Ytterbiumkuitulaser: laite, toimintaperiaate, teho, tuotanto, sovellus

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26

Kuitulaserit ovat kompakteja ja kestäviä, osoittavat tarkasti ja haihduttavat lämpöenergiaa helposti. Niitä on eri muodoissa, ja vaikka niillä on paljon yhteistä muun tyyppisten optisten kvanttigeneraattoreiden kanssa, niillä on omat ainutlaatuiset etunsa.

Kuitulaserit: miten ne toimivat

Tämän tyyppiset laitteet ovat muunnelmia standardinmukaisesta solid-state-koherentin säteilyn lähteestä, jossa työväliaine on valmistettu kuidusta sauvan, levyn tai kiekon sijaan. Valon tuottaa kuidun keskellä oleva lisäaine. Perusrakenne voi vaihdella yksinkertaisesta melko monimutkaiseen. Ytterbiumkuitulaserin rakenne on sellainen, että kuidun pinta-tilavuussuhde on suuri, joten lämpöä voidaan haihtua suhteellisen helposti.

Kuitulaserit pumpataan optisesti, useimmiten diodikvanttigeneraattoreilla, mutta joissain tapauksissa samoista lähteistä. Näissä järjestelmissä käytettävä optiikka on tyypillisesti kuitukomponentteja, joista suurin osa tai kaikki on kytketty toisiinsa. Joissakin tapauksissakäytetään volyymioptiikkaa, ja joskus sisäinen valokuitujärjestelmä yhdistetään ulkoiseen volyymioptiikkaan.

Diodipumppauksen lähde voi olla diodi, matriisi tai useita yksittäisiä diodeja, joista jokainen on liitetty liittimeen kuituoptisella valoohjaimella. Seostetussa kuidussa on molemmissa päissä onteloresonaattoripeili - käytännössä kuituun tehdään Bragg-ritilöitä. Päissä ei ole bulkkioptiikkaa, ellei lähtösäde mene johonkin muuhun kuin kuituun. Valonohjainta voidaan kiertää niin, että haluttaessa laserontelo voi olla useita metrejä pitkä.

Kaksiytiminen rakenne

Kuitulasereissa käytetyn kuidun rakenne on tärkeä. Yleisin geometria on kaksiytiminen rakenne. Seostamaton ulkoydin (jota joskus kutsutaan sisäverhoukseksi) kerää pumpatun valon ja ohjaa sen kuitua pitkin. Kuidussa syntyvä stimuloitu emissio kulkee sisäytimen läpi, joka on usein yksimuotoinen. Sisäydin sisältää pumpun valonsäteen stimuloimaa ytterbium-seostusainetta. Ulkoytimessä on monia ei-pyöreitä muotoja, mukaan lukien kuusikulmainen, D-muotoinen ja suorakaiteen muotoinen, mikä vähentää valonsäteen puuttumisen mahdollisuutta keskiytimestä.

Kuitulaser voidaan pumpata päästä tai sivulta. Ensimmäisessä tapauksessa valo yhdestä tai useammasta lähteestä tulee kuidun päähän. Sivupumppauksessa valo syötetään jakajaan, joka syöttää sen ulkoytimeen. seeroaa sauvalaserista, jossa valo tulee kohtisuoraan akseliin nähden.

Tämä ratkaisu vaatii paljon suunnittelun kehittämistä. Huomattavaa huomiota kiinnitetään pumpun valon ohjaamiseen ytimeen populaation inversion tuottamiseksi, mikä johtaa stimuloituun emissioon sisäisessä ytimessä. Laserytimessä voi olla erilainen vahvistusaste riippuen kuidun seostuksesta sekä sen pituudesta. Suunnitteluinsinööri säätää nämä tekijät vaadittujen parametrien saamiseksi.

Tehorajoituksia saattaa esiintyä, erityisesti käytettäessä yksimuotokuitua. Tällaisella ytimellä on hyvin pieni poikkileikkauspinta-ala, minkä seurauksena sen läpi kulkee erittäin voimakasta valoa. Samanaikaisesti epälineaarinen Brillouin-sironta tulee yhä näkyvämmäksi, mikä rajoittaa lähtötehon useisiin tuhansiin watteihin. Jos lähtösignaali on tarpeeksi korkea, kuidun pää voi vaurioitua.

Kuitulaserien ominaisuudet

Kuitujen käyttäminen työväliaineena antaa pitkän vuorovaikutuspituuden, joka toimii hyvin diodipumppauksessa. Tämä geometria johtaa korkeaan fotonien muunnostehokkuuteen sekä kestävään ja kompaktiin rakenteeseen, jossa ei ole erillistä optiikkaa säädettäväksi tai kohdistettavaksi.

Kuitulaser, jonka laite soveltuu hyvin, voidaan sovittaa sekä paksujen metallilevyjen hitsaukseen että femtosekuntien pulssien tuottamiseen. Kuituoptiset vahvistimet tarjoavat yksipäästövahvistuksen, ja niitä käytetään tietoliikenteessä, koska ne pystyvät vahvistamaan useita aallonpituuksia samanaikaisesti. Samaa vahvistusta käytetään pääoskillaattorilla varustetuissa tehovahvistimissa. Joissakin tapauksissa vahvistin voi toimia CW-laserin kanssa.

Toinen esimerkki ovat kuituvahvistetut spontaanit päästölähteet, joissa stimuloitu emissio on estetty. Toinen esimerkki on Raman-kuitulaser, jossa on yhdistetty sirontavahvistus, joka siirtää merkittävästi aallonpituutta. Se on löytänyt sovelluksen tieteellisessä tutkimuksessa, jossa fluorilasikuituja käytetään Ramanin muodostamiseen ja vahvistamiseen tavallisten kvartsikuitujen sijaan.

Kuidut on kuitenkin yleensä valmistettu kvartsilasista, jonka ytimessä on harvinaista maametallia. Tärkeimmät lisäaineet ovat ytterbium ja erbium. Ytterbiumin aallonpituudet ovat 1030-1080 nm ja se voi säteillä laajemmalla alueella. 940 nm:n diodipumppauksen käyttö vähentää merkittävästi fotonivajetta. Ytterbiumilla ei ole mitään niistä itsestään sammuvista vaikutuksista, joita neodyymillä on suurissa tiheyksissä, joten neodyymiä käytetään bulkkilasereissa ja ytterbiumia kuitulasereissa (molemmat tarjoavat suunnilleen saman aallonpituuden).

Erbium emittoi alueella 1530-1620 nm, mikä on turvallista silmille. Taajuus voidaan kaksinkertaistaa valon tuottamiseksi 780 nm:ssä, mikä ei ole saatavilla muun tyyppisille kuitulasereille. Lopuksi ytterbiumia voidaan lisätä erbiumiin siten, että alkuaine imeytyypumppaa säteilyä ja siirtää tämän energian erbiumiin. Thulium on toinen lähi-infrapuna-seostusaine, joka on siten silmille turvallinen materiaali.

Korkea tehokkuus

Kuitulaser on lähes kolmitasoinen järjestelmä. Pumpun fotoni herättää siirtymisen perustilasta ylemmälle tasolle. Laser-siirtymä on siirtymä ylemmän tason alimmasta osasta johonkin jaettuun perustilaan. Tämä on erittäin tehokasta: esimerkiksi ytterbium 940 nm:n pumppufotonilla emittoi fotonin, jonka aallonpituus on 1030 nm ja kvanttivika (energiahäviö) vain noin 9%.

Sitä vastoin 808 nm:ssä pumpattu neodyymi menettää noin 24 % energiastaan. Siten ytterbiumilla on luonnostaan korkeampi hyötysuhde, vaikka kaikki se ei ole saavutettavissa joidenkin fotonien häviämisen vuoksi. Yb voidaan pumpata useilla taajuuskaistoilla, kun taas erbiumia voidaan pumpata 1480 tai 980 nm:ssä. Korkeampi taajuus ei ole yhtä tehokas fotonivian kann alta, mutta hyödyllinen myös tässä tapauksessa, koska parempia lähteitä on saatavilla 980 nm:ssä.

Yleensä kuitulaserin tehokkuus on tulos kaksivaiheisesta prosessista. Ensinnäkin tämä on pumpun diodin tehokkuus. Koherentin säteilyn puolijohdelähteet ovat erittäin tehokkaita, ja niiden hyötysuhde sähköisen signaalin muuntamisessa optiseksi on 50 %. Laboratoriotutkimusten tulokset osoittavat, että on mahdollista saavuttaa arvo 70 % tai enemmän. Tarkka vastaavuus lähtösäteilylinjallakuitulaserin absorptio ja korkea pumpun hyötysuhde.

Toiseksi optis-optinen muunnostehokkuus. Pienellä fotonivialla voidaan saavuttaa korkea viritys- ja uuttotehokkuus opto-optisella muunnostehokkuudella 60–70 %. Tuloksena oleva hyötysuhde on 25–35 %.

Eri kokoonpanot

Jatkuvan säteilyn kuituoptiset kvanttigeneraattorit voivat olla yksi- tai monimuotoisia (poikittaismuotoja varten). Yksimuotolaserit tuottavat korkealaatuisen säteen ilmakehän läpi toimiville tai säteileville materiaaleille, kun taas monimuotoiset teolliset kuitulaserit voivat tuottaa suurta tehoa. Sitä käytetään leikkaamiseen ja hitsaukseen sekä erityisesti lämpökäsittelyyn, jossa suuri alue on valaistu.

Pitkäpulssinen kuitulaser on pohjimmiltaan lähes jatkuva laite, joka tuottaa tyypillisesti millisekunnin tyyppisiä pulsseja. Tyypillisesti sen käyttösuhde on 10 %. Tämä johtaa korkeampaan huipputehoon kuin jatkuvassa tilassa (yleensä kymmenen kertaa enemmän), jota käytetään esimerkiksi pulssiporaukseen. Taajuus voi nousta 500 Hz:iin kestosta riippuen.

Q-kytkentä toimii kuitulasereissa samalla tavalla kuin bulkkilasereissa. Tyypillinen pulssin kesto on nanosekunnista mikrosekuntiin. Mitä pidempi kuitu, sitä kauemmin lähdön Q-kytkin kestää, jolloin pulssi on pidempi.

Kuituominaisuudet asettavat joitain rajoituksia Q-vaihdolle. Kuitulaserin epälineaarisuus on merkittävämpää ytimen pienen poikkileikkausalan vuoksi, joten huipputehoa on rajoitettava jonkin verran. Voidaan käyttää joko volumetrisiä Q-kytkimiä, jotka antavat paremman suorituskyvyn, tai kuitumodulaattoreita, jotka on kytketty aktiivisen osan päihin.

Q-kytkettyjä pulsseja voidaan vahvistaa kuidussa tai kaviteettiresonaattorissa. Esimerkki jälkimmäisestä löytyy National Nuclear Test Simulation Facilitysta (NIF, Livermore, CA), jossa ytterbiumkuitulaser on 192 säteen pääoskillaattori. Pienet pulssit suurissa seostetuissa lasilevyissä vahvistetaan megajouleiksi.

Lukituissa kuitulasereissa toistotaajuus riippuu vahvistusmateriaalin pituudesta, kuten muissakin tilan lukitusmenetelmissä, ja pulssin kesto riippuu vahvistuksen kaistanleveydestä. Lyhyimmät ovat alueella 50 fs ja tyypillisimpiä 100 fs.

Erbium- ja ytterbiumkuitujen välillä on tärkeä ero, minkä seurauksena ne toimivat eri dispersiotiloissa. Erbium-seostetut kuidut emittoivat 1550 nm:ssä epänormaalilla dispersioalueella. Tämä mahdollistaa solitonien tuotannon. Ytterbiumkuidut ovat positiivisen tai normaalin dispersion alueella; seurauksena ne tuottavat pulsseja, joilla on selvä lineaarinen modulaatiotaajuus. Tämän seurauksena saatetaan tarvita Bragg-hilaa pulssin pituuden tiivistämiseen.

On olemassa useita tapoja muokata kuitulaserpulsseja, erityisesti ultranopeita pikosekuntitutkimuksia varten. Fotonisista kidekuiduista voidaan valmistaa hyvin pieniä ytimiä voimakkaiden epälineaaristen vaikutusten, kuten superjatkuvuuden synnyttämiseksi. Sitä vastoin fotonikiteitä voidaan valmistaa myös erittäin suurilla yksimuotoytimillä, jotta vältetään epälineaariset efektit suurilla tehoilla.

Joustavat suuren ytimen fotonikidekuidut on suunniteltu suuritehoisiin sovelluksiin. Eräs tekniikka on tarkoituksellisesti taivuttaa tällaista kuitua ei-toivottujen korkeamman asteen moodien eliminoimiseksi säilyttäen vain perustavanlaatuinen poikittaismuoto. Epälineaarisuus luo harmonisia; vähentämällä ja lisäämällä taajuuksia voidaan luoda lyhyempiä ja pidempiä a altoja. Epälineaariset tehosteet voivat myös pakata pulsseja, mikä johtaa taajuuskampoihin.

Superjatkuvuuslähteenä erittäin lyhyet pulssit tuottavat laajan jatkuvan spektrin käyttämällä itsevaihemodulaatiota. Esimerkiksi ensimmäisistä 6 ps:n pulsseista 1050 nm:ssä, jotka ytterbiumkuitulaser luo, saadaan spektri alueella ultraviolettisäteilystä yli 1600 nm:iin. Toinen superjatkuvuus IR-lähde pumpataan erbiumlähteellä 1550 nm:ssä.

Suuritehoinen

Teollisuus on tällä hetkellä suurin kuitulaserien kuluttaja. Teholla on tällä hetkellä kova kysyntä.noin kilowattia, käytetään autoteollisuudessa. Autoteollisuus on siirtymässä kohti lujia teräsajoneuvoja täyttääkseen kestävyysvaatimukset ja ollakseen suhteellisen kevyitä paremman polttoainetalouden saavuttamiseksi. Esimerkiksi tavallisilla työstökoneilla on erittäin vaikea tehdä reikiä tällaiseen teräkseen, mutta koherentit säteilylähteet tekevät sen helpoksi.

Metallien leikkaamisella kuitulaserilla verrattuna muuntyyppisiin kvanttigeneraattoreihin on useita etuja. Esimerkiksi metallit absorboivat hyvin lähellä infrapuna-aallonpituuksia. Säde voidaan kuljettaa kuidun yli, jolloin robotti voi helposti siirtää tarkennusta leikkaamisen ja porauksen aikana.

Kuitu täyttää korkeimmatkin tehovaatimukset. Yhdysv altain laivaston vuonna 2014 testattu ase koostuu 6 kuituisista 5,5 kW:n lasereista, jotka on yhdistetty yhdeksi säteeksi ja lähettävät muodostavan optisen järjestelmän. 33 kW:n yksikköä käytettiin miehittämättömän lentokoneen tuhoamiseen. Vaikka säde ei ole yksimuotoinen, järjestelmä on mielenkiintoinen, koska sen avulla voit luoda kuitulaserin omin käsin tavallisista, helposti saatavilla olevista komponenteista.

IPG Photonicsin tehokkain yksimuotoinen koherentti valonlähde on 10 kW. Pääoskillaattori tuottaa kilowatin optista tehoa, joka syötetään vahvistinvaiheeseen pumpaten 1018 nm:llä muiden kuitulaserien valolla. Koko järjestelmä on kahden jääkaapin kokoinen.

Kuitulaserien käyttö on levinnyt myös suuritehoiseen leikkaukseen ja hitsaukseen. He esimerkiksi korvasivatteräslevyn vastushitsaus, joka ratkaisee materiaalin muodonmuutosongelman. Tehon ja muiden parametrien ohjaaminen mahdollistaa erittäin tarkan kaarteiden, erityisesti kulmien, leikkaamisen.

Tehokkain monimuotokuitulaser - saman valmistajan metallinleikkauskone - saavuttaa 100 kW. Järjestelmä perustuu epäkoherentin säteen yhdistelmään, joten se ei ole huippulaadukas säde. Tämä kestävyys tekee kuitulasereista houkuttelevia teollisuudelle.

Betonin poraus

4KW monimuotokuitulaseria voidaan käyttää betonin leikkaamiseen ja poraamiseen. Miksi tätä tarvitaan? Kun insinöörit yrittävät saavuttaa maanjäristyskestävyyden olemassa olevissa rakennuksissa, on betonin kanssa oltava erittäin varovainen. Jos siihen asennetaan esimerkiksi teräsraudoitus, tavanomainen vasaraporaus voi halkeilla ja heikentää betonin, mutta kuitulaserit leikkaavat sen murskaamatta sitä.

Q-kytkettyjä kuituja sisältäviä kvanttigeneraattoreita käytetään esimerkiksi merkintään tai puolijohdeelektroniikan valmistukseen. Niitä käytetään myös etäisyysmittauksissa: käsin kokoiset moduulit sisältävät silmille turvallisia kuitulasereita, joiden teho on 4 kW, taajuus 50 kHz ja pulssin leveys 5-15 ns.

Pintakäsittely

Mikro- ja nanotyöstössä käytettäviä pieniä kuitulasereita kohtaan on paljon kiinnostusta. Pintakerrosta poistettaessa, jos pulssin kesto on lyhyempi kuin 35 ps, materiaalista ei roiske. Tämä estää masennuksen muodostumista jamuita ei-toivottuja esineitä. Femtosekuntipulssit tuottavat epälineaarisia efektejä, jotka eivät ole herkkiä aallonpituudelle eivätkä lämmitä ympäröivää tilaa, mikä mahdollistaa toiminnan ilman merkittäviä vaurioita tai ympäröivien alueiden heikkenemistä. Lisäksi reikiä voidaan leikata korkeilla syvyys-leveyssuhteilla, kuten nopeasti (millisekunnissa) pienten reikien tekeminen 1 mm:n ruostumattomasta teräksestä käyttämällä 800 fs pulsseja 1 MHz:llä.

Voidaan käyttää myös läpinäkyvien materiaalien, kuten ihmisen silmien, pintakäsittelyyn. Silmän mikrokirurgian läpän leikkaamiseksi femtosekunnin pulssit kohdistetaan tiukasti suuren aukon objektiivilla silmän pinnan alapuolella olevaan kohtaan aiheuttamatta pintavaurioita, mutta tuhoamalla silmämateriaalin kontrolloidulla syvyydellä. Näön kann alta välttämätön sarveiskalvon sileä pinta säilyy ehjänä. Alha alta erotettu läppä voidaan sitten vetää ylös pinta-eksimeerilaserlinssin muodostamista varten. Muita lääketieteellisiä sovelluksia ovat matalan tunkeutumisen leikkaus dermatologiassa ja käyttö tietyntyyppisissä optisessa koherenssitomografiassa.

Femtosekuntilaserit

Femtosekuntien kvanttigeneraattoreita käytetään tieteessä viritysspektroskopiassa laserhajotuksella, aikaerotteisella fluoresenssispektroskopialla sekä yleisessä materiaalitutkimuksessa. Lisäksi niitä tarvitaan femtosekuntien taajuuden tuottamiseenmetrologiassa ja yleistutkimuksessa tarvittavat kammat. Yksi todellisista sovelluksista lyhyellä aikavälillä on atomikellot seuraavan sukupolven GPS-satelliitteihin, jotka parantavat paikannustarkkuutta.

Yksitaajuinen kuitulaser tuotetaan spektrin viivanleveydellä alle 1 kHz. Se on vaikuttavan pieni laite, jonka lähtöteho vaihtelee 10mW - 1W. Sillä on käyttöä viestinnän, metrologian (esimerkiksi kuitugyroskooppien) ja spektroskopian alalla.

Mitä seuraavaksi?

Muiden T&K-sovellusten os alta tutkitaan monia muitakin. Esimerkiksi muilla aloilla sovellettavissa oleva sotilaallinen kehitystyö, joka koostuu kuitulasersäteiden yhdistämisestä yhdeksi korkealaatuiseksi säteeksi koherentilla tai spektriyhdistelmällä. Tämän seurauksena yksimuotosäteessä saavutetaan enemmän tehoa.

Kuitulaserien tuotanto kasvaa nopeasti erityisesti autoteollisuuden tarpeisiin. Myös ei-kuitulaitteita korvataan kuitukäyttöisillä. Yleisten kustannusten ja suorituskyvyn parannusten lisäksi femtosekuntien kvanttigeneraattorit ja superjatkuvuuslähteet ovat yhä käytännöllisempiä. Kuitulasereista on tulossa markkinarakoja, ja niistä on tulossa parannuslähde muun tyyppisille lasereille.