Ytterbium fiber laser: it apparaat, it bestjoeringssysteem prinsipe, macht, produksje, gebrûk

Fiber lasers binne kompakt en duorsum, presys, en maklik te struien feroarsake waarmte. Se komme yn ferskillende soarten en it hawwen fan in soad te dwaan mei lasers fan oare typen hawwe harren eigen unike foardielen.

Fiber lasers: operaasje

Apparaten fan dit type binne de standert fariaasje fan de fêste-steat boarne fan gearhingjende strieling út de glêstried, ynstee roede wurkje vloeistof, in plaat of skiif. It ljocht oanmakke troch de dopant yn it sintrale part fan de glêstried. De basisstruktuer kin fariearje fan ienfâldich oant hiel kompleks. Ytterbium fiber laser apparatus sa dat de glêstried hat in grut oerflak ta folume ratio, sadat de waarmte kin diffused relatyf maklik.

Fiber lasers wurde pompt optically, faak mei help fan Diode lasers, mar yn guon gefallen - deselde boarnen. Optics brûkt wurde yn dizze systemen binne meastentiids stelt Optic ûnderdielen, wêrby't de measte of allegearre binne ferbûn mei elkoar. Yn guon gefallen, in bulk optika, en soms ynterne glêstried systeem wurdt kombinearre mei in eksterne bulk optyk.

In Diode pump boarne kin in Diode array, of in mearfâldichheid fan yndividuele diodes, elk dêrfan is ferbûn mei de Anschluss Fiber Optic waveguide. Doped glêstried oan elke ein hat in spegel cavity resonator - yn 'e praktyk om de glêstried Bragg grating. Oan de úteinen fan de bulk optiek hawwe, as net allinne de útgong beam komt wat oars as glêstried. It ljocht gids kin draaid sadat as winske de laser cavity meie hawwe in lingte fan inkele meters.

binuclear

Bouwurk fezels brûkt yn glêstried lasers, is wichtich. De meast foarkommende is de mjitkunde fan in dual-core struktuer. Undoped bûtenste kearn (somtiden oantsjut as de intima) pompt sammelt ljocht en regissearret dat lâns de glêstried. Stimulearre strieling generated yn de glêstried giet troch it binnenste kearn, dat is faak ien modus. De binnenste kearn befettet in mearderjende ytterbium, stimulearre troch de pomp ljocht. Der binne in soad foarmen fan noncircular bûtenste kearn ynklusyf - hexagonal, D-foarmich en rjochthoekich, it tebekkringen fan de kâns mist it ljocht beam yn de sintrale kearn.

De fiber laser kin in ein of kant poldergemaal. Yn it earste gefal ljocht fan ien of mear boarnen komt it glêstried ein. Doe't de kant pumping ljocht wurdt levere oan in splitter dy't feeds it yn 'e uterlike kearn. Dat ferskilt fan de laser roede dêr't it ljocht komt heaks op 'e as.

Foar sa'n beslút freget in soad strukturele ûntwikkelings. Soad omtinken wurdt jûn oan gearfetsjend de pomp ljocht yn 'e kearn te produsearje in befolking e omkearing west, dy't liedt ta stimulearre útstjit yn' e binnenste kearn. laser kearn hawwe wikseljend amplification yn de glêstried ôfhinklik fan 'e doping, likegoed as op syn lingte. Dy faktoaren binne ynsteld as in ûntwerp yngenieur foar it nedich parameters.

Power limyt kin foarkomme, benammen doe't operating binnen ien-modus fibre. Sa'n kearn hat in hiel lyts Boppesteande sektoroerstiigjende gebiet, en as gefolch passearet therethrough ljocht fan hiel hege yntinsiteit. As dit wurdt hieltyd útsprutsen net-lineêre Taral · lejava ferstruien, dy't limitearret hoefolle macht útfier fan meardere tûzenen watts. As de útfier is heech genôch is, it sil ein kin skansearre.

Benammen fibre lasers

It brûken fan glêstried as wurkjen floeistof jout grutter ynteraksje lingte, dy't wurket goed as de diode poldergemaal. Dit mjitkunde resultearret yn in hege omsetting effisjinsje fan fotoanen, likegoed as betrouber en kompakte bou, dêr't gjin diskrete optika, easkjen oanpassing of alignment.

In fiber laser, hokker apparatus jout it te passen goed, kin oanpast foar welding fan dikke metaal lekkens en te produsearjen femtosecond pulses. Fiber-Optic Amplifiers jouwe single-pass winst en wurde brûkt yn telekommunikaasje, as se kinne amplify soad golflingten tagelyk. Itselde winst wurdt brûkt yn krêft Amplifiers mei in master oscillator. Yn guon gefallen, de fersterker kin wurde eksploitearre mei in trochgeande wave laser.

In oar foarbyld is in boarne fan spontane útstjit fan de glêstried-fersterking, dêr't de stimulearre emission wurdt ûnderdrukt. In oar foarbyld is in Raman fiber laser kombinearre mei fergrutte dispersion, substansjeel skeanlûke golflingte. It hat fûn applikaasje yn ûndersyk, dêr't de kombinaasje fan generaasje en amplification mei help fan in fluoride glês ynstee fan it standert silika fezels.

Lykwols, oer it generaal, fezels makke fan silika glass mei seldsum-ierde dopant yn de kearn. De basis toevoegingen binne ytterbium en erbium. Ytterbium hat golflingten fan 1030 oant 1080 nm, en kin emit oer in breed berik. It brûken fan 940-NM spanner pump gâns ferleget de tekoart fan fotoanen. Ytterbium hat noch in sels-quenching effekten, dy't steane op neodymium op hege densities, sadat de lêste wurdt brûkt yn bulk lasers en ytterbium - yn glêstried (sy beide foarsjen oer deselde golflingte).

Erbium emits yn it berik 1530-1620 nm, in feilich foar de eagen. De frekwinsje kin wurde ferdûbele te generearjen ljocht om 780 nm, dat is net beskikber foar oare typen fan glêstried lasers. Ta beslút, ytterbium kin wurde tafoege oan erbium sadat it elemint sil opfange de pomp strieling en stjoert dizze enerzjy oan erbium. Thulium - in oar dopant nei de útstjit yn 'e omkriten fan ynfraread regio, dy't dus is feilich foar it each foto.

hege efficiency

De fiber laser is in kwasy-trije-nivo systeem. de pomp fotoanen prikkelen 'e oergong fan' e grûn steat nei de boppeste laach. Laser oergong is út de leechste part fan 'e boppeste nivo oan ien fan' e split gemalen steaten. Dit is tige effektyf: bygelyks, ytterbium-940 nm foton pomp emits in foton mei golflingte fan 1030 nm, en it kwantum defect (enerzjy ferlies), mar likernôch 9%.

Yn tsjinstelling, neodymium, pompt om 808 nm ferliest likernôch 24% fan de enerzjy. Sa, ytterbium djip hat in hege doelmjittigens, hoewol't net alle dêrfan is achievable fanwege it ferlies fan guon fan 'e fotoanen. Yb kin pompt yn in oantal frekwinsje bands, en erbium - golflingte fan 1480 of 980 nm. De hegere frekwinsje is net sa effektyf kwa defect fotoanen, mar handich, ek yn dit gefal, want om 980 nm, de bêste boarnen beskikber.

Totale effisjinsje fan de glêstried laser is it gefolch fan twa-stap proses. Yn it foarste plak, it is de effisjinsje fan 'e pomp spanner. Semiconductor boarnen fan gearhingjende strieling binne tige effektyf, mei 50% effisjinsje omsette fan in elektryske sinjaal yn in optysk. De resultaten fan laboratoarium stúdzjes litte sjen dat it mooglik is te berikken mei in wearde fan 70% of mear. Mei eksakte wedstriid útfier strieling absorption line fiber laser wurdt berikt en in hege poldergemaal effisjinsje.

Twads, dizze optische-optyske conversion effisjinsje. As in lyts defekt fotoanen kin it realisearjen fan in hege mjitte fan excitation en de winning effisjinsje fan optyske-optyske konverzje effisjinsje fan 60-70%. It resultearret effisjinsje is yn it berik 25-35%.

ferskate formaasjes

Fiber kwantum trochgeande wave Generators kin ien of multimode (oerdwers Modes). Singlemode produsearje hege kwaliteit beam foar materialen, wurkjen of it ferstjoeren fan in beam troch de sfear, en multimode yndustrieel fiber lasers kinne wekken mear macht. It wurdt brûkt foar cutting en lassen, en yn it bysûnder, foar waarmte behanneling, dêr't in grut gebiet wurdt ferljochte.

De lange fiber laser is wêzentlik kwasy-trochrinnende apparaat meastal millisecond pulses opwekjen type. Meastentiids is it de plicht syklus is 10%. Dit liedt ta in hegere pyk macht as de trochgeande modus (meastal tsien kear), dat brûkt wurdt, bygelyks, foar in pulsed boarjen. De frekwinsje kin wêze 500 Hz, ôfhinklik fan de doer.

Q-switching yn glêstried lasers treedt ek as yn de bulk. In typysk Pulse Duration is yn it oanbod fan nanoseconds oan microseconds. De langer de glêstried, hoe langer it duorret ea Q-wikseling fan de útfier strieling, resultearret yn in langere ympuls.

Fiber eigenskippen binne inkele beheinings oangeande it Q Modulation. De nonlinearity fan de glêstried laser is mear fan betsjutting fanwegen de lytse Boppesteande sektoroerstiigjende gebiet fan 'e kearn, sadat it hichtepunt macht moat wêze wat beheind. Jo kinne brûk of de Q folume SWITCH, dy't soargje foar hegere prestaasjes, of Optic modulators, dy't ferbân hâlde mei de einen fan de aktive diel.

Q-wiksele pulses kinne wurde fersterke yn in vezel of yn 'e holte resonator. In foarbyld fan dat lêste kin fûn wurde yn it Nasjonaal Kompleks simulaasje fan nukleêre tests (NIF, Livermore, CA), dêr't de glêstried laser is in master oscillator foar 192 balken. Lytse pulses yn grutte swier as blokken fan glês doped fersterke oan megajoules.

Yn glêstried lasers mei syngronisaasje werhelling frekwinsje hinget ôf fan de lingte fan fersterkjende materiaal, lykas yn de oare soarten fan syngronisaasje circuits en Pulse Duration hinget ôf fan 'e mooglikheid om te fergrutsjen Feanwalden. De koartste binne yn it oanbod fan 50 FS, en meast typysk - yn it oanbod fan 100 FS.

Tusken ytterbium en erbium fiber, der is in wichtich ferskil, wêrby sy operearje yn ferskillende soarten dispersion. Erbium-doped fiber emitting om 1550 nm yn in regio fan anomalous dispersion. Dit kinne solitons. Itterbievye fezels binne yn in positive of normale dispersion; as gefolch, se wekken pulses mei lineêre frekwinsje Modulation útsprutsen. As gefolch fan Bragg grating kin it nedich om compress de pols lingte.

Der binne ferskate manieren om te feroarjen de glêstried-laser pulses, benammen foar picosecond ultrafast stúdzjes. Photonic kristal fezels kinne wurde makke mei hiel lytse kearnen foar sterke nonlinear effekten, lykas foar supercontinuum generaasje. Yn tsjinstelling, de photonic kristallen kinne ek makke mei hiel grut single-mode kearn om foar te kommen nonlinear effekten op hege krêften.

Fleksibel photonic kristal glêstried mei grutte kearn makke foar tapassings nedich hege macht. Ien fan 'e metoaden is opsetlike bûgen fan de glêstried te wiskje elk winske hegere oardering Modes behâld fan in fûnemintele oerdwers pleatste modus. De net-linearity skept harmonics; en troch subtracting de frekwinsje fan folding, kinne jo in koarter en langere golflingtes. Nonlinear effekten kinne ek produsearje Pulse kompresje, dy't liedt nei it uterlik frekwinsje kammen.

De supercontinuum boarne as tige koarte pulses produsearje in trochgeande spektrum troch faze Modulation. Bygelyks, út de earste 6 ps pulses om 1050 nm, dat skept de ytterbium glêstried laser spektrum krige yn it berik fan Ultraviolet oant mear as 1600 nm. In oare boarne fan IR-pompt erbium-supercontinuum boarne op in golflingte fan 1550 nm.

hege macht

Yndustry is op dit stuit de grutste konsumint fan glêstried lasers. Yn grutte fraach rjochts no genietet de krêft fan 'e folchoarder fan kilowatt brûkt yn' e auto-yndustry. De automotive yndustry hinne beweegt de produksje fan hege-kracht stielen auto om oan de easken fan duorsumens en binne relatyf maklik te grutter brânstof ekonomy. Konvinsjonele masine ark is tige dreech, bygelyks, punch gatten yn dit soarte fan stiel en de boarnen fan gearhingjende strieling meitsje it makliker.

Cutting metalen fiber laser, ferlike mei oare typen fan kwantum generator hat in oantal foardielen. Bygelyks, tichtby-Infrarot waveband goed absorbearre metalen. Beam kin levere wurde troch de glêstried, dy't mooglik makket de robot om maklik ferpleatse de fokus doe't snijen en boarjen.

Glêstried voldoet de heechste easken foar macht. Wapens US Navy, test yn 2014, bestiet út in 6-fiber 5.5-kilowatt lasers kombinearre yn ien beam en striele troch de foarming optyske systeem. 33 kW unit waard brûkt om te ferslaan in ûnbemanne Aerial auto. Hoewol't de bondel is net in ien-mode, it systeem is fan belang, sa't it makket it mooglik te meitsjen in glêstried laser mei harren hannen út standert, gau beskikber yngrediïnten.

De heechste macht single-mode gearhingjend ljocht boarnen fan IPG Photonics is 10 kW. De master oscillator produsearret in watt fan optyske macht, dat wurdt levere oan fersterker poadium pompt om 1018 nm mei ljocht fan oare fiber lasers. It hiele systeem hat in grutte fan twa kuolkasten.

It brûken fan glêstried lasers wurde ek útwreide nei de hege macht cutting en welding. Bygelyks, se ferfongen ferset welding stiel sheet oplossen fan it probleem fan 'deformation fan it materiaal. Power kontrôle en oare parameters kinne hiel sekuere cutting bochten, benammen de hoeken.

De machtichste multimode fiber laser - foar snijden metalen út deselde fabrikant - up oant 100 kW. It systeem is basearre op in kombinaasje fan incoherent bondel, dus it is net super hege-kwaliteit beam. Dit ferset makket fiber lasers oantreklik foar yndustry.

betonnen boarring

Multimode fiber laser útfier fan 4 kW kin brûkt wurde foar cutting en konkrete boarring. Wêrom dogge it? Wannear't yngenieurs besykje te berikken seismysk wjerstân fan besteande gebouwen, te wêzen hiel foarsichtich mei it beton. Wannear't ynstallearre yn it, lykas stiel fersterking konvinsjonele perkusje boarring kin gruzels en ferswakking fan 'e beton, mar vezels lasers knippen sûnder crushing is.

Lasers mei in Q-wiksele fiber brûkt bygelyks foar Labeling of yn it meitsjen fan semiconductor elektroanika. Se wurde ek brûkt yn berik Finders: modulen binne de grutte fan in hân befetsje each-feilige fiber lasers waans útfier is 4 kW, de frekwinsje fan 50 kHz en in puls rintiid fan 5-15 NS.

surface behanneling

Der is grutte belangstelling foar lytse fiber lasers foar mikro en nanoprocessing. Wannear't wiskjen it oerflak laach, as de pols Duration is koarter as 35 ps, gjin spuiten materiaal. Dit foarkomt de foarming fan dimples en oare net winske keunstfoarwerpen. De pulses yn de femtosecond rezjym produsearje nonlinear effekten dy't net gefoelich foar de golflingte en it omlizzende gebiet is net ferwaarme, wêrtroch't te wurkjen sûnder substansjele skea of ferswakking fan de omlizzende gebieten. Dêrneist, holes kin snien mei in hege djipte oan breedte - bygelyks, gau (binnen in pear millisekonden) Lytse gatten fan 1 mm mei help fan in RVS 800-FS pulses mei in frekwinsje fan 1 MHz.

It is ek mooglik om produsearje oerflak-behannele transparante materialen, bgl, it minsklik each. Om snije in flap oan each microsurgery, femtosecond pulses vysokoaperturnym strak fokus lens op in punt ûnder it oerflak fan it each sûnder wêrtroch't gjin skea oan it oerflak, mar it each troch vernietigen materiaal op in kontrolearre djipte. It glêd oerflak fan 'e Cornea, dy't fan wêzentlik belang is foar fisy bliuwt yntakt. De flap wurdt skieden fan 'e boaiem, kinne dan wurde omheech lutsen te Undergroun excimer Laser foarmje lins. Oare medyske applikaasjes befetsje sjirurgy ûndjip penetraasje yn dermatology, en ek it brûken fan beskate soarten optyske gearhing tomography.

femtosecond lasers

Femtosecond lasers yn de wittenskip brûkt om excite de laser ôfbraak spectroscopy, fluorescence spectroscopy mei in tydlike resolúsje, en ek foar de algemiene materialen ûndersyk. Boppedat, se binne nedich foar de produksje fan femtosecond frekwinsje kam nedich yn metrology en algemiene stúdzjes. Ien fan de echte tapassings yn de koarte termyn sil de atomêre klokken fan de GPS-satelliten fan in nije generaasje, dy't sil tanimme de posysjonearring krektens.

Single frekwinsje fiber laser wurdt útfierd mei in Spektrale linewidth fan minder as 1 kHz. Dit yndrukwekkend apparaat mei in lytse strieling útfier macht fan 10 MW oant 1W. Fynt tapassing op it mêd fan kommunikaasje, metrology (bgl, yn glêstried gyroscopes) en spectroscopy.

Wat is de folgjende?

Lykas foar oare ûndersyk tapassings, it is noch altyd in soad fan har wurde bestudearre. Bygelyks, militêre technyk, dat kin tapast wurde yn oare gebieten, dy't bestiet yn it kombinearjen fan in fiber-laser balken te krijen in hege beam mei help fan it gearhingjende of Spektrale kombinaasje. As gefolch, mear macht berikt wurdt yn ien-modus beam.

Produksje fan glêstried lasers groeit fluch, benammen foar de Automotive Industry ferlet. Ek is der in ferfanging fan net-fibrous fiber apparaten. Njonken algemiene ferbetterings yn kosten en prestaasjes, der binne mear praktyske femtosecond lasers en supercontinuum boarnen. Fiber lasers besette mear nissen en wurden in boarne fan ferbettering foar oare typen fan lasers.