Ytterbium fiber laser: устройство, принцип на работа, мощност, производство, приложение

Лазерите от оптични влакна са компактни и издръжливи, точно въведени и лесно разсейват топлинната енергия. Те са от различни типове и имат много общо с оптичните квантови генератори от други видове, имат свои собствени уникални предимства.

Fiber лазери: принципът на работа

Устройствата от този тип са вариант на стандартния източник на кохерентно излъчване в твърдо състояние с работно тяло от оптични влакна, а не като пръчка, плоча или диск. Светлината се генерира от добавката в централната част на влакното. Основната структура може да варира от прости до съвсем сложни. Устройството с лазерно влакно е толкова такова, че влакното има голямо съотношение повърхност към обем, така че топлината може да бъде сравнително лесно разпръсната.

Лазерите от оптични влакна са оптично изпомпвани, като най-често използват диодни квантови генератори, но в някои случаи - от същите източници. Оптиката, използвана в тези системи, обикновено са компоненти на влакната, като повечето или всички от тях са свързани помежду си. В някои случаи се използва обемна оптика и понякога вътрешната оптична система се комбинира с външна обемна оптика.

Двуядрена структура

Структурата на влакното, използвана във влакнести лазери, е важна. Най-често срещаната геометрия е двуядрената структура. Нелегирано външно ядро ​​(понякога наричано вътрешната обвивка) събира изпомпваната светлина и я насочва по дължината на влакното. Принудителното излъчване, генерирано във влакното, преминава през вътрешната сърцевина, която често е единичен режим. Вътрешната сърцевина съдържа добавка на итербиум, стимулирана от излъчващ светлинен лъч. Има много некръгли форми на външната сърцевина, включително шестоъгълни, D-образни и правоъгълни, намалявайки вероятността светлинен лъч, попадащ в централното ядро.

Влакнестият лазер може да има изтласкване от край до край. В първия случай светлина от един или няколко източника влиза в края на влакното. При странично изпомпване светлината се подава в сплитер, който я захранва към външната сърцевина. Това се различава от основния лазер, където светлината навлиза перпендикулярно на оста.

За такова решение са необходими много разработки. Особено внимание се отделя на привеждане на светлината на помпата в активната зона, за да се получи инверсия на населението, водеща до стимулирана емисия във вътрешната сърцевина. Ядрото на лазера може да има различна степен на усилване в зависимост от допинга на влакното и от неговата дължина. Тези фактори се конфигурират от проектантския инженер, за да получат необходимите параметри.

Могат да възникнат ограничения на захранването, по-специално при работа в едномодови влакна. Такова ядро ​​има много малка площ на напречното сечение и в резултат на това преминава през него много светлина с много висока интензивност. В този случай нелинейното разсейване на Brillouin става все по-осезаемо, което ограничава изходната мощност с няколко хиляди вата. Ако изходният сигнал е достатъчно висок, крайната страна на влакното може да се повреди.

Характеристики на оптичните лазери

Използването на влакна като работна среда дава голяма дължина на взаимодействие, която работи добре с диодното изпомпване. Тази геометрия води до висока ефективност на преобразуването на фотоните, както и до надежден и компактен дизайн, при който няма дискретна оптика, която изисква настройка или подравняване.

Fiber лазерът, чието устройство позволява да се адаптира добре, може да бъде адаптиран както за заваряване на дебели метални листове, така и за получаване на импулси femtosecond. Оптичните усилватели с оптични влакна осигуряват еднократна амплификация и се използват в телекомуникациите, тъй като те могат да усилват много дължини на вълните едновременно. Същото усилване се използва при усилватели на мощност с главен осцилатор. В някои случаи усилвателят може да работи с непрекъснат радиационен лазер.

Друг пример е източниците на спонтанно облъчване с усилване на влакната, при което стимулираната емисия се потиска. Друг пример е лазерният лазер Raman с усилване на комбинираното разсейване, което значително измества дължината на вълната. Той намери приложение в научните изследвания, където флуорираните стъклени влакна се използват за генериране на комбинации и усилване, а не за стандартни кварцови влакна.

Въпреки това, като правило, влакната са изработени от кварцово стъкло с примеси за допинг рядкост в ядрото. Основните добавки са yterbium и erbium. Ytterbium има дължини на вълните от 1030 до 1080 nm и може да излъчва в по-широк диапазон. Използването на 940-нанометрова диодна помпа значително намалява дефицита на фотоните. Итербий има нито самостоятелно охлаждане ефекти, които са в неодим при високи плътности, така че последният се използва в големи лазери и итербий - фибри (и двете осигуряват около същата дължина на вълната).

Erbium излъчва в диапазона 1530-1620 nm, безопасен за очите. Честотата може да бъде удвоена, за да генерира светлина при 780 nm, която не е достъпна за други видове лазери с влакна. Накрая, ytterbium може да бъде добавен към erbium по такъв начин, че елементът да абсорбира лъчението на помпата и да прехвърля тази енергия на ербий. Thulium е още една легираща добавка със светлина в близката инфрачервена област, която по този начин е безопасен за очите материал.

Висока ефективност

Влакнестият лазер е система с почти три нива. Фотомонатът на помпата възбужда прехода от земното състояние към горното ниво. Лазерният преход е преход от най-ниската част на горното ниво към едно от разделените земни състояния. Това е много ефективно: например, yterbium с помпа от 940 nm излъчва фотон с дължина на вълната 1030 nm и квантов дефект (загуба на енергия) само около 9%.

За разлика от това неодимът, изпомпан при 808 nm, губи около 24% от енергията. По този начин yterbium е по същество по-ефективен, въпреки че не всичко това е постижимо поради загубата на някои фотони. Yb може да се изпомпва в редица честотни ленти и ербий - при дължина на вълната 1480 или 980 nm. По-високата честота не е толкова ефективна от гледна точка на дефекта на фотоните, но е полезна и в този случай, защото на 980 nm са налице най-добрите източници.

По принцип ефективността на оптичния лазер е резултат от двуетапен процес. Първо, това е ефективността на помпения диод. Полупроводникови източници на кохерентно лъчение са много ефективни, с 50% ефективност при преобразуване на електрически сигнал в оптичен сигнал. Резултатите от лабораторните изследвания показват, че е възможно да се постигне стойност от 70% или повече. Ако изходното лъчение на оптичния лазер е точно съвпадащо, се постига висока ефективност на помпата.

На второ място, това е ефективността на оптичните оптични конверсии. При малък дефект на фотоните е възможно да се постигне висока степен на ефективност на възбуждане и екстракция с оптимално оптично преобразуване на ефективността от 60-70%. Получената ефективност е в диапазона от 25-35%.

Различни конфигурации

Оптичните квантови генератори на непрекъснато излъчване могат да бъдат едно- или многомодови (за напречни режими). Едномодовите модели генерират висококачествен сноп за работа с материали или изпращане на лъч през атмосферата, а многомодовите лазери от индустриални влакна могат да генерират повече мощност. Това се използва за рязане и заваряване, и по-специално за топлинна обработка, където е осветена голяма площ.

Дългият импулсен влакнест лазер е по същество квази-непрекъснато устройство, което обикновено произвежда импулси от милисекунди тип. Обикновено работният му цикъл е 10%. Това води до по-висока пикова мощност, отколкото в непрекъснат режим (обикновено десет пъти по-голям), който се използва например за импулсно пробиване. Честотата може да достигне 500 Hz, в зависимост от продължителността.

Превключването на Q в оптичните лазери действа както и в насипни лазери. Типичните ширини на импулсите варират от наносекунди до микросекунди. Колкото по-дълго е влакното, толкова по-дълго е необходимо за излъчване на Q-превключване, което води до по-дълъг импулс.

Свойствата на влакната налагат определени ограничения за Q-превключването. Нелинейността на оптичния лазер е по-значима поради малката площ на напречното сечение на сърцевината, така че пиковата мощност трябва да бъде до известна степен ограничена. Можете да използвате или обемни Q превключватели, които дават по-висока производителност, или оптични модулатори, които се свързват към краищата на активната част.

Импулсите с Q-превключване могат да бъдат усилени в резонатор на влакно или в кухина. Пример за последния може да бъде намерен в Националния комплекс за симулиране на ядрени опити (NIF, Livermore, California), където yterbium fiber лазерът е основният осцилатор за 192 греди. Малки импулси в големи плочи от легирани стъкла се усилват до мегаджаули.

При влакнестите лазери със синхронизация честотата на повтаряне зависи от дължината на усилващия материал, както при другите режими на заключване на режима, а широчината на импулсите зависи от честотната лента на печалбата. Най-кратките са в рамките на 50 fs, а най-типичните са в диапазона от 100 fs.

Между ербийните и yterbium влакна има важна разлика, в резултат на която те работят в различни режими на дисперсия. Дървените с ербий влакна се излъчват при 1550 nm в района на аномална дисперсия. Това дава възможност да се произвеждат solitons. Ytterbium влакната са в областта на положителна или нормална дисперсия, в резултат на което те генерират импулси с изразена честота на линейна модулация. В резултат на това може да е необходима решетка Bragg за компресиране на дължината на импулса.

Има няколко начина за промяна на импулсите на оптични влакна, по-специално за ултра бързи пикосекундни изследвания. Фотонни кристални влакна могат да бъдат произведени с много малки ядра, за да се получат силни нелинейни ефекти, например за генериране на суперконтум. За разлика от това, фотонните кристали могат да бъдат произведени и с много едри модули с един модул, за да се избегнат нелинейни ефекти при високи мощности.

Гъвкавите фотонни кристални влакна с голямо ядро ​​са създадени за приложения, изискващи висока мощност. Един от методите се състои в умишлено огъване на такова влакно, за да се елиминират всички нежелани режими от по-висок порядък, като се запази само основният напречен режим. Нелинейността създава хармоници - чрез изваждане и сгъване на честотите можете да създадете по-къси и по-дълги вълни. Нелинейните ефекти също могат да предизвикат компресия на импулсите, което води до появата на честотни гребени.

Като източник на суперконюнкт, много къси импулси генерират широк непрекъснат спектър чрез фазова самостоятелна модулация. Например, от първоначалните 6 ps импулси при 1050 nm, което създава лазер с влакно от yterbium, се получава спектър в диапазона от ултравиолетов до над 1600 nm. Друг IR източник на суперконтуната се изпомпва от източник на ербий при дължина на вълната 1550 nm.

Висока мощност

Промишлеността в момента е най-големият потребител на оптични лазери. Голямото търсене сега се радва на мощността от порядъка на киловата, използвана в автомобилната индустрия. Автомобилната индустрия се движи към производството на висококачествени стоманени автомобили, за да отговори на изискванията за дълголетие и е относително лека за по-голяма икономия на гориво. Много е трудно за обикновените металообработващи машини, например, да пробиват дупки в този вид стомана и източниците на последователна радиация да го улесняват.

Металното рязане с влакнест лазер, в сравнение с квантовите генератори от други видове, има редица предимства. Например, близката инфрачервена област на вълните се абсорбира добре от металите. Гредата може да бъде доставена върху влакното, което позволява на робота да движи лесно фокуса при рязане и пробиване.

Оптичните влакна отговарят на най-високите изисквания за захранване. Оръжието на американския военноморски флот, тествано през 2014 г., се състои от 6-влакна с 5,5-килограмови лазера, комбинирани в един единствен лъч и излъчващи през формираща оптична система. Използва се инсталация от 33 кВт за победа безпилотен въздухоплавателно средство. Въпреки че лъчът не е единичен, системата е интересна, защото ви позволява да създавате оптичен лазер със собствените си ръце от стандартни, лесно достъпни компоненти.

Най-голямата мощност на едномодовия кохерентен източник на IPG Photonics е 10 кВт. Основният генератор генерира киловат оптична мощност, която се подава към усилвателната каскада с изпомпване при 1018 nm със светлина от други оптични лазери. Цялата система е с размер на два хладилника.

Използването на оптични лазери също се разпространи до рязане и заваряване с висока мощност. Например, те заменят контактното заваряване на листова стомана, като решават проблема с деформацията на материала. Управлението на мощността и други параметри правят възможно прецизното изрязване на кривите, особено ъглите.

Най-мощният мултимоден фибров лазер - устройство за рязане на метали от същия производител - достига 100 кВт. Системата се основава на комбинация от непоследователен лъч, така че това не е свръх висококачествен лъч. Подобна устойчивост прави лазерите с оптични влакна привлекателни за индустрията.

Пробиване на бетон

За рязане и пробиване на бетон може да се използва мултимодална лампа с влакно от 4 кВт. Защо това е необходимо? Когато инженерите се опитват да постигнат сеизмична устойчивост на съществуващи сгради, човек трябва да бъде много внимателен с бетона. Когато се монтира в нея, например, стоманената армировка, конвенционалното ударно сондиране може да причини пукнатини и да отслаби бетона, но лазерите от влакна го нарязат без раздробяване.

Квантовите генератори с модулиран Q на влакно се използват например за маркиране или за производство на полупроводникова електроника. Те се използват и при намиране на обхват: модулите с ръчен размер съдържат оптични оптични лазери, чиято мощност е 4 кВт, честота 50 kHz и ширина на импулса 5-15 ns.

Повърхностна обработка

Има голям интерес към лазерите с малки влакна за микро- и нанопроцесиране. При отстраняване на повърхностния слой, ако ширината на импулса е по-малка от 35 ps, няма изпръскване на материала. Това елиминира образуването на депресии и други нежелани артефакти. Импулсите в режим femtosecond произвеждат нелинейни ефекти, които не са чувствителни към дължината на вълната и не загряват околното пространство, което прави възможно работата без значителни повреди или отслабване на околните области. В допълнение, дупките могат да бъдат отрязани с голямо съотношение дълбочина към ширина - например бързо (в рамките на няколко милисекунди), за да се правят малки отвори в неръждаема стомана 1 мм, като се използват импулси 800-fs на честота 1 MHz.

Също така е възможно повърхностно обработване на прозрачни материали, например човешки очи. За да се намали клапа в микрохирургия на очите, фемтосекундни импулси vysokoaperturnym плътно фокус леща в точка под повърхността на окото, без да причини увреждане на повърхността, но окото чрез унищожаване на материал за контролирано дълбочина. Гладката повърхност на роговицата, която е важна за зрението, остава невредима. Клапата, разделена отдолу, може да бъде издърпана за повърхностно образуване на епимер-лазерна леща. Други медицински приложения включват плитка проникваща хирургия в дерматологията, както и използването при някои видове оптична кохерентна томография.

Femtosecond Лазери

Фемтосекундни квантови генератори в науката се използват за възбуждаща спектроскопия с лазерно разрушаване, времево решена флуоресцентна спектроскопия и за изследване на общи материали. В допълнение, те са необходими за производството на femtosecond честотни гребени, изисквани в метрологията и общите изследвания. Едно от истинските приложения в краткосрочен план ще бъде атомен часовник за ново поколение GPS сателити, което ще увеличи точността на позиционирането.

Изработва се едночестотен оптичен лазер с ширина на спектралната линия, по-малка от 1 kHz. Това е впечатляващо малко устройство с излъчване от 10 mW до 1 W. Той намира приложение в областта на комуникациите, метрологията (например във влакнестите жироскопи) и спектроскопията.

Какво следва?

Що се отнася до други изследователски приложения, много други се изучават. Например, военното развитие, което може да се използва в други области, състоящо се в комбиниране на влакнести лазерни лъчи, за да се създаде единствен висококачествен лъч с помощта на кохерентна или спектрална комбинация. В резултат на това се постига висока мощност в едномодов лъч.

Производството на оптични лазери бързо нараства, особено за нуждите на автомобилната индустрия. Има и подмяна на устройства без влакно с влакна. В допълнение към общите подобрения в разходите и производителността се появяват все по-практични кемнтови генератори femtosecond и източници на суперконтум. Fiber лазерите заемат все повече и повече ниши и се превръщат в източник на подобрение за други видове лазери.