میله لیزر فیبر نوری فضای آزاد – فناوری ناسا برای افزایش توان پیک

عنوان فناوری:

• Free-space Fiber Optic Laser Rod (میله لیزر فیبر نوری فضای آزاد)

شرح فناوری (به زبان ساده):

ناسا یک رویکرد نوآورانه ایجاد کرده که محدودیت چگالی توان پیک (peak power densities ) موجود در لیزرهای فیبری را برطرف می‌کند.”مقاله اصلی این فناوری را در اینجا مطالعه کنید.“این مرکز تحقیقاتی یک میله لیزر چندمنظوره فشرده و بسیار کارآمد ساخته است. این سیستم از یک طراحی لیزری ماژولار با اجزای بسیار کارآمد و فشرده استفاده می‌کند. لیزر از بلوک‌های ساختمانی مجزا برای دستیابی به طول موج‌های 1.0، 1.5 و 2.0 میکرون تشکیل شده است. ماژول‌های تقویت‌کننده بر اساس یک مفهوم جدید میله فیبر هیبریدی هستند. دیودهای کم‌نور می‌توانند با چگالی توان بالا در یک مسیر جذب نسبتاً طولانی پمپ کنند و در نتیجه به جذب پمپ بسیار کارآمد دست یابند. این کار با محدود کردن تابش پمپ واگرای, به یک کانال کوچک از طریق بازتاب داخلی کلی در یک رابط دیافراگم عددی نسبتاً بالا انجام می‌شود.

مزایا (Benefits):

• امکان افزایش توان پیک تا 10000 برابر
• دستیابی به راندمان اپتیکی به اپتیکی که به حد کوانتومی نظری نزدیک می‌شود.

کاربردها (Applications):

• پزشکی
• نظامی
• مخابرات
• هوانوردی و فضا           (برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در سیستم‌های لیزری پیشرفته، از خدمات مدیریت انرژی ما دیدن کنید).

جزئیات فنی (The Technology):

برای این مفهوم جدید لیزر، یک فیبر با هسته بزرگ اما نسبتاً کوتاه که با ماده فعال لیزر آلاییده شده (doped) است، به جای یک کریستال حالت جامد معمولی به عنوان محیط بهره تقویت‌کننده در یک پیکربندی فضای آزاد استفاده می‌شود. این فناوری با افزایش قطر هسته فیبر یک فیبر تک‌مد 9 میکرونی استاندارد به حدود 1 میلی‌متر، از مشکلات معمول آستانه‌های پایین برای آسیب نوری فاجعه‌بار و سایر فرآیندهای اتلاف غیرخطی در لیزرهای فیبری جلوگیری می‌کند و در نتیجه اجازه می‌دهد تا توان‌های پیک تا 10000 برابر افزایش یابد. تخریب معمولی انتشار تک‌مد در فیبرهای با قطر بزرگ با کوتاه نگه داشتن طول فیبر و در نتیجه ماندن در یک رژیم انتشار تک‌مد فضای آزاد، اجتناب می‌شود.

تصویر:
یک عکس از مقطع میله فیبری هیبریدی  و قسمتهای (Er-Doped Core, Inner Silica Cladding, Outer Silica Cladding) در عکس نشان داده شده است

شماره ثبت اختراع:

• 9,831,629

اطلاعات تماس:

• اطلاعات تماس برای کسب اطلاعات بیشتر و مجوزهای احتمالی در صفحه دوم ارائه شده است.(Agency Licensing Concierge, Langley Research Center)

“در پروژه‌های اخیر ناسا، شاهد ترکیب فناوری‌های مواد پیشرفته و سیستم‌های نوری هستیم. به عنوان مثال:نانوکامپوزیت‌های پلیمر/نانولوله کربنی (مطالعه جزئیات) با رسانایی الکتریکی بالا می‌توانند در طراحی محفظه‌های حفاظتی برای سیستم‌های لیزری مانند میله‌های لیزر فیبری فضای آزاد استفاده شوند. این همکاری می‌تواند چالش‌های مدیریت حرارت و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در لیزرهای پرقدرت را حل کند.”

“برای کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره تخصصی درباره این فناوری، [با کارشناسان ما تماس بگیرید]

تحلیل و نکات تکمیلی:

1. “فضای آزاد” (Free-space):

   این اصطلاح به این معنی است که نور لیزر در این فناوری، به جای اینکه کاملاً در داخل فیبر نوری هدایت شود (مانند لیزرهای فیبری معمولی)، در یک فضای باز (هرچند محدود) منتشر می‌شود. این امر به مهندسان اجازه می‌دهد تا قطر هسته فیبر را افزایش دهند (بدون اینکه نگران از دست دادن حالت تک‌مد باشند).

2. افزایش قطر هسته:

   افزایش قطر هسته فیبر از 9 میکرون به 1 میلی‌متر، یک تغییر بسیار بزرگ است. این کار باعث می‌شود که چگالی توان در واحد سطح کاهش یابد و در نتیجه، آستانه آسیب نوری و اثرات غیرخطی افزایش یابد.

3. حفظ حالت تک‌مد:

   برای اینکه نور لیزر کیفیت بالایی داشته باشد، باید در یک حالت (mode) مشخص (معمولاً حالت تک‌مد) منتشر شود. در فیبرهای با قطر بزرگ، نور تمایل دارد که در حالت‌های مختلف منتشر شود (چندمدی). این فناوری با کوتاه نگه داشتن طول فیبر، این مشکل را حل می‌کند.

4. ساختار ماژولار:
   طراحی ماژولار به معنی استفاده از واحد های مجزا است.

5. هیبریدی:

   این مفهوم به ترکیب دو نوع فیبر نوری اشاره دارد. یکی فیبر با هسته دوپ شده با اربیوم برای تقویت نور, و دو نوع روکش سیلیکا داخلی و خارجی, برای هدایت نور پمپ دیود.

6. کاربردهای بالقوه:

   • پزشکی:   لیزرهای با توان بالا و کیفیت پرتو خوب، در جراحی‌های دقیق، درمان‌های پوستی و چشم‌پزشکی کاربرد دارند.
   • نظامی: در سلاح‌های لیزری، سیستم‌های هدایت‌شونده و رادارها می‌توان از این فناوری استفاده کرد.
   • مخابرات: در سیستم‌های مخابرات نوری، می‌توان از لیزرهای با توان بالا برای انتقال اطلاعات در فواصل طولانی استفاده کرد.
   • هوانوردی و فضا: در سنجش از دور، ارتباطات لیزری فضایی و رانش لیزری می‌توان از این فناوری بهره برد.

7. بازتاب داخلی کلی:

   این روشی است که برای به دام انداختن نور پمپ دیود درون فیبر استفاده می‌شود.

به طور کلی:

این فناوری ناسا یک راه‌حل نوآورانه برای افزایش توان لیزرهای فیبری ارائه می‌دهد و محدودیت‌های موجود در لیزرهای فیبری معمولی را برطرف می‌کند. با ترکیب طراحی فضای آزاد، افزایش قطر هسته و حفظ حالت تک‌مد، این فناوری می‌تواند در طیف وسیعی از کاربردهای پیشرفته مورد استفاده قرار گیرد.