Ytterbijev fiber laser: naprava, princip delovanja, moč, proizvodnja, uporaba

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Laserji z vlakni so kompaktni in robustni, natančno usmerjajo in zlahka razpršijo toplotno energijo. Na voljo so v različnih oblikah in imajo veliko skupnega z drugimi vrstami optičnih kvantnih generatorjev, vendar imajo svoje edinstvene prednosti.

Vlakninski laserji: kako delujejo

Naprave te vrste so različica standardnega polprevodniškega vira koherentnega sevanja z delovnim medijem iz vlaken in ne palice, plošče ali diska. Svetlobo generira dopant v središču vlakna. Osnovna struktura se lahko giblje od preproste do precej zapletene. Zasnova laserja z vlakni iz iterbija je taka, da ima vlakno veliko razmerje med površino in prostornino, tako da je toploto mogoče relativno enostavno razpršiti.

Fiber laserji se optično črpajo, najpogosteje z diodnimi kvantnimi generatorji, v nekaterih primerih pa z istimi viri. Optika, ki se uporablja v teh sistemih, je običajno komponenta iz vlaken, večina ali vse pa je med seboj povezana. V nekaterih primerihuporablja se volumetrična optika, včasih pa se notranji sistem optičnih vlaken kombinira z zunanjo volumetrično optiko.

Vir črpanja diod je lahko dioda, matrica ali več posameznih diod, od katerih je vsaka povezana s konektorjem s svetlobnim vodnikom iz optičnih vlaken. Dopirano vlakno ima na vsakem koncu ogledalo resonatorja z votlino - v praksi so v vlaknu izdelane Braggove rešetke. Na koncih ni optike v razsutem stanju, razen če gre izhodni žarek v kaj drugega kot v vlakno. Svetlobni vodnik je mogoče zasukati, tako da je laserska votlina po želji lahko dolga več metrov.

dvojedrna struktura

Pomembna je struktura vlakna, ki se uporablja v vlaknenih laserjih. Najpogostejša geometrija je dvojna jedrna struktura. Nedopirano zunanje jedro (včasih imenovano notranja obloga) zbira črpano svetlobo in jo usmerja vzdolž vlakna. Stimulirana emisija, ki nastane v vlaknu, prehaja skozi notranje jedro, ki je pogosto enomodno. Notranje jedro vsebuje dopant iterbija, ki ga stimulira svetlobni žarek črpalke. Zunanje jedro ima veliko nekrožnih oblik, vključno s šesterokotnimi, v obliki črke D in pravokotnimi, ki zmanjšujejo možnost, da svetlobni žarek manjka iz osrednjega jedra.

Vlakninski laser je lahko končno ali stransko črpanje. V prvem primeru svetloba iz enega ali več virov vstopi na konec vlakna. Pri stranskem črpanju se svetloba dovaja v razdelilnik, ki jo dovaja v zunanje jedro. torazlikuje od paličnega laserja, kjer svetloba vstopi pravokotno na os.

Ta rešitev zahteva veliko razvoja oblikovanja. Precej pozornosti namenjamo potiskanju svetlobe črpalke v jedro, da se ustvari populacijska inverzija, ki vodi do stimulirane emisije v notranjem jedru. Lasersko jedro ima lahko različno stopnjo ojačanja, odvisno od dopinga vlakna, pa tudi od njegove dolžine. Te faktorje prilagodi projektant, da dobi zahtevane parametre.

Lahko pride do omejitve moči, zlasti pri delovanju znotraj enonadzornega vlakna. Takšno jedro ima zelo majhno površino preseka, zaradi česar skozenj prehaja svetloba zelo visoke intenzivnosti. Hkrati postaja vse bolj opazno nelinearno Brillouinovo sipanje, ki omejuje izhodno moč na nekaj tisoč vatov. Če je izhodni signal dovolj visok, je lahko konec vlakna poškodovan.

Lastnosti laserjev z vlakni

Uporaba vlaken kot delovnega medija daje dolgo interakcijsko dolžino, ki dobro deluje pri črpanju diod. Ta geometrija ima za posledico visoko učinkovitost pretvorbe fotonov ter robustno in kompaktno zasnovo brez diskretne optike za prilagajanje ali poravnavo.

Vlakninski laser, katerega naprava omogoča dobro prilagajanje, je mogoče prilagoditi tako za varjenje debelih pločevin kot za proizvodnjo femtosekundnih impulzov. Ojačevalniki z optičnimi vlakni zagotavljajo ojačenje z enim prehodom in se uporabljajo v telekomunikacijah, ker lahko hkrati ojačajo več valovnih dolžin. Enak dobiček se uporablja v močnostnih ojačevalnikih z glavnim oscilatorjem. V nekaterih primerih lahko ojačevalnik deluje s CW laserjem.

Drug primer so viri spontanih emisij, ojačenih z vlakni, pri katerih je stimulirana emisija potlačena. Drug primer je laser z ramanskim vlaknom s kombiniranim razpršilnim ojačanjem, ki znatno premakne valovno dolžino. Našel je uporabo v znanstvenih raziskavah, kjer se za ramanovo generiranje in ojačanje uporabljajo steklena vlakna s fluoridom, ne pa standardna kremenova vlakna.

Vlakna pa so praviloma izdelana iz kremenčevega stekla z redko zemeljsko dopantjo v jedru. Glavna dodatka sta iterbij in erbij. Iterbij ima valovne dolžine od 1030 do 1080 nm in lahko seva v širšem območju. Uporaba 940 nm diodnega črpanja znatno zmanjša fotonski primanjkljaj. Yterbij nima nobenega od učinkov samogašenja, ki jih ima neodim pri visoki gostoti, zato se neodim uporablja v laserjih v razsutem stanju, iterbij pa v laserjih z vlakni (oba zagotavljata približno enako valovno dolžino).

Erbij oddaja v območju 1530-1620 nm, kar je varno za oči. Frekvenco je mogoče podvojiti za ustvarjanje svetlobe pri 780 nm, kar ni na voljo za druge vrste laserjev z vlakni. Končno lahko erbiju dodamo iterbij na način, da se element absorbiračrpajo sevanje in to energijo prenesejo na erbij. Tulij je še en blizu infrardeči dopant, ki je torej za oči varen material.

Visoka učinkovitost

Vlakninski laser je kvazi tristopenjski sistem. Foton črpalke vzbuja prehod iz osnovnega stanja v zgornjo raven. Laserski prehod je prehod iz najnižjega dela zgornjega nivoja v eno od razdeljenih osnovnih stanj. To je zelo učinkovito: na primer iterbij s fotonom črpalke 940 nm oddaja foton z valovno dolžino 1030 nm in kvantno napako (izgubo energije) le približno 9%.

V nasprotju s tem neodim, črpan pri 808 nm, izgubi približno 24 % svoje energije. Tako ima iterbij sam po sebi višjo učinkovitost, čeprav zaradi izgube nekaterih fotonov ni vse dosegljivo. Yb je mogoče črpati v številnih frekvenčnih pasovih, erbij pa pri 1480 ali 980 nm. Višja frekvenca ni tako učinkovita v smislu fotonske napake, vendar je uporabna tudi v tem primeru, ker so boljši viri na voljo pri 980 nm.

Na splošno je učinkovitost fiber laserja rezultat dvostopenjskega postopka. Prvič, to je učinkovitost diode črpalke. Polprevodniški viri koherentnega sevanja so zelo učinkoviti, s 50-odstotno učinkovitostjo pri pretvorbi električnega signala v optični. Rezultati laboratorijskih študij kažejo, da je mogoče doseči vrednost 70 % ali več. Z natančnim ujemanjem linije izhodnega sevanjaabsorpcija laserja z vlakni in visoka učinkovitost črpalke.

Druga je učinkovitost optično-optične pretvorbe. Z majhno fotonsko napako je mogoče doseči visoko stopnjo učinkovitosti vzbujanja in ekstrakcije z učinkovitostjo opto-optične pretvorbe 60–70 %. Nastala učinkovitost je v območju 25–35%.

Različne konfiguracije

Optični kvantni generatorji neprekinjenega sevanja so lahko eno- ali večmodni (za transverzalne načine). Enomodični laserji proizvajajo visokokakovosten žarek za materiale, ki delujejo ali sevajo skozi ozračje, medtem ko lahko večmodni industrijski laserji z vlakni ustvarjajo visoko moč. Uporablja se za rezanje in varjenje ter zlasti za toplotno obdelavo, kjer je osvetljena velika površina.

Laser z dolgimi impulzi z vlakni je v bistvu kvazi-kontinuirana naprava, ki običajno proizvaja impulze tipa milisekund. Običajno je njegov delovni cikel 10%. To ima za posledico višjo konično moč kot v neprekinjenem načinu (običajno desetkrat več), ki se uporablja na primer za impulzno vrtanje. Frekvenca lahko doseže 500 Hz, odvisno od trajanja.

Q-preklop pri laserjih z vlakni deluje na enak način kot pri laserjih v razsutem stanju. Tipično trajanje impulza je v razponu od nanosekund do mikrosekund. Dlje kot je vlakno, dlje traja Q-preklop izhoda, kar ima za posledico daljši impulz.

Lastnosti vlaken nalagajo nekatere omejitve preklapljanju Q. Nelinearnost optičnega laserja je pomembnejša zaradi majhnega prečnega prereza jedra, zato mora biti največja moč nekoliko omejena. Uporabite lahko bodisi volumetrična Q stikala, ki zagotavljajo boljše delovanje, ali modulatorje vlaken, ki so povezani na konce aktivnega dela.

Impulze s preklopom Q je mogoče ojačati v vlaknu ali v resonatorju z votlino. Primer slednjega lahko najdete v National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), kjer je laser z iterbijem vlaknom glavni oscilator za 192 žarkov. Majhni impulzi v velikih dopiranih steklenih ploščah se ojačajo na megadžule.

Pri laserjih z zaklenjenimi vlakni je hitrost ponovitve odvisna od dolžine materiala za ojačanje, tako kot pri drugih shemah zaklepanja načina, trajanje impulza pa je odvisno od pasovne širine ojačanja. Najkrajši so v območju 50 fs, najbolj tipični pa v območju 100 fs.

Med erbijevim in iterbijevim vlaknom obstaja pomembna razlika, zaradi česar delujejo v različnih načinih disperzije. Vlakna, dopirana z erbijem, oddajajo pri 1550 nm v območju anomalne disperzije. To omogoča proizvodnjo solitonov. Yterbijeva vlakna so v območju pozitivne ali normalne disperzije; posledično generirajo impulze z izrazito linearno modulacijsko frekvenco. Posledično bo morda potrebna Braggova rešetka za stiskanje dolžine impulza.

Obstaja več načinov za spreminjanje impulzov laserskega vlakna, zlasti za ultra hitre pikosekundne študije. Fotonska kristalna vlakna se lahko izdelajo z zelo majhnimi jedri, da ustvarijo močne nelinearne učinke, kot je generiranje superkontinuuma. Nasprotno pa je fotonske kristale mogoče izdelati tudi z zelo velikimi enomodnimi jedri, da se izognemo nelinearnim učinkom pri velikih močeh.

Fleksibilna fotonska kristalna vlakna z velikim jedrom so zasnovana za aplikacije z visoko močjo. Ena od tehnik je namerno upogniti takšno vlakno, da bi odstranili vse neželene načine višjega reda, hkrati pa ohranili samo osnovni prečni način. Nelinearnost ustvarja harmonike; z odštevanjem in seštevanjem frekvenc lahko ustvarimo krajše in daljše valove. Nelinearni učinki lahko tudi stisnejo impulze, kar povzroči frekvenčne glavnike.

Kot vir superkontinuuma zelo kratki impulzi proizvajajo širok neprekinjen spekter z uporabo samofazne modulacije. Na primer, iz začetnih impulzov 6 ps pri 1050 nm, ki jih ustvari laser iz itbijevih vlaken, dobimo spekter v območju od ultravijoličnega do več kot 1600 nm. Drug superkontinuum IR vir se črpa z virom erbija pri 1550 nm.

visoka moč

Industrija je trenutno največji porabnik laserjev z vlakni. Trenutno je povpraševanje po moči zelo veliko.približno kilovat, ki se uporablja v avtomobilski industriji. Avtomobilska industrija se pomika k jeklenim vozilom z visoko trdnostjo, da bi izpolnila zahteve glede vzdržljivosti in bila relativno lahka za boljšo porabo goriva. Običajnim strojnim orodjem je na primer zelo težko luknjati v tovrstno jeklo, toda koherentni viri sevanja to olajšajo.

Rezanje kovin z laserjem z vlakni ima v primerjavi z drugimi vrstami kvantnih generatorjev številne prednosti. Na primer, kovine dobro absorbirajo valovne dolžine blizu infrardečih valov. Žarek se lahko dostavi preko vlakna, kar robotu omogoča enostavno premikanje fokusa med rezanjem in vrtanjem.

Vlakna izpolnjujejo najvišje zahteve glede moči. Orožje ameriške mornarice, preizkušeno leta 2014, je sestavljeno iz laserjev s 6 vlakni 5,5 kW, združenih v en žarek, ki oddajajo skozi tvorni optični sistem. Enota z močjo 33 kW je bila uporabljena za uničenje brezpilotnega letala. Čeprav žarek ni enonačin, je sistem zanimiv, ker vam omogoča, da z lastnimi rokami ustvarite fiber laser iz standardnih, lahko dostopnih komponent.

Največji enomodni koherentni vir svetlobe IPG Photonics je 10 kW. Glavni oscilator proizvaja kilovat optične moči, ki se dovaja v ojačevalno stopnjo, črpano pri 1018 nm s svetlobo iz drugih laserjev z vlakni. Celoten sistem je velik kot dva hladilnika.

Uporaba laserjev z vlakni se je razširila tudi na visoko zmogljivo rezanje in varjenje. Na primer, zamenjali souporovno varjenje jeklene pločevine, reševanje problema deformacije materiala. Nadzor moči in drugih parametrov omogoča zelo natančno rezanje krivin, zlasti vogalov.

Najmočnejši laser z več načini z vlakni - stroj za rezanje kovin istega proizvajalca - doseže 100 kW. Sistem temelji na kombinaciji nekoherentnega žarka, zato ne gre za ultra visokokakovosten žarek. Zaradi te vzdržljivosti so laserji z vlakni privlačni za industrijo.

Vrtanje betona

4KW večmodni laser z vlakni se lahko uporablja za rezanje in vrtanje betona. Zakaj je to potrebno? Ko inženirji poskušajo doseči potresno odpornost v obstoječih stavbah, je treba biti pri betonu zelo previden. Če je vanj vgrajena jeklena armatura, na primer, lahko običajno udarno vrtanje beton poči in oslabi, vendar ga laserji z vlakni razrežejo, ne da bi ga zdrobili.

Kvantni generatorji z vlakni s preklopom Q se uporabljajo na primer za označevanje ali v proizvodnji polprevodniške elektronike. Uporabljajo se tudi v daljinomerih: moduli ročne velikosti vsebujejo za oči varne optične laserje z močjo 4 kW, frekvenco 50 kHz in širino impulza 5-15 ns.

površinska obdelava

Veliko je zanimanja za majhne laserje z vlakni za mikro- in nanomašinsko obdelavo. Pri odstranjevanju površinskega sloja, če je trajanje impulza krajše od 35 ps, ni brizganja materiala. To preprečuje nastanek depresij indruge nezaželene artefakte. Femtosekundni impulzi proizvajajo nelinearne učinke, ki niso občutljivi na valovno dolžino in ne segrevajo okoliškega prostora, kar omogoča delovanje brez večjih poškodb ali oslabitve okoliških območij. Poleg tega je mogoče luknje izrezati pri visokih razmerjih med globino in širino, kot je hitro (v milisekundah) izdelava majhnih lukenj v 1 mm nerjavnem jeklu z uporabo impulzov 800 fs pri 1 MHz.

Lahko se uporablja tudi za površinsko obdelavo prozornih materialov, kot so človeške oči. Za rezanje lopute pri mikrokirurgiji očesa se femtosekundni impulzi tesno fokusirajo z objektivom z visoko zaslonko na točki pod očesno površino, ne da bi poškodovali površino, ampak uničili očesni material na nadzorovani globini. Gladka površina roženice, ki je bistvena za vid, ostane nedotaknjena. Loputo, ločeno od spodaj, lahko nato potegnete navzgor za tvorbo površinskih eksimernih laserskih leč. Druge medicinske uporabe vključujejo kirurgijo plitve penetracije v dermatologiji in uporabo v nekaterih vrstah optične koherenčne tomografije.

femtosekundni laserji

Femtosekundni kvantni generatorji se v znanosti uporabljajo za vzbujevalno spektroskopijo z lasersko razgradnjo, časovno ločljivo fluorescenčno spektroskopijo, pa tudi za splošne raziskave materialov. Poleg tega so potrebni za proizvodnjo femtosekundne frekvenceglavniki, potrebni v meroslovju in splošnih raziskavah. Ena od pravih aplikacij v kratkem času bodo atomske ure za satelite GPS naslednje generacije, ki bodo izboljšale natančnost pozicioniranja.

Enofrekvenčni laser z vlakni se proizvaja s spektralno širino črte manj kot 1 kHz. To je impresivno majhna naprava z izhodno močjo od 10 mW do 1 W. Uporablja se na področju komunikacij, meroslovja (na primer v žiroskopih z vlakni) in spektroskopije.

Kaj je naslednje?

Kot druge aplikacije za raziskave in razvoj se še veliko več raziskuje. Na primer, vojaški razvoj, ki ga je mogoče uporabiti na drugih področjih, ki je sestavljen iz združevanja laserskih žarkov z vlakni za pridobitev enega visokokakovostnega žarka z uporabo koherentne ali spektralne kombinacije. Posledično je dosežena več moči v enonačinskem žarku.

Proizvodnja fiber laserjev hitro raste, predvsem za potrebe avtomobilske industrije. Naprave brez vlaken se zamenjajo tudi z optičnimi. Poleg splošnih izboljšav stroškov in zmogljivosti postajajo femtosekundni kvantni generatorji in superkontinuumski viri vse bolj praktični. Fiber laserji postajajo vse bolj nišni in postajajo vir izboljšav za druge vrste laserjev.