Ytterbiový vláknový laser: zariadenie, princíp fungovania, výkon, výroba, aplikácia

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Vláknové lasery sú kompaktné a odolné, presne mieria a ľahko rozptyľujú tepelnú energiu. Prichádzajú v rôznych formách a hoci majú veľa spoločného s inými typmi optických kvantových generátorov, majú svoje jedinečné výhody.

Vláknové lasery: ako fungujú

Zariadenia tohto typu sú variáciou štandardného pevného zdroja koherentného žiarenia s pracovným médiom vyrobeným z vlákna a nie z tyče, dosky alebo disku. Svetlo generuje dopant v strede vlákna. Základná štruktúra sa môže pohybovať od jednoduchých až po pomerne zložité. Konštrukcia lasera s ytterbiovým vláknom je taká, že vlákno má veľký pomer povrchu k objemu, takže teplo môže byť odvádzané relatívne ľahko.

Vláknové lasery sú opticky čerpané, najčastejšie pomocou diódových kvantových generátorov, ale v niektorých prípadoch z rovnakých zdrojov. Optikou používanou v týchto systémoch sú typicky vláknové komponenty, pričom väčšina alebo všetky sú navzájom spojené. V niektorých prípadochpoužíva sa objemová optika a niekedy sa interný optický systém kombinuje s vonkajšou objemovou optikou.

Zdrojom pumpovania diódy môže byť dióda, matica alebo množstvo jednotlivých diód, z ktorých každá je pripojená ku konektoru svetlovodom z optických vlákien. Dopované vlákno má na každom konci dutinové rezonátorové zrkadlo - v praxi sa vo vlákne vyrábajú Braggove mriežky. Na koncoch nie sú žiadne objemové optiky, pokiaľ výstupný lúč nejde do niečoho iného ako do vlákna. Svetlovod je možné otočiť, takže v prípade potreby môže byť dutina lasera dlhá niekoľko metrov.

Štruktúra dvojitého jadra

Štruktúra vlákna používaného vo vláknových laseroch je dôležitá. Najbežnejšou geometriou je štruktúra s dvojitým jadrom. Nedopované vonkajšie jadro (niekedy nazývané vnútorný plášť) zhromažďuje čerpané svetlo a smeruje ho pozdĺž vlákna. Stimulovaná emisia generovaná vo vlákne prechádza cez vnútorné jadro, ktoré je často jednovidové. Vnútorné jadro obsahuje dopant yterbium stimulovaný svetelným lúčom pumpy. Existuje mnoho nekruhových tvarov vonkajšieho jadra, vrátane šesťuholníkového, D-tvaru a pravouhlého tvaru, ktoré znižujú možnosť chýbajúceho svetelného lúča z centrálneho jadra.

Vláknový laser môže byť čerpaný z konca alebo zo strany. V prvom prípade svetlo z jedného alebo viacerých zdrojov vstupuje na koniec vlákna. Pri bočnom čerpaní sa svetlo privádza do rozdeľovača, ktorý ho dodáva do vonkajšieho jadra. tosa líši od tyčového lasera, kde svetlo vstupuje kolmo na os.

Toto riešenie si vyžaduje veľa vývoja dizajnu. Značná pozornosť sa venuje vháňaniu svetla pumpy do jadra, aby sa vytvorila inverzia populácie vedúca k stimulovanej emisii vo vnútornom jadre. Laserové jadro môže mať rôzny stupeň zosilnenia v závislosti od dopovania vlákna, ako aj od jeho dĺžky. Tieto faktory upravuje konštruktér na získanie požadovaných parametrov.

Môžu sa vyskytnúť obmedzenia napájania, najmä pri prevádzke v rámci jednovidového vlákna. Takéto jadro má veľmi malú plochu prierezu a v dôsledku toho ním prechádza svetlo veľmi vysokej intenzity. Zároveň je čoraz zreteľnejší nelineárny Brillouin rozptyl, ktorý obmedzuje výstupný výkon na niekoľko tisíc wattov. Ak je výstupný signál dostatočne vysoký, koniec vlákna môže byť poškodený.

Funkcie vláknových laserov

Použitie vlákna ako pracovného média poskytuje dlhú dĺžku interakcie, ktorá dobre funguje pri pumpovaní diód. Táto geometria vedie k vysokej účinnosti konverzie fotónov, ako aj k robustnému a kompaktnému dizajnu bez diskrétnej optiky na nastavenie alebo zarovnanie.

Vláknový laser, ktorého zariadenie sa dobre prispôsobuje, je možné prispôsobiť ako na zváranie hrubých plechov, tak aj na vytváranie femtosekundových impulzov. Optické zosilňovače poskytujú jednopriechodové zosilnenie a používajú sa v telekomunikáciách, pretože sú schopné zosilniť mnoho vlnových dĺžok súčasne. Rovnaký zisk sa používa vo výkonových zosilňovačoch s hlavným oscilátorom. V niektorých prípadoch môže zosilňovač pracovať s CW laserom.

Ďalším príkladom sú zdroje spontánnej emisie zosilnené vláknami, v ktorých je stimulovaná emisia potlačená. Ďalším príkladom je Ramanov vláknový laser s kombinovaným zosilnením rozptylu, ktorý výrazne posúva vlnovú dĺžku. Našlo uplatnenie vo vedeckom výskume, kde sa na Ramanovu generovanie a zosilnenie používajú fluoridové sklenené vlákna, a nie štandardné kremenné vlákna.

Vlákna sú však spravidla vyrobené z kremenného skla s prímesou vzácnych zemín v jadre. Hlavnými prísadami sú yterbium a erbium. Ytterbium má vlnové dĺžky od 1030 do 1080 nm a môže vyžarovať v širšom rozsahu. Použitie 940 nm diódového pumpovania výrazne znižuje fotónový deficit. Ytterbium nemá žiadne samozhášacie účinky, ktoré má neodým pri vysokých hustotách, takže neodým sa používa v hromadných laseroch a yterbium vo vláknových laseroch (oba poskytujú zhruba rovnakú vlnovú dĺžku).

Erbium vyžaruje v rozsahu 1530-1620 nm, čo je pre oči bezpečné. Frekvencia sa môže zdvojnásobiť, aby sa generovalo svetlo pri 780 nm, čo nie je dostupné pre iné typy vláknových laserov. Nakoniec je možné k erbiu pridať ytterbium tak, aby prvok absorbovalpumpovať žiarenie a preniesť túto energiu na erbium. Thulium je ďalší dopant v blízkej infračervenej oblasti, ktorý je teda materiálom bezpečným pre oči.

Vysoká účinnosť

Vláknový laser je kvázi trojúrovňový systém. Fotón pumpy vybudí prechod zo základného stavu do hornej úrovne. Laserový prechod je prechod z najnižšej časti hornej úrovne do jedného z rozdelených základných stavov. To je veľmi efektívne: napríklad ytterbium s 940 nm pumpovým fotónom vyžaruje fotón s vlnovou dĺžkou 1030 nm a kvantovým defektom (stratou energie) len asi 9 %.

Naproti tomu neodým čerpaný pri 808 nm stráca asi 24 % svojej energie. Yterbium má teda zo svojej podstaty vyššiu účinnosť, hoci nie všetku ju možno dosiahnuť kvôli strate niektorých fotónov. Yb je možné čerpať vo viacerých frekvenčných pásmach, zatiaľ čo erbium je možné čerpať pri 1480 alebo 980 nm. Vyššia frekvencia nie je taká efektívna, pokiaľ ide o fotónový defekt, ale užitočná aj v tomto prípade, pretože lepšie zdroje sú dostupné pri 980nm.

Vo všeobecnosti je účinnosť vláknového lasera výsledkom dvojstupňového procesu. Po prvé, toto je účinnosť diódy čerpadla. Polovodičové zdroje koherentného žiarenia sú veľmi účinné, s 50% účinnosťou pri premene elektrického signálu na optický. Výsledky laboratórnych štúdií naznačujú, že je možné dosiahnuť hodnotu 70 % a viac. S presnou zhodou výstupnej línie žiareniaabsorpcia vláknového lasera a vysoká účinnosť čerpadla.

Druhá je účinnosť opticko-optickej konverzie. Pri malom fotónovom defekte možno dosiahnuť vysoký stupeň účinnosti excitácie a extrakcie s optooptickou účinnosťou konverzie 60–70 %. Výsledná účinnosť je v rozmedzí 25–35 %.

Rôzne konfigurácie

Kvantové generátory kontinuálneho žiarenia z optických vlákien môžu byť jedno- alebo viacvidové (pre priečne režimy). Jednomódové lasery produkujú vysokokvalitný lúč pre materiály pracujúce alebo vyžarujúce cez atmosféru, zatiaľ čo multimódové priemyselné vláknové lasery môžu generovať vysoký výkon. Používa sa na rezanie a zváranie a najmä na tepelné spracovanie, kde je osvetlená veľká plocha.

Vláknový laser s dlhými impulzmi je v podstate kvázi-kontinuálne zariadenie, ktoré zvyčajne produkuje impulzy milisekundového typu. Jeho pracovný cyklus je zvyčajne 10%. Výsledkom je vyšší špičkový výkon ako v nepretržitom režime (zvyčajne desaťkrát viac), ktorý sa používa napríklad pri pulznom vŕtaní. Frekvencia môže dosiahnuť 500 Hz, v závislosti od trvania.

Q-spínanie vo vláknových laseroch funguje rovnako ako v hromadných laseroch. Typické trvanie impulzu je v rozsahu nanosekúnd až mikrosekúnd. Čím dlhšie je vlákno, tým dlhšie trvá Q-prepnutie výstupu, výsledkom čoho je dlhší impulz.

Vlastnosti vlákna ukladajú určité obmedzenia na Q-prepínanie. Nelinearita vláknového lasera je významnejšia kvôli malej ploche prierezu jadra, takže špičkový výkon musí byť trochu obmedzený. Môžu sa použiť buď volumetrické Q spínače, ktoré poskytujú lepší výkon, alebo vláknové modulátory, ktoré sú pripojené na konce aktívnej časti.

Q-spínané impulzy môžu byť zosilnené vo vlákne alebo v dutinovom rezonátore. Príklad druhého možno nájsť v National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), kde je ytterbiový vláknový laser hlavným oscilátorom pre 192 lúčov. Malé impulzy vo veľkých dopovaných sklenených doskách sú zosilnené na megajouly.

V uzamknutých vláknových laseroch závisí frekvencia opakovania od dĺžky materiálu zosilnenia, ako v iných schémach uzamykania režimu, a trvanie impulzu závisí od šírky pásma zosilnenia. Najkratšie sú v rozsahu 50 fs a najtypickejšie sú v rozsahu 100 fs.

Medzi vláknami erbia a ytterbia je dôležitý rozdiel, v dôsledku čoho fungujú v rôznych režimoch rozptylu. Erbiom dopované vlákna emitujú pri 1550 nm v oblasti anomálnej disperzie. To umožňuje výrobu solitónov. Vlákna ytterbia sú v oblasti pozitívnej alebo normálnej disperzie; v dôsledku toho generujú impulzy s výraznou lineárnou modulačnou frekvenciou. V dôsledku toho môže byť potrebná Braggova mriežka na stlačenie dĺžky impulzu.

Existuje niekoľko spôsobov, ako upraviť pulzy vláknového lasera, najmä pre ultrarýchle pikosekundové štúdie. Vlákna fotonických kryštálov môžu byť vyrobené s veľmi malými jadrami, aby sa vytvorili silné nelineárne efekty, ako je vytváranie superkontinua. Na rozdiel od toho, fotonické kryštály môžu byť vyrobené aj s veľmi veľkými jednovidovými jadrami, aby sa predišlo nelineárnym efektom pri vysokých výkonoch.

Flexibilné vlákna fotonického kryštálu s veľkým jadrom sú navrhnuté pre aplikácie s vysokým výkonom. Jednou z techník je zámerné ohýbanie takého vlákna, aby sa eliminovali akékoľvek nežiaduce módy vyššieho rádu, pričom sa zachoval iba základný priečny mód. Nelinearita vytvára harmonické; uberaním a pridávaním frekvencií možno vytvárať kratšie a dlhšie vlny. Nelineárne efekty môžu tiež komprimovať impulzy, čo vedie k frekvenčným hrebeňom.

Ako superkontinuálny zdroj vytvárajú veľmi krátke impulzy široké spojité spektrum pomocou samofázovej modulácie. Napríklad z počiatočných impulzov 6 ps pri 1050 nm, ktoré vytvára laser s ytterbiovými vláknami, sa získa spektrum v rozsahu od ultrafialového do viac ako 1600 nm. Ďalší superkontinuálny IR zdroj je čerpaný erbiovým zdrojom pri 1550 nm.

Vysoký výkon

Odvetvie je v súčasnosti najväčším spotrebiteľom vláknových laserov. Energia je momentálne veľmi žiadaná.asi kilowatt, používané v automobilovom priemysle. Automobilový priemysel smeruje k vozidlám z vysokopevnostnej ocele, aby spĺňali požiadavky na odolnosť a boli relatívne ľahké pre lepšiu spotrebu paliva. Pre bežné obrábacie stroje je napríklad veľmi ťažké dierovať do tohto druhu ocele, ale koherentné zdroje žiarenia to uľahčujú.

Rezanie kovov vláknovým laserom má v porovnaní s inými typmi kvantových generátorov množstvo výhod. Napríklad blízke infračervené vlnové dĺžky sú dobre absorbované kovmi. Lúč môže byť vedený cez vlákno, čo umožňuje robotovi ľahko pohybovať zaostrením pri rezaní a vŕtaní.

Vlákno spĺňa najvyššie požiadavky na energiu. Zbraň amerického námorníctva testovaná v roku 2014 pozostáva zo 6-vláknových 5,5 kW laserov spojených do jedného lúča a vyžarujúcich cez formujúci sa optický systém. Jednotka s výkonom 33 kW bola použitá na zničenie bezpilotného lietadla. Hoci lúč nie je jednorežimový, systém je zaujímavý, pretože umožňuje vytvoriť vláknový laser vlastnými rukami zo štandardných, ľahko dostupných komponentov.

Najvyšší výkon jednorežimového koherentného svetelného zdroja od IPG Photonics je 10 kW. Hlavný oscilátor produkuje kilowatt optického výkonu, ktorý sa privádza do zosilňovacieho stupňa čerpaného pri 1018 nm svetlom z iných vláknových laserov. Celý systém má veľkosť dvoch chladničiek.

Používanie vláknových laserov sa rozšírilo aj na vysokovýkonné rezanie a zváranie. Napríklad vymeniliodporové zváranie oceľového plechu, riešenie problému deformácie materiálu. Ovládanie výkonu a ďalších parametrov umožňuje veľmi presné rezanie kriviek, najmä rohov.

Najvýkonnejší multimódový vláknový laser – stroj na rezanie kovov od rovnakého výrobcu – dosahuje výkon 100 kW. Systém je založený na kombinácii nekoherentného lúča, nejde teda o ultra kvalitný lúč. Vďaka tejto odolnosti sú vláknové lasery atraktívne pre priemysel.

Vŕtanie do betónu

4KW multimódový vláknový laser možno použiť na rezanie a vŕtanie betónu. Prečo je to potrebné? Keď sa inžinieri snažia dosiahnuť odolnosť voči zemetraseniu v existujúcich budovách, človek musí byť veľmi opatrný s betónom. Ak je v ňom napríklad nainštalovaná oceľová výstuž, bežné vŕtanie s príklepom môže prasknúť a oslabiť betón, ale vláknové lasery ho prerežú bez rozdrvenia.

Kvantové generátory s Q-spínaným vláknom sa používajú napríklad na značenie alebo pri výrobe polovodičovej elektroniky. Používajú sa aj v diaľkomeroch: moduly s veľkosťou ruky obsahujú vláknové lasery bezpečné pre oči s výkonom 4 kW, frekvenciou 50 kHz a šírkou impulzu 5-15 ns.

Povrchová úprava

O lasery s malými vláknami pre mikro- a nanomachining je veľký záujem. Pri odstraňovaní povrchovej vrstvy, ak je trvanie impulzu kratšie ako 35 ps, nedochádza k rozstreku materiálu. Tým sa zabráni vzniku depresií ainé nežiaduce artefakty. Femtosekundové impulzy vytvárajú nelineárne efekty, ktoré nie sú citlivé na vlnovú dĺžku a nezohrievajú okolitý priestor, čo umožňuje prevádzku bez výrazného poškodenia alebo oslabenia okolitých oblastí. Okrem toho je možné vyrezať otvory s vysokým pomerom hĺbky k šírke, napríklad rýchlo (v priebehu milisekúnd) vytvoriť malé otvory do 1 mm nehrdzavejúcej ocele pomocou impulzov 800 fs pri 1 MHz.

Možno použiť aj na povrchovú úpravu priehľadných materiálov, ako sú ľudské oči. Na prerezanie klapky pri očnej mikrochirurgii sú femtosekundové impulzy pevne zaostrené objektívom s vysokou apertúrou v bode pod povrchom oka bez toho, aby spôsobili akékoľvek poškodenie povrchu, ale zničili materiál oka v kontrolovanej hĺbke. Hladký povrch rohovky, ktorý je nevyhnutný pre videnie, zostáva neporušený. Chlopňu, oddelenú zospodu, možno potom vytiahnuť nahor, aby sa vytvorila povrchová šošovka excimerového lasera. Medzi ďalšie medicínske aplikácie patrí chirurgia s plytkým prienikom v dermatológii a použitie v niektorých typoch optickej koherentnej tomografie.

Femtosekundové lasery

Femtosekundové kvantové generátory sa vo vede používajú na excitačnú spektroskopiu s laserovým rozpadom, časovo rozlíšenú fluorescenčnú spektroskopiu, ako aj na všeobecný materiálový výskum. Okrem toho sú potrebné na produkciu femtosekundovej frekvenciehrebene potrebné v metrológii a všeobecnom výskume. Jednou zo skutočných aplikácií v krátkodobom horizonte budú atómové hodiny pre satelity GPS novej generácie, ktoré zlepšia presnosť určovania polohy.

Jednofrekvenčný vláknový laser sa vyrába so šírkou spektrálnej čiary menšou ako 1 kHz. Ide o pôsobivo malé zariadenie s výstupným výkonom od 10 mW do 1 W. Uplatnenie nachádza v oblasti komunikácií, metrológie (napríklad vo vláknových gyroskopoch) a spektroskopie.

Čo ďalej?

Pokiaľ ide o iné aplikácie výskumu a vývoja, mnohé ďalšie sa skúmajú. Napríklad vojenský vývoj, ktorý je možné aplikovať aj v iných oblastiach, ktorý spočíva v kombinácii vláknových laserových lúčov na získanie jedného vysokokvalitného lúča pomocou koherentnej alebo spektrálnej kombinácie. Výsledkom je, že v jednorežimovom lúči sa dosiahne väčší výkon.

Výroba vláknových laserov rýchlo rastie najmä pre potreby automobilového priemyslu. Nevláknové zariadenia sa nahrádzajú aj vláknovými. Okrem všeobecných zlepšení nákladov a výkonu sa femtosekundové kvantové generátory a zdroje superkontinua stávajú čoraz praktickejšími. Vláknové lasery sú čoraz viac špecializované a stávajú sa zdrojom zlepšenia pre iné typy laserov.