Полое волокно, используемое в качестве резонатора

Полое волокно (HCF), используемое в качестве лазерного резонатора, по существу объединяет «полость» и «волновод» в одно целое: свет колеблется взад и вперед в воздухе или вакууме, а не внутри кварцевого стекла. Ниже мы четко опишем его преимущества, соответствующие данные о производительности и граничные условия.

Первый. Уточним, что фраза «использование полого волокна в качестве резонатора» имеет два значения:

Один из них заключается в том, что полое волокно само образует полость: путем добавления зеркал, волоконных брэгговских решеток или кольцевых структур на обоих концах волокна образуется полость Фабри-Перо (FP) или кольцевая полость, где волокно одновременно служит полостью и усиливающей/световодной средой. Сама тонкая стеклянная оболочка действует как естественная резонансная структура FP, что делает антирезонансные полые волокна пригодными для применения в полостях.

Другой вариант — использование полости полого волокна в качестве опорного резонатора или элемента обратной связи — например, подключение секции полости FP полого волокна к лазеру для самоинжекции, стабилизации частоты или фильтрации мод.

Оба случая имеют одну ключевую особенность: перекрытие между полем оптических мод и стеклом чрезвычайно мало — порядка 10⁻⁵, что эффективно позволяет избежать проблемных свойств стекла, таких как нелинейность, тепловые эффекты, повреждения и поглощение. Этот единственный фактор лежит в основе почти всех следующих преимуществ.

Второй. Основные преимущества, детализированные

1. Чрезвычайно низкая нелинейность — самое фундаментальное преимущество.

Коэффициент керровской нелинейности антирезонансного полого волокна на 3–4 порядка ниже, чем у сплошного кварцевого волокна, поскольку поле моды практически не взаимодействует со стеклом.

Это непосредственно приводит к трем преимуществам: высокие уровни мощности/энергии могут поддерживаться внутри резонатора без импульсных искажений или спектрального уширения, вызванных автофазовой модуляцией, четырехволновым смешением или вынужденным рассеянием; узкая ширина линий может сохраняться даже при высокой мощности; а ультракороткие импульсы практически не уширяются при передаче. (Например, Сианьский институт оптики и точной механики продемонстрировал высокоточную передачу фемтосекундных импульсов длиной 5–11 мкм через инфракрасное полое волокно, выдерживающее пиковую мощность, превышающую 16 МВт.)

Дисперсия также значительно снижается (приблизительно 2–5 пс/(нм·км) при 1550 нм), что приводит к более чистым импульсам и упрощению управления дисперсией в резонаторах с синхронизацией мод.

2. Высокий порог повреждения и высокая мощность.

Кварц существует только в тонком слое оболочки, что сводит к минимуму термическую нагрузку и риск фотоповреждений. Если среда полости представляет собой газ, то сам газ имеет чрезвычайно высокий порог повреждения.

Это напрямую определяет, какую мощность может выдержать резонатор. Например, исследователи из Университета Саутгемптона добились высокого коэффициента самоинжекции -15 дБ, используя резонатор FP из полого волокна для блокировки самоинжекции, полагаясь именно на высокую устойчивость резонатора к мощности и низкие потери.

3. Чрезвычайно низкая термическая чувствительность — ключ к стабилизации частоты и сверхстабильным резонаторам.

Это самое ценное преимущество полых полостей перед цельными:

Свет распространяется в воздухе, который имеет низкий термооптический коэффициент, что позволяет снизить температурную чувствительность полости ФП до ~0,27 пм/°C.

Измеренная долговременная стабильность частоты: изменение частоты лазера в пределах ±600 кГц в течение 50 часов; дробная стабильность частоты в течение 1 с 4×10⁻¹³; Лоренцова компонента ширины линии 0,2 Гц, что на порядок превосходит компактные коммерческие малошумящие лазеры.

Если в полом волокне вместо стандартного стекла используется стекло со сверхнизким расширением (ULE), тепловая чувствительность может быть снижена более чем на три порядка.

Значение? Сверхстабильные лазеры больше не требуют массивных виброизолированных вакуумных камер и точного контроля температуры — вместо этого компактный резонатор с полым волокном может достичь производительности, сравнимой с ультрастабильными резонаторами в свободном пространстве.

4. Низкие потери + сверхширокая полоса наведения — обеспечивает широкий полезный диапазон длин волн.

Потери в антирезонансном полом волокне на длине волны 1550 нм были снижены до уровня ниже 0,1 дБ/км (0,091 дБ/км, 0,08 дБ/км; по данным Yangtze Optical Fiber в 2026 году, 0,032 дБ/км), что ниже теоретического предела для кварцевого волокна со сплошным сердечником на уровне 0,14 дБ/км - благодаря низким внутренним потерям в резонаторе и достижимой высокой точности.

Направляющая полоса пропускания, обеспечиваемая антирезонансным механизмом, может достигать примерно 1000 нм (намного шире, чем десятки нанометров, типичные для фотонных волокон с запрещенной зоной), что позволяет окнам передачи охватывать ультрафиолетовую, видимую, ближнюю инфракрасную и среднюю инфракрасную области с полостями, способными к многополосному повторному использованию.

5. Полый сердечник позволяет заполнять газом или вакуумировать, предлагая свободный выбор усиливающей среды.

Такие газы, как C₂H₂, CO, H₂, CH₄ и N₂O, можно вводить в полый сердечник, что обеспечивает прямую генерацию лазера посредством переходов на энергетических уровнях молекул или комбинационного усиления. Длины волн определяются самими молекулами газа, не связанными со спектрами излучения редкоземельных ионов.

Эта технология выводит работу лазера в спектральные диапазоны, недоступные для обычных легированных волокон: ацетилен 3,1 мкм.

волоконные лазеры с полым сердечником (линейный резонатор, непрерывная мощность 8,23 Вт) и лазеры с полым сердечником CO 4,8 мкм, в которых объемное поглощение кварца достигает 13 000 дБ/м, что делает обычные волокна полностью непригодными для использования, в то время как волокна с полыми сердечниками остаются функциональными.

Регулируемое давление газа позволяет настраивать дисперсию, усиление и ширину линии. Стимулированное усиление Бриллюэна в газонаполненных полых волокнах высокого давления примерно в шесть раз выше, чем в кварцевых волокнах со сплошным сердечником, что позволяет использовать низкопороговые газовые бриллюэновские лазеры и высокочувствительные сенсорные приложения.

6. Скорость света, близкая к вакууму, и низкая задержка.

Свет распространяется по полым волокнам примерно на 45% быстрее, чем по волокнам со сплошной сердцевиной, что приводит к снижению задержки примерно на 30%. Это особенно выгодно для резонаторов с синхронизацией мод, требующих точной длины резонатора, гребенок оптических частот и структур задержки с длинным резонатором.

7. Качество режима и инженерная форма.

Одномодовая или маломодовая работа может быть достигнута при контролируемой площади модового поля и превосходном качестве луча (экспериментальный M² ≈ 1,15–1,18). В кольцевых резонаторах естественная однонаправленная генерация подавляет пространственное выгорание дырок и стабилизирует моды.

Полностью волоконная конфигурация обеспечивает компактность, устойчивость к электромагнитным помехам и устойчивость к УФ-излучению (волокна с полой сердцевиной демонстрируют минимальную соляризацию в УФ-диапазоне). Они легко интегрируются с оптоволоконными соединителями, фильтрами и модуляторами, обеспечивая лучшее выравнивание и обслуживание по сравнению с полостями со свободным пространством.

Последний. Как сделать резонатор HCF

Основную трудность соединения полых оптических волокон в качестве резонансных полостей с ВБР, обычными одномодовыми оптическими волокнами и другими устройствами можно резюмировать в одном предложении: «необходимо одновременно решить три проблемы»: «сильное несоответствие полей мод», «прямое сращивание сожжет и разрушит внутренние воздушные отверстия» и «чрезвычайно высокое френелевское отражение на границе раздела воздух-стекло».

Прямое сращивание. Непосредственная сварка полых оптических волокон и обычных оптических волокон со сплошной сердцевиной/FBGS вместе.

В настоящее время это наиболее широко используемый метод в промышленной сфере. Ключевым моментом является не то, плавится он или нет, а то, что параметр «энергия разряда» должен быть точно установлен на компромисс: необходимо обеспечить прочное соединение сварочного интерфейса, не сжигая микроструктуру / воздушные отверстия внутри полого сердечника.

Сварочный аппарат для полых волокон Shinho S-23 поможет вам добиться хороших потерь и натяжения при сварке, благодаря точной технологии выравнивания и высокому качеству управления дугой.