Ytterbium fiber laser: naprava, princip delovanja, moč, proizvodnja, uporaba

Fiber laserji so kompaktni in trpežni, natančno vpeti in zlahka razpršijo toplotno energijo. Imajo različne vrste in imajo veliko skupnega z optičnimi kvantnimi generatorji drugih vrst, imajo svoje lastne prednosti.

Fiber laserji: načelo delovanja

Naprave te vrste so različica standardnega polprevodniškega vira koherentnega sevanja z delovnim telesom optičnih vlaken, namesto palice, plošče ali diska. Svetloba ustvari dopant v osrednjem delu vlakna. Osnovna struktura lahko obsega od preprostega do precej zapletenega. Laserska naprava ytterbium fiber je taka, da ima vlakno veliko razmerje med površino in prostornino, tako da je lahko toplota relativno lahko razpršena.

Optični črpalki so optično črpani, najpogosteje z uporabo kvantnih generatorjev, vendar v nekaterih primerih - po istih virih. Optika, ki se uporablja v teh sistemih, je na splošno sestavljena iz vlaken, pri čemer sta večina ali vsi med seboj povezani. V nekaterih primerih se uporablja volumetrična optika, včasih pa notranji optični sistem združuje z zunanjo volumetrično optiko.

Dvojedrna struktura

Struktura vlaken, ki se uporablja v optičnih laserjih, je pomembna. Najpogostejša geometrija je dvojedrna struktura. Undoped zunanji jedro (včasih imenovana intima) črpamo zbira svetlobo in jo usmerja vzdolž vlakna. Prisilno sevanje, ki nastane v vlaknu, poteka skozi notranje jedro, ki je pogosto enojno. Notranje jedro vsebuje aditiv iterbij, za svetlobo črpalke stimulirati. Obstaja veliko oblik krožnega zunanjega jedra, vključno - šestkotna, D-oblike in pravokotne, ki zmanjšujejo verjetnost nesreč svetlobnega snopa v osrednjem jedru.

Laserska vlakna imajo lahko končno ali stransko črpanje. V prvem primeru svetloba iz enega ali več virov vstopi v konec vlakna. S stransko črpalko se svetloba napaja v cepilnik, ki ga napaja na zunanje jedro. To se razlikuje od jedrnega lasera, kjer svetloba vstopi pravokotno na os.

Za takšno rešitev so potrebni številni razvojni načrti. Veliko pozornosti posvečamo črpanju svetlobe črpalke v aktivno območje, da bi dobili inverzijo populacije, ki vodi v stimulirano emisijo v notranjem jedru. Jedro lasera ima lahko drugačno stopnjo ojačanja, odvisno od dopinga vlakna in tudi od njegove dolžine. Te dejavnike je oblikoval inženir, da bi pridobili potrebne parametre.

Lahko se pojavijo omejitve moči, zlasti pri delovanju v enem samem načinu. Takšen jedro ima zelo majhen prečni prerez, zaradi česar skozi zelo visoko intenziteto prehaja svetloba. V tem primeru postane vse bolj zaznavno nelinearno razprševanje Brillouina, kar omejuje izhodno moč za več tisoč vatov. Če je izhodni signal dovolj visok, se lahko poškoduje končna ploskev vlakna.

Značilnosti laserskih vlaken

Uporaba vlaken kot delovnega medija daje veliko interakcijo dolžino, ki dobro deluje s črpanjem diode. Ta geometrija vodi do visoke učinkovitosti pretvorbe fotona ter zanesljive in kompaktne oblike, v kateri ni diskretne optike, ki zahteva prilagoditev ali poravnavo.

Fiber laser, katerega pripomoček omogoča dobro prilagajanje, se lahko prilagodi tako za varjenje debelih kovinskih plošč kot za pridobivanje femtosekundnih impulzov. Fiber optični ojačevalniki zagotavljajo enopasovno ojačenje in se uporabljajo v telekomunikacijah, saj lahko hkrati ojačajo mnoge valovne dolžine. Enako ojačenje se uporablja pri močnostnih ojačevalnikih z glavnim oscilatorjem. V nekaterih primerih lahko ojačevalnik deluje s kontinuirnim laserjem za sevanje.

Naslednji primer so viri spontanega sevanja z ojačanjem vlaken, v katerih je potisnjena emisija zatreta. Drug primer je Raman vlaken laser z dobičkom v kombiniranem razpršenju, ki znatno premika valovno dolžino. Ugotovil je, da je uporaba v znanstvenih raziskavah, kjer se uporabljajo fluorirana steklena vlakna za generiranje in ojačanje kombinacije, namesto standardnih kvarčnih vlaken.

Vendar pa na splošno, vlakna iz kremenčevega stekla z redke zemlje dopanta v jedru. Osnovni dodatki so iterbij in erbij. Iterbij ima valovne dolžine od 1030 do 1080 nm, in lahko oddajajo v širokem območju. Uporaba 940-nm diode črpalke znatno zmanjša primanjkljaj fotonov. Iterbij nima niti na lasten gašenja učinke, ki so postavljeni na neodima pri visokih gostot, tako da je le-ta uporablja v velikih laserji in iterbij - vlaknin (oba zagotavljajo približno enako valovni dolžini).

Erbium oddaja v območju 1530-1620 nm, varen za oči. Frekvenco se lahko podvoji, da ustvari svetlobo pri 780 nm, kar ni na voljo za druge vrste laserskih vlaken. Nazadnje, ytterbium lahko dodamo v erbij tako, da element absorbira sevanje črpalke in to energijo prenese na erbij. Thulium je še en zlitinski dodatek s sijočim v bližnjem infrardečem področju, ki je zato varen material.

Visoka učinkovitost

Laserski vlaken je kvazi-tristopenjski sistem. Foton črpalke vznemiri prehod iz osnovnega stanja na zgornji nivo. Laserski prehod iz najnižjega dela zgornje ravni na eni izmed delih zemlja držav. To je zelo učinkovita: na primer, iterbij-940 nm fotonov Črpalka oddaja foton z valovno dolžino 1030 nm, in kvantni napake (izgubo energije), le približno 9%.

Nasprotno, neodim, črpal na 808 nm, izgubi okoli 24% energije. Tako je ytterbium sam po sebi učinkovitejši, čeprav ni vse mogoče doseči zaradi izgube nekaterih fotonov. Yb je mogoče črpati v več frekvenčnih pasovih, erbij - pri valovni dolžini 1480 ali 980 nm. Višja frekvenca ni tako učinkovita s stališča napake fotona, vendar je koristna tudi v tem primeru, ker pri 980 nm obstajajo najboljši viri.

Na splošno je učinkovitost laserskega vlakna posledica dvostopenjskega postopka. Najprej je učinkovitost črpalke diode. Polprevodniški viri koherentnega sevanja so zelo učinkoviti, s 50-odstotno učinkovitostjo pretvorbe električnega signala v optični signal. Rezultati laboratorijskih študij kažejo, da je mogoče doseči vrednost 70% ali več. Če je izhodno sevanje optičnega lasera natančno ujemanje, se doseže visoka učinkovitost črpalke.

Drugič, to je učinkovitost optične optične pretvorbe. Z majhno napako v fotonih je mogoče doseči visoko stopnjo učinkovitosti vzbujanja in ekstrakcije z optično optično pretvorbo v višini 60-70%. Nastala učinkovitost je v območju 25-35%.

Različne konfiguracije

Kvantni generatorji neprekinjenega sevanja iz optičnih vlaken so lahko enojni ali večmodni (za prečne načine). Enosmerni tisti proizvajajo visokokakovostni žarek za materiale, ki delujejo ali pošiljajo žarek skozi atmosfero, in multimodni industrijski laserski žarki lahko ustvarjajo več energije. Uporablja se za rezanje in varjenje ter zlasti za toplotno obdelavo, kjer je osvetljeno veliko površino.

Laserski laserski laser je v bistvu kvazi-neprekinjena naprava, ki običajno proizvaja impulze vrste millisecond. Običajno je njegov delovni cikel 10%. Rezultat tega je višja moč kot v neprekinjenem načinu (običajno desetkrat večja), ki se na primer uporablja za impulzno vrtanje. Frekvenca lahko doseže 500 Hz, odvisno od trajanja.

Q-preklapljanje med optičnimi laserji deluje tudi v večjih laserjih. Tipične širine pulza segajo od nanosekund do mikrosekund. Čim daljše je vlakno, več časa je potrebno za izhodno sevanje s preklopom Q, kar vodi do daljšega impulza.

Lastnosti vlaken določajo nekatere omejitve pri preklopu Q. Nelinearnost optičnega lasera je pomembnejša zaradi majhnega presečnega območja jedra, tako da je največja moč nekoliko omejena. Lahko uporabite bodisi volumetrična stikala Q, ki omogočajo večjo zmogljivost ali modulatorje vlaken, ki se povezujejo na konca aktivnega dela.

Stiki z Q-preklapljanjem se lahko ojačijo v vlaknu ali v votlini. Primer slednjega lahko najdemo v Nacionalnem simulacijskem kompleksu za nuklearno testiranje (NIF, Livermore, Kalifornija), kjer je ytterbium fiber laser glavni oscilator za 192 žarkov. Majhni impulzi v velikih ploščah iz legiranega stekla se pomnožijo z megajouli.

V optičnih laserjih s sinhronizacijo je frekvenca ponavljanja odvisna od dolžine ojačevalnega materiala, kot pri drugih načinih zaklepanja, širina impulza pa je odvisna od pasovne širine dobička. Najkrajši je v 50 fs, najbolj tipični pa so v območju od 100 fs.

Med vlakni erbija in ytterbija je pomembna razlika, zaradi česar delujejo v različnih načinih disperzije. V območju anomalozne disperzije se oddajajo vlakna, dopuščena z erbijem, pri 1550 nm. To omogoča izdelavo solitonov. Ytterbijeva vlakna so v območju pozitivne ali normalne disperzije, zato nastajajo impulzi z izrazito frekvenco linearne modulacije. Posledično lahko za stiskanje dolžine impulza potrebujemo balzamsko rešetko.

Obstaja več načinov za zamenjavo vlaken laserjev, zlasti za ultra hitre pikosekundne študije. Fotonska kristalna vlakna se lahko proizvajajo z zelo majhnimi jedri, da proizvedejo močne nelinearne učinke, na primer za generiranje supkontinuuma. V nasprotju s tem lahko fotonske kristale izdelamo tudi z zelo velikimi enojnimi žilami, da bi se izognili nelinearnim učinkom pri visokih močeh.

Prilagodljiva fotonska kristalna vlakna z velikim jedrom so izdelana za aplikacije, ki zahtevajo visoko moč. Ena od metod je, da namerno zavijemo takšno vlakno, da odstranimo kakršnekoli nezaželene načine višjega reda in hkrati ohranimo samo osnovni transverzalni način. Nelinearnost ustvarja harmonike - z odštevanjem in zlaganjem frekvenc lahko ustvarite krajše in daljše valove. Nelinearni učinki lahko povzročijo tudi impulzno stiskanje, kar povzroči pojav frekvenčnega grelca.

Kot vir supkontinuuma, zelo kratki impulzi proizvajajo širok neprekinjen spekter s fazno samodulacijo. Na primer, od začetnih 6 ps impulzov pri 1050 nm, ki ustvarja laser ytterbium fiber, dobimo spekter v razponu od ultravijoličnega do več kot 1600 nm. Še en IR vir supkontinuuma črpamo z izvorom erbiuma pri valovni dolžini 1550 nm.

Velika moč

Industrija je trenutno največji porabnik laserskih vlaken. Veliko povpraševanje zdaj uživa moč kilovatnega reda, ki se uporablja v avtomobilski industriji. Avtomobilska industrija se seli v proizvodnjo visoko zmogljivih jeklenih avtomobilov, da bi zadostila zahtevam glede dolgoživosti in bila relativno lahek za večjo porabo goriva. Za običajna strojna orodja je zelo težko, na primer, za luknje lukenj v tovrstnem jeklu, viri koherentnega sevanja pa olajšajo.

Rezanje kovine z optičnim laserjem v primerjavi s kvantnimi generatorji drugih vrst ima številne prednosti. Na primer, blizu infrardečega območja valov dobro absorbira kovine. Žarek je mogoče dostaviti preko vlakna, ki robotu omogoča enostavno premikanje fokusa pri rezanju in vrtanju.

Optično vlakno ustreza najvišjim potrebam po energiji. Orožje ameriške mornarice, preizkušen leta 2014, je sestavljen iz 6-fiber 5,5-kilovatnih laserji združena v eno dolgi in sevalnih skozi tvori optični sistem. Za poraz je bil uporabljen 33 kW zračno vozilo brez posadke. Čeprav žarek ni enojni, je sistem zanimiv, saj vam omogoča, da s standardnimi, lahko dostopnimi komponentami ustvarite optični laser z lastnimi rokami.

Največja moč enosmernega koherentnega vira IPG Photonics je 10 kW. Glavni oscilator proizvaja kilovatne optične moči, ki se napajajo v kaskado ojačevalnika s črpanjem na 1018 nm s svetlobo iz drugih vlakenskih laserjev. Celoten sistem ima velikost dveh hladilnikov.

Uporaba laserskih vlaken se je razširila tudi na močno rezanje in varjenje. Na primer, zamenjali so kontaktno varjenje jeklene pločevine in rešili problem deformacije materiala. Upravljanje porabe in drugi parametri omogočajo zelo natančno zmanjšanje krivulj, še posebej koti.

Najmočnejši multimodalni optični laser - naprava za rezanje kovin istega proizvajalca - doseže 100 kW. Sistem temelji na kombinaciji nekakovostne žarke, zato to ni super-kakovosten žarek. Takšna obstojnost naredi optične laserje privlačno za industrijo.

Vrtanje betona

Za rezanje in vrtanje betona lahko uporabimo močnostno moč z močjo 4 kW. Zakaj je to potrebno? Ko inženirji poskušajo doseči seizmično odpornost obstoječih stavb, moramo biti z betonom zelo previdni. Pri nameščanju v njej npr. Jeklene armature konvencionalno udarno vrtanje lahko povzroči razpoke in oslabi beton, toda laserski vlakni ga rezani brez drobljenja.

Kvantni generatorji z moduliranim Q vlaknom se uporabljajo, na primer, za označevanje ali proizvodnjo polprevodniške elektronike. Uporabljajo se tudi v obsegu iskalnikov: ročni moduli vsebujejo optično varne optične laserje, katerih moč je 4 kW, frekvenca 50 kHz in širina impulza 5-15 ns.

Površinska obdelava

Veliko je zanimanja za majhne optične laserje za mikro in nanoprocesiranje. Pri odstranjevanju površinske plasti, če je širina impulza krajša od 35 ps, materiala ne brizga. To odpravlja nastanek depresij in drugih neželenih artefaktov. Impulzi v femtosekundne režima proizvajajo nelinearne učinke, ki niso občutljivi na valovno dolžino in okolici se ne segreva, ki omogoča, da deluje brez večjih poškodb ali slabitev okoliških območij. Poleg tega lahko luknje se reši z visoko globino in širino - na primer hitro (v nekaj milisekundah) luknjicami 1 mm z nerjavečo jekleno 800-FS impulze s frekvenco 1 MHz.

Možno je tudi površinsko obdelavo prosojnih materialov, na primer človeških oči. Za reši loputo v oči mikrokirurgiji, femtosekundna stročnice vysokoaperturnym dobro lečo na točki pod površino očesa brez poškodbe na površini, vendar je oko z uničevanjem material na kontrolirano globino. Gladka površina roženice, ki je pomembna za vid, ostane neškodljiva. Zatič, ločen od spodaj, se nato lahko povleče za tvorbo površine excimer-laserja. Druge medicinske aplikacije vključujejo operacijo plitke penetracije v dermatologiji, pa tudi uporabo v nekaterih vrstah optične koherentne tomografije.

Femtosekundni laserji

Femtosekundna laserji v znanosti uporablja za vzbujanje lasersko razčlenitev spektroskopija, fluorescenčno spektroskopijo s časovno ločljivostjo, in tudi za splošne raziskave materialov. Poleg tega so potrebni za izdelavo femtosekundnih frekvenčnih glavnikov, ki se zahtevajo v metrologiji in splošnih študijah. Ena od resničnih aplikacij v kratkem času bo atomska ura za nove generacije GPS satelitov, kar bo povečalo natančnost pozicioniranja.

Laserski enofrekvenčni vlaken se proizvaja s širino spektra, ki je manjša od 1 kHz. To je impresivno majhna naprava z močjo 10 mW do 1 W. Ugotavlja uporabo na področju komunikacij, meroslovja (na primer pri žiroskopih vlaken) in spektroskopije.

Kaj je naslednje?

Kot pri drugih raziskovalnih aplikacijah se preučuje še veliko več. Na primer, vojaški razvoj, ki ga je mogoče uporabiti na drugih področjih, sestavljajo združevanje vlaknenih laserskih žarkov za izdelavo enotnega visokokakovostnega žarka s pomočjo koherentne ali spektralne kombinacije. Posledično se doseže visoka moč pri enosmernem žarku.

Proizvodnja laserskih vlaken hitro narašča, zlasti za potrebe avtomobilske industrije. Obstaja tudi zamenjava vlaken brez vlaken. Poleg splošnih izboljšav stroškov in učinkovitosti se pojavljajo vedno bolj praktični femtosekundni kvantni generatorji in viri supkontinuuma. Fiber laserji zasedajo vedno več niš in postanejo vir izboljšav za druge vrste laserjev.