что такое одномодовый лазер
12.1. Одномодовые лазеры.
Целью создания одномодовых лазеров является снижение абсолютных значений порогового тока и устойчивого непрерывного режима генерации, а также создания условий эффективной стыковки с одномодовым волокном.
Одномодовыми лазерами называются лазеры у которых ближнее поле в плоскости параллельной и перпендикулярной слоям гетероструктуры имеет только одну нулевую или основную моду.
Рис. 120. Схематичное изображение электромагнитных мод в резонаторе полупроводникового лазера.
Одномодовый лазер имеет только одну нулевую моду в направлении Z (профиль вертикальных мод) и одну нулевую или основную моду в направлении У (профиль латеральных мод) (рис. 120). В этом случае картина дальнего поля в плоскости параллельной и перпендикулярной слоям гетероструктуры имеет только один лепесток в диаграмме направленности излучения.
Рис. 121. Схематическое изображение полупроводникового лазера и диаграммы направленности излучения, выходящего из лазера с распределением интенсивности по углу отклонения от оси резонатра Фабри-Перо.
Для достижения генерации на основной моде необходимо сужение полоскового контакта по оси У. При этом наилучшим вариантом считается достижение равенства в диаграммах направленности в параллельной и перпендикулярной плоскостях. В этом случае достаточно просто достигается высокий коэффициент ввода излучения и полупроводникового лазера в оптическое кварцевое волокно. Изобретение большого количества конструкций одномодовых лазеров связано с созданием кварцевого волокна с малыми оптическими потерями.
На рисунке рис.122 приведено изображение простейшей конструкции одномодового лазера – с оксидной изоляцией пассивных областей. Полосковый контакт образуется нанесением диэлектрика на поверхность лазерной гетероструктуры, затем наносится омический контакт.
Рис.122. Полосковый одномодовый лазер, полученный оксидной изоляцией полоскового контакта.
Следует сразу же отметить недостаток этой конструкции – сильное растекание носителей заряда в пассивный области под полоском контакта по контактному слою в эмиттерные слои. Это приводит к сильнейшему возрастанию пороговой плотности тока.
Рис. 123. Зависимость пороговой плотности тока от ширины полоскового контакта.
Одномодовый режим генерации достигается при ширинах полоскового контакта порядка 5 мкм, но непрерывный режим генерации становится затруднительным из-за сильного возрастания пороговой плотности тока.
Рисунок 124 иллюстрирует растекание носителей заряда в полосковом лазере с оксидной изоляцией. Следует заметить, чем дальше от активной области расположен инжектирующий контакт, тем большая доля носителей заряда будет растекаться в пассивные области лазерной структуры.
12.2 Конструкции одномодовых полупроводниковых лазеров.
Существует два подхода при конструировании одномодовых полупроводниковых лазеров. Первый предусматривает эпитаксиальное выращивание лазерной гентероструктуры, а затем посредством постростовых операций (фотолитография, травление, нанесение диэлектрических изолирующих слоев, заращивание и др.) формируется одномодовый лазер.
Второй подход состоит из подготовительных операций с подложкой, формирующих неравновесные условия последующего заращивания, а затем роста эпитаксиальных слоев, формирующих лазерную структуру.
Рис.125. Приведены самые распростроненые конструкции полупроводниковых одномодовых лазеров изготовленные с помощью первого подхода.
а – с протонной бомбардировкой пассивных областей;
б – мезаполосковой конструкцией, с вытравленными пассивными областями;
с – зарощенная мезаполосковая конструкция.
Все три конструкции имеют преимущество перед конструкцией с оксидной изоляцией и позволяют уменьшать ширину полоска без возрастания пороговой плотности тока до меньших размеров полоскового контакта.
Рис.126. Приведено схематическое изображение конструкций одномодовых зарошенных полупроводниковых лазеров. Все они позволяют достичь одномодового режима генерации при сужении активного полоска до 2-3 мкм. При этом пороговая плотность тока возрастает не больше чем в 1.3-1.5 раза. За это отвечают токовые утечки через дефекты на границе активной области. Необходимо заметить, что в этих лазерах не достигается диаграммы направленности с равными величинами расходимости излучения в параллельной и перпендикулярной плоскостях, что затрудняет эффективный ввод излучения в волокно.
Рис. 127. Конструкции одномодовых лазеров изготовленных с применением второго подхода в конструировании. Во всех случаях подложка с предварительно выращенными слоями обрабатывается с помощью постростовых операций, которые в последствии позволяют сформировать узкий полосок активной области, без образования токовых утечек в пассивные области. Фотографии сколов резонатора Фабри – Перо таких конструкций полупроводниковых лазеров.
Ниже приведена конструкция одномодового лазера относящаяся ко второму подходу, очень сложная для технологического воплощения. Сначала выращиваются подготовительные эпитаксиальные слои, затем с помощью фотолитографии и мокрого химического травления вытравливается полосок в выращенных слоях затребованной глубины. За тем структура заращивается эпитаксиальными слоями р- и n- проводимости, которые образуют блокирующий р-n переход. После этого производится диффузия цинка обеспечивающая инжектирующий полосковый контакт.
Рис. 128. Одномодовый лазер конструкция которого получена поэтапным заращиванием слоями, вытравливанием канала, заращиванием слоями лазерной структуры и проведением диффузии.
Рис. 129. Еще один вариант конструкции второго типа. В подложке вытравлена канавка, которая после заращивания слоями образующими лазерную структуру образует волновод. Проведение диффузии цинка позволяет сформировать омический инжектирующий полосковый контакт.
Самым интересным в конструкции является способ образования волноводного эффекта за счет перепада эффективного показателя преломления.
Все конструкции изготовленные с использованием второго подхода позволяют снизить ширину области протекания тока до 2 мкм и меньше, что обеспечивает практическое равенство диаграмм направленности в параллельной и перпендикулярной плоскостях.
Что такое одномодовый лазер
Идея использования явления вынужденного излучения атома или молекулы для усиления электромагнитного поля и, кроме того, идея объединения такого усилителя с резонатором для получения генератора колебаний принадлежит Таунсу и его сотрудникам (Gordon, Zeiger and Townes, 1954, 1955), а также, независимо от них, — Басову и Прохорову (Basov and Prokhorov, 1954, 1955). Последние сконструировали первый МАЗЕР (сокращение от microwave amplifier by stimulated emission of radiation). В 1958 году Шавлов и Таунс предложили использовать тот же принцип в оптическом диапазоне (Schawlow and Townes, 1958), где в качестве оптического резонатора используется двухзеркальный интерферометр Фабри — Перо, а в качестве активной среды — возбужденная группа атомов. Первый лазер (сокращение от light amplifier by stimulated emission of radiation) был сконструирован Мейменом (Maiman, I960). Активной средой служил рубин, который возбуждался яркой вспышкой света от газоразрядной трубки, после чего лазер высвечивал короткий оптический импульс. Первый лазер непрерывного действия, был создан Джаваном с сотрудниками (Javan, Bennett and Herriott, 1961). В качестве активной среды в нем использовалась гелий-неоновая газовая смесь, которая непрерывно возбуждалась электрическим разрядом. Этот тип лазера до сих пор широко используется. С тех пор было разработано множество различных типов лазеров с длиной волны от инфракрасной до ультрафиолетовой областей. Некоторые из них генерируют свет сразу на нескольких различных частотах, а некоторые могут перестраиваться в широком диапазоне. Излучение лазера может быть в высокой степени когерентным и, независимо от длины волны, оно той же физической природы, что и излучение радиочастотного генератора. Действительно, квантовое состояние лазерного поля может быть близким к когерентному состоянию, которое обсуждалось в гл. 11. Более того, поскольку электромагнитная энергия сосредоточена, как правило, в одной моде или в малом количестве мод, число фотонов в одной моде может быть чрезвычайно большим (Mandel, 1961). В результате, поле излучения лазера может стать ближе к классическому, чем поле почти любого другого источника.
Почти у всех лазеров можно выделить четыре общих элемента:
(а) оптический резонатор, образуемый обычно двумя или более зеркалами;
(б) активная среда, в которой создается инверсная атомная населенность рабочих энергетических уровней;
(в) оптическая накачка или источник энергии для возбуждения активной среды;
(г) механизм потерь, посредством которого рассеивается энергия.
На рис. 18.1 показан типичный лазер, в котором резонатором служит интерферометр Фабри — Перо, а усилителем является газовая плазменная трубка, в которой поддерживается электрический разряд. Для уменьшения потерь при отражении, торцевые окна плазменной трубки, как правило, ориентируют под углом Брюстера для линейно-поляризованного света на частоте лазера. Торцевые зеркала обычно снабжаются многослойными просветляющими покрытиями, которые делают их сильно отражающими. Выходное зеркало, конечно, должно иметь коэффициент отражения меньше чем 100%, так что именно оно, обычно, является главным источником энергетических потерь, которые должны компенсироваться активной средой. Зеркала резонатора играют важную роль в возвращении фотонов, принадлежащих лазерным модам, обратно в лазерный резонатор. Большинство спонтанно излучаемых фотонов, распространяющихся в различных других направлениях, теряются. Однако фотоны, относящиеся к моде резонатора, повторно взаимодействуют с атомами активной среды, и их число растет за счет вынужденного излучения (см. рис. 18.2). Как только одна мода становится достаточно заселенной, вероятность вынужденного излучения в эту моду начинает превышать вероятность спонтанного излучения (см. разд. 15.4).
Рис. 18.1. Простейшая схема лазера
Рис. 18.2. Рост вероятности вынужденного излучения при увеличении мощности
В общем случае, когда скорость возвращения фотонов в моду оптического резонатора превышает скорость их ухода из резонатора за счет механизма потерь, амплитуда лазерного поля начинает возрастать до тех пор, пока не достигнет стационарного состояния. На этой стадии скорость излучения лазера равна суммарной скорости поставки энергии. Легко видеть, что это достигается за счет инверсии населенностей двух рабочих уровней, когда в верхнем состоянии находится больше атомов, чем в нижнем. Пусть 
населенности верхнего и нижнего состояний, тогда скорость поглощения лазерных фотонов атомной системой будет пропорциональна а скорость вынужденного излучения лазерных фотонов системой атомов будет пропорциональна 
с одинаковой константой пропорциональности (см. разд. 15.4). Если 
в достаточной степени превышает 
все потери на излучение могут быть скомпенсированы атомной системой.
Лазерный мир
Волоконные лазеры: мощные одномодовые волоконные лазеры
ТОМАС ШРИБЕР, АНДРЕАС ТЮННЕРМАН и АНДРЕАС ТОМС
Благодаря идентификации проблем мощных волоконных лазеров и оптимизации оптического волокна, была достигнута одномодовая мощность 4,3 кВт с будущим возможным масштабированием и новыми сверхбыстрыми лазерными приложениями в разработке.
Если есть одна очевидная тенденция в лазерной технологии, то это рост волоконных лазеров. Волоконные лазеры взяли на себя долю рынка от мощных CO2-лазеров, а также от объемных твердотельных лазеров при мощной резке и сварке. Крупные производители волоконных лазеров в настоящее время обращаются к ряду новых приложений, чтобы завоевать еще больше рынков.
Среди мощных лазеров одномодовые системы предлагают функции, которые делают их желательными: они обладают самой высокой яркостью, и их можно сфокусировать до нескольких микрон и до самых высоких интенсивностей. Они также демонстрируют наибольшую глубину фокуса, что делает их наиболее подходящими для дистанционной обработки.
Тем не менее, их сложно изготовить, и только лидирующая на рынке лидирующая компания PHG Photonics (Oxford, MA) предлагает систему мощностью 10 кВт с одномодовым излучением (2009).
К сожалению, нет данных на эти характеристики луча, в частности, о любых возможных многомодовых компонентах, которые могут соответствовать одномодовому лучу.
Команда исследователей в Германии продемонстрировала одномодовую мощность 4,3 кВт от волоконного лазера, в которой выход был ограничен только мощностью входной накачки.
Финансируется правительством Германии и в сотрудничестве с TRUMPF (Ditzingen, Germany), Active Fiber Systems, Jenoptik и Лейбницским институтом фотонных технологий, группой ученых из Университета Фридриха Шиллера и Института прикладной оптики и точной инженерии Фраунгофера (все В Йене, Германия) проанализировали проблемы для масштабирования таких лазеров, а затем разработали новые волокна для преодоления ограничений. Команда успешно завершила серию испытаний, показывающих одномодовый выход 4,3 кВт, в которых выход волоконного лазера ограничивался только мощностью входной накачки.
Эффекты сдерживания для одномодового волоконного лазерного масштабирования
Каковы проблемы для такого одномодового мощного волоконного лазера? Они могут быть сгруппированы в три поля: a) улучшенная накачка, b) разработка активного волокна с низкими оптическими потерями, работающими только в одномодовом режиме, и c) правильное измерение результирующего излучения.
В этой статье мы будем предполагать, что а) решается с помощью высокоярких лазерных диодов и соответствующих методов развязки, и сосредоточимся на двух других областях.
В рамках разработки активного волокна для высокомощного одномодового режима для оптимизации используются два общих набора параметров: легирование и геометрия. Все параметры должны быть определены для минимальных потерь, одномодового режима и, наконец, мощного усиления. Идеальный волоконный усилитель обеспечит высокую скорость преобразования более 90%, отличное качество луча и выходную мощность, ограниченную только доступной мощностью накачки.
Наиболее примечательным является эффект, характерный для кремнеземных волокон, легированных иттербием, и хорошо известен с первых дней волоконных лазеров, когда волокнистый материал был не таким чистым, как сегодня, — потемнением по фотографии. В этом процессе в материале образуются дефектные центры или центры окраски в результате взаимодействия лазерного материала. Этот эффект паразитный: он преобразует фотоны накачки в тепло, что приводит к меньшему усилению и увеличению тепловой нагрузки.
В зависимости от размера активной сердцевины можно возбуждать и усиливать несколько поперечных мод. Для заданного шага индекса между ядром и оболочкой, чем меньше активное сечение активной ячейки, тем меньше число таких режимов. Однако меньший диаметр также означает более высокую плотность мощности. Несколько трюков, таких как сгибание волокна, добавляют потери для более высоких режимов.
Тем не менее, для больших диаметров сердечника и при тепловой нагрузке могут возникать другие режимы. Эти режимы подвержены взаимодействию во время усиления — без оптимальных условий распространения, выходной профиль может стать пространственно или временно неустойчивым.
Нестабильности поперечных мод
При определенном уровне мощности внезапно появляются более высокие режимы или даже моды оболочки, энергия динамически передается между этими режимами, а качество луча уменьшается.
Пучок начинает колебаться на выходе.
Поскольку TMI была обнаружена, она наблюдалась в различных конструкциях волокон от волокон с шаговым индексом до волокон фотонного кристалла. Только его пороговое значение зависит от геометрии и легирования, но грубая оценка говорит о том, что этот эффект превышает выходную мощность 1 кВт.
Тем временем было обнаружено, что эффект связан с тепловыми эффектами внутри волокна с сильным отношением к эффектам фотопотемнения. Более того, восприимчивость волоконных лазеров к TMI, по-видимому, зависит от состава ядра.
Геометрия шагового индекса приводит к ряду параметров для оптимизации. Диаметр сердечника, размер облицовки насоса и индекс разности преломления между сердечником и оболочкой насоса могут быть настроены. Эта настройка зависит от концентрации легирующей примеси, т. е. концентрация ионов Yb может быть использована для управления длиной поглощения излучения накачки в активном волокне. Другие добавки могут быть добавлены для снижения тепловых эффектов и управления этапом показателя преломления.
Но есть некоторые противоположные требования. Чтобы уменьшить нелинейные эффекты, волокно должно быть короче. Однако для снижения тепловой нагрузки волокно должно быть длиннее. Фото-потемнение растет с квадратом концентрации легирующей примеси, поэтому более длинные волокна с более низким допингом также будут лучше.
Приложения в ультрабыстрой науке
После примерно десятилетия стагнации в области масштабирования мощных одномодовых волоконных лазеров теперь представляется целесообразным разработать новое поколение волоконных лазеров с киловаттным классом с отличным качеством луча.
Показаны выходные мощности 4,3 кВт, ограниченные только мощностью накачки.
Определены основные ограничения для дальнейшего масштабирования, и были определены пути преодоления этих ограничений.
Следует отметить, что это было тщательное исследование всех известных эффектов и последующая оптимизация параметров, которые привели к успехам в дизайне волокон и, наконец, к новым рекордам в выходной мощности.
Дальнейшее масштабирование и адаптация волокна для других приложений кажутся выполнимыми и будут нацелены дальше.
Это открывает ряд интересных перспектив.
С одной стороны, передача результатов в промышленные продукты желательна партнерами по проекту, но потребует дополнительных крупных усилий в области развития.
С другой стороны, эта технология очень важна для масштабирования других волоконно-оптических лазерных систем, таких как фемтосекундные волоконные усилители.
Что такое одномодовый лазер
В мире лазеров лишь немногие системы, похоже, завоевали популярность среди пользователей так же быстро, как ранние волоконно-лазерные системы.
Это не удивительно. Волоконные лазеры представляют собой значительный скачок по сравнению с тем, что было возможно с более ранними технологиями, такими как первые диодные системы с накачкой, или с установленными методологиями, такими как СО2-лазер.
Для инженеров и ученых волоконный лазер представляет собой устройство, в котором «среда с активным усилением представляет собой оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами, такими как эрбий, иттербий, неодим, диспрозий, празеодим, тулий и гольмий».
Но для неинженеров и тех, кто не совсем научен, такое объяснение оставляет желать лучшего.
Итак, давайте объясним.
Волокно вместо газа
Этот уровень луча подходит для резки самых разных материалов. CO2-лазеры также полезны в медицинских ситуациях, таких как хирургия мягких тканей или дерматология.
В отличие от этого, волоконный лазер заменяет газ обычным оптическим волокном, изготовленным из кварцевого стекла. Это волокно затем «легируется», когда к нему добавляется чуть-чуть одного из редкоземельных элементов.
Атомы, составляющие лазерную среду, затем помещаются в это легированное редкоземельными элементами волокно. Когда фотоны испускаются, они заключены внутри этой легированной волоконной сердцевины.
Почему выбирают волоконный лазер?
Идея ограничить фотоны в легированном редкоземельным волокном волокне дает его главное преимущество перед конкурентами: стабильность.
Поскольку волоконный лазер генерирует свой луч внутри сердечника, для доставки луча не требуется сложное или чувствительное оптическое оборудование.
С другой стороны, обычный лазер использует оптическое волокно для перемещения лазерного луча или зеркала, чтобы отражать его. Любой подход работает, но оба требуют чрезвычайно точного выравнивания. Это делает обычные лазеры чувствительными к движению и ударам. И как только все выходит из строя, специалист должен все исправить.
У волоконного лазера такой чувствительности нет. Это стабильно. Волоконный лазер может справиться с ударами, ударами, вибрациями и общим диссонансом на любой сборочной линии.
Есть еще одно преимущество, заключающееся в том, что лазерный луч ограничен сердечником из легированного волокна: он удерживает луч прямым и небольшим.
Это, в свою очередь, позволяет малым и необходимость фокусировки. Как правило, в лазерах чем меньше точка, создаваемая лучом, тем эффективнее резка.
Еще одним преимуществом является то, что волоконные лазеры являются энергоэффективными.
Волоконный лазер может преобразовать почти 100 процентов входного сигнала, который он получает, в луч, тем самым ограничивая количество энергии, преобразуемой в тепловую энергию. Это означает, что волокно имеет тенденцию оставаться защищенным от теплового повреждения или разрушения.
Все это создает надежный лазер, который практически не требует обслуживания.
Телесис и волоконный лазер
Волоконные лазеры имеют долгую историю. Они были впервые изобретены Элиасом Снитцером в 1963 году. Но первые коммерческие модели появились на рынке только в конце 1980-х годов.
Нашей первой моделью был лазер на основе иттербиевого волокна. В нем использовался подход, получивший признание в коммуникациях, но Telesis признал, что его можно адаптировать для использования в маркировочных материалах. Это было потрясающее развитие. Этот новый стиль лазерной маркировки был самой передовой технологией своей эпохи.
Его основной прорыв был связан с его устойчивым характером. Иттербиевый волоконный лазер производил время работы 20,000 часов и выше. Такая успешная технология доказала, что она до сих пор широко используется для маркировки поверхностей.
Следующим шагом для Telesis стала разработка лазерной системы Vanadate. В этой системе используется кристалл из ванадата (соединение химического элемента ванадия) с волоконно-связанными диодами.
Лазер Ванадат производит луч очень высокого качества, который может производить необычайно тонкие линии на удивительно широком диапазоне материалов.
Сегодняшние модели
Сегодня Telesis производит и продает несколько разновидностей не требующих обслуживания лазеров с иттербиевым волокном с модуляцией добротности специально для маркировки.
Наши модели электростанций называются Серия FiberЭти лазеры имеют средние уровни мощности от 10 до 100 Вт и подают мощный лазерный луч прямо на маркировочную головку с помощью гибкого оптоволоконного кабеля в металлической оболочке.
Волоконно-оптические технологии и прочная механическая конструкция делают лазеры идеально подходящими для промышленных сред, где удары, вибрация и пыль могут оказаться слишком многими другими подходами.
Конструкция волоконно-оптических маркеров серии F позволяет сделать корпус в целом очень маленьким и модульным, что облегчает его интеграцию в различные промышленные приложения. Системы лазерной маркировки серии Fiber обеспечивают лучшую в своем классе надежность MTBF-диода на 100,000 110 часов без требований к водяному охлаждению и только для однофазного питания 220/XNUMX В переменного тока.
Недавно мы выпустили совершенно новую продуктовую линейку, нацеленную на снижение затрат при одновременном повышении скорости производства для производственных клиентов.
Идея позади Импульсная волоконная лазерная маркировочная система с двумя головками Это просто: пусть один человек, использующий только один персональный компьютер, может одновременно управлять несколькими лазерами.
Тем не менее, несмотря на эту простоту, система Dual Head поддерживает качество луча, которым известны все волоконные лазеры Telesis, а также надежность работы MTBF-диода в 100,000 XNUMX часов. Система Dual Head полностью охлаждается воздухом и питается от однофазной электрической розетки.
Самое главное, что система Dual-Head позволяет легко перейти от более традиционной печати цифровых кодов к современной 2D-матричной печати, которая может кодировать большие объемы данных отслеживания.
Крупные производители видят выгоду. Система с двумя головками была развернута и протестирована на ведущих производителях, таких как Harley-Davidson® Motorcycles и Nissan® Motor Co. Ltd.
Волоконные лазеры следующего поколения
В быстро меняющемся мире технологии волоконных лазеров ни одна компания не может почивать на лаврах. Даже такая компания, как Telesis.
Наш последний прорыв только недавно вошел в производство: Лазерная система на 100 Вт.
Сообщество инженеров давно знает об исключительной мощи 100-ваттных волоконных лазеров. Но люди в C-suite давно знают, что лазерные системы с таким уровнем власть была слишком дорогой для всех, кроме немногих. Вот почему Telesis поручил нашей команде ученых и инженеров мирового уровня создать доступную версию такой системы.
Примечательно, что они сделали это.
Наш новый мощный волоконный лазер делает глубокие (0.3 миллиметра) метки за один проход! Благодаря такой скорости и глубине 100-ваттный лазер идеально подходит для таких применений, как создание меток VIN в автомобильной промышленности или идентификаторов деталей для авионики.
Производители взволнованы. Мы продали три из этих новых волоконных лазерных систем, пока они еще тестировались!
С прорывом 100-ваттного оптоволоконного лазера хочется сказать, что индустрия достигла своего апогея. Чего еще можно ожидать от волоконного лазера?
Мы намерены выяснить.
Наши инженеры знают, что надежная природа волоконно-лазерных машин в сочетании с точным лучом, который они производят, указывают на будущее все более быстрых и менее дорогих маркировочных устройств.
На самом деле, у них уже есть несколько сюрпризов. Так что следите за обновлениями.
В отличие от многих других производителей, Telesis производит самые разные маркировочные машины, используя самые разные технологии. Это первая статья из серии, в которой объясняются различные технологии, которые мы используем, и рассматриваются их преимущества и недостатки в любой конкретной среде.