Ytterbium vláknový laser: zařízení, princip fungování, síla, výrobě, použití

Vláknové lasery jsou pevné a odolné, přesné a snadno rozptylují indukované teplo. Přicházejí v různých typech a mají hodně co do činění s lasery jiných typů má své vlastní jedinečné výhody.

Vláknové lasery: Provoz

Zařízení tohoto typu jsou standardní variace v pevné fázi zdroje koherentního záření z vlákna, místo toho tyč pracovní tekutina, deska nebo kotouč. Světlo generované příměsi ve střední části vlákna. Základní struktura může být v rozsahu od jednoduchých až po poměrně složité. Laserový přístroj Ytterbium vlákno tak, že vlákno má velký poměr povrchu k objemu, takže teplo může být rozptýleno poměrně snadno.

Vláknové lasery čerpané opticky, často s pomocí diodové lasery, ale v některých případech - stejných zdrojů. Optika používané v těchto systémech jsou obvykle představuje optické komponenty, přičemž většina nebo všechny z nich jsou spojeny k sobě navzájem. V některých případech, sypkých optiky, a někdy i vnitřní systém optické vlákno je v kombinaci s externí sypkých optiky.

Dioda zdroj čerpadlo může být dioda pole, nebo více jednotlivých diod, z nichž každý je připojen ke konektoru optického vlnovodu. Legovaného vlákna na každém konci má zrcadlový dutiny rezonátoru - v praxi, aby se vlákna Braggovy mřížky. Na koncích sypkých optiky mají, je-li to nejen výstupní paprsek vstupuje něco jiného než vlákna. Světlovodu může být stočeny tak, že pokud je to žádoucí laserové dutina může mít délku několika metrů.

binukleární

Struktura vlákna použitá v vláknových laserů, je důležité. Nejběžnější je geometrie dvoujadrovým struktury. Nedotovaných vnější jádro (někdy označované jako intima) čerpané sbírá světlo a směruje jej podél vlákna. Stimulované záření generované ve vláknu prochází vnitřním jádrem, které je často jeden režim. Vnitřní jádro obsahuje aditivní ytterbium stimulovaných světle čerpadla. Existuje mnoho forem nekruhového vnějšího jádra včetně - šestiúhelníkový, ve tvaru písmene D a obdélníkové, snižuje pravděpodobnost mine světelný paprsek do centrálního jádra.

Laser vlákno může mít čelní nebo boční čerpání. V prvním případě světlo z jednoho nebo více zdrojů vstupuje konec vlákna. Je-li strana čerpací světlo přivádí do rozdělovače, který jej přivádí do vnějšího jádra. To se liší od laserového tyče, kde světlo vstupuje kolmo k ose.

Takové rozhodnutí vyžaduje hodně strukturálnímu vývoji. Značná pozornost je věnována shrnutí světlo čerpadla do jádra produkovat inverze populace, což vede k stimulované emise ve vnitřním jádru. laser jádro může mít různé stupně zesílení ve vláknu v závislosti na dopování, jakož i na jeho délce. Tyto faktory jsou nastaveny jako konstruktér pro požadované parametry.

Omezení síly může dojít, zvláště při provozu v rámci jednoho vláknem. Takové jádro má velmi malou průřezovou plochu, a v důsledku jimi prochází světlo velmi vysoké intenzity. Když se to stane se výraznější nelineární Brillouinův rozptyl, který omezuje výkon několika tisíc wattů. V případě, že výstup je dostatečně vysoká, může se konec vlákna poškozen.

Zvláště vláknové lasery

Použití vláken jako pracovní tekutiny dává větší délku interakce, která funguje dobře, když čerpání dioda. Tato geometrie má za následek vysokou účinnost přeměny fotonů, jakož i spolehlivé a kompaktní konstrukci, ve které žádné diskrétní optiky, který vyžaduje úpravu nebo vyrovnání.

Laserový vlákna, přičemž toto zařízení umožňuje dobře přizpůsobit, může být přizpůsoben pro svařování tlustých plechů a produkovat femtosekundové impulsy. Optické zesilovače poskytují single-pass zisk a jsou používány v oblasti telekomunikací, protože mohou zesilovat mnoho vlnových délek současně. Stejný Zisk se používá ve výkonových zesilovačů s hlavním oscilátorem. V některých případech, zesilovač může být provozován s kontinuální vlnou laseru.

Dalším příkladem je zdrojem spontánní emise z vláken-výztuže, ve kterém je stimulována emise potlačen. Dalším příkladem je laser Raman vláken v kombinaci se zvýšenou disperze, v podstatě ve smyku vlnové délky. Bylo zjištěno, uplatnění v oblasti výzkumu, kde kombinace výroby a amplifikace s použitím fluoridu skla spíše než standardní oxidu křemičitého vlákna.

Nicméně, obecně, vlákna z křemenného skla s vzácných zemin příměsí v jádru. Základní přísady jsou ytterbium a erbium. Ytterbium má vlnové délky od 1030 do 1080 nm, a může vydávat v širokém rozmezí. Použití diody čerpadla 940 nm výrazně snižuje deficit fotonů. Ytterbium má ani potlačující hoření účinky, které jsou v neodymu při vysokých hustotách, takže tento je používán ve velkém laserů a ytterbium - vlákniny (oba poskytují o stejné vlnové délce).

Erbium vyzařuje v rozsahu 1530-1620 nm, bezpečný pro oči. Frekvence je možné zdvojnásobit generovat světlo při 780 nm, který není k dispozici pro jiné typy vláknových laserů. A konečně, ytterbium může být přidán do erbium tak, že prvek bude absorbovat záření čerpadla a předávají tuto energii na erbium. Thulium - jiný dopant se emisí v blízké infračervené oblasti, která tak je bezpečný pro oční snímků.

vysoká účinnost

Laser vlákno je systém kvazi-tříúrovňový. fotony čerpadlo excitaci přechodu ze základního stavu do horní vrstvy. Laser je přechod od nejnižší části horní úrovni v jedné z dělených zem států. To je velmi účinná: například, ytterbium-940 foton nm čerpadlo emituje foton s vlnovou délkou 1030 nm a kvantový defekt (ztráta energie), jen asi 9%.

Naproti tomu, neodym, který byl čerpán v 808 nm ztrácí asi 24% energie. Tak, ytterbium má ze své podstaty vysokou účinnost, i když ne všichni to je dosažitelné kvůli ztrátě některých fotonů. Yb může být čerpána v množství frekvenčních pásem, a erbium - vlnová délka 1480 nebo 980 nm. Čím vyšší je frekvence, není tak účinný, pokud jde o defekt fotonů, ale užitečné, i v tomto případě, protože při 980 nm, nejlepší zdroje k dispozici.

Celková účinnost laseru vláken je výsledkem dvou krocích. Za prvé, to je účinnost diody čerpadla. Polovodičové zdroje koherentního záření, jsou velmi účinné, s 50% účinnost převádění elektrického signálu na optický. Výsledky laboratorních studií vyplývá, že je možné dosáhnout hodnoty 70% nebo více. Při použití přesné shody výstupu absorpční záření linie vláknového laseru je dosaženo a vysoká účinnost čerpací.

Za druhé, toto optické optická účinnost konverze. Když je malá vada fotony dosáhnout vysokého stupně excitace a účinnost extrakce účinnosti optického optické konverze 60-70%. Výsledná účinnost je v rozmezí 25-35%.

různé konfigurace

Vláknové kvantové kontinuální generátory vln mohou být jednoduché nebo multimode (příčné módy). Singlemode vyrábět vysoce kvalitní světlo pro materiály, pracovní nebo zasláním paprsek přes atmosféru, a lasery multimode průmyslových vláken mohou generovat více energie. Používá se pro řezání a svařování, a zejména, pro tepelné zpracování, je-li osvětlené velký prostor.

Dlouhá laserové vlákno je v podstatě kvazi-kontinuální zařízení obvykle řádu milisekund typ impulsů generování. Obvykle se jedná o pracovní cyklus je 10%. To vede k vyšší špičkovým výkonem, než kontinuálním režimu (typicky desetkrát), který je použit, například, pro pulzním vrtání. Frekvence může být 500 Hz, v závislosti na době trvání.

Q-spínání ve vláknových laserů také působí jako v objemu. Typická doba trvání pulsu je v rozmezí nanosekund až mikrosekund. Čím delší je vlákno, tím déle trvá, Q-spínání výstupního záření, což má za následek delší impulsu.

Vlastnosti vláken jsou některá omezení Q modulace. Nelinearita laseru vláken je významnější, protože malé průřezové plochy jádra, tak, že špičkový výkon by měl být poněkud omezen. Lze použít buď hlasitosti přepínače Q, které poskytují vyšší výkon, nebo optické modulátory, které jsou spojeny na koncích aktivní části.

Q-switched impulsy mohou být amplifikovány do vlákna, nebo v dutině rezonátoru. Příkladem druhé lze nalézt v Národní komplexní simulaci jaderných testů (NIF, Livermore, CA, USA), kde je laserový vlákno je hlavní oscilátor pro 192 paprsků. Malé pulsy ve velkých desek skla dopované amplifikována megajoulech.

V vláknových laserů s synchronizační frekvenci opakování závisí na délce výztužného materiálu, stejně jako v jiných režimech synchronizačních obvodů a doba impulzu je závislá na schopnosti zvýšit propustnost. Nejkratší jsou v rozmezí od 50 fs a nejtypičtější - v rozmezí od 100 fs.

Mezi ytterbium a erbia vlákna, je zde podstatný rozdíl, čímž se pracovat v různých režimech disperze. Dotované erbiem vláken emitující při 1550 nm v oblasti anomální disperze. To umožňuje solitons. Itterbievye vlákna jsou v pozitivním nebo normální disperze; v důsledku toho vytvářejí impulsy s lineární frekvenční modulace výraznější. Jako výsledek Bragg mřížka může být nutné ke stlačení délky pulzu.

Existuje několik způsobů, jak modifikovat vláken laserových impulsů, zejména pro pikosekundové ultrarychlých studií. Fotonického krystalu vlákna mohou být vyráběny s velmi malými jádry pro silné nelineární jevy, jako je generování supercontinuum. Naproti tomu fotonické krystaly mohou být vyrobeny s velmi velkým jádrem jednovidové, aby se zabránilo nelineární účinky při vysokých výkonech.

Flexibilní fotonického krystalu vlákna s velkým jádrem vytvořen pro aplikace vyžadující vysoký výkon. Jednou z metod je záměrné ohýbání vláken, aby se odstranily nežádoucí druhy vyšších řádů při zachování základní příčný režim. Nelinearita vytváří harmonické; a odečtením frekvence skládání, můžete vytvořit kratší a delší vlnové délky. Nelineární účinky mohou také produkovat kompresi impulsů, což vede ke vzniku frekvence hřebeny.

Zdroj supercontinuum jako velmi krátkých impulsů výrobě spojité spektrum přes fázové modulace. Například z počátečních 6 ps impulsů na 1050 nm, který vytváří laserový spektrum ytterbium vlákno získané v rozmezí od ultrafialové do více než 1600 nm. Dalším zdrojem IR čerpaný zdroj erbiem supercontinuum na vlnové délce 1550 nm.

vysoký výkon

Průmysl je v současné době největším spotřebitelem vláknových laserů. Ve vysoké poptávce právě teď má sílu v řádu kilowattů používaných v automobilovém průmyslu. V automobilovém průmyslu se pohybuje směrem k výrobě ocelových automobilů s vysokou pevností, aby splňovaly požadavky trvanlivosti a jsou poměrně snadno k větší spotřebě paliva. Konvenční obráběcí stroje je velmi obtížné, například děrování u tohoto typu oceli a zdroje koherentního záření, aby bylo snadné.

Řezání kovu vláknový laser, ve srovnání s jinými typy kvantového generátoru má řadu výhod. Například, v blízké infračervené vlnové pásmo dobře absorbován kovy. Nosník mohou být dodávány do vlákna, což umožňuje robotu snadno přesouvat při řezání a vrtání.

Optické vlákno splňuje nejvyšší požadavky na napájení. Zbraně US Navy, testovány v roce 2014, se skládá z 6-vláken 5,5 kilowatt lasery spojeny v jednom svazku a vyzařující přes tvarovací optického systému. 33 kW jednotka byla použita k porážce bezpilotní vzdušné vozidlo. I když je paprsek není jednovidové, systém je předmětem zájmu, protože umožňuje vytvořit vláknový laser s rukama ze standardních, snadno dostupných složek.

Nejvyšší síla single-mode koherentní světelné zdroje IPG Photonics je 10 kW. Hlavní oscilátor produkuje watt optického výkonu, který je dodáván na zesilovací stupeň čerpané při 1018 nm, s ohledem na ostatní vláknových laserů. Celý systém má rozlohu dvou chladniček.

Použití vláknových laserů jsou také rozšířeny na vysokého výkonu řezání a svařování. Například se nahrazuje odporové svařování ocelového plechu vyřešit problém deformace materiálu. řízení výkonu a dalších parametrů umožňuje velmi přesné řezání křivek, zejména v rozích.

Nejsilnější multimode vláknový laser - pro řezání kovů od stejného výrobce - až do 100 kW. Systém je založen na kombinaci nesouvislé nosníku, takže to není extrémně kvalitní paprsku. Tento odpor je vláknové lasery atraktivní pro průmysl.

beton vrtání

Multimode vláknový laser výkonem 4 kW může být použit pro řezání a vrtání betonu. Proč to udělal? Když inženýři snaží dosáhnout seismická odolnost stávajících budov, být velmi opatrní s betonem. Při instalaci v ní, jako jsou ocelové výztuže konvenční nárazového vrtání může způsobit poškození a oslabují betonu, ale vláknové lasery snížit bez narušení celistvosti.

Lasery s vláknem Q-switched používané například pro etiketování nebo při výrobě polovodičových elektroniky. Jsou také používány v dálkoměry: moduly jsou velikost ruky obsahují nebezpečný zraku vlákno, jehož výstup je 4 kW, frekvence 50 kHz a doba trvání pulsu 5-15 ns.

povrchová úprava

K dispozici je velký zájem o malé vláknových laserů pro mikro- a nanoprocessing. Při odstraňování povrchové vrstvy, doba trvání pulsu, pokud je kratší než 35 ps, bez rozprašování materiálu. To zabraňuje vzniku důlků a jiných nežádoucích artefaktů. Impulzy v femtosekundový režimu produkují nelineární účinky, které nejsou citlivé na vlnové délce a jeho okolí není zahříván, což umožňuje pracovat bez podstatného poškození nebo oslabení okolí. Dále, otvory mohou být řez s vysokou hloubkou na šířku - například rychle (během několika milisekund) malých otvorů 1 mm za použití nerezové oceli 800 fs impulsů s frekvencí 1 MHz.

Je také možné vyrobit průhledné materiály povrchově ošetřena, lidské oko. Chcete-li snížit klapku v mikrochirurgii oka, femtosekundové impulsy vysokoaperturnym pevně zaostřovací čočku v místě, ležícím pod povrch oka, aniž by došlo k poškození na povrchu, ale oko zničením materiálu na řízené hloubky. Hladký povrch rohovky, která je nezbytná pro zrak zůstane neporušený. Klapka je oddělena od spodní části, pak může být vytažena nahoru na povrch excimerový laser tváření čočky. Jiné lékařské aplikace zahrnují chirurgie mělké penetraci v dermatologii, jakož i použití určitých typů OCT.

femtosekundové lasery

Femtosekundové lasery ve vědě používá k vybuzení laserového průrazné spektroskopie, fluorescenční spektroskopie s časovým rozlišením, a také pro obecné výzkumu materiálů. Kromě toho, že jsou potřebné pro výrobu femtosekundového frekvenčního hřebenu požadovaných v metrologii a obecných studií. Jedním ze skutečných aplikací v krátkodobém horizontu budou atomové hodiny z GPS satelitů nové generace, které zvýší přesnost polohování.

Jeden frekvence laseru vláken se provádí pomocí spektrální šířka čáry menší než 1 kHz. Tento impozantní přístroj s malým záření výkonem od 10 mW do 1W. Najde uplatnění v oblasti komunikací, metrologie (například v gyroskopy vláken) a spektroskopie.

Co bude dál?

Co se týče dalších výzkumných aplikacích, to je ještě spousta z nich jsou studovány. Například, vojenské inženýrství, které mohou být použity i v jiných oblastech, které spočívá v tom, že kombinuje s vlákny laserové paprsky k dosažení vysoké paprsku pomocí koherentní nebo spektrální kombinaci. Výsledkem je, že více energie se dosáhne v jednom režimu paprsku.

Výroba vláknových laserů rychle roste, zejména pro automobilový průmysl potřeby. Také tam je výměna nevláknité zařízení vláken. Kromě obecných zlepšení nákladů a výkonnosti, jsou mnohem praktičtější Femtosekundové lasery a zdroje supercontinuum. Vláknové lasery zabírají více výklenky a stal se zdrojem zlepšení pro jiné typy laserů.