Serat Iterbium Laser: perangkat, prinsip operasi, listrik, produksi, penggunaan

Serat laser yang kompak dan tahan lama, akurat, dan mudah untuk menyebarkan diinduksi panas. Mereka datang dalam berbagai jenis dan memiliki banyak hubungannya dengan laser jenis lain memiliki kelebihan yang unik mereka sendiri.

laser serat: operasi

Perangkat jenis ini adalah variasi standar dari sumber solid-state radiasi koheren dari serat, bukan batang fluida kerja, piring atau disk. Cahaya yang dihasilkan oleh dopan di bagian tengah serat. Struktur dasar dapat berkisar dari yang sederhana sampai yang cukup kompleks. aparat serat laser ytterbium sehingga serat memiliki permukaan besar untuk rasio volume, sehingga panas dapat menyebar relatif mudah.

Serat laser dipompa optik, sering dengan bantuan laser dioda, tetapi dalam beberapa kasus - sumber yang sama. Optik digunakan dalam sistem ini biasanya merupakan komponen optik, dimana sebagian besar atau semua dari mereka yang terhubung satu sama lain. Dalam beberapa kasus, sebuah optik massal, dan sistem serat optik kadang-kadang internal dikombinasikan dengan optik massal eksternal.

Sebuah sumber pompa dioda mungkin array dioda, atau sejumlah dioda individu, yang masing-masing terhubung ke pandu konektor serat optik. serat doped di setiap akhir memiliki cermin rongga resonator - dalam praktek membuat serat Bragg grating. Di ujung optik massal miliki, jika tidak hanya balok output memasuki sesuatu yang lain dari serat. Panduan cahaya dapat memutar sehingga jika diinginkan rongga laser mungkin memiliki panjang beberapa meter.

binuklir

serat struktur yang digunakan dalam laser serat, adalah penting. Yang paling umum adalah geometri struktur dual-core. inti luar undoped (kadang-kadang disebut sebagai intima) dipompa mengumpulkan cahaya dan mengarahkan sepanjang serat. radiasi dirangsang dihasilkan dalam serat melewati inti, yang seringkali merupakan single mode. Inti bagian berisi ytterbium aditif, dirangsang oleh cahaya pompa. Ada banyak bentuk inti luar bukan lingkaran termasuk - heksagonal, D berbentuk dan persegi panjang, mengurangi kemungkinan meleset sinar di inti pusat.

Serat laser dapat memiliki akhir atau samping memompa. Dalam cahaya kasus pertama dari satu atau lebih sumber memasuki akhir serat. Bila lampu sisi memompa dipasok ke splitter yang feed ke dalam inti luar. Ini berbeda dari batang laser di mana cahaya masuk tegak lurus dengan sumbu.

Untuk keputusan seperti itu membutuhkan banyak perkembangan struktural. perhatian dibayar untuk meringkas cahaya pompa ke inti untuk menghasilkan inversi populasi, yang mengarah ke emisi terstimulasi dalam inti. Laser inti mungkin memiliki berbagai tingkat amplifikasi serat tergantung pada doping, serta pada panjangnya. Faktor-faktor ini ditetapkan sebagai insinyur desain untuk parameter yang diperlukan.

batas daya dapat terjadi, terutama ketika beroperasi dalam serat single-mode. inti seperti memiliki daerah yang sangat kecil cross-sectional, dan sebagai hasilnya melewati cahaya melaluinya intensitas yang sangat tinggi. Ketika ini menjadi non-linear Brillouin hamburan lebih jelas, yang membatasi output daya dari beberapa ribu watt. Jika output cukup tinggi, akhir serat mungkin rusak.

Terutama laser serat

Penggunaan serat sebagai fluida kerja memberikan panjang interaksi yang lebih besar, yang bekerja dengan baik ketika dioda memompa. Ini hasil geometri dalam efisiensi tinggi konversi foton, serta handal dan kompak konstruksi, di mana tidak ada optik diskrit, membutuhkan penyesuaian atau keselarasan.

Sebuah laser serat, yang aparat memungkinkan untuk beradaptasi dengan baik, dapat diadaptasi untuk pengelasan lembaran logam tebal dan untuk menghasilkan pulsa femtosecond. amplifier serat optik menyediakan single-pass gain dan digunakan dalam telekomunikasi, karena mereka dapat memperkuat banyak panjang gelombang secara bersamaan. Keuntungan yang sama digunakan dalam power amplifier dengan osilator induk. Dalam beberapa kasus, penguat dapat dioperasikan dengan laser gelombang terus menerus.

Contoh lain adalah sumber emisi spontan dari serat-penguatan, di mana emisi terstimulasi ditekan. Contoh lain adalah laser serat Raman dikombinasikan dengan peningkatan dispersi, panjang gelombang secara substansial geser. Ini telah menemukan aplikasi dalam penelitian, di mana kombinasi generasi dan amplifikasi menggunakan kaca fluoride daripada serat silika standar.

Namun, secara umum, serat terbuat dari kaca silika dengan dopan tanah jarang di inti. Aditif dasar ytterbium dan erbium. Iterbium memiliki panjang gelombang 1030-1080 nm, dan dapat memancarkan melalui berbagai. Penggunaan 940-nm pompa dioda secara signifikan mengurangi defisit foton. Iterbium memiliki tidak efek self-pendinginan, yang berada di neodymium pada kepadatan tinggi, sehingga yang terakhir digunakan dalam laser massal dan ytterbium - serat (mereka berdua menyediakan sekitar panjang gelombang yang sama).

Erbium memancarkan dalam rentang 1530-1620 nm, yang aman untuk mata. Frekuensi dapat dua kali lipat untuk menghasilkan cahaya pada 780 nm, yang tidak tersedia untuk jenis lain dari laser serat. Akhirnya, ytterbium dapat ditambahkan ke erbium sehingga unsur akan menyerap radiasi pompa dan mengirimkan energi ini untuk erbium. Thulium - dopan lain untuk emisi di wilayah inframerah dekat, yang dengan demikian aman untuk gambar mata.

efisiensi tinggi

Serat laser sistem kuasi-tiga tingkat. foton pompa merangsang transisi dari keadaan dasar ke lapisan atas. transisi laser dari bagian terendah dari tingkat atas di salah satu perpecahan tanah negara. Hal ini sangat efektif: misalnya, ytterbium-940 pompa foton nm memancarkan foton dengan panjang gelombang 1030 nm, dan cacat kuantum (kehilangan energi), hanya sekitar 9%.

Sebaliknya, neodymium, dipompa pada 808 nm kehilangan sekitar 24% dari energi. Dengan demikian, ytterbium inheren memiliki efisiensi tinggi, meskipun tidak semuanya dapat dicapai karena hilangnya beberapa foton. Yb dapat dipompa di sejumlah band frekuensi, dan erbium - panjang gelombang dari 1480 atau 980 nm. Frekuensi yang lebih tinggi tidak efektif dalam hal foton cacat, tapi berguna, bahkan dalam kasus ini, karena pada 980 nm, sumber terbaik yang tersedia.

efisiensi keseluruhan laser serat merupakan hasil dari proses dua langkah. Pertama, adalah efisiensi dioda pompa. sumber semikonduktor radiasi koheren sangat efektif, dengan efisiensi 50% mengkonversi sinyal listrik menjadi optik. Hasil penelitian laboratorium menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk mencapai nilai 70% atau lebih. Dengan tepat keluaran pertandingan penyerapan radiasi serat laser garis dicapai dan efisiensi pemompaan yang tinggi.

Kedua, efisiensi konversi optik-optik ini. Ketika foton cacat kecil dapat mencapai tingkat tinggi eksitasi dan efisiensi ekstraksi efisiensi konversi optik-optik dari 60-70%. Efisiensi yang dihasilkan di kisaran 25-35%.

berbagai konfigurasi

Serat kuantum terus menerus gelombang generator bisa tunggal atau multimode (melintang mode). Singlemode menghasilkan balok berkualitas tinggi untuk bahan, bekerja atau mengirim berkas melalui atmosfer, dan multimode industri serat laser dapat menghasilkan tenaga lebih. Hal ini digunakan untuk memotong dan pengelasan, dan khususnya, untuk perlakuan panas, di mana area yang luas diterangi.

Laser serat panjang secara substansial aparat kuasi-kontinu biasanya milidetik jenis pembangkit pulsa. Biasanya siklus adalah 10%. Hal ini menyebabkan daya puncak yang lebih tinggi daripada mode kontinyu (biasanya sepuluh kali) yang digunakan, misalnya, untuk pengeboran berdenyut. Frekuensi mungkin 500 Hz, tergantung pada durasi.

Q-switching di laser serat juga bertindak sebagai dalam bulk. Sebuah durasi pulsa khas adalah dalam kisaran nanodetik untuk mikrodetik. Semakin lama serat, lama waktu yang dibutuhkan untuk Q-switching dari radiasi output, sehingga pulsa lagi.

sifat serat adalah beberapa keterbatasan pada Q modulasi. Non-linear dari laser serat lebih signifikan karena luas penampang kecil dari inti, sehingga daya puncak harus agak terbatas. Anda dapat menggunakan salah satu Q Volume switch, yang menyediakan kinerja yang lebih tinggi, atau modulator optik, yang dihubungkan ke ujung bagian aktif.

pulsa Q-switched dapat diperkuat serat atau di rongga resonator. Contoh yang terakhir dapat ditemukan di National Kompleks simulasi tes nuklir (NIF, Livermore, CA), di mana laser serat adalah osilator induk 192 balok. pulsa kecil di lembaran besar kaca doped diperkuat untuk megajoule.

Dalam laser serat dengan frekuensi sinkronisasi pengulangan tergantung pada panjang bahan penguat, seperti dalam mode lain dari sirkuit sinkronisasi dan durasi pulsa tergantung pada kemampuan untuk meningkatkan throughput yang. Terpendek berada di kisaran 50 fs, dan yang paling khas - di kisaran 100 fs.

Antara ytterbium dan serat erbium, ada perbedaan penting, dimana mereka beroperasi di dispersi modus yang berbeda. serat erbium-doped memancarkan pada 1550 nm di daerah dispersi anomali. Hal ini memungkinkan soliton. Itterbievye serat berada dalam dispersi positif atau normal; sebagai hasilnya, mereka menghasilkan pulsa dengan modulasi frekuensi linear diucapkan. Sebagai hasil dari Bragg kisi mungkin perlu untuk kompres panjang pulsa.

Ada beberapa cara untuk memodifikasi pulsa serat-laser, khususnya untuk studi picosecond ultrafast. serat kristal fotonik dapat diproduksi dengan core yang sangat kecil untuk efek nonlinear yang kuat, seperti untuk pembangkit supercontinuum. Sebaliknya, kristal fotonik juga dapat diproduksi dengan single-mode yang sangat besar inti untuk menghindari efek nonlinear pada kekuatan tinggi.

Fleksibel serat kristal fotonik dengan inti besar dibuat untuk aplikasi yang membutuhkan daya tinggi. Salah satu metode adalah lentur sengaja serat untuk menghilangkan mode agar tidak diinginkan lebih tinggi sambil mempertahankan mode melintang mendasar. Non-linearitas menciptakan harmonik; dan dengan mengurangi frekuensi lipat, Anda dapat membuat lebih pendek dan lebih lama panjang gelombang. efek nonlinier juga dapat menghasilkan kompresi pulsa, yang mengarah ke sisir frekuensi penampilan.

Sumber supercontinuum sebagai pulsa sangat pendek menghasilkan spektrum kontinu melalui fase modulasi. Sebagai contoh, dari awal 6 pulsa ps pada 1050 nm, yang menciptakan spektrum serat laser ytterbium diperoleh dalam kisaran dari ultraviolet ke lebih dari 1600 nm. Sumber lain dari sumber erbium-supercontinuum IR-dipompa pada panjang gelombang 1550 nm.

daya tinggi

Industri saat ini konsumen terbesar laser serat. Dalam permintaan tinggi sekarang menikmati kekuatan urutan kilowatt digunakan dalam industri otomotif. Industri otomotif bergerak menuju produksi tinggi kekuatan mobil baja untuk memenuhi persyaratan daya tahan dan relatif mudah untuk ekonomi bahan bakar yang lebih besar. peralatan mesin konvensional sangat sulit, misalnya, membuat lubang dalam jenis baja dan sumber-sumber radiasi koheren membuatnya mudah.

Pemotongan serat laser logam, dibandingkan dengan jenis lain generator kuantum memiliki sejumlah keunggulan. Misalnya, waveband dekat-inframerah diserap dengan baik logam. Beam dapat disampaikan melalui serat, yang memungkinkan robot untuk dengan mudah memindahkan fokus ketika memotong dan pengeboran.

Serat optik memenuhi persyaratan tertinggi untuk listrik. Senjata Angkatan Laut AS, diuji pada tahun 2014, terdiri dari 6-serat 5,5 kilowatt laser digabungkan dalam satu berkas dan memancar melalui sistem optik membentuk. 33 Unit kW digunakan untuk mengalahkan sebuah kendaraan udara tak berawak. Meskipun balok bukan single-mode, sistem ini menarik, karena memungkinkan untuk membuat serat laser dengan tangan mereka keluar dari standar, bahan-bahan sudah tersedia.

Kekuatan single-mode sumber cahaya tertinggi koheren dari IPG Photonics adalah 10 kW. Master osilator menghasilkan watt daya optik, yang dipasok ke amplifier tahap dipompa di 1018 nm dengan cahaya dari laser serat lainnya. Seluruh sistem memiliki ukuran dua lemari es.

Penggunaan laser serat juga diperluas untuk pemotongan daya tinggi dan pengelasan. Misalnya, mereka digantikan perlawanan pengelasan baja lembaran memecahkan masalah deformasi material. power control dan parameter lainnya memungkinkan kurva pemotongan sangat tepat, terutama sudut-sudut.

Yang paling kuat serat laser multimode - untuk memotong logam dari produsen yang sama - hingga 100 kW. Sistem ini didasarkan pada kombinasi dari balok koheren, sehingga tidak super berkualitas tinggi balok. resistensi ini membuat laser serat menarik bagi industri.

pengeboran beton

Multimode keluaran laser serat dari 4 kW dapat digunakan untuk memotong dan pengeboran beton. Mengapa melakukannya? Ketika insinyur berusaha untuk mencapai ketahanan seismik bangunan yang ada, sangat berhati-hati dengan beton. Ketika terpasang di dalamnya, seperti tulangan baja pengeboran perkusi konvensional dapat menyebabkan kelemahan dan melemahkan beton, tapi serat laser memotong tanpa menghancurkan itu.

Laser dengan serat Q-switched yang digunakan misalnya untuk label atau dalam pembuatan elektronik semikonduktor. Mereka juga digunakan dalam pejejak: modul adalah ukuran tangan mengandung serat laser mata-aman yang output adalah 4 kW, frekuensi 50 kHz dan durasi pulsa 5-15 ns.

pengobatan permukaan

Ada minat yang besar dalam serat laser kecil untuk mikro dan nanoprocessing. Saat melepas lapisan permukaan, jika durasi pulsa lebih pendek dari 35 ps, tidak ada bahan penyemprotan. Hal ini mencegah pembentukan lesung dan artefak yang tidak diinginkan lainnya. Pulsa dalam rezim femtosecond menghasilkan efek nonlinear yang tidak sensitif terhadap panjang gelombang dan daerah sekitarnya tidak dipanaskan, yang memungkinkan untuk bekerja tanpa kerusakan besar atau melemahnya daerah sekitarnya. Selain itu, lubang dapat dipotong dengan kedalaman tinggi dengan lebar - misalnya, dengan cepat (dalam beberapa milidetik) lubang kecil dari 1 mm menggunakan stainless steel pulsa 800-fs dengan frekuensi 1 MHz.

Hal ini juga memungkinkan untuk memproduksi bahan transparan permukaan-diobati, misalnya, mata manusia. Untuk memotong flap di mikro mata, pulsa femtosecond vysokoaperturnym fokus lensa erat pada titik di bawah permukaan mata tanpa menimbulkan kerusakan di permukaan, tetapi mata dengan menghancurkan material pada kedalaman dikendalikan. Permukaan halus dari kornea, yang penting untuk penglihatan tetap utuh. flap dipisahkan dari bawah, kemudian dapat ditarik ke permukaan laser yang membentuk lensa excimer. aplikasi medis lainnya termasuk operasi penetrasi dangkal dalam dermatologi, serta penggunaan jenis tertentu tomografi koherensi optik.

laser femtosecond

laser femtosecond dalam ilmu digunakan untuk merangsang laser breakdown spektroskopi, spektroskopi fluoresensi dengan resolusi temporal, dan juga untuk bahan penelitian umum. Selain itu, mereka dibutuhkan untuk produksi femtosecond sisir frekuensi yang diperlukan dalam metrologi dan studi umum. Salah satu aplikasi nyata dalam jangka pendek akan menjadi jam atom dari satelit GPS dari generasi baru, yang akan meningkatkan akurasi posisi.

Tunggal serat laser frekuensi dilakukan dengan linewidth spektral kurang dari 1 kHz. Ini perangkat mengesankan dengan daya output radiasi kecil dari 10 mW ke 1W. Menemukan aplikasi di bidang komunikasi, metrologi (misalnya, dalam giroskop serat) dan spektroskopi.

Apa selanjutnya?

Adapun aplikasi penelitian lain, masih banyak dari mereka yang diteliti. Sebagai contoh, teknik militer, yang dapat diterapkan di daerah lain, yang terdiri dalam menggabungkan serat-sinar laser untuk mendapatkan balok tinggi menggunakan kombinasi koheren atau spektral. Akibatnya, lebih banyak kekuatan dicapai dalam balok single-mode.

Produksi laser serat berkembang pesat, terutama untuk kebutuhan industri otomotif. Juga, ada penggantian perangkat serat non-berserat. Selain perbaikan umum dalam biaya dan kinerja, ada laser femtosecond dan sumber supercontinuum lebih praktis. Serat laser menempati lebih relung dan menjadi sumber peningkatan untuk jenis laser.