Ytterbium fiber laser: device, operating principle, power, production, application

2024 May -akda: Howard Calhoun | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 10:43

Ang mga fiber laser ay compact at masungit, tumpak na tumuturo at madaling mawala ang thermal energy. Dumating ang mga ito sa iba't ibang anyo at, bagama't marami silang pagkakatulad sa iba pang mga uri ng optical quantum generators, ay may sariling natatanging pakinabang.

Fiber laser: kung paano gumagana ang mga ito

Ang mga device na may ganitong uri ay isang variation ng karaniwang solid-state na pinagmumulan ng coherent radiation na may gumaganang medium na gawa sa fiber sa halip na isang rod, plate o disk. Ang liwanag ay nabuo ng isang dopant sa gitna ng hibla. Ang pangunahing istraktura ay maaaring mula sa simple hanggang sa medyo kumplikado. Ang disenyo ng ytterbium fiber laser ay tulad na ang fiber ay may malaking surface to volume ratio, kaya medyo madaling mawala ang init.

Ang mga fiber laser ay optically pumped, kadalasan ay sa pamamagitan ng diode quantum generators, ngunit sa ilang mga kaso sa pamamagitan ng parehong source. Ang mga optika na ginagamit sa mga sistemang ito ay karaniwang mga bahagi ng hibla, na karamihan o lahat ng mga ito ay konektado sa isa't isa. Sa ibang Pagkakataonvolumetric optics ang ginagamit, at kung minsan ang internal fiber optic system ay pinagsama sa external volumetric optics.

Ang pinagmulan ng diode pumping ay maaaring isang diode, isang matrix, o isang mayorya ng mga indibidwal na diode, na ang bawat isa ay konektado sa isang connector sa pamamagitan ng fiber optic light guide. Ang doped fiber ay may cavity resonator mirror sa bawat dulo - sa pagsasagawa, ang Bragg gratings ay ginawa sa fiber. Walang mga bulk optic sa mga dulo, maliban kung ang output beam ay napupunta sa isang bagay maliban sa isang hibla. Maaaring paikutin ang light guide, upang kung naisin, ang laser cavity ay maaaring ilang metro ang haba.

Dual core structure

Ang istraktura ng fiber na ginagamit sa fiber lasers ay mahalaga. Ang pinakakaraniwang geometry ay ang dual core structure. Kinokolekta ng undoped outer core (minsan tinatawag na inner cladding) ang pumped light at idinidirekta ito sa kahabaan ng fiber. Ang stimulated emission na nabuo sa fiber ay dumadaan sa inner core, na kadalasan ay single-mode. Ang panloob na core ay naglalaman ng ytterbium dopant na pinasigla ng pump light beam. Maraming di-circular na hugis ng outer core, kabilang ang hexagonal, D-shaped, at rectangular, na nagpapababa sa posibilidad na mawala ang light beam mula sa central core.

Ang fiber laser ay maaaring end-o side-pumped. Sa unang kaso, ang liwanag mula sa isa o higit pang mga mapagkukunan ay pumapasok sa dulo ng hibla. Sa side pumping, ang ilaw ay pinapakain sa isang splitter, na nagbibigay nito sa panlabas na core. itonaiiba sa rod laser, kung saan pumapasok ang ilaw patayo sa axis.

Ang solusyon na ito ay nangangailangan ng maraming disenyo. Bigyang-pansin ang ibinibigay sa pag-drive ng pump light papunta sa core upang makabuo ng pagbaligtad ng populasyon na humahantong sa stimulated emission sa inner core. Ang laser core ay maaaring magkaroon ng ibang antas ng amplification depende sa doping ng fiber, gayundin sa haba nito. Ang mga salik na ito ay inaayos ng design engineer para makuha ang mga kinakailangang parameter.

Maaaring mangyari ang mga limitasyon sa kapangyarihan, lalo na kapag gumagana sa loob ng single mode fiber. Ang nasabing core ay may napakaliit na cross-sectional area, at bilang isang resulta, ang liwanag ng napakataas na intensity ay dumadaan dito. Kasabay nito, ang non-linear Brillouin scattering ay nagiging mas kapansin-pansin, na naglilimita sa output power sa ilang libong watts. Kung sapat na mataas ang output signal, maaaring masira ang dulo ng fiber.

Mga tampok ng fiber lasers

Paggamit ng fiber bilang working medium ay nagbibigay ng mahabang haba ng interaksyon na gumagana nang maayos sa diode pumping. Ang geometry na ito ay nagreresulta sa mataas na kahusayan sa conversion ng photon pati na rin ang isang masungit at compact na disenyo na walang discrete optics upang ayusin o ihanay.

Ang fiber laser, na kung saan ang device ay nagbibigay-daan sa ito upang umangkop nang maayos, ay maaaring iakma kapwa para sa pag-welding ng makapal na mga piraso ng metal at para sa paggawa ng mga femtosecond pulse. Ang mga fiber-optic na amplifier ay nagbibigay ng single-pass amplification at ginagamit sa telekomunikasyon dahil nagagawa nitong palakasin ang maraming wavelength nang sabay-sabay. Ang parehong pakinabang ay ginagamit sa mga power amplifier na may master oscillator. Sa ilang mga kaso, maaaring gumana ang amplifier sa isang CW laser.

Ang isa pang halimbawa ay ang fiber-amplified spontaneous emission sources kung saan pinipigilan ang stimulated emission. Ang isa pang halimbawa ay isang Raman fiber laser na may pinagsamang scattering amplification, na makabuluhang nagbabago sa wavelength. Nakakita ito ng aplikasyon sa siyentipikong pananaliksik, kung saan ginagamit ang mga fluoride glass fiber para sa pagbuo at pagpapalakas ng Raman, sa halip na mga karaniwang quartz fibers.

Gayunpaman, bilang panuntunan, ang mga hibla ay gawa sa quartz glass na may rare earth dopant sa core. Ang mga pangunahing additives ay ytterbium at erbium. Ang Ytterbium ay may mga wavelength mula 1030 hanggang 1080 nm at maaaring mag-radiate sa mas malawak na hanay. Ang paggamit ng 940 nm diode pumping ay makabuluhang binabawasan ang photon deficit. Ang Ytterbium ay walang alinman sa mga self-quenching effect na mayroon ang neodymium sa mataas na densidad, kaya ang neodymium ay ginagamit sa mga bulk laser at ytterbium sa fiber lasers (pareho silang nagbibigay ng halos parehong wavelength).

Erbium ay naglalabas sa hanay na 1530-1620 nm, na ligtas para sa mata. Maaaring doblehin ang dalas upang makabuo ng liwanag sa 780 nm, na hindi magagamit para sa iba pang mga uri ng fiber laser. Sa wakas, ang ytterbium ay maaaring idagdag sa erbium sa paraang masisipsip ng elementopump radiation at ilipat ang enerhiya na ito sa erbium. Ang Thulium ay isa pang near-infrared dopant, na samakatuwid ay isang materyal na ligtas sa mata.

Mataas na kahusayan

Ang fiber laser ay isang quasi-three-level system. Ang pump photon excites ang paglipat mula sa ground state sa itaas na antas. Ang laser transition ay isang paglipat mula sa pinakamababang bahagi ng itaas na antas patungo sa isa sa mga split ground state. Napakahusay nito: halimbawa, ang ytterbium na may 940 nm pump photon ay naglalabas ng photon na may wavelength na 1030 nm at isang quantum defect (pagkawala ng enerhiya) na halos 9%.

Sa kabaligtaran, ang neodymium na nabomba sa 808nm ay nawawalan ng humigit-kumulang 24% ng enerhiya nito. Kaya, ang ytterbium ay likas na may mas mataas na kahusayan, bagaman hindi lahat ng ito ay makakamit dahil sa pagkawala ng ilang mga photon. Ang Yb ay maaaring pumped sa isang bilang ng mga frequency band, habang ang erbium ay maaaring pumped sa 1480 o 980 nm. Ang mas mataas na frequency ay hindi kasing episyente sa mga tuntunin ng depekto ng photon, ngunit kapaki-pakinabang kahit na sa kasong ito dahil available ang mas mahuhusay na source sa 980nm.

Sa pangkalahatan, ang kahusayan ng fiber laser ay resulta ng dalawang hakbang na proseso. Una, ito ang kahusayan ng pump diode. Ang mga mapagkukunan ng semiconductor ng magkakaugnay na radiation ay napakahusay, na may 50% na kahusayan sa pag-convert ng isang de-koryenteng signal sa isang optical. Ang mga resulta ng mga pag-aaral sa laboratoryo ay nagpapahiwatig na posible na makamit ang isang halaga ng 70% o higit pa. Sa isang eksaktong tugma ng linya ng output radiationfiber laser absorption at mataas na pump efficiency.

Pangalawa ay ang optical-optical conversion na kahusayan. Sa isang maliit na depekto sa photon, ang isang mataas na antas ng paggulo at kahusayan sa pagkuha ay maaaring makamit sa isang opto-optical na kahusayan ng conversion na 60-70%. Ang resultang kahusayan ay nasa hanay na 25–35%.

Iba't ibang configuration

Fiber-optic quantum generators ng tuluy-tuloy na radiation ay maaaring single-o multi-mode (para sa mga transverse mode). Ang single-mode lasers ay gumagawa ng mataas na kalidad na beam para sa mga materyales na nagpapatakbo o kumikinang sa kapaligiran, habang ang multi-mode na pang-industriyang fiber laser ay maaaring makabuo ng mataas na kapangyarihan. Ito ay ginagamit para sa pagputol at pagwelding, at lalo na para sa heat treatment kung saan ang isang malaking lugar ay iluminado.

Ang long-pulse fiber laser ay mahalagang isang quasi-continuous device, na karaniwang gumagawa ng millisecond-type na mga pulso. Kadalasan, ang duty cycle nito ay 10%. Nagreresulta ito sa isang mas mataas na peak power kaysa sa tuloy-tuloy na mode (karaniwang sampung beses na higit pa) na ginagamit para sa pulse drilling, halimbawa. Maaaring umabot sa 500 Hz ang frequency, depende sa tagal.

Q-switching sa fiber lasers ay gumagana sa parehong paraan tulad ng sa bulk lasers. Ang karaniwang tagal ng pulso ay nasa hanay ng nanoseconds hanggang microseconds. Kung mas mahaba ang fiber, mas matagal bago Q-switch ang output, na nagreresulta sa mas mahabang pulso.

Ang Fiber property ay nagpapataw ng ilang paghihigpit sa Q-switching. Ang non-linearity ng fiber laser ay mas makabuluhan dahil sa maliit na cross-sectional area ng core, kaya ang peak power ay dapat medyo limitado. Maaaring gamitin ang alinman sa volumetric na Q switch, na nagbibigay ng mas mahusay na performance, o mga fiber modulator, na nakakonekta sa mga dulo ng aktibong bahagi.

Ang Q-switched pulse ay maaaring palakihin sa fiber o sa isang cavity resonator. Ang isang halimbawa ng huli ay makikita sa National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), kung saan ang ytterbium fiber laser ang master oscillator para sa 192 beam. Ang maliliit na pulso sa malalaking doped glass slab ay pinapalaki sa megajoules.

Sa mga naka-lock na fiber laser, ang rate ng pag-uulit ay depende sa haba ng gain material, tulad ng sa iba pang mode locking scheme, at ang tagal ng pulso ay depende sa gain bandwidth. Ang pinakamaikli ay nasa hanay na 50 fs at ang pinakakaraniwan ay nasa hanay na 100 fs.

May mahalagang pagkakaiba sa pagitan ng erbium at ytterbium fibers, bilang resulta kung saan gumagana ang mga ito sa iba't ibang dispersion mode. Ang Erbium-doped fibers ay naglalabas sa 1550 nm sa maanomalyang dispersion na rehiyon. Pinapayagan nito ang paggawa ng mga soliton. Ang mga hibla ng Ytterbium ay nasa rehiyon ng positibo o normal na pagpapakalat; bilang isang resulta, sila ay bumubuo ng mga pulso na may binibigkas na linear modulation frequency. Bilang resulta, maaaring kailanganin ang isang Bragg grating upang i-compress ang haba ng pulso.

May ilang paraan para baguhin ang fiber laser pulses, partikular na para sa ultrafast picosecond studies. Ang mga photonic crystal fiber ay maaaring gawin gamit ang napakaliit na mga core upang makagawa ng malakas na non-linear effect, tulad ng supercontinuum generation. Sa kabaligtaran, ang mga photonic crystal ay maaari ding gawin gamit ang napakalaking single-mode core upang maiwasan ang mga non-linear na epekto sa matataas na kapangyarihan.

Ang mga flexible na malalaking core photonic crystal fiber ay idinisenyo para sa mga high power na application. Ang isang pamamaraan ay ang sadyang ibaluktot ang naturang hibla upang maalis ang anumang hindi gustong mas mataas na mga mode ng pagkakasunud-sunod habang pinapanatili lamang ang pangunahing transverse mode. Ang non-linearity ay lumilikha ng mga harmonika; sa pamamagitan ng pagbabawas at pagdaragdag ng mga frequency, maaaring malikha ang mas maikli at mahahabang alon. Ang mga nonlinear effect ay maaari ding mag-compress ng mga pulso, na nagreresulta sa mga frequency comb.

Bilang isang supercontinuum source, ang napakaikling mga pulso ay gumagawa ng malawak na tuloy-tuloy na spectrum gamit ang self-phase modulation. Halimbawa, mula sa paunang 6 ps pulse sa 1050 nm na nilikha ng isang ytterbium fiber laser, ang isang spectrum ay nakuha sa hanay mula sa ultraviolet hanggang sa higit sa 1600 nm. Ang isa pang supercontinuum IR source ay pumped na may erbium source sa 1550 nm.

Mataas na kapangyarihan

Ang industriya ay kasalukuyang pinakamalaking consumer ng fiber lasers. Ang kapangyarihan ay nasa mataas na demand ngayon.tungkol sa isang kilowatt, na ginagamit sa industriya ng automotive. Ang industriya ng automotive ay lumilipat patungo sa mga high-strength na bakal na sasakyan upang matugunan ang mga kinakailangan sa tibay at maging medyo magaan para sa mas mahusay na fuel economy. Napakahirap para sa mga ordinaryong machine tool, halimbawa, na magbutas sa ganitong uri ng bakal, ngunit pinapadali ito ng magkakaugnay na pinagmumulan ng radiation.

Ang pagputol ng mga metal gamit ang fiber laser, kumpara sa iba pang mga uri ng quantum generators, ay may ilang mga pakinabang. Halimbawa, ang mga malapit sa infrared na wavelength ay mahusay na hinihigop ng mga metal. Maaaring maihatid ang beam sa ibabaw ng fiber, na nagbibigay-daan sa robot na madaling ilipat ang focus kapag nag-cut at nag-drill.

Natutugunan ng Fiber ang pinakamataas na kinakailangan sa kuryente. Ang sandata ng US Navy na sinubukan noong 2014 ay binubuo ng 6-fiber 5.5-kW lasers na pinagsama sa isang beam at naglalabas sa pamamagitan ng isang bumubuo ng optical system. Ang 33 kW unit ay ginamit upang sirain ang isang unmanned aerial vehicle. Bagama't hindi single-mode ang beam, kawili-wili ang system dahil pinapayagan ka nitong lumikha ng fiber laser gamit ang iyong sariling mga kamay mula sa mga karaniwang bahagi na madaling magagamit.

Ang pinakamataas na power single-mode coherent light source mula sa IPG Photonics ay 10 kW. Ang master oscillator ay gumagawa ng isang kilowatt ng optical power, na ibinibigay sa amplifier stage na pumped sa 1018 nm na may liwanag mula sa iba pang fiber laser. Ang buong sistema ay kasing laki ng dalawang refrigerator.

Ang paggamit ng fiber lasers ay kumalat din sa high-power cutting at welding. Halimbawa, pinalitan nilapaglaban ng hinang ng sheet na bakal, paglutas ng problema ng pagpapapangit ng materyal. Ang pagkontrol sa kapangyarihan at iba pang mga parameter ay nagbibigay-daan para sa napakatumpak na pagputol ng mga kurba, lalo na sa mga sulok.

Ang pinakamalakas na multi-mode fiber laser - isang metal cutting machine mula sa parehong tagagawa - umabot sa 100 kW. Ang system ay batay sa isang kumbinasyon ng isang incoherent beam, kaya hindi ito isang ultra-high quality beam. Ang tibay na ito ay ginagawang kaakit-akit sa industriya ang mga fiber laser.

Concrete drilling

4KW multi-mode fiber laser ay maaaring gamitin para sa kongkretong pagputol at pagbabarena. Bakit kailangan ito? Kapag sinusubukan ng mga inhinyero na makamit ang paglaban sa lindol sa mga kasalukuyang gusali, kailangang maging maingat sa kongkreto. Kung ang steel reinforcement ay naka-install dito, halimbawa, ang conventional hammer drilling ay maaaring mag-crack at magpahina sa kongkreto, ngunit ang mga fiber laser ay pinuputol ito nang hindi ito dinudurog.

Quantum generators na may Q-switched fiber ay ginagamit, halimbawa, para sa pagmamarka o sa paggawa ng semiconductor electronics. Ginagamit din ang mga ito sa mga rangefinder: ang mga hand-sized na module ay naglalaman ng eye-safe fiber laser na may lakas na 4 kW, isang frequency na 50 kHz at isang pulse width na 5-15 ns.

Paggamot sa ibabaw

Mayroong maraming interes sa maliliit na fiber laser para sa micro- at nanomachining. Kapag inaalis ang layer sa ibabaw, kung ang tagal ng pulso ay mas maikli sa 35 ps, walang spattering ng materyal. Pinipigilan nito ang pagbuo ng mga depresyon atiba pang mga hindi gustong artifact. Ang mga pulso ng femtosecond ay gumagawa ng mga di-linear na epekto na hindi sensitibo sa haba ng daluyong at hindi nagpapainit sa nakapalibot na espasyo, na nagbibigay-daan sa operasyon nang walang makabuluhang pinsala o pagpapahina ng mga nakapaligid na lugar. Bilang karagdagan, ang mga butas ay maaaring putulin sa mataas na depth-to-width ratios, tulad ng mabilis (sa loob ng millisecond) na paggawa ng maliliit na butas sa 1mm na hindi kinakalawang na asero gamit ang 800 fs pulse sa 1 MHz.

Maaari ding gamitin para sa pang-ibabaw na paggamot ng mga transparent na materyales gaya ng mata ng tao. Upang maputol ang isang flap sa ocular microsurgery, ang mga femtosecond pulse ay mahigpit na nakatutok sa pamamagitan ng isang high-aperture na layunin sa isang punto sa ibaba ng ocular surface, nang hindi nagdudulot ng anumang pinsala sa ibabaw, ngunit sinisira ang ocular na materyal sa isang kinokontrol na lalim. Ang makinis na ibabaw ng kornea, na mahalaga para sa paningin, ay nananatiling buo. Ang flap, na nakahiwalay mula sa ibaba, ay maaaring hilahin pataas para sa surface excimer laser lens formation. Kasama sa iba pang mga medikal na aplikasyon ang mababaw na pagtitistis sa pagtagos sa dermatology, at paggamit sa ilang uri ng optical coherence tomography.

Femtosecond lasers

Femtosecond quantum generators ay ginagamit sa agham para sa excitation spectroscopy na may laser breakdown, time-resolved fluorescence spectroscopy, gayundin para sa pangkalahatang pananaliksik ng mga materyales. Bilang karagdagan, kinakailangan ang mga ito para sa paggawa ng dalas ng femtosecondsuklay na kailangan sa metrology at pangkalahatang pananaliksik. Ang isa sa mga tunay na aplikasyon sa maikling panahon ay ang mga atomic na orasan para sa mga susunod na henerasyong GPS satellite, na magpapahusay sa katumpakan ng pagpoposisyon.

Ang single frequency fiber laser ay ginawa na may spectral linewidth na mas mababa sa 1 kHz. Ito ay isang kahanga-hangang maliit na device na may output power mula 10mW hanggang 1W. Nakahanap ito ng aplikasyon sa larangan ng komunikasyon, metrology (halimbawa, sa fiber gyroscope) at spectroscopy.

Ano ang susunod?

Para sa iba pang R&D application, marami pa ang ginagalugad. Halimbawa, isang pag-unlad ng militar na maaaring ilapat sa ibang mga lugar, na binubuo sa pagsasama-sama ng mga fiber laser beam upang makakuha ng isang mataas na kalidad na sinag gamit ang magkakaugnay o parang multo na kumbinasyon. Bilang resulta, mas maraming power ang nakakamit sa single-mode beam.

Ang produksyon ng mga fiber laser ay mabilis na lumalaki, lalo na para sa mga pangangailangan ng industriya ng automotive. Ang mga non-fiber device ay pinapalitan din ng mga fiber. Bilang karagdagan sa mga pangkalahatang pagpapabuti sa gastos at pagganap, ang mga femtosecond quantum generator at supercontinuum na mapagkukunan ay nagiging mas praktikal. Ang mga fiber laser ay nagiging mas angkop na lugar at nagiging mapagkukunan ng pagpapabuti para sa iba pang mga uri ng laser.