Итербий фибри лазер: устройството, принципа на работа, мощност, производство, употреба

Fiber лазери са компактни и трайни, точни и лесни за разпръсване на индуцирана топлина. Те се предлагат в различни видове и имат много общо с лазери на други видове имат свои собствени уникални предимства.

Fiber лазери: Операция

Устройства от този тип са стандартната изменението на твърдо състояние източник на кохерентна излъчване от влакна, вместо прът работен флуид, плоча или диск. Светлината, генерирана от добавката в централната част на влакното. Основната структура може да варира от прости до много сложни. лазерна апаратура итербий влакна, така че влакното има голяма повърхност към обем, така че топлината може да се разпръсква относително лесно.

Fiber лазери се изпомпват оптически, често с помощта на диоден лазер, но в някои случаи - същите източници. Оптика, използвани в тези системи са обикновено представлява оптични компоненти, при което повечето или всички от тях са свързани един с друг. В някои случаи, обемно оптика и понякога вътрешна система оптично влакно се комбинират с външни оптика един насипни.

източник диод помпа може да бъде с диодна матрица, или множество отделни диоди, всеки от които е свързан към конектора оптичен вълновод на. Легирани влакна във всеки край има резонатор огледало кухина - на практика да влакна Браг решетка на. В краищата на насипни оптика имат, ако не само изход лъч навлиза нещо различно от фибри. Водачът на светлина може да се изкриви, така че ако се желае лазерния кухина може да има дължина от няколко метра.

двуядрени

Структура влакна, използвани в лазери влакна, е важно. Най-често е геометрията на двуядрен структура. Нелегиран външната сърцевина (понякога наричан интимата) изпомпва събира светлина и го насочва по влакното. Стимулиран излъчване генерирано в влакното преминава през вътрешната сърцевина, която често е единичен режим. Вътрешната сърцевина съдържа добавка итербий, стимулирани от светлината на помпата. Има много форми на некръгово сечение външната ядро включително - шестоъгълна, D-форма и правоъгълно, намаляване на вероятността от инциденти на светлинния лъч в централното ядро.

лазер влакна могат да имат странични или изпомпване. В първия случай светлината от един или повече източници влиза края на фибри. Когато страна изпомпване светлина се подава към сплитер която захранва във външната сърцевината. Това се различава от лазерния прът където светлината влиза перпендикулярна на оста.

За такова решение изисква много на структурните промени. Значително внимание е отделено на обобщаване светлината на помпата в активната зона за производство на инверсия на населението, което води до стимулирана емисия на вътрешното ядро. лазер ядро може да има различни степени на усилване на влакното в зависимост от допинг, както и на неговата дължина. Тези фактори са определени като инженер-конструктор за необходимите параметри.

може да се получи граница мощност, по-специално, когато се работи в рамките на един режим влакна. Такава ядро има много малка площ на напречното сечение, и като резултат преминава през него светлина на много висока интензивност. Когато това става все по-ясно изразен нелинеен Брилуеново разсейване, което ограничава мощността на няколко хиляди вата. Ако изхода е достатъчно висока, края на влакното може да се повреди.

Особено лазери влакна

Използването на влакна като работна течност дава по-голяма дължина взаимодействие, което работи добре, когато диод изпомпване. Тази геометрия води до висока ефективност превръщане на фотони, както и надежден и компактна конструкция, в която не дискретни оптика, които изискват регулиране или изравняване.

Лазерен фибри, които апарат позволява да се адаптира добре, могат да бъдат адаптирани за заваряване на дебели ламарини и да произвежда фемтосекундни импулси. Фиброоптичните усилватели осигуряват еднопасова печалба и се използват в телекомуникациите, тъй като те могат да се разширят много дължини на вълните едновременно. Същата печалба се използва в усилватели на мощност с магистърска осцилатор. В някои случаи усилвателя може да се управлява с непрекъсната лазерна вълна.

Друг пример е източник на спонтанна емисия от влакна армировката, в която се потиска стимулирано излъчване. Друг пример е лазер Raman влакна комбиниран с повишена дисперсия, по същество срязване дължина на вълната. Той е намерил приложение в научните изследвания, където комбинацията на създаване и усилване се използва флуорид стъкло отколкото стандартните силициеви влакна.

Въпреки това, като цяло, влакна, направени от силициево стъкло с редкоземни добавка в сърцевината. Основните добавки са итербий и ербий. Итербий има дължина на вълната 1030-1080 пМ, и могат да излъчват в широк диапазон. Използването на 940-нм диод помпа значително намалява дефицит на фотони. Итербий има нито самостоятелно охлаждане ефекти, които са в неодим при високи плътности, така че последният се използва в големи лазери и итербий - фибри (и двете осигуряват около същата дължина на вълната).

Erbium излъчва в диапазона 1530-1620 нанометра, сейф за очите. Честотата може да се удвои за генериране на светлина при 780 нм, което не е достъпно за други видове лазери влакна. И накрая, итербий може да бъде добавен към ербий така че елементът ще поеме излъчване на помпата и предава тази енергия, за да ербий. Thulium - друга добавка на емисията в близката инфрачервена област, която по този начин е безопасен за снимките на окото.

висока ефективност

лазер влакно е система за квази-три нива. фотоните на помпата вълнуват прехода от основното състояние на горния слой. Лазерно преход е от най-долната част на горното ниво в един от най-сплит земята членки. Това е много ефективен: например, итербий-940 нм фотон помпа излъчва фотон с дължина на вълната от 1030 пМ, и квантовата дефект (загуба на енергия), само около 9%.

В контраст, неодим, изпомпва при 808 нм губи около 24% от енергията. По този начин, итербий по своята същност е с висока ефективност, макар и не всички, тя е постижима поради загубата на някои от фотоните. Yb може да се изпомпва в множество честотни ленти и ербий - дължина на вълната 1480 или 980 пМ. Колкото по-висока честота, не е толкова ефективен от гледна точка на дефект фотони, но полезно, дори и в този случай, тъй като при 980 нанометра, достъпно най-добрите източници.

Общата ефективност на лазер влакно е резултат на двустепенен процес. На първо място, това е ефективността на диод на помпата. Полупроводникови източници на съгласуван радиация са много ефективни, с 50% ефективност превръщане на електрически сигнал в оптична. Резултатите от лабораторните изследвания показват, че е възможно да се достигне стойност от 70% или повече. С точното съвпадение изход абсорбция радиация линия влакна лазер се постига и с висока ефективност изпомпване.

На второ място, това оптично-оптична ефективност на преобразуване. Когато малки дефекти фотони може да се постигне висока степен на възбуждане и ефективността на екстракцията на оптичната оптична ефективност превръщане на 60-70%. Получената ефективността е в диапазона 25-35%.

различни конфигурации

Оптични квантовата непрекъснати генератори вълни могат да бъдат единични или многорежимните (напречни режими). Singlemode произвеждат висококачествени лъч за материали, които работят или изпращане на светлина през атмосферата, и лазери многомодовото промишлени влакна могат да генерират по-голяма мощност. Той се използва за рязане и заваряване, и по-специално, за топлинна обработка, когато е осветен с голяма площ.

дълго лазер влакно е по същество квази-непрекъснат апарат обикновено милисекунда тип импулси за генериране. Обикновено това е работен цикъл е 10%. Това води до по-висока пикова мощност от непрекъснат режим (обикновено десет пъти), който се използва, например, за импулсна пробиване. Честотата може да бъде 500 Hz, в зависимост от продължителността.

Q превключване в лазери влакна също действа като по-голямата част. Типичната продължителност на импулса е от порядъка на наносекунди до микросекунди. Колкото по-дълго влакно, колкото по-дълго е необходимо за Q превключване на изходния лъчение, което води до по-дълъг импулс.

Fiber свойства някои ограничения върху Q модулация. В нелинейност на лазер влакно е по-значително поради малката площ на напречното сечение на сърцевината, така че мощността на връх трябва да бъде донякъде ограничен. Може да се използва или ключове Q обем, които осигуряват висока производителност, или оптични модулатори, които са свързани към краищата на активната част.

Q-прекъсвачи импулси могат да бъдат амплифицирани в влакна или в резонатор кухина. Пример за последното може да се намери в Национален комплекс симулация на ядрените опити (NIF, Ливърмор, Калифорния), където лазер влакно е майстор осцилатор за 192 греди. Малки импулси в големи плочи от стъкло, легирани усилват мегаджаула.

В лазери влакна с повторение синхронизация честота зависи от дължината на армиращ материал, както и в други видове схеми за синхронизация и времетраене на импулса зависи от способността да се подобри пропускателната способност. Най-късата са в диапазона от 50 FS, и най-типично - в диапазона от 100 FS.

Между итербий и ербий влакна, има важна разлика, при което те работят в различни режими на дисперсия. Erbium-легирани влакна излъчване на 1550 пМ в регион на аномална дисперсия. Това позволява солитони. Itterbievye влакна са по положителен или нормална дисперсия; В резултат на това те генерират импулси с линейна честотна модулация изразен. В резултат на Браг решетка може да се наложи да компресирате продължителността на импулса.

Има няколко начина за промяна влакна лазерни импулси, по-специално за проучвания пикосекундни свръхвисокоскоростни. Фотонен кристал влакна могат да бъдат произведени с много малки ядра за силни нелинейните ефекти, като например за производство на supercontinuum. За разлика от фотонни кристали също могат да бъдат произведени с много голямо ядро един режим, с цел избягване на нелинейни ефекти при високи правомощия.

Гъвкава фотонен кристал влакно с голяма сърцевина създаден за приложения, изискващи висока мощност. Един от методите е умишлено огъване на влакното да се отстранят всички нежелани високи режими ред, като се поддържа основна напречен режим. В нелинейност създава хармоници; и чрез изваждане на честотата на сгъване, можете да създадете по-кратък и по-дълги вълни. Нелинейни ефекти също могат да произвеждат свиване на импулсите, което води до появата на честотата гребените на.

Източникът на supercontinuum като много кратки импулси произведе непрекъснат спектър чрез фазова модулация. Например, от първоначалните 6 PS импулси на 1050 пМ, което създава лазерно спектър итербий влакно, получено в диапазона от ултравиолетовата до повече от 1600 пМ. Друг източник на инфрачервено изпомпва източник ербий-supercontinuum при дължина на вълната 1550 пМ.

висока мощност

Понастоящем индустрия е най-големият консуматор на лазери влакна. В голямото търсене в момента се радва на силата на заповед на киловат, използвани в автомобилната индустрия. Автомобилната индустрия се движи към производството на стоманени автомобили с висока якост, за да отговори на изискванията на трайност и са сравнително лесни за по-голяма икономия на гориво. Конвенционалните металорежещи машини е много трудно, например, удар дупки в този вид стомана и източниците на последователна радиация улесняват.

Рязане на метал влакна лазер, в сравнение с други видове квантов генератор има редица предимства. Например, близката инфрачервена вълнов обхват абсорбира добре метали. Beam могат да бъдат доставени през влакното, което позволява на робота да лесно да върнете фокуса при рязане и пробиване.

Оптични влакна отговаря на най-високите изисквания за мощност. Оръжия US ВМС, тестван през 2014 г., се състои от 6-влакна 5,5-киловат лазери комбинирани в един лъч и излъчващите чрез образуване на оптичната система. 33 кВт единица се използва да се защити безпилотен летателни апарати. Въпреки, че светлината не е единичен режим, системата представлява интерес, тъй като позволява да се създаде лазер влакно с ръцете си от стандартните, лесно достъпни компоненти.

Най-високите мощност с един режим кохерентни светлинни източници на IPG Photonics е 10 кВт. Главният генератор произвежда вата на оптична сила, която се подава към усилвател етап изпомпва при 1018 нм с оглед на други лазери влакна. Цялата система е с размер два хладилника.

Използването на лазери влакна също се разширява до високо рязане мощност и заваряване. Например, те заменя заваряване ламарина решаване на проблема на деформация на материала. Управление на мощността и други параметри дава много точни криви рязане, особено в ъглите.

Най-мощният многомодовото влакно лазер - за рязане на метали от същия производител - до 100 кВт. Системата се базира на комбинация от непоследователен лъч, така че не е супер висококачествен лъч. Тази съпротива прави лазери влакна атрактивни за промишлеността.

бетон пробиване

Многомодовото влакно лазерна мощност от 4 кВт може да се използва за рязане и бетон пробиване. Защо го направи? Когато инженери се опитват да постигнат сеизмична устойчивост на съществуващи сгради, да бъдат много внимателни с бетона. Когато инсталирана в него, като стоманена армировка конвенционален ударно може да предизвика дефекти и отслаби бетона, но лазери влакна нарязани, без да го смачкване.

Лазери с Q-прекъсвачи влакно се използва например за етикетиране или при производството на полупроводникови електроника. Те се използват също в далекомери: модули са с размер на ръка съдържа лазери влакна око-безопасно, чиято продукция е 4 кВт, честотата на 50 кХц и времетраене на импулса от 5-15 НЧ.

повърхностна обработка

Има голям интерес към малки лазери влакна за микро и nanoprocessing. При отстраняване на повърхностния слой, ако продължителността на импулса е по-кратък от 35 к.с., без пръскане материал. Това предотвратява образуването на трапчинки и други нежелани артефакти. Импулсите в фемтосекунди режим произвеждат нелинейни ефекти, които не са чувствителни към дължината на вълната и района около него не се отоплява, което позволява да се работи без значителни щети или отслабване на околните райони. Освен това, отворите могат да бъдат отрязани с висока дълбочина ширина - например, бързо (в рамките на няколко милисекунди) малки отвори 1 mm, използвайки неръждаема стомана 800 FS импулси с честота от 1 MHz.

Също така е възможно да се произвеждат повърхностно обработен прозрачни материали, например, човешкото око. За да се намали клапа в микрохирургия на очите, фемтосекундни импулси vysokoaperturnym плътно фокус леща в точка под повърхността на окото, без да причини увреждане на повърхността, но окото чрез унищожаване на материал за контролирано дълбочина. Гладката повърхност на роговицата, което е от съществено значение за визията си остава непокътната. Клапата се отделя от дъното, след това може да бъде изтеглен до повърхността ексимерни лазерни образуване леща. Други медицински приложения включват хирургия плитко проникване в дерматологията, както и използването на някои видове оптична кохерентна томография.

фемтосекундни лазери

Фемтосекундни лазери в областта на науката, използвани за да се възбуди разбивка спектроскопия на лазер, флуоресцентна спектроскопия с времевата резолюция, а също така за обща изследователска материали. В допълнение, те са необходими за производството на фемтосекунди честота гребен необходима в областта на метрологията и общи проучвания. Един от най-реални приложения в краткосрочен план ще бъдат атомните часовници на GPS сателити от ново поколение, които ще се увеличи точността на позициониране.

Единична лазер честота влакна се извършва с спектралната ширина на линията по-малко от 1 кХц. Този впечатляващ устройство с малка радиация изходна мощност от 10 MW до 1W. Намира приложение в областта на комуникациите, метрологията (например, в жироскопи влакна) и спектроскопия.

Каква е следващата стъпка?

Що се отнася до други изследователски приложения, тя е все още много от тях са проучени. Например, военната техника, която може да се прилага и в други области, който се състои в комбиниране на влакна лазерни лъчи да се получи високо лъч използва последователен спектрален или комбинацията. В резултат на това по-голяма мощност се постига в един режим лъч.

Производство на лазери влакна се разраства бързо, особено за нуждите на автомобилната индустрия. Също така, има заместване на устройства невлакнести влакна. В допълнение към общото подобрение на цена и производителност, има по-практично фемтосекундни лазери и supercontinuum източници. Fiber лазери заемат повече ниши и да се превърне в източник на подобрение за други видове лазери.