Ytterbiový vláknový laser: zařízení, princip fungování, výkon, výroba, aplikace

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Vláknové lasery jsou kompaktní a odolné, přesně míří a snadno rozptylují tepelnou energii. Přicházejí v různých formách, a přestože mají mnoho společného s jinými typy optických kvantových generátorů, mají své vlastní jedinečné výhody.

Vláknové lasery: jak fungují

Zařízení tohoto typu jsou variantou standardního pevného zdroje koherentního záření s pracovním médiem vyrobeným z vlákna spíše než z tyče, desky nebo disku. Světlo je generováno příměsí ve středu vlákna. Základní struktura se může pohybovat od jednoduchých až po poměrně složité. Konstrukce laseru s ytterbiovým vláknem je taková, že vlákno má velký poměr povrchu k objemu, takže teplo lze poměrně snadno odvádět.

Vláknové lasery jsou opticky pumpovány, nejčastěji pomocí diodových kvantových generátorů, ale v některých případech ze stejných zdrojů. Optikou používanou v těchto systémech jsou typicky vláknové komponenty, přičemž většina nebo všechny z nich jsou vzájemně propojeny. V některých případechpoužívá se volumetrická optika a někdy je vnitřní systém optických vláken kombinován s externí volumetrickou optikou.

Zdrojem čerpání diody může být dioda, matice nebo množství jednotlivých diod, z nichž každá je připojena ke konektoru světlovodem z optických vláken. Dopované vlákno má na každém konci dutinové zrcadlo rezonátoru - v praxi se ve vláknu vyrábějí Braggovy mřížky. Na koncích není žádná objemná optika, pokud výstupní paprsek nejde do něčeho jiného než do vlákna. Světlovod lze otočit, takže na přání může být dutina laseru dlouhá několik metrů.

Dvoujádrová struktura

Struktura vlákna používaného ve vláknových laserech je důležitá. Nejběžnější geometrií je struktura se dvěma jádry. Nedopované vnější jádro (někdy nazývané vnitřní plášť) shromažďuje čerpané světlo a směřuje ho podél vlákna. Stimulovaná emise generovaná ve vláknu prochází vnitřním jádrem, které je často jednovidové. Vnitřní jádro obsahuje ytterbium dopant stimulovaný světelným paprskem pumpy. Existuje mnoho nekruhových tvarů vnějšího jádra, včetně šestiúhelníkového, D-tvaru a obdélníkového tvaru, které snižují šanci, že světelný paprsek chybí z centrálního jádra.

Vláknový laser lze čerpat na konci nebo ze strany. V prvním případě světlo z jednoho nebo více zdrojů vstupuje na konec vlákna. Při bočním čerpání je světlo přiváděno do rozdělovače, který jej dodává do vnějšího jádra. tose liší od tyčového laseru, kde světlo vstupuje kolmo k ose.

Toto řešení vyžaduje hodně vývoje designu. Značná pozornost je věnována vhánění světla pumpy do jádra, aby došlo k inverzi populace vedoucí ke stimulované emisi ve vnitřním jádru. Laserové jádro může mít různý stupeň zesílení v závislosti na dotování vlákna a také na jeho délce. Tyto faktory upravuje konstruktér tak, aby získal požadované parametry.

Může dojít k omezení napájení, zejména při provozu v rámci jednovidového vlákna. Takové jádro má velmi malou plochu průřezu a v důsledku toho jím prochází světlo velmi vysoké intenzity. Zároveň je stále patrnější nelineární Brillouinův rozptyl, který omezuje výstupní výkon na několik tisíc wattů. Pokud je výstupní signál dostatečně vysoký, může dojít k poškození konce vlákna.

Funkce vláknových laserů

Použití vlákna jako pracovního média poskytuje dlouhou délku interakce, která dobře funguje při čerpání diod. Tato geometrie má za následek vysokou účinnost přeměny fotonů a také robustní a kompaktní design bez diskrétní optiky k nastavení nebo vyrovnání.

Vláknový laser, jehož zařízení umožňuje dobré přizpůsobení, lze přizpůsobit jak pro svařování tlustých plechů, tak pro vytváření femtosekundových pulzů. Optické zesilovače poskytují jednoprůchodové zesílení a používají se v telekomunikacích, protože jsou schopny zesílit mnoho vlnových délek současně. Stejný zisk se používá u výkonových zesilovačů s hlavním oscilátorem. V některých případech může zesilovač pracovat s CW laserem.

Dalším příkladem jsou zdroje spontánní emise zesílené vlákny, ve kterých je stimulovaná emise potlačena. Dalším příkladem je Ramanův vláknový laser s kombinovaným rozptylovým zesílením, který výrazně posouvá vlnovou délku. Našel uplatnění ve vědeckém výzkumu, kde se pro Ramanovu generaci a zesílení používají fluoridová skleněná vlákna, spíše než standardní křemenná vlákna.

Vlákna jsou však zpravidla vyrobena z křemenného skla s příměsí vzácných zemin v jádru. Hlavními přísadami jsou ytterbium a erbium. Ytterbium má vlnové délky od 1030 do 1080 nm a může vyzařovat v širším rozsahu. Použití 940 nm diodového čerpání výrazně snižuje fotonový deficit. Ytterbium nemá žádné samozhášivé účinky, které má neodym při vysokých hustotách, takže neodym se používá v hromadných laserech a ytterbium ve vláknových laserech (oba poskytují zhruba stejnou vlnovou délku).

Erbium vyzařuje v rozsahu 1530-1620 nm, což je pro oči bezpečné. Frekvenci lze zdvojnásobit, aby se vytvořilo světlo o vlnové délce 780 nm, které není dostupné pro jiné typy vláknových laserů. Nakonec lze do erbia přidat ytterbium takovým způsobem, že prvek absorbuječerpat záření a přenášet tuto energii na erbium. Thulium je další dopant pro blízké infračervené záření, který je tedy materiálem bezpečným pro oči.

Vysoká účinnost

Vláknový laser je kvazi-tříúrovňový systém. Foton pumpy vybudí přechod ze základního stavu do horní úrovně. Laserový přechod je přechod z nejnižší části horní úrovně do jednoho z rozdělených základních stavů. To je velmi efektivní: například ytterbium s 940 nm pumpovým fotonem emituje foton s vlnovou délkou 1030 nm a kvantovým defektem (ztrátou energie) jen asi 9 %.

Naproti tomu neodym čerpaný při 808nm ztrácí asi 24 % své energie. Ytterbium má tedy ze své podstaty vyšší účinnost, i když ne všechna je dosažitelná kvůli ztrátě některých fotonů. Yb lze čerpat v řadě frekvenčních pásem, zatímco erbium lze čerpat při 1480 nebo 980 nm. Vyšší frekvence není tak efektivní z hlediska fotonového defektu, ale užitečná i v tomto případě, protože jsou k dispozici lepší zdroje při 980nm.

Obecně je účinnost vláknového laseru výsledkem dvoustupňového procesu. Za prvé je to účinnost diody čerpadla. Polovodičové zdroje koherentního záření jsou velmi účinné, s 50% účinností při přeměně elektrického signálu na optický. Výsledky laboratorních studií naznačují, že je možné dosáhnout hodnoty 70 % i více. S přesnou shodou výstupní radiační linieabsorpce vláknového laseru a vysoká účinnost čerpadla.

Za druhé je účinnost opticko-optické konverze. S malým fotonovým defektem lze dosáhnout vysokého stupně účinnosti excitace a extrakce s účinností optooptické konverze 60–70 %. Výsledná účinnost se pohybuje v rozmezí 25–35 %.

Různé konfigurace

Kvantové generátory spojitého záření z optických vláken mohou být jedno- nebo vícevidové (pro příčné režimy). Jednomódové lasery produkují vysoce kvalitní paprsek pro materiály pracující nebo vyzařující atmosféru, zatímco multimódové průmyslové vláknové lasery mohou generovat vysoký výkon. To se používá pro řezání a svařování a zejména pro tepelné zpracování, kde je osvětlena velká plocha.

Vláknový laser s dlouhými pulzy je v podstatě kvazi-kontinuální zařízení, které typicky produkuje pulzy milisekundového typu. Jeho pracovní cyklus je obvykle 10 %. To má za následek vyšší špičkový výkon než v kontinuálním režimu (obvykle desetkrát více), který se používá například pro pulzní vrtání. Frekvence může dosáhnout 500 Hz, v závislosti na délce trvání.

Q-přepínání u vláknových laserů funguje stejně jako u hromadných laserů. Typická doba trvání pulsu je v rozsahu nanosekund až mikrosekund. Čím delší vlákno, tím déle trvá Q-přepnutí výstupu, což má za následek delší pulz.

Vlastnosti vlákna ukládají určitá omezení pro Q-přepínání. Nelinearita vláknového laseru je významnější kvůli malé ploše průřezu jádra, takže špičkový výkon musí být poněkud omezen. Lze použít buď volumetrické Q spínače, které poskytují lepší výkon, nebo vláknové modulátory, které jsou připojeny na konce aktivní části.

Q-spínané pulsy mohou být zesíleny ve vláknu nebo v dutinovém rezonátoru. Příklad posledně jmenovaného lze nalézt v National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), kde ytterbiový vláknový laser je hlavním oscilátorem pro 192 paprsků. Malé pulzy ve velkých dopovaných skleněných deskách jsou zesíleny na megajouly.

V uzamčených vláknových laserech závisí opakovací frekvence na délce materiálu zesílení, stejně jako v jiných schématech blokování režimu, a trvání impulsu závisí na šířce pásma zesílení. Nejkratší jsou v rozsahu 50 fs a nejtypičtější jsou v rozsahu 100 fs.

Mezi erbiovými a ytterbiovými vlákny je důležitý rozdíl, v důsledku čehož fungují v různých režimech rozptylu. Erbiem dotovaná vlákna emitují při 1550 nm v oblasti anomální disperze. To umožňuje výrobu solitonů. Vlákna ytterbia jsou v oblasti pozitivní nebo normální disperze; v důsledku toho generují impulsy s výraznou lineární modulační frekvencí. V důsledku toho může být zapotřebí Braggova mřížka ke zkrácení délky pulzu.

Existuje několik způsobů, jak upravit pulzy vláknového laseru, zejména pro ultrarychlé pikosekundové studie. Vlákna fotonických krystalů mohou být vyrobena s velmi malými jádry pro vytvoření silných nelineárních efektů, jako je generování superkontinua. Na rozdíl od toho lze fotonické krystaly vyrobit také s velmi velkými jednovidovými jádry, aby se zabránilo nelineárním efektům při vysokých výkonech.

Flexibilní vlákna fotonického krystalu s velkým jádrem jsou navržena pro aplikace s vysokým výkonem. Jednou z technik je záměrné ohýbání takového vlákna, aby se eliminovaly jakékoli nežádoucí módy vyššího řádu, přičemž se zachoval pouze základní příčný mód. Nelinearita vytváří harmonické; odečítáním a přičítáním frekvencí lze vytvářet kratší a delší vlny. Nelineární efekty mohou také komprimovat pulzy, což má za následek frekvenční hřebeny.

Jako zdroj superkontinua vytvářejí velmi krátké impulsy široké spojité spektrum pomocí samofázové modulace. Například z počátečních pulzů 6 ps při 1050 nm, které vytváří laser s ytterbiovými vlákny, se získá spektrum v rozsahu od ultrafialového do více než 1600 nm. Další superkontinuální IR zdroj je čerpán erbiovým zdrojem při 1550 nm.

Vysoký výkon

Průmysl je v současnosti největším spotřebitelem vláknových laserů. Energie je nyní velmi žádaná.asi kilowatt, používaný v automobilovém průmyslu. Automobilový průmysl směřuje k vozidlům z vysokopevnostní oceli, aby splňovaly požadavky na odolnost a byly relativně lehké pro lepší spotřebu paliva. Pro běžné obráběcí stroje je například velmi obtížné děrovat otvory do tohoto druhu oceli, ale koherentní zdroje záření to usnadňují.

Řezání kovů vláknovým laserem má oproti jiným typům kvantových generátorů řadu výhod. Například blízké infračervené vlnové délky jsou dobře absorbovány kovy. Paprsek může být veden přes vlákno, což umožňuje robotu snadno pohybovat zaostřením při řezání a vrtání.

Vlákno splňuje nejvyšší požadavky na napájení. Zbraň amerického námořnictva testovaná v roce 2014 se skládá z 6vláknových 5,5kW laserů spojených do jednoho paprsku a emitovaných prostřednictvím formujícího se optického systému. Jednotka o výkonu 33 kW byla použita ke zničení bezpilotního letounu. Přestože paprsek není jednovidový, systém je zajímavý, protože umožňuje vytvořit vláknový laser vlastníma rukama ze standardních, snadno dostupných komponent.

Nejvyšší výkon jednorežimového koherentního zdroje světla od IPG Photonics je 10 kW. Hlavní oscilátor produkuje kilowatt optického výkonu, který je přiváděn do zesilovacího stupně čerpaného při 1018 nm světlem z jiných vláknových laserů. Celý systém má velikost dvou ledniček.

Použití vláknových laserů se také rozšířilo na vysoce výkonné řezání a svařování. Například vyměniliodporové svařování ocelového plechu, řešení problému deformace materiálu. Ovládání výkonu a dalších parametrů umožňuje velmi přesné řezání křivek, zejména rohů.

Nejvýkonnější multimódový vláknový laser – řezací stroj na kov od stejného výrobce – dosahuje výkonu 100 kW. Systém je založen na kombinaci nekoherentního paprsku, nejedná se tedy o ultrakvalitní paprsek. Díky této odolnosti jsou vláknové lasery atraktivní pro průmysl.

Vrtání do betonu

4KW multimódový vláknový laser lze použít pro řezání a vrtání betonu. Proč je to potřeba? Když se inženýři snaží dosáhnout odolnosti vůči zemětřesení ve stávajících budovách, musí být s betonem velmi opatrní. Pokud je v něm například instalována ocelová výztuž, může konvenční vrtání s příklepem prasknout a oslabit beton, ale vláknové lasery jej řežou, aniž by ho rozdrtily.

Kvantové generátory s Q-spínaným vláknem se používají např. pro značení nebo při výrobě polovodičové elektroniky. Používají se také v dálkoměrech: moduly ruční velikosti obsahují vláknové lasery bezpečné pro oči s výkonem 4 kW, frekvencí 50 kHz a šířkou pulzu 5-15 ns.

Povrchová úprava

O malé vláknové lasery pro mikro- a nanomobrábění je velký zájem. Při odstraňování povrchové vrstvy, pokud je doba trvání pulzu kratší než 35 ps, nedochází k rozstřiku materiálu. Předchází se tak vzniku depresí adalší nežádoucí artefakty. Femtosekundové impulsy produkují nelineární efekty, které nejsou citlivé na vlnovou délku a nezahřívají okolní prostor, což umožňuje provoz bez výrazného poškození nebo oslabení okolních oblastí. Kromě toho lze otvory řezat ve vysokém poměru hloubky k šířce, například rychle (během milisekund) vytvářet malé otvory v 1mm nerezové oceli pomocí pulsů 800 fs při 1 MHz.

Lze také použít pro povrchovou úpravu průhledných materiálů, jako jsou lidské oči. K odříznutí klapky v oční mikrochirurgii jsou femtosekundové pulsy pevně zaostřeny objektivem s vysokou aperturou v bodě pod povrchem oka, aniž by došlo k jakémukoli poškození povrchu, ale ke zničení očního materiálu v kontrolované hloubce. Hladký povrch rohovky, který je nezbytný pro vidění, zůstává nedotčen. Chlopeň, oddělená zespodu, lze poté vytáhnout nahoru a vytvořit čočku povrchového excimerového laseru. Mezi další lékařské aplikace patří chirurgie s mělkým průnikem v dermatologii a použití v některých typech optické koherentní tomografie.

Femtosekundové lasery

Femtosekundové kvantové generátory se ve vědě používají pro excitační spektroskopii s laserovým průrazem, časově rozlišenou fluorescenční spektroskopii a také pro obecný materiálový výzkum. Navíc jsou potřebné pro produkci femtosekundové frekvencehřebeny potřebné v metrologii a obecném výzkumu. Jednou ze skutečných aplikací v krátkodobém horizontu budou atomové hodiny pro satelity GPS nové generace, které zlepší přesnost určování polohy.

Jednofrekvenční vláknový laser se vyrábí se spektrální šířkou čáry menší než 1 kHz. Jedná se o působivě malé zařízení s výstupním výkonem od 10 mW do 1 W. Uplatnění nachází v oblasti komunikací, metrologie (například ve vláknových gyroskopech) a spektroskopie.

Co bude dál?

Pokud jde o další aplikace výzkumu a vývoje, mnohé další se zkoumají. Například vojenský vývoj, který lze aplikovat i na další oblasti, který spočívá ve spojení vláknových laserových paprsků k získání jednoho vysoce kvalitního paprsku pomocí koherentní nebo spektrální kombinace. Výsledkem je větší výkon v jednorežimovém paprsku.

Výroba vláknových laserů rychle roste, zejména pro potřeby automobilového průmyslu. Nevláknová zařízení jsou také nahrazována vláknovými. Kromě obecných zlepšení nákladů a výkonu se stále praktičtější stávají femtosekundové kvantové generátory a zdroje superkontinua. Vláknové lasery jsou stále více specializované a stávají se zdrojem vylepšení pro jiné typy laserů.