Iterbium fiber lézer: A készülék működési elve, erő, termelés, a felhasználás

Fiber lézerek kompakt és tartós, pontos és könnyen szórás okozta hőt. Jönnek a különböző típusú és amelynek sok köze lézerek más típusnak megvan a saját egyedi előnyöket.

Fiber lézerek: működés

Ilyen típusú eszközöket a standard eltérésből a szilárdtest forrása koherens sugárzás a szálról, ahelyett rúd munkafolyadék, egy lemez vagy tárcsa. A fény által generált adalékanyag a középső része a szál. Az alap szerkezete lehet egyszerű, hogy meglehetősen bonyolult. Itterbium rost lézeres berendezéssel úgy, hogy a szál egy nagy felület: térfogat arány, így a hő lehetne terjeszteni viszonylag könnyen.

Fiber lézerek szivattyúznak optikailag gyakran segítségével dióda lézer, de bizonyos esetekben - a forrásokból. Optics ezekben a rendszerekben használt általában jelentése optikai komponenst tartalmaz, ahol a legtöbb vagy mindegyik kapcsolódik egymáshoz. Egyes esetekben, ömlesztett optika, és néha a belső optikai szál rendszer van kombinálva egy külső ömlesztett optikák.

A dióda szivattyú forrása lehet egy dióda tömb, vagy több egyedi diódák, amelyek mindegyike csatlakoztatva van a csatlakozó optikai hullámvezető. Adalékolt szál két végén van egy tükör üregrezonátor - a gyakorlatban, hogy a szál Bragg rács. A végén a nagy optika van, ha nem csak a kimenő nyaláb lép valami más, mint rost. A fényvezető lehet csavart úgy, hogy kívánt esetben a lézer üreg hossza lehet több méter.

kétgyűrűs

Szerkezet használt rostok üvegszálas lézerek, fontos. A legelterjedtebb a geometriája a kétmagos szerkezetét. Szennyezetlen külső mag (nevezik az intima) pumpált gyűjti a fényt, és irányítja a szál mentén. A stimulált sugárzás keletkezett a szál áthalad a belső mag, amely gyakran egyetlen mód. A belső mag tartalmaz egy adalék itterbium, ösztönözte a szivattyú fény. Sok formája nem kör alakú külső mag beleértve - hexagonális, D-alakú és téglalap alakú, csökkentve annak a valószínűségét hiányzik a fénysugár a központi mag.

A szál lézer lehet egy oldal- vagy szivattyúzás. Az első esetben a fény egy vagy több forrásból jut a szál végén. Amikor az oldalsó pumpáló fény van vezetve egy osztó, amely táplálja be a külső mag. Ez eltér a lézer rudat, ahol a fény belép a tengelyre merőleges.

Egy ilyen döntés igényel sok strukturális fejlemények. Jelentős figyelmet fordítanak összefoglalja a szivattyú fényt a magba, hogy készítsen egy populáció inverzió, ami a stimulált kibocsátás a belső mag. lézeres mag változó mértékű amplifikációt a szál függően adalékolás, valamint a hossza. Ezek a tényezők vannak beállítva, mint egy tervező mérnök számára a szükséges paramétereket.

Maximális teljesítmény előfordulhat, különösen akkor, ha működik egy single-mode fiber. Az ilyen mag van egy nagyon kicsi keresztmetszeti területe, és ennek eredményeként rajta áthalad fényében nagyon magas intenzitású. Ha ez egyre hangsúlyosabb nemlineáris Brillouin szórás, ami korlátozza a teljesítményt több ezer watt. Ha a kimenet elég magas, a szál végén károsodhat.

Különösen üvegszálas lézerek

A használata a rost a munkaközeg között nagyobb interakció hossza, ami jól működik, amikor a dióda pumpáló. Ez a geometria miatt magas a hatásfoka fotonok, valamint megbízható és kompakt építési, amelyben nem diszkrét optika beállítása szükséges, vagy igazítás.

Egy szál lézer, amely berendezés lehetővé teszi, hogy jól alkalmazkodnak, lehet igazítani a hegesztéshez vastag lemezek és termelni femtoszekundumos impulzusok. Fényvezető erősítők egymenetes nyereség és a telekommunikációban alkalmazott, mivel ezek felerősítik sok hullámhosszon egyszerre. Ugyanez nyereség használják erősítők egy vezéroszcillátorral. Bizonyos esetekben az erősítő lehet működtetni egy folytonos hullámú lézer.

Egy másik példa egy forrása spontán emisszió a szálas erősítő, amelyben a stimulált emisszió elnyomja. Egy másik példa egy Raman szál lézer kombinálva a megnövekedett diszperziós, lényegében nyírási hullámhosszon. Azt találtuk alkalmazása a kutatás, ahol a kombináció a termelés és amplifikálással, egy fluorid üveg helyett a standard szilíciumdioxid szálak.

Azonban, általában, szálak szilíciumoxidot tartalmazó üvegből ritkaföldfém adalékanyag a magban. Az alapvető adalékanyagok itterbium és erbium. Itterbium hullámhossza 1030-1080 nm, és bocsátanak ki, mint egy széles tartományban. A használata 940 nm-es dióda szivattyút jelentősen csökkenti a hiány a fotonok. Itterbium nem rendelkezik sem önkioltóak hatások, amelyek a neodímium nagy sűrűség, így az utóbbi használják ömlesztett lézerek és itterbium - rost (mindketten biztosít mintegy ugyanazon a hullámhosszon).

Erbium bocsát ki a tartományban 1530-1620 nm, egy széf a szemet. A frekvencia duplájára fénykeltésre 780 nm-nél, amely nem áll rendelkezésre más típusú szálak lézerek. Végül ytterbium adhatunk erbium, hogy az elem elnyeli a sugárzást szivattyú és továbbítják ezt az energiát erbium. Túlium - újabb adalék anyag kibocsátása a közeli infravörös tartományban, amely így biztonságos a szem képeket.

magas hatásfok

A szál lézer egy kvázi-három szintű rendszert. a szivattyú fotonok gerjeszti az átmenet a alapállapotú a felső réteget. Lézer átmenet a legalacsonyabb része a felső szinten az egyik osztott őrölt Államokban. Ez nagyon hatékony,: például itterbium-940 nm-es foton szivattyú kibocsát egy foton hullámhossza 1030 nm, és a kvantum hiba (energiaveszteség), csak mintegy 9%.

Ezzel szemben, neodímium, szivattyúzzák át 808 nm-en elveszti mintegy 24% energiát. Így ytterbium eleve nagy a hatásfoka, de nem minden ez megvalósítható, mivel a veszteség egy részét a fotonok. Yb lehet szivattyúzni egy darabszámú frekvenciasávot, és erbium - hullámhossza 1480 vagy 980 nm-en. A magasabb frekvencia nem olyan hatékonyak a hiba fotonok, de hasznos, még ebben az esetben, mert a 980 nm-nél, a legjobb rendelkezésre álló források.

Általános hatékonyságát a szál lézer az eredmény a két lépcsős folyamat. Először is, ez a szivattyú hatásfokát dióda. Semiconductor források koherens sugárzás nagyon hatékonyak, a 50% -os hatásfokkal konvertáló egy elektromos jelet egy optikai. Az eredmények laboratóriumi vizsgálatok arra utalnak, hogy lehetséges, hogy elérje az érték 70% vagy több. A pontos egyezés kiadási sugárelnyelés fényvezető lézer érünk el, és nagy szivattyúzási hatásfokkal.

Másodszor, ez az optikai-optikai konverziós hatékonyságot. Amikor egy kis hiba fotonok lehet elérni a magas fokú gerjesztési és az extrakció hatékonysága optikai-optikai hatásfoka 60-70%. A kapott hatékonyság a tartományban 25-35%.

különböző konfigurációkban

Fiber kvantum folyamatos hullám generátorok lehetnek egy vagy multimódusú (keresztirányú módok). Singlemode kiváló minőségű gerenda anyagok, munka vagy küld egy fénysugár a légkörbe, és multimódusú ipari rost lézerek többet termelnek áramot. Ezt alkalmazzák a vágó és hegesztő és különösen a hőkezelés, ahol nagy területet világít.

A hosszú szál lézer lényegében kvázi-folyamatos berendezést általában ezredmásodpercnyi impulzusokat előállító típusú. Általában ez a kitöltési tényező 10%. Ez eredményezi, hogy nagyobb csúcsteljesítmény, mint a folyamatos üzemmódban (jellemzően tízszer), hogy használják, például, egy pulzáló fúrás. A frekvencia lehet 500 Hz, időtartamától függően.

Q-kapcsoló a rost lézerek is hat az ömlesztett. Egy tipikus impulzus időtartama tartományban ns a mikroszekundum. Minél hosszabb a szál, annál tovább tart a Q-kapcsoló a kimeneti sugárzás, ami hosszabb impulzus.

Száltulajdonságokat bizonyos korlátozások a Q modulációs. A nemlinearitás a szál lézer jelentősebb, mert a kis keresztmetszeti területe a mag, így a csúcsteljesítmény kell kissé korlátozott. Használhatja akár a Q mennyiség kapcsolókat, amelyek nagyobb teljesítményt, vagy látóideg-modulátorok, amelyek össze vannak kötve a végei az aktív rész.

Q-kapcsolt impulzusok is erősíthető egy szál vagy az üregrezonátor. Egy példa az utóbbi megtalálható a Nemzeti Komplex szimulációs nukleáris tesztek (NIF, Livermore, CA), ahol a szál lézer egy mester oszcillátor 192 gerendák. Kis impulzusok nagy tábla üveg impregnált felerősítve megajoule.

Az üvegszálas lézerek szinkronizálással ismétlési frekvencia függ a hossza erősítő anyag, mint a többi mód szinkronizálás áramkörök és impulzus időtartama függ a képességét, hogy fokozza a teljesítményt. A legrövidebb vannak a tartományban a 50 fs, és legjellemzőbb - a tartományban 100 fs.

Két ytterbium és erbium rost, van egy fontos különbség, ahol működnek különböző módban diszperziós. Erbiummal adalékolt optikai szálat emittáló 1550 nm-nél egy olyan régióban, az anomális diszperziós. Ez lehetővé teszi, szolitonok. Itterbievye szálak pozitív vagy normál diszperzió; Ennek eredményeként, az általuk generált impulzusok lineáris frekvencia moduláció kiejteni. Ennek eredményeként a Bragg rács szükség lehet tömöríteni az impulzus hossza.

Számos módja van, hogy módosítsa a fiber-lézer impulzusok, különösen pikoszekundumban ultragyors vizsgálatok. Fotonikus kristály rostok gyárthatók nagyon kicsi magok erős nemlineáris hatások, mint például a supercontinuum generáció. Ezzel szemben, a fotonikus kristályok is gyárthatók nagyon nagy egymódusú magot igényel annak érdekében, hogy elkerüljék nemlineáris hatások nagy hatáskörét.

Rugalmas fotonikus kristály szál nagy mag létre alkalmazásokat, melyek nagy teljesítmény. Az egyik módszer az, szándékos meghajlás a szál, hogy távolítsa el a nem kívánt magasabb rendű mód, miközben alapvető transzverzális üzemmódú. A nem-linearitás teremt harmonikus; valamint kivonjuk gyakorisága összecsukható, akkor létrehozhat egy rövidebb és hosszabb hullámhosszakon. Nemlineáris hatások is hozhatnak impulzussűrítés, ami a megjelenés gyakoriságát lépek.

A supercontinuum forrás, mint nagyon rövid impulzusok előállítására folytonos spektrumú keresztül fázismoduláció. Például, a kezdeti 6 PS impulzusok 1050 nm, ami létrehozza a itterbium szál lézer spektruma tartományban ultraibolya több mint 1600 nm. Egy másik forrás IR-pumpált erbiummal supercontinuum forrás egy 1550 nm hullámhosszon.

nagy teljesítmény

Ipar jelenleg a legnagyobb fogyasztó a rost lézerek. A nagy kereslet most élvezi a hatalom a rendelést kilowatt alkalmazott az autóiparban. Az autóipar felé a termelés nagy szilárdságú acél autók megfelelnek a tartósság és viszonylag könnyen nagyobb üzemanyag-fogyasztást. Hagyományos szerszámgépek nagyon nehéz, például lyukakat az ilyen típusú acél és a források koherens sugárzás könnyen.

Vágási fém szál lézer, összehasonlítva más típusú kvantum generátor számos előnye van. Például, közeli infravörös hullámsáv jól felszívódik fémek. Beam lehet szállítani a rost, amely lehetővé teszi, hogy a robot, hogy könnyen mozog a fókuszt, amikor vágás és fúrás.

Optikai szál megfelel a legmagasabb követelményeknek teljesítmény. Fegyverek US Navy, tesztelt 2014-ben, áll egy 6-szál 5,5 kilowatt lézerek kombinálva egy távolsági és sugárzó keresztül a formázó optikai rendszer. 33 kW egységet használunk, hogy legyőzze a pilóta nélküli légi jármű. Bár a fény nem egy single-mode, a rendszer az érdekes, mivel lehetővé teszi, hogy hozzon létre egy szál lézer kezük közül standard, könnyen hozzáférhető alapanyagokból.

A legnagyobb teljesítmény egymódusú koherens fényforrás IPG PhotonicsTM 10 kW. A mester oszcillátor termel watt az optikai energia, amelyet a szállított erősítő fokozat szivattyúzzuk 1018 nm fény más üvegszálas lézerek. Az egész rendszer a mérete két hűtőszekrény.

Használata üvegszálas lézerek is ki kell terjeszteni a nagy teljesítményű vágó és hegesztő. Például azok helyébe ellenállás hegesztés acéllemez problémájának megoldására deformáció az anyag. Teljesítmény-ellenőrzés és egyéb paraméterek lehetővé teszi a nagyon pontos vágási görbe, főleg a sarkokban.

A legerősebb multimódusú szál lézer - vágásához fémek ugyanazon gyártótól származó - legfeljebb 100 kW. A rendszer alapja egy kombinációja inkoherens fényt, így nem szuper jó minőségű gerenda. Ez az ellenállás teszi üvegszálas lézerek vonzó az ipar.

beton fúró

Multimódusú szál lézernyomatokat 4 kW lehet használni vágás és beton fúráshoz. Miért is? Amikor a mérnökök próbálják elérni földrengésállóságának a meglévő épületek, hogy legyen nagyon óvatos a beton. Ha telepítve benne, mint a hagyományos betonacél ütvefúrás okozhat hibákat, és gyengíti a beton, de üvegszálas lézerek vágjuk nélkül péppé.

Lézerek egy Q-kapcsolt szál használható, hogy például címkézés vagy a félvezető elektronika. Ők is használják a távmérők: modulok akkora, mint egy kéz tartalmaz szem-biztonságos üvegszálas lézerek, melynek kimenete 4 kW, a frekvenciája 50 kHz-es, illetve pulzus időtartama 5-15 ns.

felületkezelés

Nagy az érdeklődés a kis üvegszálas lézerek a mikro és nanoprocessing. Amikor eltávolítja a felületi réteg, ha az impulzus időtartama rövidebb, mint 35 ps, nincs permetezés anyag. Ez megakadályozza a gödröcskék és más nemkívánatos melléktermékek. Az impulzusok femtoszekundumos rendszer termel nemlineáris hatások, amelyek nem érzékenyek a hullámhossz és a környező terület nem melegszik, így a munka nélkül jelentős kár vagy gyengül a környező területeken. Továbbá, lyukak lehet vágni egy nagy mélység szélesség - például gyorsan (néhány ezredmásodperc alatt) kis lyukakat 1 mm-t rozsdamentes acél 800-FS impulzusok egy 1 MHz frekvencián.

Az is lehetséges, hogy készítsen felületkezelt átlátszó anyagok, például, az emberi szem. Ahhoz, hogy csökkentsék a billenőszárnyra Szemmikrosebészet, femtoszekundumos impulzusok vysokoaperturnym szorosan fókuszú lencse olyan ponton a felszín alatt a szem sérülése nélkül a felületen, de a szem elpusztításával anyagot egy vezérelt mélységet. A sima felület a szaruhártya, ami elengedhetetlen a látás marad. A csappantyú van elválasztva az alsó, ezután felfelé kell húzni, hogy a felszíni excimer lézer képező lencse. Egyéb orvosi alkalmazások közé tartoznak a sebészeti sekély penetráció bőrgyógyászat, valamint a használata bizonyos típusú optikai koherencia tomográfia.

femtoszekundumos lézerek

Femtoszekundumos lézerek tudományos gerjesztésére használt lézer bontás spektroszkópia, fluoreszcens spektroszkópia egy időbeli felbontás, valamint az általános anyagok kutatás. Ezen felül, ezek előállításához szükséges femtoszekundumos frekvencia fésű szükséges a mérés- és általános tanulmányok. Az egyik igazi alkalmazások rövid távon lesz a atomórák a GPS műholdak új generációja, amely növeli a helymeghatározás pontossága.

Egyfrekvenciás szál lézer végezzük egy spektrális vonalszélesség kisebb, mint 1 kHz. Ez a lenyűgöző készülék egy kis sugárzási kimenő teljesítmény 10 mW 1W. Találja alkalmazás a kommunikáció területén, metrológia (például, az üvegszálas giroszkóp) és a spektroszkópiát.

Mi a következő lépés?

Ami a többi kutatási alkalmazásokhoz, ez még mindig egy csomó közülük vizsgálták. Például, katonai műszaki, amelyet alkalmazni lehet más területeken, amely ötvözi egy szál-lézersugarak, hogy egy magas sugár segítségével a koherens vagy spektrális kombinációja. Ennek eredményeképpen, több erő érhető el egymódusú fény.

Gyártása üvegszálas lézerek gyorsan növekszik, különösen az autóipar igényeinek. Emellett van egy csere a nem szálas rostot eszközök. Amellett, hogy az általános javulás a költségek és a teljesítmény, több gyakorlati femtoszekundumos lézerek és supercontinuum forrásokból. Fiber lézerek foglalnak el több fülkékben forrásává válnak a javulás más típusú lézerek.