Lazer me fibër Yterbiumi: pajisja, parimi i funksionimit, fuqia, prodhimi, aplikimi

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-17 10:40

Lazerët me fibra janë kompakt dhe të fortë, drejtojnë me saktësi dhe shpërndajnë lehtësisht energjinë termike. Ato vijnë në forma të ndryshme dhe, megjithëse kanë shumë të përbashkëta me llojet e tjera të gjeneratorëve kuantikë optikë, kanë avantazhet e tyre unike.

Lazerët me fibra: si funksionojnë

Pajisjet e këtij lloji janë një variacion i një burimi standard të gjendjes së ngurtë të rrezatimit koherent me një mjedis pune të bërë nga fibra dhe jo një shufër, pllakë ose disk. Drita gjenerohet nga një dopant në qendër të fibrës. Struktura bazë mund të variojë nga e thjeshtë në mjaft komplekse. Dizajni i lazerit me fibër yterbiumi është i tillë që fibra të ketë një raport të madh sipërfaqe-volumi, kështu që nxehtësia mund të shpërndahet relativisht lehtë.

Lazerët me fibra pompohen optikisht, më shpesh nga gjeneratorët kuantikë me diodë, por në disa raste nga të njëjtat burime. Optikat e përdorura në këto sisteme janë zakonisht komponentë fibër, me shumicën ose të gjitha të lidhura me njëra-tjetrën. Në disa rastePërdoret optika vëllimore dhe ndonjëherë një sistem i brendshëm i fibrave optike kombinohet me optikën vëllimore të jashtme.

Burimi i pompimit të diodës mund të jetë një diodë, një matricë ose një mori diodash individuale, secila prej të cilave është e lidhur me një lidhës nga një udhëzues drite me fibër optike. Fibra e dopuar ka një pasqyrë rezonatori të zgavrës në çdo skaj - në praktikë, grilat Bragg bëhen në fibër. Nuk ka optikë të madhe në skajet, përveç nëse rrezja e daljes shkon në diçka tjetër përveç një fije. Udhëzuesi i dritës mund të shtrembërohet, në mënyrë që nëse dëshironi, zgavra e lazerit mund të jetë disa metra e gjatë.

Struktura me dy bërthama

Struktura e fibrës së përdorur në lazerët me fibra është e rëndësishme. Gjeometria më e zakonshme është struktura me dy bërthama. Bërthama e jashtme e papërpunuar (nganjëherë quhet veshja e brendshme) mbledh dritën e pompuar dhe e drejton atë përgjatë fibrës. Emetimi i stimuluar i gjeneruar në fibër kalon përmes bërthamës së brendshme, e cila shpesh është me një modalitet. Bërthama e brendshme përmban një yterbium dopant të stimuluar nga rrezja e dritës së pompës. Ka shumë forma jo rrethore të bërthamës së jashtme, duke përfshirë gjashtëkëndore, në formë D dhe drejtkëndore, të cilat zvogëlojnë mundësinë e mungesës së rrezes së dritës nga bërthama qendrore.

Lazeri me fibra mund të pompohet në fund ose në anë. Në rastin e parë, drita nga një ose më shumë burime hyn në fund të fibrës. Në pompimin anësor, drita futet në një ndarës, i cili e furnizon atë në bërthamën e jashtme. atëndryshon nga lazeri i shufrës, ku drita hyn pingul me boshtin.

Kjo zgjidhje kërkon shumë zhvillim të dizajnit. Vëmendje e konsiderueshme i kushtohet drejtimit të dritës së pompës në bërthamë për të prodhuar një përmbysje të popullsisë që çon në emetim të stimuluar në bërthamën e brendshme. Bërthama lazer mund të ketë një shkallë të ndryshme amplifikimi në varësi të dopingut të fibrës, si dhe në gjatësinë e saj. Këta faktorë rregullohen nga inxhinieri projektues për të marrë parametrat e kërkuar.

Mund të ndodhin kufizime të energjisë, veçanërisht kur punoni brenda fibrës së një modaliteti. Një bërthamë e tillë ka një zonë tërthore shumë të vogël, dhe si rezultat, drita me intensitet shumë të lartë kalon nëpër të. Në të njëjtën kohë, shpërndarja jo-lineare e Brillouin bëhet gjithnjë e më e dukshme, gjë që kufizon fuqinë e daljes në disa mijëra vat. Nëse sinjali i daljes është mjaftueshëm i lartë, fundi i fibrës mund të dëmtohet.

Veçoritë e lazerëve me fibra

Përdorimi i fibrës si mjet pune jep një gjatësi të gjatë ndërveprimi që funksionon mirë me pompimin me diodë. Kjo gjeometri rezulton në efikasitet të lartë të konvertimit të fotoneve, si dhe një dizajn të fortë dhe kompakt pa optikë diskrete për t'u rregulluar ose përafruar.

Lazeri me fibra, pajisja e të cilit e lejon të përshtatet mirë, mund të përshtatet si për saldimin e fletëve të trasha të metalit ashtu edhe për prodhimin e pulseve femtosekonda. Përforcuesit me fibër optike sigurojnë amplifikimin me një kalim dhe përdoren në telekomunikacion sepse janë në gjendje të amplifikojnë shumë gjatësi vale në të njëjtën kohë. I njëjti fitim përdoret në amplifikatorët e fuqisë me një oshilator kryesor. Në disa raste, përforcuesi mund të punojë me një lazer CW.

Një shembull tjetër janë burimet spontane të emetimit të përforcuar me fibra, në të cilat emetimi i stimuluar shtypet. Një shembull tjetër është një lazer me fibër Raman me amplifikimin e kombinuar të shpërndarjes, i cili zhvendos ndjeshëm gjatësinë e valës. Ajo ka gjetur aplikim në kërkimin shkencor, ku fibrat e qelqit me fluor përdoren për gjenerimin dhe amplifikimin Raman, në vend të fibrave standarde të kuarcit.

Megjithatë, si rregull, fijet janë bërë prej qelqi kuarci me një papastërti të rrallë të tokës në bërthamë. Aditivët kryesorë janë yterbiumi dhe erbiumi. Yterbiumi ka gjatësi vale nga 1030 deri në 1080 nm dhe mund të rrezatojë në një gamë më të gjerë. Përdorimi i pompimit të diodës 940 nm redukton ndjeshëm deficitin e fotonit. Yterbiumi nuk ka asnjë nga efektet vetë-shuarëse që ka neodymium në densitet të lartë, kështu që neodymium përdoret në lazer me shumicë dhe yterbium në lazer me fibra (ata të dy ofrojnë afërsisht të njëjtën gjatësi vale).

Erbium emeton në intervalin 1530-1620 nm, i cili është i sigurt për sytë. Frekuenca mund të dyfishohet për të gjeneruar dritë në 780 nm, e cila nuk është e disponueshme për llojet e tjera të lazerëve me fibra. Së fundi, yterbiumi mund t'i shtohet erbiumit në mënyrë të tillë që elementi të absorbohetpomponi rrezatimin dhe transferoni këtë energji në erbium. Thuliumi është një tjetër dopant afër infra të kuqe, i cili është kështu një material i sigurt për sytë.

Efiçencë e lartë

Lazeri me fibra është një sistem pothuajse me tre nivele. Fotoni i pompës eksiton kalimin nga gjendja bazë në nivelin e sipërm. Një tranzicion lazer është një kalim nga pjesa më e ulët e nivelit të sipërm në një nga gjendjet bazë të ndarë. Kjo është shumë efikase: për shembull, yterbiumi me një foton pompë 940 nm lëshon një foton me një gjatësi vale 1030 nm dhe një defekt kuantik (humbje energjie) vetëm rreth 9%.

Në të kundërt, neodymium i pompuar në 808 nm humbet rreth 24% të energjisë së tij. Kështu, yterbiumi në thelb ka një efikasitet më të lartë, megjithëse jo i gjithë është i arritshëm për shkak të humbjes së disa fotoneve. Yb mund të pompohet në një numër brezash frekuence, ndërsa erbium mund të pompohet në 1480 ose 980 nm. Frekuenca më e lartë nuk është aq efikase për sa i përket defektit të fotonit, por e dobishme edhe në këtë rast, sepse burimet më të mira janë të disponueshme në 980 nm.

Në përgjithësi, efikasiteti i një lazeri me fibra është rezultat i një procesi me dy hapa. Së pari, ky është efikasiteti i diodës së pompës. Burimet gjysmëpërçuese të rrezatimit koherent janë shumë efikase, me 50% efikasitet në konvertimin e një sinjali elektrik në një optik. Rezultatet e studimeve laboratorike tregojnë se është e mundur të arrihet një vlerë prej 70% ose më shumë. Me një përputhje të saktë të linjës së rrezatimit dalësthithja e lazerit të fibrave dhe efikasiteti i lartë i pompës.

E dyta është efikasiteti i konvertimit optiko-optik. Me një defekt të vogël fotoni, një shkallë e lartë e efikasitetit të ngacmimit dhe nxjerrjes mund të arrihet me një efikasitet të konvertimit opto-optik prej 60-70%. Efikasiteti që rezulton është në intervalin 25–35%.

Konfigurime të ndryshme

Gjeneratorët kuantikë me fibër optike të rrezatimit të vazhdueshëm mund të jenë me një ose shumë modalitet (për mënyrat tërthore). Lazerët me një modalitet prodhojnë një rreze me cilësi të lartë për materialet që funksionojnë ose transmetojnë nëpër atmosferë, ndërsa lazerët me fibra industriale me shumë mënyra mund të gjenerojnë fuqi të lartë. Kjo përdoret për prerje dhe saldim, dhe veçanërisht për trajtimin termik ku një zonë e madhe është e ndriçuar.

Lazeri me fibër me puls të gjatë është në thelb një pajisje pothuajse e vazhdueshme, që zakonisht prodhon impulse të tipit milisekonda. Në mënyrë tipike, cikli i tij i detyrës është 10%. Kjo rezulton në një fuqi maksimale më të lartë sesa në modalitetin e vazhdueshëm (zakonisht dhjetë herë më shumë) që përdoret për shpime me puls, për shembull. Frekuenca mund të arrijë 500 Hz, në varësi të kohëzgjatjes.

Ndërrimi Q në lazerët me fibra funksionon në të njëjtën mënyrë si në lazerët me shumicë. Kohëzgjatja tipike e pulsit është në intervalin nga nanosekonda në mikrosekonda. Sa më e gjatë të jetë fibra, aq më shumë kohë duhet për të ndërruar daljen me Q-në, duke rezultuar në një puls më të gjatë.

Veçoritë e fibrave vendosin disa kufizime në ndërrimin Q. Jo-lineariteti i një lazeri me fibra është më i rëndësishëm për shkak të zonës së vogël të seksionit kryq të bërthamës, kështu që fuqia e pikut duhet të jetë disi e kufizuar. Mund të përdoren ose çelsat volumetrikë Q, të cilët japin performancë më të mirë, ose modulatorë fibrash, të cilët lidhen me skajet e pjesës aktive.

Pulset me komutim Q mund të përforcohen në fibër ose në një rezonator të zgavrës. Një shembull i kësaj të fundit mund të gjendet në Qendrën Kombëtare të Simulimit të Testit Bërthamor (NIF, Livermore, CA), ku një lazer me fibër yterbiumi është oshilatori kryesor për 192 rreze. Impulset e vogla në pllaka të mëdha qelqi të dopuara përforcohen në megaxhaule.

Në lazerët me fibër të kyçur, shkalla e përsëritjes varet nga gjatësia e materialit të fitimit, si në skemat e tjera të bllokimit të modalitetit, dhe kohëzgjatja e pulsit varet nga gjerësia e brezit të fitimit. Më të shkurtrat janë në intervalin 50 fs dhe më tipiket janë në diapazonin 100 fs.

Ekziston një ndryshim i rëndësishëm midis fibrave të erbiumit dhe iterbiumit, si rezultat i të cilit ato funksionojnë në mënyra të ndryshme dispersioni. Fijet e dopuara me erbium lëshojnë në 1550 nm në rajonin e dispersionit anormal. Kjo lejon prodhimin e solitoneve. Fijet e Yterbiumit janë në rajonin e dispersionit pozitiv ose normal; si rezultat, ato gjenerojnë impulse me një frekuencë të theksuar të modulimit linear. Si rezultat, mund të nevojitet një grilë Bragg për të kompresuar gjatësinë e pulsit.

Ka disa mënyra për të modifikuar impulset me lazer me fibra, veçanërisht për studimet pikosekonda ultra të shpejta. Fijet kristalore fotonike mund të bëhen me bërthama shumë të vogla për të prodhuar efekte të forta jolineare, siç është gjenerimi i superkontinumit. Në të kundërt, kristalet fotonike mund të bëhen edhe me bërthama shumë të mëdha me një modalitet për të shmangur efektet jolineare në fuqi të larta.

Fibrat fleksibël kristal fotonik me bërthamë të madhe janë të dizajnuara për aplikime me fuqi të lartë. Një teknikë është përkulja e qëllimshme e një fije të tillë për të eliminuar çdo modalitet të padëshiruar të rendit më të lartë duke ruajtur vetëm mënyrën themelore tërthore. Jolineariteti krijon harmoni; duke zbritur dhe shtuar frekuenca, mund të krijohen valë më të shkurtra dhe më të gjata. Efektet jolineare gjithashtu mund të kompresojnë pulset, duke rezultuar në krehje të frekuencës.

Si një burim superkontinuumi, pulset shumë të shkurtra prodhojnë një spektër të gjerë të vazhdueshëm duke përdorur modulimin vetëfazor. Për shembull, nga pulset fillestare 6 ps në 1050 nm që krijon një lazer me fibër iterbiumi, merret një spektër në rangun nga ultravjollcë në më shumë se 1600 nm. Një burim tjetër IR superkontinuumi pompohet me një burim erbiumi në 1550 nm.

Fuqi e lartë

Industria është aktualisht konsumatori më i madh i lazerëve me fibra. Energjia është në kërkesë të lartë tani.rreth një kilovat, i përdorur në industrinë e automobilave. Industria e automobilave po shkon drejt automjeteve të çelikut me rezistencë të lartë për të përmbushur kërkesat e qëndrueshmërisë dhe të jetë relativisht e lehtë për ekonomi më të mirë të karburantit. Është shumë e vështirë për makineritë e zakonshme, për shembull, të hapin vrima në këtë lloj çeliku, por burimet koherente të rrezatimit e bëjnë të lehtë.

Prerja e metaleve me lazer me fibra, krahasuar me llojet e tjera të gjeneratorëve kuantikë, ka një sërë përparësish. Për shembull, gjatësitë e valëve afër infra të kuqe absorbohen mirë nga metalet. Rrezja mund të shpërndahet mbi fibër, duke e lejuar robotin të lëvizë lehtësisht fokusin kur pret dhe shpon.

Fibra plotëson kërkesat më të larta të energjisë. Një armë e marinës amerikane e testuar në vitin 2014 përbëhet nga lazer me 6 fibra 5,5 kW të kombinuara në një rreze dhe që lëshojnë përmes një sistemi optik formues. Njësia 33 kW u përdor për të shkatërruar një mjet ajror pa pilot. Megjithëse rrezja nuk është me një modalitet të vetëm, sistemi është interesant sepse ju lejon të krijoni një lazer me fibra me duart tuaja nga komponentë standardë, lehtësisht të disponueshëm.

Burimi koherent i dritës me një modalitet më të lartë të fuqisë nga IPG Photonics është 10 kW. Oscilatori kryesor prodhon një kilovat fuqi optike, e cila futet në fazën e amplifikatorit të pompuar në 1018 nm me dritë nga lazerët e tjerë me fibra. I gjithë sistemi ka madhësinë e dy frigoriferëve.

Përdorimi i lazerëve me fibra është përhapur edhe në prerjen dhe saldimin me fuqi të lartë. Për shembull, ata zëvendësuansaldimi me rezistencë të llamarinës, duke zgjidhur problemin e deformimit të materialit. Kontrolli i fuqisë dhe parametrave të tjerë lejon prerje shumë të saktë të kthesave, veçanërisht qoshet.

Lazeri më i fuqishëm me fibra me shumë mënyra - një makinë prerëse metalike nga i njëjti prodhues - arrin 100 kW. Sistemi bazohet në një kombinim të një rreze jokoherente, kështu që nuk është një rreze me cilësi ultra të lartë. Kjo qëndrueshmëri i bën lazerët me fibra tërheqës për industrinë.

Shpimi i betonit

4KW lazer me fibra me shumë mënyra mund të përdoret për prerjen dhe shpimin e betonit. Pse është e nevojshme kjo? Kur inxhinierët përpiqen të arrijnë rezistencën ndaj tërmeteve në ndërtesat ekzistuese, duhet pasur shumë kujdes me betonin. Nëse në të është instaluar përforcim çeliku, për shembull, shpimi i zakonshëm me çekiç mund të plasaritet dhe dobësojë betonin, por lazerët me fibra e presin atë pa e shtypur.

Gjeneratorët kuantikë me fibër me ndërprerje Q përdoren, për shembull, për shënjimin ose në prodhimin e elektronikës gjysmëpërçuese. Ato përdoren gjithashtu në matës të distancës: modulet me madhësi të dorës përmbajnë lazer me fibra të sigurt për sytë me fuqi 4 kW, frekuencë 50 kHz dhe gjerësi pulsi 5-15 ns.

Trajtim sipërfaqësor

Ka shumë interes për lazerët e vegjël me fibra për mikro- dhe nanomakinimin. Kur hiqni shtresën sipërfaqësore, nëse kohëzgjatja e pulsit është më e shkurtër se 35 ps, nuk ka spërkatje të materialit. Kjo parandalon formimin e depresioneve dheobjekte të tjera të padëshiruara. Impulset femtosekonda prodhojnë efekte jolineare që nuk janë të ndjeshme ndaj gjatësisë valore dhe nuk ngrohin hapësirën përreth, duke lejuar funksionimin pa dëmtime të konsiderueshme ose dobësim të zonave përreth. Për më tepër, vrimat mund të priten në raporte të larta thellësi-gjerësi, si p.sh. duke bërë vrima të vogla në çelik inox 1mm me shpejtësi (brenda milisekondave) duke përdorur impulse 800 fs në 1 MHz.

Mund të përdoret gjithashtu për trajtimin sipërfaqësor të materialeve transparente si sytë e njeriut. Për të prerë një përplasje në mikrokirurgjinë okulare, pulset femtosekonda fokusohen fort nga një objektiv me hapje të lartë në një pikë poshtë sipërfaqes së syrit, pa shkaktuar asnjë dëmtim në sipërfaqe, por duke shkatërruar materialin okular në një thellësi të kontrolluar. Sipërfaqja e lëmuar e kornesë, e cila është thelbësore për shikimin, mbetet e paprekur. Mbulesa, e ndarë nga poshtë, mund të tërhiqet më pas për të formuar lente lazer excimer sipërfaqësore. Aplikime të tjera mjekësore përfshijnë kirurgjinë me penetrim të cekët në dermatologji dhe përdorimin në disa lloje tomografie koherente optike.

Lazer femtosekond

Gjeneratorët kuantikë femtosecond përdoren në shkencë për spektroskopinë e ngacmimit me zbërthim lazer, spektroskopi fluoreshence të zgjidhur në kohë, si dhe për kërkime të përgjithshme materiale. Përveç kësaj, ato janë të nevojshme për prodhimin e frekuencës femtosekondëkrehërat e nevojshëm në metrologji dhe kërkime të përgjithshme. Një nga aplikimet reale në afat të shkurtër do të jenë orët atomike për satelitët GPS të gjeneratës së ardhshme, të cilat do të përmirësojnë saktësinë e pozicionimit.

Lazeri me fibër me frekuencë të vetme prodhohet me gjerësi spektrale më të vogël se 1 kHz. Është një pajisje mbresëlënëse e vogël me fuqi dalëse që varion nga 10mW në 1W. Ai gjen aplikim në fushën e komunikimeve, metrologjisë (për shembull, në xhiroskopët me fibra) dhe spektroskopisë.

Çfarë është më pas?

Sa i përket aplikacioneve të tjera të kërkimit dhe zhvillimit, shumë të tjera janë duke u eksploruar. Për shembull, një zhvillim ushtarak që mund të zbatohet në zona të tjera, i cili konsiston në kombinimin e rrezeve lazer me fibra për të marrë një rreze me cilësi të lartë duke përdorur kombinim koherent ose spektral. Si rezultat, arrihet më shumë fuqi në rrezen me një modalitet.

Prodhimi i lazerëve me fibra po rritet me shpejtësi, veçanërisht për nevojat e industrisë së automobilave. Pajisjet pa fibra po zëvendësohen gjithashtu me ato me fibra. Përveç përmirësimeve të përgjithshme në kosto dhe performancë, gjeneratorët kuantikë femtosecond dhe burimet superkontinuum po bëhen gjithnjë e më praktike. Lazerët me fibra po bëhen më të rëndësishme dhe po bëhen një burim përmirësimi për llojet e tjera të lazerëve.