ليزر الألياف

تعتمد العديد من ليزرات الألياف عالية القدرة على ألياف مزدوجة الغلاف . يشكل وسط التضخيم لب الليف، المحاط بطبقتين من الغلاف. ينتشر نمط الليزر في اللب، بينما ينتشر شعاع ضخ متعدد الأنماط في طبقة الغلاف الداخلية. يحافظ الغلاف الخارجي على حصر ضوء الضخ. يسمح هذا الترتيب بضخ اللب بشعاع ذي قدرة أعلى بكثير مما يمكن أن ينتشر فيه بطريقة أخرى، كما يسمح بتحويل ضوء الضخ ذي السطوع المنخفض نسبيًا إلى إشارة ذات سطوع أعلى بكثير. ثمة سؤال مهم حول شكل الألياف مزدوجة الغلاف؛ إذ يبدو أن الألياف ذات التناظر الدائري هي أسوأ تصميم ممكن. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} يجب أن يسمح التصميم بأن يكون اللب صغيرًا بما يكفي لدعم عدد قليل من الأنماط (أو حتى نمط واحد). كما يجب أن يوفر غلافًا كافيًا لحصر اللب وقسم الضخ البصري على جزء قصير نسبيًا من الليف.

يتميز الليف ذو الغلاف المزدوج المخروطي (T-DCF) بنواة وغلاف مخروطيين، مما يتيح زيادة قدرة المضخمات والليزر دون حدوث عدم استقرار في نمط العدسة الحرارية. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

أدت التطورات الحديثة في تكنولوجيا ليزر الألياف إلى ارتفاع سريع وكبير في قدرات الشعاع المحدودة بالحيود التي يتم الحصول عليها من ليزرات الحالة الصلبة المضخّة بالديود . وبفضل إدخال ألياف ذات مساحة نمط كبيرة (LMA) بالإضافة إلى التقدم المستمر في الديودات عالية القدرة والسطوع، زادت قدرات الموجة المستمرة أحادية النمط المستعرض من ليزرات الألياف المشوبة بالإيتربيوم من 100  واط في عام 2001 إلى قدرة ليزر ألياف ذي شعاع مركب بلغت 30  كيلوواط في عام 2014. ^{[ 14 ]}

تتألف ليزرات الألياف عالية القدرة المتوسطة عمومًا من مذبذب رئيسي منخفض القدرة نسبيًا ، أو ليزر بذرة، ونظام مضخم قدرة (MOPA). في مضخمات النبضات الضوئية فائقة القصر، قد تصل شدة ذروة الضوء إلى مستويات عالية جدًا، مما قد يؤدي إلى تشوه غير خطي ضار في النبضة أو حتى تلف وسط التضخيم أو العناصر البصرية الأخرى. ويتم تجنب ذلك عادةً باستخدام تضخيم النبضات المُعدَّلة التردد (CPA). وقد وصلت أحدث تقنيات ليزرات الألياف عالية القدرة، التي تستخدم مضخمات من نوع القضيب، إلى قدرة 1  كيلوواط بنبضات مدتها 260  فيمتوثانية ^{[ 15 ]} ، وحققت تقدمًا ملحوظًا وقدمت حلولًا عملية لمعظم هذه المشكلات.

ومع ذلك، ورغم الخصائص الجذابة لأشعة الليزر الليفية، تظهر عدة مشاكل عند زيادة القدرة. وأهمها تأثير العدسة الحرارية ومقاومة المادة، والتأثيرات غير الخطية مثل تشتت رامان المحفز (SRS) وتشتت بريلوين المحفز (SBS)، وعدم استقرار الأنماط، وضعف جودة شعاع الخرج.

يتمثل النهج الرئيسي لحل المشكلات المتعلقة بزيادة قدرة خرج النبضات في زيادة قطر لب الألياف. وقد طُوّرت ألياف نشطة خاصة ذات أنماط كبيرة لزيادة نسبة مساحة السطح إلى الحجم النشط للألياف النشطة، وبالتالي تحسين تبديد الحرارة مما يتيح زيادة القدرة.

علاوة على ذلك، تم استخدام هياكل التغليف المزدوجة المطورة خصيصًا لتقليل متطلبات السطوع لثنائيات الضخ عالية الطاقة عن طريق التحكم في انتشار الضخ وامتصاصه بين الغلاف الداخلي واللب.

طُوِّرت أنواع عديدة من الألياف النشطة ذات مساحة نمط فعالة كبيرة (LMA) لزيادة القدرة، بما في ذلك ألياف LMA ذات لب منخفض الفتحة ^{[ 16 ]} ، وألياف قضيبية دقيقة التركيب ^{[ 15 ] [ 17 ]} ، وألياف ذات لب حلزوني ^{[ 18 ]} أو ألياف مقترنة حلزونيًا [19]، ^{وألياف مزدوجة الغلاف} مدببة ( T-DCF) ^{[ 12 ]} . لا يتجاوز قطر مجال النمط (MFD) المُحقق باستخدام هذه التقنيات منخفضة الفتحة ^{[ 15 ] [ 16] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} عادةً 20-30 ميكرومترًا. أما الألياف القضيبية دقيقة التركيب، فتتميز بقطر مجال نمط أكبر بكثير (يصل إلى 65 ميكرومترًا ^{[ 20 ]} ) وأداء جيد. وقد تم إثبات طاقة نبضة مذهلة تبلغ 2.2 ملي جول بواسطة مضخم طاقة ضوئية فائق ^{السرعة (} MOPA ⁾ يعمل بالفيمتوثانية ^{[ 21 ]} ويحتوي على ألياف ذات خطوة كبيرة (LPF). مع ذلك، يتمثل عيب أنظمة التضخيم المزودة بمرشحات الترددات المنخفضة في أليافها الطويلة نسبيًا (تصل إلى 1.2 متر) وغير القابلة للانحناء، مما يجعلها ضخمة الحجم ومعقدة الاستخدام. ^{[ 21 ]} يُعد تصنيع مرشحات الترددات المنخفضة عملية معقدة للغاية تتطلب معالجة دقيقة، مثل الحفر الدقيق للألياف الأولية. كما أن ألياف مرشحات الترددات المنخفضة حساسة للغاية للانحناء، مما يؤثر سلبًا على متانتها وسهولة نقلها.    

إضافةً إلى أنواع قفل الأنماط المستخدمة مع الليزرات الأخرى، يمكن قفل أنماط ليزرات الألياف بشكل سلبي باستخدام الانكسار المزدوج للألياف نفسها. ^{[ 22 ]} يُحدث تأثير كير البصري غير الخطي تغييرًا في الاستقطاب يتناسب مع شدة الضوء. يسمح هذا للمستقطب في تجويف الليزر بالعمل كممتص قابل للإشباع ، حيث يحجب الضوء منخفض الشدة ويسمح للضوء عالي الشدة بالمرور مع توهين طفيف. يُمكّن هذا الليزر من تكوين نبضات مقفلة الأنماط، ثم تعمل اللاخطية في الألياف على تشكيل كل نبضة إلى نبضة سوليتون بصرية فائقة القصر .

يمكن استخدام مرايا الامتصاص المشبعة لأشباه الموصلات (SESAMs) أيضًا لقفل نمط ليزرات الألياف. وتتمثل إحدى المزايا الرئيسية لـ SESAMs مقارنةً بتقنيات الامتصاص المشبعة الأخرى في سهولة تعديل معايير الامتصاص لتلبية احتياجات تصميم ليزر معين. على سبيل المثال، يمكن التحكم في كثافة طاقة التشبع عن طريق تغيير انعكاسية العاكس العلوي، بينما يمكن تعديل عمق التعديل وزمن الاستعادة عن طريق تغيير ظروف النمو عند درجات الحرارة المنخفضة لطبقات الامتصاص. وقد وسّعت هذه المرونة في التصميم نطاق استخدام SESAMs ليشمل قفل نمط ليزرات الألياف، حيث يلزم عمق تعديل عالٍ نسبيًا لضمان بدء التشغيل الذاتي واستقرار التشغيل. وقد تم بنجاح عرض ليزرات ألياف تعمل عند 1  ميكرومتر و1.5 ميكرومتر. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} 

استُخدمت مواد امتصاص الجرافين المشبعة أيضًا في ليزرات الألياف ذات قفل النمط. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} امتصاص الجرافين المشبع ليس حساسًا جدًا للطول الموجي، مما يجعله مفيدًا لليزر القابل للضبط ذي قفل النمط.

في نظام عدم قفل الأنماط، تم بنجاح توليد ليزر ألياف ذي سوليتون مظلم باستخدام ليزر ألياف مطعّم بالإربيوم ذي تشتت طبيعي بالكامل مع مستقطب داخل التجويف. تشير النتائج التجريبية إلى أنه بالإضافة إلى انبعاث النبضات الساطعة، يمكن لليزر الألياف، في ظل ظروف مناسبة، أن يُصدر نبضات مظلمة مفردة أو متعددة. استنادًا إلى المحاكاة العددية، قد يكون تكوّن النبضات المظلمة في الليزر ناتجًا عن تشكيل السوليتون المظلم. ^{[ 30 ]}

أظهر انبعاث متعدد الأطوال الموجية في ليزر الألياف الضوئية انبعاث ضوء متماسك أزرق وأخضر متزامن باستخدام ألياف ZBLAN الضوئية. ويعتمد الليزر ذو الضخ الطرفي على وسائط كسب ضوئية ذات تحويل تصاعدي، باستخدام ليزر أشباه موصلات ذي طول موجي أطول لضخ ألياف فلوريد مطعمة بأيونات Pr3+/Yb3+، والتي استخدمت مرايا عازلة مطلية على طرفي الألياف لتشكيل التجويف. ^{[ 31 ]}