Cu laser fibra yterbiu: dispozitivul, principiul de funcționare, putere, producție, utilizare

lasere Fiber sunt compacte și durabile, precise și ușor de dispersie indusă de căldură. Ei vin în diferite tipuri și având o mulțime de a face cu lasere de alte tipuri au propriile lor avantaje unice.

lasere fibra optica: operare

Dispozitivele de acest tip sunt variația standard a sursei stării solide de radiație coerentă din fibre, în schimb fluidul de lucru tijă, o placă sau disc. Lumina generată de dopant în porțiunea centrală a fibrei. Structura de bază poate varia de la simplu la destul de complex. aparat cu laser cu fibre Ytterbium astfel încât fibrele are o suprafață mare pentru raportul de volum, astfel încât căldura poate fi difuzată relativ ușor.

lasere cu fibre sunt pompate optic, de multe ori cu ajutorul unor diode laser, dar în unele cazuri - aceleași surse. Optica utilizate în aceste sisteme sunt, de obicei reprezintă componente optice, în care cele mai multe sau toate dintre ele sunt conectate unul la celălalt. În unele cazuri, un sistem optic în vrac și sistemul uneori intern de fibre optice este combinată cu o optică vrac externă.

O sursă de pompă diodă poate fi o matrice de diode, sau mai multe diode individuale, fiecare dintre acestea fiind conectat la waveguide fibra optica conector. fibra dopate la fiecare capăt are o cavitate rezonator oglindă - în practică, fac din fibra de rețea Bragg. La capetele optice în vrac au, în cazul în care nu numai că fasciculul de ieșire intră altceva decât fibre. Ghidul de lumină poate fi răsucit, astfel încât, dacă se dorește cavitatea laser poate avea o lungime de câțiva metri.

binucleare

Fibrele de structură utilizate în lasere cu fibre, este important. Cel mai comun este geometria unei structuri dual-core. Miezul exterior dopați (denumit uneori intimei) pompat colectează lumină și direcționează-l de-a lungul fibrei. radiația Stimulate generată în fibra trece prin miezul interior, care este adesea un singur mod. Miezul interior conține un aditiv yterbiu, stimulată de lumina pompa. Există mai multe forme de miez exterior necirculare incluzând - hexagonală, în formă de D și dreptunghiulare, reducând probabilitatea de ratări fasciculul de lumină în miezul central.

Laserul de fibre poate avea un capăt sau de pompare lateral. În primul caz, lumina de la una sau mai multe surse intră în capătul de fibre. Atunci când lumina de pompare laterală este alimentată într-un separator care se alimentează în miezul exterior. Aceasta diferă de tija cu laser în care lumina pătrunde perpendicular pe axa.

Pentru o astfel de decizie necesită o mulțime de evoluții structurale. o atenție deosebită este acordată rezumă lumina pompei în miez pentru a produce o inversare a populației, ceea ce duce la emisie stimulată în miezul interior. core laser poate avea diferite grade de amplificare în fibra în funcție de dopaj, precum și pe lungimea sa. Acești factori sunt stabilite ca un inginer de proiectare pentru parametrii necesari.

poate să apară o limită de putere, în special atunci când operează într-o fibră monomod. Un astfel de miez are o suprafață foarte mică secțiune transversală, și ca rezultat trece lumina de intensitate foarte prin ea ridicată. Atunci când acest lucru devine din ce mai pronunțată de imprastiere Brillouin non-linear, care limitează puterea de mai multe mii de wați. În cazul în care producția este suficient de mare, capătul de fibre poate fi deteriorat.

Mai ales lasere cu fibre

Utilizarea fibrei ca fluid de lucru dă o lungime mai mare de interacțiune, care funcționează bine atunci când de pompare dioda. Această geometrie are ca rezultat o eficiență ridicată de conversie de fotoni, precum și construcții fiabile și compacte, în care fără dispozitive optice discrete, care necesită ajustare sau aliniere.

Un laser cu fibre, aparat care îi permite să se adapteze bine, pot fi adaptate pentru sudarea tablelor groase și pentru a produce impulsuri femtosecunde. amplificatoare de fibră optică oferă câștig o singură trecere și sunt folosite în telecomunicații, deoarece acestea pot amplifica multe lungimi de undă simultan. Același câștig este utilizat în amplificatoare de putere cu un oscilator maestru. În unele cazuri, amplificatorul poate fi operat cu un laser undă continuă.

Un alt exemplu este o sursă de emisie spontană din fibră de armare, în care este suprimată emisia stimulată. Un alt exemplu este un laser cu fibre Raman combinate cu dispersie crescută, lungime de undă în mod substanțial la forfecare. S-a găsit aplicare în cercetare, în cazul în care combinația de generare și amplificare folosind un pahar de fluorură, mai degrabă decât fibrele de silice standard.

Cu toate acestea, în general, fibre de sticlă de siliciu cu dopant pământuri rare în miez. Aditivii de bază sunt yterbiu și erbiu. Yterbiu are lungimi de undă 1030-1080 nm și poate emite într-o gamă largă. Utilizarea pompei de diode 940-nm reduce semnificativ deficitul de fotoni. Ytterbium nu are nici un efect de auto-călire, care sunt la neodim la densități mari, astfel încât acesta din urmă este utilizat în lasere în vrac și yterbiu - în fibre (ambele furnizează aproximativ aceeași lungime de undă).

Erbiu emite în intervalul 1530-1620 nm, un seif pentru ochi. Frecvența poate fi dublată pentru a genera lumină la 780 nm, care nu este disponibilă pentru alte tipuri de lasere cu fibre. În cele din urmă, yterbiu poate fi adăugat la erbiu, astfel încât elementul va absorbi radiația pompei și transmite această energie la erbiu. Tuliu - un alt dopant la emisia în regiunea infraroșu apropiat, care, astfel, este sigur pentru imaginile ochi.

eficiență ridicată

Laserul de fibre este un sistem cu trei nivele cvasi. fotonii pompa de excita trecerea de la starea de sol la stratul superior. tranziție cu laser este de la cea mai mică porțiune a nivelului superior la unul dintre statele părți la sol. Acest lucru este foarte eficient: de exemplu, iterbiu-940 nm pompa foton emite un foton cu lungimea de undă de 1030 nm, iar defectul cuantic (pierderea de energie), doar aproximativ 9%.

In contrast, neodim, pompat la 808 nm pierde circa 24% din energie. Astfel, yterbiu are în mod inerent o eficiență ridicată, deși nu toate că este realizabil datorită pierderii unora dintre fotonii. Yb poate fi pompat într-un număr de benzi de frecvență, și erbiu - lungime de undă de 1480 sau 980 nm. Frecvența mai mare nu este la fel de eficient în ceea ce privește fotoni defect, dar util, chiar și în acest caz, deoarece la 980 nm, cele mai bune surse disponibile.

Eficacitatea generală a laserului fibră este rezultatul proces în două etape. În primul rând, este eficiența dioda pompei. Sursele de radiații cu semiconductoare coerente sunt foarte eficiente, cu 50% randament de conversie a unui semnal electric într-o optică. Rezultatele studiilor de laborator sugerează că este posibil să se ajungă la o valoare de 70% sau mai mult. Cu potrivire exactă de ieșire de absorbție a radiației laser, fibra de linie se realizează și o eficiență ridicată de pompare.

În al doilea rând, această optică-optice de eficiență de conversie. Când un mic defect de fotoni poate atinge un grad ridicat de excitație și eficiența extracției de conversie a eficienței optice optice de 60-70%. Eficiența care rezultă este în intervalul 25-35%.

diferite configurații

Fibra cuantice generatoare de undă continuă pot fi (modurile transversale) simple sau multimod. Singlemode produc fascicul de înaltă calitate pentru materiale, de lucru sau trimiterea unui fascicul prin atmosferă, și lasere multimode fibre industriale poate genera mai multă putere. Acesta este utilizat pentru tăiere și sudare, în special, pentru tratament termic, în cazul în care este iluminat o suprafață mare.

Laserul cu fibre lungi este substanțial aparat cvasi-continuu, de obicei, de tip impulsuri generatoare de milisecunde. De obicei, acesta este ciclul de lucru este de 10%. Aceasta duce la o putere de vârf mai mare decât modul continuu (de obicei de zece ori), care este utilizat, de exemplu, pentru o găurire în impulsuri. Frecvența poate fi de 500 Hz, în funcție de durata.

Q-comutare în lasere cu fibre, de asemenea, acționează ca și în cea mai mare parte. O durată tipică a impulsului este cuprinsă în intervalul de nanosecunde la microsecunde. Mai lung fibra, mai este nevoie pentru Q-comutare a radiației de ieșire, rezultând într-un puls mai lung.

Proprietățile fibrelor sunt unele limitări modulare Q. Neliniaritatea laser cu fibre este mai semnificativ din cauza mici aria secțiunii transversale a miezului, astfel încât puterea de vârf ar trebui să fie oarecum limitat. Puteți utiliza fie switch-uri de volum Q, care oferă performanțe mai mari, sau modulatoare optice, care sunt conectate la capetele părții active.

pulsuri Q-switched pot fi amplificate într-o fibră sau în rezonatorul cavitate. Un exemplu de acesta din urmă poate fi găsit în simulare Complexul National testelor nucleare (NIF, Livermore, CA), unde laserul de fibre este un oscilator master pentru 192 de grinzi. impulsuri mici în plăci mari de sticlă dopat amplificat la megajouli.

In lasere cu fibre cu o frecvență de repetiție de sincronizare depinde de lungimea materialului de armare, ca și în celelalte moduri de circuite de sincronizare și de durată a pulsului depinde de capacitatea de a spori debitul. Cel mai scurt sunt în intervalul de 50 fs, iar cel mai tipic - în intervalul de 100 fs.

Între yterbiu și fibre de erbiu, există o diferență importantă, prin care acestea operează în diferite moduri de dispersie. din fibre dopate cu erbiu care emit la 1550 nm, într-o regiune de dispersie aberant. Acest lucru permite solitoni. Itterbievye fibrele sunt într-o dispersie pozitivă sau normal; ca urmare, ele generează impulsuri cu modulație de frecvență lineară pronunțată. Ca urmare a Bragg ar putea avea nevoie pentru a comprima lungimea impulsului.

Există mai multe moduri de a modifica impulsurile fibra laser, în special pentru studiile picosecond ultrarapide. Fibrele de cristal fotonice pot fi fabricate cu nuclee foarte mici pentru efecte neliniare puternice, cum ar fi pentru generarea supercontinuum. În contrast, cristalele fotonice pot fi, de asemenea, fabricate cu foarte mare miez single-mode pentru a se evita efectele neliniare la puteri mari.

Flexibil fibra de cristal fotonic cu miez mare creat pentru aplicații care necesită putere mare. Una dintre metode este îndoire deliberată a fibrei pentru a îndepărta orice moduri nedorite de ordin superior menținând în același timp un mod transversal fundamental. Neliniaritatea creează armonici; și prin scăderea frecvenței de pliere, puteți crea un lungimi de undă mai scurte și mai lungi. Efectele neliniari pot produce compresia impulsului, ceea ce duce la fagurilor de frecventa aparenta.

Sursa supercontinuum ca impulsuri foarte scurte produc un spectru continuu prin modulare în fază. De exemplu, din primele 6 impulsuri de ps la 1050 nm, ceea ce creează spectrul cu laser fibră yterbiu obținute în intervalul de la ultraviolet la mai mult de 1600 nm. O altă sursă de sursă erbiu-supercontinuum pompat-IR la o lungime de undă de 1550 nm.

putere mare

Industria este în prezent cel mai mare consumator de lasere de fibre. În mare cerere se bucură chiar acum puterea de ordinul a kilowați utilizate în industria de automobile. Industria de automobile se îndreaptă spre producția de automobile din oțel de înaltă rezistență pentru a îndeplini cerințele de durabilitate și sunt relativ ușor de o mai mare economie de combustibil. mașini-unelte convenționale este foarte dificil, de exemplu, găuri pumn în acest tip de oțel și sursele de radiații coerente face mai ușor.

Tăierea cu laser fibra de metal, în comparație cu alte tipuri de generator cuantic are o serie de avantaje. De exemplu, waveband infraroșu apropiat bine absorbit metale. Beam pot fi livrate prin fibra, care permite robotului să se deplaseze cu ușurință focalizarea atunci când tăiere și de foraj.

fibra optica satisface cele mai înalte cerințe de putere. Armele US Navy, testat în 2014, este format dintr-o 6 fibra de 5,5 kw lasere combinate într-un singur fascicul și radiind prin sistemul optic de formare. 33 unități de kW a fost utilizată pentru a învinge un vehicul aerian fără pilot. Deși fasciculul nu este un singur mod, sistemul este de interes, deoarece permite de a crea un laser de fibre cu mâinile lor din ingrediente standard, ușor disponibile.

Cea mai mare putere monomodale surse de lumină coerente de IPG Photonics este de 10 kW. Oscilatorul de master produce un watt de putere optică, care este furnizat amplificatorului stadiul pompat la 1018 nm cu lumina altor lasere cu fibre. Întregul sistem are o dimensiune de două frigidere.

Utilizarea de lasere de fibre sunt, de asemenea, extinse la tăierea de mare putere și de sudare. De exemplu, au înlocuit rezistența la sudare tablă de oțel rezolvarea problemei de deformare a materialului. control al puterii și alți parametri permite curbe de tăiere foarte precise, mai ales colțuri.

Cel mai puternic laser din fibra multimod - pentru tăierea metalelor de la același producător - până la 100 kW. Sistemul se bazează pe o combinație de fascicul incoerent, deci nu este foarte fascicul de înaltă calitate. Această rezistență face ca lasere de fibre atractive pentru industrie.

de foraj de beton

Multimode laser de ieșire a fibrei de 4 kW poate fi utilizat pentru tăiere și găurire beton. De ce o fac? Atunci când inginerii încearcă să realizeze o rezistență seismică a clădirilor existente, să fie foarte atent cu betonul. Atunci când este instalat în ea, cum ar fi oțelul de armare percuție convenționale de foraj poate provoca defecte și slăbi betonul, dar lasere cu fibre tăiate fără a fi strivit.

Laserele cu fibra Q-switched utilizat de exemplu pentru etichetarea sau în fabricarea de produse electronice semiconductoare. Ele sunt de asemenea folosite în telemetri: module sunt de marimea unei mâini contin lasere cu fibre sigure pentru ochi a căror producție este de 4 kW, frecvența de 50 kHz și o durată a impulsului de 5-15 ns.

tratament de suprafață

Există un mare interes în lasere de fibre mici pentru micro si nanoprocessing. La scoaterea stratului de suprafață, în cazul în care durata impulsului este mai mică de 35 ps, nici un material de pulverizare. Acest lucru previne formarea de adâncituri și alte artefacte nedorite. Impulsurile în regimul femtosecond produc efecte neliniare, care nu sunt sensibile la lungimea de undă și zona înconjurătoare nu este încălzit, permițând să lucreze fără daune substanțiale sau slăbirea zonelor înconjurătoare. In plus, găurile pot fi tăiate cu o adâncime mare a lățimii - de exemplu, rapid (în câteva milisecunde) găuri mici de 1 mm folosind un oțel inoxidabil impulsuri 800 fs, cu o frecvență de 1 MHz.

De asemenea, este posibil să se producă materiale transparente tratate la suprafață, de exemplu, ochiul uman. Pentru a tăia o clapă la microchirurgie ochi, impulsuri femtosecunde vysokoaperturnym lentilă strâns se concentreze într-un punct sub suprafața ochiului fără a provoca daune la suprafață, dar ochiul prin materialul distruge pe o adâncime controlată. Suprafața netedă a corneei, care este esențială pentru vizibilitate rămâne intactă. Clapa este separată de fund, atunci poate fi tras la suprafață lentila laserului care formează excimer. Alte aplicatii medicale includ chirurgie de penetrare superficială în dermatologie, precum și utilizarea anumitor tipuri de tomografie coerenta optica.

lasere femtosecond

lasere femtosecond în știință utilizate pentru a excita spectroscopie defalcare cu laser, spectroscopie de fluorescenta cu o rezoluție temporală, precum și pentru cercetarea materialelor generale. În plus, acestea sunt necesare pentru producerea de pieptene frecvență femtosecunde necesare în metrologie și studii generale. Una dintre aplicațiile reale pe termen scurt va fi ceasurile atomice ale sateliților GPS de o nouă generație, ceea ce va crește precizia de poziționare.

Single cu laser fibra de frecvență este realizată cu o linewidth spectrală mai mică de 1 kHz. Acest dispozitiv impresionant, cu o putere de ieșire de mică de radiații de la 10 mW la 1W. Găsește aplicarea în domeniul comunicațiilor, metrologie (de exemplu, în giroscoape pentru fibre) și spectroscopie.

Ce urmează?

În ceea ce privește alte aplicații de cercetare, este încă o mulțime de ele sunt studiate. De exemplu, inginerie militară, care pot fi aplicate în alte domenii, care constă în combinarea unei grinzi cu fibre laser pentru a obține un fascicul de înaltă utilizând combinația coerentă sau spectrală. Ca urmare, mai multă putere se realizează într-un fascicul de single-mode.

Producția de lasere de fibre este în creștere rapidă, în special pentru nevoile industriei de automobile. De asemenea, există o înlocuire a dispozitivelor de fibre non-fibroase. În plus față de îmbunătățiri generale a costurilor și de performanță, există lasere femtosecunde și surse supercontinuum mai practice. lasere Fiber ocupa mai multe nișe și să devină o sursă de îmbunătățire pentru alte tipuri de lasere.