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

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Vlaknasti laseri su kompaktni i robusni, precizno usmjeravaju i lako raspršuju toplinsku energiju. Dolaze u različitim oblicima i, iako imaju mnogo zajedničkog s drugim vrstama optičkih kvantnih generatora, imaju svoje jedinstvene prednosti.

Vlaknasti laseri: kako rade

Uređaji ovog tipa su varijacija standardnog čvrstog izvora koherentnog zračenja s radnim medijem izrađenim od vlakana, a ne od šipke, ploče ili diska. Svjetlost generira dopant u središtu vlakna. Osnovna struktura može varirati od jednostavne do prilično složene. Dizajn lasera s iterbijevim vlaknima je takav da vlakno ima veliki omjer površine i volumena, tako da se toplina može relativno lako raspršiti.

Vlaknasti laseri se optički pumpaju, najčešće diodnim kvantnim generatorima, ali u nekim slučajevima i istim izvorima. Optika koja se koristi u tim sustavima obično su vlaknaste komponente, pri čemu je većina ili sve međusobno povezane. U nekim slučajevimakoristi se volumetrijska optika, a ponekad se interni optički sustav kombinira s vanjskom volumetrijskom optikom.

Izvor pumpanja dioda može biti dioda, matrica ili više pojedinačnih dioda, od kojih je svaka spojena na konektor pomoću svjetlovoda od optičkih vlakana. Dopirano vlakno ima zrcalo rezonatora šupljine na svakom kraju - u praksi se u vlaknu izrađuju Braggove rešetke. Na krajevima nema bulk optike, osim ako izlazni snop ne ide u nešto drugo osim u vlakno. Svjetlosni vodič se može uvijati, tako da po želji laserska šupljina može biti dugačka nekoliko metara.

dvojezgrena struktura

Važna je struktura vlakna koje se koristi u fiber laserima. Najčešća geometrija je struktura s dvostrukom jezgrom. Nedopirana vanjska jezgra (koja se ponekad naziva i unutarnja obloga) prikuplja pumpano svjetlo i usmjerava ga duž vlakna. Stimulirana emisija koja nastaje u vlaknu prolazi kroz unutarnju jezgru, koja je često jednomodna. Unutarnja jezgra sadrži dopant iterbija stimuliran svjetlosnim snopom pumpe. Postoje mnogi ne-kružni oblici vanjske jezgre, uključujući heksagonalne, u obliku slova D i pravokutne, koji smanjuju mogućnost da svjetlosni snop nedostaje iz središnje jezgre.

Vlaknasti laser može se pumpati sa strane ili sa strane. U prvom slučaju svjetlost iz jednog ili više izvora ulazi na kraj vlakna. U bočnom pumpanju, svjetlost se dovodi u razdjelnik, koji ga dovodi do vanjske jezgre. torazlikuje se od štapnog lasera, gdje svjetlost ulazi okomito na os.

Ovo rješenje zahtijeva puno razvoja dizajna. Značajna se pozornost pridaje uvođenju svjetla pumpe u jezgru kako bi se proizvela inverzija populacije koja dovodi do stimulirane emisije u unutarnjoj jezgri. Laserska jezgra može imati različit stupanj pojačanja ovisno o dopiranju vlakna, kao i o njegovoj duljini. Ove faktore prilagođava projektant kako bi se dobili potrebni parametri.

Mogu doći do ograničenja snage, osobito kada se radi unutar jednog modalnog vlakna. Takva jezgra ima vrlo malu površinu poprečnog presjeka, te zbog toga kroz nju prolazi svjetlost vrlo visokog intenziteta. Istodobno, nelinearno Brillouinovo raspršenje postaje sve primjetnije, što ograničava izlaznu snagu na nekoliko tisuća vata. Ako je izlazni signal dovoljno visok, kraj vlakna može biti oštećen.

Značajke fiber lasera

Upotreba vlakana kao radnog medija daje dugu duljinu interakcije koja dobro funkcionira s pumpanjem dioda. Ova geometrija rezultira visokom učinkovitošću pretvorbe fotona, kao i robusnim i kompaktnim dizajnom bez diskretne optike za podešavanje ili poravnavanje.

Laser s vlaknima, čiji uređaj omogućuje dobru prilagodbu, može se prilagoditi i za zavarivanje debelih limova metala i za proizvodnju femtosekundnih impulsa. Pojačala s optičkim vlaknima pružaju jednoprolazno pojačanje i koriste se u telekomunikacijama jer su u stanju istovremeno pojačati mnoge valne duljine. Isti dobitak se koristi u pojačalima snage s glavnim oscilatorom. U nekim slučajevima, pojačalo može raditi sa CW laserom.

Još jedan primjer su izvori spontane emisije pojačani vlaknima u kojima je stimulirana emisija potisnuta. Drugi primjer je laser s Ramanovim vlaknima s kombiniranim pojačanjem raspršenja, koje značajno pomiče valnu duljinu. Našao je primjenu u znanstvenim istraživanjima, gdje se fluoridna staklena vlakna koriste za Ramanovu generaciju i pojačanje, umjesto standardnih kvarcnih vlakana.

Međutim, vlakna su u pravilu izrađena od kvarcnog stakla s dodatkom rijetke zemlje u jezgri. Glavni aditivi su iterbij i erbij. Yterbij ima valne duljine od 1030 do 1080 nm i može zračiti u širem rasponu. Korištenje pumpanja dioda od 940 nm značajno smanjuje fotonski deficit. Yterbij nema efekte samogašenja koje neodim ima pri visokim gustoćama, tako da se neodim koristi u masovnim laserima, a iterbij u laserima s vlaknima (obojica pružaju otprilike istu valnu duljinu).

Erbij emitira u rasponu od 1530-1620 nm, što je sigurno za oči. Frekvencija se može udvostručiti za generiranje svjetlosti na 780 nm, što nije dostupno za druge vrste lasera s vlaknima. Konačno, iterbij se može dodati erbiju na način da se element apsorbirapumpati zračenje i tu energiju prenijeti na erbij. Tulij je još jedan bliski infracrveni dopant, koji je stoga materijal siguran za oči.

Visoka učinkovitost

Vlaknasti laser je kvazi-tri-razinski sustav. Foton pumpe pobuđuje prijelaz iz osnovnog stanja u gornju razinu. Laserski prijelaz je prijelaz iz najnižeg dijela gornje razine u jedno od podijeljenih osnovnih stanja. Ovo je vrlo učinkovito: na primjer, iterbij s fotonom pumpe od 940 nm emitira foton valne duljine od 1030 nm i kvantnim defektom (gubitak energije) od samo oko 9%.

Nasuprot tome, neodim pumpan na 808nm gubi oko 24% svoje energije. Dakle, iterbij inherentno ima veću učinkovitost, iako nije sve moguće postići zbog gubitka nekih fotona. Yb se može pumpati u brojnim frekvencijskim pojasevima, dok se erbij može pumpati na 1480 ili 980 nm. Viša frekvencija nije tako učinkovita u smislu fotonskog defekta, ali korisna čak iu ovom slučaju jer su bolji izvori dostupni na 980nm.

Općenito, učinkovitost fiber lasera rezultat je procesa u dva koraka. Prvo, ovo je učinkovitost diode pumpe. Poluvodički izvori koherentnog zračenja vrlo su učinkoviti, s 50% učinkovitosti u pretvaranju električnog signala u optički. Rezultati laboratorijskih studija pokazuju da je moguće postići vrijednost od 70% ili više. S točnim podudaranjem linije izlaznog zračenjaApsorpcija lasera s vlaknima i visoka učinkovitost pumpe.

Druga je učinkovitost optičko-optičke pretvorbe. S malim fotonskim defektom može se postići visok stupanj učinkovitosti pobuđivanja i ekstrakcije uz učinkovitost opto-optičke pretvorbe od 60-70%. Rezultirajuća učinkovitost je u rasponu od 25-35%.

Razne konfiguracije

Optički kvantni generatori kontinuiranog zračenja mogu biti jednostruki ili višemodni (za poprečne modove). Jednomodni laseri proizvode visokokvalitetne zrake za materijale koji djeluju ili zrače kroz atmosferu, dok multimodni industrijski vlaknasti laseri mogu generirati veliku snagu. Koristi se za rezanje i zavarivanje, a posebno za toplinsku obradu gdje je osvijetljena velika površina.

Laser s dugim impulsom s vlaknima je u biti kvazi-kontinuirani uređaj, koji obično proizvodi impulse tipa milisekundi. Obično je njegov radni ciklus 10%. To rezultira višom vršnom snagom nego u kontinuiranom načinu rada (obično deset puta više) koji se, na primjer, koristi za pulsno bušenje. Frekvencija može doseći 500 Hz, ovisno o trajanju.

Q-switching u laserima s vlaknima radi na isti način kao i kod lasera u rasutom stanju. Tipično trajanje impulsa je u rasponu od nanosekundi do mikrosekundi. Što je vlakno duže, to je duže potrebno za Q-prekidanje izlaza, što rezultira dužim impulsom.

Svojstva vlakana nameću određena ograničenja Q-prekidanju. Nelinearnost optičkog lasera je značajnija zbog male površine poprečnog presjeka jezgre, pa vršna snaga mora biti donekle ograničena. Mogu se koristiti ili volumetrijski Q prekidači, koji daju bolje performanse, ili modulatori vlakana, koji su spojeni na krajeve aktivnog dijela.

Q-sprekidani impulsi mogu se pojačati u vlaknu ili u rezonatoru šupljine. Primjer potonjeg može se pronaći u National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), gdje je laser s iterbijevim vlaknima glavni oscilator za 192 zraka. Mali impulsi u velikim dopiranim staklenim pločama pojačavaju se na megadžule.

U laserima s zaključanim vlaknima, stopa ponavljanja ovisi o duljini materijala pojačanja, kao iu drugim shemama zaključavanja načina rada, a trajanje impulsa ovisi o širini pojasa pojačanja. Najkraći su u rasponu od 50 fs, a najtipičniji su u rasponu od 100 fs.

Postoji važna razlika između erbijevih i iterbijevih vlakana, zbog čega djeluju na različite načine disperzije. Vlakna dopirana erbijem emitiraju na 1550 nm u području anomalne disperzije. To omogućuje proizvodnju solitona. Vlakna iterbija su u području pozitivne ili normalne disperzije; kao rezultat generiraju impulse s izraženom frekvencijom linearne modulacije. Kao rezultat toga, za komprimiranje duljine impulsa može biti potrebna Braggova rešetka.

Postoji nekoliko načina za modificiranje laserskih impulsa s vlaknima, posebno za ultrabrze pikosekundne studije. Fotonska kristalna vlakna mogu se izraditi s vrlo malim jezgrama za proizvodnju jakih nelinearnih učinaka, kao što je stvaranje superkontinuuma. Nasuprot tome, fotonski kristali se također mogu izraditi s vrlo velikim single-mode jezgrama kako bi se izbjegli nelinearni efekti pri velikim snagama.

Fleksibilna fotonska kristalna vlakna velike jezgre dizajnirana su za primjene velike snage. Jedna od tehnika je namjerno savijanje takvog vlakna kako bi se eliminirali svi neželjeni modovi višeg reda uz zadržavanje samo temeljnog poprečnog moda. Nelinearnost stvara harmonike; oduzimanjem i zbrajanjem frekvencija mogu se stvoriti kraći i duži valovi. Nelinearni efekti također mogu komprimirati impulse, što rezultira frekvencijskim češljevima.

Kao izvor superkontinuuma, vrlo kratki impulsi proizvode široki kontinuirani spektar korištenjem samofazne modulacije. Na primjer, od početnih impulsa od 6 ps na 1050 nm koje stvara laser s iterbijevim vlaknima, dobiva se spektar u rasponu od ultraljubičastog do više od 1600 nm. Drugi superkontinuum IR izvor se pumpa s izvorom erbija na 1550 nm.

Velika snaga

Industrija je trenutno najveći potrošač fiber lasera. Snaga je trenutno vrlo tražena.otprilike kilovat, koji se koristi u automobilskoj industriji. Automobilska industrija ide prema vozilima od čelika visoke čvrstoće kako bi zadovoljila zahtjeve za izdržljivošću i bila relativno lagana za bolju ekonomičnost goriva. Na primjer, običnim alatnim strojevima je vrlo teško probušiti rupe u ovoj vrsti čelika, ali koherentni izvori zračenja to olakšavaju.

Rezanje metala fiber laserom, u usporedbi s drugim vrstama kvantnih generatora, ima niz prednosti. Na primjer, bliske infracrvene valne duljine metali dobro apsorbiraju. Zraka se može isporučiti preko vlakna, omogućujući robotu da lako pomiče fokus prilikom rezanja i bušenja.

Vlakna zadovoljavaju najviše zahtjeve za snagom. Oružje američke mornarice testirano 2014. sastoji se od lasera sa 6 vlakana od 5,5 kW koji su kombinirani u jednu zraku i emitiraju kroz formirajući optički sustav. Jedinica snage 33 kW korištena je za uništavanje bespilotne letjelice. Iako snop nije jednostruki, sustav je zanimljiv jer vam omogućuje da vlastitim rukama izradite fiber laser od standardnih, lako dostupnih komponenti.

Najveći jednomodni koherentni izvor svjetlosti iz IPG Photonicsa je 10 kW. Glavni oscilator proizvodi kilovat optičke snage, koja se dovodi u stupanj pojačala pumpanim na 1018 nm sa svjetlom iz drugih laserskih vlakana. Cijeli sustav je veličine dva hladnjaka.

Upotreba lasera s vlaknima također se proširila na rezanje i zavarivanje velike snage. Na primjer, zamijenili suotporno zavarivanje čeličnog lima, rješavanje problema deformacije materijala. Kontroliranje snage i drugih parametara omogućuje vrlo precizno rezanje krivina, posebno uglova.

Najsnažniji multimodni laser s vlaknima - stroj za rezanje metala istog proizvođača - doseže 100 kW. Sustav se temelji na kombinaciji nekoherentnog snopa, dakle ne radi se o zraku ultra visoke kvalitete. Ova izdržljivost čini lasere s vlaknima privlačnim za industriju.

Bušenje betona

4KW multi-mode fiber laser može se koristiti za rezanje i bušenje betona. Zašto je ovo potrebno? Kada inženjeri pokušavaju postići otpornost na potres u postojećim zgradama, s betonom treba biti vrlo oprezan. Ako je u njega ugrađena čelična armatura, na primjer, konvencionalno bušenje čekićem može napuknuti i oslabiti beton, ali ga laseri s vlaknima režu bez drobljenja.

Kvantni generatori s Q-switched vlaknom koriste se, na primjer, za označavanje ili u proizvodnji poluvodičke elektronike. Koriste se i u daljinomjerima: moduli ručne veličine sadrže svjetlovodne lasere sigurne za oči sa snagom od 4 kW, frekvencijom od 50 kHz i širinom impulsa od 5-15 ns.

Površinska obrada

Postoji veliko zanimanje za male lasere s vlaknima za mikro i nanomašinsku obradu. Prilikom skidanja površinskog sloja, ako je trajanje impulsa kraće od 35 ps, nema prskanja materijala. Time se sprječava nastanak depresija idrugi neželjeni artefakti. Femtosekundni impulsi proizvode nelinearne efekte koji nisu osjetljivi na valnu duljinu i ne zagrijavaju okolni prostor, omogućujući rad bez značajnih oštećenja ili slabljenja okolnih područja. Osim toga, rupe se mogu rezati pri visokim omjerima dubine i širine, kao što je brzo (unutar milisekundi) izrada malih rupa u nehrđajućem čeliku od 1 mm pomoću impulsa od 800 fs na 1 MHz.

Može se koristiti i za površinsku obradu prozirnih materijala kao što su ljudske oči. Za rezanje režnja u mikrokirurgiji oka, femtosekundni impulsi su čvrsto fokusirani objektivom s visokim otvorom na točki ispod površine oka, bez uzroka oštećenja površine, ali uništavaju očni materijal na kontroliranoj dubini. Glatka površina rožnice, koja je neophodna za vid, ostaje netaknuta. Poklopac, odvojen odozdo, može se zatim povući prema gore za formiranje površinskih ekscimer laserskih leća. Ostale medicinske primjene uključuju kirurgiju plitke penetracije u dermatologiji i upotrebu u nekim vrstama optičke koherentne tomografije.

femtosekundni laseri

Femtosekundni kvantni generatori koriste se u znanosti za uzbudnu spektroskopiju s laserskim razbijanjem, vremenski razlučivu fluorescentnu spektroskopiju, kao i za opća istraživanja materijala. Osim toga, potrebni su za proizvodnju femtosekundne frekvenciječešljevi potrebni u mjeriteljstvu i općim istraživanjima. Jedna od stvarnih primjena u kratkom roku bit će atomski satovi za GPS satelite sljedeće generacije, koji će poboljšati točnost pozicioniranja.

Laser s jednofrekventnim vlaknima proizvodi se sa spektralnom širinom linije manjom od 1 kHz. To je impresivno mali uređaj s izlaznom snagom u rasponu od 10mW do 1W. Pronalazi primjenu u području komunikacija, mjeriteljstva (na primjer, u vlaknastim žiroskopima) i spektroskopije.

Što je sljedeće?

Što se tiče drugih R&D aplikacija, istražuju se mnoge druge. Na primjer, vojni razvoj koji se može primijeniti na druga područja, a sastoji se od kombiniranja laserskih zraka s vlaknima kako bi se dobila jedna visokokvalitetna zraka korištenjem koherentne ili spektralne kombinacije. Kao rezultat toga, postiže se veća snaga u jednostrukom snopu.

Proizvodnja fiber lasera ubrzano raste, posebno za potrebe automobilske industrije. Uređaji bez vlakana također se zamjenjuju vlaknima. Uz opća poboljšanja cijene i performansi, femtosekundni kvantni generatori i superkontinuum izvori postaju sve praktičniji. Vlaknasti laseri postaju sve više niša i postaju izvor poboljšanja za druge vrste lasera.