Ytterbium hibla laser: ang aparato, operating prinsipyo, kapangyarihan, produksyon, paggamit

Fiber lasers ay compact at matibay, tumpak, at madaling scatter sapilitan init. Sila ay dumating sa iba't-ibang uri at pagkakaroon ng maraming upang gawin sa mga lasers ng iba pang mga uri ay may sariling mga natatanging bentahe.

Fiber lasers: operasyon

Aparato ng ganitong uri ay ang standard na pagkakaiba-iba ng ang source solid-estado ng magkaugnay na radiation mula sa fiber, sa halip baras nagtatrabaho likido, isang plato o disc. Ang liwanag na nabuo sa pamamagitan ng ang dopant sa gitnang bahagi ng fiber. Ang pangunahing istraktura ay maaaring saklaw mula sa simple hanggang lubos na mahirap unawain. Ytterbium hibla laser patakaran ng pamahalaan tulad na ang mga hibla ay may isang malaking ibabaw sa dami ng ratio, kaya ang init ay maaaring diffused relatibong madali.

Fiber lasers ay pumped optically, madalas sa tulong ng mga diode lasers, ngunit sa ilang mga kaso - ang parehong mga pinagkukunan. Optics ginagamit sa mga sistema ay karaniwang kumakatawan optic components, kung saan karamihan o lahat ng mga ito ay konektado sa bawat isa. Sa ilang mga kaso, ang isang bulk optika, at kung minsan ay panloob na optical fiber sistema ay pinagsama kasama ang isang panlabas na optika bulk.

Ang isang diode pump pinagmulan ay maaaring maging isang diode array, o isang mayorya ng mga indibidwal na diodes, ang bawat isa na kung saan ay konektado sa connector fiber optic weyb gayd. Doped hibla sa bawat dulo ay may isang mirror lukab risoneytor - sa practice gawin ang mga hibla Bragg kayod. Sa dulo ng bulk optika ay may, kung hindi lamang ang output poste ay nagpasok ng isang bagay maliban sa fiber. Ang liwanag na gabay ay maaaring baluktot upang kung nais ng laser lukab ay maaaring magkaroon ng isang haba ng ilang metro.

binuclear

Istraktura fibers na ginagamit sa lasers hibla, ay mahalaga. Ang pinaka-karaniwang ay ang geometry ng isang dual-core istraktura. Undoped outer core (minsan tinutukoy bilang ang intima) pumped nangongolekta ng liwanag at ang namumuno nito kasama ang mga hibla. Stimulated sa radiation na nabuo sa fiber ay ipinapasa sa pamamagitan ng mga panloob na core, na kung saan ay madalas na isang solong mode. Ang panloob na core ay naglalaman ng isang additive ytterbium, stimulated sa pamamagitan ng liwanag pump. Mayroong maraming mga paraan ng noncircular outer core kabilang ang - heksagunal, D-shaped at hugis-parihaba, pagbabawas ng posibilidad ng mga misses ang liwanag beam sa gitnang core.

Ang fiber laser maaaring magkaroon ng isang dulo o gilid pumping. Sa unang kaso ng liwanag mula sa isa o higit pang mga mapagkukunan pumapasok sa fiber dulo. Kapag ang side pumping ilaw ay ibinibigay sa isang splitter na feed ito sa outer core. Ito ay naiiba mula sa laser baras na kung saan ang liwanag ay nagpasok ng patayo sa axis.

Para sa tulad ng isang desisyon ay nangangailangan ng isang pulutong ng mga istruktura developments. Labis na atensiyon ay binabayaran sa pagbubuod ang ilaw pump sa core upang makabuo ng isang populasyon pagbabaligtad, na humahantong sa stimulated paglabas sa panloob na core. laser core ay maaaring magkaroon ng iba't ibang grado ng amplification sa fiber depende sa doping, pati na rin sa haba nito. Ang mga kadahilanang ito ay itinakda bilang isang disenyo engineer para sa mga kinakailangang parameter.

Power limitasyon ay maaaring mangyari, lalo na kapag operating sa loob ng isang hibla solong-mode. Ang nasabing core ay may isang napakaliit na cross-sectional area, at bilang isang resulta ay ipinapasa therethrough liwanag ng mataas na intensity. Kapag ito ay nagiging mas malinaw non-linear Brillouin scattering, na naglilimita sa kapangyarihan output ng ilang mga libo-libong mga Watts. Kung ang output ay sapat na mataas, ang fiber end ay maaaring napinsala.

Lalo lasers hibla

Ang paggamit ng fiber bilang nagtatrabaho likido ay nagbibigay sa mas malawak na haba ng pakikipag-ugnayan, na kung saan ay mahusay na gumagana kapag ang diode pumping. Ito geometry resulta sa isang mataas na kahusayan ng conversion ng mga photons, pati na rin ang maaasahan at compact konstruksiyon, kung saan walang discrete optika, na nangangailangan ng pagsasaayos o pag-align.

Ang isang fiber laser, na kung saan kasangkapan ay nagbibigay-daan ito upang iangkop na rin, ay maaaring iniakma para sa hinang ng makapal na metal sheet at upang makabuo ng femtosecond pulses. Fiber-optic amplifiers magbigay ng single-pass ng nakuha at ginagamit sa telekomunikasyon, tulad ng maaari nilang palakasin maraming wavelength sabay-sabay. Ang parehong pakinabang ay ginagamit sa power amplifiers na may isang master osileytor. Sa ilang mga kaso, ang amplifier ay maaaring pinamamahalaan sa isang tuloy-tuloy na alon laser.

Ang isa pang halimbawa ay isang pinagkukunan ng likas paglabas mula sa hibla-pampalakas, kung saan ang stimulated emission ay bigti. Ang isa pang halimbawa ay isang Raman fiber laser pinagsama sa nadagdagan pagpapakalat, malaki gupitin haba ng daluyong. Ito ay natagpuan na application sa pananaliksik, kung saan ang mga kumbinasyon ng mga henerasyon at paglaki sa paggamit ng plurayd glass sa halip na ang karaniwang silica fibers.

Gayunpaman, sa pangkalahatan, fibers gawa sa silica glass na may bihirang-earth dopant sa core. Ang pangunahing additives ay ytterbium at uri ng bakal. Ytterbium ay may wavelength 1030-1080 nm, at maaaring naglalabas sa loob ng isang malawak na hanay. Ang paggamit ng 940-nm diode pump makabuluhang binabawasan ang deficit ng mga photons. Ytterbium ay hindi isang self-pagsusubo epekto, na kung saan ay sa neodymium sa mataas na density, kaya ang huli ay ginagamit nang maramihan lasers at ytterbium - sa fiber (pareho silang magbigay ng tungkol sa parehong wavelength).

Uri ng bakal naglalabas sa hanay 1530-1620 nm, safe para sa mata. dalas ay maaaring Dinoble upang makabuo ng ilaw sa 780 nm, na kung saan ay hindi magagamit para sa iba pang mga uri ng mga lasers hibla. Sa wakas, ytterbium ay maaaring idagdag sa uri ng bakal upang ang mga elemento ay absorb ang pump radiation at ipadalang-kawad ang enerhiya upang uri ng bakal. Tuliyum - isa pang dopant sa pagpapalabas sa malapit infrared rehiyon, na kung saan gayon ay ligtas para sa mga larawan mata.

mataas na kahusayan

Ang fiber laser ay isang quasi-tatlong-antas na sistema. ang pump photons excite ang paglipat mula sa lupa ng estado sa itaas na layer. Laser transition mula sa pinakamababang bahagi ng upper level sa isa sa mga split lupa estadong ito. Ito ay napaka epektibo: halimbawa, ytterbium-940 nm poton pump emits isang poton na may haba ng daluyong ng 1030 nm, at ang quantum depekto (enerhiya pagkawala), lamang tungkol sa 9%.

Sa kaibahan, neodymium, pumped sa 808 nm loses tungkol sa 24% ng enerhiya. Kaya, ytterbium inherently ay may mataas na kahusayan, bagaman hindi lahat ng mga ito ay matamo dahil sa ang pagkawala ng ilan sa mga photons. Yb maaaring pumped sa isang bilang ng mga frequency band, at uri ng bakal - wavelength ng 1480 o 980 nm. Ang mas mataas na frequency ay hindi kasing epektibo sa mga tuntunin ng depekto photons, ngunit kapaki-pakinabang, kahit na sa kasong ito, dahil sa 980 nm, ang pinakamahusay na mga pinagkukunan na magagamit.

Pangkalahatang kahusayan ng fiber laser ay ang resulta ng dalawang-hakbang na proseso. Una, ito ay ang kahusayan ng pump diode. Semiconductor pinagkukunan ng magkaugnay na radiation ay napaka-epektibo, na may 50% na kahusayan sa pag-convert ng electric signal sa isang optical. Ang mga resulta ng pag-aaral laboratoryo magmungkahi na ito ay posible upang maabot ang isang halaga ng 70% o higit pa. Na may eksaktong tugma output radiation pagsipsip line fiber laser ay nakakamit at ang isang mataas pumping kahusayan.

Pangalawa, ito sa mata-optical conversion kahusayan. Kapag ang isang maliit na depekto photons maaaring makamit ang isang mataas na antas ng paggulo at ang pagkuha kahusayan ng optical-optical conversion kahusayan ng 60-70%. Ang resultang kahusayan ay nasa hanay 25-35%.

iba't-ibang mga kumpigurasyon

Fiber quantum tuloy-tuloy na alon generators ay maaaring maging single o multimode (nakahalang mode). Singlemode makabuo ng mataas na kalidad na poste para sa mga materyales, nagtatrabaho o pagpapadala ng beam sa pamamagitan ng kapaligiran, at multimode pang-industriya lasers hibla maaari bumuo ng karagdagang kapangyarihan. Ito ay ginagamit para sa cutting at hinang, at sa partikular, para sa init paggamot, kung saan ang isang malaking lugar ay iluminado.

Ang mahabang fiber laser ay malaki-laking quasi-tuloy-tuloy na kasangkapan ay karaniwang millisecond pulses bumubuo uri. Karaniwan ito ay ang duty cycle ay 10%. Ito ay humahantong sa isang mas mataas na peak power kaysa sa tuloy-tuloy na mode (kadalasan sampung beses) na ginagamit, halimbawa, para sa isang pulsed pagbabarena. dalas ay maaaring 500 Hz, depende sa tagal.

Q-switching sa fiber lasers din ay gumaganap bilang sa bulk. Ang isang tipikal na pulse duration ay nasa hanay ng mga nanoseconds sa microseconds. Ang mas mahaba ang fiber, mas matagal na aabutin para sa Q-switching ng output radiation, na nagreresulta sa isang mas mahabang pulse.

Fiber properties ilang mga limitasyon sa Q modulasyon. Ang nonlinearity ng fiber laser ay mas makabuluhang dahil sa ang maliit na cross-sectional area ng core, upang ang rurok ng kapangyarihan ay dapat na medyo limitado. Maaari mong gamitin ang alinman sa Q volume switch, na kung saan ay nagbibigay ng mas mataas na pagganap, o optic modulators, na kung saan ay konektado sa dulo ng aktibong bahagi.

Q-inililipat pulses ay maaaring amplified sa isang hibla o sa cavity risoneytor. Ang isang halimbawa ng sa huli ay matatagpuan sa National Complex simulation ng nuclear pagsusulit (nKung, Livermore, CA), kung saan ang mga hibla laser ay isang master osileytor para sa 192 beams. Maliit na pulses sa malaking slabs ng glass doped amplified sa megajoules.

Sa fiber lasers na may synchronization uulit dalas ay depende sa haba ng reinforcing materyal, tulad ng sa iba pang mga mode ng pag-synchronize circuits at pulse duration ay depende sa kakayahan upang mapahusay ang throughput. Ang pinakamaikling ay nasa hanay ng 50 fs, at pinaka tipikal na - sa hanay ng mga 100 fs.

Sa pagitan ng ytterbium at uri ng bakal fiber, mayroong isang mahalagang pagkakaiba, kung saan sila gumana sa iba't ibang mga mode pagpapakalat. Uri ng bakal-doped hibla na nagpapalabas sa 1550 nm sa isang rehiyon ng maanomalyang pagpapakalat. Ito ay nagpapahintulot sa mga soliton. Itterbievye fibers ay nasa isang positibo o normal na pagpapakalat; bilang isang resulta, bumuo sila pulses na may linear dalas modulasyon binibigkas. Bilang resulta ng Bragg kayod ito ay maaaring kailangan upang i-compress ang pulso haba.

Mayroong ilang mga paraan upang baguhin ang fiber-laser pulses, sa mga partikular na para sa picosecond ultrafast pag-aaral. Photonic crystal fibers maaaring manufactured na may napakaliit na mga core para sa malakas nonlinear epekto, tulad ng para sa supercontinuum henerasyon. Sa kaibahan, ang photonic crystals ay maaari ding manufactured na may napakalaking mga single-mode core upang maiwasan ang nonlinear epekto sa mataas na kapangyarihan.

Flexible photonic kristal na hibla na may malaking core nilikha para sa mga application na nangangailangan ng mataas na kapangyarihan. Isa sa mga pamamaraan ay sinadya bending ng fiber upang alisin ang anumang hindi nais na mas mataas na mga mode ng order habang nagpapanatili ng isang pangunahing pahalang na mode. Ang non-linearity ay lumilikha ng harmonika; at sa pamamagitan ng pagbabawas ng dalas ng natitiklop na, maaari kang lumikha ng isang mas maikli at mas mahabang habang-alon. Nonlinear epekto ay maaari ring makabuo ng pulso compression, na hahantong sa ang hitsura nagsusuklay dalas.

Ang supercontinuum source ng napaka-ikling pulses makabuo ng isang tuloy-tuloy na spectrum sa pamamagitan ng phase modulasyon. Halimbawa, mula sa paunang 6 ps pulses sa 1050 nm, na lumilikha ng ytterbium hibla laser spectrum nakuha sa hanay mula sa ultrabiyoleta sa higit sa 1600 nm. Ang isa pang pinagkukunan ng IR-pumped uri ng bakal-supercontinuum source sa isang wavelength ng 1550 nm.

Mataas na kapangyarihan

Industry ay kasalukuyang ang pinakamalaking consumer ng lasers hibla. Sa mataas na demand ngayon Tinatangkilik ang kapangyarihan ng pagkakasunod-sunod ng kilowatts ginagamit sa automotive industriya. Ang automotive industriya ay lumilipat patungo sa produksyon ng mataas na lakas ng bakal kotse upang matugunan ang mga pangangailangan ng tibay at ay medyo madali sa mas higit na fuel ekonomiya. Maginoo machine tools ay napakahirap, halimbawa, manuntok butas sa ganitong uri ng bakal at ang mga pinagmulan ng magkaugnay na radiation gawin itong madali.

Pagputol metal fiber laser, kumpara sa iba pang mga uri ng quantum generator ay may isang bilang ng mga kalamangan. Halimbawa, malapit-infrared waveband na rin hinihigop metal. Beam maaaring maihatid sa pamamagitan ng hibla, na kung saan ay nagbibigay-daan ang robot upang madaling ilipat ang focus kapag paggupit at pagbabarena.

Optical fiber natutugunan ang pinakamataas na mga kinakailangan para sa kapangyarihan. Armas US Navy, sinubukan sa 2014, ay binubuo ng isang 6-fiber 5.5 kilowatts lasers pinagsama sa isang poste at radiate sa pamamagitan ng bumubuo ng optical system. 33 kW unit ay ginamit upang talunin ang isang unmanned aerial sasakyan. Kahit na ang beam ay hindi isang solong-mode, ang sistema ay ng interes, dahil pinapayagan upang lumikha ng isang hibla laser sa kanilang mga kamay sa labas ng pamantayan, maluwag sa loob magagamit na mga sangkap.

Ang pinakamataas na kapangyarihan solong-mode maliwanag na ilaw pinagkukunan ng IPG Photonics ay 10 kW. Ang master osileytor gumagawa ng isang watt ng optical kapangyarihan, na kung saan ay ibinigay sa amplifier stage pumped sa 1018 nm sa liwanag ng iba pang mga lasers hibla. Ang buong sistema ay may sukat na dalawang refrigerators.

Ang paggamit ng mga hibla lasers ay din ng pinalawig na sa mataas na kapangyarihan cutting at hinang. Halimbawa, sila ay papalitan paglaban hinang bakal sheet paglutas sa problema ng pagpapapangit ng materyal. Power control at iba pang mga parameter ay nagbibigay-daan napaka-tumpak cutting curves, lalo na ang mga sulok.

Ang pinaka-malakas multimode fiber laser - para sa pag-cut metal mula sa parehong tagagawa - hanggang sa 100 kW. Ang sistema ay batay sa isang kumbinasyon ng mga hindi magkakaugnay beam, kaya ito ay hindi sobrang mataas na kalidad na beam. paglaban na ito ay ginagawang hibla lasers kaakit-akit para sa mga industriya.

kongkreto pagbabarena

Multimode fiber laser output ng 4 kW maaaring gamitin para sa paggupit at kongkreto pagbabarena. Bakit ito gawin? Kapag inhinyero ay sinusubukan upang makamit ang seismic paglaban ng mga umiiral na mga gusali, upang maging napaka-ingat sa mga kongkreto. Kapag naka-install sa loob nito, tulad ng bakal pampalakas maginoo pagtambulin pagbabarena maaaring maging sanhi ng mga bahid at magpapahina sa kongkreto, ngunit lasers hibla i-cut nang walang pagyurak ito.

Laser na may isang Q-inililipat fiber na ginagamit para sa halimbawa para sa pag-label o sa paggawa ng mga electronics semiconductor. Sila ay ginagamit din sa hanay finders: modules ay ang laki ng isang kamay na naglalaman ng mata-safe lasers hibla na ang output ay 4 kW, ang dalas ng 50 kHz at isang pulse duration ng 5-15 ns.

ibabaw paggamot

May mahusay na interes sa mga maliliit na hibla lasers para sa micro at nanoprocessing. Kapag pag-alis ng ibabaw layer, kung ang pulse duration ay mas maikli sa 35 ps, walang pag-spray materyal. Ito ang humahadlang sa pagbubuo ng dimples at iba pang mga hindi kanais-nais artifact. Ang pulses sa femtosecond rehimen makabuo ng nonlinear effect na hindi sensitibo sa ang haba ng daluyong at ang mga nakapalibot na lugar ay hindi iniinitan, na nagpapahintulot sa upang gumana nang walang makabuluhang pinsala o pagpapahina ng mga nakapalibot na lugar. Bukod pa rito, mga butas ay maaaring i-cut na may isang mataas na depth sa lapad - halimbawa, nang mabilis (sa loob ng ilang milliseconds) Maliit na butas ng 1 mm paggamit ng isang hindi kinakalawang na asero 800-fs pulses na may isang dalas ng 1 MHz.

Posible rin upang makabuo ng ibabaw-ginagamot transparent materyal, hal, ang mata ng tao. Upang i-cut ng isang flap sa mata microsurgery, femtosecond pulses vysokoaperturnym mahigpit focus lens sa isang punto sa ibaba ng ibabaw ng mata nang hindi nagiging sanhi ng anumang pinsala sa ibabaw, ngunit ang mga mata sa pamamagitan ng pagsira materyal sa isang kinokontrol na depth. Ang makinis na ibabaw ng kornea, na kung saan ay napakahalaga para sa pangitain ay mananatiling buo. flap ay pinaghihiwalay mula sa ibaba, ay maaaring pagkatapos ay nakuha up upang palitawin ang excimer laser bumubuo ng lens. Iba pang mga medikal na mga aplikasyon ay kinabibilangan ng surgery mababaw na penetration sa dermatolohiya, pati na rin ang paggamit ng mga tiyak na mga uri ng optical tomography pagkakaugnay-ugnay.

femtosecond lasers

Femtosecond lasers sa agham na ginagamit upang pukawin ang laser breakdown spectroscopy, pag-ilaw spectroscopy na may isang temporal na resolution, at din para sa pangkalahatang mga materyales sa pananaliksik. Sa karagdagan, ang mga ito ay kinakailangan para sa ang produksyon ng mga femtosecond dalas magsuklay kinakailangan sa metrolohiya at pangkalahatang pag-aaral. Ang isa sa mga tunay na mga aplikasyon sa panandalian ay ang atomic clocks ng mga GPS satellite ng isang bagong henerasyon, na kung saan ay dagdagan ang pagpoposisyon ng katumpakan.

Single dalas fiber laser ay ginanap sa isang parang multo linewidth ng mas mababa sa 1 kHz. Ito kahanga-hanga aparato na may maliit na kapangyarihan radiation output mula sa 10 MW sa 1W. Hinahanap ng application sa larangan ng komunikasyon, metrolohiya (hal, sa fiber gyroscopes) at spectroscopy.

Ano ang susunod?

Tulad ng para sa iba pang mga application ng pananaliksik, ito ay pa rin ng isang pulutong ng mga ito ay pinag-aralan. Halimbawa, militar engineering, na maaaring ilapat sa ibang mga lugar, na kung saan ay binubuo sa pagsasama-sama ng isang hibla-laser beams upang makakuha ng isang mataas na beam gamit ang magkaugnay o parang multo na kumbinasyon. Bilang isang resulta, higit pang lakas ay nakamit sa isang poste single-mode.

Produksyon ng lasers hibla ay lumalaking mabilis, lalo na para sa mga pangangailangan sa automotive industriya. Gayundin, mayroong isang kapalit ng di-mahibla fiber device. Bilang karagdagan sa mga pangkalahatang pagpapabuti sa gastos at pagganap, may mga mas praktikal femtosecond lasers at supercontinuum pinagkukunan. Fiber lasers sumakop ng higit niches at maging isang mapagkukunan ng pagpapabuti para sa iba pang mga uri ng lasers.