Ytterbium fiber laser: enheten, drifts-prinsippet, kraft, produksjon, bruk

Fiber lasere er kompakte og holdbare, nøyaktig og enkel å spre indusert varme. De kommer i forskjellige typer og har mye å gjøre med lasere av andre typer har sine egne unike fordeler.

Fiber lasere: drift

Anordninger av denne type er det vanlig variasjon av faststoffkilde av koherent stråling fra fiberen, i stedet stang arbeidsfluid, en plate eller skive. Lyset som genereres av dopemidlet i den sentrale del av fiberen. Den grunnleggende strukturen kan variere fra enkle til ganske komplisert. Ytterbium fiberlaseranordningen slik at fiberen har en stor overflate i forhold til volum, slik at varmen kan diffundere forholdsvis lett.

Fiber lasere er pumpet optisk, ofte ved hjelp av diode lasere, men i noen tilfeller - de samme kildene. Optikk som anvendes i disse systemer er vanligvis representerer optiske komponenter, karakterisert ved at de fleste eller alle av dem er forbundet med hverandre. I noen tilfeller er en bulk optikk, og noen ganger intern optisk fiber system kombinert med en ekstern bulk optikk.

En diodepumpekilde kan være en dioderekke, eller et flertall av individuelle dioder, som hver er koblet til kontakten fiberoptiske bølgelederen. Dopet fiber i hver ende har et speil hulromsresonator - i praksis gjøre fiber Braggitteret. Ved endene av masseoptikk har, hvis ikke bare utgangsstrålen trer noe annet enn fiber. Lyslederen kan være tvunnet slik at hvis det er ønskelig laserhulrommet kan ha en lengde på flere meter.

binuclear

Strukturfibrene som anvendes i fiberlasere, er viktig. Den vanligste er geometrien til en dual-kjernestruktur. Udopet ytre kjerne (noen ganger referert til som den intima) pumpet samler lyset og retter den langs fiberen. Stimulert stråling som genereres i fiberen passerer gjennom den indre kjerne, som ofte er en singelmodus. Den indre kjerne inneholder et additiv ytterbium, stimulert av pumpelyset. Det finnes mange former for ikke-sirkulær, ytre kjerne inkludert - sekskantet, D-formet og rektangulært, noe som reduserer sannsynligheten for at målet lysstrålen i den sentrale kjerne.

Fiberlaseren kan ha en ende eller side pumping. I det første tilfellet lys fra en eller flere kilder kommer inn i fiberenden. Når den siden pumpelyset blir tilført til en splitter som mater det inn i den ytre kjerne. Dette er forskjellig fra laserstaven der lyset kommer inn vinkelrett på aksen.

For et slikt vedtak krever mye av strukturelle utviklingen. Betydelig oppmerksomhet rettes mot oppsummerer pumpelyset inn i kjernen for å produsere en populasjonsinversjon, som fører til stimulert emisjon i den indre kjerne. Laser kjerne kan ha varierende grad av forsterkning i fiberen avhengig av doping, så vel som på dens lengde. Disse faktorene er angitt som en design ingeniør for de nødvendige parametere.

Effektgrensen kan forekomme, særlig når man opererer innenfor en enkelt-modus fiber. En slik kjerne har et meget lite tverrsnittsareal, og som et resultat passerer gjennom lys av meget høy intensitet. Når dette blir mer uttalt ikke-lineær Brillouin-spredning, som begrenser utgangseffekten fra flere tusen watt. Hvis utgangen er høy nok, kan fiberenden bli skadet.

Spesielt fiberlasere

Bruken av fiber som arbeidsmedium gir større samvirkende lengde, som fungerer godt når dioden pumping. Denne geometrien resulterer i en høy omdannelseseffektivitet av fotoner, samt pålitelig og kompakt konstruksjon, hvor det ikke adskilte optikk, som krever regulering eller justering.

En fiber laser, hvilket apparat gjør det mulig for den å tilpasse seg godt, kan tilpasses for sveising av tykke metallplater og for å fremstille femtosecond pulser. Fiberoptiske forsterkere tilveiebringe enkelt-pass-forsterkning og blir brukt i telekommunikasjon, som de kan forsterke flere bølgelengder samtidig. Den samme forsterkning anvendes i effektforsterkere med en hovedoscillator. I noen tilfeller, kan forsterkeren drives med en kontinuerlig bølgelaser.

Et annet eksempel er en kilde til spontan emisjon fra fiberarmeringen, der stimulert emisjon er undertrykket. Et annet eksempel er et Raman-fiber laser i kombinasjon med økt spredning, hovedsakelig skjærbølgelengden. Man har funnet anvendelse i forskning, der kombinasjonen av generasjon og amplifikasjon ved anvendelse av en fluorid-glass i stedet for standard silikafibrer.

Generelt blir imidlertid fibrer fremstilt av kvartsglass med sjeldne jorddopingsmiddel i kjernen. De grunnleggende tilsetningsstoffer er ytterbium og erbium. Ytterbium har bølgelengder 1030-1080 nm, og kan sende ut over et stort område. Bruk av 940-nm diodepumpekretsen reduserer underskudd av fotoner betydelig. Ytterbium verken har en selvlukkende virkning, som er på neodym ved høye tettheter, slik at den sistnevnte anvendes i bulk lasere og ytterbium - i fiberen (de begge gir omtrent den samme bølgelengde).

Erbium avgir i området 1530-1620 nm, safe for øynene. Frekvensen kan dobles for å generere lys ved 780 nm, som ikke er tilgjengelig for andre typer fiberlasere. Endelig kan ytterbium tilsettes til erbium, slik at elementet vil absorbere pumpen stråling og overfører denne energi til erbium. Thulium - annet dope til utslipp i nær infrarøde området, som dermed er trygt for øyet bilder.

høy effektivitet

Fiberlaseren er en kvasi-tre-nivå-system. pumpe fotoner eksitere overgang fra grunntilstanden til det øvre laget. Laser overgangen fra den laveste del av det øvre nivå på den ene av de delte grunntilstander. Dette er meget effektivt, for eksempel, avgir ytterbium-940 nm foton pumpe et foton med bølgelengde på 1030 nm, og kvante defekt (energitap), vil bare 9%.

I motsetning til dette, neodym, pumpet ved 808 nm taper omtrent 24% av energien. Dermed ytterbium har iboende en høy effektivitet, selv om ikke alt er oppnåelig på grunn av tap av noen av fotoner. Yb kan pumpes i et antall frekvensbånd, og erbium - bølgelengde på 1480 eller 980 nm. Jo høyere frekvensen er ikke så effektiv når det gjelder feil fotoner, men nyttig, selv i dette tilfellet, fordi ved 980 nm, de beste kildene tilgjengelig.

Totale effektiviteten av fiberlaseren er et resultat av to-trinns prosess. For det første er det den av pumpeeffektiviteten diode. Halvleder kilder for koherent stråling er meget effektive, med 50% effektivitet omforming av et elektrisk signal til et optisk. Resultatene fra laboratoriestudier tyder på at det er mulig å nå en verdi på 70% eller mer. Med eksakt samsvar utgangs strålingsabsorpsjon linje fiberlaser er oppnådd, og en høy pumpeeffektivitet.

For det andre, denne optiske-optisk konvertering effektivitet. Når en liten defekt fotoner kan oppnå en høy grad av magnetisering og virkningsgraden for ekstraksjon av optisk-optisk virkningsgrad for overføringen på 60 til 70%. Den resulterende effektivitet er i området 25-35%.

ulike konfigurasjoner

Fiber quantum kontinuerlige bølgegeneratorer kan være enkel- eller multi-modus (tverrgående modi). Singel produsere høy kvalitet bjelke for materialer, arbeide eller sende en stråle gjennom atmosfæren, og multi industriell fiberlasere kan generere mer kraft. Den brukes for skjæring og sveising, og særlig for varmebehandling, hvor et stort område er opplyst.

Den lange fiber laser er i det vesentlige kvasi-kontinuerlig apparat vanligvis millisekund pulser genererende type. Vanligvis er det en plikt syklus er 10%. Dette fører til en høyere toppeffekt enn den kontinuerlig modus (typisk ti ganger) som blir anvendt, for eksempel, for en pulset boring. Frekvensen kan være 500 Hz, avhengig av varigheten.

Q-svitsjing i fiberlasere fungerer også som i bulk. En typisk pulsvarigheten er i størrelsesorden nanosekunder til mikrosekunder. Jo lengre fiberen, jo lengre tid tar det for Q-svitsjing av utgangs stråling, noe som resulterer i en lengre puls.

Fiberegenskaper er noen begrensninger på Q modulering. Ulineariteten av fiberlaseren er mer betydning på grunn av det lille tverrsnittsareal av kjernen, slik at toppeffekten bør være noe begrenset. Man kan bruke enten Q volumbrytere, som gir høyere ytelse, eller optiske modulatorer, som er forbundet til endene av den aktive del.

Q-svitsjede pulser kan forsterkes i en fiber eller i hulromsresonator. Et eksempel på sistnevnte kan finnes i National komplekset simulering av prøvesprengninger (NIF, Livermore, CA), hvor fiberlaseren er en hovedoscillator for 192 bjelker. Små pulser i store plater av glass dopet forsterket til MJ.

I fiberlasere med synkroniseringsrepetisjonsfrekvens er avhengig av lengden av armeringsmateriale, som i de andre moduser av synkroniseringskretsene og pulsvarigheten er avhengig av evnen til å øke gjennomstrømningen. Den korteste er i området fra 50 fs, og mest typiske - i størrelsesorden 100 fs.

Mellom ytterbium og erbium fiber, er det en viktig forskjell, slik at de opererer i forskjellige modi dispersjon. Erbium-dopet fiber emitterte ved 1550 nm i et område med anomal dispersjon. Dette gjør solitoner. Itterbievye fibre er i en positiv eller normalfordeling; som et resultat, genererer de pulser med lineær frekvensmodulasjon uttalt. Som et resultat av Bragg-gitteret kan det være behov for å komprimere pulslengden.

Det er flere måter for å modifisere fiber laserpulser, særlig for picosecond raske studier. Fotoniske krystaller fibre kan fremstilles med meget små kjerner for sterke ikke-lineære effekter, for eksempel for supercontinuum generasjon. I motsetning til dette kan de fotoniske krystaller også fremstilles med meget store enkeltmoduskjerne for å unngå ikke-lineære effekter ved høye krefter.

Fleksibel fotoniske krystaller fiber med stor kjerne laget for applikasjoner som krever høy effekt. En av metodene er bevisst bøying av fiberen for å fjerne eventuelle uønskede høyere ordens modi og samtidig opprettholde en grunnleggende tverrgående modus. Den ikke-lineariteten skaper harmoniske; og ved å trekke frekvensen av folding, kan man lage en kortere og lengre bølgelengder. Ikke-lineære effekter kan også produsere pulskompresjon, noe som fører til utseende frekvenskam.

Den supercontinuum kilde som meget korte pulser fremstille et kontinuerlig spektrum gjennom fasemodulasjon. For eksempel, fra de første 6 ps pulser ved 1050 nm, som skaper ytterbium fiberlaser-spektrum oppnådd i området fra ultrafiolett til mer enn 1600 nm. En annen kilde til IR-pumpet Erbium-supercontinuum kilde ved en bølgelengde på 1550 nm.

høy effekt

Industrien er i dag den største forbruker av fiber lasere. I høy etterspørsel nyter akkurat nå kraften i størrelsesorden kilowatt som brukes i bilindustrien. Bilindustrien beveger seg i retning av fremstillingen av høyfaste stål biler for å møte kravene til holdbarhet og er relativt enkle å bedre drivstofføkonomi. Konvensjonelle verktøymaskiner er veldig vanskelig, for eksempel lage hull i denne type stål og kildene til koherent stråling gjør det enkelt.

Skjæring av metall fiber laser, sammenlignet med andre typer av quantum generatoren har en rekke fordeler. For eksempel nær-infrarøde bølgebånd godt absorbert metaller. Bjelken kan leveres gjennom fiberen, noe som gjør det mulig for roboten å enkelt bevege seg av fokus ved skjæring og boring.

Optisk fiber tilfredsstiller de høyeste krav til styrke. Våpen US Navy, testet i 2014, består av en 6-fiber 5,5 kilowatt lasere kombinert i en bjelke, og som stråler ut gjennom formings optiske system. 33 kW enhet ble benyttet for å bekjempe en ubemannede fly. Selv om bjelken er ikke et enkelt-modus, er det system av interesse, som gjør det mulig å lage en fiberlaser med sine hender ut av vanlige, lett tilgjengelige ingredienser.

Den høyeste strøm enkeltmodus koherente lyskilder av IPG Photonics er 10 kW. Hovedoscillatoren frembringer en watt av optisk effekt som tilføres til forsterkeren trinn pumpes ved 1018 nm med lys av andre fiberlasere. Hele systemet har en størrelse på to kjøleskap.

Bruken av fiberlasere er også utvidet til høy effekt skjæring og sveising. For eksempel, erstattes de motstandssveise stålplate å løse problemet med deformering av materialet. Effektstyring og andre parametere som gjør det mulig meget nøyaktig kapping kurver, spesielt i hjørnene.

Den kraftigste multimode fiber laser - for å kutte metaller fra samme produsent - opp til 100 kW. Systemet er basert på en kombinasjon av usammenhengende bjelke, slik at det ikke er super høy-kvalitet bjelke. Denne motstanden gjør fiber lasere attraktive for industrien.

boring i betong

Flermodusfiberlaserutgangen på 4 kW kan anvendes for skjæring og boring i betong. Hvorfor gjøre det? Når ingeniørene prøver å oppnå seismiske motstand av eksisterende bygninger, for å være svært forsiktig med betong. Når den er installert i den, for eksempel stålarmering konvensjonell slagboring kan forårsake feil og svekke betongen, men fiberlasere kuttes uten å knuse det.

Lasere med en Q-svitsjet fiber anvendt for eksempel for merking eller ved fremstillingen av halvleder-elektronikk. De blir også benyttet i avstandsmålere: moduler er på størrelse med en hånd inneholde øyesikker fiberlasere, hvis utgang er 4 kW, den frekvens på 50 kHz og en pulsvarighet på 5-15 ns.

overflatebehandling

Det er stor interesse for små fiberlasere for mikro og nanoprocessing. Når fjerning av overflatelaget, hvis pulsvarighet er kortere enn 35 ps, ingen sprøyting materiale. Dette hindrer dannelsen av fordypninger og andre uønskede gjenstander. Pulsene i femtosekundområdet regimet produsere ulineære virkninger som ikke er følsom for bølgelengden og det omkringliggende området er ikke oppvarmet, tillater å arbeide uten vesentlig skade eller svekkelse av de omkringliggende områdene. I tillegg kan hullene bli kuttet med stor dybde til bredden - for eksempel, raskt (i løpet av noen få millisekunder) Små hull på 1 mm ved hjelp av en av rustfritt stål 800-FS-pulser med en frekvens på 1 MHz.

Det er også mulig å fremstille overflatebehandlede transparente materialer, f.eks, det menneskelige øye. For å kutte en klaff på øye mikro, femtosecond pulser vysokoaperturnym tett fokuseringslinsen i et punkt under overflaten av øyet uten å forårsake noen skade på overflaten, men øyet ved å ødelegge materialet på en kontrollert dybde. Den glatte overflate av hornhinnen, som er avgjørende for synet forblir intakt. Klaffen er atskilt fra bunnen, kan deretter trekkes opp til overflaten eksiteringslaseren dannende linse. Andre medisinske anvendelser omfatter kirurgi lettere penetrering i dermatologi, så vel som anvendelse av visse typer av optisk koherens tomografi.

femtosecond laser

Femtosekundområdet lasere i vitenskapen som brukes for å eksitere laser sammenbrudd spektroskopi, fluorescens-spektroskopi med en tidsmessig oppløsning, og også for generell materialforskning. I tillegg er de nødvendig for produksjon av femtosekundområdet frekvens kam som kreves i metrologi og generelle studier. En av de virkelige applikasjoner på kort sikt vil være atomklokkene av GPS-satellittene av en ny generasjon, noe som vil øke posisjonering nøyaktighet.

Enkelt frekvens fiber laser er utført med en spektral-linjebredde på mindre enn 1 kHz. Denne imponerende innretning med en liten strålingsutgangseffekt fra 10 mW til 1W. Finner anvendelse innen kommunikasjon, metrologi (f.eks, i fiber gyroskoper) og spektroskopi.

Hva blir det neste?

Som for andre forskningssøknader, er det fortsatt mange av dem er studert. For eksempel, for militær teknikk, som kan anvendes på andre områder, som består i å kombinere en fiberlaserstråler oppnå en høy bjelke ved hjelp av sammenhengende eller spektrale kombinasjon. Som et resultat er mer kraft oppnås i en enkeltmodus bjelke.

Produksjon av fiber lasere er i sterk vekst, spesielt for bilindustrien behov. Det er også en utskifting av ikke-fibrøse fiber enheter. I tillegg til generelle forbedringer i kostnad og ytelse, er det mer praktisk femtosecond lasere og supercontinuum kilder. Fiber lasere okkupere flere nisjer og bli en kilde til forbedring for andre typer lasere.