Laser cu fibră de yterbiu: dispozitiv, principiu de funcționare, putere, producție, aplicare

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Laserele cu fibră sunt compacte și robuste, punctează cu precizie și disipează cu ușurință energia termică. Ele vin într-o varietate de forme și, deși au multe în comun cu alte tipuri de generatoare cuantice optice, au propriile lor avantaje unice.

Laserele cu fibră: cum funcționează

Dispozitivele de acest tip sunt o variație a unei surse standard în stare solidă de radiație coerentă cu un mediu de lucru format din fibre, mai degrabă decât o tijă, placă sau disc. Lumina este generată de un dopant în centrul fibrei. Structura de bază poate varia de la simplă la destul de complexă. Designul laserului cu fibre de iterbiu este astfel încât fibra are un raport mare suprafață/volum, astfel încât căldura poate fi disipată relativ ușor.

Laserele cu fibră sunt pompate optic, cel mai adesea de generatoare cuantice cu diode, dar în unele cazuri de aceleași surse. Optica utilizată în aceste sisteme sunt de obicei componente din fibră, majoritatea sau toate fiind conectate între ele. In unele cazurise utilizează optică volumetrică și, uneori, un sistem intern de fibră optică este combinat cu optica volumetrică externă.

Sursa de pompare a diodei poate fi o diodă, o matrice sau o multitudine de diode individuale, fiecare dintre acestea fiind conectată la un conector printr-un ghid de lumină cu fibră optică. Fibra dopată are la fiecare capăt o oglindă rezonatoare cu cavitate - în practică, în fibră sunt realizate grătare Bragg. Nu există optica în vrac la capete, cu excepția cazului în care fasciculul de ieșire intră în altceva decât o fibră. Ghidul de lumină poate fi răsucit, astfel încât, dacă se dorește, cavitatea laserului poate avea câțiva metri lungime.

Structură de bază duală

Structura fibrei utilizate în laserele cu fibră este importantă. Cea mai comună geometrie este structura dual core. Miezul exterior nedopat (numit uneori placa interioară) colectează lumina pompată și o direcționează de-a lungul fibrei. Emisia stimulată generată în fibră trece prin miezul interior, care este adesea monomod. Miezul interior conține un dopant de itterbiu stimulat de fasciculul luminos al pompei. Există multe forme necirculare ale miezului exterior, inclusiv hexagonale, în formă de D și dreptunghiulare, care reduc șansa de lipsă a fasciculului de lumină din miezul central.

Laserul cu fibră poate fi pompat la capăt sau lateral. În primul caz, lumina de la una sau mai multe surse pătrunde la capătul fibrei. În pomparea laterală, lumina este alimentată într-un splitter, care o furnizează miezului exterior. aceastadiferă de laserul cu tijă, unde lumina pătrunde perpendicular pe axă.

Această soluție necesită multă dezvoltare a designului. Se acordă o atenție considerabilă conducerii luminii pompei în miez pentru a produce o inversare a populației care să conducă la emisie stimulată în miezul interior. Miezul laser poate avea un grad diferit de amplificare in functie de dopajul fibrei, cat si de lungimea acesteia. Acești factori sunt ajustați de către inginerul proiectant pentru a obține parametrii necesari.

Pot apărea limitări de putere, în special atunci când funcționează în fibră monomod. Un astfel de miez are o suprafață în secțiune transversală foarte mică și, ca rezultat, trece prin el lumina de intensitate foarte mare. În același timp, împrăștierea neliniară Brillouin devine din ce în ce mai vizibilă, ceea ce limitează puterea de ieșire la câteva mii de wați. Dacă semnalul de ieșire este suficient de mare, capătul fibrei poate fi deteriorat.

Caracteristici ale laserelor cu fibră

Folosirea fibrei ca mediu de lucru oferă o lungime mare de interacțiune care funcționează bine cu pomparea cu diode. Această geometrie are ca rezultat o eficiență ridicată de conversie a fotonului, precum și un design robust și compact, fără optici discrete de ajustat sau aliniat.

Laserul cu fibră, al cărui dispozitiv îi permite să se adapteze bine, poate fi adaptat atât pentru sudarea tablelor groase de metal, cât și pentru producerea impulsurilor femtosecunde. Amplificatoarele cu fibră optică oferă amplificare cu o singură trecere și sunt utilizate în telecomunicații deoarece sunt capabile să amplifice multe lungimi de undă simultan. Același câștig este folosit la amplificatoarele de putere cu un oscilator principal. În unele cazuri, amplificatorul poate funcționa cu un laser CW.

Un alt exemplu sunt sursele de emisie spontană amplificată cu fibre în care emisia stimulată este suprimată. Un alt exemplu este un laser cu fibră Raman cu amplificare de împrăștiere combinată, care modifică semnificativ lungimea de undă. A găsit aplicație în cercetarea științifică, unde fibrele de sticlă fluorurate sunt folosite pentru generarea și amplificarea Raman, mai degrabă decât fibrele standard de cuarț.

Totuși, de regulă, fibrele sunt fabricate din sticlă de cuarț cu un dopant de pământ rar în miez. Principalii aditivi sunt iterbiul și erbiul. Itterbiul are lungimi de undă de la 1030 la 1080 nm și poate radia într-un interval mai larg. Utilizarea pompei cu diode de 940 nm reduce semnificativ deficitul de fotoni. Iterbiul nu are niciunul dintre efectele de auto-stingere pe care le are neodimul la densități mari, așa că neodimul este utilizat în laserele în vrac și iterbiul în laserele cu fibră (ambele oferă aproximativ aceeași lungime de undă).

Erbium emite în intervalul 1530-1620 nm, ceea ce este sigur pentru ochi. Frecvența poate fi dublată pentru a genera lumină la 780 nm, ceea ce nu este disponibil pentru alte tipuri de lasere cu fibră. În cele din urmă, yterbiul poate fi adăugat la erbiu în așa fel încât elementul să absoarbăpompează radiația și transferă această energie în erbiu. Tuliul este un alt dopant în infraroșu apropiat, care este, prin urmare, un material sigur pentru ochi.

Eficiență ridicată

Laserul cu fibră este un sistem cu aproape trei niveluri. Fotonul pompei excită trecerea de la starea fundamentală la nivelul superior. O tranziție cu laser este o tranziție de la partea cea mai de jos a nivelului superior la una dintre stările fundamentale divizate. Acest lucru este foarte eficient: de exemplu, iterbiul cu un foton de pompă de 940 nm emite un foton cu o lungime de undă de 1030 nm și un defect cuantic (pierdere de energie) de numai aproximativ 9%.

În schimb, neodimul pompat la 808nm își pierde aproximativ 24% din energie. Astfel, yterbiul are în mod inerent o eficiență mai mare, deși nu toate sunt realizabile din cauza pierderii unor fotoni. Yb poate fi pompat într-un număr de benzi de frecvență, în timp ce erbiul poate fi pompat la 1480 sau 980 nm. Frecvența mai mare nu este la fel de eficientă în ceea ce privește defectul fotonului, dar utilă chiar și în acest caz, deoarece surse mai bune sunt disponibile la 980nm.

În general, eficiența unui laser cu fibră este rezultatul unui proces în două etape. În primul rând, aceasta este eficiența diodei pompei. Sursele semiconductoare de radiație coerentă sunt foarte eficiente, cu o eficiență de 50% în transformarea unui semnal electric în unul optic. Rezultatele studiilor de laborator indică faptul că este posibil să se obțină o valoare de 70% sau mai mult. Cu o potrivire exactă a liniei de radiație de ieșireabsorbție laser cu fibre și eficiență ridicată a pompei.

Secund este eficiența conversiei optice-optice. Cu un mic defect foton, se poate obține un grad ridicat de eficiență de excitare și extracție cu o eficiență de conversie opto-optică de 60–70%. Eficiența rezultată este în intervalul 25–35%.

Diferite configurații

Generatoarele cuantice cu fibră optică de radiație continuă pot fi monomode sau multimodale (pentru moduri transversale). Laserele cu un singur mod produc un fascicul de în altă calitate pentru materialele care operează sau care trec prin atmosferă, în timp ce laserele industriale cu fibre multimodale pot genera putere mare. Acesta este utilizat pentru tăiere și sudare și, în special, pentru tratarea termică, unde este iluminată o zonă mare.

Laserul cu fibră cu impuls lung este în esență un dispozitiv cvasi-continuu, care produce de obicei impulsuri de tip milisecunde. De obicei, ciclul său de lucru este de 10%. Acest lucru are ca rezultat o putere de vârf mai mare decât în modul continuu (de obicei de zece ori mai mult), care este utilizat pentru forarea cu impulsuri, de exemplu. Frecvența poate ajunge la 500 Hz, în funcție de durată.

Q-switching la laserele cu fibră funcționează în același mod ca și la laserele în vrac. Durata tipică a impulsului este în intervalul de la nanosecunde la microsecunde. Cu cât fibra este mai lungă, cu atât este nevoie de mai mult pentru a comuta Q ieșirea, rezultând un impuls mai lung.

Proprietățile fibrei impun unele restricții privind comutarea Q. Neliniaritatea unui laser cu fibră este mai semnificativă datorită ariei mici a secțiunii transversale a miezului, astfel încât puterea de vârf trebuie să fie oarecum limitată. Pot fi folosite fie comutatoare Q volumetrice, care oferă performanțe mai bune, fie modulatoare de fibră, care sunt conectate la capetele părții active.

Impulsurile cu comutare Q pot fi amplificate în fibră sau într-un rezonator cu cavitate. Un exemplu al acestuia din urmă poate fi găsit la National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), unde un laser cu fibră de itterbiu este oscilatorul principal pentru 192 de fascicule. Pulsurile mici din plăci mari de sticlă dopată sunt amplificate la megajouli.

În laserele cu fibră blocate, rata de repetiție depinde de lungimea materialului de câștig, ca în alte scheme de blocare a modului, iar durata impulsului depinde de lățimea de bandă a câștigului. Cele mai scurte sunt în intervalul 50 fs, iar cele mai tipice sunt în intervalul 100 fs.

Există o diferență importantă între fibrele de erbiu și iterbiu, drept urmare acestea funcționează în diferite moduri de dispersie. Fibrele dopate cu erbiu emit la 1550 nm în regiunea de dispersie anormală. Acest lucru permite producerea de solitoni. Fibrele de iterbiu sunt în regiunea de dispersie pozitivă sau normală; ca urmare, ele generează impulsuri cu o frecvență de modulație liniară pronunțată. Ca rezultat, poate fi necesar un grătar Bragg pentru a comprima durata pulsului.

Există mai multe modalități de a modifica impulsurile laser cu fibră, în special pentru studii ultrarapide în picosecundă. Fibrele de cristal fotonic pot fi realizate cu miezuri foarte mici pentru a produce efecte neliniare puternice, cum ar fi generarea de supercontinuum. În schimb, cristalele fotonice pot fi realizate și cu nuclee monomod foarte mari pentru a evita efectele neliniare la puteri mari.

Fibrele de cristal fotonic cu miez mare flexibil sunt concepute pentru aplicații de mare putere. O tehnică este de a îndoi în mod intenționat o astfel de fibră pentru a elimina orice moduri de ordin superior nedorite, păstrând în același timp doar modul transversal fundamental. Neliniaritatea creează armonici; prin scăderea și adăugarea de frecvențe se pot crea unde mai scurte și mai lungi. Efectele neliniare pot, de asemenea, comprima impulsurile, rezultând piepteni de frecvență.

Ca sursă de supercontinuu, impulsurile foarte scurte produc un spectru larg continuu folosind modulația de autofaza. De exemplu, din impulsurile inițiale de 6 ps la 1050 nm pe care le creează un laser cu fibră de itterbiu, se obține un spectru în intervalul de la ultraviolet la mai mult de 1600 nm. O altă sursă IR supercontinuă este pompată cu o sursă de erbiu la 1550 nm.

Putere mare

Industria este în prezent cel mai mare consumator de lasere cu fibră. Puterea este foarte solicitată în acest moment.aproximativ un kilowatt, folosit în industria auto. Industria auto se îndreaptă către vehicule din oțel de în altă rezistență pentru a îndeplini cerințele de durabilitate și pentru a fi relativ ușoare pentru o mai bună economie de combustibil. Este foarte dificil pentru mașinile-unelte obișnuite, de exemplu, să facă găuri în acest tip de oțel, dar sursele de radiații coerente facilitează acest lucru.

Tăierea metalelor cu un laser cu fibră, în comparație cu alte tipuri de generatoare cuantice, are o serie de avantaje. De exemplu, lungimile de undă în infraroșu apropiat sunt bine absorbite de metale. Fasciculul poate fi livrat peste fibră, permițând robotului să mute cu ușurință focalizarea atunci când taie și găurește.

Fibra îndeplinește cele mai în alte cerințe de putere. O armă a Marinei SUA testată în 2014 constă din lasere cu 6 fibre de 5,5 kW combinate într-un singur fascicul și emitând printr-un sistem optic de formare. Unitatea de 33 kW a fost folosită pentru a distruge un vehicul aerian fără pilot. Deși fasciculul nu este monomod, sistemul este interesant, deoarece vă permite să creați un laser cu fibră cu propriile mâini din componente standard, ușor disponibile.

Cea mai mare sursă de lumină coerentă monomod de la IPG Photonics este de 10 kW. Oscilatorul principal produce un kilowatt de putere optică, care este alimentat în treapta de amplificare pompată la 1018 nm cu lumină de la alte lasere cu fibră. Întregul sistem are dimensiunea a două frigidere.

Utilizarea laserelor cu fibră s-a extins și la tăierea și sudarea de mare putere. De exemplu, au înlocuitsudarea prin rezistență a tablei de oțel, rezolvând problema deformarii materialului. Controlul puterii și al altor parametri permite tăierea foarte precisă a curbelor, în special a colțurilor.

Cel mai puternic laser cu fibră multimod - o mașină de tăiat metal de la același producător - atinge 100 kW. Sistemul se bazează pe o combinație a unui fascicul incoerent, deci nu este un fascicul de calitate ultra-în altă. Această durabilitate face laserele cu fibră atractive pentru industrie.

Forarea betonului

Laserul cu fibră multimod de 4KW poate fi utilizat pentru tăierea și forarea betonului. De ce este nevoie de asta? Când inginerii încearcă să obțină rezistență la cutremur în clădirile existente, trebuie să fii foarte atent cu betonul. Dacă în el este instalată armătură din oțel, de exemplu, găurirea cu ciocan convențională poate crăpa și slăbi betonul, dar laserele cu fibre îl taie fără să-l zdrobească.

Generatoarele cuantice cu fibră Q-switched sunt utilizate, de exemplu, pentru marcare sau în producția de electronice semiconductoare. Ele sunt, de asemenea, utilizate în telemetru: modulele de dimensiunea manuală conțin lasere cu fibră sigure pentru ochi, cu o putere de 4 kW, o frecvență de 50 kHz și o lățime a impulsului de 5-15 ns.

Tratament de suprafață

Există mult interes pentru laserele cu fibre mici pentru micro- și nano-prelucrare. La îndepărtarea stratului de suprafață, dacă durata pulsului este mai mică de 35 ps, nu există stropire a materialului. Acest lucru previne formarea depresiilor și alte artefacte nedorite. Impulsurile de femtosecundă produc efecte neliniare care nu sunt sensibile la lungimea de undă și nu încălzesc spațiul înconjurător, permițând funcționarea fără deteriorare semnificativă sau slăbire a zonelor înconjurătoare. În plus, găurile pot fi tăiate la un raport mare adâncime-lățime, cum ar fi rapid (în câteva milisecunde) realizarea de găuri mici în oțel inoxidabil de 1 mm folosind impulsuri de 800 fs la 1 MHz.

Poate fi folosit și pentru tratarea suprafeței materialelor transparente, cum ar fi ochii umani. Pentru a tăia un lambou în microchirurgia oculară, pulsurile femtosecunde sunt strâns focalizate de un obiectiv cu deschidere mare într-un punct sub suprafața oculară, fără a provoca nicio deteriorare a suprafeței, ci distrugând materialul ocular la o adâncime controlată. Suprafața netedă a corneei, care este esențială pentru vedere, rămâne intactă. Clapeta, separată de dedesubt, poate fi apoi trasă în sus pentru formarea lentilelor laser excimer de suprafață. Alte aplicații medicale includ chirurgia cu penetrare superficială în dermatologie și utilizarea în unele tipuri de tomografie cu coerență optică.

Laser femtosecunde

Generatoarele cuantice de femtosecundă sunt utilizate în știință pentru spectroscopie de excitație cu defalcare laser, spectroscopie de fluorescență rezolvată în timp, precum și pentru cercetarea generală a materialelor. În plus, acestea sunt necesare pentru producerea frecvenței femtosecundepiepteni necesari in metrologie si in cercetarea generala. Una dintre aplicațiile reale pe termen scurt va fi ceasurile atomice pentru sateliții GPS de generație următoare, care vor îmbunătăți precizia poziționării.

Laserul cu fibră cu o singură frecvență este produs cu lățime de linie spectrală mai mică de 1 kHz. Este un dispozitiv impresionant de mic, cu o putere de ieșire cuprinsă între 10mW și 1W. Își găsește aplicație în domeniul comunicațiilor, metrologiei (de exemplu, în giroscoape cu fibre) și spectroscopiei.

Ce urmează?

Ca și în cazul altor aplicații de cercetare și dezvoltare, multe altele sunt explorate. De exemplu, o dezvoltare militară care poate fi aplicată și în alte zone, care constă în combinarea fasciculelor laser cu fibre pentru a obține un fascicul de în altă calitate folosind combinații coerente sau spectrale. Ca rezultat, se obține mai multă putere în fasciculul monomod.

Producția de lasere cu fibră este în creștere rapidă, în special pentru nevoile industriei auto. Dispozitivele non-fibră sunt, de asemenea, înlocuite cu cele din fibră. Pe lângă îmbunătățirile generale ale costurilor și performanței, generatoarele cuantice femtosecunde și sursele de supercontinuu devin din ce în ce mai practice. Laserele cu fibră devin din ce în ce mai de nișă și devin o sursă de îmbunătățire pentru alte tipuri de lasere.