Ytterbium fiber laser: kifaa, kanuni za uendeshaji, nguvu, uzalishaji, matumizi

Lasers ya nyuzi ni compact na muda mrefu, inducted kwa usahihi na kwa urahisi kusambaza nishati ya joto. Wao ni wa aina tofauti na, kuwa na vitu vingi vya kawaida na jenereta za wingu za aina nyingine, wana faida zao za kipekee.

Lasers za nyuzi: Kanuni ya Uendeshaji

Vifaa vya aina hii ni tofauti ya chanzo cha hali halisi ya imara ya mionzi inayohusishwa na mwili wa kazi wa nyuzi za macho, badala ya sahani, sahani au diski. Mwanga huzalishwa na dopant katika sehemu ya kati ya fiber. Mfumo wa msingi unaweza kuanzia rahisi na rahisi kabisa. Kifaa cha nyuzi ya nyuzi ya ytterbium ni kama kwamba fiber ina uwiano mkubwa wa uso hadi kiasi, hivyo joto linaweza kutawanyika kwa urahisi.

Vipande vya nyuzi hupigwa pumzi, mara nyingi kwa njia ya jenereta nyingi za diode, lakini katika hali nyingine - na vyanzo vimovyo. Optics kutumika katika mifumo hii kwa ujumla vipengele fiber, na wengi au wote kuwa kushikamana kwa kila mmoja. Katika hali nyingine, optics ya volumetric hutumiwa, na wakati mwingine mfumo wa ndani wa fiber-optic unahusishwa na optics nje ya volumetric.

Chanzo cha kupigia diode inaweza kuwa diode, tumbo, au seti ya diodes ya mtu binafsi, ambayo kila moja imeshikamana na kontakt na lightguide ya fiber-optic. Fiber ya dope kila mwisho ina kioo cha resonator ya cavity - kwa mazoezi, bragg gratings hufanywa katika fiber. Hakuna optics ya volumetric mwisho, isipokuwa rasi ya pato inapita kwenye kitu kingine isipokuwa fiber. The lightguide inaweza kupotosha, hivyo kama taka, cavity laser inaweza kuwa na urefu wa mita kadhaa.

Uundo wa mbili-msingi

Muundo wa fiber kutumika katika lasers nyuzi ni muhimu. Jiometri ya kawaida ni muundo wa mbili-msingi. Msingi usiowekwa nje (wakati mwingine huitwa shell ya ndani) hukusanya mwanga wa pumped na kuiongoza pamoja fiber. Mionzi yenye nguvu inayotengenezwa katika nyuzi hupita kupitia msingi wa ndani, ambayo mara nyingi ni moja kwa moja. Msingi wa ndani una nyongeza ya ytterbium, inayotokana na boriti nyekundu ya kusukuma. Kuna aina nyingi zisizo za mviringo za msingi wa nje, ikiwa ni pamoja na hexagonal, D-umbo na mstatili, kupunguza uwezekano wa boriti ya mwanga kuanguka katikati ya msingi.

Laser ya nyuzi inaweza kuwa na mwisho au kusukuma upande. Katika kesi ya kwanza, mwanga kutoka kwa moja au vyanzo zaidi huingia mwisho wa fiber. Kwa kusukuma kwa nyuma, nuru hutolewa kwa mgawanyiko, ambayo hulipa kwa msingi wa nje. Hii inatofautiana na laser ya msingi, ambako mwanga huingia kwa kasi kwa mhimili.

Kwa suluhisho kama hiyo, maendeleo mengi ya kubuni yanahitajika. Kipaumbele kikubwa kinalipwa kwa kuleta mwanga wa pampu kwenye eneo la kazi ili kuzalisha inversion ya idadi ya watu inayoongoza kwa chafu kilichochochea ndani ya msingi wa ndani. Msingi wa laser unaweza kuwa na kiwango tofauti cha kupanua, kulingana na doping ya fiber, na pia kwa urefu wake. Sababu hizi zimeundwa na mhandisi wa kubuni ili kupata vigezo muhimu.

Kunaweza kuwa na mapungufu ya nguvu, hasa, wakati wa kufanya kazi ndani ya fiber moja-mode. Msingi huo una eneo ndogo sana la msalaba, na matokeo yake, mwanga wa kiwango cha juu sana hupita kwa njia hiyo. Katika kesi hii, kusambaza yasiyo ya nishati ya Brillouin inakuwa zaidi na zaidi inayoonekana, ambayo inapunguza uwezo wa pato kwa watts elfu kadhaa. Ikiwa ishara ya pato ni ya kutosha, uso wa mwisho wa nyuzi inaweza kuharibiwa.

Makala ya lasers nyuzi

Matumizi ya fiber kama katikati ya kazi inatoa urefu mwingi wa mahusiano, ambayo inafanya kazi vizuri na kupigia diode. Jiometri hii inaongoza kwa ufanisi mkubwa wa uongofu wa photon, pamoja na muundo wa kuaminika na wa kuingiliana, ambao hakuna optics discrete wanaohitaji marekebisho au usawazishaji.

Laser ya nyuzi, kifaa ambacho kinaruhusu kukabiliana vizuri, kinaweza kubadilishwa kwa wote kwa karatasi za kulehemu za chuma, na kwa kupata pulsi za femtosecond. Amplifiers ya fiber-optic hutoa upungufu wa kupitisha moja na hutumiwa katika mawasiliano ya simu kwa vile wanaweza kuimarisha wavelengths nyingi wakati huo huo. Faida sawa ni kutumika katika amplifiers nguvu na oscillator bwana. Katika hali nyingine, amplifier inaweza kufanya kazi na laser ya mionzi inayoendelea.

Mfano mwingine ni vyanzo vya mionzi ya kutosha yenye amplification ya fiber, ambayo mchanga uliohamasishwa unafutwa. Mfano mwingine ni laser ya nyuzi za Raman yenye faida katika kueneza kwa pamoja ambayo inabadilika kwa kiasi kikubwa uwiano. Imegundua matumizi katika utafiti wa kisayansi, ambapo nyuzi za kioo za fluorini hutumiwa kwa kizazi cha macho na amplification, badala ya nyuzi za kiwango cha quartz.

Hata hivyo, kama sheria, nyuzi zinafanywa kwa kioo cha quartz na uchafu wa nadra-udongo duniani. Vidonge vikuu ni ytterbium na erbium. Ytterbium ina wavelengths kutoka 1030 hadi 1080 nm na inaweza kutokea katika upeo pana. Kutumia diode 940-nm kusukuma kwa kiasi kikubwa hupungua upungufu wa photons. Ytterbium hauna madhara yoyote ya kujizuia ambayo neodymium ina denseities ya juu, hivyo mwisho hutumiwa katika lasers volumetric, na ytterbium hutumiwa katika lasers nyuzi (wao wote kutoa wastani wa wavelength sawa).

Erbiamu hutoka kwa kiwango cha 1530-1620 nm, salama kwa macho. Mzunguko unaweza kuongezeka mara mbili ili kuzalisha mwanga saa 780 nm, ambayo haipatikani kwa aina nyingine za lasers za nyuzi. Hatimaye, ytterbium inaweza kuongezwa kwa erbium kwa njia ambayo kipengele kitachukua mionzi ya pampu na kuhamisha nishati hii kwa erbium. Thulium bado inaongeza kuongezea na mwanga katika karibu na infrared, ambayo ni hivyo nyenzo salama ya jicho.

Ufanisi mkubwa

Laser ya nyuzi ni mfumo wa kiwango cha tatu. Photon pampu inasisimua mpito kutoka hali ya chini hadi ngazi ya juu. Mpito wa laser ni mpito kutoka sehemu ya chini ya ngazi ya juu hadi moja ya nchi zilizogawanyika. Hii ni ya ufanisi sana: kwa mfano, ytterbium na photon ya pampu ya 940-nm inatoa photon yenye urefu wa 1030 nm na kasoro ya kiasi (asilimia 9).

Kwa upande mwingine, neodymium, imepigwa kwa 808 nm, inapoteza asilimia 24 ya nishati. Kwa hiyo, ytterbium inafaa kwa ufanisi zaidi, ingawa sio yote yanaweza kufanikiwa kutokana na kupoteza photons. Yb inaweza kupigwa kwa bendi ya mzunguko, na erbium - kwa urefu wa 1480 au 980 nm. Mzunguko wa juu hauna ufanisi kutoka kwa mtazamo wa kasoro ya photon, lakini ni muhimu hata katika kesi hii, kwa sababu saa 980 nm vyanzo bora hupatikana.

Kwa ujumla, ufanisi wa laser ya nyuzi ni matokeo ya mchakato wa hatua mbili. Kwanza, ni ufanisi wa diode ya pampu. Vyanzo vya semiconductor ya mionzi mionzi ni yenye ufanisi, na 50% ufanisi wa kubadilisha signal umeme katika ishara ya macho. Matokeo ya tafiti za maabara zinaonyesha kuwa inawezekana kufikia thamani ya 70% au zaidi. Ikiwa mionzi ya pato la laser ya fiber imefananishwa kwa usahihi, ufanisi mkubwa wa pampu hupatikana.

Pili, ni ufanisi wa uongofu wa optical-optical. Kwa kasoro ndogo katika photoni, inawezekana kufikia ufanisi mkubwa wa uchochezi na uchimbaji na ufanisi wa uongofu wa optical-optical wa 60-70%. Ufanisi wa matokeo ni katika kiwango cha 25-35%.

Mipangilio tofauti

Jenereta za wingu za operesheni za mionzi inayoendelea inaweza kuwa moja- au multimode (kwa njia zingine). Njia za moja kwa moja zinazalisha boriti ya juu kwa vifaa vinavyofanya kazi au kutuma boriti kupitia anga, na lasers za viwanda vya nyuzi za multimode zinaweza kuzalisha nguvu zaidi. Hii hutumiwa kwa kukata na kulehemu, na hasa kwa ajili ya matibabu ya joto, ambapo eneo kubwa linawashwa.

Laser ya fiber ya muda mrefu ni kimsingi kifaa-kinachoendelea, kwa kawaida huzalisha pembe za aina ya millisecond. Kawaida mzunguko wake wa kazi ni 10%. Hii inasababisha nguvu ya juu ya kilele kuliko mode inayoendelea (kawaida mara kumi kubwa), ambayo hutumiwa, kwa mfano, kwa kuchimba visima. Mzunguko unaweza kufikia 500 Hz, kulingana na muda.

Kubadili kwa Q katika nyuzi za nyuzi hufanya kazi pamoja na kwa lasers nyingi. Muda wa kawaida wa pulse ni katika nanoseconds mbalimbali kwa microsecond. Fiber ya muda mrefu, inachukua muda mrefu kwa upepo wa Q-switching, ambayo inasababisha pigo mrefu.

Mali ya fiber huweka vikwazo vingine juu ya Q-switching. Unlinearity ya laser ya nyuzi ni muhimu zaidi kutokana na sehemu ndogo ndogo ya msalaba, ili nguvu ya kilele inapaswa kuwa ndogo. Unaweza kutumia swichi za volumetri za Q ambazo zinatoa utendaji bora, au vidhibiti vya nyuzi ambazo huunganisha hadi mwisho wa sehemu ya kazi.

Pulses na Q-byte inaweza kuongeza katika fiber au resonator cavity. Mfano wa mwisho unaweza kupatikana katika Complex National Simulation Complex (NIF, Livermore, California), ambapo ytterbium fiber laser ni oscillator bwana kwa mihimili 192. Impulses ndogo katika sahani kubwa ya glasi ya alloy ni amplified kwa megajoules.

Katika lasers ya nyuzi na maingiliano, mzunguko wa kurudia hutegemea urefu wa vifaa vya kukuza, kama vile njia nyingine za kufulirisha mode, na upana wa pigo inategemea bandwidth ya faida. Muda mfupi ni ndani ya fs 50, na kawaida zaidi ni katika fs 100.

Kati ya nyuzi za erbium na ytterbium kuna tofauti muhimu, kama matokeo ya ambayo hufanya kazi kwa njia tofauti za usambazaji. Fiber zilizopangwa kwa erbium zinawekwa katika 1550 nm katika mkoa wa kuenea kwa uharibifu. Hii inafanya uwezekano wa kuzalisha solitons. Nyuzi za ytterbium ziko katika mkoa wa utawanyiko mzuri au wa kawaida; Matokeo yake, yanazalisha vurugu na mzunguko wa mzunguko wa mstari wa kawaida. Matokeo yake, ruzuku ya Bragg inaweza kuhitajika ili kuondokana na urefu wa vurugu.

Kuna njia kadhaa za kubadili vidonda vya laser, hususan, kwa ajili ya masomo ya ultraosexosecond. Fiber za kioo za photoniki zinaweza kutengenezwa na viini vidogo sana ili kuzalisha athari zisizo za nishati, kwa mfano, kwa kizazi cha supercontinuum. Kwa kulinganisha, fuwele za photonic zinaweza pia kufanywa na cores kubwa sana ya mode ili kuepuka madhara yasiyo ya kawaida katika nguvu za juu.

Flexible fuwele kioo photonic na msingi kubwa ni iliyoundwa kwa ajili ya maombi wanaohitaji high nguvu. Mojawapo ya mbinu ni pamoja na kupiga kwa makusudi nyuzi hizo ili kuondoa njia yoyote isiyofaa ya juu wakati wa kudumisha hali ya msingi ya kubadilisha. Unlinearity inajenga harmonics; Kwa kuruhusu na kuruka mzunguko, mawimbi mafupi na ya muda mrefu yanaweza kuundwa. Madhara yasiyo ya nishati pia yanaweza kuzalisha ugomvi wa vurugu, ambayo inasababisha kuonekana kwa vifungo vya mzunguko.

Kama chanzo cha supercontinuum, vidonda vifupi sana vinazalisha wigo wa kuendelea kwa kutumia awamu ya kujitegemea. Kwa mfano, kutoka kwa mapigo ya awali ya 6 kwenye 1050 nm, ambayo hujenga laser ya nyuzi ya ytterbium, wigo hupatikana kwa njia mbalimbali kutoka ultraviolet hadi zaidi ya 1600 nm. Chanzo kingine cha IR cha supercontinuum kinapigwa na chanzo cha erbium kwa urefu wa 1550 nm.

Nguvu ya juu

Viwanda sasa ni matumizi makubwa ya lasers nyuzi. Mahitaji makubwa sasa anafurahia nguvu ya utaratibu wa kilowatt, kutumika katika sekta ya magari. Sekta ya magari inaendelea kuelekea kwa uzalishaji wa magari yenye nguvu ya chuma ili kukidhi mahitaji ya muda mrefu na kuwa rahisi kuokoa mafuta. Ni vigumu sana kwa zana za kawaida za mashine, kwa mfano, kupiga mashimo katika aina hii ya chuma, na vyanzo vya mionzi ya kawaida hufanya iwe rahisi.

Chuma kinachokatwa na laser ya nyuzi, kwa kulinganisha na jenereta nyingi za aina nyingine, ina faida kadhaa. Kwa mfano, mawimbi ya karibu ya infrared ni vizuri kufyonzwa na metali. Miti inaweza kutolewa juu ya fiber, ambayo inaruhusu robot kwa urahisi kuhamia kuzingatia wakati kukata na kuchimba visima.

Fiber ya macho hukutana na mahitaji ya nguvu zaidi. Silaha ya Navy ya Marekani, iliyojaribiwa mwaka wa 2014, ina 6 lasers 5.5-kW lasers, imeunganishwa kwenye boriti moja na ikitoa kupitia mfumo wa optical. Ufungaji wa kW 33 ulitumiwa kushindwa gari la angani lisilowekwa. Ingawa boriti sio moja-mode, mfumo huo ni wa riba, kwani inatuwezesha kujenga laser ya nyuzi na mikono yetu wenyewe kutoka kwa vipengele vilivyo na kiwango, kwa urahisi.

Nguvu ya juu ya chanzo kimoja kimoja cha IPG Photonics ni 10 kW. Oscillator bwana hutoa kilowatt ya nguvu ya macho, ambayo hutumiwa kwa mchezaji wa amplifier na kusukuma saa 1018 nm na mwanga kutoka kwa lasers nyingine za nyuzi. Mfumo wote una ukubwa wa friji mbili.

Matumizi ya nyuzi za nyuzi pia imeenea kwenye kukata kwa nguvu na kulehemu. Kwa mfano, wao badala ya kulehemu ya mawasiliano ya chuma karatasi, kutatua tatizo la deformation ya nyenzo. Udhibiti wa nguvu na vigezo vingine hufanya iwezekanavyo kukata makali kwa usahihi, hasa pembe.

Nguvu ya laser multimode laser - kifaa cha kukata metali ya mtengenezaji sawa - kufikia 100 kW. Mfumo umetokana na mchanganyiko wa boriti isiyo ya kawaida, hivyo hii sio boriti yenye ubora wa juu. Urefu huo hufanya lasers ya nyuzi kuvutia sekta hiyo.

Kuchora kwa saruji

Nguvu ya laser ya Multimode ya 4 kW inaweza kutumika kwa kukata na kuchimba saruji. Kwa nini hii ni muhimu? Wakati wahandisi wanajaribu kufikia upinzani wa seismic wa majengo yaliyopo, mtu lazima awe makini sana na saruji. Wakati wa kufunga ndani yake, kwa mfano, kuimarisha chuma, kuchimba visima kawaida huweza kusababisha nyufa na kudhoofisha saruji, lakini laser za nyuzi zinazikatwa bila kusagwa.

Jenereta za quantum zilizo na fiber Q-switched zinatumiwa, kwa mfano, kwa kuashiria au kwa uzalishaji wa umeme wa semiconductor. Pia hutumiwa kwa wapataji mbalimbali: modules za ukubwa wa mkono zina vipaji vya nyuzi salama, ambazo nguvu zake ni 4 kW, mraba 50 kHz na upana wa 5-15 ns.

Matibabu ya uso

Kuna maslahi makubwa katika lasers ndogo za nyuzi za micro-na nanoprocessing. Wakati wa kuondoa safu ya uso, ikiwa upana wa pigo ni mfupi zaidi kuliko 35 ps, hakuna uchapishaji wa vifaa. Hii inachangia malezi ya depressions na mabaki mengine yasiyohitajika. Pulses katika mode ya femtosecond huzalisha athari zisizo za nishati ambazo hazipatikani kwa urefu wa mchanga na hazipati joto nafasi inayozunguka, ambayo inafanya iwezekanavyo kufanya kazi bila uharibifu mkubwa au kudhoofisha maeneo yaliyo karibu. Aidha, mashimo yanaweza kukatwa kwa uwiano mkubwa wa kina-kwa-upana - kwa mfano, haraka (ndani ya milliseconds chache) kufanya mashimo madogo katika chuma cha pua cha 1-mm kwa kutumia pulses 800-f kwa mzunguko wa 1 MHz.

Pia inawezekana kuzalisha uso dawa uwazi vifaa, kwa mfano, jicho binadamu. Kupunguza flap katika jicho microsurgery, Maharagwe femtosecond vysokoaperturnym tightly lengo Lens katika hatua chini ya uso wa jicho bila kusababisha uharibifu wowote juu ya uso, lakini jicho kwa kuharibu nyenzo kwenye kina kudhibitiwa. laini ya uso wa konea, ambayo ni muhimu kwa ajili ya maono bado iko. flap ni kutengwa na chini, yanaweza kujiondoa hadi uso lenzi Excimer laser kutengeneza. Matumizi mengine matibabu pamoja na upasuaji kina kupenya katika Dermatology, pamoja na matumizi ya baadhi ya aina za macho mshikamano tomografia.

lasers femtosecond

lasers Femtosecond katika sayansi kutumika kwa ajili ya kuongezeana laser kuvunjika spectroscopy, fluorescence spectroscopy na azimio muda, na pia kwa ajili ya utafiti wa jumla vifaa. Aidha, wao ni zinahitajika kwa ajili ya uzalishaji wa femtosecond frequency comb zinazohitajika katika metrology na masomo kwa ujumla. Moja ya maombi ya kweli katika muda mfupi itakuwa saa ya atomiki ya satelaiti GPS wa kizazi kipya, ambayo itaongeza usahihi.

Single frequency fiber laser ni kazi kwa linewidth spectral ya chini ya 1 kHz. Kifaa hiki kuvutia na ndogo nguvu ya mionzi ya pato kutoka 10 MW kwa 1W. Hupata maombi katika uwanja wa mawasiliano, metrology (kwa mfano, katika nyuzi grayoskopia) na spectroscopy.

Nini hapo?

Kama kwa matumizi mengine ya utafiti, ni bado mengi yao ni alisoma. Kwa mfano, uhandisi kijeshi, ambayo inaweza kutumika katika maeneo mengine, ambayo yamo katika kuchanganya mihimili fiber-laser kupata boriti ya sekondari kwa kutumia thabiti au spectral mchanganyiko. Matokeo yake, nguvu zaidi ni mafanikio katika moja-mode boriti.

Uzalishaji wa nyuzi lasers ni kukua kwa kasi, hasa kwa mahitaji ya magari viwanda. Pia, kuna badala ya vifaa visivyo fibrous nyuzi. Mbali na maboresho ya jumla katika gharama na utendaji, kuna zaidi ya vitendo femtosecond lasers na vyanzo supercontinuum. Fiber lasers kuchukua niches zaidi na kuwa chanzo cha maendeleo kwa aina nyingine ya lasers.