Ytterbium vlaknasti laser: uređaj, princip rada, snaga, proizvodnja, primjena

Svjetlovodni laseri su kompaktni i izdržljivi, precizno inkorporirani i lako raspršuju toplinsku energiju. Oni su različitih tipova i, imajući mnogo zajedničkog s optičkim kvantnim generatorima drugih vrsta, imaju svoje jedinstvene prednosti.

Svjetlovodni laseri: načelo rada

Uređaji ovog tipa su varijacija standardnog čvrstog stanja koherentnog zračenja s radnim tijelom optičkih vlakana, a ne šipkom, pločom ili diskom. Svjetlo je generirano od dopanata u središnjem dijelu vlakana. Osnovna struktura može biti od jednostavnih do prilično složenih. Uređaj laserskog vlakna od iterbiuma je takav da vlakno ima veliki omjer površine i volumena, tako da se toplina može relativno lako dispergirati.

Svjetlovodni laseri optički se ispiru, najčešće koriste kvadratni generatori dioda, ali u nekim slučajevima - istim izvorima. Optičari koji se koriste u tim sustavima općenito su komponente vlakana, pri čemu je većina ili sve njih međusobno povezana. U nekim se slučajevima koristi volumetrijska optika, a ponekad i unutarnji svjetlovodni sustav kombinira se s vanjskom volumetrijskom optikom.

Dvojna jezgra strukture

Struktura vlakana koja se koristi u laserskim vlaknima je važna. Najčešća geometrija je struktura dvostruke jezgre. Nelegiranu vanjsku jezgru (koja se ponekad zove unutarnja školjka) skuplja pumpana svjetlost i usmjerava je duž vlakana. Prisilno zračenje dobiveno vlaknima prolazi kroz unutarnju jezgru, koja je često jednostruki način rada. Unutarnja jezgra sadrži aditiv za dodavanje ytterbi, stimuliran pumpnom svjetlosnom snopom. Postoje mnogi ne-kružni oblici vanjske jezgre, uključujući šesterokutni, D-oblik i pravokutni, smanjujući vjerojatnost svjetlosnog snopa koja pada u središnju jezgru.

Lasersko vlakno može imati krajnju ili bočnu pumpu. U prvom slučaju, svjetlost iz jednog ili više izvora ulazi na kraj vlakana. S lateralnom pumpom, svjetlo se ulijeva u razdjelnik, koji ga uvodi do vanjske jezgre. To se razlikuje od središnjeg lasera, gdje svjetlost ulazi okomito na os.

Za takvo rješenje potrebno je mnogo razvojnih projekata. Znatna pozornost posvećuje se dovođenju svjetla pumpe u aktivnu zonu kako bi se proizvela inverzna populacija koja dovodi do stimulirane emisije u unutarnjoj jezgri. Jezgra lasera može imati različit stupanj pojačanja, ovisno o dopiranju vlakana, a također i na njezinoj duljini. Ove čimbenike konfigurira inženjer projektiranja kako bi dobio potrebne parametre.

Može doći do ograničenja napajanja, posebno kada se radi unutar jednodimenzionalnog vlakna. Takva jezgra ima vrlo malu površinu poprečnog presjeka, a kao rezultat toga prolazi kroz svjetlost vrlo jakog intenziteta. U ovom slučaju, nelinearno raspršenje Brillouin postaje sve uočljivije, što ograničava izlaznu snagu za nekoliko tisuća vat. Ako je izlazni signal dovoljno visok, krajnje lice vlakana može biti oštećeno.

Značajke laserskih vlakana

Korištenje vlakana kao radnog medija daje veliku dužinu interakcije koja dobro funkcionira s diodnim pumpama. Ova geometrija dovodi do velike učinkovitosti pretvorbe fotona, kao i pouzdanog i kompaktnog dizajna u kojem nema posebne optike koja zahtijeva prilagodbu ili poravnavanje.

Svjetlovodni laser, čiji uređaj omogućuje dobro prilagodbu, može se prilagoditi i za zavarivanje debelih metalnih ploča i za dobivanje femtosekundnih impulsa. Vlakno-optička pojačala omogućuju jednoprolazno pojačanje i koriste se u telekomunikacijama, jer mogu istodobno pojačati mnoge valne duljine. Ista amplifikacija se koristi u pojačalima snage s glavnim oscilatorom. U nekim slučajevima, pojačalo može raditi s neprekidnim laserom zračenja.

Drugi primjer su izvori spontanih zračenja s pojačavanjem vlakana u kojima je potisnuta stimulirana emisija. Drugi je primjer Ramanov vlaknasti laser s dobitkom u kombiniranom raspršenju koji značajno prebacuje valnu duljinu. Pronašao je primjenu u znanstvenim istraživanjima, gdje se fluorna staklena vlakna koriste za generiranje i pojačavanje kombinacije, umjesto standardnih kvartovih vlakana.

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).

Erbium emitira u rasponu od 1530-1620 nm, siguran za oči. Frekvencija se može udvostručiti za stvaranje svjetla pri 780 nm, što nije dostupno za druge tipove lasera vlakana. Konačno, iterbij se može dodati u erbium na takav način da element apsorbira radijalnu pumpu i prenese tu energiju u erbium. Thulium je još jedan dodatak slitine s sjajom u bliskom infracrvenom prostoru, što je tako očigledan materijal.

Visoka učinkovitost

Vlaknasti laser je kvazi-trostupanjski sustav. Foton pumpe uzbuđuje prijelaz iz osnovnog stanja na gornju razinu. Laserski prijelaz je prijelaz s najnižeg dijela gornje razine na jednu od podijeljenih zemaljskih stanja. 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, koji je pumpan na 808 nm, gubi oko 24% energije. Tako, iterbij je inherentno učinkovitiji, iako nije sve moguće zbog gubitka nekih fotona. Yb se može pumpati u nekoliko frekvencijskih pojasa, a erbium - na valnoj duljini od 1480 ili 980 nm. Viša frekvencija nije učinkovita s gledišta defekta fotona, ali je korisna čak iu ovom slučaju jer na 980 nm dostupni su najbolji izvori.

Općenito, učinkovitost lasera vlakana rezultat je procesa u dva koraka. Prvo, to je učinkovitost crpne diode. Poluvodički izvori koherentnog zračenja su vrlo učinkoviti, s 50% učinkovitosti pretvaranja električnog signala u optički signal. Rezultati laboratorijskih istraživanja pokazuju da je moguće postići vrijednost od 70% ili više. Ako se izlazno zračenje lasera vlakana točno podudara, postignuta je visoka učinkovitost crpke.

Drugo, ovo je optičko-optička pretvorba učinkovitost. S malim defektom u fotonima, moguće je postići visok stupanj ekscitacije i učinkovitosti ekstrakcije s optičko-optičkom pretvorbom učinkovitosti od 60-70%. Dobivena učinkovitost je u rasponu od 25-35%.

Različite konfiguracije

Optički kvantni generatori neprekinutog zračenja mogu biti jednostruki ili multimodalni (za poprečne modove). Jednodusni modeli proizvode kvalitetnu zraku za materijale koji rade ili šalju svjetlosnu zraku kroz atmosferu, a multimodalni laseri industrijskih vlakana mogu generirati veću snagu. To se koristi za rezanje i zavarivanje, a posebno za toplinsku obradu, gdje se osvjetljava veliko područje.

Lasersko dugo pulsirajuće vlakno je u suštini kvazin kontinuirani uređaj, koji tipično proizvodi pulsove milisekundnog tipa. Obično je njegov radni ciklus 10%. To rezultira višom vršnom snagom nego u kontinuiranom načinu rada (obično deset puta veći), koji se koristi, na primjer, za bušenje impulsa. Frekvencija može doseći 500 Hz, ovisno o trajanju.

Q-prebacivanje u svjetlovodni laseri djeluje jednako kao i u rasutom laseri. Tipične širine impulsa kreću se od nanosekundi do mikrosekundi. Što je dulje vlakno, to traje duže vrijeme za Q-prekidanje izlaznog zračenja što dovodi do duljeg impulsa.

Vlakna svojstva nametnuta su neka ograničenja kod Q-switchinga. Nelinearnost lasera vlakana je značajnija zbog male površine poprečnog presjeka jezgre, tako da vršna snaga mora biti nešto ograničena. Možete koristiti volumetrijske Q preklopnike koji daju veće performanse ili modulatore vlakana koji se povezuju s krajevima aktivnog dijela.

Impulse s Q-komutacijom mogu se pojačati u vlaknu ili u rezonatoru šupljine. 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 od legure pojačavaju se megajoulima.

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 iznosi 50 fs, a najtipičniji su u rasponu od 100 fs.

Između erbija i iterbijskih vlakana postoji važna razlika, zbog čega djeluju u različitim oblicima disperzije. Emulzije vlaknima s erbiom emitiraju se na 1550 nm u području anomalne disperzije. To omogućuje proizvodnju solitona. Viterbe iz ezerbija nalaze se u području pozitivne ili normalne disperzije, što rezultira generiranjem impulsa s izraženom frekvencijom linearne modulacije. Kao rezultat toga, Bragg rešetka može biti potrebna za stiskanje duljine impulsa.

Postoji nekoliko načina za promjenu laserskog laserskog impulsa, posebno za ultrafast pikosekundne studije. Fotonska kristalna vlakna mogu se proizvesti s vrlo malim jezgrama da proizvode snažne nelinearne efekte, na primjer, za stvaranje superkontinuuma. Nasuprot tome, fotonski kristali mogu se proizvesti i sa vrlo velikim jednodimenzionalnim jezgrama kako bi se izbjegle nelinearne efekte pri visokim silama.

Fleksibilna fotonska kristalna vlakna s velikom jezgrom stvorena su za aplikacije koje zahtijevaju veliku snagu. Jedna od metoda sastoji se u namjerno savijanju takvog vlakna kako bi se uklonili svi nepoželjni načini višeg reda i zadržali samo osnovni transverzalni način rada. Nelinearnost stvara harmonike - oduzimanjem i preklapanjem frekvencija možete stvoriti kraće i dulje valove. Nelinearni učinci također mogu proizvesti kompresiju impulsa, što dovodi do pojave frekvencijskih češlja.

Kao izvor superkontinuuma, vrlo kratki impulsi proizvode širok kontinuirani spektar pomoću fazne samodulacije. Na primjer, od početnih 6 ps impulsa na 1050 nm, koji stvara lasersku jezgru od ytterbija, spektar se dobiva u rasponu od ultraljubičastog do preko 1600 nm. Drugi IR izvor superkonuvijuma pumpan je erbiumskim izvorom na valnoj duljini od 1550 nm.

Visoka 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 prema proizvodnji čeličnih čelika visoke čvrstoće u skladu s zahtjevima dugovječnosti i relativno je lagana za veću potrošnju goriva. Za obične strojne alate, na primjer, vrlo je teško probijati rupe u ovoj vrsti čelika, a izvori koherentnog zračenja olakšavaju.

Rezanje metala pomoću laserskog lasera, u usporedbi s kvantnim generatorima drugih vrsta, ima brojne prednosti. Na primjer, blizu infracrvenog raspona valova dobro se apsorbiraju metali. Greda se može isporučiti preko vlakna, što robotu omogućuje lagano pomicanje fokusa prilikom rezanja i bušenja.

Optička vlakna ispunjavaju najviše zahtjeve snage. 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. Za poraz je korišten 33 kW instalacija zrakoplov bez osoblja. Iako snop nije jednodimenzionalan, sustav je od interesa jer vam omogućuje stvaranje lasera s vlastitim rukama od standardnih, lako dostupnih komponenti.

Najveća snaga jednogodičnog koherentnog izvora IPG Photonics je 10 kW. Glavni oscilator proizvodi kilovat optičke snage koji se dovodi u kaskadu pojačala s crpkom na 1018 nm sa svjetlom od drugih svjetlovodnih lasera. Cijeli sustav ima veličinu od dva hladnjača.

Upotreba lasera vlakana također se proširila na rezanje i zavarivanje velike snage. Na primjer, zamijenili su kontakt zavarivanje čeličnog lima, rješavajući problem deformacije materijala. Upravljanje energijom i drugi parametri omogućuju vrlo precizno rezanje krivulja, naročito kutova.

Najmoćniji laser multimodalnih vlakana - uređaj za rezanje metala istog proizvođača - doseže 100 kW. Sustav se temelji na kombinaciji nekoherentne zrake, tako da ovo nije super-kvalitetna zraka. Takva izdržljivost čini lance vlakana atraktivnom za industriju.

Bušenje betona

Može se koristiti laserska snaga od više kilograma od 4 kW za rezanje i bušenje betona. Zašto je to nužno? Kada inženjeri pokušavaju postići seizmičku otpornost postojećih zgrada, mora biti vrlo oprezan s betonom. Prilikom ugradnje u njega, primjerice, ojačanja od čelika, konvencionalni udarni bušenje može uzrokovati pukotine i oslabiti beton, ali laseri vlakana rezati bez drobljenja.

Kvantni generatori s moduliranim Q od vlakana koriste se, na primjer, za označavanje ili u proizvodnji poluvodičke elektronike. Oni se također koriste u tražilima dometa: moduli veličine ručno sadrže laserske vlakne bez oči, čija snaga iznosi 4 kW, frekvencija 50 kHz i širina impulsa 5-15 ns.

Obrada površine

Veliki je interes za male laserske vlakne za mikro i nanoprocesiranje. Kod uklanjanja površinskog sloja, ako je širina impulsa kraća od 35 ps, nema prskanja materijala. To eliminira stvaranje udubljenja i drugih neželjenih artefakata. Impulsi u femtosekundnom načinu proizvode nelinearne učinke koji nisu osjetljivi na valnu duljinu i ne zagrijavaju okolni prostor, što omogućuje rad bez značajnih oštećenja ili slabljenja okolnih područja. Osim toga, rupe se mogu rezati s velikim omjerom dubine do širine - na primjer, brzo (za nekoliko milisekundi) kako bi se male rupe u nehrđajućem čeliku od 1 mm koristile impulsima od 800 stupnjeva na frekvenciji od 1 MHz.

Također je moguće površinski obrađivati ​​prozirne materijale, na primjer, ljudske oči. 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 važna za vid, ostaje neozlijeđena. Zalanj, odvojen odozdo, može se potegnuti za formiranje površinskog eksimerskog lasera. Ostale medicinske primjene uključuju plastičnu penetracijsku kirurgiju u dermatologiji, kao i uporabu u nekim tipovima optičke koherentne tomografije.

Femtosekundni laseri

Femtosekundni kvantni generatori u znanosti koriste se za uzbudnu spektroskopiju s laserskim slomom, vremenom razlučenom fluorescentnom spektroskopijom i za opće istraživanje materijala. Osim toga, oni su potrebni za proizvodnju femtosekundnih frekvencijskih češlja, potrebnih za mjeriteljstvo i opće studije. Jedna od stvarnih aplikacija u kratkom roku bit će atomski sat za nove generacije GPS satelita, što će povećati točnost pozicioniranja.

Izrađen je jednokratni laserski vlakno s širinom spektralne linije manjom od 1 kHz. Ovo je impresivno mali uređaj s izlaznom snagom od 10 mW do 1 W. Na njemu se nalazi primjena u području komunikacija, mjeriteljstva (na primjer, u žiroskopima vlakana) i spektroskopije.

Što je sljedeće?

Kao i za ostale istraživačke aplikacije, još se mnogo studira. Na primjer, vojni razvoj, koji se može koristiti u drugim područjima, sastoji se u kombiniranju laserskih vlaknastih zraka kako bi se dobila jedinstvena kvalitetna zraka uz pomoć koherentne ili spektralne kombinacije. Kao rezultat toga, velika snaga se postiže u jednosmjernom snopu.

Proizvodnja svjetlovodnih lasera brzo raste, posebno za potrebe automobilske industrije. Tu je i zamjena ne-vlakana uređaja s vlaknima. Pored općenitih poboljšanja u troškovima i izvedbi, pojavljuju se sve više i više praktičnih femtosekundnih kvantnih generatora i izvora superkontinuuma. Svjetlovodni laseri zauzimaju sve više i više niša i postaju izvor poboljšanja za druge tipove lasera.