หลักการพื้นฐานของเลเซอร์ไฟเบอร์โหมดเดียว

หลักการพื้นฐานของเลเซอร์ไฟเบอร์โหมดเดียว

การสร้างเลเซอร์ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขพื้นฐานสามประการ ได้แก่ การกลับด้านของประชากร โพรงเรโซแนนซ์ที่เหมาะสม และการเข้าถึงเลเซอร์เกณฑ์ (ค่าขยายของแสงในโพรงเรโซแนนซ์ต้องมากกว่าค่าสูญเสีย) กลไกการทำงานของเลเซอร์ไฟเบอร์โหมดเดียวยึดตามหลักการฟิสิกส์พื้นฐานเหล่านี้อย่างแม่นยำ และบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดผ่านโครงสร้างพิเศษของท่อนำคลื่นไฟเบอร์

รังสีกระตุ้นและการกลับทิศของประชากรเป็นพื้นฐานทางกายภาพของการสร้างเลเซอร์ เมื่อพลังงานแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดปั๊ม (โดยปกติคือไดโอดเลเซอร์สารกึ่งตัวนำ) ถูกฉีดเข้าไปในเส้นใยขยายที่เจือด้วยไอออนของธาตุหายาก (เช่น อิตเทอร์เบียม Yb³⁺, เออร์เบียม Er³⁺) ไอออนของธาตุหายากจะดูดซับพลังงานและเปลี่ยนจากสถานะพื้นไปเป็นสถานะกระตุ้น เมื่อจำนวนไอออนในสถานะกระตุ้นมากกว่าในสถานะพื้น จะเกิดสถานะกลับทิศของประชากร ณ จุดนี้ โฟตอนที่ตกกระทบจะกระตุ้นการแผ่รังสีกระตุ้นของไอออนในสถานะกระตุ้น ทำให้เกิดโฟตอนใหม่ที่มีความถี่ เฟส และทิศทางเดียวกันกับโฟตอนที่ตกกระทบ จึงทำให้เกิดการขยายแสง

คุณสมบัติหลักของโหมดเดียวไฟเบอร์เลเซอร์อยู่ในเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางที่ละเอียดมาก (โดยทั่วไปคือ 8-14 ไมโครเมตร) ตามทฤษฎีออปติกคลื่น แกนกลางที่ละเอียดเช่นนี้สามารถส่งสัญญาณได้อย่างเสถียรเพียงโหมดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเดียว (เช่น โหมดพื้นฐาน LP₀₁ หรือโหมด HE₁₁) ซึ่งช่วยขจัดปัญหาการกระจายตัวแบบอินเตอร์โมดัลที่มีอยู่ในเส้นใยนำแสงแบบหลายโหมด นั่นคือ ปรากฏการณ์พัลส์บีมที่แผ่กว้างซึ่งเกิดจากการแพร่กระจายของโหมดต่างๆ ด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน จากมุมมองของลักษณะการส่งสัญญาณ ความแตกต่างของเส้นทางแสงที่แพร่กระจายไปตามทิศทางแกนในเส้นใยนำแสงแบบโหมดเดียวนั้นน้อยมาก ซึ่งทำให้ลำแสงขาออกมีความสอดคล้องเชิงพื้นที่และการกระจายพลังงานแบบเกาส์เซียนที่สมบูรณ์แบบ และปัจจัยคุณภาพของลำแสง M² สามารถเข้าใกล้ 1 (M² = 1 สำหรับลำแสงแบบเกาส์เซียนในอุดมคติ)

เลเซอร์ไฟเบอร์เป็นตัวแทนที่โดดเด่นของยุคที่สามเทคโนโลยีเลเซอร์ซึ่งใช้ใยแก้วที่เจือธาตุหายากเป็นตัวกลางในการเพิ่มอัตราขยาย ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เลเซอร์ไฟเบอร์โหมดเดี่ยวได้ครองส่วนแบ่งที่สำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในตลาดเลเซอร์ทั่วโลก ด้วยข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่เป็นเอกลักษณ์ เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ไฟเบอร์หลายโหมดหรือเลเซอร์โซลิดสเตตแบบดั้งเดิม เลเซอร์ไฟเบอร์โหมดเดี่ยวสามารถสร้างลำแสงเกาส์เซียนที่สมบูรณ์แบบด้วยคุณภาพลำแสงที่ใกล้เคียง 1 ซึ่งหมายความว่าลำแสงเกือบจะถึงมุมเบี่ยงเบนต่ำสุดตามทฤษฎีและจุดโฟกัสต่ำสุด คุณสมบัตินี้ทำให้เลเซอร์นี้ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในด้านการประมวลผลและการวัดที่ต้องการความแม่นยำสูงและผลกระทบทางความร้อนต่ำ