Üterbium kiu laser: seade, tööpõhimõte, võimsus, tootmise, kasutamise

Kiud laserid on kompaktne ja vastupidav, täpne ja lihtne hajumine indutseeritud kuumust. Nad tulevad erinevad ja võttes palju pistmist laserid muud liiki on oma unikaalseid eeliseid.

Fiber laserid: operatsiooni

Seda tüüpi seadmeid on standardsed variatsioon tahkisjõu allikas kiirguseks kiu asemel varda töövedeliku plaadile või plaat. Tekitatud valgus dopantvedeliku keskmist osa kiudaineid. Põhistruktuur võib ulatuda lihtne üsna keeruline. Üterbium kiu laser aparaati, nii et kiu on suur pindala ja mahu suhte, mistõttu soojust saab hajutatud suhteliselt kergesti.

Kiud lasereid pumbatakse optiliselt sageli abiga dioodlaserid, kuid mõningatel juhtudel - sama allikatest. Optika kasutatakse nendes süsteemides on tavaliselt esindab optikaga komponente, kusjuures enamik või kõik neist ei ole üksteisega ühendatud. Mõnel juhul lahtiselt optika ja mõnikord sisemise kiudoptilised süsteemi koos välise lahtiselt optika.

Diood pumba allikast võivad dioodireaga või mitut üksikut dioodid, millest igaüks on ühendatud ühenduslüli fiiberoptiliste lainejuhis. Legeeritud kiu mõlemas otsas on peegel süvend resonaatori - praktikas teha Braggi võrega. Otstes lahtiselt optika on, kui mitte ainult väljund tala siseneb midagi muud kui kiudaineid. Valgusjuhtmeks võib olla keerdus, nii et soovi korral laser õõnsuse pikkus võib olla mitu meetrit.

kahetuumalised

Struktuur kasutatud kiu kiu lasereid, on oluline. Kõige tavalisem on geomeetriat kahetuumaline struktuuri. Legeerimata välimine tuum (mõnikord nimetatakse Sisekestas) pumbatakse kogub valguse ja suunab seda mööda kiudu. Stimuleeritud kiirgus loodud kiu läbib sisemine südamik, mis on sageli üksikmõõterešiimis. Sisesüdamik sisaldab lisandina Üterbium poolt stimuleeritud pumba valgust. On palju vorme mitteringikujulise välimine koor sealhulgas - kuusnurkne, D-kujuline ja ristkülikukujuline, vähendades tõenäosust vajakute valgusvihust kesktuumas.

Kiud laser võib olla küljele või pumpamiseks. Esimesel juhul valgust ühest või mitmest allikast siseneb kiu otsas. Kui pool pumpamine valguse tarnitakse splitter, mis toidab see välimine koor. See erineb laser varda kus valgus siseneb telje suhtes risti.

Sellise otsuse nõuab palju struktuuriarenguid. Olulist tähelepanu pööratakse kokku pumba valgust tuum toota pöördasustuses, mis viib stimuleeritud emissiooni sisemises tuum. laser Südamik võib olla erineva võimendust kiu sõltuvalt doping, samuti selle pikkuses. Need tegurid on seatud konstrueerimisinsener jaoks vajalikud parameetrid.

Suurim võimsus võib tekkida, eriti kui tegutsevad ühe-mode kiu. Selline tuumal on väga väike ristlõikepindala, ning selle tulemusena liigub läbilaskmiseks valguses väga suure intensiivsusega. Kui see muutub rohkem väljendunud mittelineaarse Brillouini hajumise, mis piirab väljundvõimsus tuhandeid vatti. Kui väljund on piisavalt kõrge, kiu ots võib olla rikutud.

Eriti kiu laserid

Kasutamine kiu töövedeliku annab suurema koostoime pikkus, mis töötab hästi, kui dioodi pumpamine. See geomeetria tulemuseks on suure kasutegur footoneid, samuti usaldusväärne ja kompaktset konstruktsiooni, milles ükski diskreetse optika, nõudes reguleerimist või viimine.

Kiud laser, mis seadmed võimaldavad kohandada hästi, mida saab kohandada keevitamiseks paksu lehtmetalli ja toota femtosekund aedviljad. Kiudoptilised võimendid pakkuda ühe pass võimenduse ja kasutatakse telekommunikatsiooni, kui nad saavad võimendada palju lainepikkustel üheaegselt. Sama võimenduse kasutatakse võimendusastme meister ostsillaatori. Mõningatel juhtudel saab võimendit kasutatakse koos pidevlaineks laser.

Teine näide on allikas spontaanne eraldumine fiibertugevdusele kus stimuleeritud emissiooni pärsitud. Teine näide on Raman kiu laser koos suurenenud hajutatuse praktiliselt põikjõuga lainepikkusega. On leidnud rakendamist uurimis-, kus kombinatsioon põlvkonna ja võimendamine fluoriidreagendiga klaasist asemel standard ränidioksiidi kiude.

Kuid üldiselt, kiududest ränidioksiidklaasi koos haruldaste muldmetallide lisandjaotuste südamikus. Aluselised lisaained on Üterbium ja Erbium. Üterbium on lainepikkustel 1030-1080 nm ja võivad eraldada laias vahemikus. Kasutamise 940 nm dioodpingekordisti vähendab oluliselt puudujäägi footoneid. Üterbium on kumbki ise karastamist mõjud, mis on hetkel neodüüm kõrgetel tihedusest, mistõttu Viimast kasutatakse lahtiselt laserid ja Üterbium - kiudainesisaldusega (nad mõlemad annavad umbes sama lainepikkusega).

Erbium kiirgab vahemikus 1530-1620 nm, seif silmad. Sagedust saab kahekordistunud valguse tekitamiseks temperatuuril 780 nm, mis ei ole kättesaadavad teistele kiutüüpi lasereid. Lõpuks Üterbium saab lisada Erbium et element kulub pump kiirguse ja edastada selle energia erbium. Tuulium - teise lisandjaotuste heitkoguste lähemas infrapuna piirkonnas, mis seega on ohutu silma pilte.

kõrge efektiivsusega

Kiudaine laser on kvaasikorporatiivseks kolmetasandiline süsteem. pumba footonite erutada üleminekut maa riigi ülemise kihi. Laser üleminek on madalaim osa ülemise taseme üks split jahvatatud riikides. See on väga efektiivne: näiteks Üterbium-940 nm footoni pumba kiirgab footoni lainepikkusel 1030 nm, ja quantum defekti (energia kadu), vaid umbes 9%.

Seevastu neodüüm, pumbatakse 808 nm kaotab umbes 24% energiast. Seega Üterbium olemuselt on kõrge efektiivsusega, kuid mitte kõik on saavutatav tõttu saamata mõned footonid. Õbi saab pumbata mitmes sagedusribad ja Erbium - lainepikkus 1480 või 980 nm. Mida kõrgem sagedus ei ole nii efektiivne nii defekti footonid, kuid kasulik, isegi sel juhul, sest 980 nm, parim kättesaadavatest allikatest.

Üldine efektiivsuse kiu laser on tingitud kahe-etapiline protsess. Esiteks, see on pumba tõhusust dioodi. Semiconductor allikad kiirgus on väga tõhus, 50% efektiivsusega konverteeriva elektrilise signaali optiline. Laboratoorse uuringud näitavad, et on võimalik saavutada väärtus 70% või rohkem. Täpse vaste väljund kiirguse neeldumise line kiu laser saavutatakse ja kõrge pumpamine tõhusust.

Teiseks, see optiline muundusastmetega tõhusust. Kui väike defekt footonite võimalik saavutada kõrget ergastus ja ekstraktsiooni efektiivsusele optilise optilise kasutegur 60-70%. Saadud kasutegur on vahemikus 25-35%.

eri koosseisudes

Kiud quantum pideva lainegeneraatori võivad olla ühe- või multi-(põiki režiimid). Singlemode toota kõrge kvaliteediga tala materjalid, töö või saates tala läbi atmosfääri ja multi-tööstuse kiu laserid võivad tekitada rohkem võimu. Seda kasutatakse lõikamine ja keevitamine, eriti, kuumtöötlusseadmetel, kus suure pindalaga valgustatakse.

Pikakiuline laser on praktiliselt poolpideval aparaati tavaliselt millisekundi impulsside genereerimise tüübist. Tavaliselt on see töötsükkel on 10%. See viib kõrgema tippvõimsus üle püsirezhiimis (tavaliselt kümme korda), mida kasutatakse näiteks võtta impulsi puurimine. Sagedus võib olla 500 Hz, kestusest sõltuvalt.

Q-ümberlülitamise kiudainesisaldusega laserid toimib ka lahtiselt. Tüüpiline impulsi kestus on vahemikus nanosekundid kuni mikrosekundit. Mida pikem on kiu Enam kulub Q-väljundi lülitus kiirgust, mille tulemuseks on pikem pulss.

Kiud omadused on mõned piirangud Q modulatsiooni. Mittelineaarsust kiu laser on olulisem, sest väike ristlõikepindala südamiku, nii et tipuvõimsusega peaks olema mõnevõrra piiratud. Võite kasutada kas Q maht lülitid, mis annavad suurema jõudluse või modulaatorid, mis on ühendatud otsad aktiivne osa.

Q-vahetusega impulsside võib amplifitseerida kiu või õõnsuses resonaator. Näiteks, kui viimane võib leida rahvuslikus Complex simulatsiooni tuumakatsetusi (NIF, Livermore, CA), kus kiu laser on kapten ostsillaatori 192 talad. Väikesed impulsside suurte tahvlite klaasist legeeritud võimendatakse megadžaul.

Kiudainesisaldusega laserit sünkroniseerimise kordumissagedus sõltub pikkus materjalist aluskihiga, nagu teistes režiimides sünkroonimismeetodi kontuuride ja impulsi kestus sõltub võimet suurendada läbilaskevõimet. Kõige lühem on vahemikus 50 fs ja kõige tüüpilisem - vahemikus 100 fs.

Aastatel Üterbium ja Erbium kiudaineid, seal on oluline erinevus, kusjuures need toimivad erinevates režiimides dispersiooni. Erbium legeeritud kiu kiirgavad 1550 nm piirkonnas anomaalse dispersiooni. See võimaldab solitons. Itterbievye kiud on positiivses või tavaline hajutamist; selle tulemusena nad impulsside lineaarne sagedusmodulatsiooni väljendunud. Selle tulemusena Bragg võrega võib vaja tihendada impulsi pikkus.

On mitmeid viise, kuidas muuta kiudude Laserimpulsside, eriti picosecond ülikiire uuringud. Footonkristallist optiline kiud saab valmistada väga väike südamikud strong mittelineaarse mõjusid, nagu supercontinuum põlvkonda. Seevastu footonkristalle saab valmistada ka väga suur üherežiimiline core vältimiseks mittelineaarne mõju kõrge võimu.

Paindlik Footonkristallist optiline kiud suure südamiku loodud vajavates rakendustes suure võimsusega. Üks meetodeid on tahtliku painutamist kiu kõrvaldada kõik soovimatud kõrgemat järku režiimid säilitades oluline mitmikmoodilise. Mittelineaarsus loob harmoonilised; ja lahutatakse sageduse kokkuklapitavad, saate luua lühemad ja pikemad lainepikkused. Mittelineaarne mõju võib ka toota kokkusurumise, mis viib ilmumissagedust kärjed.

Supercontinuum allikast väga lühitõugete tekitada pidevat spektrit kaudu faasmodulatsiooniliikide. Näiteks algsest 6 ps pulsarit 1050 nm, mis loob Üterbium kiu laser spekter vahemikus ultravioletist üle 1600 nm. Teine allikas IR-pumbati Erbium supercontinuum allikas lainepikkusel 1550 nm.

suure võimsusega

Tööstus on praegu suurim tarbija kiudaineid laserid. Suur nõudlus just nüüd naudib võimu järjekorras kilovatti kasutatakse autotööstuses. Autotööstus liigub suunas tootmise ülitugevast terasest autosid nõuetele vastupidavuse ja on suhteliselt lihtne suurem kütusekulu. Tavapärane tööpingid on väga raske, näiteks Punch augud seda tüüpi terasest ja allikate kiirgusega oleks lihtne.

Lõikamiseks kiu laser, võrreldes teiste liiki quantum generaatori on mitmeid eeliseid. Näiteks lähiinfrapunakiirguse laineala imendub hästi metallidega. Beam saab tellida läbi kiudaineid, mis võimaldab robotil kergesti liigutada fookuse kui lõikamine ja puurimine.

Kiudoptilised vastab kõrgeimatele nõuetele võimsus. Relvade USAMereväe testiti 2014 koosneb 6-kiu 5,5-kilovatt laserid kombineerida üheks lähi- ja kiirgavat kaudu moodustavat optilise süsteemi. 33 kW üksuse kasutati võita mehitamata õhust sõiduki. Kuigi kiir ei ole ühe-mode, süsteem pakub huvi, kuna see võimaldab luua kiu laser käed välja standard, kergesti kättesaadavad koostisosi.

Kõrgeim võim ühe-mode koherentset valgust allikad IPG Photonics on 10 kW. Peremees ostsillaatori toodab vati optiline tugevus, millega varustatakse võimendusastme pumbati 1018 nm valgusega muud kiu lasereid. Kogu süsteem on suurus kaks külmikud.

Kiudoptilise kaabli kasutamine laserid on suunatud ka suure võimsuse lõikamise ja keevitamise teel. Näiteks võivad nad asendada Keevituse terasplekist probleemi lahendamiseks deformatsioon materjali. Võimsuse reguleerimine ja muud parameetrid võimaldab väga täpset lõikamine kõverad, eriti nurkades.

Kõige võimsam multi-kiu laser - lõikamiseks metall sama tootja - kuni 100 kW. Süsteem põhineb kombinatsioon seosetu lähituled, nii see ei ole super kvaliteetne kiire. See resistentsus muudab kiu laserid tööstusele atraktiivne.

betooni puurimine

Multimode kiu laser väljundvõimsusega 4 kW saab kasutada lõikamine ja betooni puurimine. Miks seda teha? Kui insenerid üritavad saavutada seismilised vastupanu olemasolevate hoonete olema väga ettevaatlik betooni. Kui paigaldatud seda, nagu terastoed tavalised löök- võib põhjustada vigu ja nõrgestada betoonist, kuid kiud laserid lõigatud muljumist.

Laserit Q-vahetusega kiu kasutatakse näiteks märgistuse või valmistamisel pooljuhtelektroonika. Neid kasutatakse ka kaugusemõõtjad: moodulid on suurus küljest sisaldada silma ohutu kiu laserid mille väljund on 4 kW, sagedus 50 kHz ja impulsi pikkus on 5-15 ns.

pinnatöötlus

Seal on suur huvi väikeste kiudude laserid mikro- ja nanoprocessing. Tõmmates pinnakiht, kui impulsi kestus on lühem kui 35 ps, no pihustamise materjalist. See takistab teket Dimples ja teiste soovimatute artefakte. Impulsid on femtosecond režiimi toota mittelineaarne mõju, mis ei ole tundlik lainepikkus ja seda ümbritsev ala ei kuumutata, mis võimaldab töötada ilma olulist kahju või nõrgenemine ümbritsevate piirkondade. Lisaks augud võib lõigata suure sügavuse ja laiuse - näiteks kiiresti (mõne millisekundi) Väiksed augud 1 mm, kasutades roostevabast terasest 800-fs impulsside sagedusega 1 MHz.

Samuti on võimalik toota pindtöötlusega läbipaistvad materjalid, näiteks inimese silm. Lõigata klapp silmade microsurgery, femtosecond impulsside vysokoaperturnym tihedalt fookuskaugusega lääts punktist allapoole silma kahju tekitamata pinnal, kuid silma hävitades materjali kontrollitud põhjalikult. Sile pind sarvkesta, mis on oluline nägemist jääb puutumata. Klapp eraldatakse alt, võib seejärel tõmmata pinna eksimeerlasertoitega moodustav lääts. Muud meditsiinilised rakendused hõlmavad kirurgia madalas levik dermatoloogia, samuti kasutada teatud tüüpi koherentstomograafia.

femtosekund laserid

Femtosecond laserid teaduses ergastamiseks kasutatakse laser jaotus spektroskoopia, fluorestsents-spektroskoopia, mille ajaline resolutsioon ja ka üldiselt materjalide uuringud. Lisaks on need vajalikud tootmiseks femtosecond sagedus kamm vaja metroloogia ja üldised uuringud. Üks tõeline rakenduste lühiajaliselt on aatomkellalt GPS satelliitide uue põlvkonna, mis suurendab positsioneerimise täpsust.

Ühesageduse kiu laser sooritatakse spektraalse linewidth alla 1 kHz. See muljetavaldav seade väike kiirguse väljundvõimsus 10 mW kuni 1W. Leiab rakendust valdkonnas side, metrology (nt kiudainesisaldusega gyroscopes) ja spektroskoopia.

Mis edasi?

Nagu teistegi uurimistöös, on see siiski palju neid on uuritud. Näiteks sõjalise engineering, mida saab rakendada ka teistes valdkondades, mis seisneb Kombineerides kiudude laserkiirte saada kaugtuled kasutades seostatav või spektraalse koostisega. Selle tulemusena rohkem võimsust saavutatakse üherežiimilisest tala.

Kiu tootmiseks laserid kasvab kiiresti, eriti autotööstuses vajadustele. Samuti on asendamine mittekiulised kiu seadmeid. Lisaks üldiselt paranenud kulude ja tulemuslikkuse, on rohkem praktiline femtosecond laserid ja supercontinuum allikatest. Fiber laserid hõivata rohkem nišše ja muutunud allikas paranemist muud tüüpi laserid.