Iterbij vlakna lasersko: naprava se način delovanja, moč, proizvodnja, uporaba

Fiberni 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.

Laserski vlakni: princip 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 se lahko giblje 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 s pomočjo kvantnih generatorjev, vendar v nekaterih primerih - po istih virih. Optika, ki se uporablja v teh sistemih, je na splošno sestavljena iz vlaken, pri čemer je večina ali vsi med seboj povezani. V nekaterih primerih se uporablja volumetrična optika, včasih pa notranji optični sistem kombinira z zunanjo volumetrično optiko.

Vir črpanja diode je lahko dioda, matrika ali niz posameznih diode, od katerih je vsaka priključena na spojnik z optičnim svetlobnim vodnikom. Dopirano vlakno na vsakem koncu ima ogledalo votlih resonatorjev - v praksi so Bragg rešetke izdelane iz vlaken. Na koncih ni volumetrične optike, če izhodni žarek ne preide v nekaj drugega kot vlakna. Svetlobni vod se lahko zvije, tako da lahko ima laserska votlina dolžino več metrov.

Dvojedrna struktura

Struktura vlaken, ki se uporablja v optičnih laserjih, je pomembna. Najpogostejša geometrija je dvojedrna struktura. Nelegirano zunanje jedro (včasih imenovano notranja lupina) zbira črpano svetlobo in jo usmerja vzdolž vlaken. Prisilno sevanje, ki nastane v vlaknu, poteka skozi notranje jedro, ki je pogosto enosmerno. Notranje jedro vsebuje aditiv za ytterbium, ki ga spodbuja črpalka svetlobnega snopa. Obstaja veliko nekrožnih oblik zunanjega jedra, vključno s heksagonalnim, pravokotnim in pravokotnim D, s čimer se zmanjša verjetnost, da bi svetlobni pramel padel v osrednje jedro.

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 ustvarili inverzijo prebivalstva, ki vodi v stimulirano emisijo v notranjem jedru. Jedro lasera ima lahko drugačno stopnjo ojačenja, odvisno od dopinga vlakna in tudi od njegove dolžine. Te dejavnike je oblikoval inženir za pridobitev potrebnih parametrov.

Obstajajo lahko omejitve moči, zlasti pri delovanju v enem optičnem vlaknu. Tako 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 optičnih laserjev

Uporaba vlaken kot delovnega medija daje veliko interakcijsko dolžino, ki dobro deluje s črpanjem diode. Ta geometrija vodi do visoke učinkovitosti pretvorbe fotona ter zanesljive in kompaktne oblike, pri 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. Enak dobiček se uporablja pri močnostnih ojačevalnikih z glavnim oscilatorjem. V nekaterih primerih lahko ojačevalnik deluje z neprekinjenim laserjem za sevanje.

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

Kljub temu so vlakna praviloma izdelana iz kremenčevega stekla z nečistočo iz redkih zemeljskih dopingov v jedru. Glavni dodatki so ytterbium in erbium. Ytterbium ima valovne dolžine od 1030 do 1080 nm in lahko oddaja v širšem obsegu. Uporaba črpanja diode s 940 nm bistveno zmanjša primanjkljaj fotonov. Ytterbium nima nobenega učinka samodaljenja, ki ga ima neodim pri visokih gostotah, zato se slednji uporabljajo v volumetričnih laserjih, yterbium pa se uporablja v optičnih laserjih (oba zagotavljata približno enako valovno dolžino).

Erbium oddaja v območju 1530-1620 nm, varen za oči. Frekvenco se lahko podvoji, da se ustvari svetloba pri 780 nm, kar ni na voljo za druge vrste laserskih vlaken. Nazadnje, ytterbium lahko dodamo erbiju 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 višjo raven. Laserski prehod je prehod iz najnižjega dela zgornjega nivoja v eno od deljenih talnih stanj. To je zelo učinkovito: na primer, ytterbium s fotonskim črpalko 940 nm oddaja foton z valovno dolžino 1030 nm in kvantno napako (izgubo energije) le okoli 9%.

V nasprotju s tem 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 se lahko črpata v več frekvenčnih pasov, erbij - pri valovni dolžini 1480 ali 980 nm. Večja frekvenca ni tako učinkovita s stališča napak fotona, vendar je koristna tudi v tem primeru, ker pri 980 nm obstajajo najboljši viri.

Na splošno je učinkovitost laserskega vlakna posledica dvostopenjskega postopka. Prvič, to 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 laserskega optičnega vlakna natančno usklajeno, se doseže visoka učinkovitost črpalke.

Drugič, to je učinkovitost optične optične pretvorbe. Z majhno napako v fotonih je mogoče doseči visoko učinkovitost vzbujanja in ekstrakcije z učinkovitostjo optične optične pretvorbe 60-70%. Rezultat učinkovitosti 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 delajo ali pošiljajo žarek skozi atmosfero, lahko pa tudi večmodni industrijski laserski žarki ustvarijo več moči. 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%. To ima za posledico višjo moč kot kontinuirni način (običajno desetkrat večji), ki se na primer uporablja za impulzno vrtanje. Frekvenca lahko doseže 500 Hz, odvisno od trajanja.

Q-preklapljanje laserskih vlaken deluje tudi v velikih laserjih. Tipično trajanje impulza je v območju nanosekund na mikrosekundo. Čim daljše je vlakna, več časa je potrebno za izhodno sevanje s preklopom Q, kar vodi do daljšega impulza.

Lastnosti vlaken določajo nekatere omejitve pri preklopu Q. Nelinearnost laserskega vlakna je pomembnejša zaradi majhnega preseka jedra, tako da bi bila najvišja moč nekoliko omejena. Lahko uporabite bodisi volumetrična stikala Q, ki omogočajo boljšo zmogljivost ali modulatorje vlaken, ki se povezujejo na konca aktivnega dela.

Stiki z Q-preklapljanjem se lahko ojačijo v vlaken 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 na megajoule.

V optičnih laserjih s sinhronizacijo je frekvenca ponovitve 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. Ytterbium vlakna so v območju pozitivne ali normalne disperzije; Posledično proizvajajo impulze z izrazito frekvenco linearne modulacije. Kot rezultat, je morda potrebna Braggova mreža za stiskanje dolžine pulza.

Obstaja več načinov za spreminjanje pulzov vlaken laserja, 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 ohranimo samo osnovni transverzalni način. Nelinearnost ustvarja harmonike; Z odštevanjem in zlaganjem frekvenc lahko ustvarimo krajše in daljše valove. Nelinearni učinki lahko povzročijo tudi stiskanje impulzov, kar povzroči nastanek frekvenčnih glavnikov.

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 izvor supkontinuuma črpal vir z erbiumom 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 loteva proizvodnje visoko zmogljivih jeklenih avtomobilov, da bi zadostila zahtevam glede dolgoživosti in bila relativno enostavna za varčevanje z gorivom. Za običajna strojna orodja je zelo težko, na primer, za luknje lukenj v tej vrsti jekla, 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 se lahko prenese prek vlaken, ki robotu omogoča enostavno premikanje ostrenja pri rezanju in vrtanju.

Optična vlakna ustrezajo najvišjim potrebam po energiji. Orožje ameriške mornarice, preizkušeno leta 2014, je sestavljeno iz 6-vlaknih 5,5-kilovatnih laserjev, združenih v en sam žarek in oddajanje skozi optični sistem. Za premostitev zračnega plovila brez posadke je bila uporabljena napeljava 33 kW . Čeprav žarek ni enojni način, je sistem zanimiv, saj nam omogoča, da s standardnimi, lahko dostopnimi komponentami ustvarjamo 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 drugih laserskih vlaken. 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. Krmiljenje moči in drugi parametri omogočajo zelo natančno izrezovanje krivulj, zlasti kotov.

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

Vrtanje betona

Za rezanje in vrtanje betona se lahko uporablja močno moč 4 laserske moči. Zakaj je to potrebno? Ko inženirji poskušajo doseči seizmično odpornost obstoječih stavb, moramo biti z betonom zelo previdni. Pri nameščanju v njej npr. Jeklene ojačitve lahko konvencionalno udarno vrtanje povzroči razpoke in oslabi beton, toda laserski laserski rezi ga ne smejo zdrobiti.

Kvantni generatorji z vlaknima s preklopom Q se uporabljajo, na primer, za označevanje ali proizvodnjo polprevodniške elektronike. Uporabljajo se tudi v iskalnikih razdalje: 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. Stiki v femtosekundnem načinu proizvajajo nelinearne učinke, ki niso občutljivi na valovno dolžino in ne ogrevajo okoliškega prostora, zaradi česar je mogoče delati brez večjih poškodb ali oslabelosti okoliških območij. Poleg tega se luknje lahko razrežejo z velikim razmerjem med globino in širino - na primer, hitro (v nekaj milisekundah), da se luknje v nerjavnem jeklu 1 mm izmerijo z impulzi 800-fs s frekvenco 1 MHz.

Možno je tudi, da dobimo površinsko obdelana prosojnih materialov, npr človeško oko. 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, kar je bistvenega pomena za vid ostane nedotaknjena. Loputa ločimo od dna, lahko nato potegne navzgor na površje excimer tvori laser objektiv. Druge medicinske aplikacije vključujejo operacijo plitvo penetracijo v dermatologiji, kot tudi z uporabo nekaterih vrst optičnih skladnosti tomografijo.

Femtosekundna 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 femtosekundno frekvenčnega glavnika zahtevano v meroslovju in splošnih študij. Ena od realnih aplikacij v kratkoročnem obdobju bodo atomske ure z GPS satelitov nove generacije, kar bo povečalo natančnost pozicioniranja.

Enotna lasersko frekvenca vlaken izvedemo s spektralno linewidth manj kot 1 kHz. Ta impresivna naprava z majhno izhodno moč sevanja od 10 mW do 1W. Uporabljati v področju komunikacij, meroslovju (npr vlaknin žiroskopi) in spektroskopijo.

Kaj sledi?

Kot za druge raziskovalne namene, je še vedno veliko od njih so preučevali. Na primer, vojaška tehnika, ki se lahko uporablja na drugih področjih, ki sestoji iz združevanja vlaken laserske žarke, da dobimo visok pramen s pomočjo skladen ali spektralne kombinacije. Kot rezultat, je več moč doseči na eno-mode žarkom.

Proizvodnja vlaken laserjev hitro narašča, predvsem za potrebe avtomobilske industrije. Prav tako je nadomestni nevlaknate naprav vlaken. Poleg splošnih izboljšav pri stroških in učinkovitosti, pa so bolj praktični femtosekundna laserji in viri supercontinuum. Fiber laserji zasedajo več niše in postali vir izboljšave za druge vrste laserjev.