Ytterbium fiber lāzers: ierīce, darbības princips, jauda, ražošana, pielietojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Šķiedras lāzeri ir kompakti un izturīgi, precīzi norāda un viegli izkliedē siltumenerģiju. Tiem ir dažādas formas, un, lai gan tiem ir daudz kopīga ar cita veida optiskajiem kvantu ģeneratoriem, tiem ir savas unikālas priekšrocības.

Šķiedru lāzeri: kā tie darbojas

Šāda veida ierīces ir standarta cietvielu koherenta starojuma avota variants ar darba vidi, kas izgatavota no šķiedras, nevis no stieņa, plāksnes vai diska. Gaismu ģenerē dopants šķiedras centrā. Pamatstruktūra var būt no vienkāršas līdz diezgan sarežģītai. Iterbija šķiedru lāzera konstrukcija ir tāda, ka šķiedrai ir liela virsmas un tilpuma attiecība, tāpēc siltumu var salīdzinoši viegli izkliedēt.

Šķiedras lāzeri tiek optiski sūknēti, visbiežāk izmantojot diodes kvantu ģeneratorus, bet dažos gadījumos no tiem pašiem avotiem. Šajās sistēmās izmantotā optika parasti ir šķiedras komponenti, un lielākā daļa vai visas no tām ir savienotas viena ar otru. Dažos gadījumostiek izmantota tilpuma optika, un dažreiz iekšējā optiskās šķiedras sistēma tiek apvienota ar ārējo volumetrisko optiku.

Diodes sūknēšanas avots var būt diode, matrica vai vairākas atsevišķas diodes, no kurām katra ir savienota ar savienotāju ar optiskās šķiedras gaismas vadu. Leģētajai šķiedrai abos galos ir dobuma rezonatora spogulis - praksē šķiedrā tiek izgatavoti Bragg režģi. Galos nav lielapjoma optikas, ja vien izejas stars neieplūst kaut ko citu, nevis šķiedru. Gaismas vadu var pagriezt, lai pēc vēlēšanās lāzera dobums varētu būt vairākus metrus garš.

Divkodolu struktūra

Šķiedru lāzeros izmantotās šķiedras struktūra ir svarīga. Visizplatītākā ģeometrija ir divu kodolu struktūra. Neleģētais ārējais kodols (dažreiz saukts par iekšējo apšuvumu) savāc sūknēto gaismu un virza to pa šķiedru. Stimulētā emisija, kas rodas šķiedrā, iziet caur iekšējo serdi, kas bieži vien ir vienmoda. Iekšējais kodols satur iterbija piedevu, ko stimulē sūkņa gaismas stars. Ārējam kodolam ir daudz neapaļu formu, tostarp sešstūra, D formas un taisnstūrveida, kas samazina iespēju, ka centrālajā kodolā trūkst gaismas stara.

Šķiedru lāzeru var sūknēt no gala vai sāniem. Pirmajā gadījumā šķiedras galā nonāk gaisma no viena vai vairākiem avotiem. Sānu sūknēšanas gadījumā gaisma tiek ievadīta sadalītājā, kas to piegādā ārējam kodolam. toatšķiras no stieņu lāzera, kur gaisma ieplūst perpendikulāri asij.

Šis risinājums prasa daudz dizaina izstrādes. Ievērojama uzmanība tiek pievērsta sūkņa gaismas ievadīšanai kodolā, lai radītu populācijas inversiju, kas izraisa stimulētu emisiju iekšējā kodolā. Lāzera serdenim var būt dažāda pastiprinājuma pakāpe atkarībā no šķiedras dopinga, kā arī no tā garuma. Šos faktorus pielāgo projektēšanas inženieris, lai iegūtu nepieciešamos parametrus.

Var rasties jaudas ierobežojumi, īpaši, ja darbojas viena režīma šķiedrā. Šādam kodolam ir ļoti mazs šķērsgriezuma laukums, un rezultātā caur to iziet ļoti augstas intensitātes gaisma. Tajā pašā laikā arvien pamanāmāka kļūst nelineārā Brillouin izkliede, kas ierobežo izejas jaudu līdz vairākiem tūkstošiem vatu. Ja izejas signāls ir pietiekami augsts, var tikt bojāts šķiedras gals.

Šķiedru lāzeru īpašības

Izmantojot šķiedru kā darba vidi, tiek nodrošināts ilgs mijiedarbības ilgums, kas labi darbojas ar diodes sūknēšanu. Šī ģeometrija nodrošina augstu fotonu pārveidošanas efektivitāti, kā arī izturīgu un kompaktu dizainu bez diskrētas optikas regulēšanai vai izlīdzināšanai.

Šķiedru lāzeru, kura ierīce ļauj tam labi pielāgoties, var pielāgot gan biezu metāla lokšņu metināšanai, gan femtosekundes impulsu ražošanai. Optiskās šķiedras pastiprinātāji nodrošina vienas kārtas pastiprināšanu un tiek izmantoti telekomunikācijās, jo tie spēj vienlaikus pastiprināt daudzus viļņu garumus. Tas pats pastiprinājums tiek izmantots jaudas pastiprinātājos ar galveno oscilatoru. Dažos gadījumos pastiprinātājs var darboties ar CW lāzeru.

Cits piemērs ir ar šķiedru pastiprināti spontānās emisijas avoti, kuros tiek nomākta stimulētā emisija. Vēl viens piemērs ir Ramana šķiedru lāzers ar kombinētu izkliedes pastiprinājumu, kas būtiski maina viļņa garumu. Tas ir atradis pielietojumu zinātniskajos pētījumos, kur Ramana ģenerēšanai un pastiprināšanai tiek izmantotas fluorīda stikla šķiedras, nevis standarta kvarca šķiedras.

Tomēr parasti šķiedras ir izgatavotas no kvarca stikla ar retzemju piedevu kodolā. Galvenās piedevas ir iterbijs un erbijs. Iterbija viļņu garums ir no 1030 līdz 1080 nm, un tas var izstarot plašākā diapazonā. 940 nm diodes sūknēšanas izmantošana ievērojami samazina fotonu deficītu. Iterbijam nav neviena no pašatdzišanas efektiem, kādi piemīt neodīmam pie liela blīvuma, tāpēc neodīmu izmanto lielapjoma lāzeros un iterbiju šķiedru lāzeros (tie abi nodrošina aptuveni vienādu viļņa garumu).

Erbijs izstaro 1530-1620 nm diapazonā, kas ir droši acīm. Frekvenci var dubultot, lai radītu gaismu pie 780 nm, kas nav pieejams cita veida šķiedru lāzeriem. Visbeidzot, iterbiju var pievienot erbijam tā, lai elements to absorbētusūknēt starojumu un nodot šo enerģiju erbijam. Tulijs ir vēl viens gandrīz infrasarkanais piedevas līdzeklis, kas tādējādi ir acīm drošs materiāls.

Augsta efektivitāte

Šķiedru lāzers ir gandrīz trīs līmeņu sistēma. Sūkņa fotons ierosina pāreju no pamata stāvokļa uz augšējo līmeni. Lāzera pāreja ir pāreja no augšējā līmeņa zemākās daļas uz vienu no sadalītajiem pamata stāvokļiem. Tas ir ļoti efektīvi: piemēram, iterbijs ar 940 nm sūkņa fotonu izstaro fotonu ar viļņa garumu 1030 nm un kvantu defektu (enerģijas zudumu) tikai aptuveni 9%.

Turpretim neodīms, kas sūknēts pie 808 nm, zaudē aptuveni 24% savas enerģijas. Tādējādi iterbijam pēc savas būtības ir augstāka efektivitāte, lai gan ne visu to var sasniegt dažu fotonu zuduma dēļ. Yb var sūknēt vairākās frekvenču joslās, savukārt erbiju var sūknēt pie 1480 vai 980 nm. Augstāka frekvence nav tik efektīva fotonu defekta ziņā, taču noderīga pat šajā gadījumā, jo ir pieejami labāki avoti pie 980 nm.

Kopumā šķiedru lāzera efektivitāte ir divpakāpju procesa rezultāts. Pirmkārt, tā ir sūkņa diodes efektivitāte. Koherentā starojuma pusvadītāju avoti ir ļoti efektīvi, ar 50% efektivitāti, pārvēršot elektrisko signālu optiskā. Laboratorijas pētījumu rezultāti liecina, ka ir iespējams sasniegt vērtību 70% vai vairāk. Ar precīzu izejas starojuma līnijas atbilstībušķiedru lāzera absorbcija un augsta sūkņa efektivitāte.

Otrā ir optiskās-optiskās konversijas efektivitāte. Ar nelielu fotonu defektu var sasniegt augstu ierosmes un ekstrakcijas efektivitātes pakāpi ar opto-optiskās konversijas efektivitāti 60–70%. Iegūtā efektivitāte ir 25–35% robežās.

Dažādas konfigurācijas

Nepārtraukta starojuma šķiedru optiskie kvantu ģeneratori var būt vienmodu vai daudzmodu (šķērsvirziena režīmiem). Viena režīma lāzeri rada augstas kvalitātes staru materiālu, kas darbojas vai izstaro atmosfēru, savukārt daudzrežīmu rūpnieciskie šķiedru lāzeri var radīt lielu jaudu. To izmanto griešanai un metināšanai, un jo īpaši termiskai apstrādei, kur tiek apgaismota liela platība.

Ilgā impulsa šķiedru lāzers būtībā ir gandrīz nepārtraukta ierīce, kas parasti rada milisekundes tipa impulsus. Parasti tā darba cikls ir 10%. Tas nodrošina lielāku maksimālo jaudu nekā nepārtrauktā režīmā (parasti desmit reizes vairāk), ko izmanto, piemēram, impulsu urbšanai. Frekvence var sasniegt 500 Hz atkarībā no ilguma.

Q-pārslēgšana šķiedru lāzeros darbojas tāpat kā lielapjoma lāzeros. Tipisks impulsa ilgums ir diapazonā no nanosekundēm līdz mikrosekundēm. Jo garāka šķiedra, jo ilgāks laiks nepieciešams, lai Q pārslēgtu izvadi, tādējādi radot garāku impulsu.

Šķiedras īpašības nosaka dažus ierobežojumus Q pārslēgšanai. Šķiedru lāzera nelinearitāte ir nozīmīgāka mazā kodola šķērsgriezuma laukuma dēļ, tāpēc maksimālajai jaudai jābūt nedaudz ierobežotai. Var izmantot vai nu tilpuma Q slēdžus, kas nodrošina labāku veiktspēju, vai šķiedru modulatorus, kas ir savienoti ar aktīvās daļas galiem.

Q-pārslēgtos impulsus var pastiprināt šķiedrā vai dobuma rezonatorā. Pēdējā piemēru var atrast Nacionālajā kodolizmēģinājumu simulācijas iekārtā (NIF, Livermore, CA), kur iterbija šķiedras lāzers ir galvenais oscilators 192 stariem. Mazie impulsi lielās leģēta stikla plāksnēs tiek pastiprināti līdz megadžouliem.

Bloķētos šķiedru lāzeros atkārtošanās ātrums ir atkarīgs no pastiprinājuma materiāla garuma, tāpat kā citās režīma bloķēšanas shēmās, un impulsa ilgums ir atkarīgs no pastiprinājuma joslas platuma. Īsākie ir 50 fs diapazonā un tipiskākie ir 100 fs diapazonā.

Starp erbija un iterbija šķiedrām ir būtiska atšķirība, kā rezultātā tās darbojas dažādos dispersijas režīmos. Ar erbiju leģētas šķiedras izstaro pie 1550 nm anomālās dispersijas reģionā. Tas ļauj ražot solitonus. Iterbija šķiedras atrodas pozitīvas vai normālas izkliedes zonā; kā rezultātā tie ģenerē impulsus ar izteiktu lineāro modulācijas frekvenci. Rezultātā var būt nepieciešams Brega režģis, lai saspiestu impulsa garumu.

Ir vairāki veidi, kā modificēt šķiedru lāzera impulsus, jo īpaši īpaši ātriem pikosekundes pētījumiem. Fotoniskās kristāla šķiedras var izgatavot ar ļoti maziem serdeņiem, lai radītu spēcīgus nelineārus efektus, piemēram, superkontinuuma veidošanos. Turpretim fotoniskos kristālus var izgatavot arī ar ļoti lieliem viena režīma serdeņiem, lai izvairītos no nelineāriem efektiem pie lielas jaudas.

Elastīgās liela kodola fotoniskā kristāla šķiedras ir paredzētas lielas jaudas lietojumiem. Viens no paņēmieniem ir šādas šķiedras apzināta saliekšana, lai novērstu jebkādus nevēlamus augstākas kārtas režīmus, vienlaikus saglabājot tikai pamata šķērsenisko režīmu. Nelinearitāte rada harmonikas; atņemot un saskaitot frekvences, var izveidot īsākus un garākus viļņus. Nelineārie efekti var arī saspiest impulsus, izraisot frekvenču ķemmes.

Kā superkontinuuma avots, ļoti īsi impulsi rada plašu nepārtrauktu spektru, izmantojot pašfāzes modulāciju. Piemēram, no sākotnējiem 6 ps impulsiem pie 1050 nm, ko rada iterbija šķiedras lāzers, tiek iegūts spektrs diapazonā no ultravioletā līdz vairāk nekā 1600 nm. Cits superkontinuālais IR avots tiek sūknēts ar erbija avotu pie 1550 nm.

Lieljaudas

Nozare pašlaik ir lielākais šķiedru lāzeru patērētājs. Jauda šobrīd ir ļoti pieprasīta.apmēram kilovatu, izmanto automobiļu rūpniecībā. Automobiļu rūpniecība virzās uz augstas stiprības tērauda transportlīdzekļiem, lai tie atbilstu izturības prasībām un būtu salīdzinoši viegli, lai nodrošinātu labāku degvielas ekonomiju. Parastajiem darbgaldiem ir ļoti grūti, piemēram, izurbt caurumus šāda veida tēraudā, taču saskaņoti starojuma avoti to atvieglo.

Metālu griešanai ar šķiedru lāzeru, salīdzinot ar cita veida kvantu ģeneratoriem, ir vairākas priekšrocības. Piemēram, tuvu infrasarkano staru viļņus labi absorbē metāli. Staru var novirzīt pāri šķiedrai, ļaujot robotam viegli pārvietot fokusu griešanas un urbšanas laikā.

Šķiedra atbilst visaugstākajām jaudas prasībām. 2014. gadā pārbaudītais ASV flotes ierocis sastāv no 6 šķiedru 5,5 kW lāzeriem, kas apvienoti vienā starā un izstaro caur veidojošu optisko sistēmu. 33 kW vienība tika izmantota, lai iznīcinātu bezpilota lidaparātu. Lai gan stars nav vienmoda, sistēma ir interesanta, jo ļauj ar savām rokām izveidot šķiedru lāzeru no standarta, viegli pieejamiem komponentiem.

Lielākās jaudas vienmoda koherentās gaismas avots no IPG Photonics ir 10 kW. Galvenais oscilators ražo kilovatu optiskās jaudas, kas tiek ievadīta pastiprinātāja stadijā, kas tiek sūknēta pie 1018 nm ar gaismu no citiem šķiedru lāzeriem. Visa sistēma ir divu ledusskapju lielumā.

Šķiedru lāzeru izmantošana ir izplatījusies arī lielas jaudas griešanas un metināšanas jomā. Piemēram, viņi nomainījalokšņu tērauda pretestības metināšana, risinot materiāla deformācijas problēmu. Jaudas un citu parametru kontrole ļauj ļoti precīzi izgriezt līkumus, īpaši stūrus.

Jaudīgākais daudzrežīmu šķiedru lāzers - tā paša ražotāja metāla griešanas iekārta - sasniedz 100 kW. Sistēma ir balstīta uz nesakarīga stara kombināciju, tāpēc tas nav īpaši augstas kvalitātes stars. Šī izturība padara šķiedru lāzerus pievilcīgus nozarei.

Betona urbšana

4KW vairāku režīmu šķiedru lāzeru var izmantot betona griešanai un urbšanai. Kāpēc tas ir vajadzīgs? Kad inženieri mēģina panākt zemestrīces izturību esošajās ēkās, ar betonu jābūt ļoti uzmanīgiem. Ja tajā ir uzstādīts tērauda stiegrojums, piemēram, parastā urbšana ar āmuru var ieplaisāt un novājināt betonu, bet šķiedru lāzeri to sagriež, nesasmalcinot.

Kvantu ģeneratori ar Q komutācijas šķiedru tiek izmantoti, piemēram, marķēšanai vai pusvadītāju elektronikas ražošanā. Tos izmanto arī attāluma mērītājos: rokas izmēra moduļos ir acu droši šķiedru lāzeri ar jaudu 4 kW, frekvenci 50 kHz un impulsa platumu 5-15 ns.

Virsmas apstrāde

Ir liela interese par mazo šķiedru lāzeriem mikro- un nanoapstrādei. Noņemot virsmas slāni, ja impulsa ilgums ir īsāks par 35 ps, materiāla izšļakstīšanās nenotiek. Tas novērš depresiju veidošanos unciti nevēlami artefakti. Femtosekundes impulsi rada nelineārus efektus, kas nav jutīgi pret viļņa garumu un nesasilda apkārtējo telpu, ļaujot darboties bez būtiskiem bojājumiem vai apkārtējo zonu vājināšanās. Turklāt caurumus var izgriezt ar augstu dziļuma un platuma attiecību, piemēram, ātri (milisekunžu laikā) izveidojot mazus caurumus 1 mm nerūsējošajā tēraudā, izmantojot 800 fs impulsus ar 1 MHz.

Var izmantot arī caurspīdīgu materiālu, piemēram, cilvēka acu, virsmas apstrādei. Lai nogrieztu atloku acs mikroķirurģijā, femtosekundes impulsus cieši fokusē ar augstas diafragmas objektīvu punktā zem acs virsmas, neradot nekādus virsmas bojājumus, bet iznīcinot acs materiālu kontrolētā dziļumā. Radzenes gludā virsma, kas ir būtiska redzei, paliek neskarta. Pēc tam atloku, kas atdalīts no apakšas, var pavilkt uz augšu, lai izveidotu virsmas eksimērlāzera lēcas. Citi medicīniski pielietojumi ietver seklās iespiešanās ķirurģiju dermatoloģijā un izmantošanu dažu veidu optiskās koherences tomogrāfijā.

Femtosekundes lāzeri

Femtosekundes kvantu ģeneratorus izmanto zinātnē ierosmes spektroskopijai ar lāzera sadalījumu, laika izšķirtspējas fluorescences spektroskopijai, kā arī vispārīgiem materiālu pētījumiem. Turklāt tie ir nepieciešami femtosekundes frekvences radīšanaimetroloģijā un vispārīgajos pētījumos nepieciešamās ķemmes. Viens no reālajiem lietojumiem īstermiņā būs atompulksteņi nākamās paaudzes GPS satelītiem, kas uzlabos pozicionēšanas precizitāti.

Vienfrekvences šķiedru lāzers tiek ražots ar spektra līnijas platumu, kas mazāks par 1 kHz. Tā ir iespaidīgi maza ierīce ar izejas jaudu no 10mW līdz 1W. To var izmantot sakaru, metroloģijas (piemēram, šķiedru žiroskopos) un spektroskopijas jomā.

Kas tālāk?

Attiecībā uz citām pētniecības un izstrādes lietojumprogrammām tiek pētītas daudzas citas. Piemēram, militāra attīstība, ko var pielietot citās jomās, kas sastāv no šķiedru lāzera staru apvienošanas, lai iegūtu vienu augstas kvalitātes staru, izmantojot koherentu vai spektrālu kombināciju. Tā rezultātā viena režīma starā tiek sasniegta lielāka jauda.

Šķiedru lāzeru ražošana strauji pieaug, īpaši automobiļu rūpniecības vajadzībām. Arī nešķiedras ierīces tiek aizstātas ar šķiedru ierīcēm. Papildus vispārējiem izmaksu un veiktspējas uzlabojumiem femtosekundes kvantu ģeneratori un superkontinuuma avoti kļūst arvien praktiskāki. Šķiedru lāzeri kļūst par nišas un kļūst par citu veidu lāzeru uzlabojumu avotu.