Ytterbiumfiberlaser: enhed, driftsprincip, strøm, produktion, anvendelse

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Fiberlasere er kompakte og robuste, peger præcist og spreder let termisk energi. De kommer i en række forskellige former, og selvom de har meget til fælles med andre typer optiske kvantegeneratorer, har de deres egne unikke fordele.

Fiberlasere: hvordan fungerer de

Enheder af denne type er en variation af en standard faststofkilde til kohærent stråling med et arbejdsmedium lavet af fiber i stedet for en stang, plade eller skive. Lyset genereres af et dopingmiddel i midten af fiberen. Den grundlæggende struktur kan variere fra enkel til ret kompleks. Ytterbiumfiberlaserens design er således, at fiberen har et stort forhold mellem overflade og volumen, så varmen kan spredes relativt let.

Fiberlasere pumpes optisk, oftest af diodekvantegeneratorer, men i nogle tilfælde af de samme kilder. Optikken, der bruges i disse systemer, er typisk fiberkomponenter, hvor de fleste eller alle er forbundet med hinanden. I nogle tilfældevolumetrisk optik bruges, og nogle gange kombineres et internt fiberoptisk system med ekstern volumetrisk optik.

Kilden til diodepumpning kan være en diode, en matrix eller en flerhed af individuelle dioder, som hver er forbundet til et stik med en fiberoptisk lysleder. Den dopede fiber har et hulrumsresonatorspejl i hver ende - i praksis laves Bragg-riste i fiberen. Der er ingen bulkoptik i enderne, medmindre udgangsstrålen går ind i noget andet end en fiber. Lyslederen kan snoes, så laserhulrummet om ønsket kan være flere meter langt.

Dual-core struktur

Strukturen af den fiber, der bruges i fiberlasere, er vigtig. Den mest almindelige geometri er den dobbelte kernestruktur. Den udopede ydre kerne (nogle gange kaldet den indre beklædning) samler det pumpede lys og leder det langs fiberen. Den stimulerede emission, der genereres i fiberen, passerer gennem den indre kerne, som ofte er single-mode. Den indre kerne indeholder et ytterbium-doteringsmiddel stimuleret af pumpens lysstråle. Der er mange ikke-cirkulære former af den ydre kerne, inklusive sekskantede, D-formede og rektangulære, som reducerer chancen for, at lysstrålen mangler fra den centrale kerne.

Fiberlaseren kan ende- eller sidepumpes. I det første tilfælde kommer lys fra en eller flere kilder ind i enden af fiberen. Ved sidepumpning føres lys ind i en splitter, som forsyner det til den ydre kerne. detadskiller sig fra stanglaseren, hvor lyset kommer ind vinkelret på aksen.

Denne løsning kræver megen designudvikling. Der lægges stor vægt på at drive pumpelys ind i kernen for at producere en befolkningsinversion, der fører til stimuleret emission i den indre kerne. Laserkernen kan have en forskellig grad af forstærkning afhængig af fiberens doping, samt dens længde. Disse faktorer justeres af designingeniøren for at opnå de nødvendige parametre.

Strømbegrænsninger kan forekomme, især når der arbejdes inden for single mode fiber. En sådan kerne har et meget lille tværsnitsareal, og som et resultat passerer lys af meget høj intensitet gennem den. Samtidig bliver ikke-lineær Brillouin-spredning mere og mere mærkbar, hvilket begrænser udgangseffekten til flere tusinde watt. Hvis udgangssignalet er højt nok, kan enden af fiberen blive beskadiget.

Funktioner af fiberlasere

Brug af fiber som arbejdsmedie giver en lang interaktionslængde, der fungerer godt med diodepumpning. Denne geometri resulterer i høj fotonkonverteringseffektivitet samt et robust og kompakt design uden diskret optik til justering eller justering.

Fiberlaseren, hvis enhed tillader den at tilpasse sig godt, kan tilpasses både til svejsning af tykke metalplader og til at producere femtosekund-impulser. Fiberoptiske forstærkere giver enkeltpasforstærkning og bruges i telekommunikation, fordi de er i stand til at forstærke mange bølgelængder samtidigt. Den samme forstærkning bruges i effektforstærkere med en masteroscillator. I nogle tilfælde kan forstærkeren arbejde med en CW-laser.

Et andet eksempel er fiberforstærkede spontane emissionskilder, hvor stimuleret emission undertrykkes. Et andet eksempel er en Raman fiberlaser med kombineret spredningsforstærkning, som forskyder bølgelængden markant. Det har fundet anvendelse i videnskabelig forskning, hvor fluoridglasfibre bruges til Raman-generering og -amplifikation frem for standardkvartsfibre.

Fibrene er dog som regel lavet af kvartsglas med en sjælden jordart dopingmiddel i kernen. De vigtigste tilsætningsstoffer er ytterbium og erbium. Ytterbium har bølgelængder fra 1030 til 1080 nm og kan udstråle over et bredere område. Brugen af 940 nm diodepumpning reducerer fotonunderskuddet betydeligt. Ytterbium har ikke nogen af de selvdæmpende effekter, som neodym har ved høje tætheder, så neodym bruges i bulklasere og ytterbium i fiberlasere (de giver begge nogenlunde samme bølgelængde).

Erbium udsender i området 1530-1620 nm, hvilket er sikkert for øjnene. Frekvensen kan fordobles for at generere lys ved 780 nm, hvilket ikke er tilgængeligt for andre typer fiberlasere. Endelig kan ytterbium tilsættes erbium på en sådan måde, at grundstoffet vil absorberepumpe stråling og overføre denne energi til erbium. Thulium er et andet nær-infrarødt dopingmiddel, som dermed er et øjensikkert materiale.

Høj effektivitet

Fiberlaseren er et quasi-tre-niveau system. Pumpefotonen exciterer overgangen fra grundtilstanden til det øverste niveau. En laserovergang er en overgang fra den laveste del af det øvre niveau til en af de splittede jordtilstande. Dette er meget effektivt: for eksempel udsender ytterbium med en 940 nm pumpefoton en foton med en bølgelængde på 1030 nm og en kvantedefekt (energitab) på kun omkring 9%.

Derimod mister neodym pumpet ved 808nm omkring 24 % af sin energi. Således har ytterbium i sagens natur en højere effektivitet, selvom ikke alt er opnåeligt på grund af tabet af nogle fotoner. Yb kan pumpes i en række frekvensbånd, mens erbium kan pumpes ved 1480 eller 980 nm. Højere frekvens er ikke så effektiv med hensyn til fotondefekt, men nyttig selv i dette tilfælde, fordi bedre kilder er tilgængelige ved 980nm.

Generelt er effektiviteten af en fiberlaser resultatet af en to-trins proces. For det første er dette effektiviteten af pumpedioden. Halvlederkilder til kohærent stråling er meget effektive med 50 % effektivitet til at konvertere et elektrisk signal til et optisk. Resultaterne af laboratorieundersøgelser indikerer, at det er muligt at opnå en værdi på 70 % eller mere. Med en nøjagtig match af udgangsstrålingslinjenfiberlaserabsorption og høj pumpeeffektivitet.

For det andet er den optisk-optiske konverteringseffektivitet. Med en lille fotondefekt kan en høj grad af excitations- og ekstraktionseffektivitet opnås med en opto-optisk konverteringseffektivitet på 60–70 %. Den resulterende effektivitet er i området 25–35%.

Forskellige konfigurationer

Fiberoptiske kvantegeneratorer af kontinuerlig stråling kan være enkelt- eller multi-mode (til tværgående tilstande). Single-mode lasere producerer en højkvalitets stråle til materialer, der opererer eller stråler gennem atmosfæren, mens multi-mode industrielle fiberlasere kan generere høj effekt. Dette bruges til skæring og svejsning, og især til varmebehandling, hvor et stort område er oplyst.

Langpulsfiberlaseren er i det væsentlige en kvasi-kontinuerlig enhed, der typisk producerer impulser af millisekundtypen. Typisk er dens driftscyklus 10 %. Dette resulterer i en højere spidseffekt end i kontinuerlig tilstand (typisk ti gange mere), som f.eks. bruges til pulsboring. Frekvensen kan nå 500 Hz, afhængigt af varigheden.

Q-switching i fiberlasere fungerer på samme måde som i bulklasere. Typisk pulsvarighed er i området fra nanosekunder til mikrosekunder. Jo længere fiber, jo længere tid tager det at Q-switche output, hvilket resulterer i en længere puls.

Fiberegenskaber pålægger nogle begrænsninger for Q-switching. Ikke-lineariteten af en fiberlaser er mere signifikant på grund af det lille tværsnitsareal af kernen, så spidseffekten skal være noget begrænset. Der kan enten bruges volumetriske Q-switche, som giver bedre ydeevne, eller fibermodulatorer, som er forbundet til enderne af den aktive del.

Q-switchede impulser kan forstærkes i fiberen eller i en hulrumsresonator. Et eksempel på sidstnævnte kan findes på National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), hvor en ytterbiumfiberlaser er masteroscillator for 192 stråler. Små impulser i store doterede glasplader forstærkes til megajoule.

I låste fiberlasere afhænger gentagelseshastigheden af længden af forstærkningsmaterialet, som i andre tilstandslåseskemaer, og pulsvarigheden afhænger af forstærkningsbåndbredden. De korteste er i 50 fs-intervallet, og de mest typiske er i 100 fs-intervallet.

Der er en vigtig forskel mellem erbium- og ytterbiumfibre, som et resultat af, at de fungerer i forskellige spredningstilstande. Erbium-doterede fibre udsender ved 1550 nm i det unormale spredningsområde. Dette tillader produktion af solitoner. Ytterbiumfibre er i området med positiv eller normal spredning; som følge heraf genererer de impulser med en udt alt lineær modulationsfrekvens. Som følge heraf kan det være nødvendigt med et Bragg-gitter for at komprimere pulslængden.

Der er flere måder at ændre fiberlaserimpulser på, især for ultrahurtige picosekunders undersøgelser. Fotoniske krystalfibre kan laves med meget små kerner for at producere stærke ikke-lineære effekter, såsom superkontinuumgenerering. I modsætning hertil kan fotoniske krystaller også laves med meget store single-mode kerner for at undgå ikke-lineære effekter ved høje kræfter.

Fleksible fotoniske krystalfibre med stor kerne er designet til højeffektapplikationer. En teknik er bevidst at bøje en sådan fiber for at eliminere enhver uønsket højere ordens tilstande, mens kun den grundlæggende tværgående tilstand bibeholdes. Ikke-lineariteten skaber harmoniske; ved at trække fra og tilføje frekvenser kan der skabes kortere og længere bølger. Ikke-lineære effekter kan også komprimere impulser, hvilket resulterer i frekvenskamme.

Som en superkontinuumkilde producerer meget korte pulser et bredt kontinuerligt spektrum ved hjælp af selvfasemodulation. For eksempel, fra de indledende 6 ps-impulser ved 1050 nm, som en ytterbiumfiberlaser skaber, opnås et spektrum i området fra ultraviolet til mere end 1600 nm. En anden superkontinuum IR-kilde pumpes med en erbiumkilde ved 1550 nm.

Høj effekt

Branchen er i øjeblikket den største forbruger af fiberlasere. Strøm er i høj efterspørgsel lige nu.omkring en kilowatt, brugt i bilindustrien. Bilindustrien bevæger sig mod højstyrke stålkøretøjer for at opfylde holdbarhedskravene og være relativt lette for bedre brændstoføkonomi. Det er meget svært for f.eks. almindelige værktøjsmaskiner at slå huller i denne slags stål, men sammenhængende strålingskilder gør det nemt.

Skæring af metaller med en fiberlaser sammenlignet med andre typer kvantegeneratorer har en række fordele. For eksempel absorberes nær infrarøde bølgelængder godt af metaller. Strålen kan leveres over fiberen, så robotten nemt kan flytte fokus, når der skæres og bores.

Fiber opfylder de højeste strømkrav. Et amerikansk flådevåben, der blev testet i 2014, består af 6-fiber 5,5 kW lasere kombineret i én stråle og udsendes gennem et formende optisk system. Enheden på 33 kW blev brugt til at ødelægge et ubemandet luftfartøj. Selvom strålen ikke er single-mode, er systemet interessant, fordi det giver dig mulighed for at skabe en fiberlaser med dine egne hænder fra standard, let tilgængelige komponenter.

Den højest effekt single-mode sammenhængende lyskilde fra IPG Photonics er 10 kW. Masteroscillatoren producerer en kilowatt optisk effekt, som føres ind i forstærkertrinnet pumpet ved 1018 nm med lys fra andre fiberlasere. Hele systemet er på størrelse med to køleskabe.

Brugen af fiberlasere har også spredt sig til højeffektskæring og svejsning. For eksempel erstattede demodstandssvejsning af stålplade, der løser problemet med materialedeformation. Styring af kraft og andre parametre giver mulighed for meget præcis afskæring af kurver, især hjørner.

Den mest kraftfulde multi-mode fiberlaser - en metalskæremaskine fra samme producent - når 100 kW. Systemet er baseret på en kombination af en usammenhængende stråle, så det er ikke en stråle af ultrahøj kvalitet. Denne holdbarhed gør fiberlasere attraktive for industrien.

Betonboring

4KW multi-mode fiberlaser kan bruges til betonskæring og -boring. Hvorfor er dette nødvendigt? Når ingeniører forsøger at opnå jordskælvsmodstand i eksisterende bygninger, skal man være meget forsigtig med beton. Hvis der f.eks. installeres stålarmering i den, kan konventionel hammerboring revne og svække betonen, men fiberlasere skærer den uden at knuse den.

Kvantegeneratorer med Q-switched fiber bruges for eksempel til mærkning eller i produktion af halvlederelektronik. De bruges også i afstandsmålere: Håndstørrelsesmoduler indeholder øjensikre fiberlasere med en effekt på 4 kW, en frekvens på 50 kHz og en pulsbredde på 5-15 ns.

Overfladebehandling

Der er stor interesse for små fiberlasere til mikro- og nanobearbejdning. Ved fjernelse af overfladelaget, hvis pulsvarigheden er kortere end 35 ps, er der ingen sprøjt af materialet. Dette forhindrer dannelsen af depressioner ogandre uønskede artefakter. Femtosekund-impulser producerer ikke-lineære effekter, der ikke er følsomme over for bølgelængde og ikke opvarmer det omgivende rum, hvilket tillader drift uden væsentlig skade eller svækkelse af de omkringliggende områder. Derudover kan huller skæres ved høje dybde-til-bredde-forhold, såsom hurtigt (inden for millisekunder) at lave små huller i 1 mm rustfrit stål ved hjælp af 800 fs-impulser ved 1 MHz.

Kan også bruges til overfladebehandling af transparente materialer såsom menneskeøjne. For at skære en flap i okulær mikrokirurgi fokuseres femtosekundpulser tæt af et objektiv med høj blænde på et punkt under den okulære overflade uden at forårsage skade på overfladen, men ødelægge det okulære materiale i en kontrolleret dybde. Den glatte overflade af hornhinden, som er afgørende for synet, forbliver intakt. Klappen, adskilt fra neden, kan derefter trækkes op til dannelse af overflade excimer-laserlinse. Andre medicinske anvendelser omfatter overfladisk penetrationskirurgi i dermatologi og brug i nogle typer optisk kohærenstomografi.

Femtosekundlasere

Femtosekund kvantegeneratorer bruges i videnskaben til excitationsspektroskopi med lasernedbrydning, tidsopløst fluorescensspektroskopi samt til generel materialeforskning. Derudover er de nødvendige til produktion af femtosekundfrekvenskamme nødvendige i metrologi og generel forskning. En af de rigtige anvendelser på kort sigt vil være atomure til næste generations GPS-satellitter, som vil forbedre positioneringsnøjagtigheden.

Enkeltfrekvensfiberlaser produceres med en spektral linjebredde på mindre end 1 kHz. Det er en imponerende lille enhed med udgangseffekt fra 10mW til 1W. Den finder anvendelse inden for kommunikation, metrologi (f.eks. i fibergyroskoper) og spektroskopi.

Hvad er det næste?

Med hensyn til andre F&U-applikationer er mange flere ved at blive udforsket. For eksempel en militær udvikling, der kan anvendes til andre områder, som består i at kombinere fiberlaserstråler for at opnå én højkvalitetsstråle ved hjælp af kohærent eller spektral kombination. Som et resultat opnås der mere effekt i enkelttilstandsstrålen.

Produktionen af fiberlasere vokser hurtigt, især for bilindustriens behov. Ikke-fiber-enheder bliver også erstattet med fiber-enheder. Ud over generelle forbedringer i omkostninger og ydeevne bliver femtosekund kvantegeneratorer og superkontinuumkilder stadig mere praktiske. Fiberlasere bliver mere niche og bliver en kilde til forbedringer for andre typer lasere.