Laser światłowodowy iterbowy: urządzenie, zasada działania, moc, produkcja, zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Lasery światłowodowe są kompaktowe i wytrzymałe, precyzyjnie wskazują i łatwo rozpraszają energię cieplną. Występują w różnych formach i chociaż mają wiele wspólnego z innymi typami optycznych generatorów kwantowych, mają swoje unikalne zalety.

Lasery światłowodowe: jak działają

Urządzenia tego typu są odmianą standardowego stałego źródła promieniowania koherentnego z medium roboczym wykonanym z włókna, a nie z pręta, płyty lub dysku. Światło jest generowane przez domieszkę w środku włókna. Podstawowa struktura może wahać się od prostej do dość złożonej. Konstrukcja lasera iterbowego jest taka, że światłowód ma duży stosunek powierzchni do objętości, dzięki czemu ciepło może być stosunkowo łatwo rozpraszane.

Lasery światłowodowe są pompowane optycznie, najczęściej przez diodowe generatory kwantowe, ale w niektórych przypadkach przez te same źródła. Optyka stosowana w tych systemach to zazwyczaj elementy światłowodowe, z których większość lub wszystkie są ze sobą połączone. W niektórych przypadkachstosowana jest optyka wolumetryczna, a czasami wewnętrzny system światłowodowy jest łączony z zewnętrzną optyką wolumetryczną.

Źródłem pompowania diody może być dioda, matryca lub wiele pojedynczych diod, z których każda jest połączona ze złączem światłowodowym światłowodem. Domieszkowane światłowód ma na każdym końcu zwierciadło rezonatora wnękowego - w praktyce siatki Bragga są wykonane we włóknie. Na końcach nie ma optyki zbiorczej, chyba że wiązka wyjściowa przechodzi w coś innego niż światłowód. Światłowód można skręcić, dzięki czemu w razie potrzeby wnęka lasera może mieć kilka metrów długości.

Dwurdzeniowa struktura

Ważna jest struktura włókna używanego w laserach światłowodowych. Najpopularniejszą geometrią jest struktura dwurdzeniowa. Niedomieszkowany rdzeń zewnętrzny (czasami nazywany płaszczem wewnętrznym) zbiera pompowane światło i kieruje je wzdłuż włókna. Emisja stymulowana generowana we włóknie przechodzi przez rdzeń wewnętrzny, który często jest jednomodowy. Wewnętrzny rdzeń zawiera domieszkę iterbu stymulowaną wiązką światła pompy. Istnieje wiele nieokrągłych kształtów zewnętrznego rdzenia, w tym sześciokątne, w kształcie litery D i prostokątne, które zmniejszają ryzyko utraty wiązki światła z centralnego rdzenia.

Laser światłowodowy może być pompowany z końca lub z boku. W pierwszym przypadku światło z jednego lub kilku źródeł wpada na koniec światłowodu. Podczas pompowania bocznego światło jest podawane do rozdzielacza, który dostarcza je do zewnętrznego rdzenia. toróżni się od lasera prętowego, w którym światło wpada prostopadle do osi.

To rozwiązanie wymaga wielu prac projektowych. Dużo uwagi poświęca się wprowadzaniu światła pompy do rdzenia, aby wytworzyć inwersję populacji prowadzącą do stymulowanej emisji w rdzeniu wewnętrznym. Rdzeń lasera może mieć różny stopień wzmocnienia w zależności od domieszkowania włókna, a także od jego długości. Czynniki te są dostosowywane przez inżyniera projektu w celu uzyskania wymaganych parametrów.

Mogą wystąpić ograniczenia mocy, szczególnie podczas pracy w światłowodzie jednomodowym. Taki rdzeń ma bardzo małą powierzchnię przekroju, przez co przechodzi przez niego światło o bardzo dużym natężeniu. Jednocześnie coraz bardziej zauważalne staje się nieliniowe rozpraszanie Brillouina, co ogranicza moc wyjściową do kilku tysięcy watów. Jeśli sygnał wyjściowy jest wystarczająco wysoki, końcówka światłowodu może ulec uszkodzeniu.

Cechy laserów światłowodowych

Użycie światłowodu jako medium roboczego zapewnia długą interakcję, która dobrze współpracuje z pompowaniem diody. Ta geometria zapewnia wysoką wydajność konwersji fotonów, a także wytrzymałą i kompaktową konstrukcję bez dyskretnej optyki do regulacji lub wyrównania.

Laser światłowodowy, którego urządzenie pozwala na dobrą adaptację, może być przystosowany zarówno do spawania grubych blach, jak i do wytwarzania impulsów femtosekundowych. Wzmacniacze światłowodowe zapewniają wzmocnienie jednoprzebiegowe i są wykorzystywane w telekomunikacji, ponieważ są w stanie wzmocnić wiele długości fal jednocześnie. To samo wzmocnienie jest używane we wzmacniaczach mocy z oscylatorem głównym. W niektórych przypadkach wzmacniacz może współpracować z laserem CW.

Innym przykładem są źródła spontanicznej emisji wzmacniane włóknami, w których emisja stymulowana jest tłumiona. Innym przykładem jest włóknowy laser ramanowski z połączonym wzmocnieniem rozpraszania, który znacząco przesuwa długość fali. Znalazła zastosowanie w badaniach naukowych, gdzie do generowania i wzmacniania Ramana zamiast standardowych włókien kwarcowych stosuje się fluorkowe włókna szklane.

Z reguły jednak włókna są wykonane ze szkła kwarcowego z domieszką ziem rzadkich w rdzeniu. Głównymi dodatkami są iterb i erb. Iterb ma długości fal od 1030 do 1080 nm i może promieniować w szerszym zakresie. Zastosowanie pompowania diodą 940 nm znacznie zmniejsza deficyt fotonów. Iterb nie ma żadnego z efektów samogasnących, jakie ma neodym przy wysokich gęstościach, więc neodym jest używany w laserach masowych, a iterb w laserach światłowodowych (oba zapewniają mniej więcej tę samą długość fali).

Erb emituje w zakresie 1530-1620 nm, co jest bezpieczne dla oczu. Częstotliwość można podwoić, aby wygenerować światło o długości 780 nm, co nie jest dostępne w przypadku innych typów laserów światłowodowych. Wreszcie, iterb można dodać do erbu w taki sposób, że pierwiastek wchłoniepompować promieniowanie i przenosić tę energię na erb. Thul to kolejna domieszka bliskiej podczerwieni, która jest zatem materiałem bezpiecznym dla oczu.

Wysoka wydajność

Laser światłowodowy jest systemem quasi-trzypoziomowym. Foton pompy pobudza przejście ze stanu podstawowego do wyższego poziomu. Przejście laserowe to przejście od najniższej części górnego poziomu do jednego z rozszczepionych stanów podstawowych. Jest to bardzo wydajne: na przykład iterb z fotonem pompy 940 nm emituje foton o długości fali 1030 nm i defektie kwantowym (strata energii) tylko około 9%.

Z kolei neodym pompowany przy 808nm traci około 24% swojej energii. Tak więc iterb z natury ma wyższą wydajność, chociaż nie wszystko jest osiągalne z powodu utraty niektórych fotonów. Yb może być pompowany w wielu pasmach częstotliwości, podczas gdy erb może być pompowany przy 1480 lub 980 nm. Wyższa częstotliwość nie jest tak wydajna pod względem defektu fotonów, ale przydatna nawet w tym przypadku, ponieważ lepsze źródła są dostępne przy 980 nm.

Ogólnie rzecz biorąc, wydajność lasera światłowodowego jest wynikiem dwuetapowego procesu. Po pierwsze, jest to sprawność diody pompy. Półprzewodnikowe źródła promieniowania koherentnego są bardzo wydajne, z 50% skutecznością w przetwarzaniu sygnału elektrycznego na optyczny. Wyniki badań laboratoryjnych wskazują, że możliwe jest osiągnięcie wartości 70% lub więcej. Z dokładnym dopasowaniem wyjściowej linii promieniowaniaabsorpcja lasera światłowodowego i wysoka wydajność pompy.

Druga to wydajność konwersji optyczno-optycznej. Przy niewielkim defektie fotonowym można osiągnąć wysoki stopień wzbudzenia i wydajności ekstrakcji przy wydajności konwersji optooptycznej 60–70%. Wynikowa sprawność mieści się w zakresie 25–35%.

Różne konfiguracje

Światłowodowe kwantowe generatory promieniowania ciągłego mogą być jednomodowe lub wielomodowe (dla modów poprzecznych). Lasery jednomodowe wytwarzają wysokiej jakości wiązkę materiałów działających lub przebijających się przez atmosferę, podczas gdy przemysłowe lasery światłowodowe wielomodowe mogą generować dużą moc. Jest on używany do cięcia i spawania, a w szczególności do obróbki cieplnej, gdzie oświetlany jest duży obszar.

Laser światłowodowy o długich impulsach jest zasadniczo urządzeniem quasi-ciągłym, zwykle wytwarzającym impulsy typu milisekundowego. Zazwyczaj jego cykl pracy wynosi 10%. Skutkuje to wyższą mocą szczytową niż w trybie ciągłym (zwykle dziesięć razy więcej), który jest używany na przykład do wiercenia impulsowego. Częstotliwość może osiągnąć 500 Hz, w zależności od czasu trwania.

Przełączanie Q w laserach światłowodowych działa tak samo, jak w laserach masowych. Typowy czas trwania impulsu mieści się w zakresie od nanosekund do mikrosekund. Im dłuższe światłowód, tym dłużej trwa przełączanie Q na wyjściu, co skutkuje dłuższym impulsem.

Właściwości światłowodów nakładają pewne ograniczenia na przełączanie Q. Nieliniowość lasera światłowodowego jest bardziej znacząca ze względu na mały przekrój poprzeczny rdzenia, więc moc szczytowa musi być nieco ograniczona. Można użyć przełączników wolumetrycznych Q, które zapewniają lepszą wydajność, lub modulatorów światłowodowych, które są podłączone do końców części aktywnej.

Impulsy z przełączaniem Q mogą być wzmacniane we włóknie lub w rezonatorze wnękowym. Przykład tego ostatniego można znaleźć w National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), gdzie laser iterbowy jest głównym oscylatorem dla 192 wiązek. Małe impulsy w dużych domieszkowanych szklanych płytkach są wzmacniane do megadżuli.

W zablokowanych laserach światłowodowych częstotliwość powtarzania zależy od długości materiału wzmacniającego, podobnie jak w innych schematach blokowania modów, a czas trwania impulsu zależy od szerokości pasma wzmocnienia. Najkrótsze są w zakresie 50 fs, a najbardziej typowe są w zakresie 100 fs.

Istnieje istotna różnica między włóknami erbowymi i iterbowymi, w wyniku której działają one w różnych trybach dyspersji. Włókna domieszkowane erbem emitują przy 1550 nm w obszarze anomalnej dyspersji. Pozwala to na produkcję solitonów. Włókna iterbu znajdują się w obszarze dyspersji dodatniej lub normalnej; w rezultacie generują impulsy o wyraźnej liniowej częstotliwości modulacji. W rezultacie do skompresowania długości impulsu może być potrzebna siatka Bragga.

Istnieje kilka sposobów modyfikowania impulsów lasera światłowodowego, szczególnie w przypadku ultraszybkich badań pikosekundowych. Włókna z kryształów fotonicznych mogą być wykonane z bardzo małymi rdzeniami, aby wytworzyć silne efekty nieliniowe, takie jak generowanie supercontinuum. W przeciwieństwie do tego kryształy fotoniczne można również wytwarzać z bardzo dużymi rdzeniami jednomodowymi, aby uniknąć efektów nieliniowych przy wysokich powiększeniach.

Elastyczne włókna z kryształu fotonicznego o dużym rdzeniu są przeznaczone do zastosowań o dużej mocy. Jedną z technik jest celowe zginanie takiego włókna w celu wyeliminowania wszelkich niepożądanych modów wyższego rzędu przy zachowaniu tylko podstawowego modu poprzecznego. Nieliniowość tworzy harmoniczne; odejmując i dodając częstotliwości, można tworzyć krótsze i dłuższe fale. Efekty nieliniowe mogą również kompresować impulsy, powodując grzebienie częstotliwości.

Jako źródło supercontinuum, bardzo krótkie impulsy wytwarzają szerokie ciągłe widmo przy użyciu automodulacji fazy. Na przykład, z początkowych impulsów 6 ps przy 1050 nm, które wytwarza laser z iterbem, uzyskuje się widmo w zakresie od ultrafioletu do ponad 1600 nm. Kolejne supercontinuum źródło IR jest pompowane źródłem erbu o długości 1550 nm.

Wysoka moc

Przemysł jest obecnie największym konsumentem laserów światłowodowych. Moc jest teraz bardzo potrzebna.około kilowata, stosowany w przemyśle motoryzacyjnym. Przemysł motoryzacyjny zmierza w kierunku pojazdów ze stali o wysokiej wytrzymałości, aby spełnić wymagania dotyczące trwałości i być stosunkowo lekkim, co zapewnia lepszą oszczędność paliwa. Na przykład zwykłym obrabiarkom bardzo trudno jest wybijać otwory w tego rodzaju stali, ale źródła promieniowania koherentnego to ułatwiają.

Cięcie metali laserem światłowodowym, w porównaniu z innymi typami generatorów kwantowych, ma szereg zalet. Na przykład fale bliskiej podczerwieni są dobrze absorbowane przez metale. Wiązka może być dostarczana przez światłowód, dzięki czemu robot może łatwo przesuwać ostrość podczas cięcia i wiercenia.

Fiber spełnia najwyższe wymagania dotyczące zasilania. Broń US Navy testowana w 2014 roku składa się z 6-włóknowych laserów o mocy 5,5 kW połączonych w jedną wiązkę i emitujących przez formujący układ optyczny. Jednostka o mocy 33 kW została wykorzystana do zniszczenia bezzałogowego statku powietrznego. Mimo, że wiązka nie jest jednomodowa, system jest ciekawy, ponieważ pozwala na stworzenie własnymi rękami lasera światłowodowego ze standardowych, łatwo dostępnych komponentów.

Najwyższa moc jednomodowego źródła światła spójnego firmy IPG Photonics wynosi 10 kW. Oscylator główny wytwarza kilowat mocy optycznej, który jest dostarczany do stopnia wzmacniacza pompowanego przy 1018 nm światłem z innych laserów światłowodowych. Cały system jest wielkości dwóch lodówek.

Zastosowanie laserów światłowodowych rozprzestrzeniło się również na cięcie i spawanie o dużej mocy. Na przykład zastąpilizgrzewanie oporowe blach, rozwiązanie problemu deformacji materiału. Kontrolowanie mocy i innych parametrów pozwala na bardzo precyzyjne cięcie krzywych, zwłaszcza narożników.

Najmocniejszy wielomodowy laser światłowodowy - maszyna do cięcia metalu tego samego producenta - osiąga moc 100 kW. System oparty jest na kombinacji belek niespójnych, więc nie jest to belka ultrawysokiej jakości. Ta trwałość sprawia, że lasery światłowodowe są atrakcyjne dla przemysłu.

Wiercenie w betonie

4KW wielomodowy laser światłowodowy może być używany do cięcia i wiercenia betonu. Dlaczego jest to potrzebne? Kiedy inżynierowie starają się osiągnąć odporność na trzęsienia ziemi w istniejących budynkach, należy bardzo uważać na beton. Jeśli na przykład jest w nim zainstalowane stalowe zbrojenie, konwencjonalne wiercenie udarowe może pękać i osłabiać beton, ale lasery światłowodowe tną go bez kruszenia.

Generatory kwantowe z włóknem Q-switched są używane na przykład do znakowania lub produkcji elektroniki półprzewodnikowej. Stosowane są również w dalmierzach: moduły wielkości dłoni zawierają bezpieczne dla oka lasery światłowodowe o mocy 4 kW, częstotliwości 50 kHz i szerokości impulsu 5-15 ns.

Obróbka powierzchni

Istnieje duże zainteresowanie małymi laserami światłowodowymi do mikro- i nanoobróbki. Przy usuwaniu warstwy wierzchniej, jeśli czas trwania impulsu jest krótszy niż 35 ps, nie dochodzi do rozpryskiwania się materiału. Zapobiega to tworzeniu się zagłębień iinne niechciane artefakty. Impulsy femtosekundowe wytwarzają efekty nieliniowe, które nie są wrażliwe na długość fali i nie nagrzewają otaczającej przestrzeni, umożliwiając działanie bez znacznego uszkodzenia lub osłabienia otaczających obszarów. Ponadto otwory można wycinać przy wysokim stosunku głębokości do szerokości, na przykład szybko (w ciągu milisekund) wykonując małe otwory w stali nierdzewnej o grubości 1 mm przy użyciu impulsów 800 fs przy 1 MHz.

Może być również stosowany do obróbki powierzchni materiałów przezroczystych, takich jak ludzkie oczy. Aby wyciąć płatek w mikrochirurgii oka, impulsy femtosekundowe są ściśle skupiane przez obiektyw o wysokiej aperturze w punkcie poniżej powierzchni oka, nie powodując żadnych uszkodzeń powierzchni, ale niszcząc materiał oka na kontrolowanej głębokości. Gładka powierzchnia rogówki, która jest niezbędna dla widzenia, pozostaje nienaruszona. Klapkę, oddzieloną od dołu, można następnie podnieść w celu utworzenia soczewki powierzchniowej lasera ekscymerowego. Inne zastosowania medyczne obejmują chirurgię płytkiej penetracji w dermatologii oraz zastosowanie w niektórych typach optycznej tomografii koherentnej.

Lasery femtosekundowe

Femtosekundowe generatory kwantowe są wykorzystywane w nauce do spektroskopii wzbudzenia z przebiciem lasera, czasowo-rozdzielczej spektroskopii fluorescencyjnej, a także do ogólnych badań materiałowych. Ponadto są potrzebne do produkcji częstotliwości femtosekundowejgrzebienie potrzebne w metrologii i badaniach ogólnych. Jednym z rzeczywistych zastosowań w krótkim okresie będą zegary atomowe dla satelitów GPS nowej generacji, które poprawią dokładność pozycjonowania.

Laser światłowodowy o pojedynczej częstotliwości jest produkowany z szerokością linii widmowej poniżej 1 kHz. Jest to imponująco małe urządzenie o mocy wyjściowej od 10mW do 1W. Znajduje zastosowanie w dziedzinie komunikacji, metrologii (na przykład w żyroskopach światłowodowych) i spektroskopii.

Co dalej?

Podobnie jak w przypadku innych zastosowań badawczo-rozwojowych, analizowanych jest wiele innych. Na przykład rozwój wojskowy, który można zastosować w innych dziedzinach, polegający na łączeniu wiązek lasera światłowodowego w celu uzyskania jednej wysokiej jakości wiązki za pomocą kombinacji spójnej lub spektralnej. W rezultacie uzyskuje się większą moc w wiązce jednomodowej.

Produkcja laserów światłowodowych szybko rośnie, szczególnie na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego. Urządzenia bez światłowodu są również zastępowane światłowodowymi. Oprócz ogólnej poprawy kosztów i wydajności, femtosekundowe generatory kwantowe i źródła supercontinuum stają się coraz bardziej praktyczne. Lasery światłowodowe stają się coraz bardziej niszowe i stają się źródłem ulepszeń dla innych typów laserów.