Ytterbiumfiberlaser: enhet, driftsprinsipp, kraft, produksjon, applikasjon

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37

Fiberlasere er kompakte og robuste, peker nøyaktig og sprer termisk energi lett. De kommer i en rekke former, og selv om de har mye til felles med andre typer optiske kvantegeneratorer, har de sine egne unike fordeler.

Fiberlasere: hvordan fungerer de

Enheter av denne typen er en variant av en standard faststoffkilde for koherent stråling med et arbeidsmedium laget av fiber i stedet for en stang, plate eller skive. Lyset genereres av et dopingmiddel i midten av fiberen. Den grunnleggende strukturen kan variere fra enkel til ganske kompleks. Utformingen av ytterbiumfiberlaseren er slik at fiberen har et stort forhold mellom overflate og volum, slik at varme kan spres relativt enkelt.

Fiberlasere pumpes optisk, oftest av diodekvantegeneratorer, men i noen tilfeller av de samme kildene. Optikken som brukes i disse systemene er typisk fiberkomponenter, med de fleste eller alle koblet til hverandre. I noen tilfellervolumetrisk optikk brukes, og noen ganger kombineres et internt fiberoptisk system med ekstern volumetrisk optikk.

Kilden til diodepumping kan være en diode, en matrise eller en rekke individuelle dioder, som hver er koblet til en kontakt med en fiberoptisk lysleder. Den dopede fiberen har et hulromsresonator-speil i hver ende - i praksis lages Bragg-rister i fiberen. Det er ingen bulkoptikk i endene, med mindre utgangsstrålen går inn i noe annet enn en fiber. Lyslederen kan vris, slik at laserhulrommet om ønskelig kan være flere meter langt.

Dobbelkjernestruktur

Strukturen til fiberen som brukes i fiberlasere er viktig. Den vanligste geometrien er den doble kjernestrukturen. Den udopede ytre kjernen (noen ganger k alt den indre kledningen) samler det pumpede lyset og leder det langs fiberen. Den stimulerte emisjonen som genereres i fiberen passerer gjennom den indre kjernen, som ofte er single-mode. Den indre kjernen inneholder et ytterbium-dopant stimulert av pumpens lysstråle. Det er mange ikke-sirkulære former på den ytre kjernen, inkludert sekskantede, D-formede og rektangulære, som reduserer sjansen for at lysstrålen mangler fra den sentrale kjernen.

Fiberlaseren kan ende- eller sidepumpes. I det første tilfellet kommer lys fra en eller flere kilder inn i enden av fiberen. Ved sidepumping mates lys inn i en splitter, som forsyner det til den ytre kjernen. denskiller seg fra stavlaseren, der lyset kommer inn vinkelrett på aksen.

Denne løsningen krever mye designutvikling. Betydelig oppmerksomhet rettes mot å drive pumpelys inn i kjernen for å produsere en populasjonsinversjon som fører til stimulert utslipp i den indre kjernen. Laserkjernen kan ha forskjellig grad av forsterkning avhengig av dopingen av fiberen, samt lengden. Disse faktorene justeres av designingeniøren for å få de nødvendige parameterne.

Strømbegrensninger kan forekomme, spesielt når du bruker enkeltmodusfiber. En slik kjerne har et veldig lite tverrsnittsareal, og som et resultat passerer lys med veldig høy intensitet gjennom den. Samtidig blir ikke-lineær Brillouin-spredning mer og mer merkbar, noe som begrenser utgangseffekten til flere tusen watt. Hvis utgangssignalet er høyt nok, kan enden av fiberen bli skadet.

Funksjoner av fiberlasere

Bruk av fiber som arbeidsmedium gir en lang interaksjonslengde som fungerer godt med diodepumping. Denne geometrien resulterer i høy fotonkonverteringseffektivitet samt en robust og kompakt design uten diskret optikk å justere eller justere.

Fiberlaseren, hvis enhet lar den tilpasse seg godt, kan tilpasses både for sveising av tykke metallplater og for å produsere femtosekundpulser. Fiberoptiske forsterkere gir enkeltpassforsterkning og brukes i telekommunikasjon fordi de er i stand til å forsterke mange bølgelengder samtidig. Den samme forsterkningen brukes i effektforsterkere med en masteroscillator. I noen tilfeller kan forsterkeren fungere med en CW-laser.

Et annet eksempel er fiberforsterkede spontane utslippskilder der stimulert utslipp undertrykkes. Et annet eksempel er en Raman-fiberlaser med kombinert spredningsforsterkning, som forskyver bølgelengden betydelig. Den har funnet anvendelse i vitenskapelig forskning, der fluoridglassfibre brukes til Raman-generering og forsterkning, i stedet for standard kvartsfibre.

Fibrene er imidlertid som regel laget av kvartsglass med en sjeldne jordartsmetall i kjernen. De viktigste tilsetningsstoffene er ytterbium og erbium. Ytterbium har bølgelengder fra 1030 til 1080 nm og kan stråle over et bredere område. Bruken av 940 nm diodepumping reduserer fotonunderskuddet betydelig. Ytterbium har ikke noen av de selvslukkende effektene som neodym har ved høye tettheter, så neodym brukes i bulklasere og ytterbium i fiberlasere (de gir begge omtrent samme bølgelengde).

Erbium avgir i området 1530-1620 nm, noe som er trygt for øynene. Frekvensen kan dobles for å generere lys ved 780 nm, noe som ikke er tilgjengelig for andre typer fiberlasere. Til slutt kan ytterbium tilsettes erbium på en slik måte at elementet vil absorberepumpe stråling og overføre denne energien til erbium. Thulium er et annet nær-infrarødt dopingmiddel, som dermed er et øyesikkert materiale.

Høy effektivitet

Fiberlaseren er et kvasi-tre-nivå system. Pumpefotonet eksiterer overgangen fra grunntilstanden til det øvre nivået. En laserovergang er en overgang fra den laveste delen av det øvre nivået til en av de delte grunntilstandene. Dette er veldig effektivt: for eksempel gir ytterbium med et 940 nm pumpefoton et foton med en bølgelengde på 1030 nm og en kvantedefekt (energitap) på bare ca. 9%.

Derimot mister neodym pumpet ved 808nm omtrent 24 % av energien. Dermed har ytterbium iboende en høyere effektivitet, selv om ikke alt er oppnåelig på grunn av tap av noen fotoner. Yb kan pumpes i en rekke frekvensbånd, mens erbium kan pumpes ved 1480 eller 980 nm. Høyere frekvens er ikke like effektivt når det gjelder fotondefekt, men nyttig selv i dette tilfellet fordi bedre kilder er tilgjengelige ved 980nm.

Generelt er effektiviteten til en fiberlaser resultatet av en to-trinns prosess. For det første er dette effektiviteten til pumpedioden. Halvlederkilder for koherent stråling er svært effektive, med 50 % effektivitet når det gjelder å konvertere et elektrisk signal til et optisk. Resultatene av laboratoriestudier indikerer at det er mulig å oppnå en verdi på 70 % eller mer. Med nøyaktig samsvar med utgangsstrålingslinjenfiberlaserabsorpsjon og høy pumpeeffektivitet.

Den andre er den optisk-optiske konverteringseffektiviteten. Med en liten fotondefekt kan en høy grad av eksitasjons- og ekstraksjonseffektivitet oppnås med en opto-optisk konverteringseffektivitet på 60–70 %. Den resulterende effektiviteten er i området 25–35 %.

Ulike konfigurasjoner

Fiberoptiske kvantegeneratorer for kontinuerlig stråling kan være enkelt- eller multimodus (for tverrmodus). Enkeltmoduslasere produserer en høykvalitetsstråle for materialer som opererer eller stråler gjennom atmosfæren, mens multimodus industrielle fiberlasere kan generere høy effekt. Denne brukes til skjæring og sveising, og spesielt til varmebehandling der et stort område er opplyst.

Langpulsfiberlaseren er i hovedsak en kvasi-kontinuerlig enhet, som vanligvis produserer pulser av millisekundtype. Vanligvis er driftssyklusen 10 %. Dette resulterer i en høyere toppeffekt enn i kontinuerlig modus (typisk ti ganger mer) som brukes til for eksempel pulsboring. Frekvensen kan nå 500 Hz, avhengig av varigheten.

Q-switching i fiberlasere fungerer på samme måte som i bulklasere. Typisk pulsvarighet er i området fra nanosekunder til mikrosekunder. Jo lengre fiber, desto lengre tid tar det å Q-svitsje utgangen, noe som resulterer i en lengre puls.

Fiberegenskaper pålegger noen begrensninger for Q-switching. Ikke-lineariteten til en fiberlaser er mer signifikant på grunn av det lille tverrsnittsarealet til kjernen, så toppeffekten må være noe begrenset. Det kan enten brukes volumetriske Q-svitsjer, som gir bedre ytelse, eller fibermodulatorer, som kobles til endene av den aktive delen.

Q-svitsjede pulser kan forsterkes i fiberen eller i en hulromsresonator. Et eksempel på sistnevnte kan finnes ved National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), hvor en ytterbiumfiberlaser er hovedoscillatoren for 192 stråler. Små pulser i store dopede glassplater forsterkes til megajoule.

I låste fiberlasere avhenger repetisjonshastigheten av lengden på forsterkningsmaterialet, som i andre moduslåseskjemaer, og pulsvarigheten avhenger av forsterkningsbåndbredden. De korteste er i 50 fs-området og de mest typiske er i 100 fs-området.

Det er en viktig forskjell mellom erbium- og ytterbiumfibre, som et resultat av at de fungerer i forskjellige spredningsmoduser. Erbium-dopede fibre avgir ved 1550 nm i det unormale spredningsområdet. Dette tillater produksjon av solitoner. Ytterbiumfibre er i området med positiv eller normal dispersjon; som et resultat genererer de pulser med en utt alt lineær modulasjonsfrekvens. Som et resultat kan det være nødvendig med et Bragg-gitter for å komprimere pulslengden.

Det er flere måter å endre fiberlaserpulser på, spesielt for ultraraske pikosekundstudier. Fotoniske krystallfibre kan lages med svært små kjerner for å produsere sterke ikke-lineære effekter, for eksempel generering av superkontinuum. Derimot kan fotoniske krystaller også lages med veldig store enkeltmoduskjerner for å unngå ikke-lineære effekter ved høye styrker.

Fleksible fotoniske krystallfibre med stor kjerne er designet for bruk med høy effekt. En teknikk er å med vilje bøye en slik fiber for å eliminere eventuelle uønskede moduser av høyere orden mens man bare beholder den grunnleggende tverrmodus. Ikke-lineariteten skaper harmoniske; ved å trekke fra og legge til frekvenser kan kortere og lengre bølger skapes. Ikke-lineære effekter kan også komprimere pulser, noe som resulterer i frekvenskammer.

Som en superkontinuumkilde produserer svært korte pulser et bredt kontinuerlig spektrum ved bruk av selvfasemodulasjon. For eksempel, fra de første 6 ps-pulsene ved 1050 nm som en ytterbiumfiberlaser skaper, oppnås et spektrum i området fra ultrafiolett til mer enn 1600 nm. En annen superkontinuum IR-kilde pumpes med en erbiumkilde ved 1550 nm.

Høy kraft

Bransjen er for tiden den største forbrukeren av fiberlasere. Kraft er etterspurt akkurat nå.omtrent en kilowatt, brukt i bilindustrien. Bilindustrien beveger seg mot kjøretøyer i høyfast stål for å møte holdbarhetskravene og være relativt lette for bedre drivstofføkonomi. Det er svært vanskelig for for eksempel vanlige verktøymaskiner å slå hull i denne typen stål, men sammenhengende strålingskilder gjør det enkelt.

Å kutte metaller med fiberlaser, sammenlignet med andre typer kvantegeneratorer, har en rekke fordeler. For eksempel er nær infrarøde bølgelengder godt absorbert av metaller. Strålen kan leveres over fiberen, slik at roboten enkelt kan flytte fokus ved skjæring og boring.

Fiber oppfyller de høyeste strømkravene. Et våpen fra den amerikanske marinen testet i 2014 består av 6-fiber 5,5-kW lasere kombinert til én stråle og sender ut gjennom et formende optisk system. Enheten på 33 kW ble brukt til å ødelegge et ubemannet luftfartøy. Selv om strålen ikke er enkeltmodus, er systemet interessant fordi det lar deg lage en fiberlaser med egne hender fra standard, lett tilgjengelige komponenter.

Den koherente enkeltmoduslyskilden med høyest effekt fra IPG Photonics er 10 kW. Masteroscillatoren produserer en kilowatt med optisk kraft, som mates inn i forsterkertrinnet pumpet ved 1018 nm med lys fra andre fiberlasere. Hele systemet er på størrelse med to kjøleskap.

Bruken av fiberlasere har også spredt seg til høyeffektskjæring og sveising. For eksempel erstattet demotstandssveising av stålplate, løser problemet med materialdeformasjon. Styring av kraft og andre parametere gjør det mulig å kutte kurver veldig nøyaktig, spesielt hjørner.

Den kraftigste multi-modus fiberlaseren - en metallskjæremaskin fra samme produsent - når 100 kW. Systemet er basert på en kombinasjon av en usammenhengende stråle, så det er ikke en stråle av ultrahøy kvalitet. Denne holdbarheten gjør fiberlasere attraktive for industrien.

Betongboring

4KW multi-modus fiberlaser kan brukes til betongskjæring og boring. Hvorfor er dette nødvendig? Når ingeniører prøver å oppnå jordskjelvmotstand i eksisterende bygninger, må man være veldig forsiktig med betong. Hvis det er installert stålarmering i den, kan for eksempel konvensjonell hammerboring sprekke og svekke betongen, men fiberlasere kutter den uten å knuse den.

Kvantegeneratorer med Q-svitsjet fiber brukes for eksempel til merking eller i produksjon av halvlederelektronikk. De brukes også i avstandsmålere: Håndstore moduler inneholder øyesikre fiberlasere med en effekt på 4 kW, en frekvens på 50 kHz og en pulsbredde på 5-15 ns.

Overflatebehandling

Det er stor interesse for småfiberlasere for mikro- og nanomaskinering. Ved fjerning av overflatelaget, hvis pulsvarigheten er kortere enn 35 ps, er det ingen sprut av materialet. Dette forhindrer dannelsen av depresjoner ogandre uønskede artefakter. Femtosekundpulser produserer ikke-lineære effekter som ikke er følsomme for bølgelengde og som ikke varmer opp det omkringliggende rommet, noe som tillater drift uten betydelig skade eller svekkelse av de omkringliggende områdene. I tillegg kan hull kuttes ved høye dybde-til-bredde-forhold, for eksempel raskt (innen millisekunder) å lage små hull i 1 mm rustfritt stål ved å bruke 800 fs-pulser ved 1 MHz.

Kan også brukes til overflatebehandling av transparente materialer som menneskeøyne. For å kutte en flik i okulær mikrokirurgi, fokuseres femtosekundpulser tett av et objektiv med høy blenderåpning på et punkt under den okulære overflaten, uten å forårsake skade på overflaten, men ødelegge det okulære materialet på en kontrollert dybde. Den glatte overflaten av hornhinnen, som er avgjørende for synet, forblir intakt. Klaffen, separert fra undersiden, kan deretter trekkes opp for dannelse av overflateeksimerlaserlinse. Andre medisinske bruksområder inkluderer grunn penetrasjonskirurgi i dermatologi, og bruk i noen typer optisk koherenstomografi.

Femtosekundlasere

Femtosekund kvantegeneratorer brukes i vitenskapen til eksitasjonsspektroskopi med lasernedbrytning, tidsoppløst fluorescensspektroskopi, samt for generell materialforskning. I tillegg er de nødvendige for produksjon av femtosekundfrekvenskammer som trengs i metrologi og generell forskning. En av de virkelige bruksområdene på kort sikt vil være atomklokker for neste generasjons GPS-satellitter, som vil forbedre posisjoneringsnøyaktigheten.

Enkelfrekvent fiberlaser produseres med spektral linjebredde mindre enn 1 kHz. Det er en imponerende liten enhet med utgangseffekt fra 10mW til 1W. Den finner anvendelse innen kommunikasjon, metrologi (for eksempel i fibergyroskoper) og spektroskopi.

Hva er det neste?

Når det gjelder andre FoU-applikasjoner, blir mange flere undersøkt. For eksempel en militær utvikling som kan brukes på andre områder, som består i å kombinere fiberlaserstråler for å oppnå én høykvalitetsstråle ved bruk av koherent eller spektral kombinasjon. Som et resultat oppnås mer kraft i enkeltmodusstrålen.

Produksjonen av fiberlasere vokser raskt, spesielt for behovene til bilindustrien. Ikke-fiberenheter blir også erstattet med fiber. I tillegg til generelle forbedringer i kostnader og ytelse, blir femtosekund kvantegeneratorer og superkontinuumkilder stadig mer praktiske. Fiberlasere blir mer nisje og blir en kilde til forbedring for andre typer lasere.