Iterbis pluošto lazeris: prietaisas, veikimo principas, maitinimo, gamybos, naudojimo

Skaidulinių lazerių yra kompaktiškas ir patvarus, tiksli ir paprasta sklaida sukeltas šilumos. Jie būna įvairių tipų ir turintys daug daryti su lazerių ir kitų tipų turi savo unikalius privalumus.

Skaidulinių lazerių: operacija

Įrenginiai Šio tipo standartinis variantas kietakūniu šaltinis nuosekliai spindulių pluošto, o strypų skystis, plokštė arba diskas. Generuojamos šviesos legiruojančioji į centrinės dalies pluoštą. Pagrindinė struktūra gali svyruoti nuo paprastų iki labai sudėtinga. Iterbis pluošto Lazeriniai aparatai tokia, kad pluoštas turi didelį paviršiaus ir tūrio santykis, todėl karštis gali būti paskleidžiama gana lengvai.

Skaidulinių lazerių yra pumpuojamas optiškai, dažnai su diodinių lazerių pagalba, tačiau kai kuriais atvejais - tas pats šaltinių. Optika naudojami šių sistemų yra paprastai sudaro optiniai komponentai, kur dauguma arba visi iš jų yra sujungti vienas su kitu. Kai kuriais atvejais, piltinį optika, ir kartais vidaus optinio pluošto sistema yra suderinta su išorės birių optika.

Diodas siurblys šaltinis gali būti diodas masyvo, arba atskirų diodų daugybė, kiekviena iš kurių yra prijungtas prie jungtis optinio pluošto bangolaidžio. Legiruoti pluošto kiekviename gale turi veidrodinį ertmės rezonatorių - praktiškai padaryti pluošto Brego. Pasibaigus birių optika galai turi, jei ne tik išėjimo spindulys patenka kažką kitą nei skaidulų. Šviesos vadovas gali būti susukti taip, kad jei norima lazerio ertmėje gali turėti kelių metrų ilgio.

biciklinį

Struktūra pluoštų, naudojamų skaidulinių lazerių, yra labai svarbus. Dažniausiai yra dviejų branduolių struktūrą geometrija. Undoped išorinis šerdis (kartais vadinama intimos) pumpuojamas surenka šviesą ir nukreipia jį išilgai pluošto. Stimuliuojama spinduliuotė pluošte eina per vidinio branduolio, kuris yra dažnai vienmodėje. Vidinės šerdies yra adityvus iterbio, stimuliuojamais siurblio šviesos. Yra daug formų Netaisyklingos formos išorinio šerdies įskaitant - šešiakampės D-formos ir stačiakampio formos, mažinantys praleidžia tikimybę šviesos srauto centrinę dalį.

Pluošto lazeris gali turėti galiniam arba šoniniam siurblinės. Pirmuoju atveju šviesa iš vieno ar kelių šaltinių patenka pluošto galą. Kai šoninis siurbimo šviesos tiekiamas į skirstytuvo, kuri maitina jį į išorinį šerdies. Tai skiriasi nuo lazerio strypo kur šviesa statmena patenka į ašį.

Dėl tokio sprendimo, būtina iš struktūrinių pokyčių daug. Didelis dėmesys yra skiriamas apibendrinti siurblio šviesą į šerdį gaminti gyventojų inversija, todėl priverstinę spinduliuotę į vidinio branduolio. lazerio branduolys gali turėti įvairaus amplifikaciją pluošto, priklausomai nuo legiravimo, taip pat kaip ir dėl jo ilgio. Šie veiksniai yra nustatyti kaip dizaino inžinierius reikiamus parametrus.

dirbant per vieną-mode pluošto gali atsirasti galios riba, ypač. Toks šerdies labai mažą skerspjūvio plotas, ir kaip rezultatas pereinančią į ją šviesą labai didelio intensyvumo. Kai tai tampa ryškesnis netiesinę Brillouin sklaida, kuri apriboja galia kelių tūkstančių vatų. Jei produkcija yra pakankamai didelis, ty pluoštas pabaigos gali būti sugadintas.

Ypač skaidulinių lazerių

Iš pluošto naudojimas kaip darbo skysčio suteikia didesnį sąveikos ilgis, kuris veikia gerai, kai diodo siurblinės. Šis geometrija rezultatai yra didelės konversijos efektyvumas fotonų, taip pat kaip patikimas ir kompaktiškas statybos, kurioje nėra diskretiniai optika, reikalaujama koregavimą arba išlygiuoti.

Skaidulų lazeris, kuris aparatūra tai leidžia gerai prisitaikyti, gali būti pritaikytas suvirinimo storio metalo lakštų ir gaminti femtosekundine impulsus. Skaidulinės optikos stiprintuvai teikti vieno pass pelnas ir yra naudojami telekomunikacijų, nes jie gali sustiprinti daug bangos tuo pačiu metu. Tas pats pelnas yra naudojamas galios stiprintuvai su pagrindinio generatoriaus. Kai kuriais atvejais, stiprintuvas gali būti valdomas su nuolatinio bangų lazeriu.

Kitas pavyzdys yra spontaninis spinduliavimas iš pluošto armatūros, kuriame skatino emisija yra slopinama šaltinis. Dar vienas pavyzdys yra Ramano pluošto lazerio kartu su padidėjusia dispersijos, iš esmės šlyties bangos ilgiui. Ji nustatė, taikymas tyrimuose, kai gamybos ir amplifikacijos derinys naudojant fluorido stiklo, o ne standartiniai kvarco pluoštus.

Tačiau, paprastai, pluoštų, pagamintų iš kvarcinio stiklo su retųjų žemių legiravimo agentu šerdies. Pagrindiniai ingredientai yra iterbis ir erbis. Iterbis turi bangos nuo 1030 iki 1080 nm, ir gali spinduliuoti plačiame diapazone. Iš 940-nm diodas siurblio naudojimas žymiai sumažina fotonų deficitą. Iterbis neturi nei savarankiškai grūdinant poveikio, kuris yra ne neodimio esant aukštai tankių, todėl pastarasis yra naudojamas birių lazerių ir iterbio - skaidulų (jie abu teikti maždaug tuo pačiu bangos ilgio).

Erbis skleidžia į diapazonas 1530-1620 nm, saugus akims. Dažnumą galima dvigubai generuoti šviesą 780 nm, kuri nėra kitų tipų skaidulinių lazerių. Galiausiai, iterbis gali būti įtraukta į Erbowy kad elementas sugers siurblio spinduliuotės bei persiųsti šį energijos Erbowy. Tulio - dar legiruojančioji į artimiausioje infraraudonųjų regione emisijos, kuri taip būtų saugus akių nuotraukų.

didelio efektyvumo

Pluošto lazeris yra kvazi-trijų lygių sistema. siurblys fotonų sužadinti perėjimą nuo pagrindinės būsenos į viršutinio sluoksnio. Lazerio perėjimas yra nuo žemiausio dalies viršutinio lygio viename iš narių išsišakojančių žemės. Tai labai efektyvi: pavyzdžiui, iterbiu 940 nm, fotonų siurblys skleidžia fotoną su bangos 1030 nm, o kvantinę defektas (energijos nuostoliai), tik apie 9%.

Priešingai, neodimio, pumpuojamas 808 nm, prarado apie 24% energijos. Taigi, iterbis prigimties turi aukštą efektyvumą, nors ir ne visos jos yra pasiekiami dėl to, kad kai kurie iš fotonų praradimo. Ryb gali būti pumpuojamas į dažnių juostos, ir erbio skaičius - bangos ilgis yra 1480 arba 980 nm bangos ilgiui. Kuo didesnis dažnis yra toks pat veiksmingas kalbant apie defektas fotonų, bet naudinga, net ir šiuo atveju, nes ne 980 nm, geriausi šaltiniai prieinami.

Bendras efektyvumas pluošto lazeris yra dviejų etapų proceso rezultatas. Pirma, tai yra siurblio diodo efektyvumas. Puslaidininkių šaltiniai koherentinės radiacijos yra labai efektyvus, su 50% efektyvumas konvertuoti elektros signalą į optinis. Laboratorinių tyrimų rezultatai rodo, kad tai yra įmanoma pasiekti vertę 70% ar daugiau. Su Tiksli atitiktis išėjimo spinduliuotės sugerties linija pluošto lazeris yra pasiekiamas ir aukštos siurbimo efektyvumas.

Antra, tai optinis-optinis konversijos efektyvumas. Kai mažas defektas fotonų gali pasiekti aukštą sužadinimo ir ekstrahavimo efektyvumą optinis-optinio konversijos efektyvumas 60-70%. Gautas efektyvumas yra intervale 25-35%.

įvairių konfigūracijų

Pluošto kvantinės tęstinis bangų generatoriai gali būti viengubos arba daugiamodžius (skersinės režimai). Vienmodės gaminti aukštos kokybės traversa medžiagų, darbo ar siunčiant spindulį per atmosferą, ir multi-pramoninis pluošto lazeriai gali generuoti daugiau energijos. Jis naudojamas pjovimo ir suvirinimo, o ypač, terminio apdorojimo, kur didelis plotas yra apšviestas.

Ilgai pluošto lazeris yra iš esmės beveik ištisinis aparatai paprastai milisekundės impulsai sukuriantį tipą. Paprastai tai yra ciklas yra 10%. Tai veda į aukštesnį didžiausioji galia nei nenutrūkstamu režimu (paprastai dešimt kartų), kuri yra naudojama, pavyzdžiui, pulsuojančios gręžimo. Dažnumas gali būti 500 Hz, priklausomai trukmę.

Q-perjungimas skaidulinių lazerių taip pat veikia kaip dideliais kiekiais. Tipinė impulso trukmė yra nuo nanoseconds į mikrosekundžių diapazone. Tuo ilgiau pluoštas, tuo ilgiau užtrunka Q-perjungimo išvesties spinduliuotės, todėl ilgesnį impulso.

Pluošto savybės yra tam tikri apribojimai dėl Q moduliavimą. Iš pluošto lazeris netiesiškumas yra didesnis dėl mažo skerspjūvio ploto šerdies, todėl, kad didžiausioji galia turėtų būti šiek tiek ribotas. Galima naudoti arba Q apimties jungikliai, kurios suteikia didesnį našumą, arba optiniai moduliatoriai, kurie yra prijungti prie aktyviosios dalies galuose.

Q-keitimą impulsai gali būti pagausinama pluošto arba rezonatorių. Kurio pastarasis pavyzdys gali būti randamas Nacionalinės kompleksinės modeliavimo branduolinių bandymų (KIP, Livermore, Kalifornija), kurioje pluošto lazeris yra meistras osciliatorius už 192 sijų. Maži impulsų didelių plokščių stiklo legiruoto papildyta, kad būtų megadžoulos.

Be skaidulinių lazerių su sinchronizacija pasikartojimo dažnis priklauso nuo armatūros medžiaga ilgis, kaip ir kitų rūšių sinchronizavimo grandinėmis ir impulso trukmė priklauso nuo sugebėjimo padidinti pralaidumą. Trumpiausias yra nuo 50 fs, ir labiausiai būdingas diapazone - į 100 fs diapazone.

Tarp iterbis ir erbio pluošto, yra svarbus skirtumas, kuriuo jie veikia skirtingais režimais dispersija. Erbio legiruoti pluošto spinduliuojantis 1550 nm bangos ilgiui, nuo anomalios dispersijos regione. Tai leidžia solitonai. Itterbievye pluoštai yra teigiamas arba įprastinę dispersijos; kaip rezultatas, jie generuoja impulsus su linijiniu dažnio moduliavimo ryškus. Kaip grotos iš Bragg rezultatas gali tekti suspausti impulso ilgį.

Yra keletas būdų, kaip pakeisti pluošto lazerio impulsus, ypač pikosekundine ultrasparčiosios studijas. Fotoniniame pluoštai gali būti pagamintas su labai mažų šerdys stiprių tokių efektų, pavyzdžiui, dėl superkontinuumo kartos. Priešingai, fotoninių kristalų, taip pat gali būti gaminami su labai didele vieno režimo branduolys siekiant išvengti netiesinius efektus aukštoje galių.

Lanksti fotoniniame pluošto su dideliu šerdies sukurtą paraiškų, kurioms reikia didelių galią. Vienas iš būdų yra tyčinis lenkimo pluošto pašalinti nepageidaujamus aukštesnės eilės režimus išlaikant pagrindinę skersinių modų. Nelinijinė sukuria harmoniją; ir atimant lankstymo dažnį, galite sukurti trumpesnius ir ilgesnius bangos. Netiesiniai reiškiniai taip pat gali gaminti impulsų spūda, kuris veda į išvaizdą dažnio šukos.

Superkontinuumas šaltinis labai trumpų impulsų gaminti nenutrūkstamą spektrą per fazių moduliavimą. Pavyzdžiui, nuo pradinių 6 ps impulsų 1050 nm, kuris sukuria iterbis pluošto lazeris spektrą gautą intervale nuo ultravioletinių daugiau nei 1600 nm. Dar vienas IR-pumpuojamas erbio-superkontinuumo šaltinio šaltinis esant 1550 nm bangos ilgiui.

didelės galios

Pramonė yra šiuo metu didžiausia vartotojų skaidulinių lazerių. Didelė paklausa dabar naudojasi apie kilovatais naudojamų automobilių pramonėje tam galios. Automobilių pramonė juda link didelio stiprumo plieno automobilių gamybos patenkinti patvarumo reikalavimus ir yra gana lengva didesnės kuro ekonomijos. Tradiciniai staklės yra labai sunku, pavyzdžiui, Punch skylės šiame plieno rūšį ir nuosekliai spinduliuotės šaltiniais, kad būtų lengva.

Pjovimo metalo pluošto lazeris, palyginti su kitų rūšių kvantinio generatoriaus turi daug privalumų. Pavyzdžiui, beveik infraraudonųjų spindulių dažnių juosta gerai absorbuojamas metalus. Sija gali būti pristatytas per pluošto, kuri leidžia robotui lengvai perkelti fokusą, kai pjovimo ir gręžimo.

Optinio pluošto atitinka aukščiausius reikalavimus dėl valdžios. Ginklų US Navy, išbandytas 2014 m, susideda iš 6-pluošto 5,5-kilovatų lazerių sujungtos į vieną šviesos ir spinduliavimo per formavimo optinės sistemos. 33 kW vienetas buvo naudojamas nugalėti žinutę nepilotuojamų oro transporto priemonę. Nors šviesų nė vieno režimo, sistema yra naudinga, nes ji leidžia sukurti pluošto lazeris su savo rankas iš standartinių, lengvai prieinamų ingredientų.

Aukščiausiojo jėga vieno režimo nuoseklios šviesos šaltiniai į VVG fotonikos yra 10 kW. Kapitonas osciliatorius gamina optinę galią, kuri yra tiekiama stiprintuvu, kuris turi etapą, pumpuojamas 1018 nm su šviesa iš kitų skaidulinių lazerių vatų. Visa sistema turi du šaldytuvus dydį.

Iš skaidulinių lazerių naudojimas, taip pat išplėsta į didelės galios pjovimo ir suvirinimo. Pavyzdžiui, jie pakeitė suvirinimo plieno lakštai sprendžiant deformacijos medžiagos problemą. Galios kontrolė ir kiti parametrai leidžia labai tiksliai pjovimo kreives, ypač kampuose.

Galingiausias multi pluošto lazeris - pjovimo metalus iš to paties gamintojo - iki 100 kW. Sistema yra pagrįsta nenuoseklios sijos kartu, todėl tai nėra itin aukštos kokybės pluoštas. Šis pasipriešinimas daro skaidulinių lazerių patrauklias pramonei.

betono gręžimas

Multi-pluošto lazeris produkcijos 4 kW, gali būti naudojami pjovimo ir betono gręžimui. Kodėl tai padaryti? Kai inžinieriai bando pasiekti seisminį atsparumą esamų pastatų, turi būti labai atsargūs su betonu. Kai įdiegta į jį, pavyzdžiui, plieno armatūros tradicinių mušamųjų gręžimo gali sukelti trūkumų ir susilpninti betoną, bet skaidulinių lazerių supjaustyti jos nesutrinti.

Lazerių, kurių Q-keitimą naudojamo pluošto pavyzdžiui, susijusius su ženklinimu arba puslaidininkinių elektronikos gamybai. Jie taip pat naudojami nuotolio matuoklių: moduliai yra iš rankos dydis yra akių saugus skaidulinių lazerių, kurių produkcija yra 4 kW iš 50 kHz dažnio ir impulso trukmė 5-15 ns.

paviršiaus apdorojimas

Yra didelis susidomėjimas mažuose skaidulinių lazerių mažoms ir nanoprocessing. Nuimant paviršiaus sluoksnį, jei impulso trukmė yra trumpesnis nei 35 PS, ne purškimo medžiaga. Tai apsaugo nuo duobutės ir kitų nepageidaujamų artefaktų išsidėstymą. Į femtosekundine režimo impulsai gaminti netiesinius efektus, kurie nėra jautrūs bangos ir apylinkėse nėra šildomas, leidžianti dirbti be didelės žalos ar silpnėjimo iš aplinkinių vietovių. Be to, skylės gali būti sumažinti su dideliu gylio ir pločio - pavyzdžiui, greitai (per kelias milisekundes) mažų skylučių 1 mm, naudojant nerūdijančio plieno 800-FS impulsus su 1 MHz dažniu.

Taip pat galima gaminti paviršiaus apdorojimo ir skaidrios medžiagos, pavyzdžiui, žmogaus akis. Norėdami sumažinti akių mikrochirurgijos sklendę, femtosekundnis impulsai vysokoaperturnym sandariai fokusavimo objektyvas žemesnėje akies paviršiaus taške nedarant žalos ant paviršiaus, bet sunaikinti medžiagą, jei kontroliuojamas gylis akių. Lygaus paviršiaus ragenos, kuris yra labai svarbus regėjimui išlieka nepakitusi. Atvartas yra atskirtas nuo apačioje, tada gali būti ištrauktas iki paviršiaus eksimerinis lazeris formavimo objektyvą. Kitos medicinos programos apima chirurgija seklių skverbtis dermatologijos, taip pat tam tikrų tipų optinių nuoseklumo tomografijos panaudojimą.

femtosekundnis lazeriai

Femtosekundnis lazeriai mokslo naudojami sužadinti lazerio pasiskirstymas spektroskopija, fluorescencijos spektroskopijos su laiko rezoliuciją, taip pat bendrosios medžiagų tyrimus. Be to, jie reikalingi femtosekundine dažnio šukos privalomas metrologijos ir bendrųjų studijų produkcijos. Vienas iš realių programų per trumpą laiką bus atominis laikrodis GPS palydovų naujos kartos, kuri bus padidinti padėties nustatymo tikslumą.

Vieno dažnio pluošto lazeris yra atliekamas su spektrinės linewidth mažiau nei 1 kHz. Šis įspūdingas prietaisas su nedideliu radiacijos išėjimo galia nuo 10 MW iki 1W. Nustato taikymo ryšių, metrologijos srityje (pvz, į pluošto giroskopose) ir spektroskopija.

Kas toliau?

Kaip ir kitų mokslinių tyrimų programų, ji vis dar yra daug iš jų yra tiriamas. Pavyzdžiui, karinės inžinerijos, kuris gali būti taikomas ir kitose srityse, kurios sudaro derinant pluošto lazerio spinduliai gauti ilgosios šviesos, naudojant nuoseklią ar spektrinių derinys. Kaip rezultatas, daugiau galios pasiekiama vieno režimo spindulį.

Gamybos skaidulinių lazerių sparčiai auga, ypač automobilių pramonės poreikius. Be to, ten yra ne pluoštinių pluošto prietaisų keitimas. Be bendrų patobulinimų sąnaudų ir rezultatų, yra labiau praktinis femtosekundnis lazeriai ir superkontinuumas šaltiniai. Skaidulinių lazerių užima daugiau nišų ir tapti tobulinimo kitų tipų lazerių šaltinis.