Ytterbium laser cu fibre: un dispozitiv, principiul de funcționare, putere, producție, aplicare

Fiber laserele sunt compacte și durabile, se introduc cu precizie și se dispersează cu ușurință energia termică. Acestea sunt de diferite tipuri și, având multe în comun cu generatoarele optice cuantice de alte tipuri, au propriile lor avantaje unice.

Fiber lasere: principiul de funcționare

Dispozitivele de acest tip reprezintă o variantă a sursei standard de stare solidă a radiației coerente, cu un corp de lucru de fibră optică, mai degrabă decât o tijă, placă sau disc. Lumina este generată de dopant în partea centrală a fibrei. Structura de bază poate varia de la simplu la destul de complex. Dispozitivul laser cu fibre de ytterbium este astfel încât fibra are un raport mare suprafață-volum, astfel încât căldura poate fi dispersată relativ ușor.

Fiber laserele sunt pompate optic, cel mai adesea folosind generatoare cuantice cu diode, dar în unele cazuri - de către aceleași surse. Optica utilizată în aceste sisteme este, în general, componente ale fibrelor, majoritatea sau toate dintre ele fiind conectate una la cealaltă. În unele cazuri se folosește optica volumetrică și, uneori, sistemul intern de fibră optică este combinat cu o optică volumetrică externă.

Structura cu două nuclee

Structura fibrei utilizate la laserele cu fibre este importantă. Geometria cea mai comună este structura dual-core. Un miez exterior nealiat (uneori numit coajă interioară) colectează lumina pompată și o direcționează de-a lungul fibrei. Radiația forțată generată în fibră trece prin miezul interior, adesea un singur mod. Miezul interior conține un aditiv de ytterbium stimulat de un fascicul de lumină de pompare. Există multe forme necirculare ale miezului exterior, inclusiv hexagonale, în formă de D și dreptunghiulare, reducând probabilitatea ca un fascicul de lumină să cadă în miezul central.

Un laser cu fibre poate avea un capăt sau o parte de pompare. În primul caz, lumina din una sau mai multe surse intră în capătul fibrei. Cu pompare laterală, lumina este introdusă în splitter, care o alimentează cu miezul exterior. Aceasta diferă de laserul de bază, unde lumina intră perpendicular pe axă.

Pentru o astfel de soluție, sunt necesare multe dezvoltări de proiectare. Se acordă o atenție deosebită introducerii luminii pompei în zona activă pentru a produce o inversare a populației care conduce la emisii stimulate în miezul interior. Miezul laserului poate avea un grad diferit de amplificare, în funcție de dopajul fibrei și de lungimea sa. Acești factori sunt configurați de către inginerul de proiectare pentru a obține parametrii necesari.

Se pot produce limitări de putere, în special atunci când funcționează într-o singură fibră. Un astfel de miez are o zonă foarte mică a secțiunii transversale și, prin urmare, trece printr-o lumină de intensitate foarte ridicată. În acest caz, împrăștierea neliniară a lui Brillouin devine tot mai perceptibilă, ceea ce limitează puterea de ieșire cu câteva mii de wați. Dacă semnalul de ieșire este suficient de mare, partea frontală a fibrei poate fi deteriorată.

Caracteristicile laserelor din fibre

Folosirea fibrei ca mediu de lucru oferă o lungime mare de interacțiune care funcționează bine cu pomparea diodelor. Această geometrie duce la o eficiență ridicată a conversiei fotonice, precum și la un design fiabil și compact, în care nu există nici o optică discretă care necesită ajustare sau aliniere.

Laserul cu fibre, dispozitivul care îi permite să se adapteze bine, poate fi adaptat atât pentru sudarea foilor metalice groase, cât și pentru obținerea impulsurilor femtosecunde. Amplificatoarele cu fibră optică oferă o singură trecere de amplificare și sunt utilizate în telecomunicații, deoarece pot amplifica simultan multe lungimi de undă. Aceeași amplificare este folosită la amplificatoarele de putere cu un oscilator principal. În unele cazuri, amplificatorul poate funcționa cu un laser de radiație continuă.

Un alt exemplu sunt sursele de radiație spontană cu amplificare a fibrelor, în care emisia stimulată este suprimată. Un alt exemplu este un laser cu fibră Raman cu un câștig în împrăștiere combinată care schimbă semnificativ lungimea de undă. S-a găsit o aplicație în cercetarea științifică, unde fibrele de sticlă de fluor sunt utilizate pentru generarea și amplificarea combinațiilor, mai degrabă decât fibrele standard de cuarț.

Cu toate acestea, de regulă, fibrele sunt fabricate din sticlă de cuarț cu o impuritate dopajă de pământuri rare în miez. Principalii aditivi sunt ytterbium și erbium. Ytterbium are lungimi de undă de la 1030 la 1080 nm și poate emite într-o gamă mai largă. Utilizând pomparea cu diode de 940 nm reduce semnificativ deficitul de fotoni. Ytterbium nu are nici un efect de auto-călire, care sunt la neodim la densități mari, astfel încât acesta din urmă este utilizat în lasere în vrac și yterbiu - în fibre (ambele furnizează aproximativ aceeași lungime de undă).

Erbium emit în intervalul 1530-1620 nm, sigur pentru ochi. Frecvența poate fi dublată pentru a genera lumină la 780 nm, care nu este disponibilă pentru alte tipuri de lasere cu fibre. În cele din urmă, ytterbium poate fi adăugat la erbium în așa fel încât elementul să absoarbă radiația pompei și să transfere această energie la erbium. Thulium este un alt aditiv de aliere cu o strălucire în infraroșu apropiat, ceea ce reprezintă un material sigur pentru ochi.

Eficiență ridicată

Un laser cu fibre este un sistem cvasi-trei niveluri. Pompa fotonului excită trecerea de la starea solului la nivelul superior. Tranziția cu laser este o tranziție de la cea mai joasă parte a nivelului superior la una din stările subterane. Acest lucru este foarte eficient: de exemplu, ytterbium cu un foton cu pompă de 940 nm emite un foton cu o lungime de undă de 1030 nm și un defect cuantic (pierdere de energie) de numai aproximativ 9%.

În schimb, neodimul, pompat la 808 nm, pierde aproximativ 24% din energie. Astfel, ytterbium-ul este în mod inerent mai eficient, deși nu toate pot fi realizate din cauza pierderii unor fotoni. Yb poate fi pompat într-un număr de benzi de frecvență și erbium - la o lungime de undă de 1480 sau 980 nm. Frecventa mai mare nu este la fel de eficienta din punct de vedere al defectului fotonului, dar este folositoare si in acest caz, deoarece la 980 nm sunt disponibile cele mai bune surse.

În general, eficiența unui laser cu fibră este rezultatul unui proces în două etape. În primul rând, este eficiența diodei pompei. Semnale de surse de radiație coerentă sunt foarte eficiente, cu 50% eficiență de transformare a unui semnal electric într-un semnal optic. Rezultatele studiilor de laborator indică faptul că este posibilă atingerea unei valori de 70% sau mai mult. Dacă radiația de ieșire a laserului cu fibre este corectă, se obține o eficiență ridicată a pompei.

În al doilea rând, aceasta este eficiența conversiei optice-optice. Când un mic defect de fotoni poate atinge un grad ridicat de excitație și eficiența extracției de conversie a eficienței optice optice de 60-70%. Eficiența rezultată este în intervalul de 25-35%.

Diferite configurații

Generatoarele cuantice ale radiațiilor continue cu fibră optică pot fi monofazate sau multimode (pentru moduri transversale). Modelele cu un singur mod produc un fascicul de înaltă calitate pentru materiale care operează sau trimit un fascicul prin atmosferă, iar laserele cu fibre industriale multimode pot genera mai multă putere. Acesta este utilizat pentru tăiere și sudare, în special pentru tratarea termică, unde o zonă mare este iluminată.

Un laser cu fibră lungă cu impuls este în esență un dispozitiv cvasi-continuu, producând de obicei impulsuri de tip milisecundă. De obicei, ciclul său de lucru este de 10%. Aceasta are ca rezultat o putere de vârf mai mare decât în ​​modul continuu (de obicei de zece ori mai mare), care este folosit, de exemplu, pentru forarea prin impuls. Frecvența poate ajunge la 500 Hz, în funcție de durată.

Comutarea Q la laserele din fibre acționează ca și la cele laser. Lățimile tipice de impuls variază de la nanosecunde la microsecunde. Cu cât fibrele sunt mai lungi, cu atât mai mult este necesar pentru radiația de ieșire a comutării Q, ceea ce duce la un impuls mai lung.

Proprietățile fibrelor impun anumite restricții asupra comutării Q. Neliniaritatea laser cu fibre este mai semnificativ din cauza mici aria secțiunii transversale a miezului, astfel încât puterea de vârf ar trebui să fie oarecum limitat. Puteți utiliza fie întrerupătoare volumetrice Q care oferă o performanță mai mare, fie module de fibră care se conectează la capetele părții active.

Impulsurile cu comutare Q pot fi amplificate într-o fibră sau într-un rezonator al cavității. Un exemplu al acestuia din urmă poate fi găsit în Complexul Național de Simulare a Testelor Nucleare (NIF, Livermore, California), unde laserul cu fibre yterbium este oscilatorul principal pentru 192 grinzi. Impulsurile mici în plăci mari din sticlă de aliaj sunt amplificate la megajoule.

La laserele de fibre cu sincronizare, frecvența de repetare depinde de lungimea materialului de amplificare, ca și în alte moduri de blocare a modului, iar lățimea impulsului depinde de lărgimea de bandă a câștigului. Cele mai scurte sunt în limitele a 50 fs, iar cele mai tipice sunt în intervalul de 100 fs.

Între fibrele erbium și ytterbium există o diferență importantă, în urma căreia funcționează în diferite moduri de dispersie. Erbium-dopate fibre sunt emise la 1550 nm în regiunea de dispersie anormală. Acest lucru face posibilă producerea de solitoni. Fibrele yterbium se află în regiunea dispersiei pozitive sau normale, rezultând astfel generarea de impulsuri cu o frecvență pronunțată de modulare liniară. Ca urmare, poate fi necesară o grătare Bragg pentru a comprima lungimea impulsului.

Există mai multe moduri de a schimba impulsurile cu fibre laser, în special pentru studiile picosecunde ultra-rapide. Fibrele cristaline fotonice pot fi fabricate cu nuclei foarte mici pentru a produce efecte neliniare puternice, de exemplu, pentru generarea unui supercontinut. Dimpotrivă, cristalele fotonice pot fi de asemenea fabricate cu miezuri foarte mari de un singur mod pentru a evita efectele neliniare la puteri mari.

Fibrele de cristal fotonice flexibile cu un miez mare sunt create pentru aplicații care necesită o putere mare. Una dintre metode constă în îndoirea deliberată a unei astfel de fibre pentru a elimina orice mod nedorit de înaltă ordine, menținând în același timp numai modul transversal de bază. Nonlinearitatea creează armonici - prin scăderea și scăderea frecvențelor puteți crea valuri mai scurte și mai lungi. Efectele neliniare pot produce de asemenea compresie puls, ceea ce duce la apariția pieptenilor de frecvență.

Ca sursă supercontinuă, impulsurile foarte scurte produc un spectru larg continuu prin intermediul autodulării în fază. De exemplu, din impulsurile inițiale de 6 ps la 1050 nm, care creează un laser cu fibre de yterbiu, se obține un spectru în intervalul de la ultraviolete la peste 1600 nm. O altă sursă IR a supercontinuului este pompată de o sursă de erbium la o lungime de undă de 1550 nm.

Putere mare

Industria este în prezent cel mai mare consumator de lasere din fibre. Cererea mare se bucură acum de puterea ordinii de kilowați, folosită în industria automobilelor. Industria de automobile se îndreaptă spre producția de mașini din oțel de înaltă rezistență pentru a satisface cerințele de longevitate și a fost relativ ușoară pentru o economie de combustibil mai mare. mașini-unelte convenționale este foarte dificil, de exemplu, găuri pumn în acest tip de oțel și sursele de radiații coerente face mai ușor.

Decuparea cu laser a unui laser cu fibre, în comparație cu generatoarele cuantice de alte tipuri, are un șir de avantaje. De exemplu, intervalul apropiat de infraroșu al undelor este bine absorbit de metale. Grinzile pot fi livrate pe fibră, ceea ce permite robotului să se deplaseze cu ușurință în timpul tăierii și găurilor.

Fibrele optice îndeplinesc cele mai înalte cerințe de alimentare. Arma US Navy, testată în 2014, este compusă din lasere cu 6 fibre de 5,5 kW, combinate într-o singură fasciculă și care emit printr-un sistem optic format. Instalarea de 33 kW a fost folosită pentru a învinge vehicule aeriene fără pilot. Deși fasciculul nu este un singur mod, sistemul este de interes pentru că vă permite să creați un laser cu fibre cu mâinile proprii de la componente standard, ușor accesibile.

Cea mai mare putere a sursei coerente IPG Photonics cu un singur mod este de 10 kW. Oscilatorul master produce un kilowatt de putere optică, care este alimentat la cascada amplificatorului cu pompare la 1018 nm cu lumină provenită de la alte lasere din fibre. Întregul sistem are dimensiunea a două frigidere.

Utilizarea laserelor cu fibre sa răspândit și la tăierea și sudarea cu putere înaltă. De exemplu, au înlocuit sudarea de contact a oțelului, rezolvând problema deformării materialului. Gestionarea puterii și alți parametri fac posibilă tăierea curbelor foarte precis, în special a unghiurilor.

Cel mai puternic laser cu fibre multimodice - un dispozitiv pentru tăierea metalelor aceluiași producător - atinge 100 kW. Sistemul se bazează pe o combinație a unui fascicul incoerent, deci nu este un fascicul de calitate superioară. O astfel de durabilitate face laserele de fibre atractive pentru industrie.

Foraj de beton

Puterea multimode laser cu fibre de 4 kW poate fi utilizată pentru tăierea și forarea betonului. De ce este necesar? Atunci când inginerii încearcă să realizeze rezistența seismică a clădirilor existente, trebuie să fim foarte atenți la beton. Când se instalează, de exemplu, o armătură din oțel, forajul convențional de impact poate cauza fisuri și slăbi betonul, dar laserele din fibre o taie fără zdrobire.

Generatoarele cuantice cu un Q modulate de fibră sunt folosite, de exemplu, pentru marcarea sau producerea de electronice semiconductoare. Acestea sunt, de asemenea, utilizate la detectoarele de rază de acțiune: modulele cu dimensiuni de mână conțin laser cu laser cu fibră optică, a cărui putere este de 4 kW, frecvența 50 kHz și lățimea impulsului 5-15 ns.

Tratament de suprafață

Există un mare interes în laserurile cu fibre mici pentru micro- și nanoprocesare. Când scoateți stratul de suprafață, dacă lățimea impulsului este mai mică de 35 ps, nu există stropire a materialului. Acest lucru elimină formarea de depresiuni și alte artefacte nedorite. Impulsurile în modul femtosecond produc efecte neliniare care nu sunt sensibile la lungimea de undă și nu încălzesc spațiul din jur, ceea ce face posibilă funcționarea fără deteriorări semnificative sau slăbirea zonelor înconjurătoare. În plus, găurile pot fi tăiate cu un raport mare adâncime-lățime - de exemplu, rapid (în câteva milisecunde) pentru a face găuri mici în oțel inoxidabil de 1 mm, utilizând impulsuri de 800 fs la o frecvență de 1 MHz.

Este, de asemenea, posibil tratamentul de suprafață al materialelor transparente, de exemplu, ochii umani. Pentru a tăia o clapă la microchirurgie ochi, impulsuri femtosecunde vysokoaperturnym lentilă strâns se concentreze într-un punct sub suprafața ochiului fără a provoca daune la suprafață, dar ochiul prin materialul distruge pe o adâncime controlată. Suprafața netedă a corneei, care este importantă pentru viziune, rămâne nevătămată. Clapa este separată de fund, atunci poate fi tras la suprafață lentila laserului care formează excimer. Alte aplicatii medicale includ chirurgie de penetrare superficială în dermatologie, precum și utilizarea anumitor tipuri de tomografie coerenta optica.

Femtosecond Lasere

Generatoarele cuantice femtosecunde în știință sunt utilizate pentru spectroscopia de excitație cu distrugerea cu laser, cu spectroscopie de fluorescență rezolvată în timp și pentru cercetarea generală a materialelor. În plus, ele sunt necesare pentru producerea pieptenilor de frecvență femtosecundă, necesari în metrologie și studii generale. Una dintre aplicațiile reale pe termen scurt va fi un ceas atomic pentru sateliți GPS noi generați, ceea ce va spori acuratețea poziționării.

Se produce un laser cu fibre de o singură frecvență, cu o lățime a fasciculului spectral mai mică de 1 kHz. Acesta este un dispozitiv impresionant mic, cu o putere de radiație de 10 mW până la 1 W. Acesta găsește aplicații în domeniul comunicațiilor, al metrologiei (de exemplu, în giroscoapele cu fibre) și al spectroscopiei.

Ce urmează?

În ceea ce privește alte aplicații de cercetare, multe altele sunt studiate. De exemplu, dezvoltarea militară, care poate fi utilizată în alte zone, constă în combinarea fasciculelor laser cu fibre pentru a produce un singur fascicul de înaltă calitate cu ajutorul unei combinații coerente sau spectrale. Ca urmare, se obține o putere mare într-un fascicul cu un singur mod.

Producția de lasere cu fibre crește rapid, în special pentru nevoile industriei auto. Există, de asemenea, o înlocuire a dispozitivelor non-fibre cu fibre. În plus față de îmbunătățirile generale ale costurilor și performanței, apar din ce în ce mai multe generatoare practice de femtosecunde și surse supercontinue. Fiber laserele ocupă tot mai multe nise și devin o sursă de îmbunătățire pentru alte tipuri de lasere.