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

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Влакнестите лазери са компактни и здрави, насочват прецизно и лесно разсейват топлинната енергия. Те се предлагат в различни форми и макар да имат много общо с други видове оптични квантови генератори, имат свои собствени уникални предимства.

Влакнести лазери: как работят

Устройствата от този тип са вариация на стандартен твърд източник на кохерентно излъчване с работна среда, направена от влакна, а не от пръчка, плоча или диск. Светлината се генерира от добавка в центъра на влакното. Основната структура може да варира от проста до доста сложна. Дизайнът на итербиевия лазер с влакна е такъв, че влакното има голямо съотношение повърхност към обем, така че топлината може да се разсейва сравнително лесно.

Влакнестите лазери се изпомпват оптично, най-често от диодни квантови генератори, но в някои случаи от същите източници. Оптиката, използвана в тези системи, обикновено са компоненти от влакна, като повечето или всички от тях са свързани помежду си. В някои случаиизползва се обемна оптика, а понякога вътрешна оптична система се комбинира с външна обемна оптика.

Източникът на диодно изпомпване може да бъде диод, матрица или множество отделни диоди, всеки от които е свързан към конектор чрез оптичен световод. Легираното влакно има огледало на кухини резонатори във всеки край - на практика в влакното се правят решетки на Браг. В краищата няма насипна оптика, освен ако изходният лъч не влезе в нещо различно от влакно. Светловодът може да бъде усукан, така че ако желаете, лазерната кухина може да бъде дълга няколко метра.

Двуядрена структура

Структурата на влакното, използвано във влакнестите лазери, е важна. Най-често срещаната геометрия е двуядрената структура. Нелегираната външна сърцевина (наричана понякога вътрешна облицовка) събира изпомпаната светлина и я насочва по протежение на влакното. Стимулираната емисия, генерирана във влакното, преминава през вътрешната сърцевина, която често е едномодова. Вътрешното ядро съдържа итербиева добавка, стимулирана от светлинния лъч на помпата. Има много некръгли форми на външното ядро, включително шестоъгълни, D-образни и правоъгълни, които намаляват вероятността светлинен лъч да липсва от централното ядро.

Влакнестият лазер може да бъде с крайно или странично изпомпване. В първия случай светлината от един или повече източници навлиза в края на влакното. При странично изпомпване светлината се подава в сплитер, който я захранва към външното ядро. тосе различава от пръчковия лазер, където светлината влиза перпендикулярно на оста.

Това решение изисква много развитие на дизайна. Значително внимание се обръща на задвижването на светлината на помпата в ядрото, за да се получи инверсия на населението, водеща до стимулирано излъчване във вътрешното ядро. Лазерната сърцевина може да има различна степен на усилване в зависимост от легирането на влакното, както и от неговата дължина. Тези фактори се коригират от инженера-конструктор, за да се получат необходимите параметри.

Могат да възникнат ограничения на мощността, особено при работа в едномодово влакно. Такова ядро има много малка площ на напречното сечение и в резултат на това през него преминава светлина с много висок интензитет. В същото време нелинейното разсейване на Брилуен става все по-забележимо, което ограничава изходната мощност до няколко хиляди вата. Ако изходният сигнал е достатъчно висок, краят на влакното може да се повреди.

Характеристики на фибровите лазери

Използването на влакно като работна среда дава дълга дължина на взаимодействие, която работи добре с диодно изпомпване. Тази геометрия води до висока ефективност на преобразуване на фотони, както и здрав и компактен дизайн без дискретна оптика за регулиране или подравняване.

Влакнестият лазер, чието устройство му позволява да се адаптира добре, може да бъде адаптиран както за заваряване на дебели листове метал, така и за производство на фемтосекундни импулси. Оптичните усилватели осигуряват еднопроходно усилване и се използват в телекомуникациите, тъй като са в състояние да усилват много дължини на вълната едновременно. Същото усилване се използва в усилватели на мощност с главен осцилатор. В някои случаи усилвателят може да работи с CW лазер.

Друг пример са източници на спонтанни емисии, усилени от влакна, при които стимулираното излъчване е потиснато. Друг пример е Раманов лазер с влакна с комбинирано усилване на разсейване, което значително измества дължината на вълната. Той е намерил приложение в научните изследвания, където флуоридни стъклени влакна се използват за генериране и усилване на Раман, а не стандартни кварцови влакна.

Обаче, като правило, влакната са направени от кварцово стъкло с редкоземна добавка в сърцевината. Основните добавки са итербий и ербий. Итербий има дължини на вълната от 1030 до 1080 nm и може да излъчва в по-широк диапазон. Използването на 940 nm диодно изпомпване значително намалява дефицита на фотони. Итербий няма нито един от ефектите на самозагасяване, които неодимът има при висока плътност, така че неодимът се използва в насипни лазери, а итербий във влакнести лазери (и двата осигуряват приблизително еднаква дължина на вълната).

Ербият излъчва в диапазона от 1530-1620 nm, което е безопасно за очите. Честотата може да се удвои за генериране на светлина при 780 nm, което не е налично за други видове лазери с влакна. И накрая, итербий може да се добави към ербий по такъв начин, че елементът да абсорбираизпомпват радиация и прехвърлят тази енергия на ербий. Тулиумът е друга близка инфрачервена добавка, която по този начин е безопасен за очите материал.

Висока ефективност

Влакнестият лазер е квази-тристепенна система. Фотонът на помпата възбужда прехода от основното състояние към горното ниво. Лазерният преход е преход от най-ниската част на горното ниво към едно от разделените основни състояния. Това е много ефективно: например итербий с фотон на помпата 940 nm излъчва фотон с дължина на вълната 1030 nm и квантов дефект (загуба на енергия) от само около 9%.

Обратно, неодимът, изпомпван при 808nm, губи около 24% от енергията си. По този начин итербият по своята същност има по-висока ефективност, въпреки че не всичко е постижимо поради загубата на някои фотони. Yb може да се изпомпва в редица честотни ленти, докато ербий може да се изпомпва при 1480 или 980 nm. По-високата честота не е толкова ефективна по отношение на фотонен дефект, но е полезна дори в този случай, защото са налични по-добри източници при 980nm.

По принцип ефективността на фибров лазер е резултат от двуетапен процес. Първо, това е ефективността на диода на помпата. Полупроводниковите източници на кохерентно излъчване са много ефективни, с 50% ефективност при преобразуване на електрически сигнал в оптичен. Резултатите от лабораторните изследвания показват, че е възможно да се постигне стойност от 70% или повече. С точно съвпадение на изходната радиационна линияабсорбция на влакнест лазер и висока ефективност на помпата.

Втората е ефективността на оптично-оптично преобразуване. С малък фотонен дефект може да се постигне висока степен на ефективност на възбуждане и извличане с ефективност на опто-оптично преобразуване от 60–70%. Получената ефективност е в диапазона от 25–35%.

Различни конфигурации

Влакнооптични квантови генератори на непрекъснато излъчване могат да бъдат едномодови или многомодови (за напречни режими). Едномодовите лазери произвеждат висококачествен лъч за материали, работещи или излъчващи през атмосферата, докато многомодовите индустриални лазери с влакна могат да генерират висока мощност. Използва се за рязане и заваряване и по-специално за термична обработка, където е осветена голяма площ.

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

Q-превключването във фибровите лазери работи по същия начин, както при масовите лазери. Типичната продължителност на импулса е в диапазона от наносекунди до микросекунди. Колкото по-дълго е влакното, толкова повече време отнема Q-превключването на изхода, което води до по-дълъг импулс.

Свойствата на влакното налагат някои ограничения върху Q-превключването. Нелинейността на оптичния лазер е по-значителна поради малката площ на напречното сечение на сърцевината, така че пиковата мощност трябва да бъде донякъде ограничена. Могат да се използват или обемни Q превключватели, които дават по-добра производителност, или оптични модулатори, които са свързани към краищата на активната част.

Импулсите с превключване на Q могат да бъдат усилени във влакното или в резонатор с кухина. Пример за последното може да се намери в Националното съоръжение за симулация на ядрени тестове (NIF, Ливърмор, Калифорния), където итербиевият лазер с влакна е главният осцилатор за 192 лъча. Малките импулси в големи легирани стъклени плочи се усилват до мегаджаули.

При блокирани оптични лазери, честотата на повторение зависи от дължината на материала за усилване, както при други схеми за заключване на режима, а продължителността на импулса зависи от честотната лента на усилването. Най-късите са в диапазона от 50 fs, а най-типичните са в диапазона от 100 fs.

Има важна разлика между ербиевите и итербиевите влакна, в резултат на което те работят в различни режими на дисперсия. Влакната, легирани с ербий, излъчват при 1550 nm в областта на аномалната дисперсия. Това позволява производството на солитони. Итербиевите влакна са в областта на положителна или нормална дисперсия; в резултат на това те генерират импулси с изразена честота на линейна модулация. В резултат на това може да е необходима решетка на Браг за компресиране на дължината на импулса.

Има няколко начина за модифициране на лазерни импулси с влакна, особено за свръхбързи пикосекундни изследвания. Фотонните кристални влакна могат да бъдат направени с много малки ядра, за да произведат силни нелинейни ефекти, като генериране на суперконтинуум. За разлика от тях, фотонните кристали могат да бъдат направени и с много големи едномодови ядра, за да се избегнат нелинейни ефекти при високи мощности.

Гъвкавите фотонни кристални влакна с голяма сърцевина са предназначени за приложения с висока мощност. Една техника е умишлено да се огъва такова влакно, за да се елиминират всички нежелани режими от по-висок порядък, като се запазва само основният напречен режим. Нелинейността създава хармоници; чрез изваждане и добавяне на честоти могат да се създават по-къси и по-дълги вълни. Нелинейните ефекти могат също да компресират импулси, което води до честотни гребени.

Като суперконтинуален източник, много късите импулси произвеждат широк непрекъснат спектър, използвайки самофазова модулация. Например, от първоначалните импулси от 6 ps при 1050 nm, които създава лазер с итербиеви влакна, се получава спектър в диапазона от ултравиолетови до повече от 1600 nm. Друг суперконтинуален IR източник се изпомпва с източник на ербий при 1550 nm.

Висока мощност

Индустрията в момента е най-големият потребител на фибролазери. Мощността е много търсена в момента.около киловат, използван в автомобилната индустрия. Автомобилната индустрия се насочва към превозни средства от стомана с висока якост, за да отговори на изискванията за издръжливост и да бъде сравнително лека за по-добра икономия на гориво. Много е трудно за обикновените машинни инструменти, например, да пробият дупки в този вид стомана, но кохерентните източници на радиация го правят лесно.

Рязането на метали с фибров лазер, в сравнение с други видове квантови генератори, има редица предимства. Например, дължината на вълната в близост до инфрачервени лъчи се абсорбира добре от металите. Лъчът може да се доставя през влакното, което позволява на робота лесно да премества фокуса при рязане и пробиване.

Fiber отговаря на най-високите изисквания за мощност. Оръжие на ВМС на САЩ, тествано през 2014 г., се състои от 6-влакнести 5,5-kW лазери, комбинирани в един лъч и излъчващи през формираща се оптична система. Блокът с мощност 33 kW е използван за унищожаване на безпилотен летателен апарат. Въпреки че лъчът не е едномодов, системата е интересна, защото ви позволява да създадете фибров лазер със собствените си ръце от стандартни, лесно достъпни компоненти.

Най-високата мощност едномодов кохерентен източник на светлина от IPG Photonics е 10 kW. Главният осцилатор произвежда киловат оптична мощност, която се подава в усилвателната стъпала, изпомпвана при 1018 nm със светлина от други оптични лазери. Цялата система е с размерите на два хладилника.

Използването на лазерни влакна се разпространи и до рязане и заваряване с висока мощност. Например те заменихасъпротивително заваряване на листова стомана, решаване на проблема с деформацията на материала. Контролирането на мощността и други параметри позволява много прецизно рязане на криви, особено ъгли.

Най-мощният многомодов лазер с влакна - машина за рязане на метал от същия производител - достига 100 kW. Системата се основава на комбинация от некохерентен лъч, така че не е ултра-висококачествен лъч. Тази издръжливост прави фибровите лазери привлекателни за индустрията.

Пробиване на бетон

4KW многомодов лазер с влакна може да се използва за рязане и пробиване на бетон. Защо е необходимо това? Когато инженерите се опитват да постигнат устойчивост на земетресения в съществуващи сгради, човек трябва да бъде много внимателен с бетона. Ако в него е монтирана стоманена армировка, например, конвенционалното пробиване с чук може да напука и отслаби бетона, но фиброзните лазери го режат, без да го смачкат.

Квантовите генератори с влакно с Q-превключване се използват например за маркиране или в производството на полупроводникова електроника. Използват се и в далекомери: модулите с ръчен размер съдържат безопасни за очите оптични лазери с мощност 4 kW, честота 50 kHz и ширина на импулса 5-15 ns.

Повърхностна обработка

Има голям интерес към малките влакнести лазери за микро- и наномеханична обработка. При отстраняване на повърхностния слой, ако продължителността на импулса е по-малка от 35 ps, няма разпръскване на материала. Това предотвратява образуването на депресии идруги нежелани артефакти. Фемтосекундните импулси произвеждат нелинейни ефекти, които не са чувствителни към дължината на вълната и не нагряват околното пространство, което позволява работа без значителни повреди или отслабване на околните зони. В допълнение, дупките могат да бъдат изрязани при високо съотношение дълбочина към ширина, като например бързо (в рамките на милисекунди) да се правят малки дупки в 1 мм неръждаема стомана с помощта на импулси от 800 fs при 1 MHz.

Може да се използва и за повърхностна обработка на прозрачни материали като човешки очи. За да се отреже клапа при очна микрохирургия, фемтосекундните импулси се фокусират плътно от обектив с висока апертура в точка под очната повърхност, без да причиняват никакво увреждане на повърхността, но разрушават очния материал на контролирана дълбочина. Гладката повърхност на роговицата, която е от съществено значение за зрението, остава непокътната. След това клапата, отделена отдолу, може да бъде издърпана нагоре за образуване на повърхностни ексимерни лазерни лещи. Други медицински приложения включват хирургия на плитко проникване в дерматологията и използване в някои видове оптична кохерентна томография.

Фемтосекундни лазери

Фемтосекундните квантови генератори се използват в науката за спектроскопия на възбуждане с лазерно разбиване, флуоресцентна спектроскопия с разрешена във времето, както и за общи изследвания на материали. Освен това те са необходими за производството на фемтосекундна честотагребени, необходими в метрологията и общите изследвания. Едно от истинските приложения в краткосрочен план ще бъдат атомните часовници за следващо поколение GPS сателити, което ще подобри точността на позициониране.

Едночестотен лазер с влакна се произвежда със спектрална ширина на линията по-малка от 1 kHz. Това е впечатляващо малко устройство с изходна мощност от 10mW до 1W. Намира приложение в областта на комуникациите, метрологията (например при оптични жироскопи) и спектроскопията.

Какво следва?

Що се отнася до други приложения за научноизследователска и развойна дейност, много други се проучват. Например, военна разработка, която може да се приложи в други области, която се състои в комбиниране на лазерни лъчи с влакна за получаване на един висококачествен лъч с помощта на кохерентна или спектрална комбинация. В резултат на това се постига повече мощност в едномодовия лъч.

Производството на фибролазери се разраства бързо, особено за нуждите на автомобилната индустрия. Устройствата без влакна също се заменят с влакнести. В допълнение към общите подобрения в цената и производителността, фемтосекундните квантови генератори и източниците на суперконтинуум стават все по-практични. Фибровите лазери стават все по-нишови и се превръщат в източник на подобрения за други видове лазери.