Làser de fibra de iterbi: el dispositiu, el principi de funcionament, potència, producció, ús

Els làsers de fibra són compacte i durador, precís i fàcil de dispersió induïda per calor. Vénen en diferents tipus i que té molt a veure amb els làsers d'altres tipus tenen els seus propis avantatges.

Els làsers de fibra d'operació:

Els dispositius d'aquest tipus són la variació estàndard de la font d'estat sòlid de radiació coherent de la fibra, en lloc de fluid de treball vareta, una placa o disc. La llum generada pel dopant en la porció central de la fibra. L'estructura bàsica pot variar de simple a força complex. aparell de làser de fibra de iterbi de tal manera que la fibra té una gran superfície en relació al volum, de manera que la calor es pot difondre de manera relativament fàcil.

Els làsers de fibra són bombats òpticament, sovint amb l'ajuda de làsers de díode, però en alguns casos - les mateixes fonts. Optics utilitzats en aquests sistemes són en general representa components òptics, en què la major part o tots ells estan connectats entre si. En alguns casos, una òptica a granel, i el sistema de fibra òptica de vegades interna es combina amb una òptica a granel externs.

Una font de bombament de díode pot ser una matriu de díodes, o una pluralitat de díodes individuals, cadascun dels quals està connectat a la guia d'ones de connector de fibra òptica. fibra dopada a cada extrem té una cavitat de ressonador mirall - en la pràctica fer que la xarxa de Bragg. En els extrems de l'òptica a granel tenen, si no només el feix de sortida entra en una cosa diferent de la fibra. La guia de llum pot ser torçat de manera que si es vol, la cavitat de làser pot tenir una longitud de diversos metres.

binuclear

fibres d'estructura utilitzada en els làsers de fibra, és important. El més comú és la geometria d'una estructura de doble nucli. nucli extern sense dopar (de vegades referit com l'íntima) bombejat recull la llum i la dirigeix al llarg de la fibra. radiació estimulada generada a la fibra passa a través del nucli interior, que és sovint una manera única. El nucli interior conté un additiu de iterbi, estimulat per la llum de bombament. Hi ha moltes formes de nucli extern no circular incloent - hexagonal, en forma de D i rectangular, reduint la probabilitat de fallades del feix de llum en el nucli central.

El làser de fibra pot tenir un cap o el bombament costat. A la primera llum cas d'una o més fonts entra en l'extrem de la fibra. Quan se subministra la llum de bombament costat a un divisor que l'introdueix en el nucli extern. Això difereix de la barra de làser, on la llum entra en perpendicular a l'eix.

Per a tal decisió requereix una gran quantitat de canvis estructurals. Es presta una atenció considerable a resumir la llum de bombament al nucli per produir una inversió de població, donant lloc a l'emissió estimulada en el nucli intern. nucli de làser pot tenir diversos graus d'amplificació en la fibra en funció del dopatge, així com sobre la seva longitud. Aquests factors s'estableixen com a enginyer de disseny per als paràmetres requerits.

es pot produir límit de potència, en particular quan s'opera dins d'una fibra de manera única. un nucli d'aquesta mena té una molt petita àrea de secció transversal, i com a resultat passa la llum a través del mateix de molt alta intensitat. Quan això s'està convertint dispersió de Brillouin no lineal més pronunciada, el que limita la potència de sortida de diversos milers de watts. Si la sortida és prou alta, l'extrem de la fibra pot estar danyat.

Especialment làsers de fibra

L'ús de la fibra com a fluid de treball dóna una major longitud interacció, que funciona bé quan el bombament de díodes. Aquesta geometria resulta en una alta eficiència de conversió de fotons, així com la construcció fiable i compacta, en què no hi ha òptica discrets, que requereix ajust o alineació.

Un làser de fibra, aparell que li permet adaptar-se bé, pot ser adaptat per a la soldadura de làmines metàl·liques gruixudes i per produir impulsos de femtosegons. amplificadors de fibra òptica proporcionen guany d'un sol pas i s'utilitzen en les telecomunicacions, ja que poden amplificar moltes longituds d'ona al mateix temps. La mateixa guany s'utilitza en amplificadors de potència amb un oscil·lador mestre. En alguns casos, l'amplificador pot ser operat amb un làser d'ona contínua.

Un altre exemple és una font d'emissió espontània de la fibra de reforç, en la qual se suprimeix l'emissió estimulada. Un altre exemple és un làser de fibra Raman combinat amb augment de la dispersió, longitud d'ona substancialment cisallament. S'ha trobat aplicació en la investigació, on la combinació de la generació i amplificació usant un got de fluorur en lloc de les fibres de sílice estàndard.

No obstant això, generalment, les fibres fetes de vidre de sílice amb dopant de terres rares en el nucli. Els additius bàsics són iterbi i el erbi. Iterbi té longituds d'ona 1030-1080 nm, i pot emetre en un ampli interval. L'ús de la bomba de díode de 940 nm redueix significativament el dèficit de fotons. Iterbi té ni un acte-tremp efectes, que estan en neodimi a altes densitats, de manera que l'últim s'utilitza en els làsers a granel i d'iterbi - en fibra (tots dos proporcionen aproximadament la mateixa longitud d'ona).

Erbi emet en el rang de 1530 a 1620 nm, una assegurança per als ulls. La freqüència pot ser duplicat per generar llum a 780 nm, que no està disponible per a altres tipus de làsers de fibra. Finalment, iterbi es pot afegir a erbi manera que l'element absorbeix la radiació de bombament i transmetre aquesta energia a erbi. Tulio - un altre dopant a l'emissió en la regió de l'infraroig proper, que per tant és segur per a les imatges de l'ull.

alta eficiència

El làser de fibra és un sistema de tres nivells quasi. els fotons de bombament excita la transició des de l'estat fonamental a la capa superior. transició làser és des de la part més baixa del nivell superior en un dels estats de divisió mòlta. Això és molt eficaç: per exemple, iterbi-940 bomba nm de fotons emet un fotó amb longitud d'ona de 1030 nm, i el defecte quàntic (pèrdua d'energia), només al voltant del 9%.

En contrast, neodimi, bombat a 808 nm perd al voltant del 24% de l'energia. Per tant, iterbi inherentment té una alta eficiència, encara que no tot és assolible a causa de la pèrdua d'alguns dels fotons. Yb es pot bombar en un nombre de bandes de freqüència, i erbi - longitud d'ona de 1480 o 980 nm. La major freqüència no és tan eficaç en termes de fotons de defectes, però útil, fins i tot en aquest cas, a causa de 980 nm, les millors fonts disponibles.

L'eficiència global de la fibra de làser és el resultat de procés de dos passos. En primer lloc, és l'eficiència del díode bomba. fonts de semiconductors de radiació coherent són molt eficaços, amb una eficiència del 50% la conversió d'un senyal elèctric en una òptica. Els resultats dels estudis de laboratori suggereixen que és possible arribar a un valor del 70% o més. Amb sortida partit absorció de la radiació làser de fibra línia exacta s'aconsegueix i una alta eficiència de bombeig.

En segon lloc, aquesta eficiència de conversió òptica-òptic. Quan una petita fotons de defectes poden arribar a un alt grau d'excitació i de l'eficàcia de l'extracció de l'eficiència de conversió òptica-òptica del 60-70%. L'eficiència resultant està en el rang de 25-35%.

diverses configuracions

Fibra quàntica generadors d'ones contínues poden ser (modes transversals) individuals o multimode. Monomode produir fes d'alta qualitat per als materials, de treball o l'enviament d'un feix a través de l'atmosfera, i el làser multimode de fibra industrial pot generar més potència. S'utilitza per al tall i la soldadura, i, en particular, per al tractament de calor, on s'il·lumina una àrea gran.

El làser de fibra llarga és substancialment aparell quasi contínua generalment mil·lisegon tipus de generació de polsos. En general, és el cicle de treball és del 10%. Això condueix a una potència de pic més alta que la manera continu (típicament deu vegades) que s'utilitza, per exemple, per a una perforació premut. La freqüència pot ser de 500 Hz, depenent de la durada.

Q-commutació en làsers de fibra també actua com a la massa. Una durada de pols típic és en el rang de nanosegons a microsegons. Com més llarga sigui la fibra, més temps triga per a la commutació Q de la radiació de sortida, resultant en un pols més llarg.

propietats de la fibra són algunes limitacions en la modulació Q. La no linealitat de la fibra de làser és més significativa a causa de la petita àrea de secció transversal del nucli, de manera que la potència de bec ha de ser quelcom limitat. Podeu utilitzar qualsevol dels interruptors de volum Q, que proporcionen un major rendiment, o moduladors òptics, que estan connectats als extrems de la part activa.

polsos de commutació de Q poden ser amplificats en una fibra o al ressonador de cavitat. Un exemple d'això últim es pot trobar a la simulació Complex Nacional dels assajos nuclears (NIF, Livermore, CA), en què el làser de fibra és un oscil·lador mestre per 192 fas. Petits polsos de grans lloses de vidre dopat amplificades a megajulios.

En làsers de fibra amb freqüència de repetició de sincronització depèn de la longitud de material de reforç, com en les altres maneres de circuits de sincronització i durada dels impulsos depèn de la capacitat per millorar el rendiment. El més curt estan en el rang de 50 fs, i el més típic - en el rang de 100 fs.

Entre iterbi i fibra de erbi, hi ha una diferència important, de manera que operen en diferents maneres de dispersió. fibra dopada amb erbi que emeten a 1550 nm en una regió de dispersió anòmala. Això permet que els solitons. Itterbievye fibres estan en una dispersió positiva o normal; com a resultat, generen impulsos amb modulació de freqüència lineal pronunciada. Com a resultat de la reixeta de Bragg pot ser necessari per comprimir la longitud de l'impuls.

Hi ha diverses maneres de modificar els polsos de làser de fibra, en particular per als estudis de picosegons ultraràpids. fibres de vidre fotònic es poden fabricar amb molt petits nuclis per forts efectes no lineals, com ara per a la generació d'supercontinuo. En contrast, els cristalls fotònics poden també ser fabricats amb nucli monomode molt gran per tal d'evitar efectes no lineals a altes potències.

fibra flexible de vidre fotònic amb gran nucli creat per a aplicacions que requereixen alta potència. Un dels mètodes és la flexió deliberada de la fibra per eliminar qualsevol manera no desitjats d'ordre superior, mentre que el manteniment d'una manera transversal fonamental. La no linealitat crea harmònics; i restant la freqüència de plegat, pot crear unes longituds d'ona més curtes i més llargues. efectes no lineals també poden produir compressió d'impulsos, que condueix a les pintes de freqüència aparença.

La font supercontinuo com polsos molt curts produeixen un espectre continu a través de la modulació de fase. Per exemple, a partir dels 6 polsos inicials CV a 1050 nm, el que crea l'espectre làser de fibra de iterbi obtingut en el rang d'ultraviolat a més de 1600 nm. Una altra font de la font d'erbi supercontinuo IR-bombat a una longitud d'ona de 1550 nm.

d'alta potència

La indústria és actualment el major consumidor de làsers de fibra. En alta demanda en aquest moment compta amb el poder de l'ordre de quilowatts utilitzats en la indústria de l'automòbil. La indústria de l'automòbil s'està movent cap a la producció d'automòbils d'acer d'alta resistència per complir els requisits de durabilitat i són relativament fàcils de major economia de combustible. màquines eines convencionals és molt difícil, per exemple, perforar forats en aquest tipus d'acer i les fonts de radiació coherent que sigui fàcil.

Tall per làser de fibra de metall, en comparació amb altres tipus de generador quàntic té una sèrie d'avantatges. Per exemple, la banda d'ona de l'infraroig proper bé metalls absorbit. Beam pot ser lliurat a través de la fibra, el que permet que el robot per moure fàcilment el focus quan el tall i la perforació.

Fibra òptica satisfà els més alts requisits de potència. Armes Marina dels EUA, provat en 2014, consisteix en un 6-fibra làsers 5,5 quilowatts combinats en un fes i que irradien a través del sistema òptic que forma. 33 unitat kW es va utilitzar per derrotar un vehicle aeri no tripulat. Tot i que el feix no és d'una sola manera, el sistema és d'interès, ja que permet crear un làser de fibra amb les seves mans fora d'ingredients estàndard, fàcilment disponibles.

Els monomode poder coherents fonts de llum més altes d'IPG Fotònica és de 10 kW. L'oscil·lador mestre produeix un watt de potència òptica, que es subministra a l'amplificador etapa bombat a 1018 nm amb llum d'altres làsers de fibra. Tot el sistema té una mida de dos refrigeradors.

L'ús de làsers de fibra també s'estenen a l'alta cort d'energia i la soldadura. Per exemple, van reemplaçar soldadura per resistència el full d'acer resoldre el problema de la deformació del material. Control de potència i altres paràmetres permet corbes de tall molt precises, especialment les cantonades.

El més potent làser de fibra multimode - per al tall de metalls del mateix fabricant - fins a 100 kW. El sistema es basa en una combinació de feix incoherent, per la qual cosa no és super fes d'alta qualitat. Aquesta resistència fa que els làsers de fibra atractives per a la indústria.

perforació de formigó

Multimode de sortida del làser de fibra de 4 kW es pot utilitzar per al tall i perforació de formigó. Per què fer-ho? Quan els enginyers estan tractant d'aconseguir la resistència sísmica dels edificis existents, de tenir molta cura amb el formigó. Quan s'instal·la en ella, tal com acer de reforç perforació per percussió convencionals poden causar defectes i debilitar el formigó, però els làsers de fibra tallades sense aixafar-la.

Làsers amb una fibra de Q-commutat utilitzat per exemple per a l'etiquetatge o en la fabricació de l'electrònica de semiconductors. També s'utilitzen en telèmetres: mòduls són de la mida d'una mà conté làsers de fibra ull-safe la sortida és 4 kW, la freqüència de 50 kHz i una durada de pols de 5-15 ns.

tractament de superfícies

Hi ha un gran interès en petits làsers de fibra per a micro i nanoprocessing. En retirar la capa superficial, si la durada de l'impuls és més curt que 35 ps, cap material de polvorització. Això evita la formació de clotets i altres artefactes indesitjables. Els impulsos en el règim de femtosegon produeixen efectes no lineals que no són sensibles a la longitud d'ona i la zona circumdant no s'escalfa, el que permet treballar sense dany substancial o debilitament de les àrees circumdants. A més, els forats es poden tallar amb una alta profunditat a amplada - per exemple, ràpidament (d'aquí a uns pocs milisegons) petits forats d'1 mm usant una d'acer inoxidable polsos 800-FS amb una freqüència d'1 MHz.

També és possible produir materials transparents tractades en la superfície, per exemple, l'ull humà. Per tallar un penjoll a la microcirurgia de l'ull, polsos de femtosegons vysokoaperturnym lent fermament focus en un punt per sota de la superfície de l'ull sense causar cap dany a la superfície, però l'ull mitjançant la destrucció de material sobre una profunditat controlada. La superfície llisa de la còrnia, que és essencial per a la visió roman intacta. L'aleta es separa de la part inferior, a continuació, es pot tirar fins superfície de la lent de formació de làser excimer. Altres aplicacions mèdiques inclouen la cirurgia de penetració poc profunda en la dermatologia, així com l'ús de certs tipus de tomografia de coherència òptica.

làsers de femtosegons

làsers de femtosegons en la ciència utilitzen per excitar l'espectroscòpia làser de ruptura, l'espectroscòpia de fluorescència amb una resolució temporal, i també per a la investigació de materials en general. A més, es necessiten per a la producció de pinta de freqüències de femtosegons requerida en metrologia i estudis generals. Una de les aplicacions reals en el curt termini seran els rellotges atòmics dels satèl·lits GPS d'una nova generació, la qual cosa augmentarà la precisió de posicionament.

làser de fibra de freqüència individual es realitza amb una amplada de línia espectral de menys d'1 kHz. Aquest dispositiu impressionant, amb una petita potència de sortida de radiació de 10 mW a 1 W. Troba aplicació en el camp de les comunicacions, la metrologia (per exemple, en els giroscopis de fibra) i l'espectroscòpia.

Què segueix?

Quant a altres aplicacions d'investigació, és encara s'estudien molts d'ells. Per exemple, l'enginyeria militar, que pot ser aplicat en altres àrees, que consisteix en la combinació d'un bigues de fibra làser per obtenir un feix d'alta utilitzant la combinació coherent o espectral. Com a resultat, s'aconsegueix més potència en un feix de manera única.

La producció de làsers de fibra està creixent ràpidament, especialment per a les necessitats de la indústria d'automoció. A més, no és un reemplaçament de dispositius de fibra no fibrosos. A més de les millores generals en cost i rendiment, no són més pràctics làser de femtosegons i fonts supercontinuo. Els làsers de fibra ocupen més nínxols i es converteixen en una font de millora per a altres tipus de làser.