungkinkan juga untuk membentuk reflektor loop optik menggunakan fiber coupler dan serat pasif.

Kebanyakan laser optik dipompa oleh satu atau lebih laser semikonduktor yang digabungkan dengan serat. Lampu pompa digabungkan langsung ke inti serat atau dengan daya tinggi ke dalam kelongsong pompa (lihat serat berlapis ganda), yang akan dibahas secara rinci di bawah.

Ada banyak jenis laser serat, beberapa di antaranya dijelaskan di bawah.

Ada banyak jenis laser serat, beberapa di antaranya dijelaskan di bawah.

Laser serat berkekuatan tinggi

Awalnya, laser serat hanya mampu mencapai daya keluaran beberapa miliwatt. Saat ini, laser serat berdaya tinggi dapat mencapai daya keluaran beberapa ratus watt, dan terkadang bahkan beberapa kilowatt dari serat mode tunggal. Hal ini dicapai dengan meningkatkan rasio aspek dan efek pandu gelombang, yang menghindari efek termo-optik.

Lihat entri Laser dan amplifier serat berdaya tinggi untuk lebih jelasnya.

Laser serat konversi

Laser serat sangat cocok untuk mewujudkan laser upconversion, yang biasanya beroperasi pada transisi laser yang relatif jarang dan memerlukan intensitas pompa yang sangat tinggi. Dalam laser serat, intensitas pompa yang tinggi dapat dipertahankan dalam jarak yang jauh, sehingga efisiensi penguatan yang diperoleh mudah dicapai untuk transisi dengan penguatan yang sangat rendah.

Dalam kebanyakan kasus, serat silika tidak cocok untuk laser serat konversi, karena mekanisme konversi memerlukan masa pakai keadaan menengah yang panjang pada tingkat energi elektronik, yang biasanya sangat kecil pada serat silika karena energi fonon yang tinggi (lihat transisi multifoton). Oleh karena itu, beberapa serat logam berat fluorida biasanya digunakan, seperti ZBLAN (fluorozirconate) dengan energi fonon rendah.

Laser serat upconversion yang paling umum digunakan adalah serat yang didoping thorium untuk cahaya biru, laser yang didoping praseodymium (terkadang dengan ytterbium) untuk cahaya merah, oranye, hijau atau biru, dan laser yang didoping erbium untuk triode.

Laser serat dengan lebar garis sempit

Laser serat dapat beroperasi hanya dalam mode longitudinal tunggal (lihat laser frekuensi tunggal, operasi mode tunggal) dengan lebar garis yang sangat sempit yaitu beberapa kilohertz atau bahkan kurang dari 1 kHz. Untuk operasi frekuensi tunggal yang stabil dalam jangka panjang, dan tanpa persyaratan tambahan setelah mempertimbangkan stabilitas suhu, rongga laser harus pendek (misalnya 5 cm), meskipun semakin panjang rongga, pada prinsipnya, semakin rendah kebisingan fase dan semakin sempit jaraknya. lebar garis. Ujung serat berisi kisi serat Bragg pita sempit (lihat laser reflektor Bragg terdistribusi, laser serat DBR) untuk memilih mode rongga. Daya keluaran biasanya berkisar dari beberapa miliwatt hingga puluhan miliwatt, dan laser serat frekuensi tunggal dengan daya keluaran hingga 1 W juga tersedia.

Bentuk ekstremnya adalah laser umpan balik terdistribusi (laser DFB), di mana seluruh rongga laser terkandung dalam kisi serat Bragg dengan pergeseran fasa di antaranya. Di sini rongganya relatif pendek, sehingga mengorbankan daya keluaran dan lebar saluran, namun pengoperasian frekuensi tunggal sangat stabil.

Penguat serat juga dapat digunakan untuk memperkuat lebih lanjut ke kekuatan yang lebih tinggi.

Laser serat Q-switched

Laser serat dapat menghasilkan pulsa dengan panjang berkisar antara puluhan hingga ratusan nanodetik, menggunakan berbagai sakelar Q aktif atau pasif. Energi pulsa beberapa milijoule dapat dicapai dengan serat dengan area mode besar, dan dalam kasus ekstrim dapat mencapai puluhan milijoule, dibatasi oleh energi saturasi (bahkan dengan serat dengan area mode besar) dan ambang kerusakan (lebih jelas untuk pulsa yang lebih pendek). Semua perangkat serat (kecuali optik ruang bebas) memiliki energi pulsa yang terbatas, karena perangkat tersebut biasanya tidak dapat mengimplementasikan serat dengan area mode besar dan peralihan Q yang efektif.

Karena penguatan laser yang tinggi, Q-switching pada laser serat sangat berbeda dengan laser massal dan lebih kompleks. Biasanya terdapat beberapa lonjakan dalam domain waktu, dan dimungkinkan juga untuk menghasilkan pulsa Q-switched dengan panjang kurang dari waktu bolak-balik resonator.

Laser serat dengan mode terkunci menggunakan resonator yang lebih kompleks (laser serat ultrapendek) untuk menghasilkan pulsa pikodetik atau femtodetik. Di sini, resonator laser berisi modulator aktif atau beberapa peredam jenuh. Peredam jenuh dapat diwujudkan dengan efek rotasi polarisasi nonlinier atau dengan menggunakan cermin loop serat nonlinier. Cermin loop nonlinier dapat digunakan, misalnya, pada "laser angka delapan" pada Gambar 8, di mana sisi kiri berisi resonator utama dan cincin serat nonlinier untuk memperkuat, membentuk, dan menstabilkan pulsa ultrashort bolak-balik. Khusus pada penguncian mode harmonik, diperlukan perangkat tambahan seperti subcavities yang digunakan sebagai filter optik.