Laser ffibr yterbiwm: y ddyfais, yr egwyddor gweithredol, pŵer, cynhyrchu, defnyddio

laserau ffibr yn gryno ac yn wydn, yn gywir, ac yn hawdd i'w wres gwasgaru achosir. Maent yn dod mewn gwahanol fathau a chael llawer i'w wneud â laserau o fathau eraill yn cael eu manteision unigryw eu hunain.

laserau ffibr: gweithredu

Dyfeisiau o'r math hwn yn yr amrywiad safonol y ffynhonnell solet-wladwriaeth o ymbelydredd gydlynol y ffibr, yn lle hylif gweithio gwialen, plât neu ddisg. Mae'r golau a gynhyrchir gan y dopant yn y rhan ganolog y ffibr. Gall y strwythur sylfaenol yn amrywio o'r syml i'r eithaf cymhleth. cyfarpar laser ffibr yterbiwm fel bod y ffibr mae arwyneb mawr cymhareb cyfaint i, fel y gall y gwres yn cael ei gwasgaredig yn gymharol hawdd.

laserau ffibr yn cael eu pwmpio optegol, yn aml gyda chymorth laserau deuod, ond mewn rhai achosion - yr un ffynonellau. Opteg a ddefnyddir yn y systemau hyn fel arfer yn cynrychioli cydrannau optig, wherein y rhan fwyaf neu bob un ohonynt yn cael eu cysylltu â'i gilydd. Mewn rhai achosion, mae swmp opteg, a system ffibr optegol weithiau mewnol yn cael ei gyfuno gyda opteg swmp allanol.

Gall ffynhonnell pwmp deuod fod amrywiaeth deuod, neu lluosogrwydd o deuodau unigol, pob un ohonynt yn gysylltiedig â'r waveguide cysylltydd ffibr optig. ffibr doped ar bob pen Mae resonator ceudod drych - yn ymarferol gwneud y ffibr Bragg gratio. Ar ben y opteg swmp wedi, os nid yn unig y trawst allbwn yn mynd i mewn rhywbeth heblaw ffibr. Efallai y bydd y canllaw yn cael ei golau dirdro felly os dymunir gall y ceudod laser yn cael hyd sawl metr.

binuclear

ffibrau Strwythur a ddefnyddir mewn laserau ffibr, yn bwysig. Y mwyaf cyffredin yw'r geometreg strwythur deuol yn rhai craidd. craidd allanol Undoped (cyfeirir ato weithiau fel y intima) bwmpio yn casglu golau ac yn cyfarwyddo ei hyd y ffibr. ymbelydredd ysgogi a gynhyrchir yn y ffibr yn mynd drwy'r craidd mewnol, sydd yn aml yn ddull sengl. Mae'r craidd mewnol yn cynnwys yterbiwm ychwanegyn, a ysgogwyd gan y goleuni pwmp. Mae llawer o fathau o craidd allanol noncircular gan gynnwys - chweochrog, D-siâp a hirsgwar, gan leihau'r tebygolrwydd o fethiannau y golau yn y craidd canolog.

Gall y laser ffibr yn cael ben neu pwmpio ochr. Yng ngoleuni achos cyntaf o un neu fwy o ffynonellau mynd i mewn i'r pen ffibr. Pan fydd y golau pwmpio ochr yn cael ei gyflenwi i hollti sy'n bwydo i mewn i'r craidd allanol. Mae hyn yn wahanol i'r wialen laser lle mae'r golau yn mynd i mewn berpendicwlar i'r echelin.

Ar gyfer penderfyniad o'r fath yn gofyn am lawer o ddatblygiadau strwythurol. cryn sylw yn cael ei dalu i grynhoi'r golau pwmp i mewn i'r craidd i gynhyrchu gwrthdroad poblogaeth, gan arwain at allyriadau ysgogi yn y craidd mewnol. Efallai y craidd laser gael graddau amrywiol o helaethiad yn y ffibr yn dibynnu ar y cyffuriau, yn ogystal ag ar ei hyd. Mae'r ffactorau hyn yn cael eu gosod fel peiriannydd dylunio ar gyfer y paramedrau gofynnol.

Efallai y terfyn Power digwydd, yn enwedig pan fyddant yn gweithredu o fewn ffibr sengl-ddelw. Mae craidd y fath ardal trawstoriadol fach iawn, ac o ganlyniad yn pasio golau therethrough dwysedd uchel iawn. Pan fydd hyn yn dod yn gwasgaru Brillouin heb fod yn llinol fwy amlwg, sy'n cyfyngu ar allbwn pŵer o nifer o filoedd o watt. Os bydd y cynnyrch yn ddigon uchel, efallai y bydd y pen ffibr yn cael ei niweidio.

Yn enwedig laserau ffibr

Mae'r defnydd o ffibr fel hylif gweithio yn rhoi mwy o hyd rhyngweithio, sy'n gweithio'n dda pan fydd y pwmpio deuod. Mae hyn yn arwain geometreg mewn effeithlonrwydd uchel trosi ffotonau, yn ogystal â gwaith adeiladu dibynadwy ac yn gryno, lle nad oes opteg arwahanol, sy'n gofyn am addasiad neu aliniad.

Mae laser ffibr, sy'n cyfarpar ei alluogi i addasu'n dda, gellir eu haddasu ar gyfer weldio o daflenni metel trwchus ac i gynhyrchu corbys femtosecond. chwyddseinyddion opteg ffibr yn darparu ennill un ffordd osgoi ac yn cael eu defnyddio mewn telathrebu, gan y gallant ymhelaethu llawer o donfeddi ar yr un pryd. Mae'r un ennill yn cael ei ddefnyddio mewn chwyddseinyddion pŵer gyda meistr osgiliadur. Mewn rhai achosion, gall y mwyhadur yn cael ei gweithredu gyda laser tonnau parhaus.

Enghraifft arall yw ffynhonnell o allyriadau digymell gan y ffibr-atgyfnerthu, lle mae'r allyriadau ysgogi ei hatal. Enghraifft arall yw laser Raman ffibr cyfuno â mwy o gwasgariad, tonfedd yn sylweddol cneifio. Mae wedi dod o hyd i gais mewn ymchwil, lle mae'r cyfuniad o gynhyrchu a mwyhau gan ddefnyddio gwydr fflworid yn hytrach na'r ffibrau silica safonol.

Fodd bynnag, yn gyffredinol, ffibrau gwneud o wydr silica gyda dopant prin-ddaear yn y craidd. Mae'r ychwanegion sylfaenol yterbiwm a Erbium. Mae gan yterbiwm donfeddi 1030-1080 nm, a gall allyrru dros ystod eang. Mae'r defnydd o 940-nm pwmp deuod yn sylweddol yn lleihau'r diffyg o ffotonau. Mae gan yterbiwm nid hunan-diffodd effeithiau, sydd ar neodymiwm mewn dwyseddau uchel, felly mae'r olaf yn cael ei ddefnyddio mewn laserau swmp a yterbiwm - mewn ffibr (y ddau yn darparu am yr un donfedd).

Erbium yn allyrru yn yr ystod 1530-1620 nm, yn ddiogel ar gyfer y llygaid. Gall y amlder yn cael ei ddyblu i gynhyrchu golau ar 780 nm, nad yw ar gael ar gyfer mathau eraill o laserau ffibr. Yn olaf, gall yterbiwm yn cael ei ychwanegu at Erbium fel y bydd yr elfen amsugno'r pelydriad pwmp a throsglwyddo egni hwn i Erbium. Thwliwm: - dopant arall i'r allyriadau yn y is-goch rhanbarth agos, sydd felly yn ddiogel ar gyfer y lluniau llygad.

effeithlonrwydd uchel

Mae'r laser ffibr yn system-tair-lefel lled. y ffotonau pwmp cyffroi newid o'r cyflwr isaf i'r haen uchaf. pontio laser yn dod y rhan isaf y lefel uchaf yn un o'r rhaniad ddaear wladwriaethau. Mae hyn yn effeithiol iawn: er enghraifft, yterbiwm-940 pwmp photon nm allyrru ffoton gyda thonfedd o 1030 nm, a'r nam cwantwm (colled ynni), dim ond tua 9%.

Ar y llaw arall, neodymiwm, pwmpio ar 808 nm yn colli tua 24% o ynni. Felly, yterbiwm hanfod mae effeithlonrwydd uchel, er nad y cyfan ohono yn gyraeddadwy o ganlyniad i golli rhai o'r ffotonau. Efallai yb cael ei bwmpio mewn nifer o bandiau amledd, a Erbium - tonfedd o 1480 neu 980 nm. Nid oedd amlder uwch mor effeithiol o ran ffotonau nam, ond yn ddefnyddiol, hyd yn oed yn yr achos hwn, oherwydd ar 980 nm, ffynonellau gorau sydd ar gael.

effeithlonrwydd cyffredinol y laser ffibr yn ganlyniad proses dau gam. Yn gyntaf, mae'n effeithlonrwydd y deuod pwmp. Ffynonellau Semiconductor o ymbelydredd cydlynol yn effeithiol iawn, gyda 50% effeithlonrwydd trosi signal trydanol i mewn i optegol. Mae canlyniadau'r astudiaethau labordy yn awgrymu ei bod yn bosibl i gyrraedd gwerth o 70% neu fwy. Gyda union allbwn cyfatebol amsugno ymbelydredd ffibr llinell laser yn cael ei gyflawni ac effeithlonrwydd pwmpio uchel.

Yn ail, mae hyn yn effeithlonrwydd trosi optegol-optegol. Pryd y gall ffotonau diffyg bach yn cyflawni lefel uchel o excitation ac effeithlonrwydd echdynnu effeithlonrwydd trosi optegol-optegol o 60-70%. Mae effeithlonrwydd sy'n deillio o hyn yn yr ystod 25-35%.

ffurfweddau gwahanol

Gall ffibr cwantwm generaduron tonnau parhaus fod (moddau ardraws) sengl neu amlfodd. Singlemode cynhyrchu beam ansawdd uchel ar gyfer deunyddiau, gweithio neu anfon trawst drwy'r atmosffer, a gall laserau ffibr amlfodd diwydiannol gynhyrchu mwy o rym. Mae'n cael ei ddefnyddio ar gyfer torri a weldio, ac yn benodol, ar gyfer triniaeth wres, lle mae ardal fawr ei oleuo.

Mae'r laser ffibr hir yn sylweddol cyfarpar lled-dor fel arfer millisecond math cynhyrchu corbys. Fel arfer, mae cylch ddyletswydd yw 10%. Mae hyn yn arwain at bŵer brig yn uwch na'r modd parhaol (fel arfer ddeg gwaith) sy'n cael ei ddefnyddio, er enghraifft, ar gyfer drilio pwls. Gall amlder fod yn 500 Hz, yn dibynnu ar hyd.

Q-switching mewn laserau ffibr hefyd yn gweithredu fel yn y rhan fwyaf. Mae hyd pwls nodweddiadol yn yr ystod o nanoseconds i microseconds. Mae'r ffibr yn hwy, yr hiraf y mae'n ei gymryd i Q-newid o'r ymbelydredd allbwn, gan arwain at pwls hirach.

eiddo Ffeibr rhai cyfyngiadau ar y Q modiwleiddio. Mae nonlinearity y laser ffibr yn fwy arwyddocaol oherwydd yr ardal trawstoriadol fechan o'r craidd, fel y dylai'r pŵer brig fod braidd yn gyfyngedig. Gallwch ddefnyddio naill ai'r switshis gyfrol Q, sy'n darparu perfformiad uwch, neu modulators optig, sydd wedi eu cysylltu i'r eithaf y rhan weithredol.

Gall corbys droi-Q yn cael ei mwyhau mewn ffibr neu yn y resonator ceudod. Mae enghraifft o'r olaf ar gael yn y Genedlaethol efelychiad Cymhleth o brofion niwclear (NIF, Livermore, CA), lle mae'r laser ffibr yn osgiliadur meistr ar gyfer 192 trawstiau. corbys bach yn slabiau mawr o wydr doped chwyddo i megajoules.

Mewn laserau ffibr gyda amlder cydamseru ailadrodd yn dibynnu ar hyd y deunydd atgyfnerthu, fel yn y dulliau eraill o gylchedau cydamseru a hyd pwls yn dibynnu ar y gallu i wella trwygyrch. Y byrraf yn yr ystod o 50 o fs, ac mae'r rhan fwyaf nodweddiadol - yn yr ystod o 100 FS.

Rhwng yterbiwm a ffibr Erbium, mae gwahaniaeth pwysig, lle maent yn gweithredu mewn dulliau gwahanol gwasgariad. ffibr doped-Erbium allyrru yn 1550 nm mewn rhanbarth o gwasgariad anghyson. Mae hyn yn caniatáu solitons. Itterbievye ffibrau mewn gwasgariad gadarnhaol neu normal; o ganlyniad, maent yn cynhyrchu pylsiau gyda modiwleiddio amlder llinol ynganu. O ganlyniad i Bragg gratio efallai y bydd angen iddo i gywasgu'r hyd pwls.

Mae yna nifer o ffyrdd o addasu'r corbys ffibr-laser, yn arbennig ar gyfer astudiaethau ultrafast picosecond. Gall ffibrau crisial Ffotonig cael eu cynhyrchu gyda creiddiau fach iawn ar gyfer effeithiau aflinol gryf, megis ar gyfer cynhyrchu supercontinuum. Ar y llaw arall, gall y crisialau ffotonig hefyd yn cael eu cynhyrchu gyda craidd un modd-mawr iawn er mwyn osgoi effeithiau nonlinear ar bwerau uchel.

Hyblyg ffibr grisial ffotonig gyda craidd mawr a grëwyd ar gyfer ceisiadau sy'n gofyn pwer uchel. Un o'r dulliau yn plygu bwriadol y ffibr i gael gwared ar unrhyw ddulliau uwch diangen tra'n cynnal modd ardraws sylfaenol. Mae'r aflinoldeb creu harmoneg; a drwy dynnu amlder plygu, gallwch greu tonfeddi byrrach a hirach. Gall effeithiau aflinol hefyd yn cynhyrchu cywasgu pwls, sy'n arwain at y cribau amlder ymddangosiad.

Y ffynhonnell supercontinuum fel corbys byr iawn yn cynhyrchu sbectrwm di-dor drwy fodiwleiddio cam. Er enghraifft, o'r 6 corbys ps cychwynnol yn 1050 nm, sy'n creu y sbectrwm laser ffibr yterbiwm a gafwyd yn yr ystod o uwchfioled i fwy na 1600 nm. Ffynhonnell arall o ffynhonnell Erbium-supercontinuum bwmpio-IR ar donfedd o 1550 nm.

pwer uchel

Diwydiant yw'r defnyddwyr mwyaf o laserau ffibr ar hyn o bryd. Yn galw mawr ar hyn o bryd yn mwynhau y pŵer y drefn cilowat a ddefnyddir yn y diwydiant modurol. Mae'r diwydiant modurol yn symud tuag at gynhyrchu ceir dur uchel-nerth i fodloni gofynion y gwydnwch ac yn gymharol hawdd at fwy o economi tanwydd. offer peiriant confensiynol yn anodd iawn, er enghraifft, dyrnu tyllau yn y math hwn o ddur a ffynonellau ymbelydredd cydlynol gwneud yn hawdd.

Mae torri laser ffibr metel, o'i gymharu â mathau eraill o generadur cwantwm nifer o fanteision. Er enghraifft, donystod ger-is-goch metelau amsugno yn dda. Gellir Beam yn cael ei darparu drwy ffibr, sy'n caniatáu i'r robot i symud y ffocws yn rhwydd wrth dorri a drilio.

ffibr optegol yn bodloni'r gofynion uchaf ar gyfer pŵer. Arfau Unol Daleithiau Llynges, a brofwyd yn 2014, yn cynnwys 6-ffibr laserau 5.5-cilowat cyfuno mewn un trawst a pelydru drwy'r system optegol ffurfio. 33 uned kW yn cael ei ddefnyddio i drechu cerbyd awyr di-griw. Er nad y trawst yn un modd, y mae'r system o ddiddordeb, gan ei fod yn caniatáu i greu laser ffibr gyda'u dwylo allan o gynhwysion safonol, ar gael yn rhwydd.

Mae'r pŵer un-ddelw ffynonellau golau cydlynol uchaf o IPG Ffotoneg yw 10 kW. Y meistr osgiliadur yn cynhyrchu wat o bŵer optegol, sy'n cael ei gyflenwi i mwyhadur cyfnod bwmpio yn 1018 nm gyda golau o laserau ffibr eraill. Mae'r system gyfan Mae maint o ddwy oergelloedd.

Mae'r defnydd o laserau ffibr hefyd yn cael eu hymestyn i'r torri ynni uchel a weldio. Er enghraifft, maent yn disodli gwrthiant weldio daflen dur datrys y broblem o anffurfiad y deunydd. rheoli pŵer a paramedrau eraill yn caniatáu i cromliniau torri fanwl iawn, yn enwedig y corneli.

Y mwyaf pwerus laser ffibr amlfodd - ar gyfer torri metelau o'r un gwneuthurwr - hyd at 100 kW. Mae'r system yn seiliedig ar gyfuniad o trawst digyswllt, felly nid yw'n super drawst o ansawdd uchel. Mae'r gwrthwynebiad yn gwneud laserau ffibr deniadol ar gyfer diwydiant.

drilio concrid

Gall Multimode allbwn ffibr laser o 4 kW yn cael ei ddefnyddio ar gyfer torri a drilio concrid. Pam gwneud hyn? Pan fydd peirianwyr yn ceisio ei gyflawni ymwrthedd seismig adeiladau presennol, i fod yn ofalus iawn gyda'r concrid. Pan fydd gosod ynddo, fel atgyfnerthiad dur drilio taro confensiynol achosi diffygion a gwanhau y concrid, ond laserau ffibr torri heb malu ef.

Laserau gyda ffibr switsio-Q a ddefnyddir er enghraifft ar gyfer labelu neu wrth gynhyrchu electroneg lled-ddargludyddion. Maent hefyd yn cael eu defnyddio mewn darganfyddwyr amrediad: modiwlau yn yr un maint â llaw yn cynnwys laserau ffibr llygad-ddiogel y mae ei allbwn yn 4 kW, pa mor aml y 50 kHz ac yn para pwls o 5-15 ns.

driniaeth wyneb

Mae diddordeb mawr mewn laserau ffibr bach ar gyfer micro a nanoprocessing. Wrth gael gwared ar y haen wyneb, os hyd pwls yn fyrrach na 35 ps, dim deunydd chwistrellu. Mae hyn yn atal ffurfio bantiau ac arteffactau annymunol eraill. Y curiadau yn y drefn femtosecond gynhyrchu effeithiau aflinol nad ydynt yn sensitif i donfedd ac nid yr ardal o gwmpas yn cael ei gynhesu, gan ganiatáu i'r gwaith heb niwed sylweddol neu gwanhau yr ardaloedd cyfagos. Yn ogystal, efallai y tyllau yn cael eu torri gyda dyfnder uchel i led - er enghraifft, yn gyflym (o fewn ychydig milieiliadau) tyllau bach o 1 mm gan ddefnyddio dur di-staen corbys 800-fs gyda amlder 1 MHz.

Mae hefyd yn bosibl i gynhyrchu deunyddiau tryloyw-drin wyneb, ee, y llygad dynol. I dorri fflap ar microlawfeddygaeth llygad, corbys femtosecond vysokoaperturnym lens ffocws dynn ar bwynt o dan wyneb y llygad heb achosi unrhyw niwed ar yr wyneb, ond y llygad drwy ddinistrio ddeunydd ar ddyfnder rheoledig. Mae wyneb llyfn y gornbilen, sy'n hanfodol ar gyfer gweledigaeth yn parhau i fod yn gyfan. Mae'r fflap yn cael ei gwahanu oddi wrth y gwaelod, ac yna gellir ei dynnu i fyny i'r wyneb lens ffurfio laser excimer. cymwysiadau meddygol eraill yn cynnwys llawdriniaeth treiddio bas mewn dermatoleg, yn ogystal â'r defnydd o rhai mathau o tomograffeg cydlyniad optegol.

laserau femtosecond

laserau Femtosecond mewn gwyddoniaeth a ddefnyddiwyd i gyffroi'r spectroscopy dadansoddiad laser, sbectrosgopeg fflworoleuedd gyda phenderfyniad tymhorol, a hefyd ar gyfer deunyddiau ymchwil cyffredinol. Yn ogystal, maent yn cael eu hangen ar gyfer cynhyrchu grib amledd femtosecond ofynnol mewn mesureg ac astudiaethau cyffredinol. Bydd un o'r ceisiadau go iawn yn y tymor byr yn y clociau atomig o loerennau GPS o genhedlaeth newydd, a fydd yn cynyddu cywirdeb lleoli.

laser ffibr amledd sengl yn cael ei berfformio gyda linewidth sbectrol o lai na 1 kHz. Mae'r ddyfais hon yn drawiadol gyda phŵer allbwn ymbelydredd bach o 10 mW i 1w. Darganfyddiadau cais ym maes cyfathrebu, mesureg (e.e. mewn gyroscopes ffibr) a sbectrosgopeg.

Beth nesaf?

Fel ar gyfer ceisiadau ymchwil arall, mae'n dal i fod llawer ohonynt yn cael eu hastudio. Er enghraifft, peirianneg filwrol, y gellir eu cymhwyso mewn meysydd eraill, sy'n cynnwys wrth gyfuno trawstiau ffibr laser i gael drawst uchel gan ddefnyddio cyfuniad cydlynol neu sbectrol. O ganlyniad, mae mwy o bŵer yn cael ei gyflawni mewn trawst un modd-.

Cynhyrchu laserau ffibr yn tyfu'n gyflym, yn arbennig ar gyfer anghenion diwydiant modurol. Hefyd, mae un newydd o ddyfeisiau ffibr heb fod yn ffibrog. Yn ogystal â gwelliannau cyffredinol yn y gost a pherfformiad, mae laserau femtosecond a ffynonellau supercontinuum mwy ymarferol. laserau ffibr meddiannu mwy gilfachau a dod yn ffynhonnell o welliant ar gyfer mathau eraill o laserau.