التطور التقني لأشعة الليزر الليفية عالية الطاقة

التطور التقني لأشعة الليزر الليفية عالية الطاقة

تحسينليزر الأليافبناء

1- هيكل مضخة ضوء الفضاء

كانت ليزرات الألياف المبكرة تعتمد في الغالب على خرج الضخ البصري،ليزرنظرًا لانخفاض قدرة خرج ليزر الألياف، فإن تحسينها بسرعة في فترة زمنية قصيرة يمثل تحديًا كبيرًا. في عام 1999، تجاوزت قدرة خرج ليزر الألياف 10000 واط لأول مرة في مجال البحث والتطوير، ويعتمد تركيب ليزر الألياف بشكل أساسي على الضخ الضوئي ثنائي الاتجاه، مُشكِّلًا رنانًا، وقد بلغت كفاءة ليزر الألياف 58.3%.
ومع ذلك، فعلى الرغم من أن استخدام ضوء ضخ الألياف وتقنية اقتران الليزر لتطوير ليزرات الألياف يمكن أن يحسن بشكل فعال من قدرة خرج ليزرات الألياف، إلا أن هناك تعقيدًا في الوقت نفسه، وهو ما لا يساعد العدسة البصرية على بناء المسار البصري، فبمجرد الحاجة إلى تحريك الليزر في عملية بناء المسار البصري، فإن المسار البصري يحتاج أيضًا إلى إعادة ضبط، مما يحد من التطبيق الواسع لليزر الألياف ذي بنية الضخ البصري.

2- بنية المذبذب المباشر وبنية MOPA

مع تطور ليزرات الألياف، حلت أجهزة فصل الطاقة عن الغلاف تدريجيًا محل مكونات العدسة، مما بسّط خطوات تطوير ليزرات الألياف وحسّن بشكل غير مباشر كفاءة صيانتها. يرمز هذا التوجه التطويري إلى التطبيق العملي المتزايد لليزر الألياف. يُعدّ كل من هيكل المذبذب المباشر وهيكل MOPA من أكثر هياكل ليزرات الألياف شيوعًا في السوق. في هيكل المذبذب المباشر، تقوم الشبكة باختيار الطول الموجي أثناء عملية التذبذب، ثم تُخرجه. أما في هيكل MOPA، فيُستخدم الطول الموجي المُختار بواسطة الشبكة كضوء بذرة، ويتم تضخيمه بواسطة مُضخّم المستوى الأول، مما يُحسّن قدرة خرج ليزر الألياف إلى حدٍ ما. ولفترة طويلة، استُخدمت ليزرات الألياف ذات هيكل MPOA كهيكل مُفضّل لليزر الألياف عالي القدرة. ومع ذلك، فقد وجدت الدراسات اللاحقة أن خرج الطاقة العالية في هذا الهيكل من السهل أن يؤدي إلى عدم استقرار التوزيع المكاني داخل ليزر الألياف، وسيتأثر سطوع الليزر الناتج إلى حد ما، مما يؤثر بشكل مباشر على تأثير خرج الطاقة العالية.

مع تطور تكنولوجيا الضخ

عادةً ما يكون طول موجة الضخ في ليزر الألياف المُطعّم بالإيتربيوم في بداياته 915 نانومتر أو 975 نانومتر، ولكن هذين الطولين هما ذروة امتصاص أيونات الإيتربيوم، ولذلك يُطلق عليه الضخ المباشر. لم يُستخدم الضخ المباشر على نطاق واسع بسبب الفقد الكمي. تُعد تقنية الضخ ضمن النطاق امتدادًا لتقنية الضخ المباشر، حيث يكون طول الموجة بين طول موجة الضخ وطول موجة الإرسال متقاربًا، ويكون معدل الفقد الكمي في الضخ ضمن النطاق أقل من معدله في الضخ المباشر.

ليزر ألياف عالي الطاقةمعوقات تطوير التكنولوجيا

على الرغم من القيمة التطبيقية العالية لأشعة الليزر الليفية في المجالات العسكرية والطبية وغيرها، فقد عززت الصين استخدامها على نطاق واسع من خلال ما يقارب 30 عامًا من البحث والتطوير التكنولوجي. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من المعوقات في التقنية الحالية لرفع قدرة هذه الأشعة إلى مستويات أعلى. على سبيل المثال، هل يمكن أن تصل قدرة خرج الليزر الليفي إلى 36.6 كيلوواط في وضع أحادي الليف أحادي النمط؟ ما تأثير قدرة الضخ على قدرة خرج الليزر الليفي؟ ما تأثير العدسة الحرارية على قدرة خرج الليزر الليفي؟

بالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن يراعي البحث في تقنيات إنتاج طاقة أعلى لليزر الألياف استقرار النمط المستعرض وتأثير تعتيم الفوتون. ومن خلال الدراسة، يتضح أن العامل المؤثر في عدم استقرار النمط المستعرض هو تسخين الألياف، وأن تأثير تعتيم الفوتون يشير أساسًا إلى أنه عندما يُخرج ليزر الألياف طاقة مستمرة بمئات الواط أو عدة كيلوواط، فإن طاقة الخرج ستشهد انخفاضًا سريعًا، مما يفرض قيودًا معينة على استمرار إنتاج طاقة عالية من ليزر الألياف.

على الرغم من أن الأسباب المحددة لظاهرة التعتيم الضوئي لم تُحدد بوضوح حتى الآن، إلا أن معظم الباحثين يعتقدون أن مركز نقص الأكسجين وامتصاص نقل الشحنة قد يؤديان إلى حدوث هذه الظاهرة. وبناءً على هذين العاملين، تُقترح الطرق التالية للحد من ظاهرة التعتيم الضوئي: استخدام مواد مثل الألومنيوم والفوسفور، لتجنب امتصاص نقل الشحنة. بعد ذلك، يتم اختبار الألياف النشطة المُحسّنة وتطبيقها، ويتمثل المعيار المحدد في الحفاظ على خرج طاقة 3 كيلوواط لعدة ساعات، والحفاظ على خرج طاقة مستقر 1 كيلوواط لمدة 100 ساعة.