Ytterbium fiiberlaser: seade, tööpõhimõte, võimsus, tootmine, rakendus

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Fiiberlaserid on kompaktsed ja vastupidavad, suunavad täpselt ja hajutavad soojusenergiat kergesti. Neid on erineval kujul ja kuigi neil on palju ühist muud tüüpi optiliste kvantgeneraatoritega, on neil oma ainulaadsed eelised.

Fiiberlaserid: kuidas need töötavad

Seda tüüpi seadmed on standardse koherentse kiirguse tahkisallika variatsioon, mille töökeskkond on valmistatud pigem kiust kui vardast, plaadist või kettast. Valguse tekitab kiu keskel olev lisand. Põhistruktuur võib ulatuda lihtsast üsna keerukani. Ütterbiumkiudlaseri konstruktsioon on selline, et kiul on suur pinna ja mahu suhe, mistõttu saab soojust suhteliselt kergesti hajutada.

Kiudlasereid pumbatakse optiliselt, enamasti dioodkvantgeneraatorite, kuid mõnel juhul samade allikate abil. Nendes süsteemides kasutatav optika on tavaliselt kiudkomponendid, millest enamik või kõik on omavahel ühendatud. Mõningatel juhtudelkasutatakse mahulist optikat ja mõnikord kombineeritakse sisemist fiiberoptilist süsteemi välise mahtoptikaga.

Dioodi pumpamise allikaks võib olla diood, maatriks või mitu üksikut dioodi, millest igaüks on ühendatud pistikuga fiiberoptilise valgusjuhi abil. Legeeritud kiu mõlemas otsas on õõnsusresonaatorpeegel – praktikas tehakse kiusse Braggi restid. Otstes pole hulgioptikat, välja arvatud juhul, kui väljundkiir läheb millessegi muusse kui kiudu. Valgusjuhikut saab keerata, nii et soovi korral võib laseri õõnsus olla mitme meetri pikkune.

Kahetuumaline struktuur

Fiudlaserites kasutatava kiu struktuur on oluline. Kõige tavalisem geomeetria on kahetuumaline struktuur. Legeerimata välissüdamik (mida mõnikord nimetatakse ka sisemiseks kattekihiks) kogub pumbatud valguse ja suunab selle piki kiudu. Kius tekkiv stimuleeritud emissioon läbib sisemist südamikku, mis on sageli ühemoodiline. Sisemine südamik sisaldab ütterbiumlisandit, mida stimuleerib pumba valguskiir. Välissüdamikul on palju mitteringikujulisi vorme, sealhulgas kuusnurkne, D-kujuline ja ristkülikukujuline, mis vähendab valguskiire kesksüdamikust puudumist.

Fiiudlaserit saab pumbata otsast või küljelt. Esimesel juhul siseneb kiu otsa valgus ühest või mitmest allikast. Külgpumpamisel juhitakse valgus splitterisse, mis varustab selle välissüdamikuga. sedaerineb varraslaserist, kus valgus siseneb teljega risti.

See lahendus nõuab palju disaini arendamist. Märkimisväärset tähelepanu pööratakse pumba valguse suunamisele südamikusse, et tekitada populatsiooni inversioon, mis põhjustab sisemises südamikus stimuleeritud emissiooni. Lasersüdamikul võib olla erinev võimendusaste, olenev alt kiu dopingust ja ka selle pikkusest. Projekteerimisinsener kohandab neid tegureid nõutavate parameetrite saamiseks.

Võivad esineda võimsuspiirangud, eriti kui töötate ühemoodilise kiu kaudu. Sellisel südamikul on väga väike ristlõikepindala ja selle tulemusena läbib seda väga suure intensiivsusega valgus. Samal ajal muutub üha märgatavamaks mittelineaarne Brillouini hajumine, mis piirab väljundvõimsust mitme tuhande vatini. Kui väljundsignaal on piisav alt kõrge, võib kiu ots olla kahjustatud.

Fiiudlaserite omadused

Kiudude kasutamine töökeskkonnana annab pika interaktsiooni pikkuse, mis toimib hästi dioodiga pumpamisel. Selle geomeetria tulemuseks on kõrge footonite muundamise tõhusus ning vastupidav ja kompaktne disain, millel puudub diskreetne optika reguleerimiseks või joondamiseks.

Fiiudlaserit, mille seade võimaldab sellel hästi kohanduda, saab kohandada nii paksude metallilehtede keevitamiseks kui ka femtosekundiliste impulsside tekitamiseks. Kiudoptilised võimendid pakuvad ühekäigulist võimendust ja neid kasutatakse telekommunikatsioonis, kuna need suudavad korraga võimendada paljusid lainepikkusi. Sama võimendust kasutatakse peaostsillaatoriga võimsusvõimendites. Mõnel juhul võib võimendi töötada ka CW laseriga.

Teine näide on kiududega võimendatud spontaansed emissiooniallikad, mille puhul stimuleeritud emissioon on maha surutud. Teine näide on kombineeritud hajumise võimendusega Ramani kiudlaser, mis nihutab oluliselt lainepikkust. See on leidnud rakendust teadusuuringutes, kus Ramani genereerimiseks ja võimendamiseks kasutatakse fluoriidklaaskiude, mitte tavalisi kvartskiude.

Kuid reeglina on kiud valmistatud kvartsklaasist, mille südamikus on haruldaste muldmetallide lisand. Peamised lisandid on ütterbium ja erbium. Ytterbiumi lainepikkus on 1030–1080 nm ja see võib kiirata laiemas vahemikus. 940 nm dioodiga pumpamise kasutamine vähendab oluliselt footonite puudujääki. Ütterbiumil ei ole isekustutavaid efekte, mis neodüümil suure tiheduse korral, seega kasutatakse neodüümi masslaserites ja ütterbiumi kiudlaserites (need mõlemad annavad ligikaudu sama lainepikkuse).

Erbium kiirgab vahemikus 1530–1620 nm, mis on silmadele ohutu. Sagedust saab kahekordistada, et tekitada valgust lainepikkusel 780 nm, mis pole muud tüüpi kiudlaserite jaoks saadaval. Lõpuks saab erbiumile lisada ütterbiumi nii, et element imendukspumbata kiirgust ja kanda see energia üle erbiumile. Tuulium on teine peaaegu infrapunase kiirgusega dopant, mis on seega silmadele ohutu materjal.

Kõrge efektiivsus

Kiudlaser on peaaegu kolmetasandiline süsteem. Pumba footon ergastab üleminekut põhiolekust ülemisele tasemele. Laseri üleminek on üleminek ülemise taseme madalaimast osast ühte jagatud põhiolekusse. See on väga tõhus: näiteks 940 nm pumbafootoniga ütterbium kiirgab footoni lainepikkusega 1030 nm ja kvantdefektiga (energiakadu) vaid umbes 9%.

Seevastu 808 nm juures pumbatud neodüüm kaotab umbes 24% oma energiast. Seega on ütterbiumil oma olemuselt suurem kasutegur, kuigi mitte kõik see pole mõne footoni kadumise tõttu saavutatav. Yb saab pumbata mitmes sagedusribas, samas kui erbiumi saab pumbata lainepikkusel 1480 või 980 nm. Kõrgem sagedus ei ole fotonidefekti seisukoh alt nii tõhus, kuid kasulik isegi sel juhul, kuna 980 nm juures on saadaval paremad allikad.

Üldiselt on kiudlaseri efektiivsus kaheetapilise protsessi tulemus. Esiteks on see pumba dioodi efektiivsus. Koherentse kiirguse pooljuhtallikad on väga tõhusad, 50% efektiivsusega elektrisignaali muundamisel optiliseks. Laboratoorsete uuringute tulemused näitavad, et on võimalik saavutada väärtus 70% või rohkem. Väljundkiirguse liini täpse vastegakiudlaseri neeldumine ja kõrge pumba efektiivsus.

Teiseks on optilis-optilise muundamise efektiivsus. Väikese footoni defektiga on võimalik saavutada kõrge ergastuse ja ekstraheerimise efektiivsus opto-optilise muundamise efektiivsusega 60–70%. Saadud efektiivsus jääb vahemikku 25–35%.

Erinevad konfiguratsioonid

Pideva kiirguse kiudoptilised kvantgeneraatorid võivad olla ühe- või mitmemoodilised (ristrežiimide jaoks). Ühemoodilised laserid toodavad kvaliteetset kiirt atmosfääris töötavate või kiirgavate materjalide jaoks, samas kui mitmerežiimilised tööstuslikud kiudlaserid võivad genereerida suurt võimsust. Seda kasutatakse lõikamiseks ja keevitamiseks ning eriti kuumtöötlemiseks, kui suur ala on valgustatud.

Pika impulssiga kiudlaser on sisuliselt peaaegu pidev seade, mis toodab tavaliselt millisekundite tüüpi impulsse. Tavaliselt on selle töötsükkel 10%. Selle tulemuseks on suurem tippvõimsus kui pidevas režiimis (tavaliselt kümme korda rohkem), mida kasutatakse näiteks impulsspuurimiseks. Sagedus võib ulatuda 500 Hz-ni, olenev alt kestusest.

Q-lülitus kiudlaserites toimib samamoodi nagu hulgilaserite puhul. Tüüpiline impulsi kestus on vahemikus nanosekundid kuni mikrosekundid. Mida pikem on kiud, seda kauem kulub väljundi Q-lülitamiseks, mille tulemuseks on pikem impulss.

Fiiberomadused seavad Q-lülitamisele teatud piirangud. Kiudlaseri mittelineaarsus on olulisem südamiku väikese ristlõikepindala tõttu, seega peab tippvõimsus olema mõnevõrra piiratud. Kasutada võib kas mahulisi Q-lüliteid, mis annavad parema jõudluse, või kiudmodulaatoreid, mis on ühendatud aktiivse osa otstega.

Q-lülitusega impulsse saab võimendada kius või õõnsusresonaatoris. Viimase näite võib leida National Nuclear Test Simulation Facility'st (NIF, Livermore, CA), kus ytterbium fiiberlaser on 192 kiire põhiostsillaator. Väikesed impulsid suurtes legeeritud klaasplaatides võimendatakse megadžaulideks.

Lukustatud kiudlaserite puhul sõltub kordussagedus võimendusmaterjali pikkusest, nagu ka teistes režiimi lukustusskeemides, ja impulsi kestus sõltub võimenduse ribalaiusest. Lühimad on vahemikus 50 fs ja kõige tüüpilisemad 100 fs vahemikus.

Erbiumi ja ütterbiumi kiudude vahel on oluline erinevus, mille tulemusena nad töötavad erinevates dispersioonirežiimides. Erbiumiga legeeritud kiud kiirgavad 1550 nm juures anomaalses dispersiooni piirkonnas. See võimaldab toota solitoneid. Ütterbiumkiud on positiivse või normaalse dispersiooni piirkonnas; selle tulemusena genereerivad nad selgelt väljendunud lineaarse modulatsioonisagedusega impulsse. Selle tulemusena võib impulsi pikkuse kokkusurumiseks vaja minna Braggi võre.

Fiudlaseri impulsside muutmiseks on mitu võimalust, eriti ülikiirete pikosekundiliste uuringute puhul. Fotoonilised kristallkiud võivad olla valmistatud väga väikeste südamikega, et tekitada tugevaid mittelineaarseid efekte, näiteks superkontiinumi tekitamist. Seevastu fotoonkristalle saab valmistada ka väga suurte ühemoodiliste tuumadega, et vältida mittelineaarseid efekte suure võimsusega.

Paindlikud suure südamikuga fotoonkristallkiud on mõeldud suure võimsusega rakenduste jaoks. Üks tehnika on sellise kiu tahtlik painutamine, et kõrvaldada kõik soovimatud kõrgema järgu režiimid, säilitades samal ajal ainult põhilise põikrežiimi. Mittelineaarsus loob harmoonilisi; sagedusi lahutades ja liites saab luua lühemaid ja pikemaid laineid. Mittelineaarsed efektid võivad ka impulsse kokku suruda, mille tulemuseks on sagedused.

Superkontiinumi allikana tekitavad väga lühikesed impulsid laia pideva spektri, kasutades isefaasimodulatsiooni. Näiteks algsetest 6 ps impulssidest 1050 nm juures, mille ütterbiumkiudlaser loob, saadakse spekter vahemikus ultraviolettkiirgusest üle 1600 nm. Teine superkontiinuum IR allikas pumbatakse erbiumi allikaga 1550 nm juures.

Suure võimsusega

Tööstus on praegu suurim kiudlaserite tarbija. Võimsus on praegu suur nõudlus.umbes kilovatt, kasutatakse autotööstuses. Autotööstus liigub ülitugevast terasest sõidukite poole, et vastata vastupidavusnõuetele ja olla parema kütusesäästu nimel suhteliselt kerged. Näiteks tavaliste tööpinkide jaoks on seda tüüpi terasesse väga raske auke teha, kuid koherentsed kiirgusallikad muudavad selle lihtsaks.

Metallide lõikamisel kiudlaseriga on võrreldes teist tüüpi kvantgeneraatoritega mitmeid eeliseid. Näiteks neelavad metallid hästi infrapuna lähilainepikkusi. Kiirt saab suunata üle kiu, võimaldades robotil lõikamisel ja puurimisel fookust hõlps alt liigutada.

Fiber vastab kõrgeimatele võimsusnõuetele. 2014. aastal testitud USA mereväe relv koosneb 6-kiulistest 5,5 kW laseritest, mis on ühendatud üheks kiireks ja kiirgavad läbi moodustuva optilise süsteemi. 33 kW agregaati kasutati mehitamata õhusõiduki hävitamiseks. Kuigi kiir ei ole ühemoodiline, on süsteem huvitav, kuna see võimaldab teil standardsetest hõlpsasti kättesaadavatest komponentidest oma kätega fiiberopseri luua.

IPG Photonicsi suurima võimsusega ühemoodiline koherentne valgusallikas on 10 kW. Peaostsillaator toodab kilovatti optilist võimsust, mis juhitakse võimendi astmesse, pumbatakse 1018 nm juures teiste kiudlaserite valgusega. Kogu süsteem on kahe külmiku suurune.

Kiudlaserite kasutamine on levinud ka suure võimsusega lõikamise ja keevitamise valdkonnas. Näiteks vahetasid nad väljateraspleki takistuskeevitus, materjali deformatsiooni probleemi lahendamine. Võimsuse ja muude parameetrite juhtimine võimaldab väga täpselt lõigata kurve, eriti nurki.

Kõige võimsam mitmerežiimiline fiiberlaser – sama tootja metallilõikuspink – ulatub 100 kW-ni. Süsteem põhineb ebaühtlase tala kombinatsioonil, seega pole tegemist ülikvaliteetse kiirega. See vastupidavus muudab kiudlaserid tööstusele atraktiivseks.

Betooni puurimine

4KW mitmerežiimilist kiudlaserit saab kasutada betooni lõikamiseks ja puurimiseks. Miks seda vaja on? Kui insenerid püüavad olemasolevates hoonetes maavärinakindlust saavutada, tuleb betooniga olla väga ettevaatlik. Kui sellesse paigaldatakse näiteks terasarmatuur, võib tavaline haamriga puurimine praguneda ja betooni nõrgendada, kuid kiudlaserid lõikavad seda ilma purustamata.

Q-lülitusega kiududega kvantgeneraatoreid kasutatakse näiteks märgistamiseks või pooljuhtelektroonika tootmisel. Neid kasutatakse ka kaugusmõõturites: käesuuruses moodulid sisaldavad silmadele ohutuid fiiberoplasireid võimsusega 4 kW, sagedusega 50 kHz ja impulsi laiusega 5-15 ns.

Pinnatöötlus

Väikeste kiudlaserite vastu on suur huvi mikro- ja nanotöötluseks. Pinnakihi eemaldamisel, kui impulsi kestus on lühem kui 35 ps, ei esine materjali pritsimist. See hoiab ära depressioonide tekke jamuud soovimatud artefaktid. Femtosekundilised impulsid tekitavad mittelineaarseid efekte, mis ei ole lainepikkuse suhtes tundlikud ega soojenda ümbritsevat ruumi, võimaldades töötada ilma ümbritsevaid alasid oluliselt kahjustamata või nõrgendamata. Lisaks saab auke lõigata suure sügavuse ja laiuse suhtega, näiteks kiiresti (millisekundite jooksul) teha 1 mm roostevabast terasest väikesed augud, kasutades 800 fs impulsse sagedusel 1 MHz.

Saab kasutada ka läbipaistvate materjalide, näiteks inimese silmade, pinnatöötluseks. Silma mikrokirurgia klapi lõikamiseks fokusseeritakse femtosekundilised impulsid suure avaga objektiiviga silma pinnast allpool olevasse punkti, ilma et see kahjustaks pinda, kuid hävitaks kontrollitud sügavusel silma materjali. Sarvkesta sile pind, mis on nägemiseks hädavajalik, jääb puutumata. Altpoolt eraldatud klapi saab seejärel pinna eksimerlaseriga läätse moodustamiseks üles tõmmata. Muude meditsiiniliste rakenduste hulka kuuluvad pinnapealse penetratsiooni kirurgia dermatoloogias ja kasutamine teatud tüüpi optilise koherentsustomograafia puhul.

Femtosekundilised laserid

Femtosekundiseid kvantgeneraatoreid kasutatakse teaduses ergastusspektroskoopias laseri jaotusega, ajalahutusega fluorestsentsspektroskoopias, aga ka üldistes materjalide uurimises. Lisaks on neid vaja femtosekundi sageduse tekitamiseksmetroloogias ja ülduuringutes vajalikud kammid. Lühiajalises perspektiivis on üheks tõeliseks rakenduseks järgmise põlvkonna GPS-satelliitide aatomkellad, mis parandavad asukoha määramise täpsust.

Ühesageduslikku kiudlaserit toodetakse spektraalse joonelaiusega alla 1 kHz. See on muljetavaldav alt väike seade, mille väljundvõimsus jääb vahemikku 10mW kuni 1W. See leiab rakendust side, metroloogia (näiteks kiudgüroskoopides) ja spektroskoopia valdkonnas.

Mis saab järgmiseks?

Muude uurimis- ja arendusrakenduste osas uuritakse veel paljusid rakendusi. Näiteks muudes valdkondades rakendatav sõjaline arendus, mis seisneb fiiberlaseri kiirte kombineerimises ühe kvaliteetse kiire saamiseks koherentse või spektraalse kombinatsiooni abil. Selle tulemusena saavutatakse ühemoodilises valgusvihus rohkem võimsust.

Fiiudlaserite tootmine kasvab kiiresti, eriti autotööstuse vajadusteks. Samuti asendatakse mittekiudseadmed kiudoptiliste vastu. Lisaks üldistele kulude ja jõudluse paranemisele muutuvad femtosekundi kvantgeneraatorid ja superkontiinumi allikad üha praktilisemaks. Kiudlaserid on muutumas üha nišiks ja neist on saamas muud tüüpi laserite täiustamise allikaks.