공진기로 사용되는 중공 코어 섬유

레이저 공진기로 사용되는 중공 섬유(HCF)는 본질적으로 '공동'과 '도파관'을 하나로 통합합니다. 즉, 빛은 석영 유리 내가 아닌 공기 또는 진공 중에서 앞뒤로 진동합니다. 아래에서는 그 장점, 해당 성능 데이터 및 경계 조건을 명확하게 분석합니다.

첫 번째. '중공 섬유를 공진기로 사용하는 것'에는 두 가지 의미가 있음을 명확히 합니다.

하나는 중공 코어 섬유 자체가 공동을 형성한다는 것입니다. 섬유의 양쪽 끝에 거울, 섬유 브래그 격자 또는 링 구조를 추가하면 Fabry-Pérot(FP) 공동 또는 링 공동이 형성되며, 여기서 섬유는 공동 및 이득/도광 매체 역할을 동시에 수행합니다. 얇은 유리 클래딩 벽 자체는 자연스러운 FP 공진 구조처럼 작용하여 공진 방지 중공 코어 섬유를 본질적으로 캐비티 응용 분야에 적합하게 만듭니다.

다른 하나는 중공 섬유 캐비티를 참조 캐비티 또는 피드백 요소로 사용하는 것입니다. 예를 들어 자가 주입 잠금, 주파수 안정화 또는 모드 필터링을 위해 중공 섬유 FP 캐비티 섹션을 레이저에 연결합니다.

두 경우 모두 주요 특징을 공유합니다. 즉, 광학 모드 필드와 유리 사이의 중첩이 10⁻⁵ 정도로 매우 낮아 비선형성, 열 효과, 손상 및 흡수와 같은 유리의 문제가 있는 특성을 효과적으로 우회합니다. 이 단일 요소는 다음과 같은 거의 모든 장점의 기초가 됩니다.

두번째. 핵심 장점, 항목별

1. 매우 낮은 비선형성 - 가장 근본적인 장점

모드 필드가 유리와 거의 상호 작용하지 않기 때문에 반공진 중공 코어 섬유의 Kerr 비선형성 계수는 ​​솔리드 코어 석영 섬유의 크기보다 3~4배 더 낮습니다.

이는 직접적으로 세 가지 이점을 가져옵니다. 자체 위상 변조, 4파장 혼합 또는 유도 산란으로 인한 펄스 왜곡이나 스펙트럼 확장 없이 공동 내부에서 높은 전력/에너지 수준을 유지할 수 있습니다. 높은 전력에서도 좁은 선폭을 유지할 수 있습니다. 초단 펄스는 전송 중에 확장이 거의 발생하지 않습니다. (예를 들어, 시안 광학 및 정밀 기계 연구소는 적외선 중공 코어 광섬유를 통해 5~11μm 펨토초 펄스의 고충실도 전송을 시연했으며 16MW를 초과하는 피크 전력을 견딜 수 있습니다.)

분산도 크게 감소하여(1550nm에서 약 2~5ps/(nm·km)) 모드 잠금 캐비티에서 펄스가 더 깨끗해지고 분산 관리가 더 쉬워집니다.

2. 높은 데미지 임계값과 강력한 파워 핸들링 능력

석영은 얇은 클래딩 층에만 존재하므로 열 부하와 광손상 위험을 최소화합니다. 캐비티 매질이 가스인 경우 가스 자체의 손상 임계값이 매우 높습니다.

이는 캐비티가 견딜 수 있는 전력의 양을 직접적으로 결정합니다. 예를 들어, University of Southampton의 연구원들은 공동의 높은 전력 허용 오차와 낮은 손실에 정확하게 의존하여 자체 주입 잠금을 위한 중공 코어 섬유 FP 공동을 사용하여 -15dB의 강력한 자체 주입 비율을 달성했습니다.

3. 극도로 낮은 열 민감도 - 주파수 안정화 및 극도로 안정적인 공동의 핵심

이는 솔리드 코어 캐비티에 비해 중공 코어 캐비티의 가장 중요한 장점입니다.

빛은 열광학 계수가 낮은 공기 중에서 전파되므로 FP 캐비티 온도 감도를 ~0.27pm/°C만큼 낮출 수 있습니다.

측정된 장기 주파수 안정성: 50시간 동안 ±600kHz 이내의 레이저 주파수 변화; 4×10⁻¹³의 1초 분수 주파수 안정성; 0.2Hz의 Lorentzian 선폭 구성요소 - 소형 상용 저잡음 레이저보다 몇 배나 뛰어난 성능을 발휘합니다.

중공섬유에 표준 유리 대신 초저팽창(ULE) 유리를 사용하면 열 민감도를 3배 이상 더 줄일 수 있다.

중요성? 매우 안정적인 레이저에는 더 이상 대규모 진동 차단 진공 챔버와 정밀한 온도 제어가 필요하지 않습니다. 대신 소형 중공 코어 섬유 캐비티는 자유 공간의 초안정 캐비티에 필적하는 성능을 달성할 수 있습니다.

4. 저손실 + 매우 넓은 유도 대역폭 - 폭넓은 사용 가능한 파장 범위 가능

1550nm에서 반공진 중공 코어 섬유의 손실은 0.1dB/km(0.091dB/km, 0.08dB/km; 2026년 Yangtze Optical Fiber에서 보고한 바에 따르면 0.032dB/km)로 감소되었으며, 이는 낮은 고유 공동 손실과 높은 기교 덕분에 고체 코어 석영 섬유의 이론적 한계인 0.14dB/km 아래로 떨어졌습니다. 달성 가능.

반공진 메커니즘에 의해 활성화된 유도 대역폭은 약 1000nm(광자 밴드갭 광섬유의 일반적인 수십 나노미터보다 훨씬 넓음)에 도달할 수 있어 다중 대역 재사용이 가능한 공동을 통해 자외선, 가시광선, 근적외선 및 중적외선 영역에 걸쳐 전송 창을 허용합니다.

5. 중공 코어를 사용하면 가스 충전 또는 진공 펌핑이 가능하며 이득 매체를 자유롭게 선택할 수 있습니다.

C2H2, CO, H2, CH₄ 및 N2O와 같은 가스를 중공 코어에 도입할 수 있어 분자 에너지 수준 전환 또는 라만 게인을 통해 직접 레이저 생성이 가능합니다. 파장은 희토류 이온의 방출 스펙트럼에 구속되지 않고 가스 분자 자체에 의해 결정됩니다.

이 기술은 레이저 작업을 기존 도핑 섬유로는 도달할 수 없는 스펙트럼 대역(3.1μm 아세틸렌)으로 확장합니다.

중공 코어 파이버 레이저(선형 공동, 연속 출력 8.23W) 및 4.8μm CO 중공 코어 파이버 레이저 - 벌크 석영 흡수가 최대 13,000dB/m에 도달하여 기존 파이버를 완전히 사용할 수 없게 만드는 반면 중공 코어 파이버는 기능을 유지합니다.

조정 가능한 가스 압력을 통해 분산, 이득 및 선폭을 조정할 수 있습니다. 고압 가스가 채워진 중공 코어 섬유의 자극 브릴루앙 이득은 고체 코어 석영 섬유보다 약 6배 더 높으므로 임계값이 낮은 가스 브릴루앙 레이저와 매우 민감한 감지 응용 분야가 가능합니다.

6. 진공에 가까운 광속과 낮은 대기 시간

빛은 속이 빈 코어를 통해 고체 코어 섬유보다 약 45% 더 빠르게 전파되어 대기 시간이 약 30% 감소합니다. 이는 정확한 캐비티 길이, 광 주파수 빗 및 긴 캐비티 지연 구조가 필요한 모드 잠금 캐비티에 특히 유리합니다.

7. 모드 품질 및 엔지니어링 형태

단일 모드 또는 소수 모드 작동은 제어 가능한 모드 필드 영역과 우수한 빔 품질을 통해 달성할 수 있습니다(실험적 M² ≒ 1.15–1.18). 고리 공동에서 자연적인 단방향 레이저 발생은 공간적 구멍 연소를 억제하고 모드를 안정화합니다.

전체 섬유 구성은 소형화, 전자기 간섭 저항 및 UV 방사선 내성을 제공합니다(중공 코어 섬유는 UV 범위에서 최소한의 태양열화를 나타냄). 광섬유 커플러, 필터 및 변조기와 쉽게 통합되어 자유 공간 캐비티에 비해 더 나은 정렬 및 유지 관리 기능을 제공합니다.

마지막. HCF 공진기를 만드는 방법

FBG, 일반 단일 모드 광섬유 및 기타 장치를 사용하여 중공 광섬유를 공진 공동으로 연결하는 데 따른 핵심 어려움은 한 문장으로 요약될 수 있습니다. ‌세 가지 문제를 동시에 해결해야 합니다 ‌: '심각한 모드 필드 불일치', '직접 접합은 내부 공기 구멍을 태우고 붕괴', '공기-유리 인터페이스에서 극도로 높은 프레넬 반사'.

직접 접속 - 중공 코어 광섬유와 일반 솔리드 코어 광섬유/FBGS를 직접 용접하는 것

현재 산업현장에서 가장 널리 사용되는 방법이다. 핵심은 녹는지 여부가 아니라 방전 에너지 매개변수를 정확하게 절충하여 설정해야 한다는 것입니다. 중공 코어 내부의 미세 구조/공기 구멍을 태우지 않고 용접 인터페이스가 단단히 접착되도록 해야 합니다.

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