精密激光焊接設備權(quán)威制造商
- 網(wǎng)站首頁
- 產(chǎn)品中心
產(chǎn)品中心專注于為客戶提供全面完整的焊接解決方案，為您提供激光焊接機,激光焊接加工,激光點焊機,全自動激光焊接機等高質(zhì)量產(chǎn)品。
- 客戶案例
- 走進正信
- 新聞資訊
- 聯(lián)系正信
精密激光焊接設備權(quán)威制造商
大家有沒有看過有線電視呢？其能夠滿足用戶對高清電視、視頻點播和互聯(lián)網(wǎng)接入等多媒體服務的需求，但你知道電視的信息是靠什么傳輸?shù)膯?？是通過地下或海底的線路網(wǎng)絡也就是光纖來完成的，而現(xiàn)今世界的大多數(shù)信息都是通過光纖來傳遞，光纖還用于醫(yī)療器械，讓我們了解一下光纖是怎么工作的，以及它是怎么改變了我們周邊世界的，光纜由數(shù)以千計的光纖維組成，而每根光纖的粗細跟人的頭發(fā)絲差不多，光纜以光的形式承載信息。
讓我們先學習一些光的基礎行為，來理解光纖的原理。光在不同介質(zhì)之間傳播的速度是不一樣的，這個變化的速度，用折射率來表示。而光的速度變化導致一個有趣的現(xiàn)象——折射，要理解折射我們可以想象一個有趣的實驗，假設光穿過一個三棱鏡，你可以看到光在三棱鏡的表面發(fā)生了彎折而不是直走，這種現(xiàn)象就叫折射。折射發(fā)生在光通過不同折射率的介質(zhì)時，光在從高折射率介質(zhì)通過低折射率介質(zhì)時會被折向表面，折射會導致放在水杯里的鉛筆看上去是折彎的。
圖1 折射
光纖就是有效利用了折射原理?，F(xiàn)在，我們進一步推演這個三棱鏡實驗。假設用一些添加劑不斷地提升玻璃的折射率，當我們提高折射率的時候，光線會越來越接近玻璃表面，過一段時間你會發(fā)現(xiàn)光沿著玻璃表面?zhèn)鞑?。如果我們繼續(xù)提高折射率，光線會突然回到原介質(zhì)內(nèi)部而形成純粹的反射，這個被叫做全反射。我們可以通過改變?nèi)肷浣堑姆瓷鋪韺崿F(xiàn)全反射，而不必去提高折射率，這個特定角度就叫做臨界角，光線將回到原介質(zhì)。這種全反射現(xiàn)象被應用于光纖的光傳輸。
圖2 全反射
這是一個光纖的簡化模型，高折射率的玻璃圓柱體，如果激光以超越臨界角的角度進入光纖就會形成全反射，光線會一直到達另一端，這意味著光可以在光纖中長距離運輸，無論光纖本身是什么形狀，請記住全反射會在較高折射率的玻璃和較低折射率的空氣間發(fā)生，然而光纖需要保護鎧甲，鎧甲可不是這樣的折射率。所以需要在中間加上特殊的材料取代空氣實現(xiàn)全反射。一個簡單的辦法就是在玻璃芯外層鍍上低反射率玻璃，從而實現(xiàn)全反射效應還能保護光纖，光纖芯和鍍層都是二氧化硅材料。不同的折射率是通過不同的添加物實現(xiàn)的，我們剛剛做的光纖是不能傳輸超過100公里的，這是因為在光纖中發(fā)生的各種損失，這種信號強度損失稱為衰減，吸收和散光是衰減的主要原因，這就是為什么你會看到有放大器的存在，它們增強信號強度，以使得信號傳遞更遠，放大器需要從附近的電源取電。
圖3 光纖模型
現(xiàn)在回歸原來的主題，光纖是如何傳遞諸如電話或者互聯(lián)網(wǎng)類的信息呢？任何信息都可以用0和1的序列來表示，假設你想從你的手機上發(fā)一個HELLO的短信，首先這個單詞會被轉(zhuǎn)化成二進制序列，轉(zhuǎn)化完畢后你的手機會把這一串二進制以電磁波發(fā)射出去，簡單假設1用高頻波表示，0用低頻波表達，本地的基站塔會接受到這些電磁波，在基站塔中高頻電磁波會產(chǎn)生一個光脈沖，否則沒有光脈沖?，F(xiàn)在這些光脈沖就可以通過光纖方便地傳遞了，承載信息的光脈沖將通過復雜的光纖網(wǎng)絡到達目的地，因此地球表面部署了很多光纜，這些光纜位于地面以及海底，主要是移動運營商等機構(gòu)維護這些光纖，例如AT&T，ORANGE，VERIZON等全球運營商擁有和維護海底光纜。
下面是一個海底光纜的橫斷截面示意圖，你可以看到只有很小一部分用來放置光纖，其他部分都是用來保護和增強的機械結(jié)構(gòu)，那么放大器在海底是怎么取電的呢？是因為在光纜的中間有一個薄薄的銅殼，沿著光纜給放大器供電，也就是說如果某個地方不通過光纜，那個地方將成為電話和互聯(lián)網(wǎng)的孤島。如果我們把光纖和傳統(tǒng)銅纜電線相比較，光纖在各個方面都具有優(yōu)勢，光纖可以提供更大的帶寬，而且傳輸速度大大快于銅纜，銅纜中的電流會產(chǎn)生電磁場，甚至會在導線外部從而導致電磁干擾，而光纖中的光會一直被保護在光纖內(nèi)部，因此不存在受外界信號干擾的情況；光纜的另一特征是，從側(cè)壁進入的光極少概率會沿著光纖繼續(xù)傳播，因此光纖有著更高的數(shù)據(jù)安全性。
圖4 海底光纜的橫斷截面示意圖
光纖被廣泛應用于全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)等領域。但是保證光纖高速、可靠的基石又是什么呢？答案就是激光器。激光器是一種產(chǎn)生高度聚焦、單色、相干光束的光源。它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為光能，并產(chǎn)生具有特定波長和方向的光束。在光纖通信系統(tǒng)中，激光器通常用于將信息轉(zhuǎn)化為光信號，并通過光纖傳輸?shù)侥繕说攸c，這些光信號經(jīng)過調(diào)制和編碼后，通過光纖傳輸?shù)侥繕说攸c，然后再被解調(diào)和解碼。在光纖通信中，最常見且廣泛應用的激光器類型是半導體激光器。
半導體激光器是利用半導體材料作為工作介質(zhì)的激光器。隨著半導體激光技術(shù)的進步，其功率不斷提升，應用場景也更加豐富。增加發(fā)光區(qū)的面積和二維堆疊是提高激光器系統(tǒng)總輸出功率的常用方法，但會導致光束質(zhì)量下降，并且難以直接應用。目前主要采用幾何光束整形、光束合束等方法來提高光束質(zhì)量和功率，并進一步將光束耦合到光纖中。
因此，如何提升半導體激光器的光束質(zhì)量，實現(xiàn)高功率、高效率、高可靠性等性能指標，并使其能夠直接應用，是近年來國內(nèi)外研究的熱點[1]。半導體激光器采用半導體材料作為工作物質(zhì)，是一種通過電注入實現(xiàn)激光放大器的設備，其核心部分是PN結(jié)。半導體激光器產(chǎn)生激光需要滿足三個必要條件：激勵源、增益介質(zhì)和具有穩(wěn)定的光學諧振腔。在半導體激光器工作時，通過施加正向電壓在PN結(jié)上，減小p區(qū)和n區(qū)之間的勢壘差，電子和空穴分別從n區(qū)和p區(qū)注入到有源區(qū)，最終導致大量電子和空穴在有源區(qū)實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。它們結(jié)合在一起產(chǎn)生受激輻射，并生成新的光子，然后這些光子通過光學諧振腔的反饋輸出激光。
圖5 光增益示意圖
提高激光器的輸出功率可以通過兩種方法：增加單管的輸出功率或增加激光發(fā)光點的數(shù)量。提高單管的輸出功率可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和提高芯片制作工藝等技術(shù)來實現(xiàn)。而增加激光發(fā)光點的數(shù)量通常被統(tǒng)稱為激光合束技術(shù)，其中包括激光器線陣等與之相關的技術(shù)。過去的激光合束技術(shù)主要依賴于光斑、偏振和光譜特性，并從外部光學系統(tǒng)的角度考慮。通過利用空間合束、波長合束和偏振合束等方法，對單管、線陣甚至迭陣進行能量合束和光束整形[2]。此外，外腔光譜合束技術(shù)通過實用光柵對外部光學反饋進行光譜合束。這樣的方法不僅可以提高功率，還可以確保良好的光束質(zhì)量。一般情況下，改變芯片結(jié)構(gòu)和工藝手段是提高半導體激光器光光束質(zhì)量的常見方法。通過限制激光出射面，可以確保激光的模式單一和穩(wěn)定。外腔反饋技術(shù)也可以用于提高光束質(zhì)量。外腔半導體激光器具有精確控制波長、低功耗、工作穩(wěn)定和簡單結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，通常采用脊形波導（RW）來提高側(cè)面的光束質(zhì)量。
圖6 外腔反饋光譜合束技術(shù)原理
在半導體激光器中，快軸和慢軸是指半導體材料的兩個主要傳播方向，也稱為主要振蕩模式?？燧S是指在半導體激光器中傳播速度較快的方向。在半導體材料中，由于晶格結(jié)構(gòu)的限制，光在此方向上傳播的速度較快，故稱為快軸。光在快軸方向上的傳播速度較高，也具有較小的發(fā)散角度。慢軸是指在半導體激光器中傳播速度較慢的方向。相對于快軸，光在慢軸方向上傳播的速度較慢，故稱為慢軸。光在慢軸方向上的傳播速度較低，同時也具有較大的發(fā)散角度?？燧S和慢軸之間光束質(zhì)量的不匹配是影響高效率和高亮度光纖耦合的主要限制因素。要實現(xiàn)有效的耦合，需要利用相應的光束整形方法來使快軸和慢軸的光束質(zhì)量達到平衡。這是設計緊湊的高亮度光纖耦合系統(tǒng)的前提[3]。
如果說光纖通信系統(tǒng)可以讓一束光連接整個世界，那激光器在光纖通信系統(tǒng)中的光源，是保證光纖傳輸高速和可靠性的基石。隨著半導體激光技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，激光器的功率和性能得到了提升，使得光纖通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的傳輸速度和更遠的傳輸距離。
