Ytterbium ласерски: уредот, принципот на работа, електрична енергија, производство, употреба

Влакна ласери се компактни и издржливи, точни, и лесно да се растера предизвикана од топлина. Тие доаѓаат во различни видови и има многу да се направи со ласери на други видови имаат свој уникатен предности.

Влакна ласери: операција

Уреди од овој тип се стандард варијација на солидна држава код на кохерентна зрачење од влакна, наместо прачка течност, чинија или диск. На светло генерирани од страна на dopant во централниот дел на растителни влакна. Основната структура може да се движи од едноставни до доста комплексен. ласерски апарат Ytterbium влакна, така што на влакна има голема површина на обемот сооднос на, па на топлина може да се рашири релативно лесно.

Влакна ласери се пумпа оптички, често со помош на ласери, диоди, но во некои случаи - велат истите извори. Оптика се користат во овие системи обично се претставува оптички компоненти, при што повеќето или сите од нив се поврзани едни со други. Во некои случаи, најголемиот дел оптика, а понекогаш и внатрешниот систем на оптички влакна е во комбинација со надворешни оптика на рефус.

извор диода пумпа може да биде диода низа, или множество на индивидуални диоди, од кои секој е поврзан со конектор за оптички влакна waveguide на. Смешан влакна на секој крај има резонатор огледало шуплина - во пракса направи влакна Браг хелиум на. На крајот на рефус оптика имаат, ако не само излез зрак влегува во нешто друго освен влакна. светлината водич може да се превртува, така што ако сакате ласерски шуплина може да има должина од неколку метри.

binuclear

Структура влакна се користат во ласери влакна, е важно. Од најчестите е геометријата на dual-core структура. Undoped надворешното јадро (понекогаш се нарекува интима) пумпа собира светлина и го насочува по должината на влакното. Поттикнати зрачење, генерирани во влакна поминува низ внатрешното јадро, кој е често еден режим. На внатрешно јадро содржи адитив ytterbium, стимулирана од страна на светлината на пумпата. Постојат многу форми на noncircular надворешното јадро вклучувајќи - хексагонални, D-облик и правоаголни, намалување на веројатноста за промаши зрак во централното јадро.

ласерски влакна може да има крај или од страна на транспорт. Во првиот случај светлината од еден или повеќе извори влегува крајот на растителни влакна. Кога страна пумпање светлина се доставени до сплитер кој се влева во надворешното јадро. Ова се разликува од ласерски прачка каде што светлината влегува нормална на оската.

За таквата одлука бара многу структурни промени. Значително внимание се посветува на сумирање светлина пумпа во јадрото за да се произведе инверзија на популацијата, што доведува до стимулирана емисија во внатрешното јадро. ласерски јадро може да имаат различни степени на засилување во влакна во зависност од допинг, како и на неговата должина. Овие фактори се поставени како дизајн инженер за потребните параметри.

може да се случи граница на енергија, особено кога се работи во рамките на еден режим влакна. Таквата јадрото има многу мал простор напречниот пресек, и како резултат на светлината поминува низ нив на многу висок интензитет. Кога ова станува поизразена не-линеарни Brillouin расејување, што го ограничува моќност од неколку илјади вати. Ако излезот е доволно висока, крајот на влакна може да се оштети.

Особено ласери влакна

Употребата на влакна како течност дава поголема должина интеракција, која работи добро кога диоди транспорт. Ова геометрија резултира со висока ефикасност конверзија на фотони, како и сигурен и компактен изградба, во која не дискретни оптика, се бара прилагодување и усогласување.

А ласерски растителни влакна, кои апарат овозможува да се прилагодат добро, може да се адаптира за заварување на дебел метал листови и за да се произведе femtosecond пулсира. Фибер-оптички засилувачи обезбеди еден-pass добивка и се користи во телекомуникациите, како што може да се засили многу бранови должини истовремено. Истото добивка се користи во моќ засилувачи со господар осцилатор. Во некои случаи, на засилувач може да се управува со континуиран бран ласер.

Друг пример е извор на спонтана емисија од фибер-засилување, во која се потиснати на стимулирана емисија. Друг пример е ласерски Раман влакна во комбинација со зголемување на дисперзија, значително смолкнување бранова должина. Тоа наоѓа примена во истражување, каде што комбинацијата на производство и засилување со користење на флуориди стакло наместо стандардната силика влакна.

Сепак, генерално, влакна направени од кварц стакло со ретки земјата dopant во јадрото. На основните адитиви се ytterbium и erbium. Ytterbium има бранови должини 1030-1080 nm, и може да се емитуваат во текот на еден широк спектар. Употребата на 940-nm диода пумпа значително го намалува дефицитот на фотони. Ytterbium ниту има авто-калење ефекти, кои се на неодимиумски на висока густина, па таа се користи во најголемиот дел ласери и ytterbium - со растителни влакна (и двајцата да обезбеди околу иста бранова должина).

Erbium емитува во опсег 1530-1620 nm, безбедно за очите. Фреквенцијата може да биде двојно да се генерираат светлина на 780 nm, кој не е достапен за други видови на ласери влакна. Конечно, ytterbium може да се додаде erbium така што елементот ќе ја апсорбира радијација на пумпата и ја пренесе оваа енергија да erbium. Thulium - уште dopant на емисијата во близина на инфрацрвена регионот, кои на тој начин е безбедно за слики на окото.

висока ефикасност

ласерски влакна систем квази-три-ниво. фотони на пумпата се возбуди на преминот од основната состојба на горниот слој. Ласерски транзиција е од најнискиот дел од горниот дел на ниво на една од Сплит земјата држави. Ова е многу ефективен: на пример, ytterbium-940 nm фотон пумпа емитира фотон со бранова должина од 1030 nm, и квантната дефект (загуба на енергија), само околу 9%.

Спротивно на тоа, неодимиумски, се фрли на 808 nm губи околу 24% од енергијата. Така, ytterbium инхерентно има висока ефикасност, иако не сите од нив може да се постигне поради загубата на некои од фотони. Yb може да се пумпа во голем број на фреквенции, и erbium - бранова должина од 1480 или 980 nm. Повисока фреквенција не е толку ефикасен во однос на дефект фотони, но корисно, дури и во овој случај, бидејќи на 980 nm, на најдобрите достапни извори.

Севкупната ефикасност на ласерски влакна е резултат на две-чекор процес. Прво, тоа е ефикасноста на диоди пумпа. Полупроводнички извори на кохерентна зрачење се многу ефикасни, со 50% ефикасност конвертирање на електричен сигнал во оптички. Резултатите од лабораториските студии укажуваат на тоа дека тоа е можно да достигне вредност од 70% или повеќе. Со точно појавување излез апсорпција на зрачење линијата ласерски се постигнува и висок транспорт ефикасност.

Второ, ова оптичко-оптички конверзија ефикасност. Кога еден мал дефект фотони може да се постигне висок степен на побудување и ефикасноста на екстракција на оптичко-оптички конверзија ефикасност од 60-70%. Како резултат на ефикасност е во опсег од 25-35%.

различни конфигурации

Влакна квантната континуирано генератори бран може да биде една или мултимодни (трансверзални модови). Едномодни се произведуваат високо квалитетни светло за материјали, кои работат или испраќање на зрак низ атмосферата, и ласери мулти-индустриски влакна може да се произведуваат повеќе енергија. Тоа се користи за сечење и заварување, а особено за термичка обработка, каде што е запалена на голема површина.

долго ласерски влакна е значително квази-континуирано апарат обично милисекунда тип генерирање на импулси. Обично тоа е должност циклус е 10%. Ова доведува до повисок врв моќ од континуиран режим (обично десет пати) што се користи, на пример, за пулсова дупчење. Фреквенцијата може да биде 500 Hz, во зависност од времетраењето.

Q-префрлување во ласери влакна, исто така делува како во најголемиот дел. Типичен времетраење пулсот е во опсег од nanoseconds да микросекунди. Колку подолго влакна, повеќе е потребно за Q-комутација на излез зрачење, што резултира со повеќе пулсот.

Влакна својства некои ограничувања на П модулација. Нелинеарност од ласер на влакната е повеќе значајни, бидејќи на мал меѓусекторските областа на јадрото, така што моќта на врвот треба да биде малку ограничен. Ако сакате да користите прекинувачи П волумен, која обезбеди повисоки перформанси, или оптички модулатори, кои се поврзани со крајот на активно учество.

Q-вклучен пулсира може да биде засилена во влакна или во резонатор празнина. Еден пример на вториот може да се најде во Националниот комплекс симулација на нуклеарните тестови (НИФ, Ливермор, Калифорнија), каде ласерски влакна е мајстор осцилатор за 192 греди. Мали пулсира во големи плочи од стакло смешан засилува за да megajoules.

Во ласери влакна со повторување синхронизација фреквенција зависи од должината на зајакнување материјал, како и во другите форми на кола синхронизација и времетраењето пулсот зависи од способноста да се зголеми пропусната моќ. Најкраткиот се во опсег од 50 FS, и повеќето типични - во опсег од 100 FS.

Помеѓу ytterbium и erbium влакна, постои значајна разлика, при што тие работат во различни режими дисперзија. Erbium-смешан влакна емитуваат во 1550 nm во регионот на неправилни дисперзија. Ова им овозможува на solitons. Itterbievye влакна се во позитивен или нормална дисперзија; како резултат на тоа, тие произведуваат пулсира со линеарна фреквенција модулација изречена. Како резултат на Браг хелиум тоа можеби ќе треба да се компресира должината на пулсот.

Постојат неколку начини да се измени фибер-ласерски импулси, и особено за студии пикосекунда ultrafast. Фотонски кристали влакна можат да бидат произведени со многу мали јадра за силна нелинеарни ефекти, како што за производство на supercontinuum. Спротивно на тоа, фотонски кристали, исто така може да бидат произведени со многу големи основни еден режим, со цел да се избегне нелинеарни ефекти на високи сили.

Флексибилни фотонски кристали влакна со големи основни создадени за апликации кои бараат висока моќност. Еден од методите е намерно виткање на влакна за да ги отстраните несаканите повисоки режими цел, додека одржување на основните трансверзален мод. На не-линеарност создава хармоници; и со одземање на фреквенцијата на виткање, можете да креирате пократки и подолги бранови должини. Нелинеарни ефекти може да произведува и пулсот компресија, што доведува до појава на фреквенцијата на чешли.

извор на supercontinuum како многу кратки импулси произведе континуиран спектар низ фазата на модулација. На пример, од почетната 6 PS пулсира во 1050 nm, со што се создава ласерски спектар ytterbium влакна добиени во опсег од ултравиолетово на повеќе од 1600 nm. Друг извор на IR-пумпа извор erbium-supercontinuum на бранова должина од 1550 nm.

висока моќност

во моментов индустрија е најголем потрошувач на ласери влакна. Во високата побарувачка во моментов ужива во моќта на редоследот на киловати се користи во автомобилската индустрија. Автомобилската индустрија се движи кон производство на челик со висока цврстина автомобили за да се исполнат барањата на издржливост и се релативно лесни за поголема економичност на гориво. Конвенционалните машина алатки е многу тешко, на пример, дупки во овој вид на челик и изворите на зрачење кохерентна прават да биде лесно.

Сечење метал, ласерски, во споредба со другите видови на квантната генератор има голем број на предности. На пример, во близина на инфрацрвена бранова должина добро се апсорбира метали. Зрак може да се доставуваат преку влакна, кој им овозможува на робот да се лесно да се преселат во фокусот кога сечење и дупчење.

Оптички влакна задоволува највисоките барања за моќ. Оружје на американската морнарица, тестирани во 2014 година, се состои од 6-фибер 5,5 киловат ласери комбинирани во еден зрак и зрачи преку формирање оптички систем. 33 kW единица беше искористена за да се победи на беспилотни возило. Иако зрак не е еден режим, системот е од интерес, како што им овозможува да се создаде ласерски влакна со своите раце надвор од стандардните, лесно достапни состојки.

Највисоката власт еден режим кохерентна извори на светлина на ИПГ фотоника е 10 kW. Господар осцилатор произведува вати на оптичка моќност, кои се доставени до засилувач фаза пумпа во 1018 nm со светлина на другите ласери влакна. Целиот систем е со големина од два фрижидери.

Употребата на ласери влакна, исто така, се прошири и на високо сечење сила и заварување. На пример, тие го замени заварување челични лимови решавање на проблемот на деформација на материјалот. моќ за контрола и други параметри овозможува многу прецизна криви сечење, особено аглите.

Најмоќните мултимодните ласерски - за сечење на метали од истиот производител - до 100 kW. Системот се базира на комбинација на некохерентна зрак, така што не е супер висококвалитетни зрак. Овој отпор прави ласери влакна атрактивни за индустријата.

бетон дупчење

Мултимодните ласерски излез од 4 kW може да се користи за сечење и дупчење бетон. Зошто го направи тоа? Кога инженерите се обидуваат да се постигне сеизмичката отпорност на постојните објекти, да се биде многу внимателен со бетон. Кога инсталиран во него, како челик засилување конвенционалните ударни дупчење може да предизвика грешки и ослабне бетон, но ласери влакна намали без дробење тоа.

Ласери со Q-вклучен влакна се користат за пример за означување на или во производството на полупроводници електроника. Тие исто така се користат во опсег finders: модули се со големина на рака содржат влакна ласери око-безбедно чиј излез е 4 kW, со фреквенција од 50 kHz и времетраење пулсот на 5-15 ns.

површински третман

Постои голем интерес во мали влакна ласери за микро и nanoprocessing. Кога отстранување на површинскиот слој, ако времетраењето на пулсот е пократок од 35 КС, нема прскање материјал. Ова го спречува формирањето на дупчиња во образите и други несакани артефакти. Импулси во femtosecond режим производство на нелинеарни ефекти кои не се чувствителни на бранова должина и околината не се загрева, дозволувајќи им да работат без значително оштетување или ослабување на околните области. Покрај тоа, дупки може да се намали со висок длабочина на ширина - на пример, брзо (во рок од неколку милисекунди) Мали дупки од 1 мм со челична 800-FS пулсира со фреквенција од 1 MHz.

Исто така е можно да се произведе површински третирани транспарентни материјали, на пример, за човечкото око. Да се намали паниката на око микрохирургија, femtosecond пулсира vysokoaperturnym цврсто фокус леќа во точката под површината на окото без да предизвика било каква штета на површината, но окото со уништување на материјалот на контролирана длабочина. Мазната површина на корнеата, што е од суштинско значење за визија останува недопрена. На размавта е одвоена од дното, а потоа може да се влечат до површината excimer ласерски формирање леќа. Други медицински апликации вклучуваат хирургија плитки пенетрација во дерматологијата, како и употребата на одредени типови на оптички кохерентност томографија.

femtosecond ласери

Femtosecond ласери во науката се користи за да се возбуди дефект спектроскопија ласерски, флуоресценција спектроскопија со временска резолуција, како и за општата истражувачки материјали. Покрај тоа, тие се потребни за производство на femtosecond фреквенција чешел потребни за метрологија и општи студии. Еден од вистинските апликации во краток рок ќе биде атомски часовници на GPS сателитите на нова генерација, која ќе се зголеми точноста на позиционирањето.

Еден ласерски фреквенција влакна се изведува со спектрален linewidth од помалку од 1 kHz. Овој импресивен уред со мала зрачење излезна моќност од 10 MW до 1W. Наоѓа примена во областа на комуникациите, метрологија (на пример, во жироскопи влакна) и спектроскопија.

Што е следно?

Како и за другите истражување апликации, тоа е сепак многу од нив се изучува. На пример, воено инженерство, која може да се примени и во други области, која се состои во комбинирање на оптички ласерски зраци да се добие висок зрак со користење на кохерентен или спектрален комбинација. Како резултат на тоа, повеќе енергија се постигне во еден режим зрак.

Производство на ласери влакна рапидно се зголемува, особено за потребите на автомобилската индустрија. Исто така, постои замена на уредите не-влакнести влакна. Покрај општите подобрувања во цена и перформанси, постојат повеќе практични femtosecond ласери и supercontinuum извори. Влакна ласери заземаат повеќе ниши и да стане извор на подобрување за други видови на ласери.