Iterbijs šķiedras lāzera: ierīce, darbības princips, jauda, ražošana, izmantošana,

Šķiedru lāzeri ir kompakti un izturīgi, precīzi iestrādāti un viegli izkliedē siltuma enerģiju. Tie ir dažādi un tiem, kuriem ir daudz kopīgas ar citu tipu optiskajiem kvantu ģeneratoriem, ir savas unikālas priekšrocības.

Šķiedru lāzeri: darbības princips

Šāda veida ierīces ir standarta cietvielas kūļa starojuma avots ar optisko šķiedru darba ķermeni, nevis stieni, plāksni vai disku. Gaismu veido dopants centrālās šķiedras daļā. Pamatstruktūra var būt no vienkāršas līdz diezgan sarežģītām. Ytterbium šķiedras lāzera ierīce ir tāda, ka šķiedrai ir liela virsmas un tilpuma attiecība, tāpēc siltums var būt samērā viegli izkliedēts.

Šķiedru lāzeri optiski sūknē, visbiežāk izmantojot diode kvantu ģeneratorus, bet dažos gadījumos - no tiem pašiem avotiem. Šajās sistēmās izmantota optika parasti ir šķiedru komponenti, no kuriem lielākā daļa vai visi no tiem ir savienoti viens ar otru. Dažos gadījumos tiek izmantota tilpuma optika, un dažreiz iekšējā optisko šķiedru sistēma tiek kombinēta ar ārējo tilpuma optiku.

Diodes sūknēšanas avots var būt diods, matrica vai atsevišķu diodu komplekts, no kuriem katrs savienots ar šķiedru gaismas gaismas avotu. Līmētās šķiedras katrā galā ir erozes rezonatora spogulis - praksē Bragg režģi tiek izgatavoti šķiedrā. Gala galos nav tilpuma optikas, ja vien izvades stars neietilpst šķiedrā. Gaismas ķermeņi var būt savīti, tādēļ, ja nepieciešams, lāzera iedobums var būt garāks par vairākiem metriem.

Dual-core struktūra

Šķiedru lāzera šķiedras struktūra ir svarīga. Visbiežāk sastopamā ģeometrija ir divu kodolu struktūra. Neleģēta ārējā kodols (dažreiz sauc par iekšējo apvalku) savāc sūknēto gaismu un vada to pa šķiedru. Šķiedru radītais starojums iziet caur iekšējo serdi, kas bieži vien ir viens režīms. Iekšējā serde satur itterbija piedevu, ko stimulē sūknēšanas gaismas stars. Ārējā kodolā ir daudz apaļu formu, ieskaitot sešstūrainu, D formas un taisnstūrveida, samazinot vieglās staru varbūtību, kas nokļūst centrālajā kodolā.

Optiskās šķiedras lāzers var būt ar gala vai sānu nosūkšanu. Pirmajā gadījumā gaisma no viena vai vairākiem avotiem nonāk šķiedras galā. Ar sānu sūknēšanas palīdzību gaisma tiek novadīta uz sadalītāju, kas to padeva pie ārējā kodola. Tas atšķiras no galvenā lāzera, kur gaisma nonāk perpendikulāri asij.

Šim risinājumam ir vajadzīgi daudz dizaina izstrādes. Ievērojama uzmanība tiek pievērsta sūkņa gaismas ievietošanai aktīvā zonā, lai radītu iedzīvotāju inversiju, kas izraisa stimulētu emisiju iekšējā kodolā. Lāzera kodolam var būt atšķirīga amplifikācijas pakāpe atkarībā no šķiedras dopinga un tā garuma. Šos faktorus konfigurē projektēšanas inženieris, lai iegūtu nepieciešamos parametrus.

Iespējams, ka strāvas ierobežojumi jo īpaši darbojas vienmoda šķiedrā. Šādam kodolam ir ļoti maza šķērsgriezuma zona, kā rezultātā tā caur ļoti augstas intensitātes gaisma. Šajā gadījumā Brillouin nelineārā izkliede kļūst aizvien vairāk uztverama, kas ierobežo izejas jaudu par vairākiem tūkstošiem vatu. Ja izejas signāls ir pietiekami augsts, šķiedras gala virsma var būt bojāta.

Optiskās šķiedras lāzera īpašības

Šķiedru izmantošana kā darba barotne nodrošina lielu mijiedarbības garumu, kas labi darbojas ar diode sūknēšanas procesu. Šī ģeometrija nodrošina augstu fotonu pārveidošanas efektivitāti, kā arī uzticamu un kompaktu dizainu, kurā nav diskrētas optikas, kas prasa pielāgošanu vai pielāgošanu.

Fiber lāzeris, kura ierīce ļauj tam labi pielāgoties, var pielāgot gan biezas metāla lokšņu metināšanai, gan femtosekundu impulsu iegūšanai. Optisko šķiedru pastiprinātāji nodrošina vienas pases pastiprināšanu un tiek izmantoti telekomunikācijās, jo tie var vienlaikus pastiprināt daudzus viļņu garumus. To pašu spēku izmanto jaudas pastiprinātājos ar galveno oscilatoru. Dažos gadījumos pastiprinātājs var darboties ar nepārtrauktu staru lāzeri.

Cits piemērs ir spontānā starojuma avoti ar šķiedru amplifikāciju, kurā stimulētā emisija tiek nomākta. Cits piemērs ir Raman šķiedras lāzeris ar kombinētas izkliedes pieaugumu, kas ievērojami maino viļņa garumu. Tā ir atradusi pielietojumu zinātniskos pētījumos, kuros fluora stikla šķiedras tiek izmantotas kombinācijas veidošanai un pastiprināšanai, nevis standarta kvarca šķiedrām.

Tomēr, kā likums, šķiedras ir izgatavotas no kvarca stikla ar retu zemes dopinga piemaisījumu kodolā. Galvenās piedevas ir ertbijs un erbijs. Ytterbium ir viļņu garums no 1030 līdz 1080 nm un var izstarot plašākā diapazonā. Izmantojot 940-nm diode sūknēšanas ievērojami samazina defektu fotonu. Ytterbium nesaņem nekādu pašaizdegšanās efektu, ko neodīms ir augstu blīvumu, tāpēc to izmanto tilpuma lāzers, un ertbijs tiek izmantots šķiedru lāzers (tie abi nodrošina aptuveni tādu pašu viļņu garumu).

Erbijs izstaro diapazonu 1530-1620 nm, tas ir drošs acīm. Biežumu var dubultot, lai radītu gaismu pie 780 nm, kas nav pieejams citiem šķiedru lasītavu veidiem. Visbeidzot, ertmiju var pievienot ertumijam tā, ka elements absorbē sūkņa starojumu un nodod šo enerģiju erbijai. Thulium ir vēl viena sakausējoša piedeva ar spīdumu tuvākajā infrasarkanajā spuldzīnē, tādējādi tas ir acu drošs materiāls.

Augsta efektivitāte

Optiskās šķiedras lāzeris ir gandrīz trīs līmeņu sistēma. Sūkņa fotons uzbudina pāreju no zemes stāvokļa uz augšējo līmeni. Lāzera pāreja ir pāreja no augšējā līmeņa zemākās daļas uz vienu no sadalītā zemes stāvokļiem. Tas ir ļoti efektīvs: piemēram, ytterbium ar 940 nm sūkņa fotonu izstaro fotonu ar viļņa garumu 1030 nm, un kvantu defekts (enerģijas zudums) ir tikai aptuveni 9%.

Savukārt neodīms, kas tiek sūknēts pie 808 nm, zaudē apmēram 24% no enerģijas. Tādējādi ytterbium pēc būtības ir efektīvāks, lai gan ne visi tā ir sasniedzama dažu fotonu zuduma dēļ. Yb var sūknēt vairākās frekvenču joslās, un erbijs - pie viļņa garuma 1480 vai 980 nm. Augstāka frekvence nav tik efektīva no fotonu defekta viedokļa, taču tā ir noderīga pat šajā gadījumā, jo pie 980 nm ir pieejami vislabākie avoti.

Kopumā šķiedru lāzera efektivitāte ir divpakāpju process. Pirmkārt, tas ir sūkņa diodes efektivitāte. Koherenta starojuma pusvadītāju avoti ir ļoti efektīvi, ar 50% efektivitāti pārveidojot elektrisko signālu par optisko signālu. Laboratorijas pētījumu rezultāti liecina, ka ir iespējams sasniegt vērtību 70% vai vairāk. Ja optiskās šķiedras lāzera izejas starojums ir precīzi saskaņots, tiek sasniegta augsta sūkņa efektivitāte.

Otrkārt, tā ir optiskās optiskās pārveidošanas efektivitāte. Ar nelielu fotonu defektu, ir iespējams sasniegt augstu ierosmes un ekstrakcijas efektivitāti ar optiskās optiskās pārveidošanas efektivitāti 60-70%. Rezultātā iegūtā efektivitāte ir robežās no 25-35%.

Dažādas konfigurācijas

Kvalitatīvi optiskie kvantu ģeneratori ar nepārtrauktu starojumu var būt vienvirziena vai daudzmodu (šķērsvirziena režīmiem). Viena režīma ražotāji ražo augstas kvalitātes materiālu, kas strādā vai sūta gaismu atmosfērā, un daudzfrekvences industriālie šķiedras lāzeri var radīt lielāku jaudu. To izmanto griešanai un metināšanai, un jo īpaši termiskai apstrādei, kur tiek apgaismota liela platība.

Ilgu impulsu šķiedras lāzers būtībā ir kvazispārtrauktā ierīce, kas parasti ražo impulsus milisekunžu veidā. Parasti tā darba cikls ir 10%. Tas rada augstāku maksimālo jaudu nekā nepārtrauktā režīmā (parasti desmit reizes lielāks), ko izmanto, piemēram, impulsa urbšanai. Biežums var sasniegt 500 Hz atkarībā no ilguma.

Q-pārslēgšanās šķiedru lāzera režīmā darbojas arī beztaras lāzeriem. Tipisks impulsa ilgums ir nanosekundes diapazonā līdz mikrosekundēm. Jo ilgāka ir šķiedra, jo ilgāk Q-komutācijas izvades starojums ilgst ilgāk, jo ilgāks impulss.

Šķiedru īpašības uzliek dažus Q-komutācijas ierobežojumus. Šķiedru lāzera nelinearitāte ir nozīmīgāka, jo kodols ir mazs šķērsgriezuma laukums, tāpēc maksimālā jauda ir nedaudz ierobežota. Varat izmantot vai nu tilpuma Q slēdžus, kas nodrošina labāku veiktspēju, vai šķiedru modulatorus, kas savieno aktīvās daļas galus.

Impulsus ar Q-komutāciju var pastiprināt šķiedras vai dobuma rezonatorā. Pēdējo piemēru var atrast Nacionālajā kodolizmēģinājuma simulācijas kompleksā (NIF, Livermore, Kalifornija), kur 193 stobra galvenais oscilators ir ytterbija šķiedru lāzeris. Mazie impulsi lielajās sakausējuma stikla plātnēs tiek pastiprināti līdz megažuļiem.

Sinhronizācijas šķiedru lāzēs atkārtojuma frekvence ir atkarīga no pastiprinātāja materiāla garuma, tāpat kā citu režīmu bloķēšanas režīmos, un impulsa platums ir atkarīgs no palielinātā joslas platuma. Īsākais ir 50 fs, un visbiežāk tas ir robežās no 100 fs.

Starp erbija un ytterbija šķiedrām ir būtiska atšķirība, kā rezultātā tās darbojas dažādos dispersijas režīmos. Erbija šķiedras izstaro pie 1550 nm anomālās dispersijas zonā. Tas ļauj radīt solitonus. Ytterbium šķiedras atrodas pozitīvas vai normālas dispersijas zonā; Rezultātā tie ģenerē impulsus ar izteiktu lineārās modulācijas frekvenci. Tā rezultātā, lai saspiestu impulsa garumu, var būt nepieciešams Bragg režģis.

Ir vairāki veidi, kā mainīt šķiedru lāzera impulsus, jo īpaši ultrafast pikosekundu pētījumos. Fotoniskās kristāla šķiedras var ražot ar ļoti maziem kodoliem, lai radītu spēcīgu nelineāro efektu, piemēram, superkontinuāra radīšanai. Savukārt fotoniskristālus materiālus var izgatavot arī ar ļoti lieliem viena veida kodoliem, lai izvairītos no nelineāro efektu lielās jaudās.

Elastīgas fotoniskās kristāla šķiedras ar lielu serdi tiek veidotas lietojumiem, kam nepieciešama liela jauda. Viena no metodēm ir apzināti liekt šādu šķiedru, lai novērstu jebkādus nevēlamus augstāka līmeņa režīmus, vienlaikus saglabājot tikai pamata šķērsvirziena režīmu. Neilianitāte rada harmoniku; Atņemot un saliekot frekvences, var izveidot īsākus un garākus viļņus. Neilinālie efekti var izraisīt arī impulsu kompresiju, kas izraisa frekvences šūnu parādīšanos.

Kā superkontinukuma avots, ļoti īsi impulsi rada plašu nepārtrauktu spektru, izmantojot fāzu pašmodulāciju. Piemēram, no sākotnējiem 6 ps impulsiem pie 1050 nm, kas rada Ytterbium šķiedras lāzeru, tiek iegūts spektrs diapazonā no ultravioletā līdz pat 1600 nm. Citu infrasarkano staru infrasarkanais avots tiek sūknēts ar erbija avotu pie viļņa garuma 1550 nm.

Liela jauda

Patlaban rūpniecība ir lielākais šķiedru lāzera patērētājs. Lielajam pieprasījumam tagad ir zināma kilovatu jauda, ko izmanto automobiļu rūpniecībā. Automobiļu rūpniecība virzās uz augstas stiprības tērauda automobiļu ražošanu, lai apmierinātu ilgmūžības prasības un ir samērā viegli ietaupīt degvielu. Parastajiem darbgaldiem ir ļoti grūti, piemēram, caururbt šāda veida tērauda caurumus, un tas var padarīt vienkāršu starojumu.

Metāla griešana ar šķiedru lāzeru, salīdzinot ar citu veidu kvantu ģeneratoriem, ir vairākas priekšrocības. Piemēram, gandrīz infrasarkanais viļņu diapazons ir labi absorbēts ar metāliem. Siju var piegādāt pa šķiedru, kas ļauj robotam viegli pārvietot fokusu griešanas un urbšanas laikā.

Optiskās šķiedras atbilst augstākajām jaudas prasībām. 2014. gadā izmēģinātā ASV jūras spēku ieroča sastāvā ir 6-šķiedru 5,5 kV lāzeri, apvienoti vienā gaismā un izstaro caur formēšanas optisko sistēmu. Lai iznīcinātu bezpilota lidaparātu, tika izmantota 33 kW ierīce . Lai gan gaisma nav viena režīma, sistēma ir interesanti, jo tā ļauj mums izveidot mūsu pašu rokām šķiedru lāzeru no standarta un viegli pieejamām sastāvdaļām.

Viena režīma skaņas avota IPG Photonics vislielākā jauda ir 10 kW. Galvenais oscilators ražo optisko jaudu kilovatos, kas tiek padots uz pastiprinātāja kaskādi ar sūknēšanu pie 1018 nm ar citu šķiedru lāzera gaismu. Visai sistēmai ir divu ledusskapju izmēri.

Šķiedru lāzeri tiek izmantoti arī lieljaudas griešanai un metināšanai. Piemēram, viņi nomainīja lokšņu tērauda kontaktu metināšanu, atrisinot materiāla deformācijas problēmu. Strāvas vadība un citi parametri ļauj ļoti precīzi izgriezt līknes, īpaši leņķus.

Visspēcīgākais daudzmodu šķiedru lāzers - ierīce viena un tā paša ražotāja metāla griešanai - sasniedz 100 kW. Sistēma ir balstīta uz nesaskaņotu staru kombināciju, tāpēc tas nav īpaši augstas kvalitātes staru kūlis. Šāda izturība padara šķiedru lāzeri pievilcīgu rūpniecībai.

Betona urbšana

Betona griešanai un urbšanai var izmantot daudzkanālu šķiedru lāzera jaudu 4 kW. Kāpēc tas ir nepieciešams? Kad inženieri mēģina panākt esošo ēku seismisko pretestību, tam jābūt ļoti uzmanīgam ar betonu. Uzstādot to, piemēram, tērauda stiegrojums, parastā trieciena urbšana var izraisīt plaisas un vājināt betonu, bet šķiedru lāzeri to sagriež, nesaspiežot.

Kvantu ģeneratori ar Q-pārslēgtu šķiedru tiek izmantoti, piemēram, marķēšanai vai pusvadītāju elektronikas ražošanai. Tos izmanto arī diapazona meklētājiem: rokas izmēra moduļi satur acu drošu šķiedru lāzerus, kuru jauda ir 4 kW, frekvence 50 kHz un impulsa platums 5-15 ns.

Virsmas apstrāde

Ir liela interese par mazu šķiedru lāzeriem mikro un nanopārstrādei. Noņemot virsmas slāni, ja impulsa platums ir mazāks par 35 ps, nav materiāla šļakatām. Tas novērš depresiju un citu nevēlamu artefaku veidošanos. Impulsi femtosekundes režīmā rada nelineārus efektus, kas nav jutīgi pret viļņu garumu un nesasilda apkārtējo telpu, kas ļauj strādāt bez ievērojamiem apkārtējo teritoriju bojājumiem vai vājināšanās. Turklāt caurumus var sagriezt ar lielu dziļuma līdz platuma attiecību, piemēram, ātri (dažu milisekunžu laikā) nelielos caurumos 1 mm nerūsējošā tērauda, izmantojot 800-fs impulsus 1 MHz frekvencē.

Tas ir arī iespējams izgatavot apstrādātu virsmu caurspīdīgu materiālu, piemēram, ar cilvēka acs. Lai izgrieztu atloks acu mikroķirurģijas, femtosekunžu pākšaugi vysokoaperturnym cieši fokusa objektīvu vietā zem virsmas acs nenodarot kaitējumu uz virsmas, bet acs iznīcinot materiālu kontrolētā dziļumā. Gludā virsma radzenes, kas ir būtiski, lai redzi paliek neskarts. Vārstulis ir atdalīta no apakšas, pēc tam var velk līdz virszemes eksimēru lāzera veido lēca. Citas medicīnas pieteikumi ietver operācijas seklu iekļūšanu dermatoloģija, kā arī uz dažu veidu optiskās koherences tomogrāfijas lietošanu.

femtosekunžu lāzeri

Femtosekunžu lāzeri zinātnē izmanto, lai satraukt lāzera sadalījums spektroskopiju fluorescences spektroskopiju ar laika izšķirtspēju, kā arī vispārējās materiālu pētījumiem. Bez tam, tie ir nepieciešami, lai ražotu femtosekunžu frekvences ķemmes nepieciešama metroloģijas un vispārējiem pētījumiem. Viens no reālās pieteikumu īstermiņā būs atomu pulksteņi GPS satelīti jaunas paaudzes, kas palielinātu pozicionēšanas precizitāti.

Viena frekvenču šķiedras lāzers tiek veikta ar spektrālo linewidth mazāks par 1 kHz. Šī iespaidīgā ierīce ar nelielu starojums izejas jaudu no 10 mW līdz 1W. Atrod piemērošanas jomā komunikācijas, metroloģijas (piemēram, šķiedrvielu žiroskops) un spektroskopiju.

Kas tālāk?

Attiecībā uz citām pētniecības lietojumu, tas joprojām ir daudz no tiem ir pētīta. Piemēram, militārā inženierija, ko var piemērot arī citās jomās, kas sastāv apvienojot šķiedru lāzera staru, lai iegūtu tālās gaismas, izmantojot saskaņotu vai spektrālo kombināciju. Tā rezultātā, vairāk enerģijas tiek sasniegta ar viena veida sijas.

Ražošana šķiedras lāzeru strauji pieaug, jo īpaši attiecībā uz automobiļu rūpniecības vajadzībām. Tāpat ir nomaiņa nav šķiedru šķiedras ierīcēm. Papildus vispārējiem uzlabojumiem izmaksām un rezultātiem, ir vairāk praktiska femtosekunžu lāzeri un supercontinuum avotiem. Šķiedru lāzeri aizņem vairāk nišas un kļūt avots uzlabojumu citu veidu lāzeri.