Устройства отвода мощности с оболочки (CPS — cladding power stripper) Данные устройства используются в волоконных лазерах и усилителях. В активном волокне, легированном редкоземельными элементами, такими как эрбий и иттербий, энергия накачки поглощается примесями и преобразуется в энергию сигнала. Но мощность не может быть полностью поглощена.
В оболочке волокна (DCF) всегда присутствует остаточная мощность накачки. Эта часть энергии не просто бесполезна, но даже опасна как для самого волокна, так и для следующих компонентов.
Система CPS может эффективно «выводить» остаточную мощность накачки и некоторую мощность отраженного сигнала, которая отражается обратно в волокно, тем самым сохраняя усиленную мощность сигнала.
Устройство отвода мощности разработано следующим образом: любое волокно состоит из сердцевины и оболочки.
В данном устройстве отражательные свойства оболочки нарушены. Таким образом, проходя через данное устройство, остаточная мощность «просачивается» сквозь оболочку.
Нижеследующий рисунок наглядно иллюстрирует повышение температуры в зависимости от применяемой мощности, чтобы увидеть более наглядные результаты, обратимся к следующему графику.
Данный график также отражает зависимость температуры от используемой мощности. Можно наблюдать, что прирост температуры находится в диапазоне 10 градусов при увеличении мощности до 500 Вт, что является отличным результатом. Компания Lightcomm выпускает устройства со следующими характеристиками:
| Параметры/Условия эксплуатации | Мин. | Тип. | Макс. | Единицы измерения | Примечание | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Эффективность отвода | РМ или не РМ х/125 DCF | 20 | дБ | х=6, 10, 15, 20 и тд. | ||
| 2 | РМ или не РМ х/250 DCF | 17 | дБ | х=25, 30 и тд. | |||
| 3 | РМ или не РМ х/250 DCF | 17 | дБ | х=10, 20, 25 и тд | |||
| 4 | Длина волны сигнала | 800 | 2000 | нм | |||
| 5 | Потери сигнала | 0,05 | 0,20 | дБ | |||
| 6 | Выходной пучок сигнала М2 | 1,2 | — | При входном сигнале М2<1.05 | |||
| 7 | Коэффициент поляризации | 17 | дБ | ||||
| 8 | Длина волокна | 0.8 | м | ||||
| 9 | Оперируемая мощность | До 800 | Вт | ||||
| 10 | Рабочая температура | -20 | +70 | oC | |||
| 11 | Рабочая влажность | 5 | 95 | % отн.влажности | |||
| 12 | Температура хранения | -40 | +85 | ||||
Внимание данные представленные ниже сгенерированы ИИ.
Принцип действия CPS основан на нарушении условий полного внутреннего отражения, которые удерживают излучение в сердцевине волокна. В результате часть света, которая иначе распространялась бы в оболочке (так называемые cladding modes), начинает за пределы оболочки. Это излучени либо поглощается материалом устройства, либо рассеивается, после чего отводится.
Для создания зоны, где свет в оболочке может свободно распространяться, используются разные методы:
- Увеличение диаметра оболочки. Небольшую часть волокна сплавляют с участком волокна большего диаметра, что создаёт условия для выхода излучения из оболочки.
- Добавление специальных оптических элементов. Это могут быть волоконные брэгговские решётки (FBG) или структуры на основе фотонных кристаллов, которые целенаправленно рассеивают излучение из оболочки.
- Создание микронеровностей. Микроскопические дефекты в оболочке рассеивают излучение, выводя его наружу.
- Нанесение полимерного покрытия с более высоким показателем преломления. Такое покрытие изменяет коэффициент преломления и позволяет выходить из оболочки.
- Увеличение плотности энергии за счёт сужения оболочки. Механическое уменьшение толщины оболочки вынуждает излучение выходить из оболочки.
После того как нежелательное излучение «выведено» из оболочки, оно взаимодействует с материалом CPS (например, с полимерным покрытием или самим корпусом) и преобразуется в тепло. Ключевой задачей становится эффективное охлаждение устройства, чтобы предотвратить перегрев и повреждение. Для этого применяются системы жидкостного охлаждения с микроканальными пластинами.
Почему важно отводить избыточную мощность из оболочки волокна.
- Перегрев. Поглощение излучения вызывает локальный нагрев, который может повредить само волокно или другие компоненты лазерной системы.
- Снижение эффективности. Избыточная мощность в оболочке «оттягивает» часть мощности от основного сигнала в сердцевине, снижая общую эффективность системы.
- Ухудшение качества пучка. Рассеянное излучение может искажать форму и характеристики основного лазерного пучка.
Ключевые особенности CPS
Современные CPS проектируются так, чтобы минимизировать влияние на основной сигнал:
- Высокая эффективность удаления нежелательного света (часто более 98%).
- Минимальное затухание сигнала (Insertion Loss).
- Стабильность работы в широком диапазоне мощностей.
- Эффективное охлаждение для безопасной работы при высоких нагрузках.
Где применяются CPS
CPS незаменимы в высокомощных волоконных лазерах и усилителях, где используется волокно с двумя оболочками (DCF). Они помогают поддерживать стабильную работу системы, защищая компоненты от теплового повреждения и сохраняя качество основного сигнала.