Rezonatör Olarak Kullanılan İçi Boş Çekirdekli Fiber

Lazer rezonatör olarak kullanılan içi boş çekirdekli fiber (HCF), esas olarak 'boşluk' ve 'dalga kılavuzu'nu birleştirir: ışık, kuvars camın içinde değil, havada veya vakumda ileri geri salınır. Aşağıda avantajlarını, ilgili performans verilerini ve sınır koşullarını açıkça açıklayacağız.

Birinci. 'İçi boş çekirdekli fiberi rezonatör olarak kullanmanın' iki anlamı olduğunu açıklığa kavuşturun:

Birincisi, içi boş çekirdekli fiberin kendisinin boşluğu oluşturmasıdır: fiberin her iki ucuna aynalar, fiber Bragg ızgaraları veya halka yapıları eklenerek, fiberin aynı anda boşluk ve kazanç/ışık yönlendirici ortam olarak hizmet ettiği bir Fabry-Pérot (FP) boşluğu veya halka boşluğu oluşturulur. İnce cam kaplama duvarının kendisi doğal bir FP rezonans yapısı gibi davranarak rezonans önleyici içi boş çekirdekli fiberleri doğası gereği boşluk uygulamaları için uygun hale getirir.

Diğeri, içi boş çekirdekli fiber boşluğunu bir referans boşluğu veya geri besleme elemanı olarak kullanmaktır; örneğin, içi boş çekirdekli fiber FP boşluğunun bir bölümünü, kendi kendine enjeksiyon kilitleme, frekans stabilizasyonu veya mod filtreleme için bir lazere bağlamaktır.

Her iki durum da önemli bir özelliği paylaşıyor: Optik mod alanı ile cam arasındaki örtüşme son derece düşüktür (10⁻⁵ düzeyinde) ve camın doğrusal olmama, termal etkiler, hasar ve emilim gibi sorunlu özelliklerini etkili bir şekilde atlar. Bu tek faktör, aşağıdaki avantajların neredeyse tamamının temelini oluşturmaktadır.

Saniye. Temel Avantajlar, Ayrıntılı

1. Son derece düşük doğrusal olmama—en temel avantaj

Anti-rezonans içi boş çekirdekli fiberin Kerr doğrusal olmayanlık katsayısı, mod alanı camla neredeyse hiç etkileşime girmediğinden, katı çekirdekli kuvars fiberinkinden 3 ila 4 büyüklük sırası daha düşüktür.

Bu doğrudan üç faydaya yol açar: kendi kendine faz modülasyonu, dört dalga karışımı veya uyarılmış saçılımın neden olduğu darbe bozulması veya spektral genişleme olmadan boşluk içinde yüksek güç/enerji seviyeleri sürdürülebilir; yüksek güçte bile dar hat genişlikleri korunabilir; ve ultra kısa darbeler iletim sırasında neredeyse hiç genişleme yaşamaz. (Örneğin, Xi'an Optik ve Hassas Mekanik Enstitüsü, 16 MW'ı aşan tepe güçlerini tolere eden, kızılötesi içi boş çekirdekli fiber yoluyla 5-11 μm femtosaniye darbelerin yüksek doğrulukta iletimini göstermiştir.)

Dağılım da önemli ölçüde azaltılır (1550 nm'de yaklaşık 2–5 ps/(nm·km)), bu da mod kilitli boşluklarda daha temiz darbeler ve daha kolay dağılım yönetimi sağlar.

2. Yüksek hasar eşiği ve güçlü güç kullanma kapasitesi

Kuvars yalnızca ince kaplama katmanında bulunur, bu da termal yükü ve fotohasar riskini en aza indirir. Eğer boşluk ortamı gaz ise, gazın kendisinin son derece yüksek bir hasar eşiği vardır.

Bu doğrudan boşluğun ne kadar güce dayanabileceğini belirler. Örneğin, Southampton Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, boşluğun yüksek güç toleransına ve düşük kaybına tam olarak güvenerek, kendi kendine enjeksiyon kilitlemesi için içi boş çekirdekli bir fiber FP boşluğu kullanarak -15 dB'lik güçlü bir kendi kendine enjeksiyon oranına ulaştı.

3. Son derece düşük termal hassasiyet; frekans stabilizasyonunun ve ultra kararlı boşlukların anahtarı

Bu, içi boş çekirdek boşluklarının katı çekirdekli boşluklara göre en değerli avantajıdır:

Işık, düşük termo-optik katsayıya sahip olan havada yayılır ve FP kavite sıcaklık hassasiyetinin ~0,27 pm/°C kadar düşük olmasını sağlar.

Ölçülen uzun vadeli frekans kararlılığı: 50 saat boyunca ±600 kHz dahilinde lazer frekansı değişimi; 1 sn'lik 4×10⁻¹³ kesirli frekans kararlılığı; 0,2 Hz'lik Lorentzian çizgi genişliği bileşeni; kompakt ticari düşük gürültülü lazerlerden büyüklük sırasına göre daha iyi performans gösterir.

İçi boş çekirdekli fiberde standart cam yerine ultra düşük genleşmeli (ULE) cam kullanılırsa, termal hassasiyet üç kattan fazla daha da azaltılabilir.

Önemi? Ultra kararlı lazerler artık devasa titreşim yalıtımlı vakum odalarına ve hassas sıcaklık kontrolüne ihtiyaç duymuyor; bunun yerine kompakt, içi boş çekirdekli fiber boşluğu, boş alandaki ultra kararlı boşluklarla karşılaştırılabilir bir performans sağlayabilir.

4. Düşük kayıp + ultra geniş kılavuz bant genişliği — geniş kullanılabilir dalga boyu aralığına olanak tanır

1550 nm'de anti-rezonans içi boş çekirdekli fiberin kaybı, düşük içsel boşluk kaybı ve yüksek incelik sayesinde, 0,1 dB/km'nin (0,091 dB/km, 0,08 dB/km; Yangtze Optical Fiber tarafından 2026'da bildirildiği üzere, 0,032 dB/km) altına düşürüldü ve katı çekirdekli kuvars fiberin teorik sınırı olan 0,14 dB/km'nin altına düştü. ulaşılabilir.

Anti-rezonans mekanizması tarafından etkinleştirilen kılavuz bant genişliği, yaklaşık 1000 nm'ye (fotonik bant aralığı fiberleri için tipik olan onlarca nanometreden çok daha geniş) ulaşabilir ve çok bantlı yeniden kullanım kapasitesine sahip boşluklarla ultraviyole, görünür, yakın kızılötesi ve orta kızılötesi bölgeleri kapsayan iletim pencerelerine izin verir.

5. İçi boş çekirdek, gaz doldurma veya vakum pompalamaya olanak tanır ve kazanç ortamının serbestçe seçilmesini sağlar

C₂H₂, CO, H₂, CH₄ ve N₂O gibi gazlar içi boş çekirdeğe dahil edilebilir ve böylece moleküler enerji seviyesi geçişleri veya Raman kazancı yoluyla doğrudan lazer üretimi sağlanır. Dalga boyları, nadir toprak iyonlarının emisyon spektrumlarından bağımsız olarak gaz moleküllerinin kendileri tarafından belirlenir.

Bu teknoloji, lazer işlemini geleneksel katkılı fiberlerin ulaşamayacağı spektral bantlara iter: 3,1 μm asetilen

içi boş çekirdekli fiber lazerler (doğrusal boşluk, 8,23 W sürekli çıkış) ve 4,8 μm CO2 içi boş çekirdekli fiber lazerler; toplu kuvars emiliminin 13.000 dB/m'ye kadar ulaştığı, geleneksel fiberleri tamamen kullanılamaz hale getirirken içi boş çekirdekli fiberler işlevsel kalır.

Ayarlanabilir gaz basıncı dağılım, kazanç ve hat genişliğinin ayarlanmasına olanak sağlar. Yüksek basınçlı gazla doldurulmuş içi boş çekirdekli fiberlerdeki uyarılmış Brillouin kazancı, katı çekirdekli kuvars fiberlere göre yaklaşık altı kat daha yüksektir ve bu da düşük eşikli gaz Brillouin lazerlerine ve son derece hassas algılama uygulamalarına olanak tanır.

6. Vakuma yakın ışık hızı ve düşük gecikme

Işık, içi boş çekirdekler boyunca katı çekirdekli fiberlere göre yaklaşık %45 daha hızlı yayılır ve bu da yaklaşık %30'luk bir gecikme azalmasına neden olur. Bu, hassas boşluk uzunluğu, optik frekans tarakları ve uzun boşluklu gecikme yapıları gerektiren mod kilitli boşluklar için özellikle avantajlıdır.

7. Mod kalitesi ve mühendislik formu

Kontrol edilebilir modlu alan alanı ve mükemmel ışın kalitesi (deneysel M² ≈ 1,15–1,18) ile tek modlu veya birkaç modlu çalışma elde edilebilir. Halka boşluklarında, doğal tek yönlü lazer, uzaysal delik yanmasını bastırır ve modları stabilize eder.

Tamamen fiber konfigürasyon kompaktlık, elektromanyetik girişim direnci ve UV radyasyon toleransı sunar (içi boş çekirdekli fiberler, UV aralığında minimum solarizasyon sergiler). Serbest alan boşluklarına kıyasla daha iyi hizalama ve bakım sağlayarak fiber bağlayıcılar, filtreler ve modülatörlerle kolayca entegre olurlar.

Son. HCF rezonatörü nasıl yapılır

İçi boş optik fiberleri rezonans boşlukları olarak FBG, sıradan tek modlu optik fiberler ve diğer cihazlarla bağlamanın temel zorluğu bir cümlede özetlenebilir: 'Şiddetli mod alanı uyumsuzluğu', 'doğrudan birleştirme iç hava deliklerini yakacak ve çökertecektir' ve 'hava-cam arayüzünde son derece yüksek Fresnel yansıması' gibi üç problemi aynı anda çözmesi gerekmektedir.

Doğrudan birleştirme - İçi boş çekirdekli optik fiberlerin ve sıradan katı çekirdekli optik fiberlerin/FBGS'nin doğrudan birbirine kaynaklanması

Bu şu anda endüstriyel alanda en yaygın kullanılan yöntemdir. Önemli olan eriyip erimemesi değil, 'deşarj enerjisi parametresinin tam olarak bir dengeye ayarlanması gerektiğidir': içi boş çekirdek içindeki mikro yapıyı/hava deliklerini yakmadan kaynak arayüzünün sıkı bir şekilde bağlanmasını sağlamak gerekir.

Shinho S-23 içi boş çekirdek fiber birleştirici, hassas bir hizalama teknolojisi ve yüksek kalitede ark kontrolü ile iyi bir ekleme kaybı ve gerginliği elde etmenize yardımcı olacaktır.