Ytterbiumvesellaser: toestel, bedryfsbeginsel, krag, produksie, toepassing

2024 Outeur: Howard Calhoun | [email protected]. Laas verander: 2023-12-17 10:16

Vesellasers is kompak en robuust, wys presies en versprei termiese energie maklik. Hulle kom in 'n verskeidenheid vorme voor en, hoewel hulle baie gemeen het met ander soorte optiese kwantumopwekkers, het hulle hul eie unieke voordele.

Vesellasers: hoe hulle werk

Toestelle van hierdie tipe is 'n variasie van 'n standaard vastestofbron van koherente bestraling met 'n werkende medium wat van vesel gemaak is eerder as 'n staaf, plaat of skyf. Die lig word gegenereer deur 'n doteermiddel in die middel van die vesel. Die basiese struktuur kan wissel van eenvoudig tot redelik kompleks. Die ontwerp van die ytterbiumvesellaser is sodanig dat die vesel 'n groot oppervlak tot volume verhouding het, dus kan hitte relatief maklik verdryf word.

Vesellasers word opties gepomp, meestal deur diode-kwantumopwekkers, maar in sommige gevalle deur dieselfde bronne. Die optika wat in hierdie stelsels gebruik word, is tipies veselkomponente, met die meeste of almal van hulle gekoppel aan mekaar. In sommige gevallevolumetriese optika word gebruik, en soms word 'n interne optieseveselstelsel met eksterne volumetriese optika gekombineer.

Die bron van diodepomping kan 'n diode, 'n matriks of 'n veelheid individuele diodes wees, wat elkeen aan 'n koppelaar verbind is deur 'n optiese vesel-liggeleider. Die gedoteerde vesel het 'n holte-resonatorspieël aan elke kant - in die praktyk word Bragg-roosters in die vesel gemaak. Daar is geen grootmaatoptika aan die punte nie, tensy die uitsetstraal in iets anders as 'n vesel gaan. Die liggeleider kan gedraai word, sodat die laserholte, indien verlang, etlike meters lank kan wees.

Dubbelkernstruktuur

Die struktuur van die vesel wat in vesellasers gebruik word, is belangrik. Die mees algemene meetkunde is die dubbelkernstruktuur. Die ongedoteerde buitenste kern (soms die binneste bekleding genoem) versamel die gepompte lig en rig dit langs die vesel. Die gestimuleerde emissie wat in die vesel gegenereer word, gaan deur die binnekern, wat dikwels enkelmodus is. Die binnekern bevat 'n ytterbium doteermiddel wat deur die pompligstraal gestimuleer word. Daar is baie nie-sirkelvormige vorms van die buitenste kern, insluitend seskantige, D-vormige en reghoekige, wat die kans verminder dat ligstraal uit die sentrale kern ontbreek.

Die vesellaser kan eind- of kantgepomp word. In die eerste geval kom lig van een of meer bronne die einde van die vesel binne. By sypomp word lig in 'n splitter gevoer, wat dit aan die buitenste kern voorsien. Ditverskil van die staaflaser, waar die lig loodreg op die as inkom.

Hierdie oplossing verg baie ontwerpontwikkeling. Heelwat aandag word gegee aan die aandryf van pomplig in die kern om 'n bevolkingsomkering te produseer wat lei tot gestimuleerde emissie in die binnekern. Die laserkern kan 'n ander mate van versterking hê, afhangende van die doping van die vesel, sowel as die lengte daarvan. Hierdie faktore word deur die ontwerpingenieur aangepas om die vereiste parameters te verkry.

Kragbeperkings kan voorkom, veral wanneer dit binne enkelmodusvesel werk. So 'n kern het 'n baie klein deursnee-area, en gevolglik gaan lig van baie hoë intensiteit daardeur. Terselfdertyd word nie-lineêre Brillouin-verstrooiing meer en meer opvallend, wat die uitsetkrag tot 'n paar duisend watt beperk. As die uitsetsein hoog genoeg is, kan die einde van die vesel beskadig word.

Kenmerke van vesellasers

Die gebruik van vesel as die werkmedium gee 'n lang interaksielengte wat goed werk met diodepomp. Hierdie geometrie lei tot hoë fotonomskakelingsdoeltreffendheid sowel as 'n robuuste en kompakte ontwerp met geen diskrete optika om aan te pas of in lyn te bring nie.

Die vesellaser, waarvan die toestel dit goed laat aanpas, kan aangepas word vir beide sweis van dik metaalplate en om femtosekonde-pulse te produseer. Optiese veselversterkers verskaf enkeldeur-versterking en word in telekommunikasie gebruik omdat hulle in staat is om baie golflengtes gelyktydig te versterk. Dieselfde wins word gebruik in kragversterkers met 'n meester-ossillator. In sommige gevalle kan die versterker met 'n CW-laser werk.

Nog 'n voorbeeld is veselversterkte spontane emissiebronne waarin gestimuleerde emissie onderdruk word. Nog 'n voorbeeld is 'n Raman-vesellaser met gekombineerde verstrooiingsversterking, wat die golflengte aansienlik verskuif. Dit het toepassing gevind in wetenskaplike navorsing, waar fluoried glasvesels gebruik word vir Raman generering en versterking, eerder as standaard kwartsvesels.

Die vesels word egter as 'n reël van kwartsglas gemaak met 'n seldsame aardmiddel in die kern. Die belangrikste bymiddels is ytterbium en erbium. Ytterbium het golflengtes van 1030 tot 1080 nm en kan oor 'n wyer reeks uitstraal. Die gebruik van 940 nm diodepomp verminder die fotontekort aansienlik. Ytterbium het nie enige van die selfbluseffekte wat neodimium by hoë digthede het nie, daarom word neodimium in grootmaatlasers en ytterbium in vesellasers gebruik (albei verskaf ongeveer dieselfde golflengte).

Erbium straal in die reeks van 1530-1620 nm uit, wat veilig is vir die oë. Die frekwensie kan verdubbel word om lig teen 780 nm op te wek, wat nie vir ander soorte vesellasers beskikbaar is nie. Ten slotte kan ytterbium op so 'n manier by erbium gevoeg word dat die element sal absorbeerpomp straling en dra hierdie energie oor na erbium. Thulium is nog 'n naby-infrarooi doopmiddel, wat dus 'n oogveilige materiaal is.

Hoë doeltreffendheid

Die vesellaser is 'n kwasi-drievlak-stelsel. Die pompfoton stimuleer die oorgang van die grondtoestand na die boonste vlak. 'n Laseroorgang is 'n oorgang van die laagste deel van die boonste vlak na een van die gesplete grondtoestande. Dit is baie doeltreffend: ytterbium met 'n 940 nm pompfoton straal byvoorbeeld 'n foton uit met 'n golflengte van 1030 nm en 'n kwantumdefek (energieverlies) van slegs sowat 9%.

Daarteenoor verloor neodymium wat teen 808nm gepomp word ongeveer 24% van sy energie. Ytterbium het dus inherent 'n hoër doeltreffendheid, hoewel dit nie alles haalbaar is nie as gevolg van die verlies van sommige fotone. Yb kan in 'n aantal frekwensiebande gepomp word, terwyl erbium teen 1480 of 980 nm gepomp kan word. Hoër frekwensie is nie so doeltreffend in terme van fotondefek nie, maar nuttig selfs in hierdie geval omdat beter bronne by 980nm beskikbaar is.

Oor die algemeen is die doeltreffendheid van 'n vesellaser die resultaat van 'n tweestap-proses. Eerstens is dit die doeltreffendheid van die pompdiode. Halfgeleierbronne van koherente straling is baie doeltreffend, met 50% doeltreffendheid in die omskakeling van 'n elektriese sein in 'n optiese een. Die resultate van laboratoriumstudies dui daarop dat dit moontlik is om 'n waarde van 70% of meer te bereik. Met 'n presiese passing van die uitsetstralingslynvesellaserabsorpsie en hoë pompdoeltreffendheid.

Tweede is die opties-optiese omskakelingsdoeltreffendheid. Met 'n klein foton-defek kan 'n hoë mate van opwekking en ekstraksiedoeltreffendheid bereik word met 'n optiese-optiese omskakelingsdoeltreffendheid van 60–70%. Die gevolglike doeltreffendheid is in die reeks van 25–35%.

Verskeie konfigurasies

Veseloptiese kwantumgenerators van deurlopende straling kan enkel- of multimodus wees (vir dwarsmodusse). Enkelmoduslasers produseer 'n hoë-geh alte straal vir materiale wat deur die atmosfeer werk of straal, terwyl multimodus industriële vesellasers hoë krag kan opwek. Dit word gebruik vir sny en sweiswerk, en veral vir hittebehandeling waar 'n groot area verlig word.

Die langpulsvesellaser is in wese 'n kwasi-aaneenlopende toestel wat tipies millisekonde-tipe pulse produseer. Tipies is sy dienssiklus 10%. Dit lei tot 'n hoër piekkrag as in aaneenlopende modus (tipies tien keer meer) wat byvoorbeeld vir pulsboor gebruik word. Die frekwensie kan 500 Hz bereik, afhangend van die tydsduur.

Q-skakeling in vesellasers werk op dieselfde manier as in grootmaatlasers. Tipiese polsduur is in die reeks van nanosekondes tot mikrosekondes. Hoe langer die vesel, hoe langer neem dit om die uitset te Q-skakel, wat 'n langer pols tot gevolg het.

Vesel-eienskappe stel sekere beperkings op Q-switching. Die nie-lineariteit van 'n vesellaser is meer betekenisvol as gevolg van die klein deursnee-area van die kern, so die piekkrag moet ietwat beperk word. Of volumetriese Q-skakelaars kan gebruik word, wat beter werkverrigting gee, of veselmodulators, wat aan die ente van die aktiewe deel gekoppel is.

Q-geskakelde pulse kan in die vesel of in 'n holte-resonator versterk word. 'n Voorbeeld van laasgenoemde kan gevind word by die Nasionale Kerntoetssimulasiefasiliteit (NIF, Livermore, CA), waar 'n ytterbiumvesellaser die hoofossillator vir 192 strale is. Klein pulse in groot gedoteerde glasplate word tot megajoules versterk.

In geslote vesellasers hang die herhalingstempo af van die lengte van die versterkingsmateriaal, soos in ander modussluitskemas, en die polsduur hang af van die versterkingsbandwydte. Die kortste is in die 50 fs-reeks en die mees tipiese is in die 100 fs-reeks.

Daar is 'n belangrike verskil tussen erbium- en ytterbiumvesels, as gevolg waarvan hulle in verskillende verspreidingsmodusse werk. Erbium-gedoteerde vesels straal teen 1550 nm uit in die anomale verspreidingsgebied. Dit laat die produksie van solitons toe. Ytterbiumvesels is in die omgewing van positiewe of normale verspreiding; gevolglik genereer hulle pulse met 'n uitgesproke lineêre modulasiefrekwensie. Gevolglik kan 'n Bragg-rooster nodig wees om die pulslengte saam te druk.

Daar is verskeie maniere om vesellaserpulse te verander, veral vir ultravinnige pikosekonde-studies. Fotoniese kristalvesels kan gemaak word met baie klein kerne om sterk nie-lineêre effekte te produseer, soos superkontinuumgenerering. Daarteenoor kan fotoniese kristalle ook gemaak word met baie groot enkelmodus-kerne om nie-lineêre effekte by hoë kragte te vermy.

Buigsame grootkern fotoniese kristalvesels is ontwerp vir hoëkragtoepassings. Een tegniek is om so 'n vesel doelbewus te buig om enige ongewenste hoërorde-modusse uit te skakel terwyl slegs die fundamentele dwarsmodus behou word. Die nie-lineariteit skep harmonieke; deur frekwensies af te trek en by te tel, kan korter en langer golwe geskep word. Nie-lineêre effekte kan ook pulse saamdruk, wat lei tot frekwensiekamme.

As 'n superkontinuumbron produseer baie kort pulse 'n wye aaneenlopende spektrum deur selffasemodulasie te gebruik. Byvoorbeeld, vanaf die aanvanklike 6 ps-pulse by 1050 nm wat 'n ytterbiumvesellaser skep, word 'n spektrum verkry in die reeks van ultraviolet tot meer as 1600 nm. Nog 'n superkontinuum IR-bron word met 'n erbiumbron by 1550 nm gepomp.

Hoë krag

Die bedryf is tans die grootste verbruiker van vesellasers. Krag is tans in groot aanvraag.ongeveer 'n kilowatt, wat in die motorbedryf gebruik word. Die motorbedryf beweeg na hoësterkte staalvoertuie om aan duursaamheidsvereistes te voldoen en relatief lig te wees vir beter brandstofverbruik. Dit is byvoorbeeld baie moeilik vir gewone masjiengereedskap om gate in hierdie soort staal te slaan, maar samehangende bestralingsbronne maak dit maklik.

Die sny van metale met 'n vesellaser, in vergelyking met ander soorte kwantumopwekkers, hou 'n aantal voordele in. Naby-infrarooi golflengtes word byvoorbeeld goed deur metale geabsorbeer. Die balk kan oor die vesel gelewer word, wat die robot in staat stel om maklik fokus te beweeg wanneer dit gesny en geboor word.

Vesel voldoen aan die hoogste kragvereistes.’n Amerikaanse vlootwapen wat in 2014 getoets is, bestaan uit 6-vesel 5.5-kW lasers wat in een straal gekombineer is en wat deur’n vormende optiese stelsel uitstuur. Die 33 kW-eenheid is gebruik om 'n onbemande vliegtuig te vernietig. Alhoewel die straal nie enkelmodus is nie, is die stelsel interessant omdat dit jou toelaat om 'n vesellaser met jou eie hande te skep uit standaard, geredelik beskikbare komponente.

Die hoogste krag enkelmodus koherente ligbron van IPG Photonics is 10 kW. Die meester-ossillator produseer 'n kilowatt optiese krag, wat in die versterkerstadium ingevoer word wat teen 1018 nm gepomp word met lig van ander vesellasers. Die hele stelsel is die grootte van twee yskaste.

Die gebruik van vesellasers het ook versprei na hoëkrag-sny en sweiswerk. Hulle het byvoorbeeld vervangweerstandssweis van plaatstaal, wat die probleem van materiaalvervorming oplos. Beheer van krag en ander parameters maak voorsiening vir baie presiese sny van kurwes, veral hoeke.

Die kragtigste multi-modus vesel laser - 'n metaal snymasjien van dieselfde vervaardiger - bereik 100 kW. Die stelsel is gebaseer op 'n kombinasie van 'n onsamehangende balk, so dit is nie 'n ultrahoë kwaliteit balk nie. Hierdie duursaamheid maak vesellasers aantreklik vir die industrie.

Betonboor

4KW multi-modus vesel laser kan gebruik word vir beton sny en boor. Hoekom is dit nodig? Wanneer ingenieurs aardbewingweerstand in bestaande geboue probeer bereik, moet 'n mens baie versigtig wees met beton. As staalwapening daarin aangebring word, kan konvensionele hamerboor byvoorbeeld die beton kraak en verswak, maar vesellasers sny dit sonder om dit te vergruis.

Kwantumopwekkers met Q-geskakelde vesel word byvoorbeeld gebruik vir merk of in die vervaardiging van halfgeleierelektronika. Hulle word ook in afstandmeters gebruik: handgrootte modules bevat oogveilige vesellasers met 'n drywing van 4 kW, 'n frekwensie van 50 kHz en 'n polswydte van 5-15 ns.

Oppervlakbehandeling

Daar is baie belangstelling in kleinvesellasers vir mikro- en nanomasjinering. Wanneer die oppervlaklaag verwyder word, as die polsduur korter as 35 ps is, is daar geen spatsels van die materiaal nie. Dit voorkom die vorming van depressies enander ongewenste artefakte. Femtosekonde-pulse produseer nie-lineêre effekte wat nie sensitief is vir golflengte nie en nie die omliggende ruimte verhit nie, wat werking toelaat sonder noemenswaardige skade of verswakking van die omliggende gebiede. Boonop kan gate teen hoë diepte-tot-breedte-verhoudings gesny word, soos om vinnig (binne millisekondes) klein gaatjies in 1 mm vlekvrye staal te maak deur 800 fs-pulse teen 1 MHz te gebruik.

Kan ook gebruik word vir oppervlakbehandeling van deursigtige materiale soos menslike oë. Om 'n flap in okulêre mikrochirurgie te sny, word femtosekonde-pulse styf gefokus deur 'n hoë-opening-objektief op 'n punt onder die okulêre oppervlak, sonder om enige skade aan die oppervlak te veroorsaak, maar die okulêre materiaal op 'n beheerde diepte te vernietig. Die gladde oppervlak van die kornea, wat noodsaaklik is vir visie, bly ongeskonde. Die flap, van onder geskei, kan dan opgetrek word vir die vorming van oppervlak-eksimer-laserlens. Ander mediese toepassings sluit in vlak penetrasie chirurgie in dermatologie, en gebruik in sommige tipes optiese koherensie tomografie.

Femtosekonde-lasers

Femtosekonde-kwantumgenerators word in die wetenskap gebruik vir opwekkingsspektroskopie met laserafbreking, tydopgeloste fluoressensiespektroskopie, sowel as vir algemene materiaalnavorsing. Daarbenewens is hulle nodig vir die produksie van femtosekonde frekwensiekamme wat nodig is in metrologie en algemene navorsing. Een van die werklike toepassings op kort termyn sal atoomhorlosies vir volgende generasie GPS-satelliete wees, wat posisioneringsakkuraatheid sal verbeter.

Enkelfrekwensie-vesellaser word vervaardig met spektrale lynwydte van minder as 1 kHz. Dit is 'n indrukwekkende klein toestel met uitsetkrag wat wissel van 10mW tot 1W. Dit vind toepassing op die gebied van kommunikasie, metrologie (byvoorbeeld in veselgyroskope) en spektroskopie.

Wat is volgende?

Wat ander R&D-toepassings betref, word baie meer ondersoek. Byvoorbeeld, 'n militêre ontwikkeling wat op ander gebiede toegepas kan word, wat bestaan uit die kombinasie van vesellaserstrale om een straal van hoë geh alte te verkry met behulp van koherente of spektrale kombinasie. Gevolglik word meer krag in die enkelmodusstraal verkry.

Vervaardiging van vesellasers groei vinnig, veral vir die behoeftes van die motorbedryf. Nie-vesel toestelle word ook vervang met vesel toestelle. Benewens algemene verbeterings in koste en werkverrigting, word femtosekonde-kwantumgenerators en superkontinuumbronne al hoe meer prakties. Vesellasers word meer nis en word 'n bron van verbetering vir ander soorte lasers.