Iterbio fibro laseron: la aparato, la mastruma principo, potenco, produktado, uzo

Fibro laseroj estas kompaktaj kaj durable, precizajn kaj facile disjxetu induktita varmeco. Ili venas en malsamaj tipoj kaj havi tre fari kun laseroj de aliaj tipoj havas proprajn unika avantaĝoj.

Fibro laseroj: operacio

Mekanismoj de ĉi tiu tipo estas la norma vario de la solida stato fonto de kohera radiado de la fibro, anstataŭ vergo laboranta fluido, telero aŭ disko. La lumo generita per la dopant en la centra parto de la fibro. La baza strukturo povas varii de simpla por tre kompleksa. Iterbio fibro laseron aparato tia, ke la fibroj havas grandan surfacon al volumeno proporcio, do la varmo povas difuzis relative facile.

Fibro laseroj estas pumpitaj optike, ofte kun helpo de diodo laseroj, sed en iuj kazoj - la samaj fontoj. Optiko uzita en ĉi tiuj sistemoj estas kutime reprezentas optika komponantojn, kiuj plej aŭ ĉiuj el ili estas ligitaj al unu la alian. En iuj kazoj, dika optiko, kaj foje internaj optika fibro sistemo estas kombinita kun ekstera dika optiko.

Diodo pumpilo fonto eble estas diodo tabelo, aŭ pluralidad de individuaj diodoj, ĉiu el kiuj estas ligitaj al la conector de optika fibro gvidas de ondo. Dopita fibro ambaŭfine havas spegulon kavo resono - praktike fari la fibro Bragg kradon. Ĉe la randoj de dika optiko havas, se ne nur la eligo trabo eniras ion krom fibro. La lumo gvidilon povas esti torditaj por ke se dezirata la laseron kavo povas havi longon de pluraj metroj.

binuclear

Strukturo fibroj uzataj en fibro laseroj, estas grava. La plej komuna estas la geometrio de duobla kerno strukturo. Undoped eksteran kernon (foje nomata kiel la intima) pumpita kolektas lumon kaj ĝi direktas ŝin laŭ la fibro. Stimulis radiado generita en la fibro trapasas la internan kernon, kiu estas ofte sola modo. La interna kerno enhavas adicia iterbio, stimulita de la pumpilo lumo. Estas multaj formoj de noncircular eksteran kernon inkluzive - seslatera, D-forma kaj rektangula, reduktante la probablo de misses la fasko de lumo en la centra kerno.

La fibro laseron povas havi finon aŭ flanko bombasto. En la unua kazo lumon de unu aŭ pluraj fontoj eniras la fibro fino. Kiam la flanko bombasto lumo estas liverita al divisor kiu nutras lin en la eksteran kernon. Ĉi tio diferencas de la lasero vergo kie la lumo eniras perpendikulara al la akso.

Por tia decido postulas multajn strukturan evoluoj. Konsiderinda atento estas pagita al resumante la pumpilo lumo en la kerno por produkti loĝantaro inversigo, kondukante al stimulis emisión en la interna kerno. laseron kerna povas havi diversajn gradojn de amplificación en la fibro depende de la dopaje, kaj ankaŭ sur ĝia longo. Ĉi tiuj faktoroj estas fiksita kiel dezajno inĝeniero por la postulata parametroj.

Potenco limo povas okazi, aparte kiam funkcianta ene de ununura-mode fibro. Tia kerna havas tre malgrandaj transversaj areo, kaj rezulte pasas therethrough lumon de tre alta intenseco. Kiam ĉi fariĝas pli prononcita ne-lineara Brillouin disĵeto, kio limigas la potenco de eliro de pluraj miloj da vatoj. Se la produktado estas sufiĉe alta, la fibro fino povas esti difektita.

Precipe fibro laseroj

La uzo de fibro kiel laboranta fluido donas plej grandan interagon longo, kaj taŭgas kiam la diodo bombasto. Tiu geometrio rezultigas altan konvertiĝo efikeco de fotonoj, tiel kiel fidinda kaj kompakta konstruo, en kiu neniu diskreta optiko, postulas ĝustigu aŭ alineación.

Al fibro laseron, kiu aparato permesas adapti bone, povas esti adaptita por veldado de dikaj metalaj folioj kaj produkti femtosecond pulsos. Optika fibro amplifiloj provizas unu-pasejo gajno kaj estas uzita en telekomunikadoj, kiel ili povas amplifi multajn ondolongoj samtempe. La sama gajno estas uzata en potenco amplifiloj kun mastro oscilo. En iuj kazoj, la amplifilo povas esti funkciita kun kontinua ondo laseron.

Alia ekzemplo estas fonto de emisión spontanea de la fibro-plifortigo, en kiu la stimulis emisión estas elstrekita. Alia ekzemplo estas Raman fibro laseron kombinita kun pliigita dispersión, substance tondi ondolongo. Ĝi trovis aplikon en esploro, kie la kombinaĵo de generacio kaj amplificación uzante fluoro vitro anstataŭ la norma siliko fibroj.

Tamen, ĝenerale, fibroj el siliko vitro kun maloftaj teroj dopant en la kerno. La baza aldonaĵoj estas iterbio kaj erbio. Iterbio havas ondolongoj de 1030 al 1080 nm, kaj povas elsendi la super larĝa gamo. La uzo de 940-nm diodo pumpilo grave reduktas la deficito de fotonoj. Iterbio havas nek mem-quenching efikojn, kiuj estas je neodimo ĉe altaj densecoj, do la lasta estas uzata amase laseroj kaj iterbio - en fibro (ili ambaŭ provizas proksimume la sama longitudo de ondo).

Erbio elsendas en la intervalo 1530-1620 nm, sekura por la okuloj. La ofteco povas dubli por generi lumo ĉe 780 nm, kio ne estas disponebla por aliaj specoj de fibro laseroj. Fine, iterbio povas aldoni al erbio tiel ke la elemento sorbos la pumpilo radiado kaj publikigi tiun energion por erbio. Tulio - alia dopant al la emisión en la transruĝa proksima regiono, kiu tiel estas sekura por la okulo bildoj.

alta efikeco

La fibro laseron estas kvazaŭ-tri-nivela sistemo. la pumpilo fotonoj eksciti la transiro de la tera stato al la supra tavolo. Lasero transiro estas de la plej malalta parto de la supra nivelo ĉe unu el la disigo disfrakasis ŝtatoj. Tio ĉi estas tre efika: ekzemple, iterbio-940 nm fotono pumpilo elsendas fotonon kun ondolongo de 1030 Nm, kaj la kvantuma difekto (energio perdo), nur proksimume 9%.

Kontraste, neodimo, pumpita ĉe 808 nm perdas ĉirkaŭ 24% de energio. Tiel, iterbio esence havas altan efikecon, kvankam ne ĉiuj estas efektivigebla pro la perdo de kelkaj el la fotonoj. YB povas esti pumpita en kelkaj bandoj de ofteco kaj erbio - ondolongo de 1480 aŭ 980 nm. La pli alta frekvenco ne estas tiel efika laŭ difekto fotonoj, sed utila, eĉ en ĉi tiu kazo, ĉar ĉe 980 nm, la plej bona fontoj haveblaj.

Entute efikeco de la fibro laseron estas la rezulto de du-paŝa procezo. Unue, ĝi estas la efikeco de la pumpilo diodo. Semiconductor fontojn de kohera radiado estas tre efika, kun 50% efikeco konverti elektran signalon al optika. La rezultoj de studoj de laboratorio sugestas ke eblas atingi valoron de 70% aŭ pli. Kun ĝusta matĉo produktadon radiado absorbolinio fibro laseron estas atingita kaj altan bombasto efikeco.

Due, tiu optika-optika konvertiĝo efikeco. Kiam malgranda difekto fotonoj povas atingi altan gradon de ekscito kaj la eltiro efikeco de optika-optika konvertiĝo efikeco de 60-70%. La rezulta efikeco estas en la gamo 25-35%.

diversaj agordoj

Fibro kvantuma kontinuan ondo generatoroj povas esti ununura aŭ multimode (transversaj modoj). Singlemode produkti altan kvaliton trabo por materialoj, laborante aŭ sendante trabo tra la atmosfero, kaj multimode industriaj fibro laseroj povas generi pli potenco. Ĝi estas uzata por tranĉi kaj veldo, kaj precipe por termika traktado, kie granda areo estas lumigita.

La longa fibro laseron estas substance kvazaŭ-kontinua aparato kutime milisegundo pulsos generanta tipo. Kutimas esti la devo ciklo estas 10%. Tio kondukas al pli alta pinto potenco ol la kontinuan modon (tipe dekoble) kiu estas uzata, ekzemple, por premita borado. La ofteco eble 500 Hz, depende de la daŭro.

Q-conmutación en fibro laseroj ankaŭ funkcias kiel en la macizo. Tipa pulso daŭro estas en la gamo de nanosegundos por mikrosekundoj. Ju pli longe la fibro, la pli longa ĝi prenas por Q-conmutación de la produktado radiado, rezultante en pli longa pulso.

Fibro ecoj estas kelkaj limigoj en la Q modulado. La _nonlinearity_ de la fibro laseron estas pli signifa pro la malgrandaj transversaj areo de la kerno, tiel ke la pinto potenco devus esti iom limigita. Vi povas uzi aŭ la Q volumo ŝaltiloj, kiu provizas pli altan rendimenton, aŭ optika moduladores, kiu estas konektita al la finoj de la aktiva parto.

Q conmutación pulsos eblas amplifita en fibro aŭ en la kavo de resono. Ekzemplo de tiu lasta povas trovi en la Nacia Kompleksaj simulado de nukleaj testoj (NIF, Livermore, CA), kie la fibro laseron estas majstro oscilo por 192 traboj. Malgrandaj pulsos en grandaj platoj de vitro dopita amplifita al megajoules.

En fibro laseroj kun sincronización ripeto ofteco dependas de la longo de la plifortigi materialo, kiel en la aliaj formoj de sincronización cirkvitoj kaj pulso daŭro dependas de la kapablo plibonigi traigivo. La plej mallonga estas en la gamo de 50 fs kaj plej tipa - en la gamo de 100 fs.

Inter iterbio kaj erbio fibro, estas grava diferenco, per kio ili operacias en malsamaj modaloj dispersión. Erbio-dopita fibro elsendante en 1550 nm en regiono de anomalia dispersión. Tio ebligas solitons. Itterbievye fibroj estas en pozitiva aŭ normala dispersión; rezulte, ili generas pulsos kun lineara frekvenca modulado prononcita. Rezulte de Bragg kradon ĝi devas kunpremi la pulson longo.

Estas pluraj manieroj por modifi la fibro-laseron pulsos, precipe por picosecond ultrafast studoj. Photonic kristalo fibroj povas esti fabrikita kun tre malgrandaj kernoj por forta nelinearaj efikoj, kiel ekzemple por supercontinuum generacio. Kontraste, la photonic kristaloj povas ankaŭ esti fabrikita kun tre granda ununura-mode kerna por eviti nelinearaj efikoj ĉe alta povojn.

Fleksebla photonic kristalo fibro kun grandaj kerna kreita por aplikoj postulanta altan potencon. Unu el la metodoj estas intenca Bending de la fibro por forigi ajnan nedeziratan altan ordon formoj subtenante fundamenta transversa modo. La ne-lineareco kreas harmoniko; kaj per subtrahanta la ofteco de kunmeto, vi povas krei pli mallonga kaj pli longaj ondolongoj. Nelinearaj efikoj povas ankaŭ produkti pulson kunpremo, kiu kondukas al la apero de ofteco ĉelaroj.

La supercontinuum fonto kiel tre mallongaj pulsoj produkti kontinuan spektron tra fazo modulado. Ekzemple, de la komenca 6 ps pulsos en 1050 nm, kio kreas la iterbio fibro laseron spektro akiris en la intervalo de transviola al pli ol 1600 nm. Alia fonto de IR-pumpita erbio-supercontinuum fonto je ondolongo de 1550 nm.

alta potenco

Industrio estas nuntempe la plej granda konsumanto de fibro laseroj. En alta postulo nun ĝuas la potenco de la ordo de kilovatoj uzata en la industrio automotriz. La industrio de la aŭto estas movanta al la produktado de ŝtalo de alta rezisto aŭtoj por plenumi la postulojn de durabilidad kaj estas relative facila por granda ekonomio de brulaĵo. Konvencia maŝino iloj estas tre malfacila, ekzemple, bati truoj en ĉi tiu tipo de ŝtalo kaj la fontoj de kohera radiado faras ĝin facila.

Tranĉante metalaj fibroj lasero, kompare kun aliaj tipoj de kvantuma generatoro havas kelkajn avantaĝojn. Ekzemple, preskaŭ-infraruĝaj waveband bone absorbita metaloj. Trabo povas esti transdonitaj tra la fibro, kiu permesas la roboto por facile movi la fokuson al la tranĉi kaj borado.

Optika fibro kontentigas la plej altajn postulojn por potenco. Armiloj Usona Mararmeo, provitaj en 2014, konsistas el 6-fibro 5.5-kilovato laseroj kombinitaj en unu trabo kaj radiante tra formante optikan sistemon. 33 kW unuo estis uzata por venki senpilotaj aeraj veturiloj. Kvankam la trabo estas ne unu-maniero, la sistemo estas de intereso, ĉar ĝi permesas krei fibron laseron kun la manoj el normo, facile havebla ingrediencoj.

La plej alta povo de sola maniero kohera lumo fontoj de IPG Photonics estas 10 kW. La mastro oscilo produktas vatto de optika potenco, kiu estas provizita al amplifilon stadio pumpita en 1018 nm kun lumo de aliaj fibroj laseroj. La tuta sistemo havas grandecon de du fridujoj.

La uzo de fibro laseroj ankaŭ etendita al la alta potenco kortego kaj veldo. Ekzemple, ili anstataŭis rezisto veldo ŝtalo folio solvi la problemon de deformación de la materialo. Potenco kontrolo kaj aliaj parametroj permesas tre preciza kortego kurboj, speciale la anguloj.

La plej potenca multimode fibro laseron - por tranĉanta metalojn de la sama fabrikanto - ĝis 100 kW. La sistemo estas bazita sur kombinaĵo de nekoheraj trabo, do ĝi ne estas super altkvalitaj trabo. Tiu rezisto faras fibron laseroj alloga por industrio.

konkreta borado

Multimode fibro laseron produktado de 4 kW povas esti uzata por tranĉi kaj konkretaj borado. Kial tio? Kiam inĝenieroj provas atingi sisma rezisto de ekzistantaj konstruaĵoj, esti tre zorgema kun la betonon. Kiam instalita en ĝi, kiel ekzemple ŝtalo plifortigo konvencia perkutado borado povas kaŭzi difektojn kaj malfortigi la konkretaj, sed fibro laseroj tranĉis sen disfrakasis.

Lasers kun Q conmutación fibro uzata ekzemple por markigo aŭ en la fabrikado de semiconductores elektroniko. Ili ankaŭ estas uzitaj en gamo buscadores: moduloj estas la grandeco de mano enhavas okulo-sekuraj fibro laseroj kies produktado estas 4 kW, la frekvenco de 50 kHz kaj premas daŭro de 5-15 ns.

surfaco kuracado

Ekzistas granda intereso en malgrandaj fibroj laseroj por mikro kaj nanoprocessing. Kiam forigante la surfaco tavolo, se la pulso daŭro estas pli mallonga ol 35 ps, neniu aspergante materialo. Ĉi malhelpas la formado de kavetoj kaj aliaj nedezirindaj artefaktoj. La pulsoj en la femtosecond reĝimo produkti nelinearaj efikoj, kiuj ne estas sentemaj al la longitudo de ondo kaj la ĉirkaŭa regiono ne estas hejtita, permesante labori sen granda damaĝo aŭ malfortiĝo de la ĉirkaŭaj areoj. Aldone, truoj por pereigi kun alta profundo al larĝa - ekzemple, rapide (post kelkaj milisekundoj) Malgrandaj truoj de 1 mm uzante neoksidebla ŝtalo 800-fs pulsos kun ofteco de 1 MHz.

Ĝi estas ankaŭ ebla por produkti surfaco-traktita travidebla materialoj, ekz-e, la homa okulo. Tranĉi frapeto ĉe okulo microcirugía, femtosecond pulsos vysokoaperturnym forte fokuso lenso ĉe punkto sub la surfaco de la okulo sen kaŭzi neniun damaĝon sur la surfaco, sed la okulo de detruante materialo sur kontrolita profundon. La glata surfaco de la korneo, kiu estas esenca por vizio restas nerompita. La frapeto estas disigita de la fundo, tiam povas esti tirita supren al surfaco excimer lasero formante lenso. Aliaj medicinaj aplikoj inkludas kirurgion malprofunda penetrado en dermatología, tiel kiel la uzo de certaj specoj de optika kohereco tomografio.

femtosecond laseroj

Femtosecond laseroj en scienco uzata por eksciti la laseron rompo spektroskopio, fluorescencia spektroskopio kun tempa rezolucio, kaj ankaŭ por ĝenerala materialoj esploro. Krome, ili estas necesaj por la produktado de femtosecond frekvenca kombilo postulata en metrología kaj ĝenerala studoj. Unu el la veraj aplikoj baldaŭ estos la atomaj horloĝoj de la GPS satelitoj de nova generacio, kiu pliigos la investon precizeco.

Sola ofteco fibro laseron estas farata per spektra linewidth de malpli ol 1 kHz. Tiu impona aparato kun malgranda radiado produktadan potencon de 10 mW al 1W. Trovas aplikon en la kampo de komunikadoj, Metrology (ekz, en fibro giroskopoj) kaj spektroskopio.

Kio sekvas?

Kaj pri aliaj esploroj aplikoj, ĝi estas ankoraŭ multe el ili estas studita. Ekzemple, armea inĝenieristiko, kiu povas esti aplikita en aliaj regionoj, kio konsistas en kombini fibra-radio laser akiri altan trabo uzante la kohera aŭ spektra kombinaĵo. Rezulte, pli potenco fariĝas per unu-modon trabo.

Produktado de fibro laseroj kreskas rapide, precipe por la industrio automotriz bezonoj. Ankaŭ, estas anstataŭigo de ne-fibreca fibro aparatoj. Krom ĝeneralaj plibonigoj en kosto kaj rendimento, estas pli praktika femtosecond laseroj kaj supercontinuum fontoj. Fibro laseroj okupi pli niĉoj kaj fariĝi fonto de plibonigo por aliaj specoj de laseroj.