Láser de fibra de itérbio: o dispositivo, o principio de funcionamento, poder, produción, uso

láseres de fibra son compacto e durável, preciso e doado de dispersión inducida calor. Eles veñen en diferentes tipos e ter moito que ver con láseres de outros tipos teñen as súas propias vantaxes.

láseres de fibra: operación

Aparatos deste tipo son a variación do nivel da fonte de estado sólido de radiación coherente desde a fibra, en vez de fluído de traballo hasta, unha placa ou disco. A luz xerada polo dopante na porción central da fibra. A estrutura básica pode variar simple a moi complexas. aparello de láser de fibra de itérbio de tal xeito que a fibra ten unha gran superficie para razón de volume, de xeito que a calor pode ser difundida de forma relativamente fácil.

láseres de fibra son bombeados ópticamente, moitas veces coa axuda de láseres de diodo, pero nalgúns casos - as mesmas fontes. Óptica utilizados nestes sistemas son xeralmente representa os compoñentes ópticos, en que a maior parte ou todos son ligados uns ós outros. Nalgúns casos, unha óptica a granel, eo sistema de fibra óptica, por veces interno é quedar unha óptica granel externos.

Unha fonte bomba de diodo pode ser unha matriz de diodos, ou unha pluralidade de diodos individuais, cada un dos cales está conectado á guía de ondas de fibra óptica conector. fibra dopada en cada extremo ten unha cavidade de resonancia espello - na práctica, facer a fibra de Bragg. Nos extremos da óptica a granel teñen, non só o feixe de saída entra algo diferente do que a fibra. A guía de luz pode ser torcido para que, se prefire, a cavidade do láser pode ter unha lonxitude de varios metros.

binuclear

Estrutura fibras utilizadas láseres de fibra, é importante. O máis común é a xeometría dunha estrutura de núcleo dobre. núcleo exterior non dopada (por veces chamada o íntima) bombeada recolle luz e diríxese ao longo da fibra. radiación estimulada xerada na fibra pasa a través do núcleo interior, a cal é a miúdo un único modo. O núcleo interno contén un aditivo itérbio, estimulada pola luz da bomba. Hai moitas formas de núcleo exterior non circular incluíndo - hexagonal, en forma de D e rectangular, reducindo a probabilidade de fallo o feixe de luz no núcleo central.

O láser a fibra pode ter unha extrema ou banda de bombeo. No primeiro caso, a luz dunha ou máis fontes entra no extremo da fibra. Cando a luz de bombeo lado subministrado a un divisor que alimenta a dentro do núcleo exterior. Isto difire da barra de láser, onde a luz entra perpendicular ao eixe.

Para tal decisión require unha gran cantidade de desenvolvementos estruturais. considerable atención é de pago para resumir a luz da bomba para o núcleo para producir unha inversión de poboación, levando á emisión estimulada no núcleo interno. núcleo do láser pode ter varios graos de amplificación en fibra, dependendo da dopagem, así como sobre a súa lonxitude. Estes factores son definidos como enxeñeiro de deseño para os parámetros necesarios.

O límite de potencia poden ocorrer, especialmente cando se opera dentro dunha fibra de xeito único. Tal núcleo ten unha área moi pequena en corte transversal, e como consecuencia pasa a través da mesma luz de intensidade moi alta. Cando isto se está facendo máis pronunciada extendido de Brillouin non lineal, o que limita a potencia de saída de varios miles de vatios. Se a saída é suficientemente elevado, o extremo da fibra pode ser mal.

Especialmente láseres de fibra

O uso de fibra, como fluído de traballo dá maior lonxitude interacción, que funciona ben cando o diodo de bombeo. Esta xeometría resulta nunha elevada eficiencia de conversión de fotóns, así como a construción de confianza e compacto, o cal non hai óptica discretos, require un axuste ou aliñamento.

Un láser de fibra, aparello ese que permite que se adapte ben, pode ser adaptado para a soldadura de chapas de metal de espesor e para producir impulsos femtosecond. amplificadores de fibra óptica ofrece unha ganancia dunha única pasaxe e son utilizados en telecomunicacións, xa que pode amplificar moitos lonxitudes de onda mesmo tempo. O mesmo ganancia é utilizado en amplificadores de potencia cun oscilador principal. Nalgúns casos, o amplificador pode ser operado cun láser de onda continua.

Outro exemplo é unha fonte de emisión espontánea a partir da fibra de reforzo, en que a emisión estimulada suprímese. Outro exemplo é un láser Raman fibra combinada co aumento da dispersión, a lonxitude de onda de cisallamento substancialmente. Se atopou aplicación en investigación, na que a combinación da xeración e amplificación, utilizando un vidro de fluoruro no canto das fibras de sílice estándar.

Con todo, normalmente, as fibras de vidro de sílice con dopante de terra rara no núcleo. Os aditivos básicos son itérbio e érbio. Itérbio ten lonxitudes de onda de 1030-1080 nm, e pode emitir longo dunha ampla gama. O uso de bomba de diodo 940 nm reduce significativamente o déficit de fotóns. Itérbio ten nin un efecto de auto-quenching, que son en neodimio en altas densidades, de xeito que o último é utilizado en láseres a granel e itérbio - en fibra (ambos proporcionan aproximadamente a mesma lonxitude de onda).

Erbium emite na franxa 1530-1620 nm un cofre para os ollos. A frecuencia pode ser duplicado para xerar luz a 780 nm, o que non está dispoñible para outros tipos de láseres de fibra. Finalmente, itérbio se pode engadir a érbio xeito que o elemento pode absorber a radiación da bomba e transmitir esa enerxía para érbio. Túlio - outro dopante á emisión na rexión do infravermello próximo, que, así, é seguro para as imaxes do ollo.

alta eficiencia

O láser de fibra é un sistema de tres niveis case. os fotóns de bomba excite a transición desde o estado fundamental para a capa superior. transición do láser é a partir da porción inferior do nivel superior a un dos estados de división moído. Isto é moi eficaz: por exemplo, o itérbio-940 nm bomba de fotóns emite un fotón con lonxitude de onda de 1030 nm, eo defecto cuántico (perda de enerxía), só preto de 9%.

En contraste, neodimio, bombeado a 808 nm perde preto de 24% de enerxía. Así, itérbio ten inherentemente unha alta eficiencia, aínda que non todos, é realizábel debido á perda dalgúns dos fotóns. YB pode bombeado nun número de bandas de frecuencia, e érbio - lonxitude de onda de 1480 ou 980 nm. A frecuencia máis elevada non é tan eficaz en termos de fotóns de defectos, pero útil, mesmo neste caso, porque a 980 nm, as mellores fontes dispoñibles.

eficiencia global do láser de fibra é o resultado do proceso de dous pasos. En primeiro lugar, é a eficiencia do diodo bomba. fontes de radiación coherente semicondutores son moi eficaces, con 50% de eficiencia de conversión de un sinal eléctrico nun óptica. Os resultados de estudos de laboratorio indican que é posible acadar un valor de 70% ou máis. Con exacto de absorción de radiación láser de fibra liña de saída de xogo é alcanzada e unha elevada eficiencia de bombeo.

En segundo lugar, esta eficiencia de conversión óptico-óptico. Cando un pequeno defecto fotóns pode acadar un alto grao de excitación ea eficiencia da extracción de eficiencia de conversión óptico-óptica de 60-70%. A eficiencia resultante está na gama de 25-35%.

varias opcións

Fibra xeradores de ondas continuas cuánticos poden modos transversais () individuais ou multimodo. Monomodo producir feixe de alta calidade para os materiais, que traballa ou o envío dun feixe través da atmosfera, e os láseres de fibra multimodo industrial pode xerar máis enerxía. É utilizado para o corte e soldadura, e en particular, para o tratamento térmico, en que unha gran área é iluminado.

O láser de fibra longa é substancialmente aparello case continua xeralmente milissegundo tipo xerador de impulsos. Normalmente, é o ciclo de traballo é de 10%. Isto conduce a unha potencia de pico máis elevado do que o modo continuo (polo xeral dez veces) que é utilizada, por exemplo, a unha perforación pulsado. A frecuencia pode ser de 500 Hz, dependendo da duración.

Q-conmutación en láseres de fibra tamén actúa como no volume. Unha duración de impulso típica está na gama de nanossegundos a microssegundos. Canto máis a fibra, o que leva máis tempo para Q-conmutación da radiación de saída, obtendo un pulso máis longo.

propiedades das fibras son algunhas limitacións sobre a modulación Q. A non linearidade do láser de fibra é máis significativo, debido á pequena área de sección transversal do núcleo, de xeito que a potencia de pico debe ser un pouco limitado. Pode utilizar calquera dos interruptores de caudal Q, que fornecen a actuación máis elevado, ou moduladores ópticos, os cales son ligados ás extremidades da parte activa.

pulsos de Q conmutado pode ser amplificado nun ou fibra no ressonador de cala. Un exemplo deste último pódese atopar na simulación Complexo Nacional de ensaios nucleares (NIF, Livermore, CA), no que o láser de fibra é un oscilador principal para 192 vigas. Pequenos pulsos en grandes placas de vidro dopado amplificado para megajoules.

En láseres de fibra cunha frecuencia de repetición de sincronización depende da lonxitude de material de reforzo, como nos outros modos de circuítos de sincronización e duración do pulso depende da capacidade de aumentar a renda. A máis curta está na gama de 50 fs, e máis típico - na gama de 100 FS.

Entre itérbio e fibra de érbio, hai unha diferenza importante, a través do cal operan en diferentes modos de dispersión. fibra dopada con érbio emitindo a 1550 nm, nunha rexión de dispersión anómala. Isto permite que solitons. Itterbievye fibras están nunha dispersión positiva ou normal; Como resultado, eles xeran impulsos con modulación de frecuencia lineal pronunciado. Como resultado da rede de Bragg que pode ter de comprimir a lonxitude de impulso.

Existen varias maneiras de modificar os pulsos de fibra de láser, en particular para estudos picosecond ultra rápidos. fibras de cristal Photonic pode ser fabricado con núcleos moi pequenos para fortes efectos non lineais, tales como, por xeración supercontínuo. En contraste, os cristais fotónicas tamén pode ser fabricada con gran núcleo de xeito único, co fin de evitar os efectos non lineais con potencia elevada.

fibra de cristal fotónica flexible con gran núcleo creado para aplicacións que requiran alta enerxía. Un dos métodos é flexión deliberada da fibra para eliminar calquera modos de orde superior indesexables mentres mantén un xeito transversal fundamental. A non linearidade crea harmónicas; e subtraindo-se a frecuencia de dobrar, pode crear un lonxitudes de onda máis curtas e máis longos. efectos non lineais poden producir compresión de impulsos, o que leva a favos de frecuencia aspecto.

A fonte supercontínuo como impulsos moi curtos producen un espectro continuo mediante modulación de fase. Por exemplo, a partir dos 6 impulsos ps iniciais de 1050 nm, o que crea o espectro do láser de fibra de itérbio obtida na gama de ultravioleta máis que 1600 nm. Outra fonte de fonte de érbio-supercontínuo bombeado-ir a unha lonxitude de onda de 1550 nm.

alta potencia

Industria é actualmente o maior consumidor de láseres de fibra. En alta demanda agora gusta o poder da orde de quilowatts utilizados na industria automotiva. A industria do automóbil está movendo cara a produción de coches de aceiro de alta resistencia para atender aos requirimentos de durabilidade e son relativamente fáciles de maior economía de combustible. Convencionais máquinas-ferramentas é moi difícil, por exemplo, buratos neste tipo de aceiro e as fontes de radiación coherente fai máis doado.

O corte con láser de fibra de metal, en comparación con outros tipos de xerador cuántico ten un número de vantaxes. Por exemplo, a franxa de onda do infravermello próximo ben absorbido metais. Feixe pode ser entregado a través da fibra, o que permite que o robot para mover facilmente o foco cando o corte e perforación.

Fibra óptica satisfai as máis elevadas esixencias de enerxía. Armas Mariña dos Estados Unidos, probado en 2014, consiste nun 6-fibra láseres de 5.5 quilowatts combinados nun feixe e irradiando a través do sistema óptico de formación. 33 kW unidade foi usado para derrotar un vehículo aéreo non tripulado. A pesar do feixe non é un único modo, o sistema é de interese, xa que permite a creación dun láser de fibra coas súas mans fóra do estándar, ingredientes facilmente dispoñibles.

As maiores fontes de luz coherentes monomodo poder de IPG Photonics é de 10 kW. O oscilador mestre produce un Watt de potencia óptica, o cal se inclúe ao amplificador fase bombeada a 1018 nm, con luz doutros láseres de fibra. Todo o sistema ten un tamaño de dous frigoríficos.

O uso de láseres de fibra esténdense tamén á corte e soldadura de alta potencia. Por exemplo, substituídos soldadura por resistencia chapa de aceiro resolver o problema da deformación do material. de control de potencia e outros parámetros permite curvas de corte moi precisas, especialmente os recunchos.

O máis poderoso láser de fibra multimodo - para corte de metales do mesmo fabricante - ata 100 kW. O sistema está baseado nunha combinación de feixe incoherente, polo que non é super feixe de alta calidade. Esta resistencia fai láseres de fibra atractivos para a industria.

de perforación de formigón

Multimodo saída do láser de fibra de 4 kW pode ser usada para o corte e perforación de formigón. Por que facelo? Cando os enxeñeiros están tentando alcanzar resistencia sísmica dos edificios existentes, que ter moito coidado co formigón. Cando instalado nel, como reforzo de aceiro de perforación de percusión convencional pode causar erros e enfraquecen o formigón, pero láseres de fibra cortada sen esmagar.

Láseres cunha fibra de conmutación de Q utilizado por exemplo para etiquetaxe ou na fabricación de electrónica de semicondutores. Son tamén usados en telemetría: módulos do tamaño dunha man conter láseres de fibra seguro para os ollos, cuxa saída é de 4 kW, a unha frecuencia de 50 kHz e unha duración de impulsos de 5-15 ns.

tratamento de superficie

Hai un gran interese en pequenos láseres de fibra de micro e nanoprocessing. Cando a eliminación da capa de superficie, a duración do impulso é máis curto que 35 PS, ningún material de pulverización. Isto evita a formación de ondulacións e outros artefactos non desexadas. Os impulsos en réxime femtosegundo producir efectos non lineais, que non son sensibles á lonxitude de onda ea área circundante non é Calefacción, permitindo traballar sen dano substancial ou debilitamento das áreas circundantes. Ademais, os buratos poden ser cortadas cunha profundidade de alta ancho - por exemplo, rapidamente (en poucos milisegundos) Pequenos buratos de 1 mm, utilizando un aceiro inoxidable de 800 pulsos-fs cunha frecuencia de 1 MHz.

Tamén é posible producir materiais transparentes coa superficie tratada, por exemplo, o ollo humano. Para cortar un separador en microcirurgia oftálmica, pulsos femtosecond vysokoaperturnym lente firmemente foco nun punto por debaixo da superficie do ollo sen causar calquera dano na superficie, pero o ollo por material de destruír a unha profundidade controlada. A superficie lisa da córnea, que é esencial para a visión permanece intacta. O separador está separada da parte inferior, pode entón ser levado cara arriba para a superficie da lente de formación de láser de excímero. Outras aplicacións médicas inclúen cirurxía de penetración superficial en Dermatoloxía, así como a utilización de certos tipos de tomografía de coherencia óptica.

láseres de femtossegundos

láseres de femtossegundos en ciencia usada para excitar a repartición espectroscopia láser, espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal e tamén para a investigación en xeral materiais. Ademais, son necesarios para a produción de pente frecuencia femtosegundo necesaria en metroloxía e estudos xerais. Unha das aplicacións reais a curto prazo serán os reloxos atómicos dos satélites GPS dunha nova xeración, o que aumentará a precisión do posicionamento.

láser de fibra de frecuencia única realízase cun ancho de liña espectral de menos de 1 kHz. Este dispositivo impresionante, cunha pequena potencia de saída de radiación de 10 mW a 1W. Está aplicación no campo das comunicacións, metroloxía (por exemplo, en fibra giroscópios) e espectroscopia.

Cal é o próximo?

En canto a outras aplicacións de investigación, aínda é unha morea deles son estudados. Por exemplo, enxeñaría militar, que pode aplicarse noutras áreas, o cal consiste en combinar un feixes de láser de fibra para obter un feixe de alta a través da combinación coherente ou espectral. Como resultado, máis de potencia é alcanzada nun feixe de xeito único.

Produción de láseres de fibra está crecendo rapidamente, especialmente para as necesidades da industria automotiva. Ademais, hai unha substitución dos dispositivos de fibras non fibrosos. Ademais de melloras xerais en custo e rendemento, están os láseres de femtossegundos e fontes supercontínuo máis práctico. láseres de fibra ocupar nichos máis e tornar-se unha fonte de mellora para outros tipos de láseres.