หลักการพื้นฐานของเลเซอร์ไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยว

หลักการพื้นฐานของเลเซอร์ไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยว

การสร้างเลเซอร์ต้องอาศัยเงื่อนไขพื้นฐานสามประการ ได้แก่ การผกผันของประชากร โพรงเรโซแนนซ์ที่เหมาะสม และการเข้าถึงระดับพลังงานที่เหมาะสมเลเซอร์เกณฑ์ (การเพิ่มขึ้นของแสงในโพรงเรโซแนนซ์ต้องมากกว่าการสูญเสีย) กลไกการทำงานของเลเซอร์ไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยวอาศัยหลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานเหล่านี้ และบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดผ่านโครงสร้างพิเศษของท่อนำแสงไฟเบอร์

การแผ่รังสีแบบกระตุ้นและการผกผันของประชากรเป็นพื้นฐานทางฟิสิกส์สำหรับการสร้างเลเซอร์ เมื่อพลังงานแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิด (โดยปกติคือไดโอดเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์) ถูกฉีดเข้าไปในเส้นใยขยายสัญญาณที่เจือด้วยไอออนของธาตุหายาก (เช่น อิตเทอร์เบียม Yb³⁺, เออร์เบียม Er³⁺) ไอออนของธาตุหายากจะดูดซับพลังงานและเปลี่ยนสถานะจากสถานะพื้นฐานไปสู่สถานะกระตุ้น เมื่อจำนวนไอออนในสถานะกระตุ้นมีมากกว่าจำนวนไอออนในสถานะพื้นฐาน จะเกิดสถานะผกผันของประชากรขึ้น ณ จุดนี้ โฟตอนที่ตกกระทบจะกระตุ้นการแผ่รังสีแบบกระตุ้นของไอออนในสถานะกระตุ้น ทำให้เกิดโฟตอนใหม่ที่มีความถี่ เฟส และทิศทางเดียวกันกับโฟตอนที่ตกกระทบ จึงทำให้เกิดการขยายสัญญาณทางแสง

คุณสมบัติหลักของโหมดเดี่ยวเลเซอร์ไฟเบอร์จุดเด่นของใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดียวคือเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางที่ละเอียดมาก (โดยทั่วไป 8-14 ไมโครเมตร) ตามทฤษฎีทัศนศาสตร์ของคลื่น แกนกลางที่ละเอียดเช่นนี้จะยอมให้โหมดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพียงโหมดเดียว (เช่น โหมดพื้นฐาน LP₀₁ หรือโหมด HE₁₁) ส่งผ่านได้อย่างเสถียร นั่นคือ โหมดเดียว ซึ่งช่วยขจัดปัญหาการกระจายตัวระหว่างโหมดที่มีอยู่ในใยแก้วนำแสงแบบหลายโหมด นั่นคือ ปรากฏการณ์การขยายตัวของพัลส์ที่เกิดจากการแพร่กระจายของโหมดต่างๆ ด้วยความเร็วที่ต่างกัน จากมุมมองของลักษณะการส่งผ่าน ความแตกต่างของเส้นทางของแสงที่แพร่กระจายไปตามทิศทางแกนในใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดียวนั้นน้อยมาก ทำให้ลำแสงขาออกมีความสอดคล้องเชิงพื้นที่ที่สมบูรณ์แบบและการกระจายพลังงานแบบเกาส์เซียน และค่าคุณภาพลำแสง M² สามารถเข้าใกล้ 1 ได้ (M²=1 สำหรับลำแสงเกาส์เซียนในอุดมคติ)

เลเซอร์ไฟเบอร์เป็นตัวอย่างที่โดดเด่นของเลเซอร์รุ่นที่สามเทคโนโลยีเลเซอร์ซึ่งใช้เส้นใยแก้วที่เจือด้วยธาตุหายากเป็นตัวกลางในการขยายสัญญาณ ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เลเซอร์ไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยวได้ครองส่วนแบ่งที่สำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในตลาดเลเซอร์ทั่วโลก ด้วยข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่เป็นเอกลักษณ์ เมื่อเทียบกับเลเซอร์ไฟเบอร์แบบหลายโหมดหรือเลเซอร์โซลิดสเตทแบบดั้งเดิม เลเซอร์ไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยวสามารถสร้างลำแสงเกาส์เซียนในอุดมคติที่มีคุณภาพลำแสงใกล้เคียงกับ 1 ซึ่งหมายความว่าลำแสงสามารถเข้าถึงมุมการกระจายตัวต่ำสุดทางทฤษฎีและจุดโฟกัสต่ำสุดได้เกือบถึง คุณสมบัตินี้ทำให้เลเซอร์ไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยวเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในด้านการประมวลผลและการวัดที่ต้องการความแม่นยำสูงและผลกระทบจากความร้อนต่ำ