Ytterbium fiber laser: thiết bị, nguyên tắc hoạt động, điện, sản xuất, ứng dụng

laser sợi nhỏ gọn và bền, chính xác và dễ dàng để nhiệt phân tán gây ra. Họ đến trong các loại khác nhau và có nhiều việc phải làm với laser các loại khác có lợi thế độc đáo của riêng mình.

laser sợi: hoạt động

Thiết bị thuộc loại này là sự thay đổi tiêu chuẩn của nguồn trạng thái rắn của bức xạ chặt chẽ từ các chất xơ, thay vào đó chất lỏng làm việc que, một tấm hoặc đĩa. Ánh sáng được tạo ra bởi các dopant trong phần trung tâm của sợi. Cấu trúc cơ bản có thể dao động từ đơn giản đến khá phức tạp. bộ máy Laser fiber ytterbium như vậy mà chất xơ có một bề mặt lớn để tỷ lệ khối lượng, do đó nhiệt có thể được khuếch tán tương đối dễ dàng.

laser sợi quang được bơm, thường với sự giúp đỡ của laser diode, nhưng trong một số trường hợp - cùng một nguồn. Quang học được sử dụng trong các hệ thống này thường đại diện cho các thành phần quang, trong đó hầu hết hoặc tất cả trong số họ được kết nối với nhau. Trong một số trường hợp, một ống kính rời, và hệ thống cáp quang đôi khi nội bộ được kết hợp với một ống kính rời bên ngoài.

Một nguồn bơm diode có thể là một mảng diode, hoặc được đa số điốt cá nhân, mỗi trong số đó là kết nối với ống dẫn sóng kết nối cáp quang. sợi pha tạp ở mỗi đầu có một gương khoang cộng hưởng - trong thực tế làm cho các sợi Bragg grating. Tại hai đầu của quang học với số lượng lớn có, nếu không chỉ là chùm đầu ra đi vào một cái gì đó khác hơn là chất xơ. Hướng dẫn ánh sáng có thể được xoắn để nếu mong muốn các buồng cộng hưởng laser có thể có chiều dài vài mét.

binuclear

sợi cấu trúc được sử dụng trong laser sợi, là rất quan trọng. Phổ biến nhất là hình học của một cấu trúc lõi kép. lõi ngoài Undoped (đôi khi được gọi là intima) bơm thu thập ánh sáng và chỉ đạo nó dọc theo sợi. bức xạ kích thích tạo ra trong chất xơ đi qua lõi bên trong, mà thường là một chế độ duy nhất. Cốt lõi bên trong chứa một ytterbium phụ, kích thích bởi ánh sáng bơm. Có nhiều hình thức phần lõi ngoài noncircular bao gồm - hình lục giác, hình chữ D và chữ nhật, làm giảm khả năng bỏ lỡ các chùm ánh sáng trong lõi trung tâm.

Laser sợi có thể có một kết thúc hoặc bên bơm. Trong ánh sáng trường hợp đầu tiên từ một hoặc nhiều nguồn vào cuối sợi. Khi ánh sáng mặt bơm được cung cấp cho một splitter mà nguồn cấp dữ liệu này vào trọng tâm bên ngoài. Điều này khác với thanh laze nơi ánh sáng đi vào vuông góc với trục.

Đối với một quyết định như vậy đòi hỏi rất nhiều sự phát triển cơ cấu. sự chú ý đáng kể được trả cho tóm tắt ánh sáng bơm vào lõi để tạo ra một nghịch đảo dân cư, dẫn đến bức xạ cưỡng bức trong lõi bên trong. lõi tia laser có thể có mức độ khác nhau của sự khuếch đại trong sợi tùy thuộc vào doping, cũng như trên chiều dài của nó. Những yếu tố này được thiết lập như là một kỹ sư thiết kế cho các thông số cần thiết.

giới hạn sức mạnh có thể xảy ra, đặc biệt khi hoạt động trong một sợi đơn mode. một lõi như có diện tích mặt cắt ngang rất nhỏ, và kết quả là đi ánh sáng therethrough cường độ rất cao. Khi điều này đang trở thành rõ nét hơn tán xạ Brillouin phi tuyến tính, làm hạn chế sản lượng điện của vài nghìn watt. Nếu đầu ra là đủ cao, kết thúc sợi có thể bị hỏng.

Đặc biệt là laser sợi

Việc sử dụng các chất xơ như chất lỏng làm việc cho chiều dài tương tác lớn hơn, trong đó hoạt động tốt khi bơm diode. hình học này kết quả trong một hiệu suất cao chuyển đổi photon, cũng như xây dựng đáng tin cậy và nhỏ gọn, trong đó không có ống kính rời rạc, đòi hỏi phải điều chỉnh hoặc liên kết.

Một tia laser sợi, mà bộ máy cho phép nó thích nghi tốt, có thể được điều chỉnh cho hàn các tấm kim loại dày và để sản xuất xung femto giây. bộ khuếch đại sợi quang cung cấp tăng single-pass và được sử dụng trong viễn thông, vì chúng có thể khuếch đại nhiều bước sóng cùng một lúc. Việc đạt được tương tự được sử dụng trong các bộ khuếch đại quyền lực với một dao động tổng thể. Trong một số trường hợp, bộ khuếch đại có thể hoạt động với một laser sóng liên tục.

Một ví dụ khác là một nguồn bức xạ tự phát từ các sợi cốt thép, trong đó bức xạ cưỡng bức được dập tắt. Một ví dụ khác là một laser sợi Raman kết hợp với tăng phân tán, bước sóng cắt đáng kể. Nó đã tìm thấy ứng dụng trong nghiên cứu, nơi sự kết hợp của thế hệ và khuếch đại sử dụng một kính florua chứ không phải là các sợi silica tiêu chuẩn.

Tuy nhiên, nói chung, sợi làm bằng thủy tinh silica với dopant đất hiếm trong lõi. Các chất phụ gia cơ bản là ytterbium và erbi. Ytterbium có bước sóng 1030-1080 nm, và có thể phát ra trên một phạm vi rộng. Việc sử dụng bơm diode 940 nm làm giảm đáng kể thâm hụt của photon. Ytterbium có không phải là một tác động tự dập tắt, đó là tại neodymium ở mật độ cao, vì vậy sau này được sử dụng trong laser số lượng lớn và ytterbium - chất xơ (cả hai đều cung cấp khoảng bước sóng giống nhau).

Erbium phát ra trong khoảng 1530-1620 nm, một an toàn cho mắt. Tần số có thể được tăng lên gấp đôi để tạo ra ánh sáng ở 780 nm, mà không phải là có sẵn cho các loại laser sợi. Cuối cùng, ytterbium thể được thêm vào erbi để nguyên tố này sẽ hấp thụ bức xạ bơm và truyền năng lượng này để erbi. Chất hóa học - một dopant đến phát thải trong khu vực gần hồng ngoại, mà như vậy là an toàn cho những hình ảnh mắt.

hiệu quả cao

Laser sợi là một hệ thống ba cấp bán. các photon bơm kích thích quá trình chuyển đổi từ trạng thái cơ bản đến lớp trên. chuyển trạng thái laser là từ phần thấp nhất của cấp trên tại một trong những quốc gia chia rẽ đất. Đây là rất hiệu quả: ví dụ, ytterbium-940 bơm nm photon phát ra một photon với bước sóng 1030 nm, và những khiếm khuyết lượng tử (lỗ năng lượng), chỉ có khoảng 9%.

Ngược lại, neodymium, bơm tại 808 nm mất khoảng 24% năng lượng. Như vậy, ytterbium vốn có hiệu quả cao, mặc dù không phải tất cả của nó có thể đạt được do sự mất mát của một số các photon. Yb có thể được bơm vào một số băng tần, và erbi - bước sóng của 1480 hoặc 980 nm. Các tần số cao hơn là không có hiệu quả về mặt photon khiếm khuyết, nhưng hữu ích, ngay cả trong trường hợp này, bởi vì ở 980 nm, các nguồn tốt nhất.

Nhìn chung hiệu quả của laser sợi là kết quả của quá trình gồm hai bước. Thứ nhất, đó là hiệu quả của các diode bơm. nguồn bán dẫn của bức xạ mạch lạc rất hiệu quả, với 50% hiệu quả chuyển đổi một tín hiệu điện thành quang. Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy rằng nó có thể đạt được một giá trị của 70% trở lên. Với sản lượng trận đấu hấp thụ bức xạ laser sợi dây chuyền chính xác được thực hiện và hiệu quả bơm cao.

Thứ hai, hiệu suất chuyển đổi quang-quang này. Khi một photon khiếm khuyết nhỏ có thể đạt được một mức độ cao của kích thích và hiệu quả khai thác hiệu quả chuyển đổi quang-quang của 60-70%. Hiệu quả kết quả nằm trong khoảng 25-35%.

cấu hình khác nhau

Sợi lượng tử phát sóng liên tục có thể đơn hoặc đa (chế độ nằm ngang). Singlemode sản xuất chùm chất lượng cao đối với nguyên liệu, làm việc hoặc gửi một chùm qua bầu khí quyển, và laser đa sợi công nghiệp có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn. Nó được sử dụng để cắt và hàn, và đặc biệt, xử lý nhiệt, nơi một vùng rộng lớn được chiếu sáng.

Laser sợi dài là đáng kể bộ máy bán liên tục thường millisecond loại xung tạo. Thông thường đó là nhiệm vụ chu kỳ là 10%. Điều này dẫn đến một công suất đỉnh cao hơn so với chế độ liên tục (thường là gấp mười lần) được sử dụng, ví dụ, đối với một khoan xung. Tần số có thể được 500 Hz, tùy thuộc vào thời gian.

Q-chuyển mạch trong laser sợi cũng đóng vai trò như trong phần lớn. Một thời gian xung điển hình là trong phạm vi nano giây để micro giây. Còn các chất xơ, còn phải mất cho Q-chuyển đổi của bức xạ đầu ra, kết quả là một xung dài hơn.

tính chất xơ là một số hạn chế về điều chế Q. Các phi tuyến của laser sợi rất có ý nghĩa hơn vì diện tích mặt cắt ngang nhỏ của lõi, do đó công suất đỉnh nên được phần nào hạn chế. Bạn có thể sử dụng hoặc khối lượng công tắc Q, mà cung cấp hiệu suất cao hơn, hoặc điều biến quang, được kết nối đến tận cùng của vai trò tích cực.

xung Q-switched có thể được khuếch đại trong một sợi hoặc trong cộng hưởng khoang. Một ví dụ về sau này có thể được tìm thấy trong các mô phỏng phức tạp của vụ thử hạt nhân quốc gia (NIF, Livermore, CA), nơi laser sợi là một dao động tổng thể cho 192 dầm. xung nhỏ trong tấm lớn của thủy tinh pha tạp khuếch đại để MJ.

Trong laser sợi với tần số đồng bộ hóa lặp lại phụ thuộc vào độ dài của tài liệu củng cố, như trong các chế độ khác của mạch đồng bộ hóa và thời gian xung phụ thuộc vào khả năng tăng cường thông lượng. Ngắn nhất là trong khoảng 50 fs, và tiêu biểu nhất - trong khoảng 100 fs.

Giữa ytterbium và chất xơ erbi, có một sự khác biệt quan trọng, trong đó họ hoạt động ở các chế độ khác nhau phân tán. sợi Erbium-doped phát tại 1550 nm trong một khu vực của tán sắc dị thường. Điều này cho phép soliton. Itterbievye sợi đang ở trong một phân tán dương hay bình thường; kết quả là, họ tạo ra xung với điều chế tần số tuyến tính phát âm. Theo kết quả của Bragg grating nó có thể cần để nén độ dài xung.

Có một số cách để thay đổi xung sợi laser, đặc biệt là cho các nghiên cứu pico giây cực nhanh. sợi tinh thể quang tử có thể được sản xuất với lõi rất nhỏ cho các hiệu ứng phi tuyến mạnh mẽ, chẳng hạn như đối với thế hệ supercontinuum. Ngược lại, các tinh thể quang tử cũng có thể được sản xuất với chế độ single-core rất lớn để tránh hiệu ứng phi tuyến ở công suất lớn.

sợi tinh thể quang tử linh hoạt với lõi lớn tạo cho các ứng dụng đòi hỏi công suất cao. Một trong những phương pháp này là cố ý uốn cong của sợi để loại bỏ bất kỳ chế độ trật tự không mong muốn cao hơn trong khi duy trì một chế độ cơ bản theo chiều ngang. Các phi tuyến tính tạo ra điều hòa; và bằng cách trừ tần số gấp, bạn có thể tạo ra một bước sóng ngắn hơn và lâu hơn. hiệu ứng phi tuyến cũng có thể sản xuất nén xung, dẫn đến các lược tần số xuất hiện.

Nguồn supercontinuum như xung rất ngắn tạo ra một quang phổ liên tục thông qua điều chế pha. Ví dụ, từ 6 xung ps ban đầu tại 1050 nm, mà tạo ra quang phổ tia laser sợi ytterbium thu được trong khoảng từ cực tím để hơn 1600 nm. Một nguồn của nguồn erbi-supercontinuum IR-bơm ở bước sóng 1550 nm.

công suất cao

Công nghiệp hiện là nước tiêu thụ lớn nhất của laser sợi. Có nhu cầu cao ngay bây giờ được hưởng sức mạnh của thứ tự của kilowatt sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Ngành công nghiệp ô tô đang hướng tới việc sản xuất xe ô tô thép cường độ cao để đáp ứng các yêu cầu về độ bền và tương đối dễ dàng để tiết kiệm nhiên liệu hơn. máy công cụ thông thường là rất khó khăn, ví dụ, lỗ hổng trên các loại thép và các nguồn bức xạ chặt chẽ làm cho nó dễ dàng.

Cắt laser sợi kim loại, so với các loại máy phát điện lượng tử có một số lợi thế. Ví dụ, waveband cận hồng ngoại cũng hấp thụ kim loại. Chùm tia có thể được cung cấp thông qua các sợi, cho phép các robot để dễ dàng di chuyển sự tập trung khi cắt và khoan.

cáp quang đáp ứng các yêu cầu cao nhất đối với quyền lực. Vũ khí Hải quân Mỹ, đã thử nghiệm vào năm 2014, bao gồm một 6-xơ laser 5,5 kilowatt kết hợp trong một chùm và tỏa ra thông qua hệ thống quang học hình thành. 33 đơn vị kW đã được sử dụng để đánh bại một thiết bị bay không người lái. Mặc dù chùm không phải là một đơn mode, hệ thống là quan tâm, vì nó cho phép để tạo ra một tia laser sợi với bàn tay của mình ra khỏi tiêu chuẩn, các thành phần có sẵn.

Sức mạnh đơn mode nguồn ánh sáng kết hợp cao nhất của IPG Photonics là 10 kW. Các dao động tổng thể tạo ra một watt năng lượng quang học, mà được cung cấp cho khuếch đại giai đoạn bơm tại 1018 nm với ánh sáng laser sợi khác. Toàn bộ hệ thống có kích thước của hai tủ lạnh.

Việc sử dụng laser sợi cũng được mở rộng đến cắt công suất cao và hàn. Ví dụ, họ thay thế kháng hàn thép tấm giải quyết vấn đề của sự biến dạng của vật liệu. điều khiển công suất và các thông số khác cho phép đường cong cắt rất chính xác, đặc biệt là các góc.

Laser sợi đa mạnh nhất - để cắt kim loại từ các nhà sản xuất cùng - lên đến 100 kW. Hệ thống này được dựa trên sự kết hợp của chùm rời rạc, vì vậy nó không siêu chùm chất lượng cao. Điều này làm cho kháng laser sợi hấp dẫn đối với ngành công nghiệp.

khoan bê tông

Đa sản lượng sợi laser 4 kW có thể được sử dụng để cắt và khoan bê tông. Tại sao làm điều đó? Khi các kỹ sư đang cố gắng để đạt được khả năng chống động đất của các tòa nhà hiện có, phải rất cẩn thận với bê tông. Khi được cài đặt trong nó, chẳng hạn như cốt thép bộ gõ truyền thống khoan có thể gây ra những sai sót và làm suy yếu bê tông, nhưng laser sợi cắt mà không nghiền nó.

Laser với một sợi Q-switched sử dụng ví dụ về ghi nhãn hoặc trong sản xuất thiết bị điện tử bán dẫn. Họ cũng được sử dụng trong Finders khoảng: mô-đun kích thước của một bàn tay chứa laser sợi mắt an toàn mà đầu ra là 4 kW, tần số 50 kHz và độ rộng xung của 5-15 ns.

xử lý bề mặt

Có mối quan tâm lớn trong laser sợi nhỏ cho vi và nanoprocessing. Khi tháo lớp bề mặt, nếu thời gian xung ngắn hơn 35 ps, không có vật chất phun. Điều này ngăn cản sự hình thành của lúm đồng tiền và hiện vật không mong muốn khác. Các xung trong chế độ femto giây ra các hiệu ứng phi tuyến mà không phải là nhạy cảm với các bước sóng và các vùng lân cận không phải là nước nóng, cho phép làm việc mà không thiệt hại đáng kể hoặc suy yếu của các vùng lân cận. Thêm vào đó, các lỗ có thể được cắt với độ sâu cao với chiều rộng - ví dụ, một cách nhanh chóng (trong vòng vài mili giây) lỗ nhỏ trong tổng số 1 mm bằng thép không gỉ xung 800-fs với tần số 1 MHz.

Nó cũng có thể để sản xuất vật liệu trong suốt bề mặt được xử lý, ví dụ, mắt người. Để cắt một vạt tại vi phẫu mắt, xung femto giây vysokoaperturnym ống kính tập trung chặt chẽ tại một điểm bên dưới bề mặt của mắt mà không gây ra bất kỳ thiệt hại trên bề mặt, nhưng mắt bằng cách phá hủy các tài liệu về độ sâu kiểm soát. Bề mặt mịn của giác mạc, mà là điều cần thiết cho thị lực vẫn còn nguyên vẹn. Nắp được tách ra từ phía dưới, sau đó có thể được kéo lên đến bề mặt ống kính tia laser excimer hình thành. ứng dụng y tế khác bao gồm phẫu thuật xâm nhập nông ở da liễu, cũng như việc sử dụng một số loại chụp cắt lớp vi tính mạch lạc quang.

laser femto giây

laser femto giây trong khoa học sử dụng để kích thích quang phổ phân hủy laser, huỳnh quang phổ với độ phân giải thời gian, và cũng để nghiên cứu vật liệu nói chung. Ngoài ra, họ là cần thiết cho việc sản xuất các lược tần số femto giây cần thiết trong đo lường và nghiên cứu chung. Một trong những ứng dụng thực tế trong ngắn hạn sẽ là đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh GPS của một thế hệ mới, trong đó sẽ làm tăng độ chính xác định vị.

Độc Laser fiber tần số được thực hiện với một độ rộng vạch phổ quang phổ dưới 1 kHz. Thiết bị này ấn tượng với công suất đầu ra phóng xạ nhỏ từ 10 mW đến 1W. Tìm thấy ứng dụng trong lĩnh vực thông tin liên lạc, đo lường (ví dụ, trong con quay hồi chuyển chất xơ) và quang phổ.

Cái gì tiếp theo?

Đối với các ứng dụng nghiên cứu khác, đó là vẫn còn rất nhiều trong số họ đang được nghiên cứu. Ví dụ, kỹ thuật quân sự, có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác, trong đó bao gồm trong việc kết hợp một chùm sợi laser để có được một chùm cao bằng cách sử dụng sự kết hợp chặt chẽ hoặc quang phổ. Kết quả là, quyền lực hơn được thực hiện trong một chùm đơn mode.

Sản xuất laser sợi được phát triển nhanh chóng, đặc biệt là cho các nhu cầu công nghiệp ô tô. Ngoài ra, có một sự thay thế các thiết bị sợi phi-xơ. Ngoài việc cải tiến chung trong chi phí và hiệu suất, có laser femto giây và nguồn supercontinuum thực tế hơn. laser sợi chiếm nhiều hốc và trở thành một nguồn của cải cho các loại laser.