Yterbio pluošto lazeris: įrenginys, veikimo principas, galia, gamyba, pritaikymas

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Skaiduliniai lazeriai yra kompaktiški ir tvirti, tiksliai nukreipia ir lengvai išsklaido šiluminę energiją. Jie būna įvairių formų ir, nors ir turi daug bendro su kitų tipų optiniais kvantiniais generatoriais, turi savo unikalių pranašumų.

Skaiduliniai lazeriai: kaip jie veikia

Šio tipo įrenginiai yra standartinio kietojo kūno koherentinės spinduliuotės š altinio variantas su darbo terpe, pagaminta iš pluošto, o ne iš strypo, plokštės ar disko. Šviesą generuoja pluošto centre esantis priedas. Pagrindinė struktūra gali būti nuo paprastos iki gana sudėtingos. Iterbio pluošto lazerio konstrukcija yra tokia, kad pluošto paviršiaus ir tūrio santykis būtų didelis, todėl šiluma gali būti gana lengvai išsklaidyta.

Skaiduliniai lazeriai pumpuojami optiškai, dažniausiai diodiniais kvantiniais generatoriais, tačiau kai kuriais atvejais iš tų pačių š altinių. Šiose sistemose naudojama optika paprastai yra šviesolaidžio komponentai, kurių dauguma arba visi yra sujungti vienas su kitu. Kai kuriais atvejaisnaudojama tūrinė optika, o kartais vidinė šviesolaidinė sistema derinama su išorine tūrine optika.

Diodų siurbimo š altinis gali būti diodas, matrica arba daug atskirų diodų, kurių kiekvienas yra prijungtas prie jungties šviesolaidiniu šviesos kreiptuvu. Legiruotas pluoštas kiekviename gale turi ertminį rezonatoriaus veidrodėlį – praktiškai pluošte gaminamos Bragg grotelės. Galuose nėra tūrinės optikos, nebent išėjimo spindulys patenka į ką nors kitą, o ne į skaidulą. Šviesos kreiptuvą galima pasukti, todėl, jei pageidaujama, lazerio ertmė gali būti kelių metrų ilgio.

Dviejų branduolių struktūra

Skaidulinių lazeriuose naudojamo pluošto struktūra yra svarbi. Labiausiai paplitusi geometrija yra dviejų branduolių struktūra. Neleguota išorinė šerdis (kartais vadinama vidine danga) surenka pumpuojamą šviesą ir nukreipia ją išilgai pluošto. Skaiduloje sukurta stimuliuojama emisija praeina per vidinę šerdį, kuri dažnai yra vienmodė. Vidinėje šerdyje yra iterbio priedo, kurį stimuliuoja siurblio šviesos spindulys. Yra daug neapvalių išorinės šerdies formų, įskaitant šešiakampę, D formą ir stačiakampę, todėl sumažėja tikimybė, kad centrinėje šerdyje trūksta šviesos pluošto.

Skaidulinis lazeris gali būti pumpuojamas iš galo arba iš šono. Pirmuoju atveju šviesa iš vieno ar kelių š altinių patenka į pluošto galą. Šoninio siurbimo metu šviesa tiekiama į skirstytuvą, kuris tiekia ją į išorinę šerdį. taiskiriasi nuo lazerio lazerio, kai šviesa patenka statmenai ašiai.

Šis sprendimas reikalauja daug dizaino kūrimo. Didelis dėmesys skiriamas siurblio šviesos nukreipimui į šerdį, kad būtų sukurta populiacijos inversija, dėl kurios vidinėje šerdyje būtų skatinama emisija. Lazerio šerdis gali turėti skirtingą stiprinimo laipsnį, priklausomai nuo pluošto legiravimo, taip pat nuo jo ilgio. Šiuos veiksnius koreguoja projektavimo inžinierius, kad gautų reikiamus parametrus.

Gali būti apribota galia, ypač kai veikia vienmodės skaidulos. Tokios šerdies skerspjūvio plotas labai mažas, todėl per ją praeina labai didelio intensyvumo šviesa. Tuo pačiu metu vis labiau pastebimas netiesinis Brillouin sklaidymas, kuris apriboja išėjimo galią iki kelių tūkstančių vatų. Jei išvesties signalas pakankamai aukštas, gali būti pažeistas pluošto galas.

Skaidulinių lazerių ypatybės

Naudojant pluoštą kaip darbo terpę, sąveikos trukmė yra ilga, kuri puikiai tinka diodų siurbimui. Ši geometrija užtikrina aukštą fotonų konversijos efektyvumą, taip pat tvirtą ir kompaktišką dizainą be atskiros optikos, kurią būtų galima reguliuoti ar derinti.

Skaidulinis lazeris, kurio įrenginys leidžia gerai prisitaikyti, gali būti pritaikytas tiek storiems metalo lakštams suvirinti, tiek femtosekundiniams impulsams gaminti. Šviesolaidiniai stiprintuvai suteikia vieno praėjimo stiprinimą ir yra naudojami telekomunikacijose, nes gali vienu metu sustiprinti daug bangų ilgių. Tas pats stiprinimas naudojamas galios stiprintuvuose su pagrindiniu osciliatoriumi. Kai kuriais atvejais stiprintuvas gali veikti su CW lazeriu.

Kitas pavyzdys yra pluoštu sustiprinti spontaniški spinduliuotės š altiniai, kuriuose stimuliuojama emisija slopinama. Kitas pavyzdys – Ramano skaidulinis lazeris su kombinuotu sklaidos stiprinimu, kuris žymiai pakeičia bangos ilgį. Jis buvo pritaikytas moksliniams tyrimams, kai Ramano generavimui ir stiprinimui naudojami fluorido stiklo pluoštai, o ne standartiniai kvarco pluoštai.

Tačiau, kaip taisyklė, pluoštai yra pagaminti iš kvarcinio stiklo, kurio šerdyje yra retųjų žemių priedo. Pagrindiniai priedai yra iterbis ir erbis. Iterbio bangos ilgiai yra nuo 1030 iki 1080 nm ir gali skleisti platesnį diapazoną. 940 nm diodų siurbimo naudojimas žymiai sumažina fotonų deficitą. Iterbis neturi jokio savaiminio gesinimo efekto, kurį turi neodimis esant dideliam tankiui, todėl neodimis naudojamas masiniuose lazeriuose, o iterbis – skaiduliniuose lazeriuose (jie abu suteikia maždaug tokį patį bangos ilgį).

Erbis spinduliuoja 1530–1620 nm diapazone, o tai yra saugus akims. Dažnis gali būti padvigubintas, kad būtų sukurta 780 nm šviesa, kuri nėra prieinama kitų tipų skaiduliniams lazeriams. Galiausiai iterbį galima pridėti prie erbio taip, kad elementas būtų absorbuojamassiurbti spinduliuotę ir perduoti šią energiją erbiui. Tulis yra dar vienas artimųjų infraraudonųjų spindulių priedas, todėl akims saugi medžiaga.

Didelis efektyvumas

Skaidulinis lazeris yra beveik trijų lygių sistema. Siurblio fotonas sužadina perėjimą iš pagrindinės būsenos į viršutinį lygį. Lazerinis perėjimas yra perėjimas iš žemiausios viršutinio lygio dalies į vieną iš padalintų pagrindinių būsenų. Tai labai efektyvu: pavyzdžiui, iterbis su 940 nm siurblio fotonu skleidžia fotoną, kurio bangos ilgis yra 1030 nm, o kvantinis defektas (energijos nuostolis) yra tik apie 9%.

Priešingai, neodimis, pumpuojamas esant 808 nm, praranda apie 24 % energijos. Taigi iterbis iš prigimties turi didesnį efektyvumą, nors ne visi jo pasiekiami dėl kai kurių fotonų praradimo. Yb gali būti pumpuojamas daugelyje dažnių juostų, o erbį galima siurbti esant 1480 arba 980 nm. Didesnis dažnis nėra toks efektyvus fotonų defektų atžvilgiu, bet naudingas net ir šiuo atveju, nes yra geresnių š altinių esant 980 nm.

Apskritai skaidulinio lazerio efektyvumas yra dviejų etapų proceso rezultatas. Pirma, tai yra siurblio diodo efektyvumas. Puslaidininkiniai koherentinės spinduliuotės š altiniai yra labai efektyvūs, 50% efektyvumo paverčiant elektrinį signalą į optinį. Laboratorinių tyrimų rezultatai rodo, kad galima pasiekti 70% ar didesnę vertę. Su tiksliu išėjimo spinduliuotės linijos atitikimupluošto lazerio absorbcija ir didelis siurblio efektyvumas.

Antra – optinio-optinio konversijos efektyvumas. Esant nedideliam fotono defektui, galima pasiekti aukštą sužadinimo ir ištraukimo efektyvumo laipsnį, kai optinės-optinės konversijos efektyvumas yra 60–70%. Gautas efektyvumas yra 25–35%.

Įvairios konfigūracijos

Nuolatinės spinduliuotės šviesolaidiniai kvantiniai generatoriai gali būti vienmodžiai arba daugiamodiai (skersiniams režimams). Vieno režimo lazeriai sukuria aukštos kokybės spindulį medžiagoms, veikiančioms ar sklindančioms per atmosferą, o daugiamodiai pramoniniai pluošto lazeriai gali generuoti didelę galią. Jis naudojamas pjovimui ir suvirinimui, o ypač terminiam apdorojimui, kai apšviečiamas didelis plotas.

Ilgo impulso skaidulinis lazeris iš esmės yra beveik nepertraukiamas įrenginys, paprastai generuojantis milisekundžių tipo impulsus. Paprastai jo darbo ciklas yra 10%. Dėl to gaunama didesnė didžiausia galia nei nepertraukiamu režimu (paprastai dešimt kartų daugiau), kuris naudojamas, pavyzdžiui, impulsiniam gręžimui. Dažnis gali siekti 500 Hz, priklausomai nuo trukmės.

Q perjungimas skaiduliniuose lazeriuose veikia taip pat, kaip ir masiniuose lazeriuose. Įprasta impulso trukmė yra nuo nanosekundžių iki mikrosekundžių. Kuo ilgesnis pluoštas, tuo ilgiau užtrunka Q perjungti išvestį, todėl impulsas ilgesnis.

Skaidulo savybės nustato tam tikrus Q perjungimo apribojimus. Skaidulinio lazerio netiesiškumas yra reikšmingesnis dėl mažo šerdies skerspjūvio ploto, todėl didžiausia galia turi būti šiek tiek apribota. Galima naudoti arba tūrinius Q jungiklius, kurie užtikrina geresnį veikimą, arba skaidulinius moduliatorius, kurie jungiami prie aktyviosios dalies galų.

Q perjungiami impulsai gali būti sustiprinti skaiduloje arba ertmės rezonatoriuje. Pastarojo pavyzdį galima rasti Nacionalinėje branduolinių bandymų modeliavimo įstaigoje (NIF, Livermore, CA), kur iterbio pluošto lazeris yra pagrindinis 192 spindulių osciliatorius. Maži impulsai didelėse legiruoto stiklo plokštėse sustiprinami iki megadžaulių.

Užrakintuose skaiduliniuose lazeriuose pasikartojimo dažnis priklauso nuo stiprinimo medžiagos ilgio, kaip ir kitose režimo fiksavimo schemose, o impulso trukmė priklauso nuo stiprinimo dažnių juostos pločio. Trumpiausi yra 50 fs diapazone, o tipiškiausi – 100 fs diapazone.

Egzistuoja svarbus skirtumas tarp erbio ir iterbio pluoštų, todėl jie veikia skirtingais sklaidos režimais. Erbiu legiruoti pluoštai skleidžia 1550 nm anomalinės dispersijos srityje. Tai leidžia gaminti solitonus. Iterbio skaidulos yra teigiamos arba normalios sklaidos srityje; dėl to jie generuoja impulsus su ryškiu linijinės moduliacijos dažniu. Dėl to impulso ilgiui suspausti gali prireikti Braggo grotelių.

Yra keletas būdų, kaip modifikuoti pluošto lazerio impulsus, ypač atliekant itin greitus pikosekundžių tyrimus. Fotoniniai kristalų pluoštai gali būti pagaminti su labai mažomis šerdimis, kad būtų sukurti stiprūs nelinijiniai efektai, tokie kaip superkontinuumo generavimas. Priešingai, fotoniniai kristalai taip pat gali būti pagaminti su labai didelėmis vienmodėmis šerdimis, kad būtų išvengta nelinijinių efektų esant didelėms galioms.

Lankstūs didelės šerdies fotoninių kristalų pluoštai yra skirti didelės galios programoms. Vienas iš būdų yra sąmoningai sulenkti tokį pluoštą, kad būtų pašalinti visi nepageidaujami aukštesnės eilės režimai, išlaikant tik pagrindinį skersinį režimą. Netiesiškumas sukuria harmonikas; atėmus ir pridėjus dažnius galima sukurti trumpesnes ir ilgesnes bangas. Netiesiniai efektai taip pat gali suspausti impulsus, todėl dažnio šukos.

Kaip superkontinuumo š altinis, labai trumpi impulsai sukuria platų nenutrūkstamą spektrą, naudojant savaiminės fazės moduliaciją. Pavyzdžiui, iš pradinių 6 ps impulsų esant 1050 nm, kuriuos sukuria iterbio pluošto lazeris, gaunamas spektras nuo ultravioletinių iki daugiau nei 1600 nm. Kitas superkontinuumo IR š altinis pumpuojamas erbio š altiniu esant 1550 nm.

Didelės galios

Šiuo metu pramonė yra didžiausia šviesolaidinių lazerių vartotoja. Šiuo metu energija yra labai paklausa.apie kilovatą, naudojamas automobilių pramonėje. Automobilių pramonė pereina prie didelio stiprumo plieno transporto priemonių, kad atitiktų ilgaamžiškumo reikalavimus ir būtų palyginti lengvos, kad sutaupytų degalų. Pavyzdžiui, įprastoms staklėms labai sunku išmušti skylutes tokio tipo pliene, tačiau dėl koherentinių spinduliuotės š altinių tai lengva.

Metalų pjovimas skaiduliniu lazeriu, palyginti su kitų tipų kvantiniais generatoriais, turi daug privalumų. Pavyzdžiui, artimųjų infraraudonųjų spindulių bangas gerai sugeria metalai. Spindulys gali būti nukreiptas per pluoštą, todėl robotas gali lengvai perkelti fokusavimą pjaunant ir gręžiant.

Fiber atitinka aukščiausius galios reikalavimus. 2014 m. išbandytas JAV karinio jūrų laivyno ginklas susideda iš 6 skaidulų 5,5 kW galios lazerių, sujungtų į vieną spindulį ir spinduliuojančių per formuojančią optinę sistemą. 33 kW agregatas buvo panaudotas nepilotuojamam orlaiviui sunaikinti. Nors spindulys nėra vienmodis, sistema įdomi tuo, kad leidžia iš standartinių, lengvai prieinamų komponentų savo rankomis sukurti šviesolaidinį lazerį.

Didžiausios galios vienmodės nuoseklios šviesos š altinis iš IPG Photonics yra 10 kW. Pagrindinis osciliatorius sukuria kilovatų optinę galią, kuri tiekiama į stiprintuvo pakopą, pumpuojamą 1018 nm bangų šviesa iš kitų skaidulinių lazerių. Visa sistema yra dviejų šaldytuvų dydžio.

Skaiduliniai lazeriai taip pat išplito į didelio galingumo pjovimą ir suvirinimą. Pavyzdžiui, jie buvo pakeistivaržinis lakštinio plieno suvirinimas, sprendžiant medžiagos deformacijos problemą. Galios ir kitų parametrų valdymas leidžia labai tiksliai pjauti kreives, ypač kampus.

Galingiausias kelių režimų šviesolaidinis lazeris – to paties gamintojo metalo pjovimo staklės – siekia 100 kW. Sistema pagrįsta nenuoseklaus pluošto deriniu, todėl tai nėra itin aukštos kokybės pluoštas. Dėl tokio patvarumo pluoštiniai lazeriai yra patrauklūs pramonei.

Betono gręžimas

4KW kelių režimų pluošto lazeris gali būti naudojamas betono pjovimui ir gręžimui. Kam to reikia? Kai inžinieriai bando pasiekti esamų pastatų atsparumą žemės drebėjimui, su betonu reikia elgtis labai atsargiai. Pavyzdžiui, jei jame sumontuota plieninė armatūra, gręžiant įprastu plaktuku betonas gali įtrūkti ir susilpninti, tačiau pluošto lazeriai jį pjauna nesutraiškydami.

Kvantiniai generatoriai su Q perjungiamu skaidulu naudojami, pavyzdžiui, ženklinimui arba puslaidininkinės elektronikos gamyboje. Jie taip pat naudojami nuotolio ieškikliuose: rankinio dydžio moduliuose yra 4 kW galios, 50 kHz dažnio ir 5–15 ns impulso pločio šviesolaidžių lazeriai, saugūs akims.

Paviršiaus apdorojimas

Yra didelis susidomėjimas mažo pluošto lazeriais, skirtais mikro ir nanoapdirbimui. Nuimant paviršinį sluoksnį, jei impulso trukmė trumpesnė nei 35 ps, medžiaga netaškoma. Taip išvengiama depresijų susidarymo irkiti nepageidaujami artefaktai. Femtosekundiniai impulsai sukuria netiesinius efektus, kurie nėra jautrūs bangos ilgiui ir nešildo supančios erdvės, todėl galima veikti be reikšmingos žalos ar susilpninimo aplinkinėms zonoms. Be to, skyles galima išpjauti esant dideliam gylio ir pločio santykiui, pvz., greitai (per milisekundes) padarant mažas skylutes 1 mm nerūdijančiame pliene naudojant 800 fs impulsus 1 MHz dažniu.

Taip pat gali būti naudojamas skaidrių medžiagų, tokių kaip žmogaus akys, paviršiaus apdorojimui. Norint sumažinti akių mikrochirurgijos atvartą, femtosekundiniai impulsai yra tvirtai sufokusuojami didelės diafragmos objektyvu taške, esančiame žemiau akies paviršiaus, nepažeidžiant paviršiaus, bet sunaikinant akies medžiagą kontroliuojamame gylyje. Lygus ragenos paviršius, būtinas regėjimui, lieka nepažeistas. Tada atvartas, atskirtas iš apačios, gali būti patrauktas į viršų, kad būtų suformuotas paviršiaus eksimerinio lazerio lęšis. Kiti medicininiai pritaikymai apima seklios prasiskverbimo chirurgiją dermatologijoje ir kai kurių tipų optinės koherentinės tomografijos naudojimą.

Femtosekundiniai lazeriai

Femtosekundiniai kvantiniai generatoriai moksle naudojami žadinimo spektroskopijai su lazerio skaidymu, laiko skiriamosios gebos fluorescencinei spektroskopijai, taip pat bendriesiems medžiagų tyrimams. Be to, jie reikalingi femtosekundiniam dažniui gamintišukos, reikalingos metrologijoje ir bendruosiuose tyrimuose. Viena iš realių pritaikymų artimiausiu metu bus atominiai laikrodžiai naujos kartos GPS palydovams, kurie pagerins padėties nustatymo tikslumą.

Gaminamas vieno dažnio skaidulinis lazeris, kurio spektrinis linijos plotis yra mažesnis nei 1 kHz. Tai įspūdingai mažas įrenginys, kurio išėjimo galia svyruoja nuo 10mW iki 1W. Jį galima pritaikyti ryšių, metrologijos (pavyzdžiui, skaiduliniuose giroskopuose) ir spektroskopijos srityse.

Kas toliau?

Kalbant apie kitas MTTP programas, daug daugiau tiriama. Pavyzdžiui, karinė plėtra, kurią galima pritaikyti kitose srityse, kurią sudaro pluoštinių lazerio spindulių sujungimas, kad būtų gautas vienas aukštos kokybės pluoštas, naudojant koherentinį arba spektrinį derinį. Dėl to vieno režimo pluoštas pasiekia daugiau galios.

Skaidulinių lazerių gamyba sparčiai auga, ypač atsižvelgiant į automobilių pramonės poreikius. Šviesolaidžiais keičiami ir ne šviesolaidiniai įrenginiai. Be bendrų išlaidų ir našumo patobulinimų, femtosekundžių kvantiniai generatoriai ir superkontinuumo š altiniai tampa vis praktiškesni. Skaiduliniai lazeriai tampa vis nišesni ir tampa kitų tipų lazerių tobulinimo š altiniu.