Ytterbiumfiberlaser: enhet, funktionsprincip, kraft, produktion, tillämpning

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Fiberlasrar är kompakta och robusta, pekar exakt och avleder lätt värmeenergi. De finns i en mängd olika former och, även om de har mycket gemensamt med andra typer av optiska kvantgeneratorer, har de sina egna unika fördelar.

Fiberlasrar: hur de fungerar

Enheter av den här typen är en variant av en vanlig solid-state-källa för koherent strålning med ett arbetsmedium tillverkat av fiber snarare än en stav, platta eller skiva. Ljuset genereras av ett dopämne i fiberns mitt. Den grundläggande strukturen kan variera från enkel till ganska komplex. Utformningen av ytterbiumfiberlasern är sådan att fibern har ett stort förhållande mellan yta och volym, så värme kan avledas relativt enkelt.

Fiberlasrar pumpas optiskt, oftast av diodkvantgeneratorer, men i vissa fall av samma källor. Optiken som används i dessa system är vanligtvis fiberkomponenter, med de flesta eller alla anslutna till varandra. I vissa fallvolumetrisk optik används, och ibland kombineras ett internt fiberoptiskt system med extern volumetrisk optik.

Källan för diodpumpning kan vara en diod, en matris eller ett flertal individuella dioder, som var och en är ansluten till en kontakt med en fiberoptisk ljusledare. Den dopade fibern har en kavitetsresonatorspegel i varje ände - i praktiken görs Bragg-galler i fibern. Det finns ingen bulkoptik i ändarna, såvida inte den utgående strålen går in i något annat än en fiber. Ljusledaren kan vridas, så att laserkaviteten om så önskas kan vara flera meter lång.

Struktur med dubbla kärnor

Strukturen av fibern som används i fiberlasrar är viktig. Den vanligaste geometrin är den dubbla kärnstrukturen. Den odopade yttre kärnan (kallas ibland den inre beklädnaden) samlar upp det pumpade ljuset och riktar det längs fibern. Den stimulerade emissionen som genereras i fibern passerar genom den inre kärnan, som ofta är single-mode. Den inre kärnan innehåller ett ytterbiumdopmedel som stimuleras av pumpens ljusstråle. Det finns många icke-cirkulära former av den yttre kärnan, inklusive hexagonala, D-formade och rektangulära, vilket minskar risken för att ljusstrålen saknas från den centrala kärnan.

Fiberlasern kan änd- eller sidopumpas. I det första fallet kommer ljus från en eller flera källor in i änden av fibern. Vid sidopumpning matas ljus in i en splitter, som förser det till den yttre kärnan. Detskiljer sig från stavlasern, där ljuset kommer in vinkelrätt mot axeln.

Denna lösning kräver mycket designutveckling. Stor uppmärksamhet ägnas åt att driva in pumpljus i kärnan för att producera en populationsinversion som leder till stimulerad emission i den inre kärnan. Laserkärnan kan ha olika grad av förstärkning beroende på fiberns dopning, såväl som på dess längd. Dessa faktorer justeras av konstruktören för att erhålla de nödvändiga parametrarna.

Strömbegränsningar kan förekomma, särskilt när man arbetar inom enkellägesfiber. En sådan kärna har en mycket liten tvärsnittsarea, och som ett resultat passerar ljus av mycket hög intensitet genom den. Samtidigt blir icke-linjär Brillouin-spridning mer och mer märkbar, vilket begränsar uteffekten till flera tusen watt. Om utsignalen är tillräckligt hög kan änden av fibern skadas.

Funktioner hos fiberlasrar

Att använda fiber som arbetsmedium ger en lång interaktionslängd som fungerar bra med diodpumpning. Denna geometri resulterar i hög fotonkonverteringseffektivitet samt en robust och kompakt design utan diskret optik att justera eller justera.

Fiberlasern, vars anordning gör att den anpassar sig väl, kan anpassas både för svetsning av tjocka metallplåtar och för att producera femtosekundpulser. Fiberoptiska förstärkare ger enkelpasssförstärkning och används inom telekommunikation eftersom de kan förstärka många våglängder samtidigt. Samma förstärkning används i effektförstärkare med en masteroscillator. I vissa fall kan förstärkaren fungera med en CW-laser.

Ett annat exempel är fiberförstärkta spontana emissionskällor där stimulerad emission dämpas. Ett annat exempel är en Raman-fiberlaser med kombinerad spridningsförstärkning, som väsentligt förskjuter våglängden. Det har funnit tillämpning inom vetenskaplig forskning, där fluoridglasfibrer används för Ramangenerering och förstärkning, snarare än standardkvartsfibrer.

Fibrerna är dock som regel gjorda av kvartsglas med en sällsynt jordartsmetall i kärnan. De viktigaste tillsatserna är ytterbium och erbium. Ytterbium har våglängder från 1030 till 1080 nm och kan stråla över ett bredare område. Användningen av 940 nm diodpumpning minskar fotonunderskottet avsevärt. Ytterbium har inte någon av de självsläckande effekter som neodym har vid höga densiteter, så neodym används i bulklasrar och ytterbium i fiberlasrar (de båda ger ungefär samma våglängd).

Erbium avger i intervallet 1530-1620 nm, vilket är säkert för ögonen. Frekvensen kan fördubblas för att generera ljus vid 780 nm, vilket inte är tillgängligt för andra typer av fiberlasrar. Slutligen kan ytterbium tillsättas erbium på ett sådant sätt att elementet absorberarpumpa strålning och överföra denna energi till erbium. Thulium är ett annat nära-infrarött dopmedel, som alltså är ett ögonsäkert material.

Hög effektivitet

Fiberlasern är ett quasi-tre-nivåsystem. Pumpfotonen exciterar övergången från grundtillståndet till den övre nivån. En laserövergång är en övergång från den lägsta delen av den övre nivån till ett av de delade marktillstånden. Detta är mycket effektivt: till exempel avger ytterbium med en 940 nm pumpfoton en foton med en våglängd på 1030 nm och en kvantdefekt (energiförlust) på endast cirka 9%.

Däremot förlorar neodym som pumpas vid 808nm cirka 24 % av sin energi. Således har ytterbium i sig en högre effektivitet, även om inte allt är uppnåeligt på grund av förlusten av vissa fotoner. Yb kan pumpas i ett antal frekvensband, medan erbium kan pumpas vid 1480 eller 980 nm. Högre frekvens är inte lika effektivt när det gäller fotondefekter, men användbart även i det här fallet eftersom bättre källor är tillgängliga vid 980nm.

I allmänhet är effektiviteten hos en fiberlaser resultatet av en tvåstegsprocess. För det första är detta effektiviteten hos pumpdioden. Halvledarkällor för koherent strålning är mycket effektiva, med 50 % effektivitet när det gäller att omvandla en elektrisk signal till en optisk. Resultaten av laboratoriestudier indikerar att det är möjligt att uppnå ett värde på 70 % eller mer. Med en exakt matchning av den utgående strålningslinjenfiberlaserabsorption och hög pumpeffektivitet.

Andra är den optisk-optiska konverteringseffektiviteten. Med en liten fotondefekt kan en hög grad av excitations- och extraktionseffektivitet uppnås med en optooptisk omvandlingseffektivitet på 60–70 %. Den resulterande effektiviteten ligger i intervallet 25–35%.

Olika konfigurationer

Fiberoptiska kvantgeneratorer för kontinuerlig strålning kan vara enkel- eller multimode (för tvärgående lägen). Single-mode lasrar producerar en högkvalitativ stråle för material som arbetar eller strålar genom atmosfären, medan multi-mode industriella fiberlasrar kan generera hög effekt. Detta används för skärning och svetsning, och i synnerhet för värmebehandling där ett stort område är upplyst.

Långpulsfiberlasern är i huvudsak en kvasi-kontinuerlig enhet, som vanligtvis producerar pulser av millisekundstyp. Norm alt är dess arbetscykel 10 %. Detta resulterar i en högre toppeffekt än i kontinuerligt läge (typiskt tio gånger mer) som används för till exempel pulsborrning. Frekvensen kan nå 500 Hz, beroende på längden.

Q-switching i fiberlasrar fungerar på samma sätt som i bulklasrar. Typisk pulslängd ligger i intervallet nanosekunder till mikrosekunder. Ju längre fiber, desto längre tid tar det att Q-växla utgången, vilket resulterar i en längre puls.

Fiberegenskaper lägger vissa begränsningar på Q-switching. Icke-linjäriteten hos en fiberlaser är mer betydande på grund av kärnans lilla tvärsnittsarea, så toppeffekten måste vara något begränsad. Antingen kan volymetriska Q-omkopplare användas, som ger bättre prestanda, eller fibermodulatorer, som är anslutna till ändarna av den aktiva delen.

Q-omkopplade pulser kan förstärkas i fibern eller i en kavitetsresonator. Ett exempel på det senare kan hittas vid National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), där en ytterbiumfiberlaser är huvudoscillatorn för 192 strålar. Små pulser i stora dopade glasskivor förstärks till megajoule.

I låsta fiberlasrar beror upprepningshastigheten på förstärkningsmaterialets längd, som i andra modlåsningsscheman, och pulslängden beror på förstärkningsbandbredden. De kortaste är i intervallet 50 fs och de mest typiska är i intervallet 100 fs.

Det finns en viktig skillnad mellan erbium- och ytterbiumfibrer, som ett resultat av vilka de fungerar i olika spridningslägen. Erbiumdopade fibrer emitterar vid 1550 nm i det anomala dispersionsområdet. Detta möjliggör produktion av solitoner. Ytterbiumfibrer är i området för positiv eller normal dispersion; som ett resultat genererar de pulser med en uttalad linjär modulationsfrekvens. Som ett resultat kan ett Bragg-gitter behövas för att komprimera pulslängden.

Det finns flera sätt att modifiera fiberlaserpulser, särskilt för ultrasnabba pikosekundstudier. Fotoniska kristallfibrer kan tillverkas med mycket små kärnor för att producera starka icke-linjära effekter, såsom superkontinuumgenerering. Däremot kan fotoniska kristaller också göras med mycket stora singelmodskärnor för att undvika icke-linjära effekter vid höga effekter.

Flexibla fotonkristallfibrer med stor kärna är designade för applikationer med hög effekt. En teknik är att avsiktligt böja en sådan fiber för att eliminera eventuella oönskade moder av högre ordning medan endast den grundläggande tvärgående moden bibehålls. Icke-linjäriteten skapar övertoner; genom att subtrahera och lägga till frekvenser kan kortare och längre vågor skapas. Icke-linjära effekter kan också komprimera pulser, vilket resulterar i frekvenskammar.

Som en superkontinuumkälla producerar mycket korta pulser ett brett kontinuerligt spektrum med hjälp av självfasmodulering. Till exempel, från de initiala 6 ps-pulserna vid 1050 nm som en ytterbiumfiberlaser skapar, erhålls ett spektrum i området från ultraviolett till mer än 1600 nm. En annan superkontinuum IR-källa pumpas med en erbiumkälla vid 1550 nm.

Hög effekt

Branschen är för närvarande den största konsumenten av fiberlasrar. Kraft är efterfrågat just nu.cirka en kilowatt, som används inom bilindustrin. Fordonsindustrin går mot höghållfasta stålfordon för att möta hållbarhetskrav och vara relativt lätta för bättre bränsleekonomi. Det är mycket svårt för till exempel vanliga verktygsmaskiner att slå hål i den här typen av stål, men sammanhängande strålningskällor gör det enkelt.

Att skära metaller med fiberlaser, jämfört med andra typer av kvantgeneratorer, har ett antal fördelar. Till exempel absorberas nära infraröda våglängder väl av metaller. Strålen kan levereras över fibern, vilket gör att roboten enkelt kan flytta fokus vid skärning och borrning.

Fiber uppfyller de högsta effektkraven. Ett vapen från den amerikanska flottan som testades 2014 består av 6-fiberlasrar på 5,5 kW kombinerade till en stråle och sänds ut genom ett bildande optiskt system. Enheten på 33 kW användes för att förstöra ett obemannat luftfartyg. Även om strålen inte är singelmode är systemet intressant eftersom det låter dig skapa en fiberlaser med dina egna händer från vanliga, lättillgängliga komponenter.

Den högst effektfulla enkelläges sammanhängande ljuskällan från IPG Photonics är 10 kW. Masteroscillatorn producerar en kilowatt optisk effekt, som matas in i förstärkarsteget som pumpas vid 1018 nm med ljus från andra fiberlasrar. Hela systemet är lika stort som två kylskåp.

Användningen av fiberlasrar har också spridit sig till högeffektsskärning och svetsning. Till exempel bytte de utmotståndssvetsning av stålplåt, löser problemet med materialdeformation. Styrning av kraft och andra parametrar möjliggör mycket exakt skärning av kurvor, speciellt hörn.

Den mest kraftfulla multi-mode fiberlasern - en metallskärmaskin från samma tillverkare - når 100 kW. Systemet är baserat på en kombination av en inkoherent stråle, så det är inte en ultrahögkvalitativ stråle. Denna hållbarhet gör fiberlasrar attraktiva för industrin.

Betongborrning

4KW multi-mode fiberlaser kan användas för betongskärning och borrning. Varför behövs detta? När ingenjörer försöker uppnå jordbävningsmotstånd i befintliga byggnader måste man vara mycket försiktig med betong. Om stålarmering installeras i den, till exempel, kan konventionell hammarborrning spricka och försvaga betongen, men fiberlasrar skär den utan att krossa den.

Kvantgeneratorer med Q-switched fiber används till exempel för märkning eller vid tillverkning av halvledarelektronik. De används också i avståndsmätare: handstora moduler innehåller ögonsäkra fiberlasrar med en effekt på 4 kW, en frekvens på 50 kHz och en pulsbredd på 5-15 ns.

Ytbehandling

Det finns ett stort intresse för småfiberlasrar för mikro- och nanobearbetning. Vid borttagning av ytskiktet, om pulslängden är kortare än 35 ps, förekommer ingen stänk av materialet. Detta förhindrar bildandet av depressioner ochandra oönskade artefakter. Femtosekundpulser producerar icke-linjära effekter som inte är känsliga för våglängd och inte värmer upp det omgivande utrymmet, vilket tillåter drift utan betydande skada eller försvagning av de omgivande områdena. Dessutom kan hål skäras vid höga djup-till-bredd-förhållanden, som att snabbt (inom millisekunder) göra små hål i 1 mm rostfritt stål med 800 fs-pulser vid 1 MHz.

Kan även användas för ytbehandling av transparenta material såsom mänskliga ögon. För att skära en flik vid okulär mikrokirurgi fokuseras femtosekundpulser hårt av ett objektiv med hög bländare vid en punkt under ögonytan, utan att orsaka skada på ytan, utan förstöra ögonmaterialet på ett kontrollerat djup. Den släta ytan på hornhinnan, som är avgörande för synen, förblir intakt. Klaffen, separerad underifrån, kan sedan dras upp för bildning av ytexcimerlaserlins. Andra medicinska tillämpningar inkluderar ytlig penetrationskirurgi inom dermatologi och användning i vissa typer av optisk koherenstomografi.

Femtosekundlasrar

Femtosekund-kvantgeneratorer används inom vetenskapen för excitationsspektroskopi med lasernedbrytning, tidsupplöst fluorescensspektroskopi, såväl som för allmän materialforskning. Dessutom behövs de för produktion av femtosekundfrekvenskammar som behövs inom metrologi och allmän forskning. En av de verkliga tillämpningarna på kort sikt kommer att vara atomklockor för nästa generations GPS-satelliter, vilket kommer att förbättra positioneringsnoggrannheten.

Enfrekvent fiberlaser produceras med en spektral linjebredd på mindre än 1 kHz. Det är en imponerande liten enhet med uteffekt från 10mW till 1W. Den finner tillämpning inom området kommunikation, metrologi (till exempel i fibergyroskop) och spektroskopi.

Vad är härnäst?

När det gäller andra FoU-applikationer undersöks många fler. Till exempel en militär utveckling som kan appliceras på andra områden, som består i att kombinera fiberlaserstrålar för att få en högkvalitativ stråle med hjälp av koherent eller spektral kombination. Som ett resultat uppnås mer effekt i singellägesstrålen.

Produktionen av fiberlasrar växer snabbt, särskilt för fordonsindustrins behov. Fiberfria enheter byts också ut mot fiber. Förutom allmänna förbättringar i kostnad och prestanda, blir femtosekunds kvantgeneratorer och superkontinuumkällor allt mer praktiska. Fiberlasrar blir mer nischade och blir en källa till förbättringar för andra typer av lasrar.