laser fiber Iterb: urządzenie, zasada działania, moc, produkcja, użytkowanie

Lasery światłowodowe są kompaktowe i wytrzymałe, dokładne i łatwe do rozproszenia indukowanego ciepła. Pochodzą one z różnych rodzajów i mający wiele wspólnego z laserami innych typów mają swoje unikalne zalety.

Lasery światłowodowe: zasilanie

Urządzenia tego typu są odchylenia standardowego źródła półprzewodnikowym spójnego promieniowania włókna, zamiast tego drążek płynu roboczego, płyta lub płyty. Światło generowane przez domieszki w części centralnej światłowodu. Podstawowa struktura może wahać się od prostych do dość skomplikowane. włóknem z iterbu aparatu laserowego tak, że włókno ma duży stosunek powierzchni do objętości, a więc ciepło może być rozpraszane w stosunkowo łatwy sposób.

Lasery światłowodowe są pompowane optycznie, często z pomocą laserów diodowych, ale w niektórych przypadkach – tych samych źródeł. Optyka stosowane w tych systemach jest zwykle oznacza optycznych elementów, w którym większość lub wszystkie z nich są połączone ze sobą. W niektórych przypadkach, masywnej optyki, a czasami wewnętrzny system światłowód jest połączony z zewnętrznym masywnych elementów optycznych.

Źródło pompy dioda może być diodowym lub wiele pojedynczych diod, z których każdy jest połączony z końcówką złącza światłowodowego. Domieszką włókien na każdym końcu ma lustro jamy rezonator – w praktyce dokonać włókien Bragga. Na końcach optyki masowych mają, jeśli nie tylko wiązka wyjściowa wchodzi coś innego niż włókna. Prowadnica światła może być ukształtowany w taki sposób, że w razie potrzeby zagłębienie laserowego może mieć długość kilku metrów.

dwurdzeniowy

Struktura włókna stosowane w laserach światłowodowych, jest bardzo ważne. Najczęstszym jest geometria konstrukcji dual-core. Niedomieszkowana rdzeń zewnętrzna (czasem określane jako błony) pompowano zbiera światło i kieruje je wzdłuż włókna. Stymulowane promieniowaniem generowane we włóknie przepływa przez wewnętrzny rdzeń, który często jest jednomodowy. Rdzeń wewnętrzny zawiera dodatek iterbu pobudzone światłem pompy. Istnieje wiele form nieokrągłego zewnętrznej rdzenia w tym: – sześciokąta, w kształcie litery D i prostokątne, zmniejszając prawdopodobieństwo wystąpienia pomyłek wiązki światła w rdzeniu.

Laser włókno może mieć kres lub z boku pompowanie. W pierwszym przypadku światła z jednego lub kilku źródeł wchodzi do końca włókna. Kiedy światło boczne pompowania jest doprowadzany do rozgałęźnika, który doprowadza go do zewnętrznej rdzenia. Różni się od pręta, gdy światło lasera wprowadzany jest prostopadle do osi.

Do takiej decyzji wymaga wielu zmian strukturalnych. Wiele uwagi poświęca się podsumowujący światło pompy do rdzenia w celu uzyskania inwersji populacji, co prowadzi do emisji wymuszonej w wewnętrznym rdzeniu. Rdzeń laser może mieć różne stopnie wzmocnienia we włóknie w zależności od dopingu, a także od jego długości. Czynniki te są ustawione jako inżynier projektu dla wymaganych parametrów.

może nastąpić ograniczenie mocy, szczególnie podczas pracy w światłowodzie jednomodowym. Taki rdzeń ma bardzo małą powierzchnię przekroju poprzecznego, w wyniku czego przechodzi przezeń światła o bardzo dużym natężeniu. Kiedy ta staje się coraz bardziej wyraźny nieliniową rozpraszanie Brillouina, co ogranicza moc kilku tysięcy watów. Jeśli wyjście jest na tyle wysoki, koniec włókno może być uszkodzona.

Zwłaszcza lasery światłowodowe

Zastosowanie włókna jako płyn roboczy daje większą długość interakcji, który działa dobrze, gdy pompowanie diody. Taka geometria powoduje wysoką wydajność konwersji fotonów, a także niezawodny i zwartej konstrukcji, w której nie ma oddzielnych optyka, wymagających regulacji lub wyrównania.

Laser włókna, które to urządzenie umożliwia dobrze dostosowywać, może być przystosowany do spawania grubych blach i wytworzenia femtosekundowego impulsów. Wzmacniacze światłowodowe zapewniają pojedynczego przejścia zysk i są stosowane w telekomunikacji, gdyż mogą one wzmacniać wiele długości fal równocześnie. To samo stosuje się w zysk wzmacniaczy mocy z generatora głównego. W niektórych przypadkach, wzmacniacz może pracować z ciągłym laser fali.

Innym przykładem jest źródłem emisji spontanicznej z wzmocnieniu włóknami, w której stymulowany emisji tłumione. Innym przykładem jest laser Ramana włókno w połączeniu ze zwiększoną dyspersji długości fali zasadniczo ścinania. To znalazła zastosowanie w badaniach, w których kombinacja generacji i amplifikacji z użyciem fluorku szkło zamiast standardowych włókien krzemionkowych.

Jednakże, na ogół, włókna ze szkła kwarcowego z domieszką ziem rzadkich w rdzeniu. Podstawowymi dodatkami są iterb i erb. Iterbu ma długość fali od 1030 do 1080 nm, i może emitować w szerokim zakresie. Zastosowanie 940 nm pompy diody znacznie zmniejsza deficytu fotonów. Iterbu ma ani samowygaszające efektów, które są w neodymu w wysokiej gęstości, a więc ten ostatni jest stosowany w laserach masowych i iterbu – w błonnik (oba podaje o tej samej długości fali).

Erb emituje się w zakresie 1530-1620 nm, bezpieczne dla oczu. Częstotliwość może być podwojona do generowania światła przy 780 nm, która nie jest dostępna dla innego rodzaju lasery światłowodowe. Wreszcie, iterb mogą być dodawane do erbu tak, że element będzie absorbować promieniowanie pompy i przekazuje tę energię do erbu. Tul – kolejny domieszka do emisji w bliskiej podczerwieni, która w ten sposób jest bezpieczny dla obrazów oka.

wysoka sprawność

Laser fiber to system quasi-trzypoziomowy. fotony pompy wzbudzenia przejście od stanu gruntu do górnej warstwy. Laser jest przejście od najniższej części górnego poziomu w jednej z podziału masy stanach. Jest to bardzo skuteczne, na przykład, iterb-940 Pompa fotonów nm emituje fotony o długości fali 1030 nm, a defekt kwantowej (strata energii) tylko około 9%.

W przeciwieństwie do tego, neodym pompowano 808 nm traci około 24% energii. Tak więc, iterb z natury ma wysoką sprawność, choć nie wszystkie z nich jest osiągalne z powodu utraty niektórych fotonów. Yb można pompować na wiele pasm częstotliwości, a erbu – długość fali 980 nm lub 1480. Im większa częstotliwość nie jest tak skuteczne, jeśli chodzi o wady fotonów, ale przydatne, nawet w tym przypadku, ponieważ przy 980 nm, najlepszych dostępnych źródeł.

Całkowita sprawność lasera fiber jest wynikiem procesu dwuetapowego. Po pierwsze, wydajność diody pompy. półprzewodnikowe źródła spójnego promieniowania są bardzo skuteczne, z wydajnością 50% konwersji sygnału elektrycznego w optycznym. Wyniki badań laboratoryjnych wskazują, że jest to możliwe, aby osiągnąć wartość 70% lub więcej. Przy dokładnym absorpcji promieniowania laserowego światłowodu wyjściowego meczów i uzyskania wysokiej sprawności pompowania.

Po drugie, sprawność optyczna optycznej konwersji. Przy małej fotony wada może osiągnąć wysoki poziom wzbudzenia i wydajność ekstrakcji optycznej optycznej wydajność konwersji 60-70%. Ich wydajność jest w zakresie 25-35%.

różne konfiguracje

Kwantowe generatory fal włókna ciągłe mogą być pojedyncze lub wielomodowe (tryby poprzeczne). Jednomodowe produkcji wysokiej jakości wiązki materiałów, pracy lub wysyła wiązkę w atmosferze, a lasery wielomodowym przemysłowa może generować więcej mocy. Jest on stosowany do cięcia i zgrzewania, a w szczególności do obróbki termicznej, w którym duży obszar jest oświetlony.

Długie laserowy włókna jest zasadniczo quasi ciągły urządzenie zwykle typu milisekundowej wytwarzającego impulsy. Zazwyczaj jest to cykl pracy wynosi 10%. Prowadzi to do większej mocy szczytowej niż sposób ciągły (zwykle dziesięć razy), które są stosowane na przykład, do impulsowego wiercenia. Częstotliwość może wynosić 500 Hz, w zależności od czasu.

P przełączanie laserów włókien działa także w masie. Typowy czas trwania impulsu wynosi w zakresie nanosekund mikrosekund. Im dłuższe włókna, tym dłużej trwa dla Q przełączania promieniowania wyjściowego, co powoduje dłuższy impuls.

Właściwości włókien pewne ograniczenia dotyczące modulacji q. Nieliniowość lasera włókien jest bardziej znaczący z powodu małej powierzchni przekroju rdzenia, tak że moc szczytowa powinna być nieco ograniczona. Można użyć przełączników objętości Q, które zapewniają wyższą wydajność lub optyczne modulatory, które są połączone do końców części aktywnej.

Impulsy dobrocią może być wzmacniany we włóknie lub w rezonatorze ustnej. Przykład ten ostatni znajduje się w National Complex symulacji badań jądrowych (NIF, Livermore, CA), w którym laser włókna jest oscylator zagospodarowania 192 belki. Małe impulsy w dużych płyt szkła domieszkowanego wzmacniany do megadżulach.

W laserach światłowodowych z częstotliwością powtarzania synchronizacji zależy od długości materiału wzmacniającego, jak w innych trybach obwodów synchronizacji i czas trwania impulsu zależy od zdolności do zwiększenia przepustowości. Najkrótsze są w zakresie od 50 fs, i najbardziej typowych – w zakresie od 100 fs.

Między iterbu i włókna erbu, istnieje istotna różnica, przy czym działają one w różnej dyspersji trybach. Domieszkowane erbem włókno emitujące 1550 nm w obszarze anomalnej dyspersji. Pozwala to solitonów. Itterbievye włókna są w sposób pozytywny lub normalnego dyspersji; w rezultacie, że generowanie impulsów z modulacją częstotliwości liniowej wyraźne. W wyniku Bragga może trzeba ścisnąć długość impulsu.

Istnieje kilka sposobów, aby modyfikować impulsy laserowe włókien, w szczególności do badań ultraszybkich pikosekund. Włókna kryształ fotoniczny może być wykonany z bardzo małymi rdzeni silne efekty nieliniowe, takich jak do wytwarzania supercontinuum. W przeciwieństwie do tego, kryształy fotoniczne mogą być wytwarzane z bardzo dużą rdzenia jednomodowego, w celu uniknięcia wystąpienia skutków nieliniowe przy dużych mocach.

Elastyczne włókna fotoniczne kryształ z dużą rdzenia utworzonego dla zastosowań wymagających dużej mocy. Jedną z metod jest celowe zginanie włókna w celu usunięcia niepożądanych wyższych trybów kolejności przy zachowaniu zasadniczej tryb poprzecznym. Nieliniowość tworzy harmoniczne; i odejmując częstotliwość składania, można utworzyć krótsze i dłuższe fale. Efekty nieliniowe mogą również produkować kompresji impulsów, co prowadzi do grzebieni częstotliwości wygląd.

Źródłem supercontinuum jako bardzo krótkie impulsy wytwarzają ciągłe widmo dzięki modulacji fazowej. Na przykład, z początkowych impulsów 6 ps 1050 nm, która tworzy widma lasera włókien iterb otrzymany w zakresie od ultrafioletu do ponad 1600 nm. Innym źródłem podczerwieni przepływności źródła erbem supercontinuum o długości fali 1550 nm.

wysoka moc

Przemysł jest obecnie największym konsumentem laserów światłowodowych. Duże zapotrzebowanie teraz cieszy moc rzędu kilowatów stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym. Przemysł motoryzacyjny zmierza w kierunku produkcji samochodów ze stali o wysokiej wytrzymałości, aby spełnić wymagania związane z trwałością i są stosunkowo łatwe do większego zużycia paliwa. Obrabiarki konwencjonalne jest bardzo trudne, na przykład, dziurkowanie w tym rodzaju stali oraz źródła spójnego promieniowania ułatwiają.

Cięcie laserowe włókien metalowych, w porównaniu z innymi rodzajami generatora kwantowego ma szereg zalet. Na przykład, pasma w bliskiej podczerwieni także absorbowane metali. Belka może być dostarczony przez włókna, co pozwala robotowi łatwo przenieść ostrość podczas cięcia i wiercenia.

Światłowód spełnia najwyższe wymagania w zakresie mocy. Broń US Navy badane w 2014 r, składa się z 6 włókien laserów 5,5 kWh połączone w jedną wiązkę i przenikających przez formowania układu optycznego. 33 kW urządzenie wykorzystano do pokonania bezzałogowego. Mimo, że wiązka nie jest single-mode, system jest interesujące, ponieważ pozwala stworzyć laser włókna z rękami na standardowych, łatwo dostępnych składników.

Najwyższej mocy w trybie pojedynczym spójne źródła światła IPG Fotoniki wynosi 10 kW. Master oscylatora wytwarza watów mocy optycznej, który jest podawany do wzmacniacza etap pompowana na 1018 nm świetle innych laserów włókien. Cały system ma wielkość dwóch lodówek.

Zastosowanie laserów światłowodowych są skierowane także do cięcia wysokiej mocy i spawania. Na przykład, zastępuje opór spawania blachy stalowej rozwiązania problemu deformacji materiału. Regulacja mocy i innych parametrów umożliwia bardzo precyzyjne krzywe cięcia, zwłaszcza w rogach.

Najpotężniejszy laser włókna wielomodowe – dla cięcia metali od tego samego producenta – do 100 kW. System opiera się na połączeniu wiązki rozbieżnej, więc nie jest to bardzo wysokiej jakości wiązki. Opór ten sprawia laserów światłowodowych atrakcyjne dla przemysłu.

wiercenie betonu

Wielomodowych wyjściowa lasera światłowodowego 4 kW mogą być używane do cięcia i wiercenia betonu. Dlaczego to zrobić? Gdy inżynierowie starają się osiągnąć odporność sejsmiczną istniejących budynków, aby być bardzo ostrożnym z betonu. Po zamontowaniu w nim, na przykład stali zbrojeniowej konwencjonalnego wiercenia udarowego może spowodować odkształcenia i osłabiają betonu, a lasery cięte włókna bez kruszenia.

Lasery z włóknem Q-switch wykorzystywany na przykład do znakowania lub wytwarzania elektroniki półprzewodnikowych. Są one również stosowane w dalmierzy: Moduły są wielkości dłoni zawierają lasery światłowodowe bezpieczny dla oczu, którego wyjście jest 4 kW, a częstotliwość 50 kHz i czas trwania impulsu 5-15 ns.

obróbka powierzchniowa

Jest duże zainteresowanie małych laserów światłowodowych dla mikro i nanoprocessing. Podczas usuwania warstwy powierzchniowej, gdy czas trwania impulsu jest krótszy niż 35 ps materiał nie rozpylania. Zapobiega to powstawaniu wgłębień i innych niepożądanych przedmiotów. Impulsy w systemie femtosekundowego wytwarzać efekty nieliniowe, które nie są wrażliwe na długość fali i otaczający obszar nie jest ogrzewany, co pozwala na pracę bez znacznego uszkodzenia lub osłabienia jego okolic. Dodatkowo, otwory można wyciąć z wysokim głębokości do szerokości – na przykład, szybko (w ciągu kilku milisekund) małych otworach 1 mm, przy użyciu stali nierdzewnej 800 fs impulsów z częstotliwością 1 MHz.

Jest również możliwe wytworzenie przezroczystych materiałów powierzchniowo, na przykład, ludzkie oko. Wyciąć klapkę oka mikrochirurgii femtosekundowe impulsy vysokoaperturnym soczewkę ogniskowania ściśle w punkcie poniżej tej powierzchni oka, bez powodowania uszkodzeń na powierzchni, ale oka przez zniszczenie materiału o kontrolowanej głębokości. Gładka powierzchnia rogówki, która ma zasadnicze znaczenie dla widzenia pozostaje bez zmiany. Klapka jest oddzielona od dolnej części, mogą być następnie zatrzymał się na powierzchnię excimerowych soczewki lasera formowania. Inne zastosowania medyczne obejmują chirurgii płytką penetrację w dermatologii, a także korzystanie z niektórych rodzajów optycznej tomografii koherentnej.

femtosekundowe lasery

Femtosekundowe lasery w nauce wykorzystywane do pobudzenia spektroskopii laserowej, podział spektroskopii fluorescencyjnej z rozdzielczością czasową, a także do ogólnego badania materiałów. Ponadto, są one potrzebne do produkcji femtosekundach grzebienia częstotliwości wymaganej w metrologii i badań ogólnych. Jedną z rzeczywistych zastosowaniach w krótkim okresie będzie zegary atomowe satelitów GPS nowej generacji, co zwiększy dokładność pozycjonowania.

Pojedyncze włókno laserowe częstotliwości odbywa się za pomocą spektralnej linewidth mniej niż 1 kHz. Ta imponująca urządzenie o małej mocy wyjściowej promieniowania od 10 mW do 1W. Znajduje zastosowanie w dziedzinie komunikacji, metrologii (na przykład, w żyroskopy światłowodowe) i spektroskopii.

Co będzie dalej?

Co do innych zastosowań badawczych, to nadal wiele z nich są badane. Na przykład, inżynierii wojskowej, który może być stosowany w innych dziedzinach, który polega na połączeniu wiązek włókien lasera, aby uzyskać wysoką wiązkę za pomocą spójnych lub widmową kombinację. W rezultacie, większa moc jest osiągana w wiązki jednomodowych.

Produkcja laserów włóknowych szybko rośnie, zwłaszcza na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego. Ponadto, nie jest zastąpienie innych niż włókniste urządzeń światłowodowych. Oprócz ogólnej poprawy kosztów i wydajności, są bardziej praktyczne femtosekundowe lasery i źródła supercontinuum. Lasery światłowodowe zajmują więcej nisz i stać się źródłem poprawy innych rodzajów laserów.