Ytterbium fiber laser: zařízení, princip provozu, výkon, výroba, aplikace

Fiber lasery jsou kompaktní a odolné, přesně indukované a snadno odvádějí tepelnou energii. Jsou různého typu a mají mnoho společného s optickými kvantovými generátory jiných typů, mají své vlastní jedinečné výhody.

Fiber lasery: princip činnosti

Zařízení tohoto typu jsou variantou standardního solidárního zdroje koherentního záření s pracovním tělem z optických vláken, nikoliv jako tyč, deska nebo disk. Světlo je generováno dopadem v centrální části vlákna. Základní struktura se může pohybovat od jednoduchých až po poměrně složité. Laserové zařízení s ytterbiovým vláknem je takové, že vlákno má velký poměr povrchu k objemu, takže teplo může být poměrně snadno rozptýleno.

Vláknové lasery jsou opticky čerpány, nejčastěji používají diodové kvantové generátory, avšak v některých případech - stejnými zdroji. Optika používaná v těchto systémech jsou obvykle vláknité komponenty, přičemž většina nebo všechna jsou navzájem propojena. V některých případech se používá volumetrická optika a někdy je interní systém optických vláken kombinován s externí volumetrickou optikou.

Dvojjádrová struktura

Struktura vlákna používaného v laserových vláknech je důležitá. Nejběžnější geometrií je dvojjádrová struktura. Nelegované vnější jádro (někdy nazývané vnitřní plášť) sbírá čerpané světlo a vede ho po vlákně. Nucené záření generované ve vlákně prochází vnitřním jádrem, které je často jedno-mód. Vnitřní jádro obsahuje aditivum ytterbium stimulované čerpacím světelným paprskem. Existuje mnoho nekruhových tvarů vnějšího jádra, včetně šestiúhelníku, tvaru D a obdélníku, což snižuje pravděpodobnost, že paprsek světla upadne do centrálního jádra.

Vláknový laser může mít koncové nebo boční čerpání. V prvním případě světlo z jednoho nebo několika zdrojů vstupuje na konec vlákna. Při bočním čerpání je světlo přiváděno do rozbočovače, které ho přivádí k vnějšímu jádru. To se liší od jádrového laseru, kde světlo vstupuje kolmo k ose.

Pro takové řešení je zapotřebí mnoho návrhů. Značná pozornost je věnována přivedení světla čerpadla do aktivní zóny, aby se vytvořila inverze populace vedoucí ke stimulaci emisí ve vnitřním jádru. Jádro laseru může mít odlišný stupeň zesílení v závislosti na dotování vlákna a také na jeho délce. Tyto faktory jsou nakonfigurovány konstruktérem, aby získaly potřebné parametry.

Mohou se vyskytnout omezení výkonu, zejména při provozu v jednom vlákně. Takové jádro má velmi malou průřezovou oblast a v důsledku toho prochází světlem velmi vysoké intenzity. V tomto případě se nelineární rozptyl Brillouinu stává čitelnější, což omezuje výstupní výkon o několik tisíc wattů. Pokud je výstupní signál dostatečně vysoký, může se poškodit čelní plocha vlákna.

Vlastnosti vláknových laserů

Použití vlákna jako pracovního média dává velkou interakční délku, která dobře funguje při diodovém čerpání. Tato geometrie vede k vysoké účinnosti konverze fotonů, jakož ik spolehlivé a kompaktní konstrukci, ve které neexistuje žádná diskrétní optika, která by vyžadovala nastavení nebo vyrovnání.

Vláknitý laser, jehož zařízení umožňuje dobře se přizpůsobit, může být přizpůsoben jak pro svařování hrubých plechů, tak pro získání impulsů femtosekund. Zesilovače s optickými vlákny poskytují jednofázové zesílení a používají se v telekomunikacích, protože mohou současně amplifikovat mnoho vlnových délek. Stejné zesílení se používá u výkonových zesilovačů s hlavním oscilátorem. V některých případech může zesilovač pracovat s nepřetržitým laserovým paprskem.

Dalším příkladem jsou zdroje spontánního záření s amplifikací vláken, ve kterém je potlačená stimulace. Dalším příkladem je vláknitý laser Raman se ziskem kombinovaného rozptylu, který významně posunuje vlnovou délku. To se objevilo ve vědeckém výzkumu, kde se fluorová skleněná vlákna používají spíše pro kombinovanou generaci a zesílení než pro standardní křemenné vlákna.

Přesto jsou vlákna zpravidla vyrobena z křemenného skla s dopingovou nečistotou vzácných zemin v jádru. Hlavními přísadami jsou ytterbium a erbium. Ytterbium má vlnové délky od 1030 do 1080 nm a může vysílat v širším rozsahu. Použití diodového čerpání 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 vydává v rozmezí 1530-1620 nm, bezpečné pro oči. Frekvence může být zdvojnásobena pro generování světla při 780 nm, což není k dispozici pro jiné typy lasery z vláken. A konečně, ytterbium může být přidáno k erbium takovým způsobem, že element absorbuje záření čerpadla a přenáší tuto energii na erbium. Thulium je dalším přísadou legujícími v záření v blízké infračervené oblasti, která je tedy bezpečným materiálem.

Vysoká účinnost

Vláknový laser je systém s téměř trojitou úrovní. Foton čerpadla vyvolává přechod od stavu země k horní úrovni. Přechod z laseru je přechod od nejnižší části horní úrovně k jednomu z dělených stavů země. To je velmi účinné: například ytterbium s fotonem čerpáním 940 nm produkuje foton s vlnovou délkou 1030 nm a kvantovou defekt (ztrátu energie) jen asi 9%.

Naproti tomu neodym, čerpaný při 808 nm, ztrácí asi 24% energie. Ytterbium je tedy inherentně účinnější, i když ne všechno je dosažitelné kvůli ztrátě některých fotonů. Yb lze čerpat v řadě frekvenčních pásem a erbium - při vlnové délce 1480 nebo 980 nm. Vyšší frekvence není z hlediska fotonové vady tak účinná, ale je užitečná i v tomto případě, protože u 980 nm jsou k dispozici nejlepší zdroje.

Obecně platí, že účinnost vláknového laseru je výsledkem dvoustupňového procesu. Nejprve je to účinnost dioda čerpadla. Polovodičové zdroje koherentního záření jsou velmi účinné, s 50% účinností přeměny elektrického signálu na optický signál. Výsledky laboratorních studií ukazují, že je možné dosáhnout hodnoty 70% nebo více. Pokud je výstupní záření vláknového laseru přesně přizpůsobeno, dosahuje se vysoké účinnosti čerpadla.

Za druhé, je to optická optická konverzní účinnost. Při malém defektu fotonů je možné dosáhnout vysokého stupně excitace a extrakční účinnosti s optickou optickou účinností konverze 60-70%. Výsledná účinnost je v rozmezí 25-35%.

Různé konfigurace

Optické kvantové generátory s nepřetržitým zářením mohou být jedno- nebo multimodové (pro příčné režimy). Moduly s jedním modelem vytvářejí vysoce kvalitní paprsek pro materiály pracující nebo vysílající paprsek v atmosféře a multimodové průmyslové lasery s vlákny mohou generovat větší výkon. Používá se pro řezání a svařování, a zejména pro tepelné zpracování, kde je rozsvícena velká plocha.

Laser s dlouhým impulzním vláknem je v podstatě kvazikontinuální zařízení, které typicky produkuje impulzy typu milisekundy. Obvykle je jeho pracovní cyklus 10%. Výsledkem je vyšší špičkový výkon než v kontinuálním režimu (obvykle desetkrát větší), který se používá například pro impulsní vrtání. Frekvence může dosáhnout 500 Hz v závislosti na délce trvání.

Přepínání Q v laserech s vlákny funguje stejně jako u lasery. Typické šířky impulzů se pohybují od nanosekund až po mikrosekundy. Čím delší je vlákno, tím déle trvá vyzařování Q-přepínání výstupu, což vede k delšímu pulsu.

Vlastnosti vlákna ukládají některá omezení na přepínání Q. Nelinearita vláknového laseru je důležitější kvůli malému průřezu jádra, takže špičkový výkon by měl být poněkud omezený. Můžete použít buď objemové přepínače Q, které poskytují vyšší výkon, nebo modulátory vláken, které se připojují ke koncům aktivní části.

Impulzy s Q-switchingem mohou být zesíleny v rezonátoru vlákna nebo dutiny. Příklad z nich lze nalézt v Národním simulačním komplexu jaderných testů (NIF, Livermore, Kalifornie), kde ytterbium fiber laser je hlavní oscilátor pro 192 paprsků. Malé impulsy ve velkých deskách ze slitinového skla se zesilují na megajouly.

U laserů s vlákny se synchronizací závisí frekvence opakování na délce zesilovacího materiálu, stejně jako v jiných režimech zamykání a šířka impulzu závisí na šířce pásma zesílení. Nejkratší jsou v rámci 50 fs a nejtypičtější jsou v rozmezí 100 fs.

Mezi vlákny erbium a ytterbium je důležitý rozdíl, v důsledku čehož působí v různých režimech disperze. V oblasti anomální disperze se vyskytují vlákna dopovaná Erbem při 1550 nm. To umožňuje produkovat solitony. Ytterbium vlákna jsou v oblasti pozitivní nebo normální disperze, v důsledku toho vytvářejí impulsy s výraznou lineární modulační frekvencí. V důsledku toho může být zapotřebí Braggova mřížka ke stlačení délky impulsu.

Existuje několik způsobů, jak změnit vláknové laserové impulzy, zvláště pro ultrarychlé pikosekundové studie. Fotonická krystalická vlákna mohou být vyráběna s velmi malými jádry pro vytvoření silných nelineárních efektů, například pro generování supercontinuum. Na rozdíl od toho mohou být fotonické krystaly vyrobeny také s velmi velkými jednovidovými jádry, aby se zabránilo nelineárním účinkům při vysokých silách.

Flexibilní fotonické krystalové vlákna s velkým jádrem jsou vytvořeny pro aplikace vyžadující vysoký výkon. Jednou z metod spočívá v úmyslném ohýbání takového vlákna, které eliminuje všechny nežádoucí režimy vyššího řádu při zachování pouze základního příčného režimu. Nelinearita vytváří harmonické - odečtením a sklápěním frekvencí můžete vytvářet kratší a delší vlny. Nelineární účinky mohou také způsobit pulsní kompresi, což vede ke vzniku frekvenčních hřebenů.

Jako zdroj superkontinuu vytváří velmi krátké impulsy širokou kontinuální spektrum pomocí fázové samomodulace. Například z počátečních 6 ps impulsů při 1050 nm, které vytvářejí ytterbium vláknový laser, se získá spektrum v rozmezí od ultrafialového záření až po 1600 nm. Další IR zdroj supercontinuum je čerpán zdrojem erbia při vlnové délce 1550 nm.

Vysoký výkon

Průmysl je v současné době největším spotřebitelem lasery z vláken. Velký požadavek nyní disponuje výkonem řádově kilowat, který se používá v automobilovém průmyslu. Automobilový průmysl se pohybuje směrem k výrobě vysokopevnostních ocelových vozů, které splňují požadavky na dlouhověkost a byly relativně lehké pro vyšší spotřebu paliva. Pro běžné obráběcí stroje je například obtížné děrovat otvory v tomto typu oceli a zdroje koherentního záření usnadňují.

Řezání kovů vláknovým laserem ve srovnání s kvantovými generátory jiných typů má řadu výhod. Například blízký rozsah infračervených vln je dobře absorbován kovy. Světelný paprsek může být dodáván přes vlákno, což umožňuje robotu snadno pohybovat zaostřením při řezání a vrtání.

Optické vlákno splňuje nejvyšší požadavky na napájení. Zbraň amerického námořnictva, testovaná v roce 2014, se skládá z lasery se 6 vlákny o délce 5,5 kW, které jsou kombinovány do jediného paprsku a vyzařují tvarovací optický systém. Instalace 33 kW byla použita k porážce bezpilotní letecké vozidlo. Přestože paprsek není jednoduchý, systém je zajímavý, protože umožňuje vytvářet vláknový laser s vlastními rukama ze standardních, snadno přístupných komponent.

Nejvyšší výkon jednosmodového koherentního zdroje IPG Photonics je 10 kW. Hlavní oscilátor produkuje kilowatt optického výkonu, který je přiváděn do kaskády zesilovače s čerpáním při 1018 nm se světlem z jiných vláken lasery. Celý systém má velikost dvou ledniček.

Použití vláken s laserem se také rozšířilo na řezání a svařování vysokým výkonem. Například nahradily kontaktní svařování ocelových plechů, které řešily problém s deformací materiálu. Řízení výkonu a další parametry umožňují velmi přesné řezání křivek, zejména úhlů.

Nejvýkonnější multimodový vláknový laser - zařízení pro řezání kovů téhož výrobce - dosáhne 100 kW. Systém je založen na kombinaci nesouvislého svazku, takže to není vysoce kvalitní paprsek. Taková trvanlivost činí vlákna lasery atraktivní pro průmysl.

Vrtání betonu

Pro řezání a vrtání betonu lze použít multimodový výkon laserového vlákna o výkonu 4 kW. Proč je to nutné? Když se inženýři snaží dosáhnout seizmické odolnosti stávajících budov, musí být s betonem velmi opatrní. Při instalaci, např. Při vyztužení oceli, může konvenční vrtání způsobit praskliny a oslabení betonu, ale vlákna s laserem je stříhaly bez rozdrcení.

Kvantové generátory s modulovaným Q vlákna se používají například pro značení nebo výrobu polovodičové elektroniky. Používají se také v dosahu: moduly velikosti ruky obsahují lasery s ochranou proti oku, jejichž výkon je 4 kW, frekvence 50 kHz a šířka impulzu 5-15 ns.

Povrchová úprava

Existuje velký zájem o malé lasery s vlákny pro mikroprocesaci a nanoprocesaci. Při odstraňování povrchové vrstvy, je-li šířka impulsu kratší než 35 ps, nedochází ke stříkání materiálu. Tím se eliminuje tvorba depresí a dalších 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 povrchovou úpravu průhledných materiálů, například lidských očí. 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, který je důležitý pro vidění, zůstává nepoškozený. Klapka, oddělená od dolní části, může být potom vytržena pro povrchovou tvorbu excimer-laserových čoček. Jiné lékařské aplikace zahrnují plynulou penetrační chirurgii v dermatologii, stejně jako použití u některých typů optické koherentní tomografie.

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 jsou potřebné pro výrobu femtosekundových frekvenčních hřebenů, požadovaných v metrologii a obecných studiích. Jednou z reálných aplikací v krátkodobém časovém horizontu budou atomové hodiny pro satelitní satelity nové generace, což zvýší přesnost polohování.

Jednofrekvenční vláknový laser je vyroben s šířkou spektrální čáry menší než 1 kHz. Jedná se o působivě malé zařízení s výkonem záření od 10 mW do 1 W. Najde uplatnění v oblasti komunikace, metrologie (například v vláknových gyroskopech) a spektroskopie.

Co bude dál?

Pokud jde o jiné výzkumné aplikace, mnoho dalších se studuje. Například vojenský vývoj, který může být použit v jiných oblastech, spočívající v kombinaci laserových paprsků s laserovým paprskem za účelem vytvoření jediného vysoce kvalitního paprsku pomocí koherentní nebo spektrální kombinace. V důsledku toho je dosaženo vysokého výkonu v jednomodovém paprsku.

Výroba vláknových laserů rychle roste, zejména pro potřeby automobilového průmyslu. K dispozici je také výměna bezdrátových zařízení s vlákny. Kromě obecných vylepšení nákladů a výkonu se objevují stále více praktických kvantových generátorů femtosekund a zdrojů supercontinuum. Vláknové lasery zabírají stále více výklenků a stávají se zdrojem zlepšení pro jiné typy laserů.