Serat Ytterbium laser: peranti, prinsip operasi, kuasa, pengeluaran, penggunaan

laser gentian adalah padat dan tahan lama, tepat, dan mudah untuk berselerak disebabkan haba. Mereka datang dalam pelbagai jenis dan mempunyai banyak yang perlu dilakukan dengan laser jenis lain mempunyai kelebihan mereka sendiri yang unik.

laser gentian: Operasi

Peranti jenis ini adalah Perubahan taraf sumber pepejal sinaran koheren daripada gentian, bukan bendalir kerja rod, pinggan atau cakera. Cahaya yang dihasilkan oleh pendopan dalam bahagian tengah gentian. Struktur asas boleh berkisar dari yang mudah kepada yang agak kompleks. serat Ytterbium laser radas seperti yang gentian mempunyai permukaan yang besar kepada nisbah jumlah, supaya haba boleh disebarkan agak mudah.

laser gentian optik dipam, sering dengan bantuan laser diod, tetapi dalam beberapa kes - sumber yang sama. Optik digunakan dalam sistem ini biasanya mewakili komponen optik, di mana kebanyakan atau semua daripada mereka adalah berkaitan antara satu sama lain. Dalam beberapa kes, optik pukal, dan sistem gentian optik kadang-kala dalaman digabungkan dengan optik pukal luar.

Satu sumber pam diod boleh menjadi array diod, atau kejamakan diod individu, setiap yang bersambung kepada penyambung pandu gelombang optik gentian. gentian terdop pada setiap akhir mempunyai cermin rongga resonator - dalam amalan membuat serat Bragg parut. Di hujung optik pukal mempunyai, jika tidak hanya rasuk output memasuki sesuatu yang lain daripada serat. Panduan cahaya boleh diputarbelitkan supaya jika dikehendaki rongga laser mungkin mempunyai panjang beberapa meter.

binuclear

serat struktur yang digunakan dalam laser gentian, adalah penting. Yang paling biasa adalah geometri struktur dwi-teras. teras luar Undoped (kadang-kadang dirujuk sebagai Intima) dipam mengumpul cahaya dan mengarahkan ia bersama-sama gentian. radiasi dirangsang dijana dalam gentian melalui teras dalaman, yang sering mod tunggal. Teras dalaman mengandungi ytterbium tambahan, dirangsang oleh cahaya pam. Terdapat banyak bentuk teras luar tak bulat termasuk - heksagon, D berbentuk dan segi empat tepat, mengurangkan kebarangkalian tersasar pancaran cahaya di pusat utama itu.

Laser gentian boleh mempunyai akhir atau mengepam sampingan. Memandangkan kes pertama dari satu atau lebih sumber memasuki akhir gentian. Apabila lampu sisi mengepam dibekalkan kepada splitter yang memakan ke dalam teras luar. Ini berbeza daripada rod laser di mana cahaya memasuki serenjang dengan paksi.

Bagi apa-apa keputusan yang memerlukan banyak perkembangan struktur. Perhatian yang sewajarnya dibayar kepada ringkasan cahaya pam ke dalam teras untuk menghasilkan penyongsangan penduduk, yang membawa kepada pelepasan dirangsang dalam teras dalam. laser teras boleh mempunyai pelbagai peringkat penguatan dalam gentian bergantung kepada doping, dan juga pada panjangnya. Faktor-faktor ini ditetapkan sebagai jurutera reka bentuk untuk parameter yang diperlukan.

had kuasa mungkin berlaku, terutamanya apabila beroperasi dalam gentian mod tunggal. Seperti teras yang mempunyai luas keratan rentas yang sangat kecil, dan hasilnya pas cahaya therethrough intensiti yang sangat tinggi. Apabila ini menjadi lebih ketara berselerak Brillouin bukan linear, yang menghadkan kuasa keluaran beberapa ribu watt. Jika output adalah cukup tinggi, hujung gentian mungkin telah rosak.

Terutama laser gentian

Penggunaan serat sebagai bendalir bekerja memberikan lebih panjang interaksi, yang berfungsi dengan baik apabila mengepam diod. Ini keputusan geometri dalam kecekapan tinggi penukaran foton, serta pembinaan dipercayai dan padat, di mana tiada optik diskret, yang memerlukan pelarasan atau penjajaran.

A laser serat, yang radas membolehkan ia menyesuaikan diri dengan baik, boleh disesuaikan untuk kimpalan kepingan logam tebal dan untuk menghasilkan denyutan femtosecond. penguat gentian optik menyediakan keuntungan single-pass dan digunakan dalam telekomunikasi, kerana mereka boleh menguatkan pelbagai jarak gelombang serentak. Keuntungan yang sama digunakan dalam penguat kuasa dengan pengayun induk. Dalam beberapa kes, penguat boleh dikendalikan dengan laser gelombang berterusan.

Satu lagi contoh ialah punca pelepasan spontan dari gentian tetulang, di mana pelepasan dirangsang ditindas. Satu lagi contoh ialah laser gentian Raman digabungkan dengan peningkatan penyebaran, panjang gelombang ketara ricih. Ia telah mendapati permohonan dalam penyelidikan, di mana gabungan penjanaan dan penguatan menggunakan kaca fluorida daripada gentian silika standard.

Walau bagaimanapun, secara amnya, gentian diperbuat daripada kaca silika dengan pendopan nadir bumi di teras. Tambahan asas adalah ytterbium dan erbium. Ytterbium mempunyai panjang gelombang 1030-1080 nm, dan mungkin mengeluarkan lebih pelbagai. Penggunaan 940-nm pam diod ketara mengurangkan defisit foton. Ytterbium tidak akan mempunyai kesan sendiri pelindapkejutan, yang berada di neodymium pada kepadatan yang tinggi, jadi kedua digunakan dalam laser pukal dan ytterbium - dalam serat (kedua-duanya menyediakan kira-kira panjang gelombang yang sama).

Erbium mengeluarkan dalam nm pelbagai 1530-1620, peti keselamatan untuk mata. kekerapan boleh dua kali ganda untuk menjana cahaya pada 780 nm, yang tidak disediakan untuk lain-lain jenis laser serat. Akhir sekali, ytterbium boleh ditambah ke erbium supaya elemen akan menyerap radiasi pam dan menghantar tenaga ini kepada erbium. Thulium - satu lagi pendopan untuk pelepasan di rantau inframerah terdekat, yang dengan itu adalah selamat untuk gambar-gambar mata.

kecekapan yang tinggi

Laser gentian adalah satu sistem yang seakan-tiga peringkat. foton pam merangsang peralihan dari keadaan tanah untuk lapisan atas. peralihan laser adalah dari bahagian yang paling tingkat atas di salah satu daripada negeri-negeri berpecah tanah. Ini adalah sangat berkesan: contohnya, ytterbium-940 nm foton pam mengeluarkan foton dengan panjang gelombang 1030 nm dan kecacatan kuantum (kehilangan tenaga), hanya kira-kira 9%.

Sebaliknya, neodymium, dipam pada 808 nm kehilangan kira-kira 24% daripada tenaga. Oleh itu, ytterbium sememangnya mempunyai kecekapan yang tinggi, walaupun tidak semua itu boleh dicapai kerana kehilangan sebahagian daripada foton. Yb boleh dipam dalam beberapa jalur frekuensi, dan erbium - panjang gelombang 1480 atau 980 nm. kekerapan yang lebih tinggi tidak berkesan dari segi foton kecacatan, tetapi berguna, walaupun dalam kes ini, kerana pada 980 nm, sumber-sumber yang terbaik.

Kecekapan keseluruhan laser gentian adalah hasil daripada proses dua langkah. Pertama, ia adalah kecekapan diod pam. sumber Semiconductor sinaran koheren sangat berkesan, dengan 50% kecekapan menukarkan isyarat elektrik ke dalam optik. Hasil kajian makmal menunjukkan bahawa ia adalah mungkin untuk mencapai nilai sebanyak 70% atau lebih. Dengan padanan tepat output penyerapan sinaran serat garis laser dicapai dan kecekapan pam yang tinggi.

Kedua, ini kecekapan penukaran optik optik. Apabila foton kecacatan kecil boleh mencapai tahap yang tinggi pengujaan dan kecekapan pengekstrakan kecekapan penukaran optik optik 60-70%. Kecekapan terhasil adalah dalam lingkungan 25-35%.

pelbagai konfigurasi

Fiber kuantum penjana gelombang berterusan mungkin tunggal atau mod (mod melintang). Mod tunggal menghasilkan rasuk berkualiti tinggi untuk bahan-bahan, bekerja atau menghantar rasuk melalui atmosfera, dan laser gentian industri mod boleh menjana lebih banyak kuasa. Ia digunakan untuk memotong dan kimpalan, dan khususnya, untuk rawatan haba, di mana kawasan yang besar menyala.

Laser serat panjang besarnya alat yang seakan-akan berterusan biasanya milisaat jenis denyutan penjanaan. Biasanya ia adalah kitar tugas adalah 10%. Ini membawa kepada kuasa puncak yang lebih tinggi daripada mod berterusan (biasanya sepuluh kali) yang digunakan, sebagai contoh, untuk penggerudian berdenyut. kekerapan yang berkenaan 500 Hz, bergantung kepada tempoh.

Q-pensuisan dalam laser gentian juga bertindak seperti dalam pukal. A tempoh denyutan biasa adalah dalam lingkungan nanosaat untuk mikrosaat. gentian yang lebih panjang, lebih lama ia mengambil masa untuk Q-switching sinaran output, menyebabkan nadi yang lebih lama.

sifat-sifat gentian beberapa batasan pada modulasi Q. The ketaklelurusan laser gentian adalah lebih penting kerana kawasan keratan rentas yang kecil teras, supaya kuasa puncak harus agak terhad. Anda boleh menggunakan sama ada suis jumlah Q, yang memberikan prestasi yang lebih tinggi, atau modular optik, yang disambungkan ke hujung bahagian yang aktif.

denyutan Q-switched boleh dikuatkan dengan serat atau dalam resonator rongga. Contoh yang kedua boleh didapati di Negara simulasi Complex ujian nuklear (NIF, Livermore, CA), di mana laser gentian adalah pengayun induk untuk 192 rasuk. denyutan kecil dalam papak besar kaca didopkan dikuatkan untuk megajoules.

Dalam laser gentian dengan kekerapan penyegerakan pengulangan bergantung kepada panjang bahan mengukuhkan, seperti dalam lain-lain cara litar penyegerakan dan tempoh denyutan bergantung kepada keupayaan untuk meningkatkan daya pemprosesan. Yang paling pendek adalah dalam lingkungan 50 fs, dan yang paling biasa - dalam lingkungan 100 fs.

Antara ytterbium dan serat erbium, terdapat satu perbezaan yang penting, di mana mereka beroperasi dalam mod yang berbeza penyebaran. serat erbium-didopkan pemancar pada 1550 nm dalam suatu kawasan yang mempunyai penyebaran ganjil. Ini membolehkan soliton. Itterbievye gentian berada di dalam penyebaran positif atau normal; hasilnya, mereka menjana denyutan dengan modulasi frekuensi linear dilafazkan. Hasil daripada Bragg parutan ia mungkin perlu untuk memampatkan panjang denyut.

Terdapat beberapa cara untuk mengubah suai denyutan gentian laser, khususnya untuk kajian picosecond ultrafast. gentian kristal fotonik boleh dibuat dengan teras yang sangat kecil untuk kesan tak linear yang kuat, seperti generasi supercontinuum. Sebaliknya, kristal fotonik juga boleh dibuat dengan sangat besar teras tunggal-mod untuk mengelakkan kesan tak linear pada kuasa yang tinggi.

Fleksibel gentian kristal fotonik dengan teras besar dicipta untuk aplikasi yang memerlukan kuasa yang tinggi. Salah satu kaedah adalah lenturan sengaja gentian untuk mengeluarkan apa-apa mod aras tinggi yang tidak diingini di samping mengekalkan mod melintang asas. Bukan kelinearan mewujudkan harmonik; dan dengan menolak kekerapan lipatan, anda boleh membuat panjang gelombang yang lebih pendek dan lebih lama. kesan tak linear juga boleh menghasilkan mampatan nadi, yang membawa kepada sikat frekuensi penampilan.

Sumber supercontinuum sebagai denyutan yang singkat menghasilkan spektrum yang berterusan melalui fasa modulasi. Sebagai contoh, dari awal 6 denyutan ps pada 1050 nm, yang mewujudkan spektrum laser gentian ytterbium diperolehi dalam julat dari ultraviolet kepada lebih daripada 1600 nm. Satu lagi sumber IR-dipam sumber erbium-supercontinuum pada panjang gelombang 1550 nm.

kuasa tinggi

Industri pada masa ini adalah pengguna terbesar laser serat. Permintaan yang tinggi sekarang kerana ianya kuasa perintah kilowatt yang digunakan dalam industri automotif. Industri automotif bergerak ke arah pengeluaran kereta keluli kekuatan tinggi untuk memenuhi keperluan ketahanan dan adalah agak mudah untuk penjimatan bahan api yang lebih besar. peralatan mesin konvensional adalah sangat sukar, sebagai contoh, menumbuk lubang dalam jenis ini keluli dan sumber sinaran koheren menjadikannya mudah.

Memotong laser serat logam, berbanding dengan lain-lain jenis penjana kuantum mempunyai beberapa kelebihan. Sebagai contoh, jalur gelombang dekat inframerah diserap logam. Rasuk boleh dihantar melalui gentian, yang membolehkan robot untuk mudah bergerak tumpuan apabila memotong dan penggerudian.

gentian optik memenuhi keperluan tertinggi untuk kuasa. Senjata Tentera Laut Amerika Syarikat, diuji pada tahun 2014, terdiri daripada 6-serat laser 5.5 kilowatt digabungkan dalam satu rasuk dan terpancar melalui sistem optik membentuk. 33 unit kW digunakan untuk mengalahkan kenderaan udara tanpa pemandu. Walaupun rasuk bukan-mod tunggal, sistem ini menarik, kerana ia membolehkan untuk membuat laser serat dengan tangan mereka daripada, bahan-bahan standard sedia ada.

Tertinggi kuasa tunggal-mod sumber cahaya koheren IPG Photonics adalah 10 kW. Pengayun master menghasilkan watt kuasa optik, yang dibekalkan kepada penguat peringkat dipam pada 1018 nm dengan cahaya laser gentian yang lain. Seluruh sistem mempunyai saiz dua peti sejuk.

Penggunaan laser gentian juga ditujukan kepada pemotongan kuasa yang tinggi dan kimpalan. Sebagai contoh, mereka digantikan kimpalan rintangan menyelesaikan masalah ubah bentuk bahan kepingan keluli. kawalan kuasa dan parameter lain membolehkan keluk memotong sangat tepat, terutama sudut.

Yang paling berkuasa serat multimode laser - untuk memotong logam daripada pengilang yang sama - sehingga 100 kW. Sistem ini adalah berdasarkan kepada gabungan rasuk tidak keruan, jadi ia bukan super berkualiti tinggi rasuk. rintangan ini menjadikan laser gentian yang menarik untuk industri.

penggerudian konkrit

Mod output laser gentian daripada 4 kW boleh digunakan untuk memotong dan penggerudian konkrit. Mengapa melakukannya? Apabila jurutera cuba untuk mencapai rintangan seismik bangunan sedia ada, berhati-hati dengan konkrit. Apabila dipasang di dalamnya, seperti keluli tetulang perkusi konvensional penggerudian boleh menyebabkan kelemahan dan melemahkan konkrit, tetapi laser gentian dipotong tanpa menghancurkan ia.

Laser dengan serat Q-switched digunakan sebagai contoh untuk pelabelan atau dalam pembuatan elektronik semikonduktor. Ia juga digunakan dalam pencari pelbagai: modul adalah saiz tangan mengandungi mata selamat laser gentian yang keluaran adalah 4 kW, kekerapan 50 kHz dan tempoh denyutan 5-15 ns.

rawatan permukaan

Terdapat minat yang besar dalam laser gentian kecil untuk mikro dan nanoprocessing. Ketika mengeluarkan lapisan permukaan, jika tempoh denyutan adalah lebih pendek daripada 35 ps, tiada bahan semburan. Ini menghalang pembentukan lubang-lubang kecil dan artifak lain yang tidak diingini. Denyutan dalam rejim femtosecond menghasilkan kesan tak linear yang tidak sensitif kepada panjang gelombang dan kawasan sekitarnya tidak dipanaskan, yang membolehkan untuk bekerja tanpa kerosakan besar atau melemahkan kawasan sekitarnya. Selain itu, lubang boleh dipotong dengan kedalaman yang tinggi untuk lebar - sebagai contoh, dengan cepat (dalam jarak beberapa milisaat) lubang kecil daripada 1 mm menggunakan keluli tahan karat denyutan 800-fs dengan kekerapan 1 MHz.

Ia juga adalah mungkin untuk menghasilkan bahan-bahan telus permukaan dirawat, contohnya, mata manusia. Untuk memotong flap di microsurgery mata, denyutan femtosecond vysokoaperturnym kanta fokus ketat pada titik yang di bawah permukaan mata tanpa melakukan kerosakan di permukaan, tetapi mata dengan memusnahkan bahan pada kedalaman yang terkawal. Permukaan licin kornea, yang penting untuk penglihatan tidak terjejas. kepak dipisahkan dari bawah, kemudian boleh ditarik sehingga ke permukaan laser membentuk kanta excimer. aplikasi perubatan lain termasuk pembedahan penembusan cetek dalam dermatologi, serta penggunaan beberapa jenis kepaduan tomografi optik.

laser femtosecond

laser femtosecond dalam bidang sains digunakan untuk merangsang pecahan spektroskopi laser, pendarfluor spektroskopi dengan resolusi duniawi, dan juga untuk bahan-bahan penyelidikan umum. Di samping itu, ia diperlukan untuk pengeluaran sikat frekuensi femtosecond diperlukan dalam metrologi dan kajian umum. Salah satu aplikasi sebenar dalam jangka pendek akan menjadi jam atom daripada satelit GPS generasi baru, yang akan meningkatkan ketepatan kedudukan.

Single laser gentian kekerapan dilakukan dengan linewidth spektrum kurang daripada 1 kHz. Peranti ini mengagumkan dengan kuasa output radiasi kecil dari 10 mW untuk 1W. Mendapati permohonan dalam bidang komunikasi, metrologi (contohnya, dalam giroskop fiber) dan spektroskopi.

Apa yang akan datang?

Bagi permohonan penyelidikan yang lain, ia masih banyak daripada mereka yang dikaji. Sebagai contoh, kejuruteraan tentera, yang boleh digunakan di tempat lain, yang terdiri dalam menggabungkan rasuk gentian laser untuk mendapatkan rasuk yang tinggi menggunakan kombinasi yang koheren atau spektrum. Akibatnya, lebih banyak kuasa dicapai dalam pancaran mod tunggal.

Pengeluaran laser gentian berkembang pesat, terutamanya bagi keperluan industri automotif. Juga, terdapat penggantian alat-alat gentian tidak berserabut. Selain peningkatan umum dalam kos dan prestasi, terdapat laser femtosecond dan sumber supercontinuum lebih praktikal. laser gentian menduduki lebih niche dan menjadi punca peningkatan untuk lain-lain jenis laser.