Иттербиевой волоконний лазер: пристрій, принцип роботи, потужність, виробництво, застосування

Волоконні лазери компактні і міцні, точно наводяться й легко розсіюють теплову енергію. Вони бувають різних видів і, маючи багато спільного з оптичними квантовими генераторами інших типів, володіють власними унікальними перевагами.

Волоконні лазери: принцип роботи

Пристрої цього типу являють собою варіацію стандартного твердотільного джерела когерентного випромінювання з робочим тілом з оптоволокна, а не стрижня, пластини або диска. Світло генерується легирующей домішкою в центральній частині волокна. Основна структура може варіюватися від простої до досить складною. Пристрій иттербиевой волоконного лазера таке, що волокно має велике відношення поверхні до об`єму, тому тепло може бути відносно легко розсіяно.

Волоконні лазери накачуються оптично, найчастіше за допомогою діодних квантових генераторів, але в деяких випадках - такими ж джерелами. Оптика, використовувана в цих системах, як правило, являє собою волоконні компоненти, причому більшість або всі вони пов`язані один з одним. У деяких випадках використовується об`ємна оптика, а іноді внутрішня оптоволоконная система поєднується із зовнішнім об`ємної оптикою.

Джерелом диодной накачування може служити діод, матриця, або безліч окремих діодів, кожен з яких пов`язаний із з`єднувачем волоконно-оптичним світловодом. Леговане волокно на кожному кінці має дзеркало об`ємного резонатора - на практиці в волокні роблять решітки Брегга. На кінцях об`ємної оптики немає, якщо тільки вихідний промінь не переходить в щось інше, ніж волокно. Световод може скручуватися, так що при бажанні лазерний резонатор може мати довжину в кілька метрів.

двоядерний структура

Структура волокна, використовуваного в волоконних лазерах, має важливе значення. Найбільш поширеною геометрією є двоядерний структура. Нелеговане зовнішнє ядро (іноді зване внутрішньою оболонкою) збирає накачується світло і направляє його уздовж волокна. Вимушене випромінювання, що генерується в волокні, проходить через внутрішнє ядро, яке часто є одномодовим. Внутрішнє ядро містить присадку ітербію, що стимулюється світловим пучком накачування. Існує безліч некругових форм зовнішнього ядра, в числі яких - гексагональна, D-образна і прямокутна, що зменшують ймовірність непотрапляння світлового пучка в центральне ядро.

Волоконний лазер може мати торцеву або бічну накачування. У першому випадку світло від одного або декількох джерел надходить в торець волокна. При бічній накачуванні світло подається в розгалужувач, який подає його під зовнішнє ядро. Це відрізняється від стрижневого лазера, де світло надходить перпендикулярно до осі.

Для такого рішення потрібно багато конструктивних розробок. Значна увага приділяється підведенню світла накачування в активну зону, щоб зробити інверсію заселеності, що веде до вимушеного випромінювання у внутрішньому ядрі. Серцевина лазера може мати різну ступінь посилення залежно від легування волокна, а також від його довжини. Ці фактори налаштовуються інженером-конструктором для отримання необхідних параметрів.

Можуть виникнути обмеження потужності, зокрема, при роботі в межах одномодового волокна. Такий сердечник має дуже малу площу поперечного перерізу, і в результаті через нього проходить світло дуже високої інтенсивності. При цьому стає все більш відчутним нелінійне розсіювання Бріллюена, яке обмежує вихідну потужність декількома тисячами ват. Якщо вихідний сигнал є досить високим, торець волокна може бути пошкоджений.

Особливості волоконних лазерів

Використання волокна в якості робочого середовища дає велику довжину взаємодії, яка добре працює при диодной накачуванні. Ця геометрія призводить до високої ефективності перетворення фотонів, а також надійної та компактної конструкції, в якій відсутня дискретна оптика, яка потребує настройки або вирівнювання.

Волоконний лазер, пристрій якого дозволяє йому добре адаптуватися, може бути пристосований як для зварювання товстих листів металу, так і для отримання фемтосекундних імпульсів. Світловолоконні підсилювачі забезпечують однопроходное посилення і використовуються в сфері телекомунікацій, оскільки здатні посилювати багато довжини хвиль одночасно. Таке ж посилення застосовується в підсилювачах потужності з генератором, що задає. У деяких випадках підсилювач може працювати з лазером безперервного випромінювання.

Іншим прикладом є джерела спонтанного випромінювання з волоконним посиленням, в яких вимушене випромінювання пригнічується. Ще одним прикладом може служити рамановских волоконний лазер з посиленням комбінованого розсіювання, істотно сдвигающим довжину хвилі. Він знайшов застосування в наукових дослідженнях, де для комбінаційної генерації і посилення використовується фторидна скловолокно, а не стандартні кварцові волокна.

Проте, як правило, волокна виготовляють з кварцового скла з рідкоземельної легирующей домішкою в ядрі. Основними добавками є иттербий і ербій. Иттербий має довжини хвиль від 1030 до 1080 нм і може випромінювати в ширшому діапазоні. Використання 940-нм диодной накачування значно скорочує дефіцит фотонів. Иттербий не володіє жодним з ефектів самогашенія, які є у неодиму при високій щільності, тому вона активна в об`ємних лазерах, а иттербий - в волоконних (вони обидва забезпечують приблизно однакову довжину хвилі).

Ербій випромінює в діапазоні 1530-1620 нм, безпечному для очей. Частоту можна подвоїти для генерації світла при 780 нм, що недоступно для волоконних лазерів інших типів. Нарешті, иттербий можна додати до ербію таким чином, що елемент буде поглинати випромінювання накачування і передавати цю енергію ербію. Тулій - ще одна легирующая присадка зі свіченням в ближній інфрачервоній області, яка, таким чином, є безпечним для очей матеріалом.

висока ефективність

Волоконний лазер являє собою квазі-трирівневу систему. Фотон накачування збуджує перехід від основного стану на верхній рівень. Лазерний перехід є переходом з найнижчої частини верхнього рівня в одне з розщеплених основних станів. Це дуже ефективно: наприклад, иттербий з 940-нм фотоном накачування випромінює фотон з довжиною хвилі 1030 нм і квантовим дефектом (втратою енергії) всього близько 9%.

На противагу цьому неодим, що накачується при 808 нм, втрачає близько 24% енергії. Таким чином, иттербий за своєю природою має більш високу ефективність, хоча і не вся вона досяжна через втрату деяких фотонів. Yb може бути накачаний в ряді смуг частот, а ербій - довжиною хвилі 1480 або 980 нм. Більш висока частота не так ефективна, з точки зору дефекту фотонів, але корисна навіть в цьому випадку, тому що при 980 нм доступні кращі джерела.

В цілому ефективність волоконного лазера є результатом двоступеневого процесу. По-перше, це ККД діода накачування. Напівпровідникові джерела когерентного випромінювання дуже ефективні, з 50% ККД перетворення електричного сигналу в оптичний. Результати лабораторних досліджень говорять про те, що можна досягти значення в 70% і більше. При точній відповідності вихідного випромінювання лінії поглинання волоконного лазера і досягається високий ККД накачування.

По-друге, це оптико-оптична ефективність перетворення. При невеликому дефекті фотонів можна досягти високого ступеня збудження і ефективності екстракції з оптико-оптичної ефективністю перетворення в 60-70%. Результуючий ККД знаходиться в діапазоні 25-35%.

Відео: Особливості конструкції установки для лазерного зварювання, пайки і наплавлення МУЛ-1

різні конфігурації

Оптоволоконні квантові генератори безперервного випромінювання можуть бути одно- або багатомодовими (для поперечних мод). Одномодові виробляють високоякісний пучок для матеріалів, які працюють або посилають промінь через атмосферу, а багатомодові промислові волоконні лазери можуть генерувати велику потужність. Це використовується для різання і зварювання, і, зокрема, для термообробки, де висвітлюється велика площа.

Відео: Волоконний лазер

Длінноімпульсний волоконний лазер є, по суті, квазінепереривних пристроєм, як правило, виробляють імпульси мілісекундного типу. Зазвичай його робочий цикл складає 10%. Це призводить до більш високої пікової потужності, ніж в безперервному режимі (як правило, в десять разів більше), що використовується, наприклад, для імпульсного свердління. Частота може досягати 500 Гц, в залежності від тривалості.

Модуляція добротності в волоконних лазерах діє також, як і в об`ємних. Типова тривалість імпульсу знаходиться в діапазоні від наносекунди до мікросекунди. Чим довше волокно, тим більше часу потрібно для Q-перемикання вихідного випромінювання, що веде до більш тривалого імпульсу.

Властивості волокна накладають деякі обмеження на модуляцію добротності. Нелінійність волоконного лазера більш значна через малу площу поперечного перерізу сердечника, так що пікова потужність повинна бути дещо обмежена. Можна використовувати або об`ємні перемикачі добротності, які дають більш високу продуктивність, або волоконні модулятори, які приєднуються до кінців активної частини.

Імпульси з модуляцією добротності можуть бути посилені в волокні або в об`ємному резонаторі. Приклад останнього можна знайти в Національному комплексі імітації ядерних випробувань (NIF, Лівермор, Каліфорнія), де иттербиевой волоконний лазер є генератором, що задає для 192 пучків. Малі імпульси в великих плитах з легованого скла посилюються до мегаджоулей.

У волоконних лазерів з синхронізацією частота повторення залежить від довжини підсилює матеріалу, як і в інших схемах синхронізації мод, а тривалість імпульсу залежить від пропускної здатності посилення. Найкоротші знаходяться в межах 50 ФС, а найбільш типові - в діапазоні 100 фс.

Між ербіевого і иттербиевой волокнами існує важлива відмінність, в результаті чого вони працюють в різних режимах дисперсії. Леговані ербієм волокна випромінюють при 1550 нм в області аномальної дисперсії. Це дозволяє виробляти солітони. Иттербиевой волокна знаходяться в області позитивної або нормальної дісперсіі- в результаті вони породжують імпульси з вираженою лінійної частотою модуляції. В результаті для стиснення довжини імпульсу може знадобиться бреггівськими решітка.

Є кілька способів зміни волоконно-лазерних імпульсів, зокрема, для надшвидких пікосекундних досліджень. Фотонно-кристалічні волокна можуть бути виготовлені з дуже малими ядрами для отримання сильних нелінійних ефектів, наприклад, для генерації суперконтинуума. На противагу цьому фотонні кристали також можуть бути виготовлені з дуже великими одномодовими сердечниками для уникнення нелінійних ефектів при великих потужностях.

Гнучкі фотонно-кристалічні волокна з великим сердечником створюються для застосувань, що вимагають високої потужності. Одним із прийомів полягає в навмисному вигині такого волокна для усунення будь-яких небажаних мод вищого порядку зі збереженням лише основний поперечної моди. Нелінійність створює гармонікі- за допомогою вирахування і складання частот можна створювати більш короткі і більш довгі хвилі. Нелінійні ефекти можуть також виробляти стиснення імпульсів, що призводить до появи частотних гребінок.

Як джерело суперконтинуума дуже короткі імпульси виробляють широкий безперервний спектр за допомогою фазової самомодуляціі. Наприклад, з початкових 6 пс імпульсів при 1050 нм, які створює иттербиевой волоконний лазер, виходить спектр в діапазоні від ультрафіолету до понад 1600 нм. Інший ІК-джерело суперконтинуума накачується ербіевим джерелом на довжині хвилі 1550 нм.

Велика потужність

Промисловість в даний час є найбільшим споживачем волоконних лазерів. Великим попитом зараз користується потужність порядку кіловата, що застосовується в автомобілебудуванні. Автомобільна промисловість рухається до випуску автомобілів з високоміцної сталі, щоб вони відповідали вимогам довговічності і були відносно легкими для більшої економії палива. Звичайним верстатів дуже важко, наприклад, пробивати отвори в цьому виді стали, а джерела когерентного випромінювання роблять це легко.

Різка металів волоконних лазером, в порівнянні з квантовими генераторами інших типів, має низку переваг. Наприклад, ближній інфрачервоний діапазон хвиль добре поглинається металами. Луч може бути доставлений по волокну, що дозволяє роботу легко переміщати фокус при різання й свердління.

Оптоволокно відповідає найвищим вимогам до потужності. Зброя ВМФ США, випробуване в 2014 р, складається з 6-волоконних 5,5-кВт лазерів, об`єднаних в один пучок і випромінюючих через формуючу оптичну систему. 33 кВт установка була використана для ураження безпілотного літального апарату. Хоча промінь не є одномодовим, система являє інтерес, так як дозволяє створити волоконний лазер своїми руками зі стандартних, легкодоступних компонентів.

Найвища потужність одномодового джерела когерентного випромінювання компанії IPG Photonics становить 10 кВт. Генератор, що задає виробляє кіловат оптичної потужності, яка подається в каскад підсилювача з накачуванням при 1018 нм зі світлом від інших волоконних лазерів. Вся система має розмір двох холодильників.

Застосування волоконних лазерів поширилося також на Високопотужний різання і зварювання. Наприклад, вони замінили контактне зварювання листової сталі, вирішуючи проблему деформації матеріалу. Управління потужністю і іншими параметрами дозволяє дуже точно різати криві, особливо кути.

Найпотужніший багатомодовий волоконний лазер - установка для різання металів того ж виробника - досягає 100 кВт. Система заснована на комбінації некогерентного пучка, так що це не промінь надвисокої якості. Така стійкість робить волоконні лазери привабливими для промисловості.

буріння бетону

Багатомодовий волоконний лазер потужністю 4 кВт може використовуватися для різання і буріння бетону. Навіщо це потрібно? Коли інженери намагаються досягти сейсмостійкості існуючих будівель, потрібно бути дуже обережним з бетоном. При установці в ньому, наприклад, сталевої арматури звичайне ударне буріння може привести до появи тріщин і послабити бетон, але волоконні лазери ріжуть його без дроблення.

Квантові генератори з модульованої добротністю волокна використовуються, наприклад, для маркування або при виробництві напівпровідникової електроніки. Також вони використовуються в далекомірах: модулі розміром з руку містять безпечні для очей волоконні лазери, потужність яких становить 4 кВт, частота 50 кГц і тривалість імпульсу 5-15 нс.

Обробка поверхонь

Існує великий інтерес в невеликих волоконних лазерах для мікро- і нанообробки. При знятті поверхневого шару, якщо тривалість імпульсу коротше 35 пс, відсутній розбризкування матеріалу. Це виключає утворення поглиблень і інших небажаних артефактів. Імпульси в фемтосекундного режимі виробляють нелінійні ефекти, які не чутливі до довжини хвилі і не нагрівають навколишній простір, що дозволяє працювати без істотного пошкодження або ослаблення навколишніх ділянок. Крім того, отвори можуть бути розрізані з великим відношенням глибини до ширини - наприклад, швидко (протягом декількох мілісекунд) виконати невеликі отвори в 1-мм нержавіючої сталі за допомогою 800-ФС імпульсів з частотою 1 МГц.

Можна також робити поверхневу обробку прозорих матеріалів, наприклад, очі людини. Щоб вирізати шматок при мікрохірургії ока, Фемтосекундний імпульси щільно фокусуються високоапертурний об`єктивом в точці нижче поверхні ока, не викликаючи жодних ушкоджень на поверхні, але руйнуючи матеріал очі на контрольованій глибині. Гладка поверхня рогівки, яка має важливе значення для зору, залишається цілою і неушкодженою. Клаптик, відокремлений знизу, потім може бути підтягнутий для поверхневого Ексімер-лазерного формування лінзи. Інші медичні застосування включають хірургію неглибокого проникнення в дерматології, а також використання в деяких видах оптичної когерентної томографії.

Відео: Пристрій і принцип дії лазера

фемтосекундний лазери

Фемтосекундний квантові генератори в науці використовують для спектроскопії збудження з лазерним пробоєм, флуоресцентної спектроскопії з тимчасовим дозволом, а також для загального дослідження матеріалів. Крім того, вони потрібні для виробництва фемтосекундних частотних гребінок, необхідних в метрології і загальних дослідженнях. Одним з реальних застосувань в короткостроковій перспективі стануть атомний годинник для супутників GPS нового покоління, що дозволить збільшити точність позиціонування.

Відео: Застосування лазера

Одночастотний волоконний лазер проводиться з шириною спектральної лінії менше 1 кГц. Це вражаюче невеликий пристрій з виходом випромінювання потужністю від 10 мВт до 1 Вт. Знаходить застосування в галузі зв`язку, метрології (наприклад, в волоконних гіроскопах) і спектроскопії.

Що далі?

Що стосується інших науково-дослідних застосувань, то більша частина їх вивчаються. Наприклад, військова розробка, яку можна застосовувати і в інших областях, яка полягає в комбінуванні волоконно-лазерних пучків для отримання одного високоякісного променя за допомогою когерентної або спектральної комбінації. В результаті в одномодовом промені досягається велика потужність.

Виробництво волоконних лазерів швидко зростає, особливо для потреб автомобілебудування. Також відбувається заміна неволоконних пристроїв волоконними. Крім загальних поліпшень у вартості і продуктивності, з`являються все більш практичні Фемтосекундний квантові генератори і джерела суперконтинуума. Волоконні лазери займають все більше ніш і стають джерелом поліпшення для лазерів інших типів.