Bryce Samon, George Oulundsen, Adrian Carter, Steven R. Bowman – Nufern
מימוש של לייזר סיב בהספק של 140 וואט ושיפוע יעילות של 60%, באורך גל של 2.13 מיקרון במרכז האינפרא-אדום, אפשרי באמצעות סיבי סיליקה באילוח הולמיום (Ho), הפועלים באורכי גל בקצה תחום העבירות האופטית של סיבי סיליקה.
לייזרי סיב הפועלים ברמות הספק גבוהות (יותר מאשר 100 וואט) ביעילות גבוהה, היו מוגבלים בעבר להתקנים העשויים מסיבי סיליקה אשר אולחו עם אטומי איטרביום (Yb, אורך גל העבודה – 1 מיקרון), ארביום (1.5 מיקרון, Er) ולאחרונה גם תוליום
(Tm , 2).
למעשה, לייזרי סיב באילוח תוליום הפועלים באורך גל 2 מיקרון הוצגו זה מכבר עם הספק מוצא המגיע ל-1 קילו וואט ובאיכות קרן Single Mode , מסיב בעל שטח אופן גדול .
לאחרונה התמקד המחקר בסיבי סיליקה עם אילוח הולמיום (Ho) אשר פועלים באורכי גל ארוכים יותר מאשר תוליום (יותר מ-2.1 מיקרון) וביעילות גבוהה יותר כאשר שאובים ב-2 מיקרון, ולפיכך מציעים פוטנציאל להגיע לרמות הספק גבוהות יותר מאלה האפשריות כיום עבור סיבים עם אילוח תוליום.
אופטימיזציה של זכוכית
התכנון והייצור של סיבים באילוח הולמיום נמצא כיום ברובו בשלב מחקרי, המבוצע על ידי כמה קבוצות ברחבי העולם. אחד הנושאים הנחקרים הוא האופטימיזציה של מנגנוני שאיבה במטרה להעלות את הספק המוצא לרמה של קילו וואטים. האתגרים הכרוכים בהפעלת הסיבים מהמשפחה שצויינה אשר מאולחים בעופרות נדירות, ברמות ההספק הגבוהות, הינם רבים וכוללים את העבודה באורכי גל ארוכים, בגבול ההעברה של זכוכית סיליקה עצמה, כ-2.1 מיקרון, אורך גל שבו קצה הבליעה הרב-פוטונית בזכוכית סיליקה כבר מהווה בעיה. בנוסף, התפקיד שממלאים ההפסדים החיצוניים, למשל זיהום הידרוקסידי (OH), משמעותי יותר בעבודה באורך גל זה.
אופטימיזציה של הפרמטרים הספקטרליים של סיבי סיליקה מאולחי הולמיום דורשת צמצום השפעות הריכוז (concentration quenching), לרבות דיכוי של תהליכי המרה, המרה לרמות גבוהות (up-conversion quenching processes) ואופטימיזציה של חומרי אילוח נוספים, במטרה למזער את השפעות הקיבוץ (clustering) והריכוז על משך זמן החיים הקרינתי (radiative lifetime) (ראה איור 1). הדעיכה הפנימית, הרב-פוטונית, הלא קרינתית, במשך זמן החיים של הרמה העליונה של הולמיום , חשובה גם היא ולפי המדידות היא בערך 0.6 מילי שניות (בטמפרטורת החדר), עבור סיבים באילוח הולמיום של-0.5% מהמסה. זמן החיים המדוד הזה מתאים ליעילות קרינתית קוונטית של בערך 10% עבור סיליקה באילוח הולמיום). למרות שערך זה נמוך יותר מאשר הערכים עבור סיבי סיליקה באילוח ארביום או איטרביום, הוא לא מהווה גורם מרכזי בקביעת שיפוע היעילות עבור לייזרים ומגברים בהספק גבוה.
הפסדי הרקע בסיב הם הגורם המשמעותי המגביל את שיפוע היעילות, ובמיוחד רמת הזיהום ההידרוקסי (OH) שנשאר מתהליך קדם ייצור (preforming). דבר זה חשוב במיוחד בגלל ההרמוניה (overtone) של הבליעה היסודית של (OH), המתרחשת בסיליקה באיזור 2.2 מיקרון והקרובה יחסית לאורך גל הלזירה, 2.13 מיקרון, של סיבים מאולחי הולמיום. באמצעות שאיבה בקו בליעה של הולמיום ב-1.95 מיקרון, ניתן להוריד את הפגם הקוונטי בתוך לייזר סיב, וכך להוריד את העומס התרמי הנוצר בסיב בהשוואה לשאיבה עם אורך גל של 0.79 מיקרון המתאים לסיבים מאולחי תוליום. התופעה המזיקה של כמויות זיהום קטנות של (OH) על העומס התרמי מדגישה את הצורך ברמות ניקיון גבוהות בסיבים אלה כדי להגביר את היעילות ולאפשר הספקי מוצא גבוהים (ראה איור 2).
לאחרונה פותחו תהליכים חדשניים במטרה למזער את זיהום OH במהלך שלבי טרום ייצור של הסיב. המפתח מצוי בהבנת המקורות השונים של זיהום OH ובהקטנת השפעתם בצורה הדרגתית ומבוקרת. הזיהום יכול לנבוע החל משלבי טרום ייצור, רמת ניקיון חומרי הגלם הכימיים ועד לדרך טיפול הזכוכית במהלך התהליך. היצרנים של הסיבים באילוח הולמיום פיתחו שיטות משל עצמם, המוגנות מסחרית, לצמצום זיהום OH. שיטות אלה כוללות שלבי ייבוש נוספים, הימנעות מטיפול בזכוכית במהלך התהליך, ושמירה קפדנית על התנאים האטמוספריים. בכל המקרים, הצעדים הנוספים האלה מאריכים את זמן התהליך ומגדילים את מורכבות ייצור סיבים מאולחי הולמיום.
תכנון מוליך גל סיבי
בשנים האחרונות, בנוסף לחקר האופטימיזציה של הזכוכית נחקר גם תכנון מוליך הגל הסיבי. מחקרים ראשונים של סיבים מאולחי הולמיום, בדרך כלל הצריכו אור שאיבה באורך גל 1.15 מיקרון, ליבת סיב יחסית קטנה, וסיב Single Mode. על מנת להגדיל את ההספק של מערכת הלייזר, קבוצות מחקר רבות בחרו את אורך גל השאיבה בסביבות 1.95 מיקרון, אורך גל שאחראי ישירות לערעור לרמה המטה-סטבילית (metastable) של הולמיום .
אורך גל שאיבה זה כבר זמין מלייזרי סיב Single Mode מאולחי תוליום בעלי הספקי מוצא גבוהים, שכבר היום פועלים ברמות הספק מעבר ל-100 וואט ושאובים על ידי דיודות לייזר רבות הספק באורך גל 0.79 מיקרון.
כמו כן נחקרו שינויים בתכנון מוליך הגל, המיועדים להקטין את המפתח הנומרי (NA) של הליבה ביחס למעטפת הסיליקה, וכיום כבר אפשר לראות בשוק מגוון של סיבים מאולחי הולמים Single Mode ושטח אופן גדול (LMA). הפיתוח של תצורות בעלות שטח אופן גדול עבור סיבים עם אילוח הולמיום היה פשוט יותר מאשר עבור סיבים עם אילוח ארביום:איטרביום (Er:Yb) או תוליום המצריכים תכנון סיבי פדסטלי על מנת לקבל מפתח נומרי (NA) של הליבה הקרוב ל-0.1. בדרך כלל קטרי המעטפת עבור סיבים עם אילוח הולמיום קטנים מאשר אלה עם אילוח איטרביום, בזכות הבהירות הגבוהה של לייזרי סיב מבוססי תוליום המשמשים לשאיבת סיבי הולמיום.
אחד הקשיים בתכנון הסיב, הוא הרצון שמעטפת הזכוכית הפנימית תשמש כמוליך גל עבור אור השאיבה, במקום מוליך הגל המקובל העשוי זכוכית\פולימר, הנפוץ בסיבים מאולחי איטרביום. מוליך גל פנימי זה מציע הפסדים נמוכים יותר עבור אורך גל שאיבה של 1.95 מיקרון (ראה איור 3). למרות השימוש בלייזר סיב כמקור שאיבה, יעילות ההמרה החשמלית-אופטית הכוללת של שיטת שאיבה זו עדיין גבוהה, וזאת הודות ליעילות הגבוהה של לייזרי סיב מאולחי תוליום המשמשים לשאיבה שלרוב הינה
60-65%.
כדאי להדגיש שלמרות התצורות עם המעטפת הכפולה, סיבים המאולחים בהולמיום פועלים ביעילות נמוכה יותר מאשר דומיהם עם המעטפת המשולשת. לעתים קרובות מעדיפים להשתמש בהם בשלבים מוקדמים של פיתוח התקן כדי לפשט את האופטימיזצייה של הסיב עבור אפליקציה נתונה. ברגע שנבחרה התצורה האופטימלית (הרכב החומר והגיאומטירה) עבור הגרסה עם המעטפת הכפולה, האופטימיזציה עבור הגרסה עם המעטפת המשולשת פשוטה מאוד.
תוצאות ניסיוניות וכיוונים עתידיים
לאחרונה נעשה שימוש בסיב מאולח הולמיום של חברת Nufern כדי ליצור לייזר סיב יעיל באורך גל 2.13 מיקרון. הסיב באילוח הולמיום נוצר עבור פעולה ב-Singlemode באורך גל 2.1 מיקרון, עם ליבה אקטיבית בקוטר של 18 מיקרון ומפתח נומרי (NA) של 0.08, המתאימים למספר (V-number) של 2.2. הליבה מוקפת במעטפת פנימית רגילה מזכוכית סיליקה בצורת מתומן ובעלת קוטר משטח למשטח של 112 מיקרון.
Waveguide נמוך הפסדים, באורך גל 1.95 מיקרון, הושג ע”י שימוש במעטפת החיצונית בקוטר 180 מיקרון שעשויה כולה מזכוכית באילוח פלואור, תכנון המספק מפתח נומרי (NA) של 0.22.
לאחר מכן הסיב נעטף עם זכוכית סיליקה כדי ליצור מעטפת חיצונית בקוטר 250 מיקרון.
לייזר סיב השאוב מתווך פתוח
(free-space) והמבוסס על סיב מאולח הולמיום פעל בהספק של 140 וואט (בגל רציף CW) וסיפק קרן Singlemode באורך גל 2.13 מיקרון ושיפוע יעילות של 60% ביחס להספק השאיבה (ראה איור 4).
בנוסף, יוצר סיב בעל שטח אופן גדול (LMA) עם ליבה בקוטר 40 מיקרון, ולייזר סיב שהורכב איתו הגיע להספק של 140 וואט כאשר מנגנון השאיבה היה בדיוק כמו בסיב הקודם. כמו כן, בנוסף ללייזרים רציפים, הודגם גם לייזר סיב מאולח הולמיום פולסי, אשר סיפק יותר מ-5 וואט הספק ממוצע, בתדר פולסים של 600 קילו הרץ, ובאורך פולס של 85 ננו שניות עם קיטוב לינארי יציב.
מגוון רחב של שימושים מצריך מקורות לייזר באיזור הספקטרלי של 2 מיקרון, לרבות חישה מרחוק, גילוי אור, מדידת טווח, המרת תדר לא לינארית, וכן גם מערכות נשק עתידיות המבוססות לייזר בהספק גבוה, וכל אלה ירוויחו מיתרונות של מקורות בתחום האינפרא-אדום המרכזי, בעלי איכות אלומה מצויינת והספקי מוצא גבוהים.
לחלונות האטמוספריים באורכי גל הגדולים מ-2.1 מיקרון יש חשיבות מיוחדת עבור יישומים צבאיים ויישומי חישה מרחוק. ישנו גם מגוון רחב של אפליקציות מדעיות, צבאיות ורפואיות המערבות המרה לא לינראית של התדר לתחום האינפרא-אדום האמצעי, לעתים קרובות על ידי גבישים הקיימים בשוק, כגון אבץ גרמניום פוספידי (ZnGeP2) או ZGP. עם זאת, בליעה הנובעת מפגמים בגבישי ZGP מתחת ל-2.1 מיקרון, מונעת את הגדלת ההספק עקב התחממות וירידה בטיב האלומה. כל אלו מגבילים את השימוש בלייזרי סיב באילוח תוליום כמקורות שאיבה להספקים גבוהים, ומהווים ישום מצויין עבור דור חדש של לייזרי סיב באילוח הולמיום.
על מנת להגדיל את ההספק הרציף ואת אנרגיית הפולס, נדרשת עבודה נוספת על מנת להביא את תכנון הסיבים בעלי שטח אופן גדולים וכן את הסיבים נלווים ושאר הרכיבים הנדרשים לידי בשלות הדרושה ליצור התקני לייזר מסחריים מונוליטיים, עמידים וקומפקטיים מבוססי סיבים בלבד.
עבודה המתבצעת על ידי כמה קבוצות מחקר, מתמקדת כעת ברמות הספק מוצא גבוהות ואורכי גל הגדולים מ-2.1 מיקרון עבור התקנים מונוליטיים כאלה וצופים, שתכנון סיבים באילוח הולמיום יגיע לידי בשלות ולייזרי סיב בעלי הספק מוצא של קילו ואטים רבים, בתחום שמעבר ל-2.1 מיקרון, יכנסו לשימוש בקרוב.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת ניו-טכנולוג’י
