फ़ाइबर लेज़र क्या है?

परिभाषा: एक लेजर जो डोप्ड फाइबर को लाभ माध्यम के रूप में उपयोग करता है, या एक लेजर जिसका लेजर रेज़ोनेटर ज्यादातर फाइबर से बना होता है।

फ़ाइबर लेज़र आमतौर पर ऐसे लेज़रों को संदर्भित करते हैं जो फ़ाइबर को लाभ माध्यम के रूप में उपयोग करते हैं, हालाँकि कुछ लेज़र जो सेमीकंडक्टर गेन मीडिया (सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायर) और फ़ाइबर रेज़ोनेटर का उपयोग करते हैं, उन्हें फ़ाइबर लेज़र (या सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल लेज़र) भी कहा जा सकता है। इसके अलावा, कुछ अन्य प्रकार के लेजर (उदाहरण के लिए, फाइबर-युग्मित अर्धचालक डायोड) और फाइबर एम्पलीफायरों को फाइबर लेजर (या फाइबर लेजर सिस्टम) भी कहा जाता है।

ज्यादातर मामलों में, लाभ माध्यम एक दुर्लभ पृथ्वी आयन-डोप्ड फाइबर होता है, जैसे कि एर्बियम (Er3+), येटरबियम (Yb3+), थोरियम (Tm3+), या प्रेसियोडायमियम (Pr3+), और एक या अधिक फाइबर-युग्मित लेजर डायोड की आवश्यकता होती है। पम्पिंग के लिए. यद्यपि फ़ाइबर लेज़रों का लाभ माध्यम सॉलिड-स्टेट बल्क लेज़रों के समान है, वेवगाइड प्रभाव और छोटे प्रभावी मोड क्षेत्र के परिणामस्वरूप विभिन्न गुणों वाले लेज़र होते हैं। उदाहरण के लिए, उनमें आमतौर पर उच्च लेजर लाभ और उच्च गुंजयमान यंत्र गुहा हानि होती है। प्रविष्टियाँ फ़ाइबर लेज़र और बल्क लेज़र देखें।

आकृति 1

फाइबर लेजर गुंजयमान यंत्र

ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करके एक लेजर रेज़ोनेटर प्राप्त करने के लिए, एक रैखिक रेज़ोनेटर बनाने के लिए, या फ़ाइबर रिंग लेजर बनाने के लिए कई रिफ्लेक्टर का उपयोग किया जा सकता है। रैखिक ऑप्टिकल लेजर अनुनादक में विभिन्न प्रकार के परावर्तकों का उपयोग किया जा सकता है:

चित्र 2

1. प्रयोगशाला सेटअप में, साधारण डाइक्रोइक दर्पणों का उपयोग लंबवत रूप से कटे हुए फाइबर के सिरों पर किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। हालांकि, इस समाधान का उपयोग बड़े पैमाने पर उत्पादन में नहीं किया जा सकता है और यह टिकाऊ नहीं है।

2. नंगे फाइबर के अंत में फ्रेस्नेल प्रतिबिंब फाइबर लेजर के लिए आउटपुट कपलर के रूप में काम करने के लिए पर्याप्त है। चित्र 2 एक उदाहरण दिखाता है.

3. ढांकता हुआ कोटिंग भी सीधे फाइबर के सिरों पर जमा की जा सकती है, आमतौर पर वाष्पीकरण द्वारा। इस तरह की कोटिंग्स विस्तृत रेंज में उच्च परावर्तनशीलता प्राप्त कर सकती हैं।

4. वाणिज्यिक उत्पादों में, आमतौर पर फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग का उपयोग किया जाता है, जिसे सीधे डोप किए गए फाइबर से या बिना डोप किए गए फाइबर को सक्रिय फाइबर में जोड़कर तैयार किया जा सकता है। चित्र 3 एक वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर लेजर (डीबीआर लेजर) दिखाता है, जिसमें दो फाइबर झंझरी शामिल हैं। डोप्ड फाइबर में एक झंझरी और बीच में एक चरण बदलाव के साथ एक वितरित फीडबैक लेजर भी है।

5. यदि फाइबर से उत्सर्जित प्रकाश को एक लेंस द्वारा संघटित किया जाता है और एक डाइक्रोइक दर्पण द्वारा वापस परावर्तित किया जाता है, तो बेहतर पावर हैंडलिंग प्राप्त की जा सकती है। बड़े बीम क्षेत्र के कारण दर्पण द्वारा प्राप्त प्रकाश की तीव्रता बहुत कम हो जाएगी। हालाँकि, मामूली गलत संरेखण महत्वपूर्ण प्रतिबिंब हानि का कारण बन सकता है, और फाइबर अंत पहलुओं पर अतिरिक्त फ्रेस्नेल प्रतिबिंब फ़िल्टर प्रभाव उत्पन्न कर सकते हैं। उत्तरार्द्ध को कोणीय क्लीवेड फाइबर सिरों का उपयोग करके दबाया जा सकता है, लेकिन यह तरंग दैर्ध्य-निर्भर नुकसान का परिचय देता है।

6. फाइबर कपलर और निष्क्रिय फाइबर का उपयोग करके ऑप्टिकल लूप रिफ्लेक्टर बनाना भी संभव है।

अधिकांश ऑप्टिकल लेज़रों को एक या अधिक फ़ाइबर-युग्मित अर्धचालक लेज़रों द्वारा पंप किया जाता है। पंप लाइट को सीधे फाइबर कोर में या उच्च शक्ति पर पंप क्लैडिंग में जोड़ा जाता है (डबल-क्लैड फाइबर देखें), जिस पर नीचे विस्तार से चर्चा की जाएगी।

फ़ाइबर लेज़र कई प्रकार के होते हैं, जिनमें से कुछ का वर्णन नीचे दिया गया है।

फ़ाइबर लेज़र कई प्रकार के होते हैं, जिनमें से कुछ का वर्णन नीचे दिया गया है।

उच्च शक्ति फाइबर लेजर

प्रारंभ में, फ़ाइबर लेज़र केवल कुछ मिलीवाट की आउटपुट शक्तियाँ प्राप्त करने में सक्षम थे। आज, उच्च-शक्ति फ़ाइबर लेज़र एकल-मोड फ़ाइबर से कई सौ वाट और कभी-कभी कई किलोवाट की आउटपुट शक्ति भी प्राप्त कर सकते हैं। यह पहलू अनुपात और वेवगाइड प्रभावों को बढ़ाकर हासिल किया जाता है, जो थर्मो-ऑप्टिकल प्रभावों से बचते हैं।

अधिक विवरण के लिए प्रविष्टि हाई-पावर फाइबर लेजर और एम्पलीफायर देखें।

अपरूपांतरण फाइबर लेजर

फ़ाइबर लेज़र विशेष रूप से अपरूपांतरण लेज़रों को साकार करने के लिए उपयुक्त हैं, जो आमतौर पर अपेक्षाकृत कम लेज़र संक्रमणों पर काम करते हैं और बहुत उच्च पंप तीव्रता की आवश्यकता होती है। फ़ाइबर लेज़रों में, उच्च पंप तीव्रता को लंबी दूरी तक बनाए रखा जा सकता है, ताकि प्राप्त लाभ दक्षता बहुत कम लाभ वाले संक्रमणों के लिए आसानी से प्राप्त हो सके।

ज्यादातर मामलों में, सिलिका फाइबर अपरूपांतरण फाइबर लेजर के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं, क्योंकि अपरूपांतरण तंत्र को इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा स्तर में एक लंबे मध्यवर्ती राज्य जीवनकाल की आवश्यकता होती है, जो आमतौर पर उच्च फोनन ऊर्जा (मल्टीफोटोन संक्रमण देखें) के कारण सिलिका फाइबर में बहुत छोटा होता है। इसलिए, आमतौर पर कुछ भारी धातु फ्लोराइड फाइबर का उपयोग किया जाता है, जैसे कि कम फोनन ऊर्जा वाला ZBLAN (एक फ्लोरोज़िरकोनेट)।

सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले अपकन्वर्ज़न फ़ाइबर लेज़र नीली रोशनी के लिए थोरियम-डॉप्ड फ़ाइबर, लाल, नारंगी, हरी या नीली रोशनी के लिए प्रेज़ियोडिमियम-डॉप्ड लेज़र (कभी-कभी येटरबियम के साथ) और ट्रायोड के लिए एर्बियम-डॉप्ड लेज़र हैं।

नैरो-लाइनविड्थ फ़ाइबर लेज़र

फ़ाइबर लेज़र केवल एक एकल अनुदैर्ध्य मोड (सिंगल-फ़्रीक्वेंसी लेज़र, सिंगल-मोड ऑपरेशन देखें) में कुछ किलोहर्ट्ज़ या 1 किलोहर्ट्ज़ से भी कम की बहुत संकीर्ण लाइनविड्थ के साथ काम कर सकते हैं। लंबे समय तक स्थिर एकल-आवृत्ति संचालन के लिए, और तापमान स्थिरता पर विचार करने के बाद अतिरिक्त आवश्यकताओं के बिना, लेजर गुहा छोटी होनी चाहिए (उदाहरण के लिए, 5 सेमी), हालांकि गुहा जितनी लंबी होगी, सिद्धांत रूप में, चरण शोर उतना ही कम होगा और संकीर्ण होगा रेखा की चौडाई। कैविटी मोड का चयन करने के लिए फाइबर के सिरे में एक नैरोबैंड फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर लेजर, डीबीआर फाइबर लेजर देखें) होता है। आउटपुट पावर आम तौर पर कुछ मिलीवाट से लेकर दसियों मिलीवाट तक होती है, और 1 डब्ल्यू तक की आउटपुट पावर वाले एकल-आवृत्ति फाइबर लेजर भी उपलब्ध हैं।

एक चरम रूप वितरित फीडबैक लेजर (डीएफबी लेजर) है, जहां संपूर्ण लेजर गुहा बीच में एक चरण बदलाव के साथ फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग के भीतर समाहित होती है। यहां कैविटी अपेक्षाकृत छोटी है, जो आउटपुट पावर और लाइनविड्थ का त्याग करती है, लेकिन एकल-आवृत्ति ऑपरेशन बहुत स्थिर है।

फाइबर एम्पलीफायरों का उपयोग उच्च शक्तियों को और अधिक बढ़ाने के लिए भी किया जा सकता है।

क्यू-स्विच्ड फाइबर लेजर

फाइबर लेजर विभिन्न सक्रिय या निष्क्रिय क्यू स्विच का उपयोग करके दसियों से सैकड़ों नैनोसेकंड तक की लंबाई के साथ दालें उत्पन्न कर सकते हैं। कुछ मिलीजूल की पल्स ऊर्जा बड़े मोड क्षेत्र फाइबर के साथ प्राप्त की जा सकती है, और चरम मामलों में संतृप्ति ऊर्जा (बड़े मोड क्षेत्र फाइबर के साथ भी) और क्षति सीमा (छोटी पल्स के लिए अधिक स्पष्ट) द्वारा सीमित, दसियों मिलीजूल तक पहुंच सकती है। सभी फाइबर डिवाइस (फ्री-स्पेस ऑप्टिक्स को छोड़कर) पल्स ऊर्जा में सीमित हैं, क्योंकि वे आमतौर पर बड़े मोड क्षेत्र फाइबर और प्रभावी क्यू स्विचिंग को लागू नहीं कर सकते हैं।

उच्च लेजर लाभ के कारण, फाइबर लेजर में क्यू-स्विचिंग बल्क लेजर से प्रकृति में बहुत अलग है और अधिक जटिल है। समय डोमेन में आमतौर पर कई स्पाइक्स होते हैं, और रेज़ोनेटर राउंड-ट्रिप समय से कम लंबाई के साथ क्यू-स्विच्ड दालों का उत्पादन करना भी संभव है।

मोड-लॉक फ़ाइबर लेज़र पिकोसेकंड या फेमटोसेकंड पल्स उत्पन्न करने के लिए अधिक जटिल रेज़ोनेटर (अल्ट्राशॉर्ट फ़ाइबर लेज़र) का उपयोग करते हैं। यहां, लेजर रेज़ोनेटर में एक सक्रिय मॉड्यूलेटर या कुछ संतृप्त अवशोषक होते हैं। संतृप्त अवशोषक को गैर-रेखीय ध्रुवीकरण रोटेशन प्रभाव या एक गैर-रेखीय फाइबर लूप दर्पण का उपयोग करके महसूस किया जा सकता है। नॉनलाइनियर लूप मिरर का उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, चित्र 8 में "आठ लेजर का आंकड़ा" में, जहां बाईं ओर राउंड-ट्रिप अल्ट्राशॉर्ट पल्स को बढ़ाने, आकार देने और स्थिर करने के लिए एक मुख्य रेज़ोनेटर और एक नॉनलाइनियर फाइबर रिंग होता है। विशेष रूप से हार्मोनिक मोड लॉकिंग में, अतिरिक्त उपकरणों की आवश्यकता होती है, जैसे ऑप्टिकल फिल्टर के रूप में उपयोग की जाने वाली सबकैविटी।