Fibra iterbium Laser: pajisja, parimi operativ, të energjisë, prodhimi, përdorimi

lasers fibër janë kompakt dhe të qëndrueshme, të saktë, dhe të lehtë për të shpërndarë detyruar ngrohje. Ata vijnë në lloje të ndryshme dhe të kesh një shumë të bëjë me lazer e llojeve të tjera kanë avantazhet e tyre unike.

lasers Fiber: Operacioni

Devices e këtij lloji janë variacion standarde të burimit të ngurta-shtet të rrezatimit koherente nga fibra, në vend që shufra lëngun e punës, një pjatë ose disk. Drita gjeneruar nga Dopant në pjesën qendrore të fibër. Struktura themelore mund të shkojnë nga thjeshtë për mjaft komplekse. aparatit Laser fibër iterbium tillë që fibër ka një sipërfaqe të madhe në raport të vëllimit, në mënyrë që të ngrohjes mund të përhapet relativisht lehtë.

lasers Fiber janë derdhur optikisht, shpesh me ndihmën e lazer diodë, por në disa raste - të njëjtat burime. Optika e përdorura në këto sisteme janë zakonisht paraqet komponentët optike, ku shumica ose të gjitha prej tyre janë të lidhura me njëri-tjetrin. Në disa raste, një optikë pjesa më e madhe, dhe sistemin ndonjëherë të brendshëm fibër optike është e kombinuar me një optikë pjesa më e madhe e jashtme.

A diode burim pompë mund të jetë një grup diode, ose nje mori diodes veçanta, secila prej të cilave është e lidhur në waveguide fibra lidhës optike. fibër stimuluar në çdo fund ka një pasqyrë zgavër rezonator - në praktikë bërë fibër Bragg grilë. Në skajet e optikë pjesa më e madhe kanë, në qoftë se jo vetëm rreze prodhimi hyn në diçka tjetër se fibra. Udhëzues Drita mund të jetë i ndrydhur në mënyrë që nëse e dëshiruar zgavrën lazer mund të ketë një gjatësi prej disa metra.

binuclear

fibrave Struktura e përdorur në lazer fibër, është e rëndësishme. Më e zakonshme është gjeometria e një strukture dual-core. core Undoped jashtme (nganjëherë referuar si Intima) derdhur mbledh dritën dhe drejton atë përgjatë fibër. rrezatimi stimuluar gjeneruar në fibra kalon nëpër thelbin e brendshme, e cila është shpesh një mënyrë të vetme. Bërthama e brendshme permban nje iterbium shtues, stimuluar nga drita pompë. Ka shumë forma të bërthamës noncircular e jashtme, duke përfshirë - gjashtëkëndor, D-formë dhe drejtkëndëshe, uljen probabilitetin e mungon rreze dritë në thelbin qendror.

Lazer fiber mund të ketë një fund ose pompimit anësor. Në dritën e parë të rastit nga një ose më shumë burime hyn fundin fibër. Kur drita pala pompimit është furnizuar në një spliter e cila ushqen atë në thelbin e jashtme. Kjo ndryshon nga shufra lazer ku drita hyn pingul me aksin.

Për një vendim të tillë kërkon një shumë të zhvillimeve strukturore. Vëmendje e konsiderueshme i është kushtuar përmbledh dritën pompë në bazë për të prodhuar një përmbysja e popullsisë, duke çuar në emetimin e stimuluar në thelbin e brendshëm. core laser mund të kenë shkallë të ndryshme të përforcim në fibra në varësi të dopingut, si dhe në gjatësinë e saj. Këta faktorë janë të vendosur si një inxhinier projektimit për parametrat e kërkuar.

kufizim të energjisë mund të ndodhë, sidomos kur veprojnë brenda një fije të vetme-mode. një bërthamë e tillë ka një sipërfaqe shumë të vogël ndër-sektorial, dhe si rezultat i kalon mespërmes dritën e intensitet shumë të lartë. Kur kjo është duke u bërë më të theksuar jo-lineare shpërndajnë Brillouin, i cili kufizon prodhimin e energjisë së disa mijëra watts. Nëse prodhimi është mjaft e lartë, fundi fibra mund të jetë dëmtuar.

Sidomos lazer fibër

Përdorimi i fibrave si lëngun e punës jep gjatësinë më të madhe e ndërveprimit, e cila punon edhe kur pompimit diodë. Kjo gjeometri rezulton në një efikasitet të lartë të konvertimit të fotoneve, si dhe ndërtimin e të besueshme dhe kompakt, në të cilën nuk ka optika diskrete, që kërkon rregullim ose shtrirjes.

Një lazer fibra, të cilat aparatet e lejon atë për të përshtatur mirë, mund të përshtatet për saldimin e fletëve metalike të trasha dhe të për të prodhuar pulses femtosekond. Fibër-optike amplifiers sigurojë fitim vetëm të kalojë dhe janë përdorur në telekomunikacion, si ata mund të plotësoj shumë gjatesi vale të njëjtën kohë. I njëjti fitim është përdorur në amplifiers pushtet me një oshilator master. Në disa raste, përforcues mund të operohet me një lazer të vazhdueshme valë.

Një tjetër shembull është një burim i emisionit spontane nga fibër-përforcim, në të cilin emision stimuluar është i shtypur. Tjetër shembull është një lazer fiber Raman i kombinuar me rritjen dispersionit, gjatësi vale substancialisht prerje. Ajo ka gjetur aplikim në kërkimin shkencor, ku kombinimi i gjenerimit dhe përforcim duke përdorur një gotë fluori në vend se fibrave standarde silicë.

Megjithatë, në përgjithësi, fibrave bërë prej qelqi silicë me Dopant rralla-tokë në thelbin. Aditivëve bazë janë ytterbium dhe erbium. Iterbium ka gjatesi vale nga 1030 në 1080 nm, dhe mund të lëshojnë mbi një gamë të gjerë. Perdorimi i 940 nm-diodë pompë konsiderueshme zvogëlon deficit të fotone. Iterbium ka as një vetë-shuarje efekte, të cilat janë në neodymium në densiteti të lartë, në mënyrë që ky i fundit është përdorur në lazer pjesa më e madhe dhe iterbium - në fibra (ata të dy të sigurojë rreth të njëjtën gjatësi vale).

Erbium lëshon në varg 1530-1620 nm, një vend të sigurtë për sytë. Frekuenca mund të dyfishohet për të gjeneruar dritë në 780 nm, e cila nuk është në dispozicion për llojet e tjera të lazer fibër. Së fundi, ytterbium mund të shtohet në erbium mënyrë që elementi do të thithin rrezatimin pompë dhe të transmetojë këtë energji për të erbium. Tulium - një tjetër Dopant të emisionit në afërsi rajon infra të kuqe, e cila në këtë mënyrë është e sigurt për fotot sy.

efikasitet të lartë

Lazer fiber është një sistem-tre-nivel kuazi. fotonet pompë nxeh kalimin nga shteti terren për shtresën e sipërme. tranzicioni Laser është nga pjesa më e ulët e nivelit të sipërm, në një prej shteteve të ndarë terren. Kjo është shumë efektive: për shembull, ytterbium-940 nm foton pompë lëshon një foton me gjatësi vale të 1030 nm, dhe defekt kuantike (humbje të energjisë), vetëm rreth 9%.

Në të kundërt, neodymium, pompohet në 808 nm humbet rreth 24% të energjisë. Kështu, ytterbium në thelb ka një efikasitet të lartë, edhe pse jo të gjithë e ajo është e arritshme për shkak të humbjes së disa fotoneve. Yb mund të jetë pompuar në një numër të bandat frekuencë, dhe erbiumi - gjatësi vale prej 1480 ose 980 nm. Frekuenca e lartë nuk është aq efektive në aspektin e fotone defekt, por të dobishme, edhe në këtë rast, sepse në 980 nm, burimet më të mira në dispozicion.

Efikasiteti i përgjithshëm i lazer fibër është rezultat i procesit me dy hapa. Së pari, ajo është efikasiteti i pompë diodë. Burime gjysmëpërçues të rrezatimit koherente janë shumë të efektshme, me 50% efikasitet konvertimin një sinjal elektrik në një optik. Rezultatet e studimeve laboratorike sugjerojnë se është e mundur për të arritur një vlerë prej 70% ose më shumë. Me saktë prodhimit ndeshje absorbimit të rrezatimit fibra linjë lazer është arritur dhe një efikasitet të lartë pompimit.

Së dyti, kjo efikasitetit optik-optik konvertimit. Kur një fotone vogël defekt mund të arrijë një shkallë të lartë të eksitimit dhe efikasitetin nxjerrjen e efikasitetit optik-optike konvertimit prej 60-70%. Efikasiteti rezulton është në varg 25-35%.

konfigurimin e ndryshme

Fiber kuantike gjeneratorë të vazhdueshme valë mund të jetë e vetme ose multimode (modes tërthor). Singlemode prodhojnë rreze me cilësi të lartë për materialet, duke punuar ose duke dërguar një rreze nëpër atmosferë, dhe lasers multimode fibër industrial mund të gjenerojnë më shumë pushtet. Ajo është përdorur për prerje dhe saldim, dhe në veçanti, për trajtim të ngrohjes, ku një zonë të madhe është e ndriçuar.

Lazer gjatë fibër është në thelb aparat kuazi-vazhdueshëm zakonisht Millisekonda lloj pulses gjeneruese. Zakonisht ajo është cikli detyrë është 10%. Kjo çon në një fuqi më të lartë se pikut mode vazhdueshëm (zakonisht dhjetë herë) që është përdorur, për shembull, për një shpimit pulsed. Frekuenca mund të jetë 500 Hz, në varësi të kohëzgjatjes.

Q-kalimi në lazer fibra gjithashtu vepron si në pjesën më të madhe. Një kohëzgjatje tipike impuls është në rangun e nanoseconds në mikrosekonda. Më gjatë fibra, më që duhet për Q-kalimi të rrezatimit prodhimit, që rezulton në një pulsi gjatë.

Pronat Fiber disa kufizime në Q ulje. Jolinearitetit i lazer fibër është më e rëndësishme për shkak të zonës së vogël kryq seksional i bërthamës, në mënyrë që fuqia pik duhet të jetë disi i kufizuar. Ju mund të përdorni ose çelsin vëllimi Q, të cilat ofrojnë performancë të lartë, ose modulators optike, të cilat janë të lidhura deri në skajet e pjesës aktive.

Q-ndezur bishtajore mund te amplifikuar me një fije ose në rezonator zgavër. Një shembull i kësaj të fundit mund të gjenden në simulimin Kompleksi Kombëtare të testeve bërthamore (NIF, Livermore, CA), ku lazer fibër është një oshilator master për 192 trarëve. pulses vogla në pllaka të mëdha prej qelqi stimuluar përforcohet për megajoules.

Në lazer fibër me frekuencë përsëritëse sinkronizimin varet nga gjatësia e materialit përforcuar, si në mënyrat e tjera të qarqeve të sinkronizimit dhe kohëzgjatja e pulsimit të varet nga aftësia për të rritur xhiros. Më të shkurtër janë në rangun e 50 PF, dhe më tipik - në rangun e 100 FS.

Ndërmjet iterbium dhe fibra erbium, ekziston një dallim i rëndësishëm, ku ata veprojnë në mënyra të dispersionit të ndryshme. Erbiumi-stimuluar fiber emeton në 1550 nm në një rajon të dispersionit anormal. Kjo lejon solitons. Itterbievye fibrave janë në një shpërbërje pozitiv ose normale; si rezultat, ata gjenerojnë pulses me rregullim lineare frekuencave shqiptuar. Si një rezultat i Bragg bezdisshëm që mund të kenë nevojë për të compress gjatësinë impuls.

Ka disa mënyra për të ndryshuar pulses fibër-lazer, në veçanti për studime picosecond ultrafast. fibrave Photonic kristal mund të jetë prodhuar me cores shumë të vogla për efekte të forta jolineare, të tilla si për prodhimin supercontinuum. Në të kundërt, kristalet Photonic gjithashtu mund të jetë prodhuar me shumë të madhe të vetme-mode thelbin për të shmangur efekte jolineare në fuqive të larta.

Fleksibël Photonic fibër kristal me bërthamë të madhe e krijuar për aplikimet që kërkojnë pushtet të lartë. Një nga metodat është lakimi i qëllimshëm i fibra për të hequr çdo modes padëshiruar e rendit më të lartë duke ruajtur një regjim themelor tërthor. Jo-Lineariteti krijon harmoni; dhe duke zbritur frekuencën e palosjen, ju mund të krijoni një gjatesi vale më të shkurtër dhe më të gjatë. Efektet jolineare gjithashtu mund të prodhojnë compression impuls, e cila çon në kombinezon pamja frekuencave.

Burimi supercontinuum si pulses shumë të shkurtër të prodhuar një spektër të vazhdueshëm nëpër fazën ulje. Për shembull, nga fillestare 6 impulseve PS Në 1050 nm, e cila krijon spektrin lazer fibra ytterbium marra në rangun nga ultravjollcë me shume se 1600 nm. Një burim i burimit erbiumi-supercontinuum IR-pompohet në një gjatësi vale prej 1550 nm.

fuqi të lartë

Industria aktualisht është konsumatori më i madh i lazer fibër. Në kërkesë të lartë tani gëzon fuqinë e rendit të kilovatëve të përdorura në industrinë e automobilave. Industrinë e automobilave është duke lëvizur në drejtim të prodhimit të makinave të çelikut të lartë-forcë për të përmbushur kërkesat e qëndrueshmëri dhe janë relativisht të lehtë për ekonominë më të madhe të karburantit. makine mjetet konvencionale është shumë e vështirë, për shembull, shënoj vrima në këtë lloj të çelikut dhe burimet e rrezatimit koherente të bëjë të lehtë.

Prerja lazer fibra metalike, në krahasim me llojet e tjera të gjeneratorit kuantik ka një numër të avantazhe. Për shembull, waveband afër-infra të kuqe absorbohet mirë metale. Rreze mund të dorëzohen përmes fibra, e cila lejon robot të lehtë të lëvizur fokusin kur prerja dhe shpimin.

fibër optike përmbush kërkesat më të larta për pushtet. Armët US Navy, testuar në vitin 2014, përbëhet nga një 6-fibër 5.5 kilovat lazer të kombinuara në një rreze dhe radiating përmes sistemit formimin optik. 33 njësi kW është përdorur për të mposhtur një automjet pa pilot ajrore. Edhe pse rrezja nuk është një e vetme-mode, sistemi është me interes, si ajo lejon për të krijuar një lazer fibër me duart e tyre jashtë standardit, përbërësit në dispozicion.

Më të lartë të energjisë vetme-mode burime koherente të lehta e IPG Photonics është 10 kW. Mjeshtri oshilator prodhon një vat e pushtetit optike, e cila është furnizuar me amplifikatorin fazë pompohet në 1018 nm me dritën e lazer tjera fibër. I tërë sistemi ka një madhësi prej dy frigoriferë.

Përdorimi i lazer fibër janë shtrirë edhe në prerje të lartë të energjisë dhe saldim. Për shembull, ata zëvendësohen saldim me rezistencë zgjidhjen e problemit të deformimit të materialit fletë çeliku. kontrollin e pushtetit dhe parametra të tjerë lejon kthesa shumë të sakta e prerjes, sidomos qoshet.

Më të fuqishme fibër multimode laser - për prerjen e metaleve nga prodhuesi i njëjtë - deri në 100 kW. Sistemi është i bazuar në një kombinim të rreze koherente, kështu që nuk është super rreze me cilësi të lartë. Kjo rezistencë e bën lazer fibër tërheqëse për industrinë.

shpimit konkrete

Multimode fibra lazer prodhimit të 4 kW mund të përdoret për prerje dhe shpime konkrete. Pse bëhet kjo? Kur inxhinierët janë duke u përpjekur për të arritur rezistencën sizmike të ndërtesave ekzistuese, që të jenë shumë të kujdesshëm me beton. Kur është e instaluar në të, të tilla si përforcim çeliku trokitje konvencionale shpim mund të shkaktojnë difekte dhe dobësojnë konkrete, por lasers fibër prerë pa dërrmuese atë.

Lazer, me një fije Q-ndezur përdoret për shembull për etiketim ose në prodhimin e elektronike gjysmëpërçues. Ato janë përdorur edhe në finders varg: Modulet janë përmasat e një dore të përmbajë lazer fibër sy-e sigurt output të cilit është 4 kW, frekuenca e 50 kHz dhe një kohëzgjatje impuls prej 5-15 ns.

trajtimi sipërfaqësor

Ka një interes të madh në lazer vogla fibra për mikro dhe nanoprocessing. Kur hequr shtresa sipërfaqësore, nëse kohëzgjatja pulsi është më e shkurtër se 35 ps, nuk ka material spërkatje. Kjo parandalon formimin e dimples dhe objekte të tjera të padëshirueshme. Të pulses në regjimin femtosekond prodhojë efekte jolineare që nuk janë të ndjeshme ndaj gjatësi vale dhe zonën përreth nuk është ndezur, duke i lejuar për të punuar pa dëme të konsiderueshme apo dobësimin e zonat përreth. Përveç kësaj, vrima mund të jenë prerë me një thellësi të lartë në gjerësi - për shembull, shpejt (brenda disa milisekonda) vrima të vogla prej 1 mm duke përdorur një çelik pulses 800-FS me një frekuencë prej 1 MHz.

Është gjithashtu e mundur për të prodhuar materiale transparente sipërfaqe-trajtuar, p.sh. syrin e njeriut. Për të shkurtuar një përplasje në microsurgery syve, pulses femtosekond vysokoaperturnym lente fort fokus në një pikë nën sipërfaqen e syrit pa shkaktuar ndonjë dëm në sipërfaqe, por syri duke shkatërruar materialin në një thellësi të kontrolluar. Sipërfaqe e lëmuar e kornea, e cila është thelbësore për vizion mbetet e paprekur. Përplasje është e ndarë nga fundi, atëherë mund të largohen deri në sipërfaqe Excimer lente lazer formimin. Aplikacionet e tjera mjekësore përfshijnë kirurgji depërtimit të cekët në dermatologji, si dhe përdorimin e llojeve të caktuara të tomography koherencës optik.

lazer femtosekond

lazer femtosekond në shkencë përdoret për të nxeh avari spectroscopy lazer, ndriçim fluoreshent spectroscopy me një rezolutë të përkohshme, dhe gjithashtu për kërkime materiale të përgjithshme. Përveç kësaj, ata janë të nevojshme për prodhimin e krehër femtosekond frekuencave të kërkuara në metrologji dhe studime të përgjithshme. Një nga kërkesat reale në afat të shkurtër do të jenë orë atomike e GPS satelitët të një brezi të ri, i cili do të rrisë saktësinë e pozicionimit.

Vetme lazer fiber frekuencë kryhet me një linewidth spektrale prej me pak se 1 kHz. Kjo pajisje mbresëlënëse me një fuqi të vogël të prodhimit të rrezatimit nga 10 MW të 1W. Gjen aplikim në fushën e komunikimit, metrologjinë (p.sh., në gyroscopes fibra) dhe spectroscopy.

Çfarë ndodh më pas?

Sa për aplikacionet e tjera kërkimore, ajo është ende një shumë prej tyre janë studiuar. Për shembull, inxhinieri ushtarake, të cilat mund të aplikohen në fusha të tjera, e cila konsiston në kombinimin e një beams fibër-lazer për të marrë një rreze të lartë duke përdorur kombinimin koherent apo fantazme. Si rezultat, më shumë pushtet është arritur në një rreze të vetme-mode.

Prodhimi i lazer fibër po rritet me shpejtësi, sidomos për nevojat e automobilave industrisë. Gjithashtu, ekziston një zëvendësim të pajisjeve me fibër jo-fijor. Përveç përmirësimeve të përgjithshme në kosto dhe të performancës, ka lazer femtosekond dhe burime supercontinuum më praktike. lasers fibër zënë më shumë niches dhe të bëhet një burim i përmirësimit për llojet e tjera të lazer.