Ytterbium fiber lazer: cihaz, iş prinsipi, güc, istehsal, tətbiq

2024 Müəllif: Howard Calhoun | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-17 10:18

Fiber lazerlər yığcam və möhkəmdir, dəqiq istiqamətləndirir və istilik enerjisini asanlıqla yayır. Onlar müxtəlif formalarda gəlirlər və digər optik kvant generatorları ilə çoxlu ümumi cəhətlərə malik olsalar da, öz unikal üstünlüklərinə malikdirlər.

Fiber lazerlər: necə işləyirlər

Bu tip cihazlar çubuq, boşqab və ya diskdən daha çox lifdən hazırlanmış iş mühiti ilə koherent şüalanmanın standart bərk hal mənbəyinin variasiyasıdır. İşıq lifin mərkəzindəki bir qatqı maddəsi tərəfindən yaradılır. Əsas struktur sadədən olduqca mürəkkəbə qədər dəyişə bilər. İtterbium fiber lazerinin dizaynı elədir ki, lif böyük səthə-həcmə nisbətinə malikdir, buna görə də istilik nisbətən asanlıqla yayıla bilər.

Fiber lazerlər optik olaraq, əksər hallarda diod kvant generatorları tərəfindən, lakin bəzi hallarda eyni mənbələrdən vurulur. Bu sistemlərdə istifadə olunan optiklər adətən lif komponentləridir, əksəriyyəti və ya hamısı bir-birinə bağlıdır. Bəzi hallardahəcmli optikadan istifadə edilir və bəzən daxili fiber optik sistem xarici həcmli optika ilə birləşdirilir.

Diod nasosunun mənbəyi diod, matris və ya hər biri fiber optik işıq bələdçisi ilə birləşdiriciyə qoşulmuş çoxlu fərdi diodlar ola bilər. Tərkibli lifin hər bir ucunda boşluq rezonator güzgüsü var - praktikada lifdə Bragg ızgaraları hazırlanır. Çıxış şüası lifdən başqa bir şeyə daxil olmadıqda, uclarda heç bir toplu optika yoxdur. İşıq bələdçisi bükülə bilər, belə ki, istəsəniz, lazer boşluğu bir neçə metr uzunluğunda ola bilər.

İki nüvəli struktur

Fiber lazerlərdə istifadə olunan lifin quruluşu vacibdir. Ən çox yayılmış həndəsə iki nüvəli quruluşdur. Doğmamış xarici nüvə (bəzən daxili örtük adlanır) pompalanan işığı toplayır və onu lif boyunca istiqamətləndirir. Lifdə yaranan stimullaşdırılmış emissiya, çox vaxt tək rejimli olan daxili nüvədən keçir. Daxili nüvədə nasosun işıq şüası ilə stimullaşdırılan itterbium əlavəsi var. Xarici nüvənin altıbucaqlı, D-şəkilli və düzbucaqlı da daxil olmaqla çoxlu dairəvi olmayan formaları var ki, bu da mərkəzi nüvədən işıq şüasının itməsi şansını azaldır.

Fiber lazer ucdan və ya yandan vurula bilər. Birinci halda, bir və ya bir neçə mənbədən gələn işıq lifin sonuna daxil olur. Yan pompalamada işıq onu xarici nüvəyə təmin edən splitterə verilir. oişığın oxa perpendikulyar daxil olduğu çubuq lazerindən fərqlənir.

Bu həll çoxlu dizayn inkişafı tələb edir. Daxili nüvədə stimullaşdırılmış emissiyaya səbəb olan populyasiya inversiyasını yaratmaq üçün nüvəyə nasos işığının vurulmasına böyük diqqət yetirilir. Lazer nüvəsi lifin dopinqindən, eləcə də uzunluğundan asılı olaraq fərqli gücləndirmə dərəcəsinə malik ola bilər. Bu amillər tələb olunan parametrləri əldə etmək üçün dizayn mühəndisi tərəfindən tənzimlənir.

Xüsusilə tək rejimli lif daxilində işləyərkən güc məhdudiyyətləri yarana bilər. Belə bir nüvənin çox kiçik bir kəsik sahəsi var və nəticədə ondan çox yüksək intensivliyə malik işıq keçir. Eyni zamanda, qeyri-xətti Brillouin səpilməsi getdikcə daha çox nəzərə çarpır, bu da çıxış gücünü bir neçə min vatt ilə məhdudlaşdırır. Əgər çıxış siqnalı kifayət qədər yüksəkdirsə, lifin ucu zədələnə bilər.

Fiber lazerlərin xüsusiyyətləri

İş mühiti kimi lifdən istifadə diod nasosu ilə yaxşı işləyən uzun qarşılıqlı təsir uzunluğu verir. Bu həndəsə yüksək foton çevirmə səmərəliliyi, eləcə də tənzimləmək və ya düzləndirmək üçün diskret optikləri olmayan möhkəm və yığcam dizaynla nəticələnir.

Cihazı yaxşı uyğunlaşmağa imkan verən fiber lazer həm qalın metal təbəqələrin qaynaqlanması, həm də femtosaniyə impulslarının istehsalı üçün uyğunlaşdırıla bilər. Fiber-optik gücləndiricilər tək keçidli gücləndirmə təmin edir və telekommunikasiyada istifadə olunur, çünki onlar eyni vaxtda bir çox dalğa uzunluğunu gücləndirə bilirlər. Eyni qazanc master osilatoru olan güc gücləndiricilərində istifadə olunur. Bəzi hallarda gücləndirici CW lazeri ilə işləyə bilər.

Başqa bir nümunə, stimullaşdırılmış emissiyanın sıxıldığı liflə gücləndirilmiş spontan emissiya mənbələridir. Başqa bir misal, dalğa uzunluğunu əhəmiyyətli dərəcədə dəyişdirən birləşmiş səpilmə gücləndiricisi olan Raman fiber lazeridir. O, elmi tədqiqatlarda tətbiq tapdı, burada standart kvars lifləri deyil, flüorid şüşə lifləri Raman istehsalı və gücləndirilməsi üçün istifadə olunur.

Lakin, bir qayda olaraq, liflər nüvəsində nadir torpaq əlavəsi olan kvars şüşəsindən hazırlanır. Əsas əlavələr iterbium və erbiumdur. İtterbium 1030-dan 1080 nm-ə qədər dalğa uzunluğuna malikdir və daha geniş diapazonda şüalana bilir. 940 nm diod nasosunun istifadəsi foton çatışmazlığını əhəmiyyətli dərəcədə azaldır. İtterbiumun yüksək sıxlıqlarda neodimiumun özünü söndürmə təsirlərindən heç birinə malik olmadığından, neodimium toplu lazerlərdə və iterbiy lifli lazerlərdə istifadə olunur (hər ikisi təxminən eyni dalğa uzunluğunu təmin edir).

Erbium 1530-1620 nm diapazonunda emissiya edir, bu da gözlər üçün təhlükəsizdir. 780 nm-də işıq yaratmaq üçün tezlik ikiqat artırıla bilər ki, bu da digər növ fiber lazerlər üçün mövcud deyil. Nəhayət, iterbium erbiuma elə əlavə edilə bilər ki, element udulsunradiasiyanı pompalayır və bu enerjini erbiuma köçürür. Tulium başqa bir yaxın infraqırmızı əlavədir və beləliklə, göz üçün təhlükəsiz materialdır.

Yüksək səmərəlilik

Fiber lazer kvazi-üç səviyyəli sistemdir. Nasos fotonu yer vəziyyətindən yuxarı səviyyəyə keçidi həyəcanlandırır. Lazer keçidi yuxarı səviyyənin ən aşağı hissəsindən parçalanmış yer vəziyyətlərindən birinə keçiddir. Bu, çox səmərəlidir: məsələn, 940 nm nasos fotonu olan iterbium 1030 nm dalğa uzunluğuna və yalnız təxminən 9% kvant qüsuruna (enerji itkisi) malik foton yayır.

Bunun əksinə, 808nm-də vurulan neodimium enerjisinin təxminən 24%-ni itirir. Beləliklə, iterbium təbii olaraq daha yüksək effektivliyə malikdir, baxmayaraq ki, bəzi fotonların itirilməsi səbəbindən hamısına nail olmaq mümkün deyil. Yb bir sıra tezlik diapazonlarında, erbium isə 1480 və ya 980 nm-də vurula bilər. Daha yüksək tezlik foton qüsuru baxımından o qədər də səmərəli deyil, lakin bu halda belə faydalıdır, çünki 980nm-də daha yaxşı mənbələr mövcuddur.

Ümumiyyətlə, fiber lazerin effektivliyi iki mərhələli prosesin nəticəsidir. Birincisi, bu nasos diodunun səmərəliliyidir. Koherent şüalanmanın yarımkeçirici mənbələri elektrik siqnalını optikə çevirməkdə 50% səmərəliliklə çox səmərəlidir. Laboratoriya tədqiqatlarının nəticələri göstərir ki, 70% və ya daha çox dəyər əldə etmək mümkündür. Çıxış radiasiya xəttinin dəqiq uyğunluğu iləfiber lazer udma və yüksək nasos səmərəliliyi.

İkinci, optik-optik çevirmə səmərəliliyidir. Kiçik bir foton qüsuru ilə, 60-70% opto-optik çevrilmə səmərəliliyi ilə yüksək dərəcədə həyəcanlanma və ekstraksiya səmərəliliyinə nail olmaq olar. Nəticədə səmərəlilik 25-35% intervalındadır.

Müxtəlif konfiqurasiyalar

Davamlı şüalanmanın fiber-optik kvant generatorları tək və ya çox rejimli ola bilər (eninə rejimlər üçün). Tək rejimli lazerlər atmosferdə işləyən və ya şüalanan materiallar üçün yüksək keyfiyyətli şüa istehsal edir, çox rejimli sənaye lifli lazerlər isə yüksək güc yarada bilir. Bu, kəsmə və qaynaq üçün, xüsusən də geniş ərazinin işıqlandırıldığı istilik müalicəsi üçün istifadə olunur.

Uzun impulslu fiber lazer mahiyyət etibarilə millisaniyə tipli impulslar istehsal edən kvazifasiləsiz cihazdır. Tipik olaraq, onun vəzifə dövrü 10% təşkil edir. Bu, məsələn, nəbzli qazma üçün istifadə olunan davamlı rejimdən (adətən on dəfə çox) daha yüksək pik güclə nəticələnir. Tezlik müddətdən asılı olaraq 500 Hz-ə çata bilər.

Fiber lazerlərdə Q-dəyişmə toplu lazerlərdə olduğu kimi işləyir. Tipik nəbz müddəti nanosaniyələrdən mikrosaniyələrə qədərdir. Lif nə qədər uzun olsa, çıxışı Q-dəyişdirmək bir o qədər çox vaxt tələb edir, nəticədə nəbz daha uzun olur.

Fiber xassələri Q keçidinə bəzi məhdudiyyətlər qoyur. Fiber lazerin qeyri-xəttiliyi nüvənin kiçik kəsik sahəsinə görə daha əhəmiyyətlidir, buna görə də pik gücü bir qədər məhdud olmalıdır. Ya daha yaxşı performans verən həcmli Q açarları, ya da aktiv hissənin uclarına qoşulmuş lif modulyatorları istifadə edilə bilər.

Q keçidli impulslar lifdə və ya boşluq rezonatorunda gücləndirilə bilər. Sonuncu nümunəni Milli Nüvə Sınaqlarının Simulyasiya Mexanizmində (NIF, Livermore, CA) tapmaq olar, burada iterbium lifli lazer 192 şüa üçün əsas osilatordur. Böyük qatqılı şüşə plitələrdə kiçik impulslar meqacoullara qədər gücləndirilir.

Bağlı fiber lazerlərdə təkrarlama sürəti digər rejim kilidləmə sxemlərində olduğu kimi qazanma materialının uzunluğundan, nəbz müddəti isə qazanc bant genişliyindən asılıdır. Ən qısaları 50 fs diapazonunda, ən tipikləri isə 100 fs diapazonundadır.

Erbium və iterbium lifləri arasında mühüm fərq var, bunun nəticəsində onlar müxtəlif dispersiya rejimlərində işləyirlər. Erbium qatqılı liflər anomal dispersiya bölgəsində 1550 nm-də yayılır. Bu, solitonların istehsalına imkan verir. İtterbium lifləri müsbət və ya normal dispersiya bölgəsindədir; nəticədə onlar aydın xətti modulyasiya tezliyi ilə impulslar yaradırlar. Nəticədə, impuls uzunluğunu sıxışdırmaq üçün Bragg ızgarasına ehtiyac ola bilər.

Fiber lazer impulslarını dəyişdirməyin bir neçə yolu var, xüsusən də ultrasürətli pikosaniyə tədqiqatları üçün. Fotonik kristal liflər super davamlı nəsil kimi güclü qeyri-xətti effektlər yaratmaq üçün çox kiçik nüvələrlə hazırlana bilər. Əksinə, fotonik kristallar yüksək güclərdə qeyri-xətti təsirlərdən qaçmaq üçün çox böyük tək rejimli nüvələrlə də hazırlana bilər.

Elastik böyük nüvəli fotonik kristal liflər yüksək güc tətbiqləri üçün nəzərdə tutulub. Texnikalardan biri, yalnız əsas eninə rejimi saxlayaraq, arzuolunmaz yüksək sifariş rejimini aradan qaldırmaq üçün belə bir lifi qəsdən əyməkdir. Qeyri-xətti harmoniklər yaradır; tezlikləri çıxarıb əlavə etməklə daha qısa və uzun dalğalar yarana bilər. Qeyri-xətti effektlər də impulsları sıxışdıra bilər, nəticədə tezlik daraqları yaranır.

Super davamlı mənbə kimi, çox qısa impulslar özfazalı modulyasiyadan istifadə edərək geniş davamlı spektr yaradır. Məsələn, bir iterbium lif lazerinin yaratdığı 1050 nm-də ilkin 6 ps impulslarından ultrabənövşəyidən 1600 nm-dən çox diapazonda bir spektr əldə edilir. Başqa bir supercontinuum IR mənbəyi 1550 nm-də erbium mənbəyi ilə vurulur.

Yüksək güc

Sənaye hazırda fiber lazerlərin ən böyük istehlakçısıdır. Hazırda enerjiyə böyük tələbat var.təxminən bir kilovat, avtomobil sənayesində istifadə olunur. Avtomobil sənayesi davamlılıq tələblərinə cavab vermək və daha yaxşı yanacağa qənaət etmək üçün nisbətən yüngül olmaq üçün yüksək möhkəmlikli polad avtomobillərə doğru irəliləyir. Adi dəzgahlar üçün, məsələn, bu cür poladda deşiklər açmaq çox çətindir, lakin ardıcıl şüalanma mənbələri bunu asanlaşdırır.

Fiber lazerlə metalların kəsilməsi, digər kvant generatorları ilə müqayisədə bir sıra üstünlüklərə malikdir. Məsələn, yaxın infraqırmızı dalğa uzunluqları metallar tərəfindən yaxşı mənimsənilir. Şüa lifin üzərindən ötürülə bilər ki, bu da robotun kəsmə və qazma zamanı diqqəti asanlıqla hərəkət etdirməsinə imkan verir.

Fiber ən yüksək güc tələblərinə cavab verir. 2014-cü ildə sınaqdan keçirilmiş ABŞ Hərbi Dəniz Qüvvələrinin silahı bir şüada birləşdirilmiş və formalaşan optik sistem vasitəsilə yayılan 6 lifli 5,5 kVt lazerlərdən ibarətdir. 33 kVt-lıq qurğu pilotsuz uçuş aparatını məhv etmək üçün istifadə edilib. Şüa tək rejimli olmasa da, sistem maraqlıdır, çünki o, standart, hazır komponentlərdən öz əllərinizlə fiber lazer yaratmağa imkan verir.

IPG Photonics-dən ən yüksək güclü tək rejimli koherent işıq mənbəyi 10 kVt-dır. Usta osilator bir kilovatlıq optik güc istehsal edir ki, bu da digər fiber lazerlərdən gələn işıqla 1018 nm-də vurulan gücləndirici pilləyə verilir. Bütün sistem iki soyuducu ölçüsündədir.

Fiber lazerlərin istifadəsi yüksək güclü kəsmə və qaynaq işlərinə də yayıldı. Məsələn, əvəz etdilərtəbəqə poladın müqavimət qaynağı, materialın deformasiyası probleminin həlli. Gücün və digər parametrlərin idarə edilməsi əyrilərin, xüsusən də künclərin çox dəqiq kəsilməsinə imkan verir.

Ən güclü multi-rejimli fiber lazer - eyni istehsalçının metal kəsmə maşını - 100 kVt-a çatır. Sistem uyğunsuz şüanın birləşməsinə əsaslanır, ona görə də o, ultra yüksək keyfiyyətli şüa deyil. Bu davamlılıq fiber lazerləri sənaye üçün cəlbedici edir.

Beton qazma

4KW çox rejimli fiber lazer beton kəsmə və qazma üçün istifadə edilə bilər. Bu niyə lazımdır? Mühəndislər mövcud binalarda zəlzələyə davamlılıq əldə etməyə çalışarkən, betonla çox diqqətli olmaq lazımdır. Əgər orada polad armatur quraşdırılıbsa, məsələn, adi çəkiclə qazma betonu çatlaya və zəiflədə bilər, lakin fiber lazerlər onu əzmədən kəsir.

Q-switched lifli kvant generatorları, məsələn, markalanma və ya yarımkeçirici elektronikanın istehsalında istifadə olunur. Onlar həmçinin məsafəölçənlərdə istifadə olunur: əl ölçülü modullarda 4 kVt gücündə, 50 kHz tezliyində və 5-15 ns impuls enində göz üçün təhlükəsiz fiber lazerlər var.

Səthi müalicə

Mikro və nanomamal emal üçün kiçik lifli lazerlərə böyük maraq var. Səth təbəqəsini çıxararkən, nəbz müddəti 35 ps-dən azdırsa, materialın sıçraması yoxdur. Bu depressiyaların əmələ gəlməsinin qarşısını alır vədigər arzuolunmaz artefaktlar. Femtosaniyə impulsları dalğa uzunluğuna həssas olmayan və ətrafdakı məkanı qızdırmayan qeyri-xətti effektlər yaradır, bu da ətraf ərazilərin əhəmiyyətli zədələnməsi və ya zəifləməsi olmadan işləməyə imkan verir. Bundan əlavə, 1 MHz-də 800 fs impulslardan istifadə edərək 1 mm paslanmayan poladda tez (millisaniyələr ərzində) kiçik deşiklər açmaq kimi yüksək dərinlik-enlik nisbətlərində dəliklər kəsilə bilər.

İnsan gözü kimi şəffaf materialların səthinin işlənməsi üçün də istifadə edilə bilər. Göz mikrocərrahiyyəsində qapağı kəsmək üçün femtosaniyə impulsları səthə heç bir zərər vermədən, lakin idarə olunan dərinlikdə göz materialını məhv etmədən, yüksək diyaframlı obyektiv tərəfindən göz səthinin altındakı bir nöqtəyə sıx şəkildə fokuslanır. Görmə üçün vacib olan buynuz qişanın hamar səthi toxunulmaz qalır. Aşağıdan ayrılmış qanad daha sonra səthi eksimer lazer lensinin formalaşması üçün yuxarı çəkilə bilər. Digər tibbi tətbiqlərə dermatologiyada dayaz penetrasiya cərrahiyyəsi və optik koherens tomoqrafiyanın bəzi növlərində istifadə daxildir.

Femtosaniyə lazerlər

Femtosaniyə kvant generatorları elmdə lazer parçalanması ilə həyəcan spektroskopiyası, zamanla həll olunan flüoresan spektroskopiyası, həmçinin ümumi materialların tədqiqi üçün istifadə olunur. Bundan əlavə, onlar femtosaniyə tezliyinin istehsalı üçün lazımdırmetrologiya və ümumi tədqiqatlarda lazım olan daraqlar. Qısa müddətdə real tətbiqlərdən biri yerləşdirmə dəqiqliyini yaxşılaşdıracaq yeni nəsil GPS peykləri üçün atom saatları olacaq.

Tək tezlikli lifli lazer 1 kHz-dən az spektral xətt genişliyi ilə istehsal olunur. Çıxış gücü 10 mVt ilə 1 Vt arasında dəyişən təsirli dərəcədə kiçik bir cihazdır. O, rabitə, metrologiya (məsələn, lifli giroskoplarda) və spektroskopiya sahəsində tətbiq tapır.

Növbəti nədir?

Digər Ar-Ge tətbiqlərinə gəlincə, daha çoxu araşdırılır. Məsələn, koherent və ya spektral birləşmədən istifadə edərək yüksək keyfiyyətli bir şüa əldə etmək üçün fiber lazer şüalarının birləşdirilməsindən ibarət olan digər sahələrə tətbiq oluna bilən hərbi inkişaf. Nəticədə, tək rejimli şüada daha çox güc əldə edilir.

Fiber lazerlərin istehsalı xüsusilə avtomobil sənayesinin ehtiyacları üçün sürətlə artır. Fiber olmayan cihazlar da lifli cihazlarla əvəz olunur. Xərc və performansda ümumi təkmilləşdirmələrə əlavə olaraq, femtosaniyə kvant generatorları və supercontinuum mənbələri getdikcə daha praktik hala gəlir. Fiber lazerlər getdikcə daha çox yer tutur və digər lazer növləri üçün təkmilləşdirmə mənbəyinə çevrilir.