Ytterbium fiberlaser: anordningen, drifts-princippet, magt, produktion, anvendelse

Fiber lasere er kompakte og holdbare, præcis og let at scatter induceret varme. De kommer i forskellige typer, og som har en masse at gøre med lasere af andre typer har deres egne unikke fordele.

Fiber lasere: drift

Indretninger af denne type er standard variation af solid state-kilde af kohærent stråling fra fiberen, i stedet stang arbejdsfluid, en plade eller skive. Lyset genereret af doteringsmidlet i den centrale del af fiberen. Den grundlæggende struktur kan variere fra simple til ganske kompliceret. Ytterbium fiberlaser apparat således at fiberen har en stor overflade til volumen-forhold, så varmen kan spredes relativt let.

Fiber lasere pumpes optisk, ofte med hjælp fra diodelasere, men i nogle tilfælde - de samme kilder. Optik anvendes i disse systemer er sædvanligvis repræsenterer optiske komponenter, hvor de fleste eller alle af dem er forbundet med hinanden. I nogle tilfælde er et bulk-optik, og undertiden interne optiske fiber system kombineret med en ekstern bulk-optik.

En diode pumpe kilde kan være en diode array eller en flerhed af individuelle dioder, som hver især er forbundet til konnektoren fiberoptiske bølgeleder. Doteret fiber ved hver ende har et spejl hulrumsresonator - i praksis gøre fiberen Bragg-gitter. Ved enderne af bulk-optik har, hvis ikke kun udgangsstrålen træder noget andet end fiber. Lyslederen kan være vredet således, at hvis det ønskes laserkaviteten kan have en længde på flere meter.

binulkeær

Struktur fibre, der anvendes i fiberlasere, er vigtig. Den mest almindelige er geometrien af en dual-kernestruktur. Udoteret ydre kerne (undertiden benævnt intima) pumpes opsamler lys, og dirigerer det langs fiberen. Stimuleret stråling frembragt i fiberen passerer gennem den indre kerne, som ofte er en enkelt mode. Den indre kerne indeholder et additiv ytterbium, stimuleret af pumpelyset. Der er mange former for ikke-cirkulær ydre kerne herunder - sekskantet, D-formet og rektangulær, hvilket reducerer sandsynligheden for ulykker lysstrålen i den centrale kerne.

Fiberlaseren kan have en ende eller side pumpning. I det første tilfælde lyset fra en eller flere kilder kommer ind i fiberenden. Når den side pumpelyset tilføres en splitter, der føder det ind i den ydre kerne. Dette afviger fra den laserstangen hvor lyset kommer ind vinkelret på aksen.

For en sådan beslutning kræver en masse konstruktiv udvikling. Betydelig opmærksomhed opsummerer pumpen lys ind i kernen til at producere en befolkning inversion, der fører til stimuleret emission i den indre kerne. laser kerne kan have varierende grader af forstærkning i fiberen afhængigt af doping, samt på dens længde. Disse faktorer er sat som et design ingeniør for de nødvendige parametre.

Magt grænse kan forekomme, især ved drift inden for en single-mode fiber. Sådan kerne har et meget lille tværsnitsareal, og som et resultat passerer derigennem lys af meget høj intensitet. Når dette er ved at blive mere udtalt ikke-lineær Brillouin spredning, hvilket begrænser effekt på flere tusinde watt. Hvis output er høj nok, kan fiberenden blive beskadiget.

Især fiberlasere

Anvendelsen af fibre som kølemiddel giver større interaktion længde, som fungerer godt, når dioden pumpning. Denne geometri resulterer i en høj omdannelseseffektivitet af fotoner, samt pålidelig og kompakt konstruktion, hvor der ikke diskrete optik, der kræver justering eller justering.

En fiber laser, hvilket apparat gør det muligt at tilpasse sig godt, kan tilpasses til sammensvejsning af tykke metalplader og til frembringelse femtosekund pulser. Lyslederforstærker tilvejebringer single-pass gain og anvendes inden for telekommunikation, da de kan forstærke mange bølgelængder samtidigt. Det samme gevinst anvendes i effektforstærkere med en master oscillator. I nogle tilfælde kan forstærkeren drives med en kontinuerlig bølge laser.

Et andet eksempel er en kilde til spontan emission fra fiberen-forstærkning, hvor stimuleret emission undertrykkes. Et andet eksempel er en Raman fiberlaser kombineres med øget dispersion, i det væsentlige forskydning bølgelængde. Det har fundet anvendelse i forskning, hvor kombinationen til generering og amplifikation ved anvendelse af et fluorid glas frem for faste silicafibre.

Dog generelt, fibre fremstillet af kvartsglas med sjældne jordarters doteringsmiddel i kernen. De grundlæggende tilsætningsstoffer er ytterbium og erbium. Ytterbium har bølgelængder fra 1030 til 1080 nm, og kan udsende over et bredt område. Anvendelsen af 940-nm diode pumpe reducerer underskud af fotoner betydeligt. Ytterbium har hverken en selvstændig quenching virkninger, som er ved neodym ved høje densiteter, så sidstnævnte anvendes i bulk-lasere og ytterbium - i fiber (de begge giver omtrent den samme bølgelængde).

Erbium udsender i området 1530-1620 nm, et sikkert for øjnene. Frekvensen kan fordobles til at generere lys ved 780 nm, som ikke er tilgængelig for andre typer af fiberlasere. Endelig kan ytterbium tilsættes til erbium således at elementet vil absorbere pumpestrålingen og transmittere denne energi til erbium. Thulium - andet dopingmiddel til udledningen i det nærinfrarøde område, som dermed er sikkert for eye billeder.

høj effektivitet

Fiberen laser er en kvasi-tre-niveau-system. pumpefotonerne excitere overgangen fra grundtilstanden til det øvre lag. Laser overgangen er fra den laveste del af den øvre niveau på én af de opdelte formalet stater. Dette er meget effektiv, fx ytterbium-940 nm foton pumpe udsender en foton med bølgelængde 1030 nm og kvante defekt (energitab), kun omkring 9%.

I modsætning hertil neodym, pumpet ved 808 nm mister ca. 24% af energien. Således ytterbium sagens natur har en høj effektivitet, selv om ikke alle af det er opnåeligt på grund af tabet af nogle af fotoner. Yb kan pumpes i et antal frekvensbånd, og erbium - bølgelængde på 1480 eller 980 nm. Den højere frekvens er ikke så effektiv, hvad angår defekte fotoner, men nyttig, selv i dette tilfælde, fordi ved 980 nm, de bedste kilder til rådighed.

Samlede effektivitet af fiberen laser er resultatet af to-trins proces. For det første er effektiviteten af pumpen diode. Halvleder kilder for kohærent stråling er meget effektive, med 50% effektivitet omdannelse af et elektrisk signal til et optisk. Resultaterne af laboratorieundersøgelser tyder på, at det er muligt at nå en værdi på 70% eller mere. Med eksakt match output strålingsabsorption line fiber laser er opnået og en høj pumpeeffekt.

For det andet, dette optiske-optiske omdannelseseffektivitet. Når en lille defekt fotoner kan opnå en høj grad af excitation og ekstraktionseffektiviteten af optisk-optisk virkningsgrad på 60-70%. Den resulterende effektivitet er i området 25-35%.

forskellige konfigurationer

Fiber quantum kontinuerlige bølgegeneratorer kan være enkelte eller multimode (tværgående tilstande). Singlemode producere kvalitet stråle høj for materialer, bearbejdning eller sende en stråle gennem atmosfæren, og multimode industriel fiberlasere kan generere mere strøm. Det anvendes til skæring og svejsning, og især til varmebehandling, hvor et stort område lyser.

Den lange fiberlaser det væsentlige kvasikontinuerlig apparat sædvanligvis millisekund pulser genererer type. Normalt er det en pligt cyklus er 10%. Dette fører til en højere spidseffekt end kontinuert (typisk ti gange), som anvendes, for eksempel til en pulseret boring. Frekvensen kan være 500 Hz, afhængig af varigheden.

Q-switching i fiberlasere også virker som i bulk. En typisk pulsvarighed er i området fra nanosekunder til mikrosekunder. Jo længere fiber, jo længere det tager for Q-omskiftning af udgangsstrålingen, hvilket resulterer i en længere puls.

Fiberegenskaber er nogle begrænsninger på Q modulation. Nonlinearity af fiberen laser er mere væsentlig på grund af lille tværsnitsareal af kernen, således at den maksimale effekt bør være noget begrænset. Du kan bruge enten Q volumen afbrydere, som giver højere ydelse, eller optiske modulatorer, som er forbundet til enderne af den aktive del.

Q-switched impulser kan amplificeres i en fiber eller i hulrumsresonatoren. Et eksempel på sidstnævnte kan findes i National Complex simulering af atomprøvesprængninger (NIF, Livermore, CA), hvor fiberlaseren er en master oscillator for 192 bjælker. Små impulser i store plader af glas doteret forstærkes til Megajoule.

I fiberlasere med synkronisering repetitionsfrekvens afhænger af længden af forstærkningsmateriale, som i de andre former for synkroniseringskredsløb og pulsvarighed afhænger af evnen til at forøge gennemløbet. Den korteste er i området fra 50 fs og mest typiske - i området fra 100 fs.

Mellem ytterbium og erbiumfibre, der er en vigtig forskel, hvorved de opererer i forskellige tilstande dispersion. Erbiumdoterede fiber udsender ved 1550 nm i en region i anormal dispersion. Dette gør det muligt solitoner. Itterbievye fibrene er i en positiv eller normal dispersion; som et resultat, de genererer pulser med lineær frekvensmodulation udtalt. Som et resultat af Bragg gitter det kan være nødvendigt at komprimere impulslængden.

Der er flere måder at ændre de fiber-laser pulser især til picosekund ultrahurtige undersøgelser. Krystalfibre kan fremstilles med meget små kerner til stærke ikke-lineære effekter, såsom for superkontinuum generation. I modsætning hertil kan de fotoniske krystaller også fremstilles med meget store single-mode kerne for at undgå ikke-lineære effekter ved høje effekter.

Fleksibel fotonisk krystalfiber med stor kerne skabt til applikationer, der kræver høj effekt. En af metoderne er bevidst bøjning af fiberen for at fjerne eventuelle uønskede højere ordens modes samtidig opretholde en fundamental transversal modus. Ulineariteten skaber harmoniske; og ved at trække hyppigheden af foldning, kan du oprette en kortere og længere bølgelængder. Lineære effekter kan også producere impulskompression, hvilket fører til fremkomsten frekvens kamme.

Den supercontinuum kilde som meget korte impulser frembringe en kontinuerlig spektrum gennem fasemodulation. For eksempel fra de indledende 6 ps pulser ved 1050 nm, hvilket skaber ytterbium fiberlaser opnåede spektrum i området fra ultraviolet til mere end 1600 nm. En anden kilde til IR-pumpet erbium-superkontinuum kilde ved en bølgelængde på 1550 nm.

høj effekt

Industrien er i øjeblikket den største forbruger af fiberlasere. I stor efterspørgsel lige nu nyder magt i størrelsesordenen kilowatt, der anvendes i bilindustrien. Bilindustrien er på vej mod produktionen af højstyrkestål biler til at opfylde kravene til holdbarhed og er relativt let at bedre brændstoføkonomi. Konventionelle værktøjsmaskiner er meget vanskeligt, for eksempel hulle i denne type stål, og kilderne til kohærent stråling gør det nemt.

Skæring metal fiberlaser, sammenlignet med andre typer af kvante generator har en række fordele. For eksempel nær-infrarødt bølgeområde absorberes godt metaller. Beam kan leveres gennem fiberen, som tillader robotten for nemt at flytte fokus, når der skæres og boring.

Optisk fiber opfylder de højeste krav til strøm. Våben US Navy, testet i 2014, består af en 6-fiber 5.5-kilowatt lasere kombineret i en stråle og udstrålende gennem dannelsen optiske system. 33 kW enhed blev anvendt til at besejre et ubemandet. Selvom bjælken er ikke en enkelt-mode, systemet er af interesse, da det giver mulighed for at skabe en fiberlaser med deres hænder ud af standard, let tilgængelige bestanddele.

De højeste magt single-mode sammenhængende lyskilder af IPG Photonics er 10 kW. Føreren oscillator frembringer en watt af optisk effekt, som tilføres til forstærker trin pumpes ved 1018 nm med lyset af andre fiberlasere. Hele systemet har en størrelse på to køleskabe.

Anvendelsen af fiberlasere er også udvidet til høj effekt skæring og svejsning. For eksempel de erstattet modstandssvejsning stålplade løse problemet med deformation af materialet. Effektstyring og andre parametre muliggør meget præcise skærende kurver, især hjørnerne.

Den mest kraftfulde multimode fiber laser - til skæring i metal fra samme producent - op til 100 kW. Systemet er baseret på en kombination af usammenhængende stråle, så det var ikke super høj kvalitet stråle. Denne modstand gør fiberlasere attraktive for industrien.

beton boring

Multimode fiber laser udgangseffekt på mindst 4 kW kan anvendes til skæring og beton boring. Hvorfor det? Når ingeniører forsøger at opnå seismiske modstand i eksisterende bygninger, til at være meget forsigtig med betonen. Når den er monteret i den, såsom stålarmering konventionel slagboring kan forårsage fejl og svække betonen, men fiberlasere skåret uden at knuse det.

Lasere med en Q-switched fiber anvendt for eksempel til mærkning eller ved fremstilling af halvleder elektronik. De anvendes også i afstandsmålere: moduler er på størrelse med en hånd indeholder eye-safe lasere fiber hvis produktion er 4 kW, frekvensen 50 kHz og en pulsvarighed på 5-15 ns.

overfladebehandling

Der er stor interesse for små fiberlasere for mikro- og nanoprocessing. Ved fjernelse overfladelaget, hvis impulslængden er kortere end 35 ps, ingen sprøjtemateriale. Dette forhindrer dannelsen af fordybninger og andre uønskede artefakter. Impulserne i femtosekund producere lineære effekter, som ikke er følsomme over for bølgelængden og det omkringliggende område er ikke opvarmet, og at arbejde uden væsentlig skade eller svækkelse af de omkringliggende områder. Derudover kan huller skæres med en høj dybde og bredde - f.eks hurtigt (inden for nogle få millisekunder) Små huller på 1 mm under anvendelse af en rustfri stål 800-fs impulser med en frekvens på 1 MHz.

Det er også muligt at fremstille overfladebehandlede transparente materialer, for eksempel det menneskelige øje. At skære en flap på øjet mikrokirurgi, femtosekund pulser vysokoaperturnym stramt fokus linse ved et punkt under overfladen af øjet uden at forårsage nogen skade på overfladen, men øjet ved at ødelægge materiale på en styret dybde. Den glatte overflade af hornhinden, som er afgørende for synet forbliver intakt. Klappen er adskilt fra bunden, kan derefter trækkes op til overfladen excimerlaser danner linse. Andre medicinske anvendelser omfatter kirurgi overfladisk indtrængning i dermatologi, samt anvendelsen af visse typer af optisk kohærens tomografi.

femtosekund lasere

Femtosekund lasere i videnskaben anvendes til at excitere laser opdeling spektroskopi, fluorescensspektroskopi med en tidsmæssig opløsning, og også til generel materialer forskning. Desuden er de nødvendige for produktionen af femtosekund frekvens kam kræves i metrologi og generelle undersøgelser. En af de virkelige applikationer på kort sigt vil være de atomure af GPS-satellitterne af en ny generation, som vil øge positioneringsnøjagtighed.

Enkelt frekvens fiberlaser udføres med en spektral liniebredde på mindre end 1 kHz. Denne imponerende enhed med en lille stråling udgangseffekt fra 10 mW til 1W. Finder anvendelse inden for kommunikation, metrologi (fx i fiber gyroskoper) og spektroskopi.

Hvad bliver det næste?

Som for andre forskningsansøgninger, det er stadig en masse af dem er undersøgt. For eksempel til ingeniørtropper, som kan anvendes på andre områder som består i at kombinere en fiber-laserstråler opnå en høj stråle ved hjælp af sammenhængende eller spektral kombination. Som et resultat opnås mere effekt i en single-mode stråle.

Produktion af fiberlasere vokser hurtigt, især for bilindustrien behov. Der er også en udskiftning af ikke-fibrøse fiberindretninger. Ud over generelle forbedringer i omkostninger og ydeevne, der er mere praktisk femtosekund lasere og supercontinuum kilder. Fiber lasere besætte flere nicher og blive en kilde til forbedring for andre typer af lasere.