Nguyên lý làm việc của nguồn laser sợi quang

Hiện nay nguồn laser sợi quang có rất nhiều ưu điểm vượt trội như hiệu suất cao, chất lượng chùm tia tuyệt vời, kích thước nhỏ gọn và độ tin cậy cao. Nguyên lý làm việc của nguồn laser sợi quang dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và phản hồi phản xạ trong sợi quang. Mời các bạn tham khảo bài viết này từ Hakuta nhé.

Nguyên lý hoạt động của nguồn laser sợi quang

• Bơm: Nguồn laser sợi quang cần một nguồn năng lượng bên ngoài để kích thích các nguyên tử bên trong sợi quang và tạo ra sự đảo ngược dân số. Điều này thường đạt được bằng cách sử dụng laser diode công suất cao hoặc các nguồn bơm khác. Năng lượng bơm được hấp thụ bởi lõi sợi, nâng cao mức năng lượng của các nguyên tử hoặc ion.
• Phương tiện khuếch đại: Lõi của sợi quang đóng vai trò là môi trường khuếch đại nơi diễn ra hoạt động phát laser. Nó thường được pha tạp các nguyên tố đất hiếm như erbium, ytterbium hoặc neodymium. Những chất tạp chất này cung cấp mức năng lượng cần thiết cho sự phát xạ kích thích.
• Phản hồi quang học: Khoang laser sợi quang bao gồm hai gương, một gương phản xạ một phần và gương còn lại có độ phản xạ cao, tạo thành bộ cộng hưởng quang học. Gương có độ phản chiếu cao phản chiếu các photon phát ra trở lại môi trường khuếch đại, tạo ra một vòng phản hồi cần thiết cho dao động laser.
• Phát xạ kích thích: Khi năng lượng bơm kích thích các nguyên tử trong môi trường khuếch đại, chúng sẽ chuyển sang mức năng lượng cao hơn. Khi một photon có năng lượng chính xác (phù hợp với chênh lệch năng lượng giữa trạng thái kích thích và mức năng lượng thấp hơn) tương tác với một nguyên tử bị kích thích, nó sẽ kích thích sự phát xạ của photon thứ hai có cùng năng lượng, pha và hướng. Quá trình này dẫn đến sự khuếch đại ánh sáng trong sợi quang.
• Dao động Laser: Quá trình phát xạ kích thích gây ra một loạt photon, với mỗi photon phát ra sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn. Điều này dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân của số lượng photon, dẫn đến sự khuếch đại và dao động của laser. Các photon nảy qua lại giữa hai gương, được khuếch đại mỗi lần đi qua môi trường khuếch đại, cho đến khi một chùm tia laser kết hợp được phát ra qua gương phản xạ một phần.
• Kiểm soát công suất đầu ra: Công suất đầu ra của nguồn laser sợi quang có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh công suất bơm, điều này ảnh hưởng đến sự đảo ngược dân số và mức tăng trong sợi quang. Bằng cách điều chỉnh công suất bơm, công suất đầu ra của laser có thể thay đổi tương ứng.

Nguồn laser sợi quang có một số ưu điểm, bao gồm hiệu suất cao, chất lượng chùm tia tuyệt vời, kích thước nhỏ gọn và độ tin cậy. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau như xử lý vật liệu, viễn thông, thiết bị y tế, nghiên cứu khoa học, v.v.

Laser sợi quang có một số lợi thế so với các loại laser khác. Dưới đây là một số lợi thế chính:

• Hiệu suất cao: Laser sợi quang được biết đến với hiệu quả cao trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành đầu ra laser. Chúng có thể đạt được hiệu suất cắm tường cao hơn so với các loại laser khác, giúp giảm mức tiêu thụ điện năng và chi phí vận hành.
• Chất lượng chùm tia tuyệt vời: Laser sợi quang tạo ra chùm tia laser chất lượng cao với cấu hình Gaussian gần như hoàn hảo và độ phân kỳ thấp. Chất lượng chùm tia này cho phép lấy nét chính xác ở khoảng cách xa, giúp laser sợi quang rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu xử lý chi tiết tốt hoặc laser có độ chính xác cao.
• Nhỏ gọn và nhẹ: Laser sợi quang có thiết kế nhỏ gọn và nhẹ do sử dụng sợi quang làm phương tiện khuếch đại. Điều này giúp chúng dễ dàng tích hợp vào các hệ thống khác nhau và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng chúng trong môi trường di động hoặc có không gian hạn chế.
• Tính linh hoạt của sợi: Tính linh hoạt của sợi quang cho phép phân phối và thao tác chùm tia dễ dàng. Laser sợi quang có thể dễ dàng được ghép nối với cáp quang, cho phép truyền chùm tia từ xa hoặc linh hoạt đến khu vực mục tiêu. Tính linh hoạt này giúp đơn giản hóa việc thiết kế và thiết lập hệ thống laser.
• Độ ổn định nhiệt: Laser sợi quang thể hiện độ ổn định nhiệt tuyệt vời do kích thước lõi sợi nhỏ và tản nhiệt hiệu quả. Chúng có thể hoạt động đáng tin cậy ngay cả trong điều kiện môi trường khó khăn, bao gồm nhiệt độ cao hoặc môi trường dễ bị rung.
• Khả năng mở rộng và công suất: Laser sợi quang có thể dễ dàng điều chỉnh công suất mà không ảnh hưởng đến chất lượng chùm tia. Chúng có thể tạo ra công suất đầu ra cao, từ vài watt đến nhiều kilowatt, khiến chúng phù hợp với nhiều ứng dụng, bao gồm xử lý vật liệu, cắt laser, hàn và khoan.
• Tuổi thọ cao và độ tin cậy: Laser sợi quang có tuổi thọ dài hơn và độ tin cậy cao hơn so với các loại laser khác. Việc không có quang học không gian tự do và việc xây dựng mạnh mẽ các hệ thống dựa trên sợi quang góp phần vào độ bền và khả năng chống lại các yếu tố môi trường của chúng.
• Bảo trì và chi phí: Laser sợi quang yêu cầu bảo trì tối thiểu do thiết kế trạng thái rắn và không có sự sắp xếp quang học phức tạp. Chúng có tuổi thọ hoạt động dài hơn, giúp giảm nhu cầu thay thế thường xuyên. Ngoài ra, mức tiêu thụ điện năng giảm và hiệu suất cao góp phần giảm chi phí vận hành.

Những ưu điểm này đã làm cho laser sợi quang ngày càng phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp, y tế và khoa học, bao gồm xử lý vật liệu, viễn thông, đánh dấu bằng laser, y sinh, v.v.