फाइबर लेजर

फ़ाइबर लेज़र (या कॉमनवेल्थ अंग्रेज़ी में फ़ाइबर लेज़र) एक लेज़र है जिसमें सक्रिय लाभ माध्यम एक ऑप्टिकल फ़ाइबर होता है जिसे दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों जैसे कि अर्बियम, येटरबियम, नियोडिमियम, डिस्प्रोसियम, प्रेज़ियोडिमियम, थ्यूलियम और होल्मियम से मिलाया जाता है। वे डोप्ड फाइबर एम्पलीफायरों से संबंधित हैं, जो लेज़िंग के बिना प्रकाश प्रवर्धन प्रदान करते हैं।

फाइबर नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स, जैसे रमन प्रकीर्णन या चार-तरंग मिश्रण भी गेन प्रदान कर सकते हैं और इस प्रकार फाइबर लेजर के लिए गेन मीडिया के रूप में काम करते हैं।

लाभ और अनुप्रयोग
अन्य प्रकार के लेज़रों की तुलना में फाइबर लेज़रों का लाभ यह है कि लेज़र प्रकाश स्वाभाविक रूप से लचीले माध्यम से उत्पन्न और वितरित दोनों होता है, जो फ़ोकसिंग स्थान और लक्ष्य को सरल वितरण की अनुमति देता है। यह धातुओं और पॉलिमर की लेजर कटिंग, वेल्डिंग और फोल्डिंग के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है। अन्य प्रकार के लेजर की तुलना में अन्य लाभ उच्च उत्पादन शक्ति है। फाइबर लेज़रों के विभिन्न किलोमीटर लंबे सक्रिय क्षेत्र हो सकते हैं, और इसलिए वे बहुत उच्च ऑप्टिकल लाभ प्रदान कर सकते हैं। वे फाइबर के उच्च सतह क्षेत्र से आयतन अनुपात के कारण निरंतर उत्पादन शक्ति के किलोवाट स्तर का समर्थन कर सकते हैं, जो कुशल शीतलन की अनुमति देता है। फाइबर के वेवगाइड गुण ऑप्टिकल पथ के थर्मल विरूपण को कम या समाप्त करते हैं, समान्य रूप से  विवर्तन-सीमित, उच्च-गुणवत्ता वाले ऑप्टिकल बीम का उत्पादन करते हैं। ठोस-अवस्था वाले लेज़र की तुलना में फाइबर लेज़र कॉम्पैक्ट होते हैं। तुलनात्मक शक्ति के ठोस-अवस्था या गैस लेजर की तुलना में, क्योंकि मोटे रॉड-प्रकार के डिज़ाइनों को छोड़कर, अंतरिक्ष को बचाने के लिए फाइबर को मोड़ा और कुंडलित किया जा सकता है। उनके पास स्वामित्व की कम निवेश है।   फाइबर लेजर विश्वसनीय हैं और उच्च तापमान और कंपन स्थिरता और विस्तारित जीवनकाल प्रदर्शित करते हैं। उच्च शिखर शक्ति और नैनोसेकंड पल्स अंकन और उत्कीर्णन में सुधार करती हैं। अतिरिक्त शक्ति और उत्तम बीम गुणवत्ता क्लीनर कट किनारों और तेजी से काटने की गति प्रदान करती है।   

डिजाइन और निर्माण
अधिकांश अन्य प्रकार के लेज़रों के विपरीत, फाइबर लेज़रों में लेजर कैविटी का निर्माण विभिन्न प्रकार के फ़ाइबर को फ्यूजन स्प्लिसिंग द्वारा अखंड रूप से किया जाता है; फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग्स ऑप्टिकल प्रतिक्रिया प्रदान करने के लिए पारंपरिक परावैद्युत दर्पण की जगह लेते हैं। वे अति-संकीर्ण वितरित प्रतिक्रिया लेज़रों (डीएफबी) के एकल अनुदैर्ध्य मोड संचालन के लिए भी डिज़ाइन किए जा सकते हैं जहाँ चरण-स्थानांतरित ब्रैग झंझरी लाभ माध्यम को ओवरलैप करती है। फाइबर लेजर अर्ध चालक लेज़र डायोड या अन्य फाइबर लेजर द्वारा लेजर पंपिंग हैं।

डबल-क्लैड फाइबर


विभिन्न उच्च-शक्ति वाले फाइबर लेज़र डबल-क्लैड फाइबर पर आधारित होते हैं। गेन मीडियम फाइबर का कोर बनाता है, जो क्लैडिंग की दो परतों से घिरा होता है। लेज़िंग अनुप्रस्थ मोड कोर में फैलता है, जबकि मल्टी-मोड ऑप्टिकल फाइबर पंप बीम आंतरिक आवरण परत में फैलता है। बाहरी क्लैडिंग इस पंप लाइट को सीमित रखती है। यह व्यवस्था कोर को अधिक उच्च-शक्ति बीम के साथ पंप करने की अनुमति देती है, अन्यथा इसे फैलाने के लिए बनाया जा सकता है, और अपेक्षाकृत कम प्रकाश वाले पंप प्रकाश को बहुत अधिक प्रकाश वाले संकेत में बदलने की अनुमति देता है। डबल-क्लैड फाइबर के आकार के बारे में महत्वपूर्ण प्रश्न है; जो कि गोलाकार समरूपता वाला फाइबर सबसे व्यर्थ संभव डिजाइन लगता है।     डिज़ाइन को कोर को केवल कुछ (या यहां तक ​​कि एक) मोड का समर्थन करने के लिए पर्याप्त छोटा होना चाहिए। इसे फाइबर के अपेक्षाकृत छोटे टुकड़े पर कोर और ऑप्टिकल पंप सेक्शन को सीमित करने के लिए पर्याप्त क्लैडिंग प्रदान करनी चाहिए।

पतला डबल-क्लैड फाइबर (टी-डीसीएफ) में पतला कोर और क्लैडिंग है जो थर्मल लेंसिंग मोड अस्थिरता के बिना एम्पलीफायरों और लेजर की पावर स्केलिंग को सक्षम बनाता है।

पावर स्केलिंग
फ़ाइबर लेज़र तकनीक में वर्तमान के विकास से डायोड-पंप सॉलिड-स्टेट लेज़रों से प्राप्त विवर्तन-सीमित बीम शक्तियों में तेजी से और बड़ी वृद्धि हुई है। बड़े मोड क्षेत्र (एलएमए) फाइबर की प्रारंभ के साथ-साथ उच्च शक्ति और उच्च चमक डायोड में निरंतर प्रगति के कारण, वाईबी-डॉप्ड फाइबर लेजर से निरंतर-तरंग एकल-अनुप्रस्थ-मोड शक्तियां 2001 में 100 डब्ल्यू से बढ़कर एक संयुक्त हो गई हैं। बीम फाइबर लेजर ने 2014 में 30 किलोवाट की शक्ति का प्रदर्शन किया।

उच्च औसत शक्ति फाइबर लेज़रों में समान्य रूप से अपेक्षाकृत कम-शक्ति मास्टर ऑसिलेटर शक्ति एम्पलीफायर, या बीज लेजर, और पावर एम्पलीफायर (एमओपीए) योजना सम्मिलित होती है। अल्ट्राशॉर्ट ऑप्टिकल पल्स के लिए एम्पलीफायरों में, ऑप्टिकल चोटी की तीव्रता बहुत अधिक हो सकती है, जिससे हानिकारक अरैखिक नाड़ी विरूपण या लाभ माध्यम या अन्य ऑप्टिकल तत्वों का विनाश भी हो सकता है। समान्य रूप से  चिरप्ड-पल्स एम्प्लीफिकेशन (सीपीए) को नियोजित करके इससे बचा जाता है। रॉड-टाइप एम्पलीफायरों का उपयोग करने वाली अत्याधुनिक उच्च-शक्ति फाइबर लेजर प्रौद्योगिकियां 260 fs पल्स के साथ 1 किलोवाट तक पहुंच गई हैं और इनमें से अधिकांश समस्याओं के लिए उत्कृष्ट प्रगति की और व्यावहारिक समाधान दिए।

चूँकि, फाइबर लेज़रों की आकर्षक विशेषताओं के अतिरिक्त , पावर स्केलिंग के समय विभिन्न समस्याएं उत्पन्न होती हैं। सबसे महत्वपूर्ण हैं थर्मल लेंसिंग और पदार्थ प्रतिरोध, गैर-रैखिक प्रभाव जैसे उत्तेजित रमन स्कैटरिंग (एसआरएस), उत्तेजित ब्रिलौइन स्कैटरिंग (एसबीएस), मोड अस्थिरता और व्यर्थ आउटपुट बीम गुणवत्ता है ।

पल्स की उत्पादन शक्ति बढ़ाने से संबंधित समस्याओं को हल करने का मुख्य विधि फाइबर के कोर व्यास को बढ़ाना रहा है। सक्रिय फाइबर के सतह-से-सक्रिय-मात्रा अनुपात को बढ़ाने के लिए बड़े मोड वाले विशेष सक्रिय फाइबर विकसित किए गए थे, और इसलिए, विद्युत स्केलिंग को सक्षम करने वाली गर्मी अपव्यय में सुधार हुआ।

इसके अतिरिक्त, आंतरिक आवरण और कोर के बीच पंप प्रसार और अवशोषण को नियंत्रित करके उच्च-शक्ति पंप डायोड की प्रकाश आवश्यकताओं को कम करने के लिए विशेष रूप से विकसित डबल क्लैडिंग संरचनाओं का उपयोग किया गया है।

उच्च शक्ति स्केलिंग के लिए बड़े प्रभावी मोड क्षेत्र (एलएमए) के साथ विभिन्न प्रकार के सक्रिय फाइबर विकसित किए गए हैं जिनमें कम-एपर्चर कोर वाले एलएमए फाइबर सम्मिलित हैं। सूक्ष्म संरचित रॉड-प्रकार फाइबर पेचदार कोर या चिरली-युग्मित तंतु, और टेपर्ड डबल-क्लैड फाइबर (टी-डीसीएफ)। मोड फील्ड व्यास (एमएफडी) इन कम एपर्चर प्रौद्योगिकियों के साथ प्राप्त किया गया    जो कि समान्य रूप से   20–30 माइक्रोमीटर से अधिक नहीं होता है। माइक्रो-स्ट्रक्चर्ड रॉड-टाइप फाइबर में बहुत बड़ा एमएफडी (65 माइक्रोमीटर तक) होता है ) और अच्छा प्रदर्शन। प्रभावशाली 2.2 mJ स्पंद ऊर्जा का प्रदर्शन गुजरने एमओपीए द्वारा किया गया लार्ज-पिच फाइबर (एलपीएफ) युक्त है । चूँकि, एलपीएफ के साथ प्रवर्धन प्रणालियों की कमी उनकी अपेक्षाकृत लंबी (1.2 मीटर तक) असहनीय रॉड-प्रकार के फाइबर हैं, जिसका अर्थ है किन्तु भारी और बोझिल ऑप्टिकल योजना है । जो कि एलपीएफ निर्माण अत्यधिक सम्मिश्र है जिसमें महत्वपूर्ण प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है जैसे फाइबर प्री-फॉर्म की स्पष्ट ड्रिलिंग। एलपीएफ फाइबर झुकने के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं जिसका अर्थ है शक्ति और सुवाह्यता से समझौता किया जाता है।

मोड लॉकिंग
अन्य लेज़रों के साथ उपयोग किए जाने वाले मोड लॉकिंग के प्रकारों के अतिरिक्त, फाइबर लेज़रों को निष्क्रिय रूप से फाइबर के द्विअपवर्तन का उपयोग करके लॉक किया जा सकता है। गैर-रैखिक ऑप्टिकल केर प्रभाव ध्रुवीकरण में परिवर्तन का कारण बनता है जो प्रकाश की तीव्रता के साथ बदलता रहता है। यह लेज़र कैविटी में पोलराइज़र को संतृप्त अवशोषक के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है, जो कि कम तीव्रता वाले प्रकाश को अवरुद्ध करता है किन्तु उच्च तीव्रता वाले प्रकाश को थोड़ा क्षीणन के साथ पारित करने की अनुमति देता है। यह लेज़र को मोड-लॉक पल्स बनाने की अनुमति देता है, और फिर फाइबर की गैर-रैखिकता प्रत्येक पल्स को अति लघु ऑप्टिकल सॉलिटॉन पल्स में आकार देती है।

अर्ध चालक संतृप्त-अवशोषक दर्पण (एसईएसएएम) का उपयोग लॉक फाइबर लेजर को मोड करने के लिए भी किया जा सकता है। अन्य संतृप्त अवशोषक तकनीकों की तुलना में सेसम का प्रमुख लाभ यह है कि अवशोषक मापदंडों को विशेष लेजर डिजाइन की जरूरतों को पूरा करने के लिए सरलता से तैयार किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, संतृप्ति प्रवाह को शीर्ष परावर्तक की परावर्तकता को अलग करके नियंत्रित किया जा सकता है जबकि अवशोषक परतों के लिए कम तापमान की बढ़ती स्थितियों को बदलकर मॉडुलन गहराई और पुनर्प्राप्ति समय को अनुकूलित किया जा सकता है। डिजाइन की इस स्वतंत्रता ने सेसम के अनुप्रयोग को फाइबर लेज़रों के मॉडलिंग में आगे बढ़ा दिया है जहाँ स्व-प्रारंभिक और संचालन स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए अपेक्षाकृत उच्च मॉडुलन गहराई की आवश्यकता होती है। 1 माइक्रोमीटर और 1.5 माइक्रोमीटर पर काम करने वाले फाइबर लेसरों का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया गया।

ग्राफीन संतृप्त अवशोषक का उपयोग मोड लॉकिंग फाइबर लेज़रों के लिए भी किया गया है।  ग्राफीन का संतृप्त अवशोषण तरंग दैर्ध्य के प्रति बहुत संवेदनशील नहीं है, जो इसे मोड लॉकिंग ट्यून करने योग्य लेजर के लिए उपयोगी बनाता है।

डार्क सॉलिटॉन फाइबर लेजर
गैर-मोड लॉकिंग शासन में, पोलराइज़र इन-कैविटी के साथ सर्व-सामान्य फैलाव एर्बियम-डोप्ड फाइबर लेजर का उपयोग करके डार्क सॉलिटॉन फाइबर लेजर सफलतापूर्वक बनाया गया था। प्रायोगिक निष्कर्षों से संकेत मिलता है कि उज्ज्वल नाड़ी उत्सर्जन के अतिरिक्त, उपयुक्त परिस्थितियों में फाइबर लेजर एकल या एकाधिक अंधेरे पल्स का भी उत्सर्जन कर सकता है। संख्यात्मक सिमुलेशन के आधार पर लेजर में डार्क पल्स फॉर्मेशन डार्क सॉलिटॉन शेपिंग का परिणाम हो सकता है।

मल्टी-वेवलेंथ फाइबर लेजर
एक फाइबर लेजर में बहु-तरंग दैर्ध्य उत्सर्जन ने जेडबीएलएएन ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करके साथ नीले और हरे रंग के सुसंगत प्रकाश का प्रदर्शन किया था। जिसमे एंड-पंप किया गया लेज़र लंबे तरंगदैर्घ्य अर्ध चालक लेज़र का उपयोग करके अपरूपांतरण ऑप्टिकल गेन मीडिया पर आधारित था, जो Pr3+/Yb3+ डोप्ड फ़्लोराइड फ़ाइबर को पंप करता था, जो कैविटी बनाने के लिए फ़ाइबर के प्रत्येक सिरे पर कोटेड डाइइलेक्ट्रिक दर्पण का उपयोग करता था।

फाइबर डिस्क लेजर


एक अन्य प्रकार का फाइबर लेजर फाइबर डिस्क लेजर है। ऐसे लेज़रों में, पंप फाइबर के आवरण के अंदर ही सीमित नहीं होता है, किन्तु इसके अतिरिक्त पंप प्रकाश को कोर में विभिन्न बार वितरित किया जाता है क्योंकि यह अपने आप में कुंडलित होता है। यह कॉन्फिगरेशन शक्ति स्केलिंग के लिए उपयुक्त है जिसमें कॉइल की परिधि के आसपास विभिन्न पंप स्रोतों का उपयोग किया जाता है।

यह भी देखें

 * चित्र-8 लेज़र