Laserski iterbijum vlakana: uređaj, operativni princip, snaga, proizvodnja, uporaba

Fiber laseri su kompaktni i izdržljiv, točan i jednostavan za rasuli izazvane vrućine. Oni dolaze u različitim vrstama i imaju puno veze s laserima drugih vrsta ima svoje jedinstvene prednosti.

Fiber laseri: rada

Sredstva ovog tipa su standardni varijacija krutog izvor koherentnog zračenja iz vlakana, umjesto šipke radni fluid, ploča ili disk. Svjetlo generira dopiranje u središnjem dijelu vlakana. Osnovna struktura može biti u rasponu od jednostavnih do vrlo složen. Aparat iterbijum vlakana laser tako da vlakno ima veliku površinu prema volumenu, tako da se toplina može biti difuzno relativno lako.

Fiber laseri se pumpa optički, često uz pomoć dioda lasera, ali u nekim slučajevima - istih izvora. Optika se koriste u ovim sustavima obično predstavlja optičke komponente, naznačen time, da većina ili svi od njih su međusobno spojeni. U nekim slučajevima, bulk optika, a ponekad i interni optički sustav vlakna u kombinaciji s vanjskim bulk optike.

Dioda Izvor pumpa može biti diodama ili više pojedinačnih diode, od kojih je svaki spojen na priključak svjetlovodni valovoda. Dopiranim vlakana na svakom kraju ima ogledalo rezonantna šupljina - u praksi čine vlakna Bragg rešetku. Na krajevima rasutih optike imaju, ako ne i jedini izlaz zraka ulazi u nešto drugo osim vlakana. Svjetlo vodič može biti upletena tako da po želji laser šupljina može imati duljinu od nekoliko metara.

dvije jezgre

Struktura vlakana se koriste u vlaknima lasera, je važan. Najčešći je geometrija dvojezgrenim strukture. Nedopiranih vanjski jezgre (ponekad se naziva intimi) pumpa sakuplja i usmjerava svjetlost je duž vlakana. Stimulirane zračenje nastaje u vlakna prolazi kroz unutrašnje jezgre, koji je često jedan način. Unutarnja jezgra sadrži aditiv iterbij, stimulira svjetlom pumpe. Postoje mnogi oblici noncircular vanjske jezgre uključujući - heksagonalne, D-oblika i pravokutne, smanjujući vjerojatnost promašaja svjetlosnog snopa u središnjoj jezgri.

Laser vlakno može imati kraj ili bočnu pumpanje. U prvom slučaju svjetlosti iz jednog ili više izvora ulazi u kraj vlakana. Kad strana pumpanje svjetlo se isporučuje razdjelnik koji se hrani u vanjsku jezgru. Ovo se razlikuje od laserskog svjetla šipke gdje ulazi okomito na os.

Za takvu odluku zahtijeva puno strukturalnog razvoja. Značajna pažnja posvećuje se sažetak svjetlo pumpe u jezgri za proizvodnju inverzije naseljenosti, što dovodi do stimulirane emisije u unutarnje jezgre. laserski jezgra može imati različite stupnjeve pojačanja u vlakna, ovisno o dopinga, kao i na njegovu dužinu. Ti faktori su postavljeni kao projektant za tražene parametre.

Granica Snaga se može dogoditi, pogotovo kada se radi unutar jednog vlakno. Takva jezgra ima vrlo malu površinu poprečnog presjeka, a kao rezultat toga prolazi načinjen u njemu svjetlo vrlo visokim intenzitetom. Kada se to postaje izraženiji nelinearno Brillouinovo raspršenje, što ograničava snagu od nekoliko tisuća vata. Ako rezultat nije dovoljno visoka, kraj vlakna se mogu oštetiti.

Pogotovo vlakana laseri

Uporaba vlakana kao radnog fluida daje veću duljinu interakciju, koja dobro radi kada je dioda pumpanje. Ova geometrija rezultira visokom učinkovitosti pretvorbe fotona, kao i pouzdano i kompaktne izvedbe, u kojoj nema diskretnih optika, koja zahtijeva prilagodbu ili poravnanje.

Vlaknima laser, koji uređaj omogućava da se dobro prilagoditi, može se prilagoditi za zavarivanje debljine lima, a da se dobije femtosekundnih impulsa. Optičkih pojačala pružaju single-pass dobitak i koriste u telekomunikacijama, kao i oni mogu pojačati mnoge valne duljine istovremeno. Isto dobitak se koristi u pojačala s master oscilator. U nekim slučajevima, pojačalo može raditi s kontinuiranim lasera.

Slijedeći primjer je izvor spontane emisije iz vlaknastog pojačanja, u kojem je izostavio stimulirana emisija. Slijedeći primjer je laser Raman vlakana u kombinaciji s povećanom disperziju, uglavnom smicanja valne duljine. To je pronašao primjenu u istraživanjima, u kojima kombinacija generacije i pojačanje korištenjem fluorida staklo umjesto standardnih silicijeve vlakna.

Međutim, općenito, vlakna načinjena od stakla sa silika rijetka zemlja dopiranje u srži. Osnovni aditivi su iterbij i erbij. Iterbijum ima valne duljine od 1030 do 1080 nm, i može emitirati u širokom rasponu. Uporaba 940 nm dioda pumpe značajno smanjuje deficit fotona. Iterbijum nema ni self-gašenje učinke, koji su na neodimij pri visokim gustoćama, tako da potonji se koristi u rasutom stanju laserima i iterbij - vlaknima (obojica dati o istoj valnoj duljini).

Erbijum emitira u rasponu 1530-1620 nm, sef za oči. Učestalost može se udvostručiti za generiranje svjetlo na 780 nm, koji nije dostupan za druge vrste vlakana lasera. Konačno, iterbij može se dodati erbija tako da element će apsorbirati zračenje pumpe i prenosi tu energiju da erbija. Tulij - još primjesa emisiji u blizini infracrvenog područja, što se tako sigurno za oko slike.

visoka učinkovitost

Laserska vlakno je sustav kvazi-tri razine. fotoni pumpa uzbuđuju prijelaz iz osnovnog stanja na gornjem sloju. Laserski prijelaz iz najnižeg dijela gornje razine na jednoj od split tlo država. Ovo je vrlo djelotvoran: na primjer, iterbij-940 nm photon pumpa emitira foton uz valnu duljinu od 1030 nm i kvantni manu (gubitak energije), samo oko 9%.

Nasuprot tome, neodimij, pumpa na 808 nm gubi oko 24% energije. Dakle, iterbij sebi ima visoku učinkovitost, iako ne sve to je ostvariv zbog gubitka nekih od fotona. Yb se može pumpati u nizu frekvencijama i erbija - valnu duljinu od 1480 nm i 980. Što je viša frekvencija nije tako učinkovit u smislu grešaka fotona, ali koristan, čak u ovom slučaju, jer je na 980 nm, najbolji izvori dostupni.

Ukupna učinkovitost lasera vlakana je rezultat dva koraka. Prvo, to je učinkovitost dioda crpke. izvori Semiconductor koherentnog zračenja su vrlo učinkoviti, sa 50% učinkovitosti pretvorbe električnog signala u optički. Rezultati laboratorijskih istraživanja ukazuju na to da je moguće dostići vrijednost od 70% ili više. Uz točno podudaranje izlazne apsorpcije zračenja linija vlakana lasera postiže i visoki stupanj djelovanja crpke.

Drugo, ovaj optičko-optički učinkovitost pretvorbe. Kada je mali neispravno fotoni mogu postići visok stupanj pobuđenosti i učinkovitost ekstrakcije optičko-optičke učinkovitosti pretvorbe od 60-70%. Dobivena učinkovitost u rasponu 25-35%.

različite konfiguracije

Vlakana kvantni valova kontinuirano generatori mogu biti jednostruke ili višemodna (poprečnih načini). Single proizvode visoke kvalitete zrake za materijale, rade ili slanjem zrake kroz atmosferu, a multi-industrijska vlakna laseri mogu generirati više snage. To se koristi za rezanje i zavarivanje, a osobito za toplinsku obradu, gdje je osvijetljena veliki prostor.

Dugo vlakana laser je uglavnom kvazi-kontinuirano Uređaj obično milisekunda tip generira impulsa. Obično je radni ciklus iznosi 10%. To dovodi do veće vršne snage nego kontinuirani način rada (obično deset puta) koji se koristi, na primjer, za pulsna bušenja. Učestalost može biti 500 Hz, ovisno o trajanju.

Q-prebacivanje u vlaknima laseri također djeluje kao u rasutom stanju. Tipičan trajanje impulsa je u rasponu od nanosekundi do mikrosekundi. Duže vlakna, potrebno je više vremena za Q prespajanja izlazne zračenja, ima za posljedicu dulji puls.

Fiber svojstva su neka ograničenja na Q modulacije. Nelinearnost lasera vlakana je značajniji zbog malog poprečnog presjeka jezgre, tako da je vršna snaga bi trebala biti donekle ograničen. Možete koristiti bilo Q glasnoće prekidača, koji pružaju bolje performanse, ili optičkih modulatori, koji su povezani s kraja na kraj aktivnog dijela.

Q-switched impulsa može biti pojačan na vlakana ili u šupljine rezonatora. Primjer potonjeg može se naći u Nacionalnom Complex simulacije nuklearnog testa (NIF, Livermore, CA), gdje se vlakna laser je glavni oscilator za 192 greda. Mali impulsi u velikim pločama stakla dopirani pojačan megajoules.

U vlakana lasera s frekvencijom sinkronizacija ponavljanja ovisi o duljini materijala za ojačavanje, kao u drugim načinima sinkronizacije krugova i trajanje impulsa ovisi o sposobnosti kako bi se poboljšala propusnost. Najkraći su u rasponu od 50 fs, i najtipičnije - u rasponu od 100 fs.

Između iterbij i erbij vlakana, postoji bitna razlika, pri čemu oni djeluju u različitim načinima disperzije. Erbij dopiranog vlakna emitiraju na 1550 nm u području anomalija disperzije. To omogućuje solitona. Itterbievye vlakna u pozitivnom ili normalne disperzije; kao posljedica toga, oni stvaraju impulsa s linearnim frekventne modulacije izrečene. Kao rezultat Bragg rešetka može trebati stisnuti duljine pulsa.

Postoji nekoliko načina za modificiranje vlakana laserske impulse, naročito za pikosekundnim ultrabrzi studija. Raspodijeljeni kristal vlakna mogu biti proizvedeni s vrlo malim jezgrama za jake nelinearnih efekata, kao što je za supercontinuum generacije. Nasuprot tome, Raspodijeljeni kristali također mogu biti proizvedeni s vrlo velikom single-mode jezgre kako bi se izbjegle nelinearne efekte pri visokim silama.

Fleksibilna fotonske kristalno vlakno s velikom jezgrom stvoren za primjene koje zahtijevaju veliku snagu. Jedna od metoda je namjerno savijanje vlakana ukloniti sve neželjene veće načina reda zadržavajući temeljne poprečna način. Nelinearnost stvara harmonika; i oduzimanjem učestalost savijanja, možete stvoriti kraćih i dužih valnih duljina. Nelinearni efekti mogu proizvesti kompresiju impulsa, što dovodi do pojave frekvencijskih češljevima.

Izvor supercontinuum vrlo kratkih pulseva proizvodnju kontinuiranog spektar kroz faze modulacije. Na primjer, iz početnih 6 PS pulseva na 1050 nm, koji stvara iterbij vlakana laserski spektra dobivenog u rasponu od UV na više od 1600 nm. Drugi izvor IR-pumpa izvora erbij-supercontinuum na valnoj dužini od 1550 nm.

visoka snaga

Industrija je trenutno najveći potrošač vlakana lasera. U velike potražnje upravo sada uživa moć reda kilovata koji se koriste u automobilskoj industriji. Automobilska industrija kreće prema proizvodnji visoke čvrstoće čelika automobila zadovoljiti zahtjeve trajnosti i relativno lako veću potrošnju goriva. Konvencionalni alatnih strojeva je vrlo teško, na primjer, bušiti rupe u ovoj vrsti čelika i izvora koherentne zračenja olakšavaju.

Rezanje metala vlakana laserske, u usporedbi s drugim vrstama kvantnog generatora ima niz prednosti. Na primjer, u blizini infracrvenog valnog područja dobro apsorbira metale. Širina može biti isporučen kroz vlakno, što omogućuje robot lako premjestiti fokus prilikom rezanja i bušenja.

Optička vlakna zadovoljava najviše zahtjeve za snagom. Oružje US mornarica, ispitan 2014., sastoji se od 6 vlakana 5,5 kilovat lasera kombinirani u jednom snopu i radijalno kroz optički sustav za oblikovanje. 33 kW jedinica koristi se za poraz je bespilotna letjelica. Iako je snop nije single-mode, sustav je od interesa, jer omogućuje stvaranje vlakana laser sa svojim rukama od standardnih, lako dostupnih sastojaka.

Najviše energije single-mode koherentni izvori svjetlosti IPG Photonics 10 kW. Majstor oscilator stvara vat optičke snage, koja se isporučuje na pojačalo pozornicu pumpa na 1018 nm sa svjetlom drugih vlakana lasera. Cijeli sustav ima veličinu od dva hladnjaka.

Uporaba vlakana lasera također proširena na visokoj rezanje snage i zavarivanje. Na primjer, oni zamjenjuju otpor zavarivanje čelika rješavanju problema deformacije materijala. kontrola snage i ostalih parametara omogućuje vrlo precizne zavoje rezanje, posebno kutove.

Najmoćniji multi fiber laser - za rezanje metala iz istog proizvođača - do 100 kW. Sustav se temelji na kombinaciji nesuvislim zrake, tako da to nije super visoke kvalitete zraka. Ovaj otpor čini vlakno laseri atraktivne za industriju.

betona bušenje

Višemodno vlakana laserske izlaz 4 kW mogu se koristiti za rezanje i betona bušenje. Zašto to učiniti? Kada inženjeri pokušavaju postići seizmičke otpornosti postojećih zgrada, biti vrlo oprezni s betonom. Kada se instalira u njemu, kao što su čelične armature konvencionalna udarno može izazvati napukline i oslabiti betona, ali vlakana laseri rezati bez drobljenja.

Laseri s Q-zamjenjeno vlakana koristi, na primjer za označavanje ili u proizvodnji poluvodičkih elektronike. Oni se također koriste u daljinomjera: moduli su veličine od strane sadrže oku sigurno vlakana laseri čiji izlaz je 4 kW, frekvencija 50 kHz i trajanje impulsa od 5-15 ns.

površinska obrada

Postoji veliki interes malih vlakana laserima za mikro i nanoprocessing. Prilikom uklanjanja površinskog sloja, ako je trajanje pulsa je kraće od 35 ps bez materijala za raspršivanje. To sprječava nastanak rupice na licu i drugih neželjenih artefakata. Impulsi u femtosekundnih režima proizvode nelinearne efekte koji nisu osjetljivi na valnoj duljini i okolno područje nije grijana, dopuštajući da rade bez značajnih oštećenja ili slabljenja okolnih područja. Osim toga, rupe mogu se rezati s visokim dubina do širine - na primjer, brzo (u roku od nekoliko milisekundi) mala rupa od 1 mm nehrđajućom čeličnom 800-FS pulseva s frekvencijom od 1 MHz.

Također je moguće proizvesti površinski obrađen prozirnih materijala, npr ljudsko oko. Da biste izrezali preklop na oku mikrokirurgija, femtosekundnih impulsi vysokoaperturnym čvrsto fokusom na mjestu ispod površine oka, bez nanošenja bilo kakve štete na površini, ali oko uništavanjem materijala na kontrolirani dubine. Glatka površina rožnice, koja je bitna za vid ostaje netaknut. Zaklopka je odvojen od dna, zatim se izvukao na površinu leće laserskih formiranje ekscimer. Ostali medicinski programi uključuju operaciju plitko prodiranje u dermatologiji, kao i upotrebu određenih vrsta optičke koherentne tomografije.

femtosekundnih laseri

Femtosekundnih laseri u znanosti koriste za uzbuđuju laserski slom spektroskopije, fluorescentne spektroskopije s vremenskom rezolucijom, a također i za opće istraživanje materijala. Osim toga, oni su potrebni za proizvodnju femtosekundnih frekvencijskog češlja potrebno u mjeriteljstvu i općih studija. Jedna od stvarne primjene u kratkom roku će biti atomski satovi u GPS satelita nove generacije, koji će povećati točnost pozicioniranja.

Jedan frekvencija vlakana laserski se izvodi sa spektralnom linewidth manje od 1 kHz. Ova impresivna naprava sa malom izlaznom zračenje snage od 10 MW do 1W. Nalazi primjenu u području komunikacija, mjeriteljstvo (npr, u vlaknima žiroskopa) i spektroskopijom.

Što je sljedeće?

Što se tiče drugih istraživačkih aplikacija, to je još uvijek puno njih su proučavali. Na primjer, vojni inženjering, koje se mogu primijeniti u drugim područjima, koji se sastoji u kombiniranje vlakana laserske zrake kako bi se dobila dugo svjetlo pomoću koherentnu ili spektralnu kombinaciju. Kao rezultat toga, više snage se postiže u single-mode zrake.

Proizvodnja vlaknastih lasera ubrzano raste, pogotovo za automobilsku industriju potrebama. Također, tu je i zamjena ne-vlaknastih vlakana uređaja. Osim općih poboljšanja u troškovima i izvedbi, ima više praktičan femtosekundnih laseri i izvori supercontinuum. Fiber laseri zauzimaju više niše i postati izvor poboljšanja za druge vrste lasera.