Ytterbium vezellaser: de inrichting, het werkingsprincipe, energie, productie, gebruik

Fiber lasers zijn compact en duurzaam, nauwkeurig en gemakkelijk te verstrooien opgewekte warmte. Ze komen in verschillende soorten en met een veel te maken met lasers van andere soorten hebben hun eigen unieke voordelen.

Fiber lasers: operatie

Inrichtingen van dit type zijn de standaard variant van de halfgeleider bron van coherente straling uit de vezel plaats staaf werkvloeistof, een plaat of schijf. Het licht gegenereerd door het doteringsmiddel in het centrale deel van de vezel. De basisstructuur kan variëren van eenvoudig tot zeer complex. Ytterbium vezellaser inrichting zodanig dat de vezel een groot oppervlak tot volume verhouding, zodat de warmte kan relatief eenvoudig worden gediffundeerd.

Fiber lasers zijn optisch gepompte, vaak met de hulp van de diode lasers, maar in sommige gevallen - dezelfde bronnen. Optica worden gebruikt in deze systemen vormt meestal optische componenten, waarbij de meeste of allemaal verbonden zijn met elkaar. In sommige gevallen wordt een volume optica en soms intern optisch vezelsysteem combinatie met een uitwendige optische bulk.

Een diode pompbron kan een diode array of een aantal afzonderlijke dioden, waarvan elk is verbonden met de connector vezeloptische golfgeleider. Gedoteerde vezel bij elk einde een spiegel holteresonator - in de praktijk maken de vezel Bragg-rooster. Aan de uiteinden van bulk optica, zo niet alleen de uitgangsbundel treedt iets anders dan vezels. De lichtgeleider kan zodanig worden gedraaid, dat desgewenst de laserholte kan een lengte van enkele meters heeft.

tweekernige

Structuur gebruikte vezels fiber lasers, van belang. De meest voorkomende is de geometrie van een dual-kernstructuur. Gedoteerde buitenkern (soms aangeduid als de intima) licht opvangt en leidt deze langs de vezel. Gestimuleerde straling in de vezel passeert door de inwendige kern, die vaak een enkele modus. De kern bevat een additief ytterbium, gestimuleerd door het pomplicht. Er zijn vele vormen van niet-cirkelvormige buitenste kern die - hexagonale, D-vormige en rechthoekige, waardoor de kans op ongelukken de lichtbundel in de centrale kern.

De vezellaser kan een uiteinde noch zijdelings pompen hebben. In het eerste geval licht van één of meer bronnen komt het vezeluiteinde. Wanneer de zijde pomplicht wordt toegevoerd aan een splitter waar deze wordt ingevoerd buitenste kern. Dit verschilt van de laserstaaf waar het licht binnenkomt loodrecht op de as.

Voor een dergelijk besluit vergt veel van de structurele ontwikkelingen. Veel aandacht is besteed aan de samenvatting pomplicht in de kern van een populatie-inversie te produceren, wat leidt tot gestimuleerde emissie in de binnenkern. laser kern kan variërende mate van amplificatie hebben de vezels afhankelijk van de dotering, alsook van de lengte. Deze factoren worden ingesteld als een design engineer voor de benodigde parameters.

Krachtbegrenzing kunnen optreden, vooral wanneer die in één enkele-modus vezel. Een dergelijke kern een zeer kleine dwarsdoorsnede, en daardoor passeert doorheen licht van hoge intensiteit. Wanneer dit wordt meer uitgesproken niet-lineaire Brillouin verstrooiing, waarbij het vermogen van verscheidene duizenden watts beperkt. Als de uitgang hoog genoeg is, kan het vezeluiteinde beschadigen.

Vooral vezellasers

Het gebruik van vezels als werkfluïdum geeft grotere interactielengte, die goed werkt wanneer de diode pompen. Deze geometrie leidt tot een hoge omzettingsefficiëntie van fotonen, alsmede betrouwbare en compacte constructie, waarin geen afzonderlijke optica aanpassing vereisen of uitlijning.

Een vezellaser, welke inrichting het mogelijk maakt om goed aanpassen, kan worden aangepast voor het lassen van dikke metaalplaten en femtoseconde pulsen. Fiber-optische versterkers zorgen voor single-pass te krijgen en worden gebruikt in de telecommunicatie, omdat ze veel golflengtes gelijktijdig kunnen versterken. De dezelfde versterking wordt gebruikt in eindversterkers met een master oscillator. In sommige gevallen, kan de versterker worden uitgevoerd met een continue golf laser.

Een ander voorbeeld is een bron van spontane emissie van de vezelversterking, waarbij de gestimuleerde emissie wordt onderdrukt. Een ander voorbeeld is een Raman-vezellaser combinatie met verhoogde dispersie hoofdzaak afschuiving golflengte. Het heeft toepassing gevonden in onderzoek, waar de combinatie van productie en amplificatie onder toepassing van een fluorideglas plaats van de standaard silica vezels.

Echter, in het algemeen vezels van silicaglas met zeldzame aardmetalen doteerstof in de kern. De basische toevoegsels zijn ytterbium en erbium. Ytterbium golflengten 1030-1080 nm, en kunnen emitteren over een breed traject. Het gebruik van 940-nm diodepomp vermindert het tekort fotonen. Ytterbium noch een zelfdovende effecten, die aan neodymium bij hoge dichtheden, zodat deze wordt gebruikt in bulk lasers en ytterbium - vezels (beiden geven over dezelfde golflengte).

Erbium uitzendt in het bereik van 1530-1620 nm, een veilig is voor de ogen. De frequentie kan worden verdubbeld het genereren van licht bij 780 nm, die niet voor andere soorten vezels lasers. Tenslotte kan ytterbium erbium worden toegevoegd zodat het element de pompstraling absorbeert en zendt deze energie erbium. Thulium - een doteerstof de emissie in het nabije infraroodgebied, die dus veilig voor het oog afbeeldingen.

hoog rendement

De vezellaser is een quasi-stelsel met drie niveaus. de pomp fotonen prikkelen de overgang van de grondtoestand naar de bovenlaag. Laser overgang van het laagste gedeelte van het bovenste niveau één van de gesplitste grondtoestanden. Dit is zeer effectief: bijvoorbeeld ytterbium-940 nm foton pomp emitteert een foton met een golflengte van 1030 nm, en de quantum defect (energieverlies) slechts 9%.

In tegenstelling, neodymium, gepompt bij 808 nm verliest ongeveer 24% van de energie. Zo ytterbium heeft van nature een hoog rendement, maar niet alles haalbaar is te wijten aan het verlies van een deel van de fotonen. Yb kan in een aantal frequentiebanden, en erbium worden gepompt - golflengte van 1480 en 980 nm. De hogere frequentie is niet zo effectief in termen van defect fotonen, maar nuttig, zelfs in dit geval, want op 980 nm, de beste bronnen beschikbaar is.

Algehele efficiëntie van de vezellaser is het resultaat van twee stappen. Ten eerste is het rendement van de pomp diode. Semiconductor bron van coherente straling zijn zeer effectief, met 50% rendement omzetten van een elektrisch signaal in een optisch. De resultaten van het laboratorium studies suggereren dat het mogelijk is tot een waarde van 70% of meer te bereiken. Exact zoeken uitgangsstraling absorptielijn vezellaser wordt bereikt en een hoge pomprendement.

Ten tweede, het optische-optische omzettingsrendement. Wanneer een klein defect fotonen een hoge mate van excitatie en het extractierendement van optische-optische rendement van 60-70% te bereiken. De verkregen efficiëntie in het traject 25-35%.

verschillende configuraties

Vezels quantum continue golf generatoren kunnen één of multimode (dwarsmodi). Singlemode produceren hoogwaardige balk materialen, bewerkingen of sturen van een bundel door de atmosfeer en multimode glasvezel industriële lasers kan meer energie op te wekken. Het wordt gebruikt voor het snijden en lassen, met name voor warmtebehandeling, wanneer een groot gebied wordt belicht.

De lange vezels laser nagenoeg quasi-continue inrichting gewoonlijk milliseconde soort pulsen genereren. Meestal is de duty cycle is 10%. Dit leidt tot een hoger piekvermogen dan de continue modus (typisch tien maal) dat wordt gebruikt, bijvoorbeeld een gepulste boren. Kan de frequentie 500 Hz, afhankelijk van de duur.

Q-switch in fiber lasers treedt ook op als in de bulk. Een kenmerkende pulsduur in het gebied van nanoseconden microseconden. Hoe langer de vezel, des te langer het duurt voor Q-schakelen van de uitgaande straling, resulterend in een langere puls.

Vezeleigenschappen zijn enkele beperkingen aan de Q-modulatie. De lineariteit van de vezellaser is belangrijk vanwege de kleine dwarsdoorsnede van de kern, zodat het piekvermogen enigszins beperkt moet zijn. U kunt de Q volume schakelaars, die hogere prestaties, of optische modulatoren, die zijn verbonden met de einden van het actieve deel te gebruiken.

Q-geschakelde pulsen worden versterkt in een vezel of de holteresonator. Een voorbeeld hiervan is te vinden in de Nationale Complex simulatie van kernproeven (NIF, Livermore, CA), waarin de vezellaser is een meester oscillator 192 bundels. Kleine pulsen in grote platen van gedoteerd versterkt tot megajoule.

In fiber lasers met synchronisatie herhalingsfrequentie afhankelijk van de lengte van versterkend materiaal, zoals bij de andere wijzen van synchronisatieschakelingen en pulsduur afhankelijk van het vermogen om de doorvoer te verbeteren. De kortste liggen tussen 50 fs en meest typische - in het gebied van 100 fs.

Tussen ytterbium en erbium vezel, is er een belangrijk verschil, waardoor zij in verschillende modi dispersie. Erbium gedoopte fiber emitteren bij 1550 nm in het gebied van anomale dispersie. Dit maakt het mogelijk solitonen. Itterbievye vezels in een positieve of normale dispersie; als gevolg daarvan brengen ze impulsen met lineaire frequentiemodulatie uitgesproken. Door Bragg-rooster kan het nodig om de pulslengte comprimeren.

Er zijn verschillende manieren om de fiber-laserpulsen te wijzigen, in het bijzonder voor picoseconde ultrasnelle studies. Fotonisch kristal vezels kunnen worden vervaardigd met zeer kleine kernen sterke lineaire effecten, zoals supercontinuum genereren. Daarentegen kan de fotonische kristallen worden vervaardigd met zeer grote monomodus kern teneinde lineaire effecten bij grote vermogens te vermijden.

Flexibel fotonisch kristal vezel met grote kern gemaakt voor toepassingen met hoog vermogen. Eén van de werkwijzen opzettelijk buigen van de vezel tot ongewenste hogere orde modi te verwijderen terwijl fundamenteel transversale modus. De niet-lineariteit creëert harmonischen; en door het aftrekken van de frequentie van het vouwen, kunt u een kortere en langere golflengten te creëren. Lineaire effecten kunnen ook puls compressie, wat leidt tot het verschijnen frequentiekamlaser.

De supercontinuum bron als zeer korte pulsen produceert een continu spectrum door middel van fasemodulatie. Bijvoorbeeld van de initiële 6 ps pulsen bij 1050 nm, waarbij de vezel ytterbium laserspectrum verkregen in het bereik van ultraviolet tot meer dan 1600 nm leidt. Een andere bron van IR-gepompte erbium-supercontinuum bron bij een golflengte van 1550 nm.

hoog vermogen

De industrie is momenteel de grootste verbruiker van fiber lasers. In grote vraag heeft nu de kracht in de orde van kilowatt gebruikt in de automobielindustrie. De auto-industrie is op weg naar de productie van hoge sterkte staal auto's aan de eisen van duurzaamheid voldoen en zijn relatief eenvoudig te groter brandstofverbruik. Conventionele gereedschapsmachines is moeilijk, bijvoorbeeld perforeren dit soort staal en de bron van coherente straling maakt het gemakkelijk.

Snijden metaalvezel laser, vergeleken met andere types Quantumgeneratorinrichting heeft een aantal voordelen. Bijvoorbeeld nabij-infrarood golfgebied goed geabsorbeerd metalen. Bundel kan worden geleverd door de vezel, waarbij de robot mogelijk maakt om de focus gemakkelijk te verplaatsen bij het snijden en boren.

Optische vezel voldoet aan de hoogste eisen voor energie. Wapens VS, getest in 2014, een 6-vezel 5,5 kilowatt lasers gecombineerd in één bundel en straalt door het vormende optische systeem. 33 kW eenheid werd gebruikt om te verslaan een onbemand luchtvoertuig. Hoewel de straal niet een monomodus, het systeem van belang, omdat hiermee een vezellaser met hun handen maken van standaard, gemakkelijk verkrijgbare bestanddelen.

De hoogste macht monomodus coherente lichtbronnen IPG Photonics 10 kW. De master oscillator produceert een watt optisch vermogen, dat wordt toegevoerd aan trap bij 1018 nm gepompt met licht met andere fiber lasers versterker. Het gehele systeem heeft een grootte van twee koelkasten.

Het gebruik van fiber lasers worden ook uitgebreid naar het hoge vermogen snijden en lassen. Bijvoorbeeld, ze vervangen weerstandslassen plaatstaal het probleem van vervorming van het materiaal. Power control en andere parameters maakt zeer precies snijden bochten, in het bijzonder de hoeken.

De krachtigste multimode vezellaser - voor het snijden van metalen van dezelfde fabrikant - tot 100 kW. Het systeem is gebaseerd op een combinatie van onsamenhangende bundel, dus het is niet super hoge kwaliteit beam. Deze weerstand maakt fiber lasers aantrekkelijk voor de industrie.

betonboringen

Multimodus vezellaser vermogen van 4 kW kunnen worden gebruikt voor het snijden en betonboringen. Waarom doen? Wanneer ingenieurs proberen om seismische weerstand van bestaande gebouwen te bereiken, om heel voorzichtig zijn met het beton. Bij inbouw in het, zoals stalen wapening gebruikelijke slag- kan fouten veroorzaken en een verzwakking van het beton, maar fiber lasers snijden zonder deze te beschadigen.

Lasers met een Q-geschakelde vezel bijvoorbeeld voor etikettering of bij de vervaardiging van halfgeleider elektronica. Ze worden ook gebruikt in bereikaanduidingen: modules zijn de grootte van een hand bevatten oogveilige fiber lasers, waarvan de uitgang 4 kW, de frequentie van 50 kHz en een pulsduur van 5-15 ns.

oppervlaktebehandeling

Er is grote belangstelling voor kleine fiber lasers voor micro- en nanoprocessing. Bij het verwijderen van de oppervlaktelaag, wanneer de pulsduur korter dan 35 ps, geen spuitmateriaal. Dit voorkomt de vorming van kuiltjes en andere ongewenste artefacten. De pulsen in het femtoseconde regime produceren lineaire effecten die niet gevoelig zijn voor de golflengte en de omgeving niet verwarmd, zodat werken zonder aanzienlijke schade of verzwakking van de omgeving. Daarnaast kunnen gaten worden gesneden met een hoge diepte-breedte - bijvoorbeeld snel (binnen enkele milliseconden) Kleine gaten van 1 mm onder toepassing van een roestvrij stalen 800-fs pulsen met een frequentie van 1 MHz.

Het is ook mogelijk om het oppervlak behandelde transparante materialen, bijvoorbeeld, het menselijk oog te produceren. Een klep aan het oog microchirurgie gesneden, femtosecondepulsen vysokoaperturnym vast focus lens op een punt onder het oppervlak van het oog zonder enige schade aan het oppervlak, maar het oog door het vernietigen materiaal op een gecontroleerde diepte. Het gladde oppervlak van de cornea, wat essentieel is voor zicht blijft intact. De flap is gescheiden van de bodem, kan vervolgens worden opgetrokken tot excimeerlaser vormen lensoppervlak. Andere medische toepassingen omvatten chirurgie ondiepe penetratie in de dermatologie, evenals het gebruik van bepaalde types van optische coherentie tomografie.

femtoseconde lasers

Femtoseconde lasers in de wetenschap gebruikt om de laser afbraak spectroscopie, fluorescentiespectroscopie met een temporele resolutie prikkelen, en ook voor de algemene materiaalonderzoek. Bovendien zijn ze nodig voor de productie van femtoseconde frequentiekamlaser vereist metrologie en algemene studies. Een van de echte toepassing op korte termijn als atoomklokken van de GPS-satellieten van een nieuwe generatie, die de nauwkeurigheid zal toenemen.

Enkele frequentie vezellaser is uitgevoerd met een spectrale lijnbreedte kleiner dan 1 kHz. Deze indrukwekkende toestel met een kleine straling uitgangsvermogen van 10 mW tot 1W. Vindt toepassing op het gebied van communicatie, metrologie (bijvoorbeeld vezels gyroscopen) en spectroscopie.

Wat is het volgende?

Net als voor andere wetenschappelijke toepassingen, is het nog steeds veel van hen worden bestudeerd. Bijvoorbeeld militaire techniek, die op andere gebieden kan worden toegepast, die bestaat uit het combineren van een fiber-laserbundels een grootlicht met de coherente of spectrale combinatie te krijgen. Daardoor wordt meer vermogen bereikt in een enkele modus beam.

Productie van fiber lasers groeit snel, vooral voor de auto-industrie nodig heeft. Er is een vervanging van niet-vezelige vezelinrichtingen. Naast algemene verbeteringen in de kosten en prestaties, zijn er meer praktische femtoseconde lasers en supercontinuum bronnen. Fiber lasers bezetten meer niches en een bron van verbetering voor andere soorten lasers.