İterbiyum fiber lazer: Cihaz, çalışma prensibi, güç üretimi, kullanımı

Elyaf lazerler dağılım kaynaklı ısı kompakt ve dayanıklı, doğru ve kolay. Farklı türde gelir ve bir çok başka tür lazerler ile yapmak zorunda kendilerine özgü avantajları vardır.

Elyaf lazerler: operasyon

Bu tip cihazlar elyaftan tutarlı radyasyon katı hal kaynağı standart değişim yerine çubuk işleme sıvısı, bir levha veya disk bulunmaktadır. elyafın orta kısmında takviye tarafından üretilen ışık. Temel yapısı oldukça basitten karmaşığa arasında olabilir. lif hacim oranı için büyük bir yüzeye sahip, bu nedenle ısı nispeten kolay difüze olabilir, öyle ki İterbiyum fiber lazer aygıtı.

Elyaf lazerler genellikle diyot lazerlerin yardımıyla, optik pompaj, ancak bazı durumlarda vardır - aynı kaynaklardan. Bu sistemlerde kullanılan optik genellikle en veya hepsini birbirine bağlı olan optik bileşenler temsil ettiği. Bazı durumlarda, bir kütle optik ve bazen de iç fiber optik sistemi bir dış dökme optik ile birleştirilir.

Bir diyot pompa, kaynak bağlantısı fiber optik dalga kılavuzu olarak bağlı olan, her biri bir diyot dizisi ya da tek tek diyot bir çok olabilir. her bir ucunda Katkılı fiber ayna boşluğu rezonatörü sahiptir - uygulamada fiber Bragg ızgara yapmak. kütle optik uçları vardır, çıkış ışını sadece lif dışındaki bir şey girerse. Işık kılavuzu istenirse lazer boşluğu birkaç metrelik bir uzunluğa sahip olabilir, böylece bükülmüş olabilir.

iki çekirdekli

fiber lazerler kullanılan yapı lifler, önemlidir. En yaygın bir çift çekirdekli yapısının geometridir. pompalanır (bazen intima olarak da adlandırılır) Katkısız dış çekirdek ışığı toplayan ve fiber boyunca yönlendirmektedir. elyafta üretilir uyarılmış radyasyon genellikle bir tek modlu olmadığı iç kısım, içinden geçer. İç çekirdek pompa ışıkla uyarılmış bir katkı iterbiyum içerir. kaçırır olasılığını merkez çekirdek ışık ışını indirgeme altıgen, D-şekilli ve dikdörtgen, - dahil olmak üzere dairesel olmayan dış çekirdek birçok biçimi bulunmaktadır.

fiber lazer eden bir son veya yan pompa olabilir. bir ya da daha fazla kaynaktan gelen birinci durumda ışığında fiberin uç girer. Yan pompalama hafif dış çekirdek içine besleyen bir ayırıcıya verilir zaman. Bu ışık eksenine dik giren lazer çubuğunun farklıdır.

Bu tür bir karar için yapısal gelişmeler gerektirir. Kayda değer dikkat iç çekirdekte stimüle edilmiş emisyona karşılık gelen, bir popülasyon inversiyon üretmek üzere çekirdek içine pompa ışık özetleyen ödenir. Lazer çekirdeği hem de uzunluğu üzerinde, doping bağlı olarak fiber amplifikasyonu değişen derecelerde olabilir. Bu faktörler gerekli parametreler için bir tasarım mühendisi olarak ayarlanır.

Tek modlu bir fiberin içinde seyreden güç limiti özel olarak ortaya çıkabilir. Bu tür bir çekirdek çok küçük bir enine kesit alanına sahiptir, ve bunun sonucu olarak çok yüksek bir yoğunluk boydan boya ışık geçer. Bu watt birkaç binlerce güç çıkışını sınırlayan daha belirgin doğrusal olmayan Brillouin saçılması, giderek zaman. çıkış yeterince yüksek olduğu takdirde, fiber uç hasar görmüş olabilir.

Özellikle fiber lazerler

çalışma sıvısı olarak lif kullanımı, zaman diyot pompalama işleri daha etkileşim uzunluğu verir. herhangi bir ayrık optik, ayarlama ya da hizalama gerektiren olan bir foton yüksek dönüşüm verimliliği, hem de güvenilir ve kompakt bir yapı, bu geometri ile sonuçlanır.

Cihaz iyi uyum sağlayan bir fiber lazer, kalın metal levha kaynaklama için adapte edilebilir ve femtosaniye darbeleri üretmek. Fiber optik amplifikatör tek-geçişli bir kazanç sağlamak ve aynı anda çok sayıda dalga boylarında amplifiye gibi, telekomünikasyon kullanılır. Aynı kazancı bir ana osilatörle güç amplifikatörleri kullanılır. Bazı durumlarda, amplifikatör sürekli bir dalga lazer ile çalıştırılabilir.

Diğer bir örnek, uyarılmış emisyon bastırıldığı fiber takviyesi, kendiliğinden emisyon bir kaynağıdır. Diğer bir örnek, yüksek bir dispersiyon, esas olarak kesme dalga boyu ile birlikte bir Raman elyaf lazerdir. Bu araştırma, uygulama alanı bulmuştur burada bir florit cam yerine standart silis lifleri kullanan üretim ve amplifikasyon kombinasyon.

Bununla birlikte, genel olarak, elyaf çekirdek nadir toprak katkı maddesi ile, silika camdan yapılmıştır. temel katkı iterbiyum ve erbiyum vardır. Iterbiyum 1030 1080 nm dalga boylarına sahiptir ve geniş bir aralıkta yayabilir. 940 nm diod pompasının kullanımı önemli ölçüde foton açığı azaltır. Iterbiyum yüksek yoğunluklarda neodim altındadır ne kendi kendine su verme etkileri vardır, bu nedenle ikinci yığın lazerler ve iterbiyum kullanılır - elyafta (her ikisi de aynı dalga boyu yaklaşık sağlar).

Erbiyum gözler için güvenli, aralık 1530-1620 nm de yayar. Frekans fiber lazerler diğer türleri için uygun değildir 780 nm'de ışık üretmek için iki katına çıkarılabilir. eleman erbium bu enerjiyi pompa radyasyonu emer ve iletir böylece Nihayet, iterbiyum erbiyum eklenebilir. Thulium - böylece göz resimler için güvenlidir yakın kızılötesi bölgede emisyon, başka katkı maddesi.

yüksek verim

fiber lazer bir yarı-üç seviyeli bir sistemdir. Pompa fotonlar üst tabakanın temel durumdan geçiş harekete geçirir. Lazer geçiş bölünmüş zemin durumlardan birinde üst düzeyde en alt kısmında yer alıyor. Bu çok etkili değildir: örneğin, iterbiyum-940 nm foton pompası 1030 nm dalga boyuna sahip bir foton ve kuantum kusur (enerji kaybı), yaklaşık% 9 yayar.

Bunun aksine, neodimyum, enerjinin yaklaşık% 24 kaybeder mil 808 pompalanır. asla değil kusura foton bazı kaybına ulaşılabilir olsa Dolayısıyla iterbiyum doğal olarak, yüksek bir verimliliğe sahiptir. Yb frekans bantları ve erbiyum bir dizi pompalanabilir - dalga boyu 1480 ya da 980 nm. yüksek frekans iyi kaynaklarına, çünkü 980 nm'de bu durumda bile, hem kusur foton açısından etkili, ancak yararlı değildir.

Fiber lazer genel verimi, iki aşamalı bir işlemin bir sonucudur. İlk olarak, pompa diyotun verimliliktir. tutarlı radyasyon Yarıiletken kaynakları% 50 verimlilik, bir optik olarak bir elektrik sinyali ile dönüştürme, çok etkili bulunmaktadır. laboratuar çalışmalarının sonuçları% 70 veya daha fazla bir değere ulaşmak mümkün olduğunu göstermektedir. tam eşleme çıkış radyasyon soğurma fiber lazer ile elde ve yüksek pompalama verimi edilir.

İkinci olarak, bu optik optik dönüşüm verimliliği. Küçük bir kusur fotonlar uyarma ve yüksek düzeyde% 60-70 optik optik dönüşüm verimliliği ekstraksiyon etkinliğini başarmak zaman. Elde edilen verim aralığı% 25-35 bulunmaktadır.

çeşitli konfigürasyonlar

Elyaf kuantum sürekli dalga üreteçleri tek ya da çok modlu (enine mod) olabilir. Tekli çalışma ya da atmosfer ile bir ışın gönderen malzemeler için yüksek kalitede ışını üretmek ve çok modlu endüstriyel fiber lazerleri daha fazla güç üretebilir. Bu büyük bir alanı aydınlatıldığında, ısıl işlemi için, kesme ve kaynaklama için ve özellikle de kullanılır.

uzun lif, lazer genellikle darbeleri üreten türü milisaniye yarı-sürekli bir aygıttır esas olarak. Genellikle görev çevrimi% 10 olmasıdır. Bu darbeli bir delme için, örneğin, kullanılan sürekli modda (tipik olarak on kat) daha yüksek bir tepe güce neden olur. Frekans süresine bağlı olarak, 500 Hz olabilir.

fiber lazerler Q-değiştirme işlemi de toplu olarak hareket eder. Tipik bir darbe süresi mikrosaniye nanosaniye aralığındadır. daha uzun lif, daha uzun bir uzun bir darbe ile sonuçlanan, çıkış radyasyon S-anahtarlaması için sürer.

Lif özellikleri S modülasyonu üzerindeki bazı sınırlamalar vardır. Tepe güç bir şekilde sınırlı olmalıdır, böylece fiber lazer doğrusal bir yapıya sahip, Makaraya küçük enine kesit alanına sahip daha fazla önemlidir. Bu yüksek performans, ya da aktif kısmının uçlarına bağlanır optik modülatörleri sağlamak S hacim anahtarlar, birini kullanabilirsiniz.

Q-anahtarlı atımları lif veya boşluk rezonatör olarak amplifiye edilebilir. Bu son duruma örnek fiber lazer 192 kirişler için bir ana osilatörü nükleer testleri (NĐF, Livermore, CA) Ulusal Kompleks simülasyon bulunabilir. cam büyük levhalar küçük bakliyat megajoules için güçlendirilmiş katkılı.

Senkronizasyon tekrarlama frekansı ile fiber lazerler olarak senkronizasyon devrelerinin mod ile, takviye edici maddenin uzunluğuna bağlıdır ve darbe süresi verimini artırmak için bağlıdır. 100 fs aralığında - kısa 50 fs ve en tipik aralığı içindedir.

iterbiyum ve erbiyum elyaf arasında, farklı mod dispersiyon içinde yapmaktadır, böylece önemli bir fark yoktur. anormal dispersiyon bir bölgede 1550 nm yayan erbium-doped fiber. Bu solitonlar verir. Itterbievye lifler, pozitif ya da normal bir dispersiyon halinde bulunmaktadır; Bir sonuç olarak, bu belirgin lineer frekans modülasyonlu darbeler üretir. Bragg bir sonucu ızgara olarak, darbe uzunluğu sıkıştırmak için gerekebilir.

pikosaniye ultra çalışmaları için, özellikle de elyaf-lazer impulslarından değiştirmek için çeşitli yollar vardır. Fotonik kristal fiberler, örneğin süper-üretimi için güçlü doğrusal olmayan etkileri için çok küçük çekirdekli imal edilebilir. Bunun aksine, fotonik kristaller de yüksek güçlerde doğrusal olmayan etkileri önlemek için çok büyük tek modlu çekirdek ile imal edilebilir.

Yüksek güç gerektiren uygulamalar için oluşturulan büyük çekirdekli esnek fotonik kristal elyaf. yöntemlerden biri temel bir enine modu korunarak elyaf kasıtlı bükme istenmeyen yüksek sıralı modları kaldırmaktır. doğrusal olmayan harmonik oluşturur; ve katlanması sıklığını çıkarılarak, daha kısa ve daha uzun dalga boylarını oluşturabilir. Doğrusal olmayan etkileri de görülme sıklığı tarakların neden darbe sıkıştırma üretebilir.

çok kısa darbeler halinde süper-kaynak faz modülasyonu yoluyla sürekli bir spektrum oluşturur. Örneğin, ultraviyole 1600'den fazla nm aralığında elde iterbiyum fiber lazer spektrumu oluşturur 1050 nm, başlangıç 6 PS darbeleri. 1550 mm 'lik bir dalga uzunluğunda IR pompalı erbiyum süper-kaynağının diğer bir kaynağı.

Yüksek güç

Sanayi anda fiber lazerler en büyük tüketici olduğunu. yüksek talep şu anda otomotiv endüstrisinde kullanılan kilowatt düzenin gücünü sahiptir. Otomotiv endüstrisi dayanıklılık gereksinimlerini karşılamak için yüksek mukavemetli çelik otomobillerin üretimine doğru hareket ve daha fazla yakıt ekonomisi nispeten kolay olduğunu. Geleneksel makine aletleri, örneğin, çelik bu tür delikler ve tutarlı radyasyon kaynakları kolaylaştırır, çok zordur.

Kuantum jeneratörün diğer tipleri ile karşılaştırıldığında kesme metal fiber lazer, bir dizi avantaja sahiptir. Örneğin, yakın kızıl ötesi dalga bandı da metaller emilir. Kiriş kesme ve delme zaman kolayca odağı taşımak için robot sağlar lif aracılığıyla teslim edilebilir.

Fiber optik güç için en yüksek gereksinimlerini karşılar. 2014 test Silah ABD Deniz Kuvvetleri, bir 6-lif 5.5 kilovat lazerler, bir ışın içinde birleştirildi ve şekillendirme optik sistemi ışınlanmasıdır. 33 kW birimi yenmek için kullanılan insansız hava aracı. ışın tek modlu olmasa da standart, kolaylıkla temin edilebilen bileşenler arasından elleriyle bir elyaf lazer oluşturmak için olanak sağlar, sistem, ilgi konusudur.

IPG Fotonik yüksek güç tek modlu tutarlı ışık kaynakları 10 kW'tır. ana osilatörü diğer fiber lazerler ışığı ile 1018 nm pompalanan sahne yükseltici tedarik edilir optik gücü, bir watt üretir. Tüm sistem iki buzdolabı bir boyutu vardır.

Fiber lazerlerin kullanımı aynı zamanda yüksek güç kesme ve kaynaklama için genişletilir. Örneğin, dirençli bir malzeme deformasyonu sorununun çözelmesi çelik levha kaynak yerini aldı. Güç kontrolü ve diğer parametreler hassas bir kesim eğrileri, özellikle köşeleri sağlar.

En güçlü modlu fiber lazer - 100 kW'a kadar - aynı üreticinin metal kesme. Sistem tutarsız demetinin kombinasyonuna göre, bu yüzden süper yüksek kalitede ışın değil almaktadır. Bu direnç endüstrisi için cazip lif lazerler yapar.

beton delme

4 kW modlu fiber lazer çıkış kesme ve beton delme için kullanılabilir. Neden bunu? mühendisleri, mevcut binaların sismik direncini elde etmek çalışırken, beton ile çok dikkatli olmak. Bu tür çelik takviye konvansiyonel darbeli sondaj olarak, bunu yüklü olduğunda bozulmalara neden ve beton zayıflatır, ancak fiber lazerler bu ezilmeden azaltabilir.

etiketleme ya da yarı iletken elektronik imalatında, örneğin kullanılan bir Q-anahtarlı fiber lazerler. Ayrıca mesafe ölçme kullanılır: modüller bir elin boyutu, çıkış 4 kW, 50 kHz frekans ve 5-15 ns bir pals süresi göz için güvenli lazer elyaf içeren bulunmaktadır.

yüzey işleme

mikro ve nanoprocessing için küçük fiber lazerler büyük bir ilgi vardır. darbe süresi daha kısa 35 PS, bir püskürtme malzemesi ise, yüzey bir tabaka çıkarırken. Bu çukurlar ve diğer istenmeyen eserler oluşumunu önler. femto saniye rejimde darbeleri dalga boyuna karşı hassas değildir ve çevredeki çevreleyen alanlarda önemli bir hasar ya da zayıflatılmadan çalışmasını sağlayan, ısıtılan değil doğrusal olmayan etkileri üretir. Buna ek olarak, delikler genişliğe yüksek derinliği ile de kesilebilir, - örneğin, hızlı bir şekilde 1 MHz'lik bir frekansa sahip bir paslanmaz çelik 800 fs darbeleri kullanılarak 1 mm küçük delikler (birkaç milisaniye içinde).

Yüzey-işlenmiş şeffaf malzemeler, örneğin insan gözü üretmek de mümkündür. Göz mikroşirurjisi bir kanadı kesmek için femtosaniye bakliyat yüzeyde herhangi bir hasara neden olmadan gözün yüzeyinin altında bir noktada sıkıca odak lensini vysokoaperturnym ama kontrollü bir derinliğe malzemeyi yok ederek göz. vizyon için gerekli olan kornea, pürüzsüz yüzeyi bozulmadan kalır. kanat, alt ayrılır, sonra excimer laser mercek oluşturan yüzey kadar çekilebilir. Tıbbi uygulamalar ameliyat sığ dermatolojide penetrasyon, aynı zamanda optik uyumluluk tomografisinde belirli tiplerinin kullanımını içerir.

femtosaniye lazerler

bilim femtosaniye lazerler zamansal çözünürlüğe sahip lazer dökümü spektroskopisi, fluoresans spektroskopisi heyecanlandırmak için kullanılan ve aynı zamanda genel malzemeler araştırma için. Buna ek olarak, metroloji ve genel çalışmalarda gerekli femto frekans tarak üretimi için ihtiyaç vardır. kısa vadede reel uygulamalardan biri, konumlandırma doğruluğunu artırır yeni nesil GPS uyduları, atomik saatler olacaktır.

Tek frekans fiber lazer az 1 kHz'lik bir spektral çizgi genişliği ile gerçekleştirilir. 10 mW dan 1W için küçük radyasyon çıkış gücüne sahip bu etkileyici cihaz. (Elyaf jiroskopları, örneğin,) iletişimi, metroloji alanında uygulama ve spektroskopi bulur.

Sırada ne var?

diğer araştırma uygulamaları için olduğu gibi, yine birçoğu incelenir olduğunu. Örneğin, bir fiber lazer ışınlarını kombine oluşur diğer alanlarda uygulanabilir askeri mühendisliği, tutarlı veya spektral kombinasyonu kullanılarak yüksek ışın elde edildi. Bunun bir sonucu olarak, daha fazla güç tek modlu bir kiriş elde edilmektedir.

fiber lazerler üretimi özellikle otomotiv endüstrisi ihtiyaçları için, hızla büyüyor. Aynı zamanda, elyaflı-olmayan elyaf cihazlarının yerine vardır. maliyet ve performans genel gelişmelere ek olarak, femtosaniye lazerler ve süper-kaynaklar daha pratik vardır. Elyaf lazerler daha niş işgal ve lazerler diğer türleri için iyileştirme kaynağı haline gelir.