Ytterbium fiber laser: laitteen toimintaperiaate, teho, valmistus, käyttö

Kuitulaserit ovat pienikokoisia ja kestäviä, tarkka ja helppo hajonta indusoi lämpöä. He tulevat eri tyyppejä ja joilla on paljon tekemistä laserit muunlaisten on omat ainutlaatuiset edut.

Kuitulaserit: toiminta

Tämän tyyppiset laitteet ovat standardin vaihtelu solid-state-lähde koherentin säteilyn kuidusta, sen sijaan sauva työnesteen, joka on levyn tai kiekon. Tuottaman valon seostusaineen keskiosa kuidun. Perusrakenne voi vaihdella yksinkertaisista varsin monimutkainen. Ytterbium fiber laser laitteisto siten, että kuitu on suuri pinnan ja tilavuuden suhde, jotta lämpö voidaan levittää suhteellisen helposti.

Kuitulaserit pumpataan optisesti, usein avulla diodilasereista, mutta joissakin tapauksissa - samaan lähteistä. Optiikka käyttää näissä järjestelmissä ovat yleensä edustaa optiset komponentit, jossa suurin osa tai kaikki niistä on liitetty toisiinsa. Joissakin tapauksissa, irtotavarana optiikka, ja joskus sisäinen optinen kuitu järjestelmä on yhdistetty ulkoiseen irtotavarana optiikka.

Diodi pumppu lähde voi olla diodi array, tai useita yksittäisiä diodeja, joista kukin on kytketty liittimen kuituoptisen aaltoputken. Doped fiber kummassakin päässä on peili onteloresonaattorin - käytännössä tekemään kuidun Braggin verkko. Päissä irtotavarana optiikka on, jos ei vain ulos tulevan säteen tulee jotain muuta kuin kuitu. Valojohdin voidaan kiertää niin, että haluttaessa laseronkalon pituus voi olla useita metrejä.

kaksitumaisia

Rakenne käytettyjen kuitujen kuitulaserit, on tärkeä. Yleisin on geometria kaksiytiminen rakenne. Seostamaton ulomman ytimen (joskus kutsutaan intima) pumpataan kerää valon ja ohjaa sen pitkin kuitua. Stimuloitu säteily kuidussa kulkee sisemmän ytimen, joka on usein yksi tila. Sisempi ydin sisältää lisäainetta ytterbium, stimuloitiin pumpun valoa. On olemassa monia muotoja,-ympyränmuotoisen ulomman ytimen mukaan lukien - kuusikulmainen, D-muotoinen ja suorakulmainen, mikä vähentää todennäköisyyttä piti valonsäteen on keskeinen ydin.

Kuitulaserin voi olla pää tai puoli pumppaus. Ensimmäisessä tapauksessa valo yhdestä tai useammasta lähteestä tulee kuidun päästä. Kun puoli herätevalo syötetään jakaja, joka syöttää sen ulomman ytimen. Tämä eroaa laser sauva, jossa valo tulee kohtisuoraan.

Tällainen päätös vaatii paljon rakenteellinen kehitys. Huomattavaa huomiota kiinnitetään yhteenveto pumppuvalo ytimeen tuottaa populaatioinversio, mikä emissioprosessin sisemmän ytimen. laser ydin voi olla eriasteisia amplifikaation kuidun riippuen doping, sekä sen pituutta. Nämä tekijät asetetaan suunnitteluinsinööri varten tarvittavat parametrit.

Tehon raja voi esiintyä erityisesti silloin, kun toimivat yhden mode kuitu. Tällainen ydin on hyvin pieni poikkipinta-ala, ja sen seurauksena kulkee sen valossa erittäin korkea intensiteetti. Kun tämä on voimistuvan epälineaarisia Brillouin sironta, joka rajoittaa teho useita tuhansia wattia. Jos tulos on riittävän korkea, kuidun pää voi vaurioitua.

Erityisesti kuitulaserit

Kuitujen käytön työfluidina antaa enemmän vuorovaikutusta pituus, joka toimii hyvin, kun diodi pumppaus. Tämä geometria aiheuttaa suuren hyötysuhde fotonien, sekä luotettava ja kompakti rakenne, jossa ei ole erillisiä optiikka, joka vaatii säätöä tai kohdistuksen.

Kuitulaser, joka laite mahdollistaa sen mukautua hyvin, voidaan sovittaa hitsausta varten paksua metallilevyjen ja tuottaa Fs pulsseja. Kuituoptiset vahvistimet tarjoavat single-pass gain ja niitä käytetään tietoliikenne-, koska ne voivat vahvistaa monta aallonpituutta samanaikaisesti. Sama vahvistus käytetään tehovahvistimia pääoskillaattorin. Joissakin tapauksissa, vahvistin voidaan käyttää jatkuvan aallon laserin.

Toinen esimerkki on lähde, spontaanin emission kuitulujittumisen, jossa stimuloitu emissio vaimenee. Toinen esimerkki on Raman-kuitulaserin yhdistettynä lisääntyneeseen dispersio oleellisesti leikkausvoiman aallonpituus. Se on löytynyt käyttöä tutkimuksen, jossa yhdistelmä sukupolven ja monistus käyttämällä fluoridi lasi pikemminkin kuin tavallinen piidioksidi kuituja.

Kuitenkin, yleisesti, kuidut on valmistettu piilasista, jossa harvinaisen maametallin seostusaineen ydin. Perus lisäaineet ovat ytterbiumia ja erbium. Ytterbium on aallonpituuksia 1030-1080 nm, ja se voi päästää laajalla alueella. Käyttö 940-nm: n diodipumppuun vähentää merkittävästi vaje fotonien. Ytterbium on ole itsensä sammuttavassa vaikutuksia, jotka ovat neodyymi suurilla tiheyksillä, joten viimeksi mainittu käyttää massa- laserit ja ytterbium - kuitua (ne molemmat tarjoavat suunnilleen sama aallonpituus).

Erbium säteilee alueella 1530-1620 nm, turvallinen silmille. Taajuus voidaan kaksinkertaistaa tuottaa valoa 780 nm: ssä, joka ei ole käytettävissä muut kuidut laserit. Lopuksi, ytterbium voidaan lisätä erbiumin, niin että elementti absorboi pumpun säteilyä ja siirtää tämän energian erbiumin. Thulium - toinen seostusaineen päästöjen lähi-infrapuna-alueella, joka on siis turvallinen silmälle kuvia.

korkea hyötysuhde

Kuitulaserin on lähes kolmen tason järjestelmä. Pumpun fotonit kiihottaa siirtymistä perustilan ylempään kerrokseen. Laser siirtyminen on alimmasta osasta ylemmän tason yksi jaetun maahan toteaa. Tämä on erittäin tehokas: esimerkiksi, ytterbium-940 nm fotoni pumppu emittoi fotonin aallonpituudella 1030 nm, ja kvantti vika (energian menetys), vain noin 9%.

Sen sijaan, neodyymi, pumpataan 808 nm: ssä menettää noin 24% energiasta. Siten, ytterbium on luonnostaan korkea hyötysuhde, vaikka kaikki siitä on saavutettavissa tappioiden joidenkin fotonit. Yb voidaan pumpata useilla taajuuskaistoilla, ja erbium - aallonpituus 1480 tai 980 nm: ssä. Korkeampi taajuus ei ole yhtä tehokas vika fotonit, mutta hyödyllinen myös tässä tapauksessa, koska 980 nm: ssä, parhaat lähteitä.

Kokonaishyötysuhde kuitulaserin on seurausta kahden vaiheen prosessilla. Ensinnäkin, se on pumpun hyötysuhde diodi. Puolijohdelähteillä koherentin säteilyn ovat hyvin tehokkaita, ja 50%: n tehokkuudella, joka muuntaa sähköisen signaalin optiseen. Tulokset laboratorion tutkimusten mukaan on mahdollista saavuttaa arvon 70% tai enemmän. Tarkka ottelu ulostulo säteilyabsorptio linjakuituun laser on saavutettu, ja korkean pumppaustehoa.

Toiseksi, tämä optinen optinen hyötysuhde. Kun pieni vika fotonit voidaan saavuttaa korkea magnetointi ja uutto tehokkuutta optisen optinen hyötysuhde on 60-70%. Tuloksena tehokkuus on alueella 25-35%.

erilaiset kokoonpanot

Kuitu kvantti jatkuvan aallon generaattorit voivat olla yksi- tai multimode (poikittaisten aaltomuotojen). Singlemode tuottaa korkealaatuisia valot materiaalien, työ tai lähettää säteen ilmakehän läpi, ja multimode teollisuuden kuitulasereiden voi tuottaa enemmän tehoa. Sitä käytetään leikkaus ja hitsaus, ja erityisesti, lämpökäsittelyyn, jossa suuri alue on valaistu.

Pitkä kuitu laser on olennaisesti lähes jatkuva laite yleensä millisekuntiin pulsseja kehittävän tyyppi. Yleensä se on käyttömäärä on 10%. Tämä johtaa korkeampaan huipputeho kuin jatkuvassa moodissa (tyypillisesti kymmenen kertaa), jota käytetään, esimerkiksi pulssitettua poraus. Taajuus voi olla 500 Hz, riippuen kestosta.

Q-kytkennän kuitulaserit toimii myös irtotavarana. Tyypillinen pulssin kesto on alueella nanosekuntia mikrosekuntia. Mitä pidempi kuitu, sitä kauemmin kestää Q-kytkennän lähdön säteilyn, jolloin pitkä pulssi.

Kuitujen ominaisuuksia joitakin rajoituksia Q modulaatio. Epälineaarisuus kuitulaserin on merkittävä, koska pienet poikkipinta-ala ytimen niin, että huipputeho tulisi olla jonkin verran rajoitettu. Voit käyttää joko Q volyymi kytkimiä, jotka tarjoavat paremman suorituskyvyn, tai optinen modulaattorit, jotka on kytketty päihin aktiivisesti.

Q-kytketty pulsseja voidaan monistaa kuidun tai onkaloresonaattorin. Eräs esimerkki jälkimmäisestä löytyy National Complex simulointi ydinkokeiden (NIF, Livermore, CA), jossa kuitu laser on master-oskillaattori 192 palkit. Pieni pulssien suuret laatat lasi epäpuhtauksilla monistettiin megajoulea.

Kuitua laserit synkronointi toistotaajuuden riippuu pituudesta vahvikekoordia kuin muissa tiloissa synkronoinnin piirien ja pulssin kesto riippuu kyvystä suurentamiseksi. Lyhin ovat alueella 50 fs, ja tyypillisimpiä - alueella 100 fs.

Välillä ytterbium ja erbium kuitu, on tärkeä ero, jolloin ne toimivat eri tiloissa dispersio. Erbium-doped fiber emittoivat 1550 nm alueella poikkeavien dispersion. Tämä mahdollistaa solitons. Itterbievye kuidut ovat positiivinen tai normaali dispersio; seurauksena, ne tuottavat pulsseja lineaarinen taajuusmodulaatio lausutaan. Seurauksena Braggin se saattaa joutua pakata pulssin pituus.

On olemassa useita tapoja muuttaa kuitujen laserpulssien, erityisesti picosecond ultranopeat tutkimuksiin. Fotonikidekuitujen voidaan valmistaa hyvin pienen sydämen omaavissa vahva epälineaarinen vaikutuksia, kuten supercontinuum sukupolvi. Sitä vastoin fotonikiteet voidaan valmistaa myös hyvin suuri yhden-tilassa ytimen välttämiseksi epälineaarisia vaikutuksia suuria tehoja.

Joustava fotonikidekuidun on suuri ydin luotu sovelluksiin, joissa tarvitaan suuri teho. Yksi menetelmistä on tarkoituksellinen taipumisen kuidun poistaa ei-toivotut korkeammat tilat säilyttäen poikittainen perusaaltomuoto. Epälineaarisuus aiheuttaa harmonisia; ja vähentämällä taajuus taitto, voidaan luoda lyhyempiä ja pidempiä aallonpituuksia. Myös epälineaariset ilmiöt voivat tuottaa pulssikompressio, joka johtaa ulkonäön taajuus kammat.

Supercontinuum lähde erittäin lyhyitä pulsseja tuottaa jatkuvan spektrin kautta vaihemodulaatio. Esimerkiksi, alkuperäisestä 6 ps pulsseja 1050 nm, joka luo ytterbium fiber laser spektri alueella UV yli 1600 nm. Toinen lähde IR-pumpataan Erbium-supercontinuum lähde aallonpituudella 1550 nm.

Suuri teho

Teollisuus on tällä hetkellä suurin kuluttaja kuitulaserien. Suuri kysyntä juuri nyt nauttii voiman järjestyksessä kilowatin käytetään autoteollisuudessa. Autoteollisuudessa on siirtymässä kohti tuotanto korkealuokkaisesta teräksestä autoja täyttämään kestävyyden ja on suhteellisen helppo suurempi polttoainetaloutta. Tavanomaiset konetyökalut on hyvin vaikeaa, esimerkiksi rei'ittää tällaista teräksen ja lähteiden koherentin säteilyn helpottavat.

Metallisakset Kuitulaserliiketoiminta, verrattuna muuntyyppisten kvantti generaattori on useita etuja. Esimerkiksi lähi-infrapuna-aaltoalueella imeytyy hyvin metalleja. Palkki voidaan kuljettaa läpi kuidun, jonka avulla robotti helposti siirtää painopistettä kun leikkaus ja poraus.

Optinen kuitu täyttää korkeimmat vaatimukset vallasta. Aseita Yhdysvaltain laivaston, testattiin vuonna 2014, koostuu 6-kuitu 5,5 kilowatin laserit yhdistää yhteen säteen ja säteilevän kautta muodostaen optisen järjestelmän. 33 kW yksikkö käytettiin voittaa miehittämättömän ilma ajoneuvo. Vaikka säde ei ole yksi-tilassa, järjestelmä on mielenkiintoinen, koska se mahdollistaa luoda kuitulaserin kädet pois standardin, helposti saatavilla olevia aineosia.

Ylintä single-mode koherentin valon lähteet IPG Photonics on 10 kW. Master oskillaattori tuottaa watin optinen teho, joka syötetään vahvistimelle vaiheessa pumpattiin 1018 nm valo muiden kuitulaserien. Koko järjestelmä on kooltaan kaksi jääkaappi.

Käyttö kuitulaserien koskevat myös suuren tehon leikkaus ja hitsaus. Esimerkiksi, ne korvataan vastushitsauksesta teräslevy ongelman ratkaisemiseksi materiaalin muodonmuutos. Tehonohjaus ja muut parametrit mahdollistaa erittäin tarkan leikkaus käyrät, erityisesti kulmissa.

Tehokkain monimuotokuituun laser - metallien leikkausta saman valmistajan - jopa 100 kW. Järjestelmä perustuu yhdistelmään epäjohdonmukainen palkin, joten se ei ole Super laadukas palkki. Tämä vastus tekee kuitulaserit houkuttelevan teollisuudelle.

betoni poraus

Multimode kuitu laser 4 kW voidaan käyttää leikkaamiseen ja betonin poraus. Miksi se? Kun insinöörit yrittävät saavuttaa maanjäristyskestävyyteen nykyisten rakennusten, olla hyvin varovainen betoniin. Kun se on asennettu se, kuten betoniterästen tavanomainen iskulaitteen poraus voi aiheuttaa virheitä ja heikentää betonin, mutta kuitulaserit leikata se ei rikkoutuisi.

Lasereita, joiden Q-kytkin kuitua käytetään esimerkiksi merkintöjen tai puolijohdekomponenttien valmistukseen elektroniikka. Niitä käytetään myös tähtäysmerkinnät: moduulit ovat koko käden sisältää silmä-turvallinen kuitulaserit jonka teho on 4 kW, taajuus 50 kHz, ja pulssin kesto 5-15 ns.

pintakäsittely

On suurta kiinnostusta pienissä kuitulaserit mikro- ja nanoprocessing. Kun poistetaan pintakerroksen, jos pulssin kesto on lyhyempi kuin 35 ps, ei ruiskuttamalla materiaalia. Näin estetään kuoppia ja muita ei-toivottuja esineitä. Pulssien Fs järjestelmä tuottaa epälineaarisia vaikutuksia, jotka eivät ole herkkiä aallonpituuteen ja ympäröivä alue ei ole lämmitetty, jonka avulla on mahdollista työskennellä ilman huomattavaa vahinkoa tai heikkeneminen ympäröiville alueille. Lisäksi, reikiä voidaan leikata, joilla on korkea syvyys leveys - esimerkiksi nopeasti (muutamassa millisekunnissa) Pienet reiät on 1 mm, käyttämällä ruostumatonta terästä 800-fs pulsseja taajuudella 1 MHz.

On myös mahdollista tuottaa pintakäsitelty läpinäkyviä materiaaleja, esimerkiksi, ihmisen silmä. Leikata läppä silmä mikrokirurgia, Fs pulssit vysokoaperturnym tiukasti tarkennuslinssi pisteessä alla silmän pintaa aiheuttamatta vahinkoa pinnalle, mutta silmä tuhoamalla materiaalia hallitusti syvyys. Sileä pinta sarveiskalvon, joka on välttämätön visio säilyy ennallaan. Läppä on erillään pohjasta, voidaan sitten vetää ylös pinta-excimer-laser, jotka muodostavat linssi. Muut lääketieteelliset sovellukset sisältävät kirurgian matalia levinneisyys ihotautien, kuten myös tietynlaisten optisia koherenssitomografian.

Fs laserit

Femtosecond lasereita tieteessä käytetty kiihottaa laserin erittely spektroskopiaa fluoresenssispektroskopiaa kanssa ajallinen tarkkuus, ja myös yleiseen materiaalien tutkimus. Lisäksi niitä tarvitaan tuotantoon Fs taajuuden kampa vaaditut metrologian ja yleisopinnot. Yksi todellisissa sovelluksissa lyhyellä aikavälillä on atomikelloista GPS-satelliittien uuden sukupolven, mikä lisää paikannuksen tarkkuutta.

Yhden taajuuden Kuitulaserliiketoiminta suoritetaan spektrin viivaleveys on vähemmän kuin 1 kHz. Tämä vaikuttava laite, jossa on pieni säteilyn antoteho 10 mW 1W. Toteaa sovellus viestinnän alalla, metrologian (esim kuitu gyroskoopit) ja spektroskopia.

Mitä seuraavaksi?

Kuten muidenkin tutkimuskäyttöön, se on vielä paljon niitä tutkitaan. Esimerkiksi sotilaallinen tekniikka, jota voidaan soveltaa myös muilla aloilla, joka muodostuu yhdistämällä kuidun-lasersäteitä saada suuren säteen avulla koherentin tai spektrin yhdistelmä. Tämän seurauksena, enemmän tehoa saavutetaan yhden tilassa palkki.

Tuotanto kuitulaserien kasvaa nopeasti, erityisesti autoteollisuuden tarpeisiin. Lisäksi on korvaaminen ei-kuitu- kuitu laitteita. Yleisten parannusten kustannusten ja suorituskyvyn, on enemmän käytännön femtosecond laserit ja supercontinuum lähteistä. Kuitulaserit miehittää enemmän markkinaraon ja se aiheuttaa parannusta muunlaisia laserit.