Sợi lõi rỗng được sử dụng làm bộ cộng hưởng

Sợi lõi rỗng (HCF) được sử dụng làm bộ cộng hưởng laser về cơ bản hợp nhất 'khoang' và 'ống dẫn sóng' thành một: ánh sáng dao động qua lại trong không khí hoặc chân không, thay vì trong thủy tinh thạch anh. Dưới đây, chúng tôi sẽ phân tích rõ ràng các ưu điểm của nó, dữ liệu hiệu suất tương ứng và các điều kiện biên.

Đầu tiên. Làm rõ rằng việc 'dùng sợi lõi rỗng làm bộ cộng hưởng' có hai ý nghĩa:

Một là sợi lõi rỗng tự nó tạo thành khoang: bằng cách thêm gương, cách tử Bragg sợi hoặc cấu trúc vòng ở cả hai đầu của sợi, khoang Fabry–Pérot (FP) hoặc khoang vòng được hình thành, trong đó sợi đóng vai trò đồng thời như khoang và môi trường khuếch đại/dẫn ánh sáng. Bản thân bức tường ốp kính mỏng hoạt động giống như một cấu trúc cộng hưởng FP tự nhiên, khiến cho sợi lõi rỗng chống cộng hưởng vốn đã thích hợp cho các ứng dụng khoang.

Cách thứ hai là sử dụng khoang sợi lõi rỗng làm khoang tham chiếu hoặc phần tử phản hồi—ví dụ: kết nối một phần khoang FP sợi lõi rỗng với tia laser để khóa tự tiêm, ổn định tần số hoặc lọc chế độ.

Cả hai trường hợp đều có chung một đặc điểm chính: sự chồng chéo giữa trường chế độ quang học và kính là cực kỳ thấp—ở mức 10⁻⁵—bỏ qua một cách hiệu quả các đặc tính có vấn đề của kính như phi tuyến tính, hiệu ứng nhiệt, hư hỏng và hấp thụ. Yếu tố duy nhất này làm nền tảng cho gần như tất cả các lợi thế sau.

Thứ hai. Ưu điểm cốt lõi, được chia thành từng khoản

1. Độ phi tuyến cực thấp—ưu điểm cơ bản nhất

Hệ số phi tuyến Kerr của sợi lõi rỗng chống cộng hưởng thấp hơn 3 đến 4 bậc so với sợi thạch anh lõi rắn, vì trường mode hầu như không tương tác với thủy tinh.

Điều này trực tiếp dẫn đến ba lợi ích: mức năng lượng/công suất cao có thể được duy trì bên trong khoang mà không bị biến dạng xung hoặc mở rộng quang phổ do tự điều chế pha, trộn bốn sóng hoặc tán xạ kích thích; băng thông hẹp có thể được duy trì ngay cả ở công suất cao; và các xung siêu ngắn hầu như không bị giãn ra trong quá trình truyền. (Ví dụ, Viện Quang học và Cơ học Chính xác Tây An đã chứng minh khả năng truyền xung femto giây có độ chính xác cao 5–11 μm thông qua sợi lõi rỗng hồng ngoại, chịu được công suất cực đại vượt quá 16 MW.)

Độ phân tán cũng giảm đáng kể (khoảng 2–5 ps/(nm·km) ở 1550 nm), mang lại các xung sạch hơn và quản lý độ phân tán dễ dàng hơn trong các khoang bị khóa chế độ.

2. Ngưỡng sát thương cao và khả năng xử lý sức mạnh mạnh mẽ

Thạch anh chỉ tồn tại trong lớp phủ mỏng, giảm thiểu rủi ro tải nhiệt và hư hỏng do ánh sáng. Nếu môi trường khoang là khí thì bản thân khí đó có ngưỡng sát thương cực cao.

Điều này trực tiếp xác định mức độ năng lượng mà khoang có thể chịu được. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Southampton đã đạt được tỷ lệ tự tiêm mạnh −15 dB bằng cách sử dụng khoang FP sợi lõi rỗng để khóa tự tiêm, dựa chính xác vào khả năng chịu công suất cao và tổn thất thấp của khoang.

3. Độ nhạy nhiệt cực thấp—chìa khóa cho sự ổn định tần số và các khoang siêu ổn định

Đây là ưu điểm có giá trị nhất của khoang lõi rỗng so với khoang lõi rắn:

Ánh sáng truyền trong không khí, có hệ số quang nhiệt thấp, cho phép độ nhạy nhiệt độ khoang FP thấp tới ~ 0,27 pm/°C.

Đo độ ổn định tần số dài hạn: biến thiên tần số laser trong phạm vi ±600 kHz trong 50 giờ; Độ ổn định tần số phân đoạn 1 giây là 4×10⁻¹³; Thành phần băng thông Lorentzian 0,2 Hz—vượt trội hơn các laser có độ ồn thấp thương mại nhỏ gọn gấp nhiều lần.

Nếu sử dụng kính giãn nở cực thấp (ULE) thay vì kính tiêu chuẩn trong sợi lõi rỗng, độ nhạy nhiệt có thể giảm hơn nữa hơn ba bậc độ lớn.

Ý nghĩa? Các tia laser siêu ổn định không còn yêu cầu buồng chân không cách ly rung lớn và kiểm soát nhiệt độ chính xác—thay vào đó, khoang sợi lõi rỗng nhỏ gọn có thể đạt được hiệu suất tương đương với khoang siêu ổn định trong không gian tự do.

4. Suy hao thấp + băng thông dẫn hướng cực rộng—cho phép phạm vi bước sóng có thể sử dụng rộng

Sự suy hao của sợi lõi rỗng chống cộng hưởng ở bước sóng 1550 nm đã giảm xuống dưới 0,1 dB/km (0,091 dB/km, 0,08 dB/km; theo báo cáo của Cáp quang Yangtze vào năm 2026, 0,032 dB/km), giảm xuống dưới giới hạn lý thuyết của sợi thạch anh lõi rắn ở mức 0,14 dB/km—nhờ tổn thất khoang nội tại thấp và có thể đạt được độ tinh xảo cao.

Băng thông dẫn hướng được kích hoạt bởi cơ chế chống cộng hưởng có thể đạt tới khoảng 1000 nm (rộng hơn nhiều so với hàng chục nanomet điển hình của sợi quang tử vùng cấm), cho phép các cửa sổ truyền dẫn trải dài các vùng tử ngoại, khả kiến, gần hồng ngoại và hồng ngoại giữa, với các khoang có khả năng tái sử dụng nhiều băng tần.

5. Lõi rỗng cho phép nạp khí hoặc bơm chân không, cung cấp sự lựa chọn miễn phí về phương tiện khuếch đại

Các loại khí như C₂H₂, CO, H₂, CH₄ và N₂O có thể được đưa vào lõi rỗng, cho phép tạo ra tia laser trực tiếp thông qua chuyển đổi mức năng lượng phân tử hoặc tăng Raman. Bước sóng được xác định bởi chính các phân tử khí, không bị ràng buộc bởi quang phổ phát xạ của các ion đất hiếm.

Công nghệ này đẩy hoạt động của tia laser vào các dải quang phổ mà sợi pha tạp thông thường không thể tiếp cận được: axetylen 3,1 μm

laser sợi quang lõi rỗng (khoang tuyến tính, công suất liên tục 8,23 W) và laser sợi quang lõi rỗng 4,8 μm CO—trong đó độ hấp thụ thạch anh số lượng lớn đạt tới 13.000 dB/m, khiến sợi thông thường hoàn toàn không thể sử dụng được, trong khi sợi lõi rỗng vẫn hoạt động.

Áp suất khí có thể điều chỉnh cho phép điều chỉnh độ phân tán, mức tăng và băng thông. Mức tăng Brillouin được kích thích trong sợi lõi rỗng chứa đầy khí áp suất cao cao hơn khoảng sáu lần so với sợi thạch anh lõi rắn, cho phép tạo ra laser Brillouin khí ngưỡng thấp và các ứng dụng cảm biến có độ nhạy cao.

6. Tốc độ ánh sáng gần chân không và độ trễ thấp

Ánh sáng truyền qua lõi rỗng nhanh hơn khoảng 45% so với sợi lõi rắn, dẫn đến độ trễ giảm khoảng 30%. Điều này đặc biệt thuận lợi cho các khoang bị khóa theo chế độ yêu cầu chiều dài khoang chính xác, lược tần số quang và cấu trúc độ trễ khoang dài.

7. Chất lượng phương thức và hình thức kỹ thuật

Có thể đạt được hoạt động ở một chế độ hoặc một vài chế độ với diện tích trường ở chế độ có thể kiểm soát và chất lượng chùm tia tuyệt vời (M² thử nghiệm ≈ 1,15–1,18). Trong các hốc vòng, phát laser đơn hướng tự nhiên sẽ ngăn chặn việc đốt cháy lỗ trống trong không gian và ổn định các chế độ.

Cấu hình toàn sợi mang lại độ nén, khả năng chống nhiễu điện từ và khả năng chịu bức xạ tia cực tím (sợi lõi rỗng thể hiện khả năng năng lượng mặt trời tối thiểu trong phạm vi tia cực tím). Chúng dễ dàng tích hợp với các bộ ghép sợi, bộ lọc và bộ điều biến, mang lại sự liên kết và bảo trì tốt hơn so với các khoang không gian trống.

Cuối cùng. Cách tạo bộ cộng hưởng HCF

Khó khăn cốt lõi của việc kết nối các sợi quang rỗng dưới dạng hộp cộng hưởng với FBG, sợi quang đơn mode thông thường và các thiết bị khác có thể được tóm tắt trong một câu: ‌ cần giải quyết đồng thời ba vấn đề ‌: 'trường chế độ nghiêm trọng không khớp', 'nối trực tiếp sẽ đốt cháy và làm sập các lỗ khí bên trong' và 'sự phản xạ Fresnel cực cao ở giao diện thủy tinh không khí'.

Nối trực tiếp - Hàn trực tiếp sợi quang lõi rỗng và sợi quang lõi rắn thông thường/FBGS với nhau

Đây hiện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực công nghiệp. Điều quan trọng không phải là nó có tan chảy hay không mà là thông số năng lượng phóng điện ‌ phải được đặt chính xác để cân bằng‌: cần đảm bảo giao diện hàn được liên kết chắc chắn mà không làm cháy các vi cấu trúc/lỗ khí bên trong lõi rỗng.

Máy hàn sợi lõi rỗng Shinho S-23 sẽ giúp bạn có được độ suy hao và độ căng trong mối nối tốt, với công nghệ căn chỉnh chính xác và kiểm soát hồ quang chất lượng cao.