БізнесПрамысловасць

Иттербиевый валаконны лазер: прылада, прынцып працы, магутнасць, вытворчасць, прымяненне

Валаконны лазеры кампактныя і трывалыя, дакладна наводзяцца і лёгка рассейваюць цеплавую энергію. Яны бываюць розных відаў і, маючы шмат агульнага з аптычнымі квантавымі генератарамі іншых тыпаў, валодаюць уласнымі унікальнымі перавагамі.

Валаконны лазеры: прынцып працы

Прылады гэтага тыпу ўяўляюць сабой варыяцыю стандартнага цвёрдацельнага крыніцы кагерэнтнага выпраменьвання з рабочым целам з оптавалакна, а не стрыжня, пласціны або дыска. Святло генеруецца легіравальных прымешкай ў цэнтральнай частцы валакна. Асноўная структура можа вар'іравацца ад простай да даволі складанай. Прылада иттербиевого валаконнага лазера такое, што валакно мае вялікае стаўленне паверхні да аб'ёму, таму цяпло можа быць адносна лёгка рассеяная.

Валаконны лазеры напампоўваюцца аптычна, часцей за ўсё з дапамогай дыёдных квантавых генератараў, але ў некаторых выпадках - такімі ж крыніцамі. Оптыка, выкарыстоўваная ў гэтых сістэмах, як правіла, уяўляе сабой валаконны кампаненты, прычым большасць ці ўсе яны злучаныя адзін з адным. У некаторых выпадках выкарыстоўваецца аб'ёмная оптыка, а часам ўнутраная оптавалакновая сістэма спалучаецца з вонкавага аб'ёмнай оптыкай.

Крыніцай дыёднай накачкі можа служыць дыёд, матрыца, або мноства асобных дыёдаў, кожны з якіх звязаны з злучальнікі валаконна-аптычным святлавод. Легаванай валакно на кожным канцы мае люстэрка аб'ёмнага рэзанатара - на практыцы ў валакне робяць рашоткі Брэгга. На канцах аб'ёмнай оптыкі няма, калі толькі выхадны прамень не пераходзіць у нешта іншае, чым валакно. Святлавод можа скручвацца, так што пры жаданні лазерны рэзанатар можа мець даўжыню ў некалькі метраў.

двух'ядравы структура

Структура валакна, які выкарыстоўваецца ў валаконны лазерах, мае важнае значэнне. Найбольш распаўсюджанай геаметрыяй з'яўляецца двух'ядравы структура. Нелегіраванай знешняе ядро (часам званае ўнутранай абалонкай) збірае напампоўваць святло і накіроўвае яго ўздоўж валакна. Вымушанае выпраменьванне, якое генеруецца ў валакне, праходзіць праз унутранае ядро, якое часта з'яўляецца одномодовому. Ўнутранае ядро змяшчае прысадку ітэрбія, стымулюемых светлавым пучком накачкі. Існуе мноства некруговых форм знешняга ядра, у ліку якіх - гексагональную, D-вобразная і прамавугольная, якія памяншаюць верагоднасць нетрапляння светлавога пучка ў цэнтральнае ядро.

Валаконны лазер можа мець кантавую або бакавую напампоўку. У першым выпадку святло ад аднаго ці некалькіх крыніц паступае ў тарэц валакна. Пры бакавой напампоўцы святло падаецца ў разветвитель, які падае яго ць знешняе ядро. Гэта адрозніваецца ад стрыжневага лазера, дзе святло паступае перпендыкулярна да восі.

Для такога рашэння патрабуецца шмат канструктыўных распрацовак. Значная ўвага надаецца падвядзенню святла накачкі ў актыўную зону, каб вырабіць інверсію заселенасці, якая вядзе да змушанаму выпраменьвання ва ўнутраным ядры. Асяродак лазера можа мець розную ступень ўзмацнення ў залежнасці ад легіравання валакна, а таксама ад яго даўжыні. Гэтыя фактары наладжваюцца інжынерам-канструктарам для атрымання неабходных параметраў.

Могуць узнікнуць абмежаванні магутнасці, у прыватнасці, пры працы ў межах одномодового валакна. Такі стрыжань мае вельмі малую плошчу папярочнага перасеку, і ў выніку праз яго праходзіць святло вельмі высокай інтэнсіўнасці. Пры гэтым становіцца ўсё больш адчувальным нелінейнае рассейванне Бриллюэна, якое абмяжоўвае выходную магутнасць некалькімі тысячамі ват. Калі выходны сігнал з'яўляецца досыць высокім, тарэц валакна можа быць пашкоджаны.

Асаблівасці валаконны лазераў

Выкарыстанне валакна ў якасці рабочай асяроддзя дае вялікую даўжыню ўзаемадзеяння, якая добра працуе пры дыёднай напампоўцы. Гэтая геаметрыя прыводзіць да высокай эфектыўнасці пераўтварэнні фатонаў, а таксама надзейнай і кампактнай канструкцыі, у якой адсутнічае дыскрэтная оптыка, якая патрабуе налады або выраўноўвання.

Валаконны лазер, прылада якога дазваляе яму добра адаптавацца, можа быць прыстасаваны як для зваркі тоўстых лістоў металу, так і для атрымання фемтосекундных імпульсаў. Световолоконные ўзмацняльнікі забяспечваюць однопроходная ўзмацненне і выкарыстоўваюцца ў сферы тэлекамунікацый, паколькі здольныя ўзмацняць многія даўжыні хваляў адначасова. Такое ж ўзмацненне ўжываецца ў узмацняльніках магутнасці з задавалым генератарам. У некаторых выпадках ўзмацняльнік можа працаваць з лазерам бесперапыннага выпраменьвання.

Іншым прыкладам з'яўляюцца крыніцы спантанага выпраменьвання з валаконным узмацненнем, у якіх вымушанае выпраменьванне душыцца. Яшчэ адным прыкладам можа служыць рамановский валаконны лазер з узмацненнем камбінаванага рассейвання, істотна зрушваецца даўжыню хвалі. Ён знайшоў прымяненне ў навуковых даследаваннях, дзе для камбінацыйнай генерацыі і ўзмацнення выкарыстоўваецца фторидное шкловалакно, а не стандартныя кварцавыя валакна.

Тым не менш, як правіла, валакна вырабляюць з кварцавага шкла з рэдказямельнай легіравальных прымешкай ў ядры. Асноўнымі дадаткамі з'яўляюцца ітэрбій і эрбій. Ітэрбій мае даўжыні хваль ад 1030 да 1080 нм і можа выпраменьваць ў больш шырокім дыяпазоне. Выкарыстанне 940-нм дыёднай накачкі значна скарачае дэфіцыт фатонаў. Ітэрбій ня валодае ні адным з эфектаў самогашения, якія ёсць у неадыму пры высокіх шчыльнасцях, таму апошні выкарыстоўваецца ў аб'ёмных лазерах, а ітэрбій - у валаконны (яны абодва забяспечваюць прыкладна аднолькавую даўжыню хвалі).

Эрбій выпраменьвае ў дыяпазоне 1530-1620 нм, бяспечным для вачэй. Частату можна падвоіць для генерацыі святла пры 780 нм, што недаступна для валаконны лазераў іншых тыпаў. Нарэшце, ітэрбій можна дадаць да эрбию такім чынам, што элемент будзе паглынаць выпраменьванне накачкі і перадаваць гэтую энергію эрбию. Тулій - яшчэ адна легіравальных прысадка са свячэннем ў блізкай інфрачырвонай вобласці, якая, такім чынам, з'яўляецца бяспечным для вачэй матэрыялам.

высокая эфектыўнасць

Валаконны лазер ўяўляе сабой квазі-трохузроўневую сістэму. Фатон накачкі ўзбуджае пераход ад асноўнага стану на верхні ўзровень. Лазерны пераход з'яўляецца пераходам з самай ніжняй частцы верхняга ўзроўню ў адно з расшчэпленых асноўных станаў. Гэта вельмі эфектыўна: напрыклад, ітэрбій з 940-нм фатонам накачкі выпраменьвае фатон з даўжынёй хвалі 1030 нм і квантавым дэфектам (стратай энергіі) усяго каля 9%.

У супрацьлегласць гэтаму неадым, напампоўваюць пры 808 нм, губляе каля 24% энергіі. Такім чынам, ітэрбій па сваёй прыродзе валодае больш высокай эфектыўнасцю, хоць і не ўся яна дасягальная з-за страты некаторых фатонаў. Yb можа быць напампаваны ў шэрагу палос частот, а эрбій - даўжынёй хвалі 1480 або 980 нм. Больш высокая частата не так эфектыўная, з пункту гледжання дэфекту фатонаў, але карысная нават у гэтым выпадку, таму што пры 980 нм даступныя лепшыя крыніцы.

У цэлым эфектыўнасць валаконнага лазера з'яўляецца вынікам двухступенчатай працэсу. Па-першае, гэта ККД дыёда накачкі. Паўправадніковыя крыніцы кагерэнтнага выпраменьвання вельмі эфектыўныя, з 50% ККД пераўтварэння электрычнага сігналу ў аптычны. Вынікі лабараторных даследаванняў сведчаць аб тым, што можна дасягнуць значэння ў 70% і больш. Пры дакладным адпаведнасці выхаднога выпраменьвання лініі паглынання валаконнага лазера і дасягаецца высокі ККД накачкі.

Па-другое, гэта оптыка-аптычная эфектыўнасць пераўтварэння. Пры невялікім дэфекце фатонаў можна дасягнуць высокай ступені ўзрушанасці і эфектыўнасці экстракцыі з оптыка-аптычнай эфектыўнасцю пераўтварэнні ў 60-70%. Выніковы ККД знаходзіцца ў дыяпазоне 25-35%.

розныя канфігурацыі

Оптавалакновыя квантавыя генератары бесперапыннага выпраменьвання могуць быць адно-або многомодовому (для папярочных мод). Одномодовому вырабляюць высакаякасны пучок для матэрыялаў, якія працуюць або якія пасылаюць прамень праз атмасферу, а многомодовому прамысловыя валаконны лазеры могуць генераваць вялікую магутнасць. Гэта выкарыстоўваецца для рэзкі і зваркі, і, у прыватнасці, для тэрмаапрацоўкі, дзе асвятляецца вялікі пляц.

Длинноимпульсный валаконны лазер з'яўляецца, па сутнасці, квазинепрерывным прыладай, як правіла, вырабляюць імпульсы миллисекундного тыпу. Звычайна яго працоўны цыкл складае 10%. Гэта прыводзіць да больш высокай пікавай магутнасці, чым у бесперапынным рэжыме (як правіла, у дзесяць разоў больш), што выкарыстоўваецца, напрыклад, для імпульснага свідравання. Частата можа дасягаць 500 Гц, у залежнасці ад працягласці.

Мадуляцыя дыхтоўнасці ў валаконны лазерах дзейнічае таксама, як і ў аб'ёмных. Тыповая працягласць імпульсу знаходзіцца ў дыяпазоне ад нанасекунды да мікрасекунды. Чым даўжэй валакно, тым больш часу патрабуецца для Q-пераключэння выхаднога выпраменьвання, што вядзе да больш працяглага імпульсу.

Ўласцівасці валакна накладваюць некаторыя абмежаванні на мадуляцыю дыхтоўнасці. Нелінейнасць валаконнага лазера больш значная з-за малой плошчы папярочнага перасеку стрыжня, так што пікавая магутнасць павінна быць некалькі абмежаваная. Можна выкарыстаць альбо аб'ёмныя перамыкачы дыхтоўнасці, якія даюць больш высокую прадукцыйнасць, або валаконны мадулятары, якія падлучаюцца да канцоў актыўнай часткі.

Імпульсы з мадуляцыяй дыхтоўнасці могуць быць ўзмоцнены ў валакне або ў аб'ёмным рэзанатары. Прыклад апошняга можна знайсці ў Нацыянальным комплексе імітацыі ядзерных выпрабаванняў (NIF, Ливермор, Каліфорнія), дзе иттербиевый валаконны лазер з'яўляецца задавалым генератарам для 192 пучкоў. Малыя імпульсы ў вялікіх плітах з легаванай шкла узмацняюцца да мегаджоулей.

У валаконны лазераў з сінхранізацыяй частата паўтарэння залежыць ад даўжыні ўзмацняе матэрыялу, як і ў іншых схемах сінхранізацыі мод, а працягласць імпульсу залежыць ад прапускной здольнасці ўзмацнення. Самыя кароткія знаходзяцца ў межах 50 ФС, а найбольш тыповыя - у дыяпазоне 100 ФС.

Паміж эрбиевыми і иттербиевыми валокнамі існуе важнае адрозненне, у выніку чаго яны працуюць у розных рэжымах дысперсіі. Легаваныя эрбием валакна выпраменьваюць пры 1550 нм ў галіне анамальнай дысперсіі. Гэта дазваляе вырабляць салітонаў. Иттербиевые валакна знаходзяцца ў вобласці станоўчай ці нармальнай дысперсіі; у выніку яны спараджаюць імпульсы з выяўленай лінейнай частатой мадуляцыі. У выніку для сціску даўжыні імпульсу можа спатрэбіцца брэгговская краты.

Ёсць некалькі спосабаў змены валаконна-лазерных імпульсаў, у прыватнасці, для звышхуткасныя пикосекундных даследаванняў. Фатон-крышталічныя валакна могуць быць выраблены з вельмі малымі ядрамі для атрымання моцных нелінейных эфектаў, напрыклад, для генерацыі суперконтинуума. У супрацьлегласць гэтаму фатонныя крышталі таксама могуць быць выраблены з вельмі вялікімі одномодовому стрыжнямі для пазбягання нелінейных эфектаў пры вялікіх магутнасцях.

Гнуткія фатоны-крышталічныя валакна з вялікім стрыжнем ствараюцца для ужыванняў, якія патрабуюць высокай магутнасці. Адным з прыёмаў складаецца ў наўмысным выгіне такога валакна для ліквідацыі любых непажаданых мод вышэйшага парадку з захаваннем толькі асноўны папярочнай моды. Нелінейнасць стварае гармонікі; з дапамогай аднімання й складаньня частот можна ствараць больш кароткія і больш доўгія хвалі. Нелінейныя эфекты могуць таксама вырабляць сціск імпульсаў, што прыводзіць да з'яўлення частотных грабянцоў.

У якасці крыніцы суперконтинуума вельмі кароткія імпульсы вырабляюць шырокі бесперапынны спектр з дапамогай фазавай самомодуляции. Напрыклад, з пачатковых 6 пс імпульсаў пры 1050 нм, якія стварае иттербиевый валаконны лазер, атрымліваецца спектр ў дыяпазоне ад ультрафіялету да больш за 1600 нм. Іншы ВК-крыніца суперконтинуума напампоўваецца эрбиевым крыніцай на даўжыні хвалі 1550 нм.

вялікая магутнасць

Прамысловасць ў цяперашні час з'яўляецца найбуйнейшым спажыўцом валаконны лазераў. Вялікім попытам цяпер карыстаецца магутнасць парадку кілавата, якая ўжываецца ў аўтамабілебудаванні. Аўтамабільная прамысловасць рухаецца да выпуску аўтамабіляў з высокатрывалай сталі, каб яны адказвалі патрабаванням даўгавечнасці і былі адносна лёгкімі для большай эканоміі паліва. Звычайным станкам вельмі цяжка, напрыклад, прабіваць адтуліны ў гэтым выглядзе сталі, а крыніцы кагерэнтнага выпраменьвання робяць гэта лёгка.

Рэзка металаў валаконным лазерам, у параўнанні з квантавымі генератарамі іншых тыпаў, валодае побач пераваг. Напрыклад, блізкае інфрачырвоны дыяпазон хваляў добра паглынаецца металамі. Прамень можа быць дастаўлены па валакне, што дазваляе робату лёгка перамяшчаць фокус пры рэзанні і свідраванні.

Оптавалакно задавальняе самым высокім патрабаванням да магутнасці. Зброю ВМФ ЗША, выпрабаваны ў 2014 г., складаецца з 6-валаконны 5,5-кВт лазераў, аб'яднаных у адзін пучок і выпраменьваючых праз фармавалую аптычную сістэму. 33 кВт ўстаноўка была выкарыстаная для паразы беспілотнага лятальнага апарата. Хоць прамень не з'яўляецца одномодовому, сістэма ўяўляе цікавасць, так як дазваляе стварыць валаконны лазер сваімі рукамі з стандартных, лёгкадаступных кампанентаў.

Самая высокая магутнасць одномодового крыніцы кагерэнтнага выпраменьвання кампаніі IPG Photonics складае 10 кВт. Задавалы генератар вырабляе кілават аптычнай магутнасці, якая падаецца ў каскад узмацняльніка з накачкі пры 1018 нм са святлом ад іншых валаконны лазераў. Уся сістэма мае памер двух халадзільнікаў.

Прымяненне валаконны лазераў распаўсюдзілася таксама на высокомощную рэзанне і зварку. Напрыклад, яны замянілі кантактную сварку ліставай сталі, вырашаючы праблему дэфармацыі матэрыялу. Кіраванне магутнасцю і іншымі параметрамі дазваляе вельмі дакладна рэзаць крывыя, асабліва куты.

Самы магутны многомодовому валаконны лазер - ўстаноўка для рэзкі металаў таго ж вытворцы - дасягае 100 кВт. Сістэма заснаваная на камбінацыі некогерентного пучка, так што гэта не прамень звышвысокага якасці. Такая ўстойлівасць робіць валаконны лазеры прывабнымі для прамысловасці.

бурэнне бетону

Многомодовому валаконны лазер магутнасцю 4 кВт можа выкарыстоўвацца для рэзкі і бурэння бетону. Навошта гэта трэба? Калі інжынеры спрабуюць дасягнуць сейсматрываласці існуючых будынкаў, трэба быць вельмі асцярожным з бетонам. Пры ўсталёўцы ў ім, напрыклад, сталёвы арматуры звычайнае ўдарнае бурэнне можа прывесці да з'яўлення расколін і аслабіць бетон, але валаконны лазеры рэжуць яго без драбнення.

Квантавыя генератары з мадуляванай дыхтоўнасцю валакна выкарыстоўваюцца, напрыклад, для маркіроўкі або пры вытворчасці паўправадніковай электронікі. Таксама яны выкарыстоўваюцца ў далямер: модулі памерам з руку ўтрымліваюць бяспечныя для вачэй валаконны лазеры, магутнасць якіх складае 4 кВт, частата 50 кГц і працягласць імпульсу 5-15 НС.

апрацоўка паверхняў

Існуе вялікую цікавасць у невялікіх валаконны лазерах для мікра- і нанообработки. Пры зняцці павярхоўнага пласта, калі працягласць імпульсу карацей 35 пс, адсутнічае распырскванне матэрыялу. Гэта выключае адукацыю паглыбленняў і іншых непажаданых артэфактаў. Імпульсы ў фемтосекундном рэжыме вырабляюць нелінейныя эфекты, якія не адчувальныя да даўжыні хвалі і ня награваюць навакольную прастору, што дазваляе працаваць без істотнага пашкоджанні або паслаблення навакольных участкаў. Акрамя таго, адтуліны могуць быць разрэзаныя з вялікім стаўленнем глыбіні да шырыні - напрыклад, хутка (на працягу некалькіх мілісекунд) прарабіць невялікія адтуліны ў 1-мм нержавеючай сталі з дапамогай 800-ФС імпульсаў з частатой 1 Мгц.

Можна таксама вырабляць павярхоўную апрацоўку празрыстых матэрыялаў, напрыклад, вочы чалавека. Каб выразаць лапік пры мікрахірургіі вока, фемтосекундные імпульсы шчыльна факусуюцца высокоапертурным аб'ектывам ў кропцы ніжэй паверхні вочы, не выклікаючы ніякіх пашкоджанняў на паверхні, але руйнуючы матэрыял вочы на кантраляванай глыбіні. Гладкая паверхня рагавіцы, якая мае важнае значэнне для зроку, застаецца цэлай і цэлай. Лоскут, аддзелены знізу, затым можа быць падцягнуты для павярхоўнага эксимер-лазернага фарміравання лінзы. Іншыя медыцынскія прымянення ўключаюць хірургію неглыбокага пранікнення ў дэрматалогіі, а таксама выкарыстанне ў некаторых відах аптычнай кагерэнтнай тамаграфіі.

Фемтосекундные лазеры

Фемтосекундные квантавыя генератары ў навуцы выкарыстоўваюць для спектраскапіі ўзбуджэння з лазерным прабоем, флуоресцентной спектраскапіі з часовым дазволам, а таксама для агульнага даследавання матэрыялаў. Акрамя таго, яны патрэбныя для вытворчасці фемтосекундных частотных грабянцоў, неабходных у метралогіі і агульных даследаваннях. Адным з рэальных ужыванняў ў кароткатэрміновай перспектыве стануць атамныя гадзіны для спадарожнікаў GPS новага пакалення, што дазволіць павялічыць дакладнасць пазіцыянавання.

Одночастотный валаконны лазер вырабляецца з шырынёй спектральнай лініі менш за 1 кГц. Гэта уражліва невялікае прылада з выхадам выпраменьвання магутнасцю ад 10 мВт да 1 Вт. Знаходзіць прымяненне ў галіне сувязі, метралогіі (напрыклад, у валаконны гіраскопа) і спектраскапіі.

Што далей?

Што да іншых навукова-даследчых ужыванняў, то яшчэ многія з іх вывучаюцца. Напрыклад, ваенная распрацоўка, якую можна ўжываць і ў іншых галінах, якая складаецца ў камбінаванні валаконна-лазерных пучкоў для атрымання аднаго высакаякаснага прамяня з дапамогай кагерэнтнай або спектральнай камбінацыі. У выніку ў одномодовому промні дасягаецца вялікая магутнасць.

Вытворчасць валаконны лазераў хутка расце, асабліва для патрэб аўтамабілебудавання. Таксама адбываецца замена неволоконных прылад валаконнымі. Акрамя агульных паляпшэнняў у кошту і прадукцыйнасці, з'яўляюцца ўсё больш практычныя фемтосекундные квантавыя генератары і крыніцы суперконтинуума. Валаконны лазеры займаюць усё больш ніш і становяцца крыніцай паляпшэння для лазераў іншых тыпаў.

Similar articles

 

 

 

 

Trending Now

 

 

 

 

Newest

Copyright © 2018 be.birmiss.com. Theme powered by WordPress.