الألياف الأساسية المجوفة تستخدم كرنان

تعمل الألياف المجوفة (HCF) المستخدمة كرنان ليزر على توحيد 'التجويف' و'الدليل الموجي' في جهاز واحد: يتأرجح الضوء ذهابًا وإيابًا في الهواء أو الفراغ، وليس داخل زجاج الكوارتز. أدناه، سنقوم بوضوح بتفصيل مزاياها وبيانات الأداء المقابلة وشروط الحدود.

أولاً. وضح أن 'استخدام الألياف المجوفة كرنان' له معنيان:

أحدهما هو أن الألياف المجوفة نفسها تشكل التجويف: عن طريق إضافة المرايا أو شبكات الألياف Bragg أو الهياكل الحلقية عند طرفي الألياف، يتم تشكيل تجويف Fabry-Pérot (FP) أو تجويف حلقي، حيث تعمل الألياف في نفس الوقت كالتجويف ووسيلة توجيه الكسب/الضوء. يعمل جدار الكسوة الزجاجية الرقيقة نفسه مثل هيكل رنين FP طبيعي، مما يجعل الألياف المجوفة المضادة للرنين مناسبة بطبيعتها لتطبيقات التجاويف.

والآخر يستخدم تجويف الألياف المجوفة كتجويف مرجعي أو عنصر تغذية مرتدة - على سبيل المثال، توصيل قسم من تجويف الألياف المجوفة FP بالليزر لقفل الحقن الذاتي، أو تثبيت التردد، أو تصفية الوضع.

تشترك كلتا الحالتين في سمة رئيسية: التداخل بين مجال الوضع البصري والزجاج منخفض للغاية - في حدود 10⁻⁵ - مما يؤدي بشكل فعال إلى تجاوز الخصائص الإشكالية للزجاج مثل عدم الخطية، والتأثيرات الحرارية، والتلف، والامتصاص. هذا العامل الوحيد يكمن وراء جميع المزايا التالية تقريبًا.

ثانية. المزايا الأساسية، مفصلة

1. اللاخطية منخفضة للغاية - وهي الميزة الأساسية

إن معامل اللاخطية Kerr للألياف المجوفة المضادة للرنين هو أقل بمقدار 3 إلى 4 مرات من معامل ألياف الكوارتز الصلبة، حيث يصعب تفاعل مجال الوضع مع الزجاج.

يؤدي هذا مباشرة إلى ثلاث فوائد: يمكن الحفاظ على مستويات الطاقة/الطاقة العالية داخل التجويف دون تشويه النبض أو توسيع الطيف الناجم عن تعديل الطور الذاتي، أو خلط الموجات الأربعة، أو التشتت المحفز؛ يمكن الحفاظ على عرض الخطوط الضيقة حتى عند الطاقة العالية؛ ولا تتعرض النبضات فائقة القصر تقريبًا لأي اتساع أثناء الإرسال. (على سبيل المثال، أظهر معهد شيان للبصريات والميكانيكا الدقيقة إرسالًا عالي الدقة لنبضات من 5 إلى 11 ميكرومتر فيمتوثانية عبر ألياف مجوفة تعمل بالأشعة تحت الحمراء، مما يسمح بقدرات ذروة تتجاوز 16 ميجاوات).

يتم أيضًا تقليل التشتت بشكل كبير (حوالي 2-5 ps/(nm·km) @ 1550 nm)، مما يؤدي إلى نبضات أنظف وإدارة أسهل للتشتت في تجاويف الوضع المقفل.

2. عتبة ضرر عالية وقدرة قوية على التعامل مع الطاقة

يوجد الكوارتز فقط في طبقة الكسوة الرقيقة، مما يقلل من الحمل الحراري ومخاطر التلف الضوئي. إذا كان وسط التجويف هو الغاز، فإن الغاز نفسه لديه عتبة ضرر عالية للغاية.

وهذا يحدد بشكل مباشر مقدار القوة التي يمكن أن يتحملها التجويف. على سبيل المثال، حقق الباحثون في جامعة ساوثامبتون نسبة حقن ذاتي قوية تبلغ −15 ديسيبل باستخدام تجويف FP من الألياف المجوفة لقفل الحقن الذاتي، بالاعتماد بدقة على تحمل التجويف العالي للطاقة والخسارة المنخفضة.

3. حساسية حرارية منخفضة للغاية - مفتاح تثبيت التردد والتجويفات فائقة الاستقرار

هذه هي الميزة الأكثر قيمة للتجاويف المجوفة مقارنة بالتجاويف ذات النواة الصلبة:

ينتشر الضوء في الهواء، الذي يحتوي على معامل حراري بصري منخفض، مما يتيح حساسية درجة حرارة تجويف FP منخفضة تصل إلى ~0.27 مساءً/درجة مئوية.

قياس استقرار التردد على المدى الطويل: تباين تردد الليزر ضمن ±600 كيلو هرتز على مدار 50 ساعة؛ 1 ثانية استقرار التردد الجزئي 4×10⁻¹³؛ مكون عرض خط لورنتزيان يبلغ 0.2 هرتز - يتفوق في الأداء على أجهزة الليزر التجارية المدمجة منخفضة الضوضاء بأمر من حيث الحجم.

إذا تم استخدام الزجاج ذو التمدد المنخفض للغاية (ULE) بدلاً من الزجاج القياسي في الألياف المجوفة، فيمكن تقليل الحساسية الحرارية بشكل أكبر بأكثر من ثلاثة أوامر من حيث الحجم.

الأهمية؟ لم تعد أجهزة الليزر فائقة الاستقرار تتطلب غرفًا مفرغة ضخمة معزولة عن الاهتزازات وتحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة، وبدلاً من ذلك، قد يحقق تجويف الألياف المجوف المدمج أداءً مشابهًا للتجويفات فائقة الاستقرار في الفضاء الحر.

4. خسارة منخفضة + عرض نطاق توجيه واسع للغاية - مما يتيح نطاقًا واسعًا من الطول الموجي القابل للاستخدام

تم تقليل فقدان الألياف المجوفة المضادة للرنين عند 1550 نانومتر إلى أقل من 0.1 ديسيبل / كم (0.091 ديسيبل / كم، 0.08 ديسيبل / كم؛ كما ذكرت ألياف اليانغتسي الضوئية في عام 2026، 0.032 ديسيبل / كم)، وهو أقل من الحد النظري لألياف الكوارتز الصلبة عند 0.14 ديسيبل / كم - بفضل فقدان التجويف الداخلي المنخفض وارتفاع براعة يمكن تحقيقها.

يمكن أن يصل عرض النطاق الترددي التوجيهي الذي تم تمكينه بواسطة الآلية المضادة للرنين إلى حوالي 1000 نانومتر (أوسع بكثير من عشرات النانومترات النموذجية للألياف ذات فجوة الحزمة الضوئية)، مما يسمح بنوافذ نقل تمتد عبر مناطق الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء المتوسطة، مع تجاويف قادرة على إعادة استخدام النطاقات المتعددة.

5. القلب المجوف يمكن من تعبئة الغاز أو ضخ الفراغ، مما يوفر حرية اختيار وسائط الكسب

يمكن إدخال غازات مثل C₂H₂، وCO، وH₂، وCH₄، وN₂O إلى القلب المجوف، مما يتيح توليد الليزر المباشر عبر التحولات على مستوى الطاقة الجزيئية أو اكتساب رامان. يتم تحديد الأطوال الموجية بواسطة جزيئات الغاز نفسها، غير المرتبطة بأطياف انبعاث أيونات الأرض النادرة.

تدفع هذه التقنية عملية الليزر إلى نطاقات طيفية لا يمكن الوصول إليها بواسطة الألياف التقليدية المخدرة: 3.1 ميكرومتر من الأسيتيلين

ليزر الألياف المجوفة (تجويف خطي، خرج مستمر يبلغ 8.23 ​​واط) وليزر الألياف المجوفة من ثاني أكسيد الكربون بقدرة 4.8 ميكرومتر - حيث يصل امتصاص الكوارتز بالجملة إلى 13000 ديسيبل/م، مما يجعل الألياف التقليدية غير قابلة للاستخدام تمامًا، بينما تظل الألياف المجوفة فعالة.

يسمح ضغط الغاز القابل للتعديل بضبط التشتت والكسب وعرض الخط. إن كسب Brillouin المحفز في الألياف المجوفة المملوءة بالغاز ذات الضغط العالي أعلى بنحو ستة أضعاف من ألياف الكوارتز الصلبة، مما يتيح استخدام ليزر Brillouin الغازي منخفض العتبة وتطبيقات الاستشعار شديدة الحساسية.

6. سرعة الضوء قريبة من الفراغ وزمن وصول منخفض

ينتشر الضوء عبر النوى المجوفة بشكل أسرع بنسبة 45% تقريبًا من الألياف ذات النواة الصلبة، مما يؤدي إلى تقليل زمن الوصول بنسبة حوالي 30%. وهذا مفيد بشكل خاص للتجاويف ذات الوضع المقفل التي تتطلب طول تجويف دقيق، وأمشاط التردد البصري، وهياكل تأخير التجويف الطويل.

7. جودة الوضع والشكل الهندسي

يمكن تحقيق التشغيل أحادي الوضع أو الوضع القليل من خلال مساحة مجال الوضع التي يمكن التحكم فيها وجودة الشعاع الممتازة (التجريبية M² ≈ 1.15–1.18). في التجاويف الحلقية، يعمل الليزر الطبيعي أحادي الاتجاه على منع حرق الثقب المكاني وتثبيت الأوضاع.

يوفر تكوين الألياف بالكامل الاكتناز ومقاومة التداخل الكهرومغناطيسي والتسامح مع الأشعة فوق البنفسجية (تظهر الألياف المجوفة الحد الأدنى من التشميس في نطاق الأشعة فوق البنفسجية). إنها تتكامل بسهولة مع قارنات الألياف والمرشحات والمعدلات، مما يوفر محاذاة وصيانة أفضل مقارنة بتجويفات المساحة الحرة.

آخر. كيفية صنع مرنان HCF

يمكن تلخيص الصعوبة الأساسية في توصيل الألياف الضوئية المجوفة كتجويف رنين مع FBG والألياف الضوئية العادية أحادية الوضع والأجهزة الأخرى في جملة واحدة: ‌ يحتاج إلى حل ثلاث مشكلات في وقت واحد ‌: 'عدم تطابق مجال الوضع الشديد'، 'الربط المباشر سوف يحرق وينهار فتحات الهواء الداخلية'، و 'انعكاس فريسنل العالي للغاية في واجهة الهواء والزجاج'.

الربط المباشر - اللحام المباشر للألياف الضوئية المجوفة والألياف الضوئية الصلبة العادية / FBGS معًا

وهذه هي الطريقة الأكثر استخدامًا حاليًا في المجال الصناعي. المفتاح ليس ما إذا كان يذوب أم لا، ولكن يجب ضبط معلمة طاقة التفريغ بدقة على المقايضة‌: من الضروري التأكد من أن واجهة اللحام مرتبطة بقوة دون حرق فتحات البنية الدقيقة / الهواء داخل القلب المجوف.

سيساعدك جهاز الربط بالألياف المجوفة Shinho S-23 على الحصول على فقدان جيد للربط والتوتر، من خلال تقنية محاذاة دقيقة وجودة عالية للتحكم في القوس.