فیبرهای Rareearth باعث پیشرفت در فناوری لیزر و تقویت کننده می شوند

تقریباً تمام لیزرها و تقویت‌کننده‌های فیبر به الیاف شیشه دوپ شده با یون‌های خاکی کمیاب فعال با لیزر، به ویژه در ناحیه هسته فیبر، متکی هستند. این یون‌ها نور پمپ را جذب می‌کنند – معمولاً در طول موج‌های کوتاه‌تر از طول موج لیزر یا تقویت‌کننده (به استثنای لیزرهای تبدیل روبه‌تبدیل) – آنها را به سطوح انرژی ناپایدار تحریک می‌کند. این امر تقویت نوری را از طریق انتشار تحریک شده امکان پذیر می کند. این فیبرهای تخصصی معمولاً به عنوان "الیاف فعال" یا "الیاف لیزر و تقویت کننده" نامیده می شوند، که به دلیل محصور شدن نوری قوی در ساختار موجبر فیبر به عنوان رسانه افزایش کارآمد عمل می کنند.

الیاف دوپ شده در زمین های کمیاب یون هایی مانند ایتربیوم (Yb)، اربیوم (Er) و تولیوم (Tm) را در هسته فیبر ترکیب می کنند و به آنها خواص منحصر به فرد لیزر فعال می دهد. در مقایسه با رسانه های بهره معمولی، این الیاف ارائه می دهند:

• بهره وری بالا:ساختار موجبر برهمکنش نور-یون را افزایش می دهد.
• طراحی فشرده:فرم باریک آنها ادغام آسان را امکان پذیر می کند.
• مدیریت حرارتی برتر:نسبت سطح به حجم زیاد اتلاف گرما را تسهیل می کند.
• کیفیت پرتو عالی:پرتوهای خروجی انسجام بالایی را برای پردازش نوری حفظ می کنند.

از نظر فن آوری، مهم ترین اجراها شامل تقویت کننده های فیبر دوپ شده با اربیوم (EDFAs) برای مخابرات و فیبرهای دوپ شده با ایتربیوم برای لیزرهای صنعتی با قدرت بالا است.

ترکیب شیمیایی شیشه میزبان از طریق:

• محدودیت های محدوده شفافیت
• حداکثر غلظت دوپینگ قابل دستیابی
• ویژگی های انتقال نوری
• نرخ انتقال انرژی بین یون ها
• اثرات انرژی فونون بر انتقال های غیر تشعشعی

شیشه‌های میزبان معمولی شامل انواع سیلیکات (استحکام مکانیکی)، فسفات (انرژی فونون کم) و فلوراید (شفافیت متوسط ​​IR) هستند که هر کدام دارای معاوضه‌های متفاوتی هستند.

مهندسان اغلب از تکنیک‌های دوپینگ مشترک برای افزایش عملکرد فیبر استفاده می‌کنند:

• همکاری دوپینگ آلومینیوم:حلالیت خاکهای کمیاب در شیشه های سیلیکات را افزایش می دهد
• همکاری دوپینگ فسفر:انرژی فونون را کاهش می دهد تا کارایی انتشار را بهبود بخشد
• حساسیت به ایتربیوم:انتقال انرژی کارآمد را در سیستم های Er:Yb فعال می کند

قابل ذکر است که الیاف دوپ شده Er:Yb با ترکیب جذب پمپ 980 نانومتری (از طریق Yb) با انتشار 1.5 میکرومتر (از Er) طول دستگاه کوتاه‌تر را امکان‌پذیر می‌کنند که برای لیزرهای فشرده تک فرکانس ایده‌آل است.

فیبرهای فعال به خصوصیات تخصصی فراتر از فیبرهای نوری استاندارد نیاز دارند:

• غلظت دوپینگ (معمولاً بر حسب ppm وزنی)
• سطوح مقطع جذب/انتشار وابسته به طول موج
• طول عمر سطح فراپایدار
• پارامترهای انتقال انرژی برای سیستم های دوپ شده مشترک

تکنیک‌های اندازه‌گیری شامل طیف‌سنجی جذب نور سفید، آنالیز فلورسانس از طریق نظریه مک‌کامبر، و اندازه‌گیری‌های فروپاشی فلورسانس پمپ پالسی است.

بهینه سازی دستگاه نیازمند پرداختن به چندین پیچیدگی است:

• اثرات پمپ قوی و افزایش اشباع
• اثرات انتشار خود به خودی تقویت شده
• رفتار شبه سه سطحی در اکثر انتقال ها

در نتیجه، ابزارهای مدل‌سازی پیچیده که داده‌های فیبر جامع را در بر می‌گیرد برای توسعه طرح‌های لیزری و تقویت‌کننده کارآمد ضروری هستند.

پیشرفت‌های مستمر در الیاف دوپ‌شده با زمین‌های کمیاب، پیشرفت را به سمت خروجی‌های توان بالاتر، پوشش طیفی وسیع‌تر و دستگاه‌های فشرده‌تر در ارتباطات راه دور، پردازش صنعتی، کاربردهای پزشکی و تحقیقات علمی سوق می‌دهد.