Technologia i Zastosowania Laserów 2012 - str. 2 - ŚWIATŁOWODY - GRAFEN - LASERY - XFEL - FOTONIKA - UKŁADY SCALONE - TECHNIKA LASEROWA
Farnell, An Avnet Company   Przedstawicielstwo Handlowe Paweł Rutkowski   Phoenix Contact Sp. z o.o.  

Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika

Dodaj firmę Ogłoszenia Poleć znajomemu Dodaj artykuł Newsletter RSS
strona główna ARTYKUŁY Elektronika Technologia i Zastosowania Laserów 2012
drukuj stronę
poleć znajomemu

Technologia i Zastosowania Laserów 2012

Światłowody aktywne, wzmacniacze i lasery światłowodowe 

Klasyczne, wysokiej jakości światłowody aktywne domieszkowane erbem EDFA są wysoce standaryzowane pod względem parametrów transmisyjnych i niezawodności. Są dostępne w kilku źródłach, wielu odmianach rozciągających się od tzw. SMF jednomodowych telekomunikacyjnych po specjalizowane o prostszej lub bardziej skomplikowanej budowie, a w szczególności dla zastosowań czujnikowych. Światłowody telekomunikacyjne są zazwyczaj pokryte hermetycznie dla zwiększenia odporności środowiskowej i czasu życia, zwiększenia odporności na indukowane wodorem straty optyczne i degradację stratnościową. Światłowody takie używane w celu budowy wzmacniaczy optycznych są wymiarowo i modowo wysoce kompatybilne ze standardowymi jednodomowymi światłowodami. Wykazują dzięki temu niewielkie straty sprzężenia ze światłowodami transmisyjnymi.

Badania w tym zakresie są prowadzone nad światłowodami aktywnymi specjalnymi, z innych materiałów niż szkło krzemionkowe lub wysoko krzemionkowe. Adekwatne materiały obejmują: ultra niskostratne szkła wieloskładnikowe, szkła halogenkowe i chalkogenkowe oraz aktywne materiały polimerowe. Z tych materiałów szklanych i polimerowych tworzone są eksperymentalne włókna aktywne o strukturze dwupłaszczowej a także niesymetrycznej do pompowania oraz mikrostrukturalne z kryształów fotonicznych. W kraju jest aktywnych kilka centrów technologicznych produkujących wysokiej jakości szkła światłowodowe aktywne i włókna optyczne aktywne. Są one zlokalizowane w Białymstoku na Politechnice, w Lublinie na UMCS, w Krakowie na AGH oraz w Warszawie w ITME i na PW.

Aktywne szkła i polimery światłowodowe są oczywiście domieszkowane ziemiami rzadkimi oraz metalami przejściowymi. Wytwarzane są włókna analogiczne do EDFA, dla celów budowy źródeł ASE oraz wzmacniaczy Ramana. Wytwarzane szkła światłowodowe wykazują luminescencję w zakresie spektralnym 1,7…2,1 μm. Szerokie linie luminescencyjne są otrzymywane poprzez jednoczesne domieszkowanie szkieł światłowodowych kilkoma lantanidami. Badane są wymagania i warunki techniczne produkcji oraz właściwości luminescencyjne i pasma absorpcyjne wytworzonych włókien ze światłowodowych szkieł matrycowych domieszkowanych parami jonów i trypletami jonowymi: Tm3+/Ho3+, Yb3+/Ho3+, Yb3+/Tm3+, Yb3+/Er3+/Tm3+. Badane są rodzaje matryc szklanych, ich parametry mechaniczne – decydujące o energii fononów, na rdzenie światłowodowe oraz na płaszcze i pokrycia zewnętrzne.

Takie odpowiednie zestawy materiałów mają znaczenie dla ogólnych parametrów światłowodu aktywnego i wytworzonego z niego aktywnego elementu fotonicznego, pompowanego znaczną mocą optyczną, np. przy pomocy diod LED dużej mocy. Przedstawiane są konstrukcje aktywnych światłowodów i wzmacniaczy z efektywnymi metodami sprzęgania mocy optycznej pochodzącej z pomp. Niektóre z tych rozwiązań zawierają niesymetryczne światłowody z podwójnym rdzeniem oraz jednodomowe światłowody wielordzeniowe pracujące w warunkach dokładnie sfazowanego supermodu.

Lasery i wzmacniacze światłowodowe, podobnie jak klasyczne lasery półprzewodnikowe i szklane, mogą być także budowane z materiałów strukturalnych – kryształów fotonicznych. Dla światłowodów fotonicznych (aktywnych i biernych) materiałem matrycy jest szkło lub ostatnio także polimer. Matrycą dla laserów półprzewodnikowych jest AlGaInAs/InP. Kryształy fotoniczne dla laserów posiadają szereg zalet dla zastosowań telekomunikacyjnych, takie jak: szeroki zakres pracy w modzie podstawowym (teoretycznie nieskończony, nieograniczony), skalowalność struktury z długością fali, możliwa redukcja prądu progowego, możliwy wzrost emitowanej mocy optycznej w modzie podstawowym, zawężenie szerokości spektralnej promieniowanej fali, możliwy wzrost szybkości modulacji cyfrowej.

Szybki rozwój technologii laserów światłowodowych został spowodowany między innymi postępami w konstrukcji włókien optycznych ultra niskostratnych aktywnych o podwójnym płaszczu. Takie włókno ułatwia optyczne pompowanie lasera. Dopasowanie geometryczne i spektralne pozwala na stosunkowo łatwe pompowanie laserem półprzewodnikowym lub diodą DEL. Wprowadzenie asymetrii włókna, w pewnych przypadkach, dalej podnosi sprawność pompowania lasera światłowodowego.

Lasery światłowodowe posiadają odmienne charakterystyki od rodziny laserów objętościowych i laserów półprzewodnikowych. Długość światłowodu aktywnego szklanego, polimerowego lub z kryształu fotonicznego zmienia się od kilkudziesięciu cm do kilkudziesięciu m w różnych typach laserów światłowodowych. Mimo tego, zagregowana objętość materiału aktywnego jest mała nawet dla laserów bardzo długich. Wynikają z tego konsekwencje, że promieniowana moc nie jest duża w podstawowym rozwiązaniu takiego lasera, oraz moc progowa dla optycznych zjawisk nieliniowych jest także niewielka. Niewielki jest także próg optycznej destrukcji włókna i lasera. Obecnie lasery światłowodowe promieniują w przybliżeniu 10 kW mocy ciągłej przy jakości wiązki określonej wielkością współczynnika M2≈2. Dla laserów impulsowych, promieniowana energia w impulsie o czasie trwania rzędu ns wynosi około 10 mJ, a więc niezbyt dużo. Prace nad światłowodami aktywnymi dla laserów i nad fundamentalnymi ograniczeniami jakości wiązki są prowadzone na WAT i na PW oraz na PWr.

Lasery IR kwantowo-kaskadowe 

QCL – kwantowe lasery kaskadowe są unipolarnymi laserami półprzewodnikowymi o transferze wewnątrzpasmowym swobodnych nośników. Klasyczne lasery półprzewodnikowe stosują przejścia i rekombinację międzypasmową. Długość promieniowanej fali w praktyce nie zależy od materiału, ale od geometrii studni kwantowych budujących rejon aktywny. Lasery QCL mogą być szeroko przestrajane od zakresu NIR, poprzez MIR do FIR i ogólnie działają w obszarze IR. Najczęściej wykonuje się je z GaAs oraz InP. Kaskadowy typ generacji, tzn. akumulacja mocy optycznej z każdej studni kwantowej prowadzi do uzyskiwania większych mocy wiązki. Obecnie lasery QCL są używane w spektroskopii THz zanieczyszczeń gazowych, spektroskopii molekularnej, komunikacji bliskiego zasięgu w otwartej przestrzeni i prześwietlania dielektryków. Eksperymenty technologiczne i laboratoryjna produkcja terahercowych laserów QCL są prowadzone w ITE w Warszawie (prof. M. Bugajski).

Generacja terahercowej fali EM przy pomocy laserów może być wykonywana dwoma zasadniczymi metodami, odpowiednio w dziedzinie czasu i częstotliwości. Metoda w dziedzinie czasu wykorzystuje zjawisko w dziedzinie optyki analogiczne do prostowania przebiegu napięcia sinusoidalnego prądu elektrycznego (optical rectification). Metoda częstotliwościowa stosuje zjawisko mieszania podobnych liczbowo częstotliwości optycznych i ekstrakcji, np. częstotliwości różnicowych. Podstawowym problemem technologicznym dla takich rozwiązań jest konstrukcja lasera generującego dwie koherentne wiązki jednodomowe o przestrajanych częstotliwościach. Największy potencjał aplikacyjny w tym zakresie posiadają właśnie kwantowe lasery kaskadowe o zewnętrznej wnęce rezonansowej, które generują jednocześnie dwie przestrajalne wiązki w zakresie spektralnym MIR. Dwie wiązki mieszane muszą posiadać wspólną drogę koherencji. Zwiększanie długości generowanej fali metodą mieszania zwiększa długość wzajemnej drogi koherencji. Kaskadowe lasery kwantowe są budowane z podwójnym wzmacniaczem i wbudowanym w strukturę lasera optycznym rezonansowym elementem nieliniowym. Takie lasery generują i mieszają wewnętrznie dwa podłużne mody częstotliwościowe w zakresie spektralnym MIR, tak aby na wyjściu uzyskać falę EM w postaci wiązki THz. Otrzymywane obecnie parametry wiązek THz są: dziesiątki μW mocy w temperaturze 80 K i około 1 μW w temperaturze 300 K.

Optyczne grzebienie częstotliwości i optyczne zegary atomowe 

Technologia optycznych grzebieni częstotliwości jest rozwijana w kraju na UW-IFD oraz na PWr przez grupy laserowe używającewysoko stabilizowanych laserów półprzewodnikowych oraz światłowodów. Stosowane są efekty nieliniowe w celu konwertowania grzebieni częstotliwości optycznych z pasma telekomunikacyjnego do innych obszarów spektralnych, np. MIR. Grzebienie są generowane z zastosowaniem modulacji amplitudowej wiązki laserowej CW, jak i przez stabilizację ciągu impulsów generowanych przez laser z przełączaniem modów, a także przez generację super-kontinuum z pomocą głębokiej samo-modulacji fazowej fali propagowanej w nieliniowym światłowodzie fotonicznym. Grzebienie rozciągające się na więcej niż oktawę są używane do ultraprecyzyjnych pomiarów fazy i częstotliwości odniesienia. Optyczne grzebienie częstotliwości o kontrolowanej częstotliwości bazowej (podstawowej) fo oraz separacji (odległość pomiędzy zębami) fr są używane do mapowania częstotliwości optycznych aż do częstotliwości zakresu RF. Taka technika jest używana do bezpośrednich pomiarów częstotliwości optycznych. Precyzyjne techniki zegara optycznego z zastosowaniem grzebieni częstotliwości są stosowane w systemach pomiarowych. Częstotliwość optyczna nieznana jest składana z pojedynczym zębem grzebienia na fotodiodzie, w wyniku czego otrzymywany jest sygnał dudnienia w paśmie RF. Sygnał ten porównywany jest z wzorcem RF lub z sygnałem odniesienia RF.

Precyzyjne pomiary czasu są fundamentem w takich technologiach jak: szerokopasmowe sieci komunikacyjne, nawigacja GPS i wiele innych. Optyczne zegary atomowe używają częstotliwości przejść elektronowych w atomie w optycznym regionie spectrum fal EM jako częstotliwości standardowych do budowy elementów odniesienia czasu. Obecne zegary stosują atomy w temperaturze bardzo bliskiej zera bezwzględnego, spowolnione przy pomocy promieniowania laserowego i próbkowane w tzw. fontannie atomowej (chmurze) pułapkowanej we wnęce. Najbardziej dokładny klasyczny zegar atomowy, bazujący na pojedynczych pułapkowanych jonach oraz ultrazimnych atomach neutralnych w czasie swobodnego spadku, posiada niedokładność określenia częstotliwości 2,3×10-16, co można transformować do ±1 s na około 140 MY.

Optyczne grzebienie częstotliwości, które ustanawiają koherentne łącze pomiędzy częstotliwościami optycznymi i radiowymi RF, coraz częściej są uważane za nowo powstający standard ultraprecyzyjnej definicji czasu o zwiększonej precyzji wobec narzędzi dostępnych dzisiaj. Atomy można pułapkować w potencjalnej sieci (kratownicy) optycznej i używać jako odniesienie kwantowe. Kratownica optyczna z odseparowanymi pułapkami na pojedyncze atomy pozwala na budowę zegara o szerokości spektralnej częstotliwości odniesienia więcej niż jeden rząd wielkości węższej niż w klasycznych zegarach atomowych o najwyższej stabilności.

Zastosowanie optycznego zegara atomowego z optycznie pułapkowanymi atomami i optycznych metod metrologicznych zimnych atomów (spektroskopia i pomiary częstotliwości) pozwala na ograniczenie względnej niepewności pomiaru częstotliwości do poziomu 10-18, a więc dwa rzędy wielkości bardziej precyzyjnie niż w klasycznych zegarach atomowych. Innymi słowy, częstotliwość optyczna 300 THz jest mierzona z dokładnością mHz.

Zegary optyczne z zimnymi atomami składają się z:

  • pułapki atomowej, w której zimna chmura atomowa jest kontrolowana w szczególnym stanie kwantowym, ochłodzona klasycznie i optycznie oraz uwięziona permanentnie,
  • ultrastabilnego lasera o szerokości linii spektralnej poniżej 1 Hz w celu próbkowania częstotliwości atomów,
  • optycznego grzebienia częstotliwości w celu precyzyjnych pomiarów odległości pomiędzy poszczególnymi komponentami spektrum.

Prace nad takim zegarem są prowadzone przez konsorcjum złożone z UW-Warszawa, UMK-Toruń i UJ-Kraków.

follow us in feedly
Średnia ocena:
 
REKLAMA

Otrzymuj wiadomości z rynku elektrotechniki i informacje o nowościach produktowych bezpośrednio na swój adres e-mail.

Zapisz się
Administratorem danych osobowych jest Media Pakiet Sp. z o.o. z siedzibą w Białymstoku, adres: 15-617 Białystok ul. Nowosielska 50, @: biuro@elektroonline.pl. W Polityce Prywatności Administrator informuje o celu, okresie i podstawach prawnych przetwarzania danych osobowych, a także o prawach jakie przysługują osobom, których przetwarzane dane osobowe dotyczą, podmiotom którym Administrator może powierzyć do przetwarzania dane osobowe, oraz o zasadach zautomatyzowanego przetwarzania danych osobowych.
Komentarze (0)
Dodaj komentarz:  
Twój pseudonim: Zaloguj
Twój komentarz:
dodaj komentarz
Elektronika - Konstrukcje, Technologie, Zastosowania
Elektronika - Konstrukcje, Technologie, Zastosowania
ul. Chmielna 6 m. 6, Warszawa
tel.  (+48 22) 827 38 79
$nbsp;
REKLAMA
Nasze serwisy:
elektrykapradnietyka.com
przegladelektryczny.pl
rynekelektroniki.pl
automatykairobotyka.pl
budowainfo.pl