วิวัฒนาการทางเทคนิคของเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง

วิวัฒนาการทางเทคนิคของเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง

การเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์ไฟเบอร์โครงสร้าง

1. โครงสร้างปั๊มแสงอวกาศ

เลเซอร์ไฟเบอร์รุ่นแรกๆ ส่วนใหญ่ใช้เอาต์พุตปั๊มแสงเลเซอร์เนื่องจากกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ไฟเบอร์ค่อนข้างต่ำ การที่จะเพิ่มกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ไฟเบอร์อย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้นๆ จึงเป็นเรื่องยากมาก ในปี 1999 กำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ไฟเบอร์ในงานวิจัยและพัฒนาได้ทะลุ 10,000 วัตต์เป็นครั้งแรก โครงสร้างของเลเซอร์ไฟเบอร์ส่วนใหญ่ใช้การปั๊มแสงแบบสองทิศทางเพื่อสร้างตัวเรโซเนเตอร์ และจากการวิจัยพบว่าประสิทธิภาพเชิงความชันของเลเซอร์ไฟเบอร์สูงถึง 58.3%
อย่างไรก็ตาม แม้ว่าการใช้แสงปั๊มใยแก้วและเทคโนโลยีการเชื่อมต่อเลเซอร์เพื่อพัฒนาเลเซอร์ใยแก้วจะสามารถเพิ่มกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ใยแก้วได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ในขณะเดียวกันก็มีความซับซ้อน ซึ่งไม่เอื้อต่อการสร้างเส้นทางแสงโดยใช้เลนส์ออปติคอล และเมื่อใดก็ตามที่จำเป็นต้องเคลื่อนย้ายเลเซอร์ในกระบวนการสร้างเส้นทางแสง เส้นทางแสงก็จะต้องได้รับการปรับใหม่ ซึ่งจำกัดการใช้งานอย่างกว้างขวางของเลเซอร์ใยแก้วที่มีโครงสร้างการปั๊มแสง

2. โครงสร้างออสซิลเลเตอร์โดยตรงและโครงสร้าง MOPA

ด้วยการพัฒนาของเลเซอร์ใยแก้ว ตัวตัดกำลังของปลอกหุ้มได้เข้ามาแทนที่ส่วนประกอบเลนส์ทีละน้อย ทำให้ขั้นตอนการพัฒนาเลเซอร์ใยแก้วง่ายขึ้น และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการบำรุงรักษาเลเซอร์ใยแก้วโดยอ้อม แนวโน้มการพัฒนานี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการใช้งานจริงของเลเซอร์ใยแก้วที่ค่อยๆ เพิ่มขึ้น โครงสร้างออสซิลเลเตอร์โดยตรงและโครงสร้าง MOPA เป็นโครงสร้างเลเซอร์ใยแก้วที่พบได้บ่อยที่สุดสองแบบในท้องตลาด โครงสร้างออสซิลเลเตอร์โดยตรงคือตะแกรงจะเลือกความยาวคลื่นในกระบวนการสั่น แล้วส่งออกความยาวคลื่นที่เลือก ในขณะที่ MOPA ใช้ความยาวคลื่นที่เลือกโดยตะแกรงเป็นแสงเริ่มต้น และแสงเริ่มต้นจะถูกขยายภายใต้การทำงานของตัวขยายสัญญาณระดับแรก ดังนั้นกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ใยแก้วจึงได้รับการปรับปรุงในระดับหนึ่งเช่นกัน เลเซอร์ใยแก้วที่มีโครงสร้าง MPOA ถูกนำมาใช้เป็นโครงสร้างที่นิยมใช้สำหรับเลเซอร์ใยแก้วกำลังสูงมาเป็นเวลานาน อย่างไรก็ตาม การศึกษาในภายหลังพบว่า การให้กำลังแสงสูงในโครงสร้างนี้อาจทำให้การกระจายตัวเชิงพื้นที่ภายในเลเซอร์ใยแก้วไม่เสถียร และความสว่างของเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาจะได้รับผลกระทบในระดับหนึ่ง ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการให้กำลังแสงสูงด้วย

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการสูบน้ำ

โดยทั่วไปแล้ว ความยาวคลื่นของการปั๊มของเลเซอร์ใยแก้วเจืออิตเทอร์เบียมในยุคแรกๆ จะอยู่ที่ 915 นาโนเมตร หรือ 975 นาโนเมตร แต่ความยาวคลื่นทั้งสองนี้เป็นจุดสูงสุดของการดูดกลืนแสงของไอออนอิตเทอร์เบียม ดังนั้นจึงเรียกว่าการปั๊มโดยตรง ซึ่งการปั๊มโดยตรงยังไม่เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีการสูญเสียควอนตัม เทคโนโลยีการปั๊มแบบอินแบนด์เป็นการต่อยอดจากเทคโนโลยีการปั๊มโดยตรง โดยที่ความยาวคลื่นระหว่างความยาวคลื่นของการปั๊มและความยาวคลื่นของการส่งผ่านนั้นใกล้เคียงกัน และอัตราการสูญเสียควอนตัมของการปั๊มแบบอินแบนด์นั้นน้อยกว่าการปั๊มโดยตรง

เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงอุปสรรคในการพัฒนาเทคโนโลยี

แม้ว่าเลเซอร์ใยแก้วจะมีคุณค่าในการใช้งานสูงในด้านการทหาร การแพทย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ จีนได้ส่งเสริมการใช้งานเลเซอร์ใยแก้วอย่างกว้างขวางผ่านการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีมาเกือบ 30 ปีแล้ว แต่หากต้องการทำให้เลเซอร์ใยแก้วสามารถให้กำลังเอาต์พุตที่สูงขึ้น เทคโนโลยีที่มีอยู่ยังคงมีข้อจำกัดอยู่หลายประการ ตัวอย่างเช่น กำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ใยแก้วแบบโหมดเดียวจะสามารถถึง 36.6 กิโลวัตต์ได้หรือไม่ ผลกระทบของกำลังปั๊มต่อกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ใยแก้ว และผลกระทบของเลนส์ความร้อนต่อกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ใยแก้ว

นอกจากนี้ การวิจัยเทคโนโลยีการผลิตพลังงานเลเซอร์ใยแก้วที่สูงขึ้น ควรพิจารณาถึงเสถียรภาพของโหมดตามขวางและปรากฏการณ์การลดความสว่างของโฟตอนด้วย จากการตรวจสอบพบว่า ปัจจัยที่มีผลต่อความไม่เสถียรของโหมดตามขวางคือความร้อนของใยแก้ว และปรากฏการณ์การลดความสว่างของโฟตอนส่วนใหญ่หมายถึง เมื่อเลเซอร์ใยแก้วผลิตพลังงานอย่างต่อเนื่องหลายร้อยวัตต์หรือหลายกิโลวัตต์ พลังงานที่ได้จะลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งมีข้อจำกัดบางประการในการผลิตพลังงานสูงอย่างต่อเนื่องของเลเซอร์ใยแก้ว

แม้ว่าในปัจจุบันสาเหตุเฉพาะของปรากฏการณ์การลดความสว่างของโฟตอนยังไม่ได้รับการระบุอย่างชัดเจน แต่คนส่วนใหญ่เชื่อว่าศูนย์กลางความบกพร่องของออกซิเจนและการดูดซับการถ่ายโอนประจุสามารถนำไปสู่การเกิดปรากฏการณ์การลดความสว่างของโฟตอนได้ โดยอาศัยปัจจัยทั้งสองนี้ จึงมีการเสนอวิธีการต่อไปนี้เพื่อยับยั้งปรากฏการณ์การลดความสว่างของโฟตอน เช่น การใช้อลูมิเนียม ฟอสฟอรัส เป็นต้น เพื่อหลีกเลี่ยงการดูดซับการถ่ายโอนประจุ จากนั้นจึงทำการทดสอบและประยุกต์ใช้เส้นใยแอคทีฟที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม โดยมีมาตรฐานเฉพาะคือการรักษากำลังไฟฟ้าขาออก 3 กิโลวัตต์เป็นเวลาหลายชั่วโมง และรักษากำลังไฟฟ้าขาออก 1 กิโลวัตต์ให้คงที่ได้นาน 100 ชั่วโมง