Potenza maggiore, impulsi più brevi e luminosità più forte sono la costante ricerca dello sviluppo della tecnologia laser. Nell'applicazione industriale dei laser pulsati, impulsi brevi e valori di picco elevati hanno un impatto importante sull'effetto di lavorazione del materiale. Rispetto ai laser a stato solido, i laser a fibra presentano maggiori vantaggi in termini di potenza media, ma sono significativamente limitati in termini di potenza di picco. Per molto tempo, l'ampiezza dell'impulso dei laser a impulsi in fibra è stata limitata a più di ns, con un valore di picco inferiore a 15 kW e uno standard di 100 ns 1 mJ.
Metodi per aumentare la potenza di picco dell'impulso
Nella sequenza degli impulsi laser mostrata in FIGURA 1, la potenza di picco è uguale all'energia dell'impulso divisa per la larghezza dell'impulso. Pertanto, alle stesse condizioni energetiche, la riduzione dell’ampiezza dell’impulso può aumentare notevolmente la potenza di picco. Nelle stesse condizioni di ampiezza dell'impulso, l'aumento del valore di picco può aumentare l'energia dell'impulso.
Tra i laser a impulsi solidi attualmente presenti sul mercato industriale tradizionale, l’energia dei laser con larghezza di impulso di nanosecondi può raggiungere il livello di mJ. Calcolata con un'energia di 1 mJ e una larghezza di impulso di 10 ns, la potenza di picco può raggiungere 100 kW. L'energia dei laser a impulsi di picosecondi è di circa 300μJ. Calcolata a 10ps, la potenza di picco può raggiungere i 30MW. L'energia dei laser a impulsi a femtosecondi è 100μJ e la larghezza dell'impulso è 500fs, quindi la potenza di picco raggiunge i 200 MW. In confronto, la potenza di picco dei laser a impulsi nanosecondi MOPA convenzionali è di circa 10 kW, che è di gran lunga inferiore agli indicatori dei laser solidi.
Fattori limitanti nell’aumento della potenza di picco dell’impulso in fibra
I principali fattori limitanti includono cinque elementi: capacità di carico limitata, integrale B limitato, efficienza di estrazione limitata, qualità del raggio limitata e stato di polarizzazione limitato. Allo stesso tempo, le varie soluzioni di meccanismi fisici fornite appartengono a diversi livelli di progettazione, tra cui: materiale della matrice, campo di modalità aumentata, struttura di modalità guidata e struttura di polarizzazione appartengono al livello di progettazione della fibra; l'espansione del fascio terminale, l'eccitazione della modalità, il filtraggio della modalità appartengono al livello di progettazione del dispositivo; la modalità di pompaggio, il filtraggio dell'isolamento e il controllo della polarizzazione appartengono al livello di progettazione dell'unità; l'aumento della larghezza di banda, la selezione dell'ampiezza dell'impulso, la selezione della frequenza di ripetizione e l'allocazione del guadagno appartengono al livello di progettazione del sistema.
Oltre ai cinque elementi precedenti, gli effetti termici che devono essere considerati nei laser a fibra continui ad alta potenza non sono elencati qui, perché la potenza media dell'amplificatore in fibra ad alta potenza di picco che perseguiamo è di gran lunga inferiore all'ambito in cui l'effetto termico L’effetto può svolgere un ruolo significativo, quindi non verrà discusso qui.
La capacità di carico è limitata dall'intensità del laser. Il meccanismo fisico include danni al corpo e danni alla superficie. Tra questi, il danno superficiale può essere evitato mediante la tecnologia di copertura delle estremità e il danno al corpo è limitato dalle caratteristiche del materiale della matrice fibrosa, che rappresenta il fattore limitante limite. Tipicamente, la soglia di intensità luminosa è di circa 4,75 kW/μm2. Per un diametro del campo modale di 50μm, la corrispondente soglia di potenza del danno raggiunge 9,3 MW, che è molto più alta dell'attuale livello di potenza di picco del nucleo laser a fibra a impulsi e superiore alla potenza della soglia di auto-messa a fuoco. Pertanto, il danno corporeo non è un problema che debba essere preso in considerazione al momento.
L'efficienza di estrazione è limitata principalmente dall'amplificazione dell'emissione spontanea (ASE), dalla distribuzione del guadagno dell'amplificatore multistadio e dal ciclo di lavoro dell'impulso all'interno dello stadio. Soprattutto in condizioni di amplificazione di impulsi brevi inferiori al nanosecondo, l'ASE limita direttamente l'aumento dell'energia dell'impulso e della potenza di picco. Tuttavia, la limitazione dell'ASE può essere soppressa progettando razionalmente amplificatori multistadio, ottimizzando la distribuzione del guadagno interstadio e i metodi di pompaggio e riducendo la componente ASE trasmessa allo stadio successivo mediante filtraggio spettrale e filtraggio acusto-ottico. Una ragionevole distribuzione del guadagno tra gli stadi può anche aiutare a sopprimere i problemi di saturazione del guadagno dell'impulso e ottenere forme d'onda dell'impulso più perfette.
La qualità del raggio è limitata e misurata dal fattore di qualità del raggio M2. Per ottenere l'uscita in modalità fondamentale, la cosa principale è garantire il funzionamento in modalità singola o in poche modalità attraverso la progettazione della struttura della modalità guida d'onda ottica. Su questa base, per migliorare la qualità del fascio vengono utilizzati il controllo della modalità di eccitazione durante la fusione di fibre di diverso diametro del nucleo e metodi di filtraggio della modalità come l'avvolgimento della fibra. Allo stato attuale, la fibra ottica convenzionale in grado di garantire un'emissione di qualità del fascio elevata è 30/250 e il nucleo di fibre ottiche speciali come i cristalli fotonici può essere espanso fino a circa 100μm. La dimensione del campo di questa modalità è ancora troppo piccola rispetto alla dimensione dello spot a livello millimetrico dei laser industriali a stato solido. Molti effetti non lineari menzionati più avanti sono legati all’integrale B, che è inversamente proporzionale all’area del campo modale.
Lo stato di polarizzazione è limitato e misurato dal grado di polarizzazione. Il meccanismo fisico è principalmente le caratteristiche di polarizzazione della guida d'onda in fibra ottica. Nelle normali fibre ottiche a doppio rivestimento, la luce polarizzata linearmente si depolarizza e il grado di depolarizzazione è sensibile alla flessione e ai parametri ambientali, rendendo difficile mantenere un'uscita stabile nello stato di polarizzazione. Nelle stesse condizioni, la soglia di potenza di picco della luce polarizzata è generalmente la metà di quella della luce non polarizzata, poiché la luce non polarizzata può essere scomposta in due componenti ortogonali di luce non polarizzata.
Gli effetti non lineari del terzo ordine nelle fibre ottiche possono essere suddivisi in due categorie: una è l'effetto di modulazione dell'indice di rifrazione indotto dall'intensità della luce, inclusa la modulazione di fase propria (SPM), la modulazione di fase incrociata (XPM), l'instabilità di modulazione (MI) , miscelazione a quattro onde (FWM) e autofocus (SF); l'altro è l'effetto di diffusione anelastica della luce, che coinvolge lo scambio di energia tra i fotoni e la vibrazione reticolare del materiale della matrice, compreso lo scattering Brillouin stimolato (SBS) e lo scattering Raman stimolato (SRS).
Tra questi, il limite più alto dipende dalla soglia di autofocus, che è di circa 4 MW per i materiali in fibra ottica. Al di sotto della soglia di auto-messa a fuoco, lo scattering Raman stimolato è la limitazione più importante, perché lo spostamento della frequenza spettrale della luce Raman rispetto alla luce a frequenza fondamentale è pari a 60 nm. Componenti Raman troppo elevati influenzeranno seriamente la funzione del cristallo magneto-ottico isolante e causeranno anche una grande aberrazione cromatica sulla lente. La figura mostra l'evoluzione della filamentazione di autofocalizzazione generata quando la potenza di picco nella fibra ottica supera la soglia di autofocalizzazione.
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