วิวัฒนาการทางเทคนิคของเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง

วิวัฒนาการทางเทคนิคของเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง

การเพิ่มประสิทธิภาพของไฟเบอร์เลเซอร์โครงสร้าง

1. โครงสร้างปั๊มแสงอวกาศ

เลเซอร์ไฟเบอร์ในยุคแรกส่วนใหญ่ใช้เอาต์พุตของปั๊มออปติคัลเลเซอร์เอาต์พุตกำลังขับต่ำ การปรับปรุงกำลังขับของเลเซอร์ไฟเบอร์ให้เร็วขึ้นภายในระยะเวลาอันสั้นจึงเป็นเรื่องยาก ในปี 1999 กำลังขับของเลเซอร์ไฟเบอร์ได้ทะลุ 10,000 วัตต์เป็นครั้งแรก โครงสร้างของเลเซอร์ไฟเบอร์ส่วนใหญ่ใช้การสูบแบบสองทิศทางด้วยแสงเพื่อสร้างเรโซเนเตอร์ โดยจากการศึกษาประสิทธิภาพความลาดเอียงของเลเซอร์ไฟเบอร์พบว่าสูงถึง 58.3%
อย่างไรก็ตาม แม้ว่าการใช้แสงปั๊มไฟเบอร์และเทคโนโลยีการจับคู่เลเซอร์เพื่อพัฒนาเลเซอร์ไฟเบอร์สามารถปรับปรุงพลังงานเอาต์พุตของเลเซอร์ไฟเบอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ในขณะเดียวกันก็มีความซับซ้อนซึ่งไม่เอื้อต่อเลนส์ออปติกในการสร้างเส้นทางแสง เมื่อจำเป็นต้องเคลื่อนย้ายเลเซอร์ในกระบวนการสร้างเส้นทางแสง เส้นทางแสงก็จำเป็นต้องปรับใหม่อีกครั้ง ซึ่งจำกัดการประยุกต์ใช้เลเซอร์ไฟเบอร์โครงสร้างปั๊มออปติกอย่างแพร่หลาย

2. โครงสร้างออสซิลเลเตอร์โดยตรงและโครงสร้าง MOPA

ด้วยการพัฒนาของเลเซอร์ไฟเบอร์ เครื่องแยกพลังงานหุ้ม (Cladding Power Stripper) ได้เข้ามาแทนที่ส่วนประกอบของเลนส์อย่างค่อยเป็นค่อยไป ทำให้ขั้นตอนการพัฒนาเลเซอร์ไฟเบอร์ง่ายขึ้น และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการบำรุงรักษาเลเซอร์ไฟเบอร์โดยอ้อม แนวโน้มการพัฒนานี้สะท้อนให้เห็นถึงการใช้งานจริงของเลเซอร์ไฟเบอร์ที่ค่อยเป็นค่อยไป โครงสร้างออสซิลเลเตอร์โดยตรงและโครงสร้าง MOPA เป็นโครงสร้างสองแบบที่พบมากที่สุดในตลาดเลเซอร์ไฟเบอร์ โครงสร้างออสซิลเลเตอร์โดยตรงคือเกรตติงจะเลือกความยาวคลื่นในกระบวนการออสซิลเลชัน แล้วจึงส่งออกความยาวคลื่นที่เลือก ในขณะที่ MOPA จะใช้ความยาวคลื่นที่เกรตติงเลือกเป็นแสงเมล็ด และแสงเมล็ดจะถูกขยายภายใต้การทำงานของเครื่องขยายสัญญาณระดับแรก ดังนั้นกำลังส่งออกของเลเซอร์ไฟเบอร์จึงเพิ่มขึ้นในระดับหนึ่ง เป็นเวลานานที่เลเซอร์ไฟเบอร์ที่มีโครงสร้าง MPOA ถูกใช้เป็นโครงสร้างที่ต้องการสำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง อย่างไรก็ตาม การศึกษาในเวลาต่อมาพบว่าเอาต์พุตกำลังสูงในโครงสร้างนี้ทำให้เกิดความไม่เสถียรของการกระจายเชิงพื้นที่ภายในเลเซอร์ไฟเบอร์ได้ง่าย และความสว่างของเลเซอร์เอาต์พุตจะได้รับผลกระทบในระดับหนึ่ง ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อเอฟเฟกต์เอาต์พุตกำลังสูงด้วยเช่นกัน

ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยีการสูบน้ำ

ความยาวคลื่นการสูบของเลเซอร์ไฟเบอร์ที่โด๊ปอิตเทอร์เบียมในยุคแรกมักจะอยู่ที่ 915 นาโนเมตรหรือ 975 นาโนเมตร แต่ความยาวคลื่นการสูบทั้งสองนี้เป็นจุดสูงสุดของการดูดกลืนของไอออนอิตเทอร์เบียม จึงเรียกว่าการสูบโดยตรง ซึ่งการสูบโดยตรงยังไม่แพร่หลายนักเนื่องจากการสูญเสียควอนตัม เทคโนโลยีการสูบแบบอินแบนด์เป็นส่วนขยายของเทคโนโลยีการสูบโดยตรง ซึ่งความยาวคลื่นระหว่างความยาวคลื่นการสูบและความยาวคลื่นที่ส่งผ่านมีค่าใกล้เคียงกัน และอัตราการสูญเสียควอนตัมของการสูบแบบอินแบนด์มีค่าน้อยกว่าการสูบโดยตรง

ไฟเบอร์เลเซอร์กำลังสูงคอขวดการพัฒนาเทคโนโลยี

แม้ว่าเลเซอร์ไฟเบอร์จะมีคุณค่าสูงในการนำไปใช้งานในอุตสาหกรรมการทหาร การแพทย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ แต่จีนได้ส่งเสริมการใช้งานเลเซอร์ไฟเบอร์อย่างกว้างขวางผ่านการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีมาเกือบ 30 ปี แต่หากต้องการให้เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถผลิตพลังงานได้สูงขึ้น เทคโนโลยีปัจจุบันยังคงมีข้อจำกัดอยู่มาก ตัวอย่างเช่น กำลังขับของเลเซอร์ไฟเบอร์สามารถสูงถึง 36.6 กิโลวัตต์ในโหมดเดียวของไฟเบอร์เดี่ยวได้หรือไม่ อิทธิพลของกำลังสูบต่อกำลังขับของเลเซอร์ไฟเบอร์ อิทธิพลของเลนส์เทอร์มอลต่อกำลังขับของเลเซอร์ไฟเบอร์

นอกจากนี้ การวิจัยเทคโนโลยีกำลังส่งสูงของไฟเบอร์เลเซอร์ควรพิจารณาถึงเสถียรภาพของโหมดตามขวางและปรากฏการณ์โฟตอนมืดลงด้วย จากการศึกษาพบว่าปัจจัยอิทธิพลของความไม่เสถียรของโหมดตามขวางคือความร้อนของไฟเบอร์ และปรากฏการณ์โฟตอนมืดลงส่วนใหญ่หมายถึงเมื่อไฟเบอร์เลเซอร์ส่งกำลังหลายร้อยวัตต์หรือหลายกิโลวัตต์อย่างต่อเนื่อง กำลังส่งจะลดลงอย่างรวดเร็ว และยังมีข้อจำกัดในระดับหนึ่งสำหรับกำลังส่งสูงอย่างต่อเนื่องของไฟเบอร์เลเซอร์

แม้ว่าสาเหตุเฉพาะของปรากฏการณ์โฟตอนมืดจะยังไม่ชัดเจนในปัจจุบัน แต่คนส่วนใหญ่เชื่อว่าจุดศูนย์กลางความบกพร่องของออกซิเจนและการดูดซับการถ่ายโอนประจุสามารถนำไปสู่การเกิดปรากฏการณ์โฟตอนมืดได้ ปัจจัยทั้งสองนี้ถูกเสนอขึ้นเพื่อยับยั้งปรากฏการณ์โฟตอนมืด เช่น อะลูมิเนียม ฟอสฟอรัส เป็นต้น เพื่อหลีกเลี่ยงการดูดซับการถ่ายโอนประจุ จากนั้นจึงทดสอบและใช้งานเส้นใยแอคทีฟที่ปรับให้เหมาะสมแล้ว มาตรฐานเฉพาะคือการรักษากำลังไฟฟ้า 3 กิโลวัตต์เป็นเวลาหลายชั่วโมง และรักษากำลังไฟฟ้า 1 กิโลวัตต์ให้คงที่เป็นเวลา 100 ชั่วโมง