เลเซอร์พัลส์กำลังสูง โครงสร้าง MOPA แบบไฟเบอร์ทั้งหมด

เลเซอร์พัลส์กำลังสูงด้วยโครงสร้าง MOPA ที่ทำจากเส้นใยทั้งหมด

โครงสร้างหลักของเลเซอร์ใยแก้ว ได้แก่ โครงสร้างแบบเรโซเนเตอร์เดี่ยว โครงสร้างแบบรวมลำแสง และโครงสร้างแบบตัวขยายกำลังแบบสั่นหลัก (MOPA) ในบรรดาโครงสร้างเหล่านี้ โครงสร้าง MOPA ได้กลายเป็นหนึ่งในหัวข้อวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน เนื่องจากความสามารถในการให้ประสิทธิภาพสูงเลเซอร์แบบพัลส์เอาต์พุตที่มีความกว้างพัลส์และความถี่การทำซ้ำที่ปรับได้ (เรียกว่าความกว้างพัลส์และความถี่การทำซ้ำ)

หลักการทำงานของเลเซอร์ MOPA มีดังนี้: ออสซิลเลเตอร์หลัก (MO) เป็นแหล่งกำเนิดแสงประสิทธิภาพสูงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อุปกรณ์นี้สร้างสัญญาณแสงเริ่มต้นที่มีพารามิเตอร์ที่ปรับได้ผ่านการมอดูเลตพัลส์โดยตรง วงจรควบคุมหลัก Field Programmable Gate Array (FPGA) จะส่งสัญญาณกระแสพัลส์ที่มีพารามิเตอร์ที่ปรับได้ ซึ่งจะถูกควบคุมโดยวงจรขับเพื่อสั่งการให้แหล่งกำเนิดแสงเริ่มต้นทำงานและทำการมอดูเลตแสงเริ่มต้นให้เสร็จสมบูรณ์ หลังจากได้รับคำสั่งควบคุมจากบอร์ดควบคุมหลัก FPGA แล้ว วงจรขับแหล่งกำเนิดแสงปั๊มจะเริ่มทำงานเพื่อสร้างแสงปั๊ม หลังจากที่แสงเริ่มต้นและแสงปั๊มถูกรวมกันโดยตัวแยกแสงแล้ว พวกมันจะถูกฉีดเข้าไปในใยแก้วนำแสงแบบสองชั้นที่เจือด้วย Yb3+ (YDDCF) ในโมดูลขยายสัญญาณแสงสองขั้นตอน ในระหว่างกระบวนการนี้ ไอออน Yb3+ จะดูดซับพลังงานของแสงปั๊มเพื่อสร้างการกระจายตัวแบบผกผันของประชากร ต่อมา โดยอาศัยหลักการขยายคลื่นเดินทางและการปล่อยแบบกระตุ้น สัญญาณแสงเริ่มต้นจะได้รับกำลังขยายสูงในโมดูลขยายสัญญาณแสงสองขั้นตอน และในที่สุดก็ส่งออกแสงที่มีกำลังสูงเลเซอร์พัลส์นาโนวินาทีเนื่องจากกำลังสูงสุดที่เพิ่มขึ้น สัญญาณพัลส์ที่ขยายแล้วอาจประสบกับการบีบอัดความกว้างของพัลส์เนื่องจากผลกระทบของการจำกัดอัตราขยาย ในการใช้งานจริง มักใช้โครงสร้างการขยายสัญญาณหลายขั้นตอนเพื่อเพิ่มกำลังเอาต์พุตและประสิทธิภาพการขยายสัญญาณให้ดียิ่งขึ้น

ระบบวงจรเลเซอร์ MOPA ประกอบด้วยบอร์ดควบคุมหลัก FPGA, แหล่งกำเนิดแสงปั๊ม, แหล่งกำเนิดแสงซีด, บอร์ดวงจรขับ, ตัวขยายสัญญาณ ฯลฯ บอร์ดควบคุมหลัก FPGA ขับแหล่งกำเนิดแสงซีดให้ส่งออกพัลส์แสงดิบระดับเมกะวัตต์ที่มีพารามิเตอร์ที่ปรับได้ โดยการสร้างสัญญาณไฟฟ้าแบบพัลส์ที่มีรูปคลื่น ความกว้างพัลส์ (5 ถึง 200 นาโนวินาที) และอัตราการทำซ้ำ (30 ถึง 900 กิโลเฮิร์ตซ์) ที่ปรับได้ สัญญาณนี้จะถูกป้อนผ่านตัวแยกสัญญาณไปยังโมดูลขยายสัญญาณแสงสองขั้นตอนที่ประกอบด้วยพรีแอมพลิฟายเออร์และตัวขยายสัญญาณหลัก และสุดท้ายจะส่งออกเลเซอร์พัลส์สั้นพลังงานสูงผ่านตัวแยกสัญญาณแสงที่มีฟังก์ชันการปรับลำแสง แหล่งกำเนิดแสงซีดติดตั้งโฟโตดีเทคเตอร์ภายในเพื่อตรวจสอบกำลังเอาต์พุตแบบเรียลไทม์และส่งกลับไปยังบอร์ดควบคุมหลัก FPGA บอร์ดควบคุมหลักจะควบคุมวงจรขับปั๊ม 1 และ 2 เพื่อให้สามารถเปิดและปิดแหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 1, 2 และ 3 ได้ เมื่อโฟโตดีเทคเตอร์หากตรวจไม่พบสัญญาณแสงขาออก แผงควบคุมหลักจะปิดแหล่งจ่ายน้ำของปั๊มเพื่อป้องกันความเสียหายต่อ YDDCF และอุปกรณ์ออปติคอลเนื่องจากขาดแสงป้อนเมล็ด

ระบบเส้นทางแสงเลเซอร์ MOPA ใช้โครงสร้างแบบไฟเบอร์ทั้งหมด และประกอบด้วยโมดูลการสั่นหลักและโมดูลการขยายสัญญาณสองขั้นตอน โมดูลการสั่นหลักใช้ไดโอดเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ (LD) ที่มีความยาวคลื่นกลาง 1064 นาโนเมตร ความกว้างของเส้นสเปกตรัม 3 นาโนเมตร และกำลังเอาต์พุตต่อเนื่องสูงสุด 400 มิลลิวัตต์ เป็นแหล่งกำเนิดแสงเริ่มต้น และรวมเข้ากับไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง (FBG) ที่มีค่าการสะท้อนแสง 99% ที่ 1063.94 นาโนเมตร และความกว้างของเส้นสเปกตรัม 3.5 นาโนเมตร เพื่อสร้างระบบการเลือกความยาวคลื่น โมดูลการขยายสัญญาณสองขั้นตอนใช้การออกแบบปั๊มแบบย้อนกลับ และใช้ YDDCF ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 8 และ 30 ไมโครเมตร เป็นตัวกลางขยายสัญญาณ ตามลำดับ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับปั๊มของสารเคลือบที่สอดคล้องกันคือ 1.0 และ 2.1 dB/m ที่ 915 นาโนเมตร ตามลำดับ