Рядкоземельные волокна способствуют развитию лазерной и усилительной технологий

Почти все волоконные лазеры и усилители используют стеклянные волокна, допированные ионами редкоземельных элементов, особенно в области клетчатки.Эти ионы поглощают свет насоса, как правило, на более коротких длинах волн, чем длина волны лазера или усилителя (за исключением лазеров повышенной конверсии), возбуждая их до метастабильных уровней энергии.Эти специализированные волокна обычно называют "активными волокнами" или "лазерными и усилителями"." служащие высокоэффективными средствами усиления из-за сильного оптического ограничения в структуре волокна-волновода.

Волокна редкоземельных материалов включают такие ионы, как итербий (Yb), эрбий (Er) и тулий (Tm) в ядро волокна, предоставляя им уникальные лазерно-активные свойства.эти волокна предлагают:

• Высокая эффективность усиления:Структура волновода улучшает взаимодействие ионов света.
• Компактный дизайн:Их стройная форма позволяет легко интегрироваться.
• Высшее тепловое управление:Большое соотношение поверхности к объему облегчает рассеивание тепла.
• Отличное качество луча:Выходные лучи поддерживают высокую когерентность для оптической обработки.

С технологической точки зрения, наиболее значимые реализации включают усилители волокон с допированием эрбием (EDFA) для телекоммуникаций и волокон с допированием ytterbium для высокомощных промышленных лазеров.

Химический состав стекла-хозяина оказывает критическое влияние на производительность волокон посредством:

• Ограничения диапазона прозрачности
• Максимально достижимые концентрации допинга
• Характеристики оптического перехода
• Скорость передачи энергии между ионами
• Эффекты фононной энергии на нерадиативные переходы

Общие стекла-хозяева включают силикат (механическая прочность), фосфат (низкая фононная энергия) и фторид (прозрачность среднего инфракрасного диапазона), каждый из которых имеет различные компромиссы.

Инженеры часто используют методы кодопинга для повышения производительности волокон:

• Кодопирование алюминия:Увеличивает растворимость редкоземельных элементов в силикатных стеклах
• Кодопирование фосфором:Уменьшает энергию фононов для повышения эффективности выбросов
• Сенсибилизация на иттербий:Позволяет эффективно передавать энергию в системах Er:Yb

Примечательно, что Er:Yb-кодопированные волокна позволяют сокращать длину устройства путем сочетания абсорбции насоса 980 нм (через Yb) с 1,5 мкм эмиссией (от Er), идеально подходящей для компактных одночастотных лазеров.

Активные волокна требуют специализированной характеристики за пределами стандартных оптических волокон:

• Концентрация допинга (обычно в массовых ppm)
• Поперечные сечения поглощения/эмиссии, зависящие от длины волны
• Время жизни метастабильного уровня
• Параметры передачи энергии для кодопированных систем

Методы измерения включают спектроскопию поглощения белого света, анализ флуоресценции с помощью теории МакКамбера и измерения распада флуоресценции импульсного насоса.

Оптимизация устройств требует решения нескольких сложностей:

• Сильные эффекты нагнетания и насыщения
• Усиленное воздействие спонтанных выбросов
• Почти трехуровневое поведение в большинстве переходов

Следовательно, сложные инструменты моделирования, включающие всеобъемлющие волоконные данные, необходимы для разработки эффективных лазерных и усилительных конструкций.

Продолжающиеся достижения в области редкоземельных волокон будут способствовать прогрессу в направлении более высокой мощности, более широкого спектрального покрытия и более компактных устройств в телекоммуникациях, промышленной обработке,медицинских применений и научных исследований.