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

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

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

Fiber laseri: kako rade

Uređaji ovog tipa su varijacija standardnog čvrstog izvora koherentnog zračenja sa radnim medijem napravljenim od vlakana, a ne od šipke, ploče ili diska. Svjetlost se stvara pomoću dodatka u središtu vlakna. Osnovna struktura može varirati od jednostavne do prilično složene. Dizajn lasera sa iterbijumskim vlaknima je takav da vlakno ima veliki odnos površine i zapremine, tako da se toplota 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 ovim sistemima su tipično vlaknaste komponente, pri čemu je većina ili sve povezana jedna s drugom. U nekim slučajevimakoristi se volumetrijska optika, a ponekad se interni sistem optičkih vlakana kombinuje sa eksternom volumetrijskom optikom.

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

dvojezgrena struktura

Struktura vlakana koja se koristi u fiber laserima je važna. Najčešća geometrija je dvostruka jezgra. Nedopirana vanjska jezgra (koja se ponekad naziva i unutrašnja obloga) prikuplja pumpano svjetlo i usmjerava ga duž vlakna. Stimulirana emisija stvorena u vlaknu prolazi kroz unutrašnju jezgru, koja je često jednomodna. Unutrašnje jezgro sadrži dopant iterbija stimuliran svjetlosnim snopom pumpe. Postoji mnogo ne-kružnih oblika vanjskog jezgra, uključujući heksagonalne, D-oblike i pravokutne, koji smanjuju mogućnost da svjetlosni snop nedostaje iz središnjeg jezgra.

Vlaknasti laser se može 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 vanjskog jezgra. torazlikuje se od štap lasera, gdje svjetlost ulazi okomito na osu.

Ovo rješenje zahtijeva mnogo razvoja dizajna. Značajna pažnja je posvećena uvođenju svjetlosti pumpe u jezgro kako bi se proizvela inverzija populacije koja dovodi do stimulirane emisije u unutrašnjem jezgru. Lasersko jezgro može imati različit stepen pojačanja u zavisnosti od dopinga vlakna, kao i od njegove dužine. Ove faktore prilagođava projektant kako bi se dobili potrebni parametri.

Može doći do ograničenja snage, posebno kada se radi unutar jednog modalnog vlakna. Takvo jezgro ima vrlo malu površinu poprečnog presjeka, a kao rezultat toga, svjetlost vrlo visokog intenziteta prolazi kroz nju. Istovremeno, nelinearno Brillouinovo rasipanje postaje sve uočljivije, što ograničava izlaznu snagu na nekoliko hiljada vati. Ako je izlazni signal dovoljno visok, kraj vlakna može biti oštećen.

Karakteristike fiber lasera

Korišćenje vlakana kao radnog medija daje dugu dužinu interakcije koja dobro funkcioniše sa pumpanjem dioda. Ova geometrija rezultira visokom efikasnošću fotonske konverzije, kao i robusnim i kompaktnim dizajnom bez diskretne optike za podešavanje ili poravnanje.

Laser sa vlaknima, čiji uređaj mu omogućava da se dobro prilagodi, može se prilagoditi kako za zavarivanje debelih limova metala, tako i za proizvodnju femtosekundnih impulsa. Pojačala sa optičkim vlaknima pružaju jednoprolazno pojačanje i koriste se u telekomunikacijama jer su u stanju da pojačaju mnoge valne dužine istovremeno. Isti dobitak se koristi u pojačivačima snage sa 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 Raman fiber laser sa kombinovanim pojačanjem raspršivanja, koje značajno pomjera talasnu dužinu. Našao je primenu u naučnim istraživanjima, gde se fluoridna staklena vlakna koriste za Raman generaciju i pojačanje, umesto standardnih kvarcnih vlakana.

Međutim, po pravilu su vlakna napravljena od kvarcnog stakla sa dodatkom retke zemlje u jezgru. Glavni aditivi su iterbijum i erbijum. Iterbijum ima talasne dužine od 1030 do 1080 nm i može zračiti u širem opsegu. Upotreba diodnog pumpanja od 940 nm značajno smanjuje fotonski deficit. Iterbijum nema efekte samogašenja koje neodimijum ima pri visokim gustinama, tako da se neodimijum koristi u laserima na veliko, a iterbijum u laserima sa vlaknima (oba obezbeđuju otprilike istu talasnu dužinu).

Erbij emituje u opsegu od 1530-1620 nm, što je bezbedno za oči. Frekvencija se može udvostručiti kako bi se generiralo svjetlo na 780 nm, što nije dostupno za druge vrste lasera s vlaknima. Konačno, iterbijum se može dodati erbijumu na način da taj element apsorbujepumpe zračenje i prenesu ovu energiju na erbijum. Tulij je još jedan bliski infracrveni dopant, koji je stoga materijal siguran za oči.

Visoka efikasnost

Vlaknasti laser je sistem kvazi tri nivoa. Foton pumpe pobuđuje prijelaz iz osnovnog stanja u gornji nivo. Laserska tranzicija je prijelaz iz najnižeg dijela gornjeg nivoa u jedno od podijeljenih osnovnih stanja. Ovo je veoma efikasno: na primer, iterbijum sa fotonom pumpe od 940 nm emituje foton sa talasnom dužinom od 1030 nm i kvantnim defektom (gubitak energije) od samo oko 9%.

Nasuprot tome, neodimijum pumpan na 808nm gubi oko 24% svoje energije. Dakle, iterbijum inherentno ima veću efikasnost, iako nije sve moguće postići zbog gubitka nekih fotona. Yb se može pumpati u više frekvencijskih opsega, dok se erbijum može pumpati na 1480 ili 980 nm. Viša frekvencija nije tako efikasna u smislu fotonskog defekta, ali korisna čak iu ovom slučaju jer su bolji izvori dostupni na 980nm.

Uopšteno govoreći, efikasnost fiber lasera je rezultat procesa u dva koraka. Prvo, ovo je efikasnost diode pumpe. Poluprovodnički izvori koherentnog zračenja su veoma efikasni, sa 50% efikasnosti u pretvaranju električnog signala u optički. Rezultati laboratorijskih studija pokazuju da je moguće postići vrijednost od 70% ili više. Sa tačnim podudaranjem linije izlaznog zračenjaApsorpcija lasera sa vlaknima i visoka efikasnost pumpe.

Drugi je efikasnost optičko-optičke konverzije. Sa malim fotonskim defektom, visok stepen ekscitacije i efikasnosti ekstrakcije može se postići uz efikasnost optičke konverzije od 60-70%. Dobivena efikasnost je u rasponu od 25-35%.

Razne konfiguracije

Fiber-optički kvantni generatori kontinuiranog zračenja mogu biti jedno- ili višemodni (za transverzalne modove). Jednomodni laseri proizvode visokokvalitetni snop 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 termičku obradu gde je osvetljena velika površina.

Laser sa dugim impulsom sa vlaknima je u suštini kvazi-kontinuirani uređaj, koji tipično proizvodi impulse tipa milisekundi. Tipično, njegov radni ciklus je 10%. Ovo rezultira većom vršnom snagom nego u kontinuiranom načinu rada (obično deset puta više) koji se koristi za pulsno bušenje, na primjer. Frekvencija može dostići 500 Hz, u zavisnosti od trajanja.

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, duže je potrebno za Q-prekidanje izlaza, što rezultira dužim impulsom.

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

Q-sprekidani impulsi mogu se pojačati u vlaknu ili u rezonatoru šupljine. Primjer potonjeg može se naći u Nacionalnom postrojenju za simulaciju nuklearnih testova (NIF, Livermore, CA), gdje je laser sa iterbijumskim vlaknima glavni oscilator za 192 zraka. Mali impulsi u velikim dopiranim staklenim pločama se pojačavaju do megadžula.

U laserima sa zaključanim vlaknima, stopa ponavljanja zavisi od dužine materijala pojačanja, kao iu drugim šemama zaključavanja moda, a trajanje impulsa zavisi od širine opsega pojačanja. Najkraći su u rasponu od 50 fs, a najtipičniji su u rasponu od 100 fs.

Postoji bitna razlika između erbijumskih i iterbijumskih vlakana, zbog čega oni rade u različitim disperzijskim modovima. Vlakna dopirana erbijem emituju na 1550 nm u području anomalne disperzije. Ovo omogućava proizvodnju solitona. Vlakna iterbija su u području pozitivne ili normalne disperzije; kao rezultat, oni generišu impulse sa izraženom frekvencijom linearne modulacije. Kao rezultat, može biti potrebna Braggova rešetka za komprimiranje dužine impulsa.

Postoji nekoliko načina za modifikaciju laserskih impulsa vlakana, posebno za ultrabrze pikosekundne studije. Fotonska kristalna vlakna mogu se napraviti s vrlo malim jezgrama kako bi se proizvele jake nelinearne efekte, kao što je stvaranje superkontinuuma. Nasuprot tome, fotonski kristali se takođe mogu napraviti sa veoma velikim single-mod jezgrama kako bi se izbegli nelinearni efekti pri velikim snagama.

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

Kao superkontinualni izvor, vrlo kratki impulsi proizvode široki kontinuirani spektar koristeći samo-faznu modulaciju. Na primjer, od početnih impulsa od 6 ps na 1050 nm koje stvara laser od iterbijumskih vlakana, dobija se spektar u rasponu od ultraljubičastog do više od 1600 nm. Drugi superkontinualni IR izvor se pumpa sa izvorom erbija na 1550 nm.

Velika snaga

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

Rezanje metala fiber laserom, u poređenju sa drugim tipovima kvantnih generatora, ima niz prednosti. Na primjer, bliske infracrvene talasne dužine metali dobro apsorbuju. Zraka se može isporučiti preko vlakna, omogućavajući robotu da lako pomjeri fokus prilikom rezanja i bušenja.

Vlakna zadovoljavaju najviše zahtjeve za snagom. Oružje američke mornarice testirano 2014. godine sastoji se od lasera sa 6 vlakana od 5,5 kW koji su kombinovani u jedan snop i emituju kroz formirajući optički sistem. Jedinica snage 33 kW korištena je za uništavanje bespilotne letjelice. Iako snop nije jednostruki, sistem je zanimljiv jer vam omogućava da kreirate fiber laser vlastitim rukama od standardnih, lako dostupnih komponenti.

Najveća snaga jednomodnog koherentnog izvora svjetlosti iz IPG Photonics-a je 10 kW. Glavni oscilator proizvodi kilovat optičke snage, koja se dovodi u stepen pojačala pumpanim na 1018 nm sa svjetlom iz drugih laserskih vlakana. Ceo sistem je veličine dva frižidera.

Upotreba fiber lasera takođe se proširila na rezanje i zavarivanje velike snage. Na primjer, zamijenili suotporno zavarivanje čeličnog lima, rješavajući problem deformacije materijala. Kontrola snage i drugih parametara omogućava vrlo precizno sečenje krivina, posebno uglova.

Najmoćniji multimodni laser sa vlaknima - mašina za rezanje metala istog proizvođača - dostiže 100 kW. Sistem se zasniva na kombinaciji nekoherentnog snopa, tako da nije ultravisokokvalitetna zraka. Ova izdržljivost čini fiber lasere 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 sa vlaknima režu bez drobljenja.

Kvantni generatori sa Q-switched vlaknom se koriste, na primjer, za označavanje ili u proizvodnji poluvodičke elektronike. Koriste se i u daljinomjerima: moduli ručne veličine sadrže optičke lasere sa vlaknima snage 4 kW, frekvencije od 50 kHz i širine impulsa od 5-15 ns.

Površinska obrada

Postoji veliko interesovanje za male lasere sa 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 depresije idrugi neželjeni artefakti. Femtosekundni impulsi proizvode nelinearne efekte koji nisu osjetljivi na valnu dužinu i ne zagrijavaju okolni prostor, omogućavajući rad bez značajnog oštećenja ili slabljenja okolnih područja. Osim toga, rupe se mogu rezati pri visokim omjerima dubine i širine, kao što je brzo (unutar milisekundi) pravljenje malih rupa u nehrđajućem čeliku od 1 mm koristeći impulse od 800 fs na 1 MHz.

Može se koristiti i za površinsku obradu prozirnih materijala kao što su ljudske oči. Za rezanje režnja u mikrohirurgiji oka, femtosekundni impulsi su čvrsto fokusirani objektivom visokog otvora na tački ispod površine oka, bez izazivanja bilo kakvog oštećenja površine, ali uništavajući očni materijal na kontroliranoj dubini. Glatka površina rožnjače, koja je neophodna za vid, ostaje netaknuta. Poklopac, odvojen odozdo, može se zatim povući prema gore za formiranje površinskog eksimer laserskog sočiva. Ostale medicinske primjene uključuju operaciju plitkog prodiranja u dermatologiji i upotrebu u nekim vrstama optičke koherentne tomografije.

Femtosekundni laseri

Femtosekundni kvantni generatori se koriste u nauci za ekscitacijsko spektroskopiju sa laserskim razbijanjem, vremenski razlučenu fluorescentnu spektroskopiju, kao i za opšta 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 preciznost pozicioniranja.

Laser sa jednofrekventnim vlaknima proizvodi se sa širinom spektralne linije manjom od 1 kHz. To je impresivno mali uređaj sa izlaznom snagom u rasponu od 10mW do 1W. Nalazi primenu u oblasti komunikacija, metrologije (na primer, u fiber žiroskopima) i spektroskopije.

Šta je sljedeće?

Što se tiče drugih R&D aplikacija, mnoge druge se istražuju. Na primjer, vojni razvoj koji se može primijeniti na druga područja, a koji se sastoji u kombiniranju laserskih zraka s vlaknima kako bi se dobio jedan snop visokog kvaliteta koristeći koherentnu ili spektralnu kombinaciju. Kao rezultat, postiže se veća snaga u jednomodnom snopu.

Proizvodnja fiber lasera ubrzano raste, posebno za potrebe automobilske industrije. Uređaji bez vlakana također se zamjenjuju onima sa vlaknima. Pored općih poboljšanja cijene i performansi, femtosekundni kvantni generatori i superkontinualni izvori postaju sve praktičniji. Fiber laseri postaju sve više niša i postaju izvor poboljšanja za druge vrste lasera.