Ytterbium fiber laser: zariadenie, operačný princíp, výkon, výroba, aplikácia

Vláknové lasery kompaktné a odolné, presné a ľahko rozptyľujú indukovanej teplo. Prichádzajú v rôznych typoch a majú veľa čo do činenia s lasermi iných typov má svoje vlastné jedinečné výhody.

Vláknové lasery: Prevádzka

Zariadenia tohto typu sú štandardné variácie v pevnej fáze zdroja koherentného žiarenia z vlákna, namiesto toho tyč pracovná tekutina, doska alebo kotúč. Svetlo generované prímesi v strednej časti vlákna. Základná štruktúra môže byť v rozsahu od jednoduchých až po pomerne zložité. Laserový prístroj Yterbium vlákno tak, že vlákno má veľký pomer povrchu k objemu, takže teplo môže byť rozptýlené pomerne ľahko.

Vláknové lasery čerpané opticky, často s pomocou diódové lasery, ale v niektorých prípadoch - rovnakých zdrojov. Optika používané v týchto systémoch sú obvykle predstavuje optické komponenty, pričom väčšina alebo všetky z nich sú spojené k sebe navzájom. V niektorých prípadoch, sypkých optiky, a niekedy aj vnútorný systém optické vlákno je v kombinácii s externou sypkých optiky.

Dióda zdroj čerpadlo môže byť dióda poľa, alebo viac jednotlivých diód, z ktorých každý je pripojený ku konektoru optického vlnovodu. Legovaného vlákna na každom konci má zrkadlový dutiny rezonátora - v praxi, aby sa vlákna Braggovy mriežky. Na koncoch sypkých optiky majú, ak je to nielen výstupný lúč vstupuje niečo iné ako vlákna. Svetlovodu môže byť stočené tak, že ak je to žiaduce laserové dutina môže mať dĺžku niekoľkých metrov.

binukleární

Štruktúra vlákna použité v vláknových laserov, je dôležité. Najbežnejšia je geometria dvojjadrovými štruktúry. Nedotovaných vonkajšie jadro (niekedy označované ako intima) čerpanej zbiera svetlo a smeruje ho pozdĺž vlákna. Stimulovanej žiarenie generované vo vlákne prechádza vnútorným jadrom, ktoré je často jeden režim. Vnútorné jadro obsahuje aditívne yterbium stimulovaných svetle čerpadla. Existuje mnoho foriem nekruhového vonkajšieho jadra vrátane - šesťuholníkový, v tvare písmena D a obdĺžnikové, znižuje pravdepodobnosť minie svetelný lúč do centrálneho jadra.

Laser vlákno môže mať čelné alebo bočné čerpania. V prvom prípade svetlo z jedného alebo viacerých zdrojov vstupuje koniec vlákna. Ak je strana čerpacej svetlo privádza do rozdeľovača, ktorý ho privádza do vonkajšieho jadra. To sa líši od laserového tyče, kde svetlo vstupuje kolmo na os.

Takéto rozhodnutie vyžaduje veľa štrukturálneho vývoja. Značná pozornosť je venovaná zhrnutie svetlo čerpadla do jadra produkovať inverzie populácie, čo vedie k stimulovanej emisie vo vnútornom jadre. laser jadro môže mať rôzne stupne zosilnenie vo vlákne v závislosti na dopovanie, ako aj na jeho dĺžke. Tieto faktory sú nastavené ako konštruktér pre požadované parametre.

Obmedzenie sily môže dôjsť, zvlášť pri práci v rámci jedného vláknom. Takéto jadro má veľmi malú prierezovú plochu, a v dôsledku nimi prechádza svetlo veľmi vysokej intenzity. Keď sa to stane sa výraznejšie nelineárne Brillouinův rozptyl, ktorý obmedzuje výkon niekoľkých tisíc wattov. V prípade, že výstup je dostatočne vysoká, môže sa koniec vlákna poškodený.

Zvlášť vláknové lasery

Použitie vlákien ako pracovné tekutiny dáva väčšiu dĺžku interakcie, ktorá funguje dobre, keď čerpanie dióda. Táto geometria má za následok vysokú účinnosť premeny fotónov, ako aj spoľahlivé a kompaktnú konštrukciu, v ktorej žiadne diskrétne optiky, ktorý vyžaduje úpravu alebo vyrovnanie.

Laserový vlákna, pričom toto zariadenie umožňuje dobre prispôsobiť, môže byť prispôsobený pre zváranie hrubých plechov a produkovať Femtosekundový impulzy. Optické zosilňovače poskytujú single-pass zisk a sú používané v oblasti telekomunikácií, pretože môžu zosilňovať mnoho vlnových dĺžok súčasne. Rovnaký Zisk sa používa vo výkonových zosilňovačov s hlavným oscilátorom. V niektorých prípadoch, zosilňovač môže byť prevádzkovaný s kontinuálnou vlnou lasera.

Ďalším príkladom je zdrojom spontánny emisie z vlákien-výstuže, v ktorom je stimulovaná emisie potlačený. Ďalším príkladom je laser Raman vlákien v kombinácii so zvýšenou disperzie, v podstate v šmyku vlnovej dĺžky. Bolo zistené, uplatnenie v oblasti výskumu, kde kombinácia výroby a amplifikácie s použitím fluoridu skla skôr než štandardné oxidu kremičitého vlákna.

Avšak, všeobecne, vlákna z kremičitého skla s vzácnych zemín prímesou v jadre. Základné prísady sú yterbium a erbium. Yterbium má vlnové dĺžky od 1030 do 1080 nm, a môže vydávať v širokom rozmedzí. Použitie diódy čerpadlá 940 nm výrazne znižuje deficit fotónov. Yterbium má ani potláčajúce horenie účinky, ktoré sú v neodýmu pri vysokých hustotách, takže tento je používaný vo veľkom laserov a yterbium - vlákniny (obaja poskytujú o rovnakej vlnovej dĺžke).

Erbium vyžaruje v rozsahu 1530-1620 nm, bezpečný pre oči. Frekvencia je možné zdvojnásobiť generovať svetlo pri 780 nm, ktorý nie je k dispozícii pre iné typy vláknových laserov. A konečne, yterbium môže byť pridaný do Erbium tak, že prvok bude absorbovať žiarenia čerpadlá a odovzdávajú túto energiu na erbium. Túlium - iný mazadlá na formy sa emisií v blízkej infračervenej oblasti, ktorá tak je bezpečný pre očné snímok.

vysoká účinnosť

Laser vlákno je systém kvázi-trojúrovňový. fotóny čerpadlo excitáciu prechodu zo základného stavu do hornej vrstvy. Laser je prechod od najnižšej časti hornej úrovni v jednej z delených zem štátov. To je veľmi účinná, napríklad, yterbium-940 fotón nm čerpadlo emituje fotón s vlnovou dĺžkou 1030 nm, kvantový defekt (tepelné straty), len asi 9%.

Naproti tomu, neodým, ktorý bol čerpaný v 808 nm, stráca asi 24% energie. Tak, yterbium má zo svojej podstaty vysokú účinnosť, aj keď nie všetci to je dosiahnuteľné kvôli strate niektorých fotónov. Yb môže byť čerpaná v množstve frekvenčných pásiem, a erbium - vlnová dĺžka 1480 alebo 980 nm. Čím vyššia je frekvencia, nie je tak účinný, pokiaľ ide o defekt fotónov, ale užitočné, aj v tomto prípade, pretože pri 980 nm, najlepšie zdroje k dispozícii.

Celková účinnosť lasera vlákien je výsledkom dvoch krokoch. Po prvé, to je účinnosť diódy čerpadla. Polovodičové zdroje koherentného žiarenia, sú veľmi účinné, s 50% účinnosť prevádzanie elektrického signálu na optický. Výsledky laboratórnych štúdií vyplýva, že je možné dosiahnuť hodnotu 70% alebo viac. Pri použití presnej zhody výstupe absorpčnej žiarenia línie vláknového lasera je dosiahnuté a vysoká účinnosť čerpacie.

Po druhé, toto optické optická účinnosť konverzie. Keď je malá vada fotóny dosiahnuť vysoký stupeň excitácie a účinnosť extrakcie účinnosti optického optickej konverzie 60-70%. Výsledná účinnosť je v rozmedzí 25-35%.

rôzne konfigurácie

Vláknové kvantovej kontinuálne generátory vĺn môžu byť jednoduché alebo multimode (priečne módy). Singlemode vyrábať vysoko kvalitné svetlo pre materiály, pracovné alebo zaslaním lúč cez atmosféru, a lasery multimode priemyselných vlákien môžu generovať viac energie. Používa sa pre rezanie a zváranie, a najmä, pre tepelné spracovanie, ak je osvetlené veľký priestor.

Dlhá laserové vlákno je v podstate kvázi-kontinuálne zariadenie obvykle poriadku milisekúnd typ impulzov generovanie. Zvyčajne sa jedná o pracovný cyklus je 10%. To vedie k vyššej špičkovým výkonom, než kontinuálnom režime (typicky desaťkrát), ktorý je použitý, napríklad, pre pulzným vŕtanie. Frekvencia môže byť 500 Hz, v závislosti na dobe trvania.

Q-spínanie vo vláknových laserov tiež pôsobí ako v objeme. Typická doba trvania impulzu je v rozmedzí nanosekúnd až mikrosekúnd. Čím dlhšia je vlákno, tým dlhšie trvá, Q-spínanie výstupného žiarenia, čo má za následok dlhší impulzu.

Vlastnosti vlákien sú niektoré obmedzenia Q modulácie. Nelinearita lasera vlákien je významnejší, pretože malé prierezové plochy jadra, tak, že špičkový výkon by mal byť trochu obmedzený. Možno použiť buď hlasitosti prepínače Q, ktoré poskytujú vyšší výkon, alebo optické modulátory, ktoré sú spojené na koncoch aktívnej časti.

Q-switched impulzy môžu byť amplifikovanej do vlákna, alebo v dutine rezonátora. Príkladom druhej možno nájsť v Národnej komplexné simuláciu jadrových testov (NIF, Livermore, CA, USA), kde je laserový vlákno je hlavný oscilátor pre 192 lúčov. Malé pulzy vo veľkých dosiek skla dopované amplifikovaná megajouloch.

V vláknových laserov s synchronizačný frekvencii opakovania závisí od dĺžky výstužného materiálu, rovnako ako v iných režimoch synchronizačných obvodov a doba impulzu je závislá od schopnosti zvýšiť priepustnosť. Najkratší sú v rozmedzí od 50 fs a najtypickejšie - v rozmedzí od 100 fs.

Medzi yterbium a erbia vlákna, je tu podstatný rozdiel, čím sa pracovať v rôznych režimoch disperzie. Dotované erbia vlákien emitujúca pri 1550 nm v oblasti anomálne disperzie. To umožňuje solitons. Itterbievye vlákna sú v pozitívnom alebo normálne disperzie; v dôsledku toho vytvárajú impulzy s lineárnou frekvenčnej modulácie výraznejšie. Ako výsledok Bragg mriežka môže byť potrebné k stlačeniu dĺžky pulzu.

Existuje niekoľko spôsobov, ako modifikovať vlákien laserových impulzov, najmä pre pikosekundové ultrarýchlych štúdií. Fotonického kryštálu vlákna môžu byť vyrábané s veľmi malými jadrami pre silné nelineárne javy, ako je generovanie supercontinuum. Naproti tomu fotonické kryštály môžu byť vyrobené s veľmi veľkým jadrom jednovidové, aby sa zabránilo nelineárne účinky pri vysokých výkonoch.

Flexibilné fotonického kryštálu vlákna s veľkým jadrom vytvorený pre aplikácie vyžadujúce vysoký výkon. Jednou z metód je zámerné ohýbanie vlákien, aby sa odstránili nežiaduce druhy vyšších rádov pri zachovaní základnej priečny režim. Nelinearita vytvára harmonické; a odpočítaním frekvencie skladanie, môžete vytvoriť kratšie a dlhšie vlnové dĺžky. Nelineárne účinky môžu tiež produkovať kompresiu impulzov, čo vedie k vzniku frekvencie hrebene.

Zdroj supercontinuum ako veľmi krátkych impulzov výrobe spojité spektrum cez fázové modulácie. Napríklad z počiatočných 6 ps impulzov na 1050 nm, ktorý vytvára laserový spektrum yterbium vlákno získané v rozmedzí od ultrafialovej do viac ako 1600 nm. Ďalším zdrojom IR čerpaný zdroj erbia supercontinuum na vlnovej dĺžke 1550 nm.

vysoký výkon

Priemysel je v súčasnej dobe najväčším spotrebiteľom vláknových laserov. Vo vysokej dopyte práve teraz má silu v poriadku kilowattov používaných v automobilovom priemysle. V automobilovom priemysle sa pohybuje smerom k výrobe oceľových automobilov s vysokou pevnosťou, aby spĺňali požiadavky trvanlivosti a sú pomerne ľahko k väčšej spotrebe paliva. Konvenčné obrábacie stroje je veľmi ťažké, napríklad dierovanie u tohto typu ocele a zdroje koherentného žiarenia, aby bolo jednoduché.

Rezanie kovu vláknový laser, v porovnaní s inými typmi kvantového generátoru má rad výhod. Napríklad, v blízkej infračervenej vlnové pásmo dobre absorbuje kovy. Nosník môžu byť dodávané do vlákna, čo umožňuje robotu ľahko presúvať pri rezaní a vŕtaní.

Optické vlákno spĺňa najvyššie požiadavky na napájanie. Zbrane Navy Spojených štátov so skúsenosťami v roku 2014, sa skladá z 6 vlákien 5,5 kilowatt lasery spojené v jednom zväzku a vyžarujúci cez tvarovacie optického systému. 33 kW jednotka bola použitá k porážke bezpilotné vzdušné vozidlo. Aj keď je lúč nie je jednovidové, systém je predmetom záujmu, pretože umožňuje vytvoriť vláknový laser s rukami zo štandardných, ľahko dostupných zložiek.

Najvyššia sila single-mode koherentné svetelné zdroje IPG Photonics je 10 kW. Hlavné oscilátor produkuje watt optického výkonu, ktorý je dodávaný na zosilňovací stupeň čerpanej pri 1018 nm, s ohľadom na ostatné vláknových laserov. Celý systém má rozlohu dvoch chladničiek.

Použitie vláknových laserov sú tiež rozšírené na vysokého výkonu rezanie a zváranie. Napríklad sa nahrádza odporové zváranie oceľového plechu vyriešiť problém deformácie materiálu. riadenie výkonu a ďalších parametrov umožňuje veľmi presné rezanie kriviek, najmä v rohoch.

Najsilnejší multimode vláknový laser - pre rezanie kovov od rovnakého výrobcu - až do 100 kW. Systém je založený na kombinácii nesúvislé nosníka, takže to nie je extrémne kvalitný lúča. Tento odpor je vláknovej lasery atraktívne pre priemysel.

betón vŕtanie

Multimode vláknový laser výkonom 4 kW môže byť použitý pre rezanie a vŕtanie betónu. Prečo to urobil? Keď inžinieri snažia dosiahnuť seizmická odolnosť existujúcich budov, byť veľmi opatrní s betónom. Inštalácia v nej, napr., Oceľová výstuž konvenčné nárazové vŕtanie môže spôsobiť poškodenie a oslabujú betónu, ale vláknové lasery znížiť bez narušenia celistvosti.

Lasery s vláknom Q-switched používané napríklad pre etiketovanie alebo pri výrobe polovodičových elektroniky. Sú tiež používané v diaľkomery: moduly sú veľkosť ruky obsahujú nebezpečný zraku vlákno, ktorého výstup je 4 kW, frekvencia 50 kHz a doba trvania pulzu 5-15 ns.

povrchová úprava

K dispozícii je veľký záujem o malé vláknových laserov pre mikro- a nanoprocessing. Pri odstraňovaní povrchovej vrstvy, doba trvania impulzu, ak je kratšie ako 35 ps, bez rozprašovanie materiálu. To zabraňuje vzniku jamiek a iných nežiadúcich artefaktov. Impulzy v femtosekundový režime produkujú nelineárne účinky, ktoré nie sú citlivé na vlnovej dĺžke a jeho okolie nie je zahrievaný, čo umožňuje pracovať bez podstatného poškodenia alebo oslabenie okolia. Ďalej, otvory môžu byť rez s vysokou hĺbkou na šírku - napríklad rýchlo (v priebehu niekoľkých milisekúnd) malých otvorov 1 mm za použitia nerezovej ocele 800 fs impulzov s frekvenciou 1 MHz.

Je tiež možné vyrobiť priehľadné materiály povrchovo ošetrená, ľudské oko. Ak chcete znížiť klapku v mikrochirurgii oka, Femtosekundový impulzy vysokoaperturnym pevne zaostrovací šošovku v mieste, ležiacom pod povrch oka, bez toho aby došlo k poškodeniu na povrchu, ale oko zničením materiálu na riadenej hĺbky. Hladký povrch rohovky, ktorá je nevyhnutná pre zrak zostane neporušený. Klapka je oddelená od spodnej časti, potom môže byť vytiahnutá hore na povrch excimerový laser tvárnenie šošovky. Iné lekárske aplikácie zahŕňajú chirurgia plytké penetráciu v dermatológii, ako aj použitie určitých typov OCT.

Femtosekundový lasery

Femtosekundový lasery vo vede používa na vybudenie laserového prierazné spektroskopia, fluorescenčná spektroskopia s časovým rozlíšením, a tiež pre všeobecné výskumu materiálov. Okrem toho, že sú potrebné na výrobu femtosekundového frekvenčného hrebeni požadovaných v metrológiu a všeobecných štúdií. Jedným zo skutočných aplikácií v krátkodobom horizonte budú atómové hodiny z GPS satelitov novej generácie, ktoré zvýšia presnosť polohovania.

Jeden frekvencia lasera vlákien sa vykonáva pomocou spektrálnej šírka čiary menšia ako 1 kHz. Tento impozantný prístroj s malým žiarenia výkonom od 10 mW do 1W. Nájde uplatnenie v oblasti komunikácií, metrológie (napríklad v gyroskopy vlákien) a spektroskopie.

Čo bude ďalej?

Čo sa týka ďalších výskumných aplikáciách, to je ešte veľa z nich sú študované. Napríklad, vojenské inžinierstva, ktoré môžu byť použité aj v iných oblastiach, ktoré spočíva v tom, že kombinuje s vláknami laserové lúče na dosiahnutie vysokej lúča pomocou koherentné alebo spektrálne kombináciu. Výsledkom je, že viac energie sa dosiahne v jednom režime lúča.

Výroba vláknových laserov rýchlo rastie, najmä pre automobilový priemysel potreby. Tiež tam je výmena nevláknité zariadenie vlákien. Okrem všeobecných zlepšenie nákladov a výkonnosti, sú oveľa praktickejšie Femtosekundový lasery a zdroje supercontinuum. Vláknové lasery zaberajú viac výklenky a stal sa zdrojom zlepšenie pre iné typy laserov.