העיקרון הבסיסי של לייזרי סיבים חד-מצביים

העיקרון הבסיסי שללייזרי סיבים חד-מצביים

יצירת לייזר דורשת עמידה בשלושה תנאים בסיסיים: היפוך אוכלוסייה, חלל תהודה מתאים והגעה ללייזרסף (רווח האור בחלל התהודה חייב להיות גדול מההפסד). מנגנון הפעולה של לייזרי סיבים חד-מצביים מבוסס בדיוק על עקרונות פיזיקליים בסיסיים אלה ומשיג אופטימיזציה של ביצועים באמצעות המבנה המיוחד של מוליכי גל סיבים.

קרינה מגורה והיפוך אוכלוסייה הן הבסיס הפיזי לייצור לייזרים. כאשר אנרגיית האור הנפלטת ממקור המשאבה (בדרך כלל דיודת לייזר מוליך למחצה) מוזרקת לסיב הגברה מסומם ביוני אדמה נדירה (כגון איטרביום Yb³⁺, ארביום Er³⁺), יוני האדמה הנדירה סופגים אנרגיה ועוברים ממצב יסוד למצב מעורר. כאשר מספר היונים במצב מעורר עולה על זה שבמצב היסוד, נוצר מצב היפוך אוכלוסייה. בנקודה זו, הפוטון הפוגע יפעיל את הקרינה המגורה של יון המצב המעורר, וייצר פוטונים חדשים בעלי תדר, פאזה וכיוון זהים לפוטון הפוגע, ובכך משיג הגברה אופטית.

התכונה המרכזית של מצב יחידלייזרי סיביםטמון בקוטר הליבה הדק ביותר שלהם (בדרך כלל 8-14 מיקרומטר). על פי תורת האופטיקה הגלית, ליבה דקה כזו יכולה לאפשר העברה יציבה של מצב שדה אלקטרומגנטי אחד בלבד (כלומר, מצב בסיסי LP₀₁ או מצב HE₁₁), כלומר, מצב יחיד. זה מבטל את בעיית הפיזור הבין-מודאלי הקיימת בסיבים מרובי-מודים, כלומר, תופעת הרחבת הפולסים הנגרמת מהתפשטות של מצבים שונים במהירויות שונות. מנקודת מבט של מאפייני העברה, הפרש הנתיב של האור המתפשט לאורך הכיוון הצירי בסיבים אופטיים חד-מודאליים הוא קטן ביותר, מה שהופך את אלומת הפלט לקוהרנטיות מרחבית מושלמת ופיזור אנרגיה גאוסיאני, וגורם איכות הקרן M² יכול להתקרב ל-1 (M²=1 עבור קרן גאוסית אידיאלית).

לייזרים סיבים הם נציגים בולטים של הדור השלישיטכנולוגיית לייזר, המשתמשים בסיבים מזכוכית מסוממים ביסודות אדמה נדירים כמדיום הגברה. במהלך העשור האחרון, לייזרי סיבים חד-מצביים תפסו נתח חשוב יותר ויותר בשוק הלייזרים העולמי, הודות ליתרונות הביצועים הייחודיים שלהם. בהשוואה ללייזרי סיבים רב-מצביים או לייזר מצב מוצק מסורתי, לייזרי סיבים חד-מצביים יכולים לייצר קרן גאוסית אידיאלית באיכות קרן קרובה ל-1, מה שאומר שהקרן יכולה כמעט להגיע לזווית ההתבדרות המינימלית התיאורטית ולנקודת המיקוד המינימלית. תכונה זו הופכת אותם לחיובים בתחומי העיבוד והמדידה הדורשים דיוק גבוה והשפעה תרמית נמוכה.