Ytterbium fiberlaser: anordningen, den operativa principen, driva, tillverkning, användning

Fiberlasrar är kompakta och hållbara, korrekt och lätt att scatter inducerad värme. De finns i olika typer och har en hel del att göra med lasrar av andra typer har sina egna unika fördelar.

Fiberlasrar: operation

Anordningar av denna typ är den vanliga variationen av halvledarkälla för koherent strålning från fibern, i stället stång arbetsfluid, en platta eller skiva. Ljuset som genereras av dopämnet i den centrala delen av fibern. Den grundläggande strukturen kan variera från enkla till ganska komplex. Ytterbium fiberlaseranordning så att fibern har en stor yta i förhållande till volymen, så värmen kan diffunderas relativt enkelt.

Fiberlasrar pumpas optiskt, ofta med hjälp av diodlasrar, men i vissa fall - samma källor. Optik som används i dessa system är vanligtvis representerar optiska komponenter, varvid de flesta eller alla av dem är anslutna till varandra. I vissa fall är en bulkoptik, och ibland interna optiska fibersystem i kombination med en extern bulkoptik.

En diod pumpkälla kan vara en dioduppsättning, eller ett flertal individuella dioder, vilka var och en är ansluten till kontakten fiberoptisk vågledare. Dopade fibern vid vardera änden har en spegel hålrumsresonator - i praktiken gör fibern Bragg-gittret. Vid ändarna av bulkoptik har, om inte bara den utgående strålen kommer in något annat än fiber. Ljusledaren kan vridas så att om så önskas laserkaviteten kan ha en längd av flera meter.

binukleär

Strukturfibrer som används i fiberlasrar, är viktig. Den vanligaste är geometrin hos en dubbel-kärnstruktur. Odopad yttre kärna (ibland hänvisad till som intima) pumpas samlar ljus och riktar den längs fibern. Stimulerad strålning som alstras i fibern passerar genom den inre kärnan, som ofta är en enda mod. Den inre kärnan innehåller en tillsats ytterbium, stimuleras av pumpljuset. Det finns många former av icke-cirkulär yttre kärna inklusive - hexagonala, D-formade och rektangulära, vilket minskar sannolikheten för missar ljusstrålen i den centrala kärnan.

Fiberlasern kan ha en ände eller sida pumpning. I det första fallet ljus från en eller flera källor kommer in i fiberänden. När sidopumpljuset tillförs till en splitter som matar den in i den yttre kärnan. Detta skiljer sig från laserstaven där ljuset kommer in vinkelrätt mot axeln.

För ett sådant beslut kräver en hel del strukturella utvecklingen. Betydande uppmärksamhet ägnas åt att sammanfatta pumpljuset in i kärnan för att producera en populationsinversion, vilket leder till stimulerad emission i den inre kärnan. laser kärnan kan ha varierande grader av amplifiering i fibern beroende på dopning, samt på dess längd. Dessa faktorer in som konstruktör för de parametrar som krävs.

Effektgränsen kan förekomma, i synnerhet vid arbete i en single-mode fiber. Sådan kärna har en mycket liten tvärsnittsarea, och som ett resultat passerar därigenom ljus med mycket hög intensitet. När detta blir mer uttalad icke-linjär Brillouin-spridning, vilket begränsar uteffekten från flera tusen watt. Om utsignalen är tillräckligt högt, kan fiberänden skadas.

Speciellt fiberlasrar

Användningen av fiber såsom arbetsfluid ger större interaktion längd, som fungerar bra när dioden pumpning. Denna geometri resulterar i en hög omvandlingseffektivitet av fotoner, samt tillförlitlig och kompakt konstruktion, i vilken inga diskreta optik, vilket kräver justering eller anpassning.

En fiberlaser, vilken anordning gör det möjligt att anpassa sig väl, kan anpassas för svetsning av tjocka metallplåtar och för att framställa femtosecond pulser. Fiberoptiska förstärkare ger single-pass vinst och används inom telekommunikation, eftersom de kan förstärka många våglängder samtidigt. Samma förstärkning används i effektförstärkare med en master oscillator. I vissa fall kan förstärkaren drivas med en kontinuerlig våg-laser.

Ett annat exempel är en källa till spontan emission från fiberförstärkningen, i vilken den stimulerade emissionen undertrycks. Ett annat exempel är en Raman-fiberlaser i kombination med ökad dispersion, väsentligen skjuvning våglängd. Det har funnit tillämpning i forskning, där kombinationen av generering och amplifiering med användning av ett fluoridglas snarare än standardkiselfibrer.

Dock i allmänhet, fibrer gjorda av kvartsglas med sällsynta jordartsmetaller dopämne i kärnan. De grundläggande tillsatser är ytterbium och erbium. Ytterbium har våglängder 1030-1080 nm, och kan emittera över ett brett område. Användning av 940-nm diodpumpen minskar signifikant underskott på fotoner. Ytterbium har varken en självdämpande effekter, vilka är åtmin neodym vid höga densiteter, så den senare används i bulk lasrar och ytterbium - i fiber (de båda ger ungefär samma våglängd).

Erbium avger i intervallet 1530-1620 nm, en säker för ögonen. Frekvensen kan dubbleras för att alstra ljus vid 780 nm, som inte är tillgänglig för andra typer av fiberlasrar. Slutligen kan ytterbium läggas till erbium så att elementet absorberar pumpstrålningen och överföra denna energi till erbium. Tulium - en annan dopningsmedel till utsläpp i nära infraröda området, som därmed är säker för ögat bilderna.

hög effektivitet

Fiberlaser är en kvasi-tre-nivåsystemet. pumpfotoner excitera övergången från grundtillståndet till det övre skiktet. Laser övergång är från den lägsta delen av den övre nivån på en av de delade grundtillstånd. Detta är mycket effektivt: till exempel, utsänder ytterbium-940 nm fotonpump en foton med våglängd på 1030 nm, och kvant defekt (energiförlusten), endast ca 9%.

I kontrast, neodym, pumpas vid 808 nm förlorar ca 24% av energin. Således har ytterbium sig en hög verkningsgrad, men inte allt det är möjligt på grund av förlusten av en del av fotoner. Yb kan pumpas i ett antal frekvensband, och erbium - våglängd på 1480 eller 980 nm. Ju högre frekvensen är inte lika effektiv när det gäller defekta fotoner, men användbar, även i detta fall, eftersom det vid 980 nm, de bästa källorna tillgängliga.

Totala effektiviteten för fiberlaser är resultatet av tvåstegsförfarandet. För det första är det effektiviteten i pumpdiod. Halvledarkällor koherent strålning är mycket effektiva, med 50% effektivitet att omvandla en elektrisk signal till en optisk. Resultaten från laboratoriestudier tyder på att det är möjligt att nå ett värde på 70% eller mer. Med exakt matchning utgångsstrålningen absorptionslinje fiberlaser uppnås och en hög pumpningseffektivitet.

För det andra, denna optiska-optiska omvandlingseffektivitet. När en liten defekt fotoner kan uppnå en hög grad av excitation och extraktionseffektiviteten av optisk-optisk effektivitet på 60-70% omvandling. Den resulterande effektiviteten är i intervallet 25-35%.

olika konfigurationer

Fiberkvant kontinuerliga våggeneratorer kan vara enkla eller multimode (transversella moder). Singelmod producera högkvalitativa strålen för material, bearbetning eller sända en stråle genom atmosfären, och multimode industriell fiberlasrar kan generera mer kraft. Det används för skärning och svetsning, och i synnerhet, för värmebehandling, där ett stort område är upplyst.

Den långa fiberlaser är väsentligen kvasi-kontinuerlig apparat vanligtvis millisekund pulser genererande typ. Vanligtvis är det duty cycle är 10%. Detta leder till en högre toppeffekt än den kontinuerligt läge (typiskt tio gånger) som används, till exempel, för en pulsad borrning. Frekvensen kan vara 500 Hz, beroende på längden.

Q-koppling i fiberlasrar fungerar också som i bulk. En typisk pulslängd är i området av nanosekunder till mikrosekunder. Ju längre fibern, desto längre tid tar för Q-koppling av den utgående strålningen, vilket resulterar i en längre puls.

Fiberegenskaper är några begränsningar på Q-modulering. Olinjäriteten hos fiberlasern är mer betydande på grund av den lilla tvärsnittsytan hos kärnan, så att toppeffekten bör vara något begränsad. Du kan använda antingen Q volym omkopplare, som ger högre prestanda, eller optiska modulatorer, vilka är anslutna till ändarna av den aktiva delen.

Q-switchade pulser kan förstärkas i en fiber eller i rumsresonatorn. Ett exempel på det senare kan hittas i National Complex simulering av kärnvapenprov (NIF, Livermore, CA), där fiberlaser är en master oscillator för 192 balkar. Små pulser i stora plattor av glas dopad förstärks till megajoule.

I fiberlasrar med synkronisering repetitionsfrekvens beror på längden av förstärkningsmaterial, som i de andra lägena av synkroniseringskretsar och pulsvaraktigheten beror på förmågan att öka genomströmningen. Den kortaste är i området av 50 fs, och mest typiska - i området av 100 fs.

Mellan ytterbium och erbium fiber, det finns en viktig skillnad, varigenom de arbetar i olika lägen dispersion. Erbiumdopad fiber som emitterar vid 1550 nm i en region av anomal dispersion. Detta gör att solitoner. Itterbievye fibrer är i en positiv eller normal dispersion; som ett resultat, de genererar pulser med linjär frekvensmodulering uttalas. Som en följd av Bragg-gitter kan det behöva komprimera pulslängden.

Det finns flera sätt att modifiera fiberlaserpulserna, särskilt för pikosekund ultrasnabba studier. Fotoniska kristallfibrer kan tillverkas med mycket små kärnor för starka olinjära effekter, såsom för supercontinuum generation. I motsats, kan de fotoniska kristallerna även tillverkas med mycket stor single-mode kärnan för att undvika icke-linjära effekter vid höga effekter.

Flexibel fotonkristallfiber med stor kärna skapas för tillämpningar som kräver hög effekt. En av metoderna är avsiktlig böjning av fibern för att avlägsna eventuella oönskade högre ordningens moder under bibehållande av en fundamental transversell mod. Den icke-linjäritet skapar övertoner; och genom att subtrahera frekvensen av vikning, kan du skapa en kortare och längre våglängder. Ickelinjära effekter kan också producera pulskompression, vilket leder till de utseendefrekvens kammar.

Den supercontinuum källa som mycket korta pulser producerar ett kontinuerligt spektrum genom fasmodulering. Till exempel, från de initiala 6 ps pulser vid 1050 nm, som skapar ytterbium fiberlasern spektrum erhållet i området från ultraviolett till mer än 1600 nm. En annan källa till IR-pumpade erbium-supercontinuum källa vid en våglängd av 1550 nm.

hög effekt

Industrin är för närvarande den största konsumenten av fiberlasrar. I hög efterfrågan har just nu kraften i storleksordningen kilowatt som används inom fordonsindustrin. Fordonsindustrin är på väg mot produktion av höghållfasta bilar stål för att uppfylla kraven på hållbarhet och är relativt lätta att bättre bränsleekonomi. Konventionella maskiner är mycket svårt, till exempel slå hål på denna typ av stål och källorna koherent strålning gör det enkelt.

Skärande metallfiberlaser, jämfört med andra typer av kvant generator har ett antal fördelar. Till exempel, nära infraröda våglängds absorberas väl metaller. Trålen kan levereras genom fibern, vilket gör det möjligt för roboten att enkelt flytta fokus vid skärning och borrning.

Optisk fiber uppfyller de högsta kraven för kraft. Vapen Amerikanska flottan, testas i 2014, och består av 6-fiber 5,5-kilowatt lasrar kombineras i en stråle och utstrålande genom formnings optiska systemet. 33 kW-enhet användes för att besegra en obemannad luftfarkost. Även om strålen inte är en single-mode, är systemet av intresse, eftersom det tillåter att skapa en fiberlaser med händerna ut av standard, lättillgängliga ingredienser.

De högsta effekt enkelmod koherenta ljuskällor av IPG Photonics är 10 kW. Masteroscillatorn producerar en watt av optisk effekt, som tillförs till förstärkaren stadium pumpas vid 1018 nm med ljus av andra fiberlasrar. Hela systemet har en storlek på två kylskåp.

Användningen av fiberlasrar är också utvidgas till hög effekt skärning och svetsning. Till exempel, ersattes de motståndssvetsning stålplåt lösa problemet med deformation av materialet. Effektstyrning och andra parametrar tillåter mycket exakta skär kurvor, speciellt i hörnen.

Den mest kraftfulla multimode fiber laser - för att skära metaller från samma tillverkare - upp till 100 kW. Systemet bygger på en kombination av osammanhängande balk, så det är inte super hög kvalitet stråle. Detta motstånd gör fiberlasrar attraktiva för industrin.

betong borrning

Multimodfiber laserutsignalen av 4 kW kan användas för skärning och borrning i cement. Varför det? När ingenjörer försöker uppnå seismiska motståndskraft av befintliga byggnader, för att vara mycket försiktig med betongen. När den installeras i den, såsom stål armering konventionell hammarborrning kan repa och försvaga betongen, men fiberlasrar skära utan att krossa den.

Lasrar med en Q-switchad fiber som används exempelvis för märkning eller vid tillverkning av halvledarelektronik. De används också i riktpilar: moduler är storleken på en hand innehåller ögonsäkra fiberlasrar vars utsignal är 4 kW, frekvensen av 50 kHz och en pulsvaraktighet av 5-15 ns.

ytbehandling

Det finns ett stort intresse för små fiberlasrar för mikro- och nanoprocessing. När du tar bort ytskiktet, om pulsvaraktigheten är kortare än 35 ps, ingen besprutning material. Detta förhindrar bildningen av gropar och andra oönskade artefakter. Pulserna i femtosekund regimen producera ickelinjära effekter som inte är känsliga för våglängden och det omgivande området är inte uppvärmd, så att arbeta utan väsentlig skada eller försvagning av de omgivande områdena. Dessutom kan hål skäras med en hög djup till bredd - till exempel snabbt (inom några få millisekunder) Små hål med ett mm med användning av ett rostfritt stål 800-fs pulser med en frekvens på 1 MHz.

Det är också möjligt att framställa ytbehandlade transparenta material, t ex det mänskliga ögat. Att skära en flik i ögonmikrokirurgi, femtosecond pulser vysokoaperturnym tätt fokuslins vid en punkt under ytan av ögat utan att orsaka någon skada på ytan, men ögat genom att förstöra material på ett kontrollerat djup. Den släta ytan hos hornhinnan, som är väsentlig för synen förblir intakt. Klaffen är separerad från botten, kan sedan dras upp till ytan excimerlaser formningslins. Andra medicinska applikationer inkluderar kirurgi grunt penetration i dermatologi, liksom användningen av vissa typer av optisk koherens tomografi.

femtosekundslasrar

Femtosekundslasrar inom vetenskapen används för att excitera laser uppdelning spektroskopi, fluorescensspektroskopi med en tidsupplösning, och även för allmän materialforskning. Dessutom är de behövs för produktionen av femtosecond frekvens kam som krävs i metrologi och allmänna studier. En av de verkliga applikationer på kort sikt kommer att vara atomur av GPS-satelliterna för en ny generation, som kommer att öka positioneringsnoggrannhet.

Enda frekvens fiberlaser utförs med en spektral linjebredd av mindre än 1 kHz. Denna imponerande anordning med en liten strålnings uteffekten från 10 mW till 1W. Finner tillämpning inom området för kommunikationer, metrologi (t ex, i fibergyroskop) och spektroskopi.

Vad händer nu?

När det gäller andra forskningsapplikationer, är det fortfarande en hel del av dem studeras. Till exempel för att militärteknik, som kan appliceras på andra områden, vilket består i att kombinera en fiberlaserstrålar erhålla en hög balk med hjälp av koherent eller spektral kombination. Som ett resultat, är mer kraft uppnås på ett enkelmodsstråle.

Produktionen av fiberlasrar ökar snabbt, särskilt för bilindustrin behov. Också, det är en ersättning av icke-fibrösa fiberanordningar. Förutom allmänna förbättringar i kostnader och prestanda, det finns fler praktiska femtosekundslasrar och supercontinuum källor. Fiberlasrar upptar mer nischer och bli en källa till förbättring för andra typer av lasrar.