В мощных волоконных лазерах, которые играют ключевую роль в медицинских, промышленных и научных приложениях, конструкция волокна основной и облицовка Размеры играют решающую роль. Эти структурные параметры определяют мощность, качество пучка, эффективность и тепловые характеристики. Вот как.

Диаметр сердечника: мощность и качество пучка

Повышенный порог мощности и сниженные нелинейные эффекты
Увеличение диаметра сердечника волокна снижает интенсивность оптического излучения, повышая порог повреждения и подавляя нелинейные эффекты, такие как вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и комбинационное рассеяние, что критически важно для масштабирования мощности. Современные лазеры используют более крупные сердечники для достижения киловаттных режимов.

Компромисс: многомодовое распространение
Однако более крупные ядра часто поддерживают несколько мод, что снижает качество пучка. В отличие от этого, одномодовые волокна с диаметром сердцевины около 8–10 мкм и оболочкой ~125 мкм сохраняют чистые профили пучка, хотя и при ограниченных мощностях.

Конструкция оболочки: эффективность насоса и терморегулирование

Двойные волокна для эффективной накачки
Мощные лазеры используют волокна с двойной оболочкой , где внутренняя облицовка Направляет свет накачки (от источников с меньшей яркостью) вокруг легированного сердечника. Такая архитектура обеспечивает эффективную накачку оболочки, обеспечивая высокую выходную мощность при сохранении качества пучка.

Форма облицовки имеет значение
Некруглая форма внутренней оболочки (например, смещенная или прямоугольная) улучшает поглощение света накачки, направляя его более полно через сердцевину. Круглая форма оболочки, как правило, приводит к бесполезному расходу света накачки, позволяя многим лучам обходить сердцевину.

Компромиссы в выборе размера облицовки
Более крупная оболочка позволяет передавать большую мощность накачки, но эффективность поглощения падает пропорционально квадрату диаметра оболочки, что требует более длинных волокон, что может привести к нелинейным эффектам. Разработчикам необходимо найти баланс между этими факторами.

Усовершенствованные конструкции волокон: LMA и конические структуры

Волокна с большой площадью моды (LMA)
В волокнах LMA диаметр сердцевины увеличивается, при этом сохраняется одномодовый режим работы за счёт уменьшения числовой апертуры или применения методов подавления мод (например, инженерии показателя преломления или намотки). Такая конструкция обеспечивает высокую выходную мощность при дифракционно-ограниченном качестве пучка.

Конические волокна с двойной оболочкой (T-DCF)
Структуры T-DCF плавно переходят вдоль волокна от узкого сердечника к широкому многомодовому концу. Свет, входящий в одномодовое волокно на узком конце, остаётся в основной моде даже на широком конце, сочетая высокое качество луча с повышенной мощностью.

Рекордные примеры
Некоторые конические волокна имеют диаметр сердцевины до 200 мкм с числовой апертурой ~0,11, что позволяет без искажений усиливать импульсы длительностью 60 пс с высокой пиковой энергией.

Краткий обзор

Финальный вывод

Тонкое взаимодействие между размерами сердцевины и оболочки в сочетании с продуманной геометрией и расчетом показателя преломления движет развитием волоконных лазеров. Такие конструкции, как волокна LMA и T-DCF, позволяют лазерам достигать беспрецедентной мощности при сохранении чистоты луча, открывая путь для создания современных медицинских устройств, прецизионных приборов и многого другого.