Laser iterbijum vlakana: uređaj, princip rada, energije, proizvodnja, upotreba

Fiber laseri su kompaktni i izdržljivi, precizno indukovani i lako rasipaju toplotnu energiju. Oni su različitih tipova i imaju mnogo zajedničkog sa optičkim kvantnim generatorima drugih vrsta, imaju svoje jedinstvene prednosti.

Fiber Lasers: Princip rada

Uređaji ovog tipa predstavljaju varijaciju standardnog izvora čvrstog stanja koherentnog zračenja sa radnim tijelom optičkog vlakna, a ne štapom, pločom ili diskom. Svetlost stvara dopant u centralnom delu vlakna. Osnovna struktura može varirati od jednostavnih do složenih. Laserski uređaj ytterbium fiber je takav da vlakno ima veliki odnos površina-volumen, tako da se toplota može relativno lako dispergovati.

Optički pumpe se optički pumpaju, najčešće pomoću kvantnih generatora dioda, ali u nekim slučajevima - istim izvorima. Optika koja se koristi u ovim sistemima uglavnom su komponente vlakana, pri čemu su većina ili svi oni povezani jedni sa drugima. U nekim slučajevima se koristi volumetrijska optika, a ponekad i unutrašnji optički sistem kombinuje se sa spoljnom volumetrijskom optikom.

Izvor pumpe dioda može biti dioda, matrica ili set pojedinačnih dioda, od kojih je svaka povezana sa priključkom pomoću optičkog svjetlosnog vodila. Dopirano vlakno na svakom kraju ima ogledalo rezonatora šupljine - u praksi, Bragg rešetka se pravi u vlaknu. Nema volumetrijske optike na krajevima, osim ako izlazni zrak ne prelazi u nešto drugo osim vlakna. Svjetlosni vodič se može izvući, pa ako je potrebno, laserska šupljina može imati dužinu od nekoliko metara.

Dvostruka struktura

Struktura vlakana koja se koristi u laserskim vlaknima je važna. Najčešća geometrija je dvostruka struktura. Nelegirano spoljno jezgro (ponekad se zove unutrašnja granata) sakuplja pumpano svetlo i usmerava ga duž vlakna. Prinudno zračenje proizvedeno u vlaknu prolazi kroz unutrašnje jezgro, što je često u jednom modu. Unutrašnje jezgro sadrži aditiv jterbijuma, koji je stimulisan pumpom svetiljke. Postoji mnogo ne-kružnih oblika spoljnog jezgra, uključujući heksagonalne, D-oblike i pravougaone, smanjujući verovatnoću da svetlosni snop pada u centralno jezgro.

Optički laser može imati krajnju ili bočnu pumpu. U prvom slučaju svetlost iz jednog ili više izvora ulazi u kraj vlakna. Sa bočnom pumpom, svetlo se napaja na spliter, koji ga dovodi do spoljašnjeg jezgra. Ovo se razlikuje od jezgre jezgra, gde svetlost ulazi u pravcu prema osi.

Za takvo rešenje, neophodno je mnogo razvoja dizajna. Značajna pažnja posvećena je dovodjenju svjetlosti pumpe u aktivnu zonu kako bi se proizvela inverzija populacije koja dovodi do stimulisane emisije u unutrašnjem jezgru. Jezgro lasera može imati različit stepen amplifikacije, zavisno od dopinga vlakna, ali i njegove dužine. Ove faktore konfiguriše inženjer dizajna kako bi dobili potrebne parametre.

Moguće je ograničenje snage, naročito kada se radi unutar jednog modnog vlakna. Takvo jezgro ima vrlo mali poprečni presek, i kao rezultat toga prolazi svetlost vrlo visokog intenziteta. U ovom slučaju, nelinearno rasipanje Brillouina postaje sve više i više zapaženo, što ograničava izlaznu snagu za nekoliko hiljada vati. Ako je izlazni signal dovoljno visok, može se oštetiti krajnja strana vlakna.

Karakteristike laserskih vlakana

Upotreba vlakana kao radnog medija daje veliku interakciju, koja dobro funkcionira sa pumpanjem dioda. Ova geometrija dovodi do visoke efikasnosti konverzije fotona, kao i pouzdanog i kompaktnog dizajna, u kojem nema diskretne optike koja zahteva podešavanje ili poravnanje.

Fiber laser, čiji uređaj omogućava dobro prilagođavanje, može se prilagoditi kako za zavarivanje debelih metalnih ploča, tako i za dobivanje femtosekundnih impulsa. Optički pojačavači obezbeđuju jednokratnu amplifikaciju i koriste se u telekomunikacijama, jer istovremeno mogu da pojačaju mnoge talasne dužine. Isti dobitak se koristi u pojačavačima snage uz master oscilator. U nekim slučajevima, pojačalo može raditi sa kontinuiranim laserskim zračenjem.

Drugi primjer su izvori spontanog zračenja sa amplifikacijom vlakana, u kojem je stimulisana emisija potisnuta. Drugi primjer je Raman vlaknasti laser sa povećanjem u kombinovanom raspršivanju koji značajno pomjerava talasnu dužinu. Pronašao je primenu u naučnim istraživanjima, gdje se staklena vlakna fluora koriste za proizvodnju i amplifikaciju kombinacija, umjesto standardnih kvarcnih vlakana.

Ipak, po pravilu, vlakna su napravljena od kvarcnog stakla sa primarnom nečistoćom retkog zemljišta u jezgru. Glavni aditivi su ytterbium i erbium. Ytterbium ima talasne dužine od 1030 do 1080 nm i može emitirati u širem rasponu. Korišćenje 940-nm pumpe dioda značajno smanjuje deficit fotona. Ytterbium ne poseduje nikakve efekte samodređivanja koje neodimijum ima na visokim gustinama, tako da se ovaj drugi koristi u volumetrijskim laserima, a yterbijum se koristi u vlaknima laserima (oba obezbeđuju približno istu talasnu dužinu).

Erbium emituje u opsegu 1530-1620 nm, siguran za oči. Frekvencija se može udvostručiti da generiše svetlost na 780 nm, što nije dostupno za druge vrste laserskih vlakana. Na kraju, yterbijum može biti dodan erbijumu tako da element apsorbuje zračenje pumpe i prenosi ovu energiju na erbijum. Thulium je još jedan aditiv za legiranje s sjajem u bliskom infracrvenom materijalu, što je na taj način zaštitno sredstvo za oči.

Visoka efikasnost

Laserski vlakan je kvazi-trostepeni sistem. Foton pumpe uzbuđuje prelazak sa zemaljskog stanja na gornji nivo. Prelazak lasera je prelazak sa najnižeg dela gornjeg nivoa na jedno od podeljenih tačaka. Ovo je veoma efektivno: na primer, yterbijum sa fotonom od 940 nm pumpi emituje foton sa talasnom dužinom od 1030 nm i kvantnim defektom (gubitkom energije) od oko 9%.

Nasuprot tome, neodimijum, pumped na 808 nm, gubi oko 24% energije. Dakle, ytterbium je po svojoj prirodi efikasniji, iako se sve to ne može postići zbog gubitka nekih fotona. Yb se može pumpati u više frekventnih opsega, a erbijum - na talasnoj dužini od 1480 ili 980 nm. Veća frekvencija nije toliko efikasna sa stanovišta defekta fotona, ali je korisna čak iu ovom slučaju, jer na 980 nm postoje najbolji izvori.

Generalno, efikasnost optičkog lasera je rezultat procesa u dva koraka. Prvo, to je efikasnost diode pumpe. Poluprovodnički izvori koherentnog zračenja su vrlo efikasni, sa 50% efikasnosti pretvaranja električnog signala u optički signal. Rezultati laboratorijskih studija pokazuju da je moguće postići vrednost od 70% ili više. Ako je izlazna zračenja optičkog lasera precizno usklađena, postiže se visoka efikasnost pumpe.

Drugo, to je efikasnost optičke optičke konverzije. Sa malim defektom u fotonima, moguće je postići visoku efikasnost uzimanja i iskorišćenja uz efikasnost optičke optičke konverzije od 60-70%. Rezultatna efikasnost je u rasponu od 25-35%.

Različite konfiguracije

Optički kvantni generatori kontinuiranog zračenja mogu biti jedno- ili multimodni (za transverzalne modove). Jedinstveni modeli proizvode visokokvalitetne zrake za materijale koji rade ili šalju zraku kroz atmosferu, a multimodni laserski industrijski vlakovi mogu generisati više snage. Ovo se koristi za sečenje i zavarivanje, a naročito za termičku obradu, gdje je osvjetljeno veliko područje.

Dugi impulsni laserski vlak je u suštini kvazi-kontinuirani uređaj, koji obično proizvodi impulse tipa milisekunde. Obično je njegov radni ciklus 10%. Ovo rezultira većom maksimalnom snagom od kontinualnog moda (obično deset puta veće), što se koristi, na primjer, za impulsno bušenje. Frekvencija može da dostigne 500 Hz, u zavisnosti od trajanja.

Prebacivanje Q-vlakana u laserskim vlaknima deluje kao i kod rasutih lasera. Tipičan trajanje impulsa je u rasponu od nanosekundi do mikrosekunde. Što je duže vlakno, to je duže što je potrebno za izlazno zračenje Q-prekidača, što dovodi do dužeg pulsiranja.

Karakteristike vlakana nameću određena ograničenja za Q-prekidanje. Nelinearnost optičkog lasera je značajnija zbog male površine poprečnog preseka jezgra, tako da je maksimalna snaga donekle ograničena. Možete koristiti ili volumetrijske Q prekidače koji daju bolje performanse ili modulatore vlakana koji se povezuju na krajeve aktivnog dela.

Pulsevi sa Q-komutacijom mogu se pojačati u vlaknom ili u rezonatoru šupljine. Primer drugog može se naći u Nacionalnom simulacionom kompleksu nuklearnih testova (NIF, Livermore, Kalifornija), gde je ytterbium fiber laserski master oscilator za 192 grede. Mali impuls u velikim pločama legiranog stakla se amplifikuje na megajoule.

U laserskim vlaknima sa sinhronizacijom frekvencija ponavljanja zavisi od dužine materijala za amplifikaciju, kao iu drugim modovima zaključavanja režima, a širina impulsa zavisi od širine propusnosti dobitka. Najkraće su unutar 50 fs, a najtipičnije su u rasponu od 100 fs.

Između vlakana erbijuma i jterbijuma postoji bitna razlika, zbog čega oni rade u različitim oblicima disperzije. Na području anomalozne disperzije emitovano je vlakno dopiranih vlaknima na 1550 nm. Ovo omogućava proizvodnju solita. Ytterbium vlakna su u regionu pozitivne ili normalne disperzije; Kao rezultat, oni generišu impulse sa izraženom linearnom frekvencijom modulacije. Kao rezultat toga, Bragg rešetka može biti potrebna kako bi se smanjila dužina pulsa.

Postoji nekoliko načina za promenu laserskih vlaknastih impulsa, naročito za ultrabrzne pikosekundne studije. Fotonska kristalna vlakna mogu se proizvoditi sa vrlo malim jezgrima kako bi se proizveli snažni nelinearni efekti, na primjer, za stvaranje supercontinuuma. Nasuprot tome, fotonični kristali se takođe mogu proizvesti sa vrlo velikim jednosmjernim jezgrima kako bi se izbjegli nelinearni efekti pri velikim snagama.

Fleksibilna fotonska kristalna vlakna sa velikim jezgrom stvorene su za aplikacije koje zahtevaju visoku moć. Jedna od metoda se sastoji u namjerno savijanju takvog vlakna da eliminiše bilo kakve neželjene režime višeg reda dok održava samo osnovni transverzalni mod. Nelinearnost stvara harmonike; Oduzimanjem i preklapanjem frekvencija, mogu se kreirati kraći i duži talasi. Nelinearni efekti mogu takođe proizvesti impulsnu kompresiju, što dovodi do pojave frekvencija frekvencija.

Kao izvor supercontinuuma, veoma kratki impulsi proizvode širok kontinuirani spektar pomoću fazne samodulacije. Na primjer, od početnih 6 ps impulsa na 1050 nm, što stvara laser yterbijskog vlakna, spektar se dobija u rasponu od ultravioletnog do preko 1600 nm. Drugi IR izvor supercontinuuma pumpa je izvor erbiuma na talasnoj dužini od 1550 nm.

Velika snaga

Industrija je trenutno najveći potrošač laserskih vlakana. Velika potražnja sada uživa snagu reda kilovata, koja se koristi u automobilskoj industriji. Automobilska industrija kreće se ka proizvodnji čeličnih automobila visoke čvrstoće kako bi zadovoljila potrebe dugotrajnosti i relativno je lako uštedjeti gorivo. Veoma je teško za obične alatne mašine, na primer, da probijeju rupe u ovoj vrsti čelika, a izvori koherentnog zračenja olakšavaju.

Sečenje metala laserskim vlaknima, u poređenju sa kvantnim generatorom drugih vrsta, ima niz prednosti. Na primjer, blizina infracrvenog opsega talasa dobro se apsorbuju metali. Greda se može isporučiti preko vlakana, što omogućava robotu da lako pomera fokus prilikom sečenja i bušenja.

Optička vlakna ispunjavaju najviše zahtjeve za napajanje. Oružje američke mornarice, testirano 2014, sastoji se od 6-vlaknih 5,5 kW lasera, kombinovanih u jedan zrak i emituje kroz optički sistem koji formira. Za ugradnju bespilotnog vazdušnog vozila korišćena je instalacija od 33 kW . Iako greda nije single-mode, sistem je interesantan jer nam omogućava da sa standardnim lako dostupnim komponentama kreiramo laserski vlak sa vlastitim rukama.

Najveća snaga jednosmernog koherentnog izvora IPG Photonics je 10 kW. Glavni oscilator proizvodi kilovat optičke snage, koji se napaja pojačavačkoj kaskadi sa pumpanjem na 1018 nm sa svetlom od drugih laserskih vlakana. Cijeli sistem ima veličinu dva frižidera.

Upotreba laserskih vlakana se takođe proširila na sečenje i zavarivanje visokog kapaciteta. Na primjer, zamijenili su kontaktno zavarivanje čeličnog lima, rješavajući problem deformacije materijala. Kontrola snage i drugi parametri omogućavaju precizno isecanje krivih, naročito uglovi.

Najsnažniji multimodni fiber laser - uređaj za sečenje metala istog proizvođača - dostiže 100 kW. Sistem je zasnovan na kombinaciji nekog koherentnog zraka, tako da ovo nije ultra-kvalitetan zrak. Takva trajnost čini laserskim vlaknima privlačnim za industriju.

Bušenje betona

Za rezanje i bušenje betona može se koristiti 4-kW moć multimodnih vlakana. Zašto je to neophodno? Kada inženjeri pokušavaju da postignu seizmičku otpornost postojećih zgrada, jedan mora biti veoma oprezan sa betonom. Prilikom ugradnje, na primer, čeličnom ojačanjem, konvencionalno udarno bušenje može prouzrokovati pukotine i oslabiti beton, ali laserski laseri ga sječu bez drobljenja.

Kvantni generatori sa Q-komutiranim vlaknima se koriste, na primer, za obeležavanje ili za proizvodnju poluprovodničke elektronike. Takođe se koriste u daljinskim uređajima: ručni moduli sadrže laserske optičke lasere čija je snaga 4 kW, frekvencija 50 kHz i širina impulsa 5-15 ns.

Površinski tretman

Veliki interes za malim fiber laserima za mikro i nanoprocesiranje. Prilikom uklanjanja površinskog sloja, ako je širina impulsa kraća od 35 ps, nema prskanja materijala. Ovo eliminiše formiranje depresija i drugih neželjenih artefakata. Pulsevi u femtosekundnom režimu proizvode nelinearne efekte koji nisu osjetljivi na talasnu dužinu i ne grijaju okolni prostor, što omogućava rad bez značajnih oštećenja ili slabljenja okolnih područja. Pored toga, rupe mogu biti rezane velikim odnosom dubine prema širini - na primer, brzo (u roku od nekoliko milisekundi) da bi se napravile male rupe u 1 mm nehrđajućeg čelika koristeći impulse od 800 fs pri frekvenciji od 1 MHz.

Također je moguće proizvesti površinski tretirane transparentnih materijala, npr ljudskom oku. Smanjiti preklopom na mikrohirurgije oka, femtosekunde impulsa vysokoaperturnym čvrsto fokusa na točku ispod površine oka, bez ikakvih oštećenja na površini, ali oko uništavanjem materijala na dubini pod kontrolom. Glatka površina rožnice, koja je neophodna za vid ostaje netaknut. Poklopac je odvojena od dna, onda može biti povučen do površinu excimer laser formiranje objektiva. Druge medicinske primjene uključuju operaciju plitke penetracije u dermatologiji, kao i upotreba određenih vrsta optička koherentna tomografija.

femtosekunde laseri

Femtosekunde lasera u nauci koristiti za uzbuditi laser slom spektroskopija, fluorescentne spektroskopije sa vremenske rezolucije, kao i za opšte istraživanje materijala. Osim toga, oni su potrebni za proizvodnju femtosekunde frekvencije češalj potrebne u mjeriteljstvu i opće studije. Jedan od pravih aplikacija u kratkom roku će biti atomski satovi GPS satelita nove generacije, što će povećati točnost pozicioniranja.

Jedan laser frekvencija vlakna se vrši sa spektralne Širina pikova manje od 1 kHz. Ova impresivna uređaj s malim zračenje snage od 10 MW na 1W. Pronalazi primjenu u oblasti komunikacija, mjeriteljstva (npr vlaknima žiroskopa) i spektroskopije.

Što je sljedeće?

Što se tiče ostalih istraživanja aplikacije, to je još dosta njih proučavao. Na primjer, vojni inženjering, koje se mogu primijeniti u drugim područjima, koji se sastoji u kombinovanjem vlaknima laserske zrake da se dobije visok zrak pomoću koherentan ili spektralne kombinaciji. Kao rezultat toga, više energije se postiže u jednom režimu zrak.

Proizvodnja vlakana lasera rapidno raste, posebno za potrebe automobilske industrije. Također, tu je i zamjena ne-vlaknaste uređaje vlakana. Pored opštih poboljšanja u troškovima i performansama, ima više praktične femtosekunde lasera i izvora supercontinuum. Fiber laseri zauzimaju više niše i postati izvor poboljšanja za druge vrste lasera.