Fibra Ytterbium laser: l-apparat, il-prinċipju ta 'tħaddim, l-enerġija, il-produzzjoni, l-użu

lasers fibra huma kompatti u durabbli, preċiża, u faċli biex dispersjoni indotta sħana. Huma jidħlu fit-tipi differenti u li jkollhom ħafna ma 'lasers' tipi oħra għandhom vantaġġi tagħhom stess unika.

lejżers Fiber: operazzjoni

Mezzi ta 'dan it-tip huma l-varjazzjoni normali tas-sors ta' stat solidu ta 'radjazzjoni koerenti mill-fibra, minflok fluwidu operattiv virga, pjanċa jew diska. Id-dawl iġġenerat mill-dopant fil-parti ċentrali tal-fibra. L-istruttura bażika jistgħu jvarjaw minn sempliċi biex pjuttost kumplessa. apparat laser fibra Ytterbium tali li l-fibra għandha wiċċ kbir għall-proporzjon volum, sabiex is-sħana tkun tista 'tinxtered relattivament faċilment.

lasers fibra ippumpjat ottikament, ta 'spiss bl-għajnuna tal-lasers diode, iżda f'xi każijiet - l-istess sorsi. Ottika użati f'dawn is-sistemi huma normalment jirrappreżenta komponenti ottika, fejn aktar jew kollha kemm huma konnessi ma 'xulxin. F'xi każijiet, ottika bl-ingrossa, u sistema kultant interna fibra ottika huwa kombinat ma 'l-ottika bl-ingrossa esterni.

Sors pompa diode tista 'tkun diode array, jew pluralità ta' diodes individwali, kull wieħed minnhom huwa konness mal-waveguide konnettur fibra ottika. fibra ddożati f'kull tarf għandu kavità resonatur mera - fil-prattika jagħmlu l-fibra Bragg ħakk. Fit-truf tal-ottika bl-ingrossa għandhom, jekk mhux biss ir-raġġ output jidħol xi ħaġa oħra għajr fibra. Il-gwida tad-dawl jista 'jiġi mibrumin b'tali mod li jekk mixtieq-kavità tal-laser jista' jkollha tul ta 'bosta meters.

binuclear

Fibri Struttura użati fil lejżers fibra, hija importanti. L-aktar komuni hija l-ġeometrija ta 'struttura dual-qalba. qalba ta 'barra Undoped (xi kultant imsejħa l-intima) ippumpjat jiġbor dawl u jordna li tul il-fibra. radjazzjoni stimulata ġġenerata fil-fibra jgħaddi mill-qalba ta 'ġewwa, li ħafna drabi hija mod wieħed. Il-qalba ta 'ġewwa fih ytterbium addittiv, stimulati mill-dawl pompa. Hemm ħafna forom ta 'qalba ta' barra noncircular inkluż - eżagonali, D-forma u rettangolari, li jnaqqsu l-probabbiltà ta 'jonqsilha l-raġġ tad-dawl fil-qalba ċentrali.

Il-laser fibra jista 'jkollhom fi tmiemu jew ippumpjar ġenb. Fl-ewwel dawl każ minn sors wieħed jew aktar jidħol it-tmiem tal-fibra. Meta d-dawl ġenb ippumpjar ikun pprovdut lil splitter li għalf hija fil-qalba ta 'barra. Dan ivarja mit-virga lejżer fejn id-dawl jidħol perpendikulari għall-assi.

Għal tali deċiżjoni teħtieġ ħafna ta 'żviluppi strutturali. attenzjoni konsiderevoli jitħallas lill qosor dawl pompa fil-qalba li jipproduċi inverżjoni popolazzjoni, li jwassal għal emissjoni stimulata fil-qalba ta 'ġewwa. qalba tal-laser jista 'jkollhom diversi gradi ta' amplifikazzjoni fil-fibra skond il-doping, kif ukoll fuq it-tul tagħha. Dawn il-fatturi huma stabbiliti bħala inġinier disinn għall-parametri meħtieġa.

limitu tal-qawwa jista 'jseħħ, speċjalment meta joperaw fi fibra b'modalità unika. Dan għandu qalba żona trasversali żgħar ħafna, u bħala riżultat jgħaddi dawl therethrough ta 'intensità għolja ħafna. Meta dan isir aktar evidenti mhux lineari tifrix Brillouin, li tillimita l-output ta 'qawwa ta' eluf ta 'watts. Jekk l-output huwa għoli biżżejjed, l-aħħar fibra biss jistgħu jiġu danneġġjati.

Speċjalment lejżers fibra

L-użu ta 'fibra kif fluwidu operattiv tagħti tul interazzjoni akbar, li taħdem sew meta l-ippumpjar dajowd. Dan ġeometrija jirriżulta effiċjenza għolja konverżjoni ta 'photons, kif ukoll kostruzzjoni affidabbli u kompatti, f'liema mingħajr ottika diskreti, li jeħtieġu aġġustament jew l-allinjament.

A laser fibra, li apparat jippermetti li jaddattaw tajjeb, jistgħu jiġu adattati għall-iwweldjar ta 'folji tal-metall ħoxna u biex jipproduċu pulses femtosecond. amplifikaturi tal-fibra ottika jipprovdu gwadann-pass wieħed u huma użati fit-telekomunikazzjonijiet, kif dawn jistgħu jiġu amplifikati ħafna wavelengths simultanjament. L-istess qligħ jintuża fl amplifikaturi ta 'enerġija ma' oxxillatur kaptan. F'xi każijiet, l-amplifikatur jistgħu jitħaddmu bil-lejżer mewġa kontinwa.

Eżempju ieħor huwa sors ta 'emissjoni spontanju mill-fibra rinfurzar, li fiha l-emissjoni stimulata hija mrażżna. Eżempju ieħor huwa laser fibra Raman flimkien ma 'żieda dispersjoni, wavelength sostanzjalment laterali. Hija sabet applikazzjoni fir-riċerka, fejn il-kombinazzjoni ta 'ġenerazzjoni u amplifikazzjoni użu ta' ħġieġ fluworidu minflok il-fibri silika standard.

Madankollu, ġeneralment, fibri tal-ħġieġ silika ma rare-earth dopant fil-qalba. L-addittivi bażiċi huma ytterbium u Erbium. Ytterbium għandha mewġ 1030-1080 nm, u jistgħu jarmu fuq firxa wiesgħa. L-użu ta 940-nm pompa dajowd inaqqas b'mod sinifikanti l-iżbilanċ ta 'photons. Ytterbium la għandha xi awto jifga effetti, li huma neodimju fil densitajiet għolja, hekk l-aħħar huwa użat fil lejżers bl-ingrossa u ytterbium - fil-fibra (tnejn li huma jipprovdu madwar l-istess wavelength).

Erbium temetti fil-medda 1530-1620 nm, bla periklu għall-għajnejn. Il-frekwenza jista 'jiġi rduppjat biex jiġġeneraw dawl fit 780 nm, li ma jkunx disponibbli għal tipi oħra ta lejżers fibra. Fl-aħħarnett, ytterbium jistgħu jiġu miżjuda mal Erbium hekk li l-element ser jassorbu l-radjazzjoni pompa u jittrasmettu din l-enerġija għal Erbium. Thulium - dopant ieħor biex l-emissjoni fir-reġjun infra-aħmar qrib, li għalhekk hija sikura għas-istampi għajnejn.

effiċjenza għolja

Il-laser fibra hija sistema ta 'tliet-livell kważi. l photons pompa eċitati-tranżizzjoni mill-istat art sal-saff ta 'fuq. tranżizzjoni Laser hija mill-porzjon baxx tal-livell ta 'fuq fuq waħda mill-qasma art istati. Dan huwa effettiv ħafna: per eżempju, ytterbium-940 pompa photon nm jarmi foton mal wavelength ta '1030 nm, u l-difett quantum (telf ta' enerġija), biss madwar 9%.

B'kuntrast, neodymium, ippumpjat fil 808 nm jitlef madwar 24% ta 'enerġija. Għalhekk, ytterbium inerenti għandha effiċjenza għolja, għalkemm mhux kollha dan hu possibbli minħabba t-telf ta 'xi wħud mill-photons. Yb jistgħu jiġu ippumpjat f'numru ta meded ta 'frekwenza, u Erbium - wavelength ta' 1480 jew 980 nm. Il-frekwenza ogħla mhijiex daqshekk effettivi f'termini ta 'photons difett, iżda utli, anki f'dan il-każ, għaliex fil 980 nm, l-aħjar sorsi disponibbli.

effiċjenza globali tal-laser fibra hija r-riżultat ta 'proċess b'żewġ stadji. L-ewwelnett, huwa l-effiċjenza tal-dajowd pompa. Sorsi semikondutturi ta 'radjazzjoni koerenti huma effettivi ħafna, ma' effiċjenza 50% konverżjoni sinjal elettriku fi ottika. Ir-riżultati ta 'studji tal-laboratorju jissuġġerixxu li huwa possibbli li jintlaħaq valur ta' 70% jew aktar. Bil eżatti produzzjoni partita assorbiment radjazzjoni laser fibra linja jinkiseb u effiċjenza ippumpjar għolja.

It-tieni nett, din l-effiċjenza ottika ottiċi konverżjoni. Meta photons difett żgħar jistgħu jilħqu livell għoli ta 'eċċitazzjoni u l-effiċjenza ta' estrazzjoni ta 'effiċjenza ta' konverżjoni ottiċi-ottika ta '60-70%. L-effiċjenza li tirriżulta hija fil-medda 25-35%.

diversi konfigurazzjonijiet

Fibra quantum ġeneraturi mewġa kontinwa jista 'jkun (modi trasversali) wieħed jew multimode. Singlemode jipproduċu raġġ ta 'kwalità għolja għall-materjali, li jaħdmu jew jibgħat raġġ permezz tal-atmosfera, u lejżers multimode fiber industrijali jista' jiġġenera aktar enerġija. Huwa użat għall-qtugħ u wweldjar, u b'mod partikolari, għal trattament tas-sħana, fejn żona kbira ikun imdawwal.

Il-laser fibra twila huwa sostanzjalment apparat kważi kontinwa normalment millisekonda tip impulsi jiġġeneraw. Normalment huwa l-duty cycle hija 10%. Dan iwassal għal ogħla qawwa ogħla mill-modalità kontinwu (tipikament għaxar darbiet) li jintuża, per eżempju, għal tħaffir pulsazzjonijiet. Il-frekwenza tista tkun ta '500 Hz, jiddependi fuq it-tul.

Q-swiċċjar fil lejżers fibra jaġixxi wkoll bħala fil-massa. A durata tal-impuls tipiku huwa fil-medda ta 'nanoseconds għall mikrosekondi. L-aktar il-fibra, l-itwal li tieħu għall-Q-bdil tar-radjazzjoni produzzjoni, li jirriżulta fi polz itwal.

proprjetajiet fibra huma xi limitazzjonijiet fuq il-modulazzjoni Q. Il-nuqqas ta 'linearità tal-laser fibra huwa aktar sinifikanti minħabba l-erja żgħira traversali tal-qalba, sabiex il--ogħla qawwa għandha tkun kemmxejn limitata. Tista 'tuża jew il-qlib volum Q, li jipprovdu prestazzjoni ogħla, jew modulaturi ottika, li huma konnessi mal-truf tal-parti attiva.

impulsi Q-jistgħux jiġu amplifikati fil-fibra jew fil-bott ħofra. Eżempju ta 'dan tal-aħħar tista' tinstab fil-simulazzjoni Kumpless Nazzjonali ta 'testijiet nukleari (NIF, Livermore, CA), fejn il-laser fibra huwa oxxillatur kaptan għall 192 travi. impulsi żgħar fil ċangaturi kbar tal-ħġieġ ddożati amplifikat li f'megajoules.

Fil lasers fibra bi frekwenza sinkronizzazzjoni ripetizzjoni jiddependi mit-tul tal-materjal rinfurzar, bħal fil-modi oħra ta 'ċirkwiti sinkronizzazzjoni u durata tal-impuls jiddependi fuq il-ħila biex itejbu throughput. -Iqsar huma fil-medda ta '50 fs, u aktar tipiċi - fil-medda ta '100 fs.

Bejn ytterbium u fibra Erbium, hemm differenza importanti, fejn dawn joperaw fil-modi differenti dispersjoni. fibra drogat bin-Erbium emitting fil 1550 nm f'reġjun ta dispersjoni anomala. Dan jippermetti solitons. Itterbievye fibri huma fil-dispersjoni pożittiv jew normali; bħala riżultat, dawn jiġġeneraw impulsi bil modulazzjoni frekwenza lineari ppronunzjata. Bħala riżultat ta 'Bragg ħakk jista' jkollha bżonn biex jikkompressa-tul tal-polz.

Hemm diversi modi biex jimmodifikaw l-impulsi fibra laser, b'mod partikolari għal studji ultraveloċi picosecond. Fibri tal-kristall fotoniċi jistgħux jiġu manifatturati bl qlub żgħar ħafna għall-effetti linjari qawwija, bħal għall-ġenerazzjoni supercontinuum. B'kuntrast, il-kristalli fotoniċi jistgħu wkoll jiġu manifatturati bil-qalba kbir ħafna b'modalità unika sabiex ikunu evitati effetti mhux lineari fil setgħat għolja.

Flessibbli fibra kristall fotoniċi bil-qalba kbar maħluqa għall-applikazzjonijiet li jeħtieġu qawwa għolja. Wieħed mill-metodi huwa liwi intenzjonat tal-fibra biex tneħħi xi modi mhux mixtieqa ordni ogħla filwaqt li żżomm Modalità trasversali fundamentali. In-nuqqas ta 'linearità joħloq armoniċi; u billi jitnaqqsu l-frekwenza ta 'tiwi, inti tista' toħloq wavelengths iqsar u itwal. Effetti mhux lineari jistgħu wkoll jipproduċu kompressjoni tal-impuls, li twassal għall-xehdiet frekwenza dehra.

Is-sors supercontinuum bħala pulses qasir ħafna jipproduċi spettru kontinwu permezz fażi modulazzjoni. Per eżempju, mill-6 impulsi inizjali ps fil 1050 nm, li joħloq il-laser ispettru fibra ytterbium miksuba fil-medda minn ultravjola għal aktar minn 1600 nm. Sors ieħor ta 'sors Erbium-supercontinuum ippumpjat IR f'wavelength ta' 1550 nm.

Sistemi b'qawwa għolja

Industrija bħalissa hija l-akbar konsumatur tal-lasers fibra. Fid-domanda għolja dritt issa tgawdi l-poter ta 'l-ordni ta' f'kilowatts użati fl-industrija tal-karozzi. L-industrija tal-karozzi qed jimxi lejn il-produzzjoni ta 'karozzi tal-azzar ta' saħħa għolja li jilħqu l-ħtiġiet ta 'durabilità u huma relattivament faċli għall-ekonomija akbar tal-karburant. għodod tal-magni konvenzjonali huwa diffiċli ħafna, per eżempju, punch toqob f'dan it-tip ta 'azzar u s-sorsi ta' radjazzjoni koerenti jagħmilha faċli.

Qtugħ laser fibra tal-metall, meta mqabbla ma 'tipi oħra ta' ġeneratur kwantum għandha numru ta 'vantaġġi. Per eżempju, waveband kważi infra-aħmar assorbit sew metalli. Raġġ tista 'tingħata permezz tal-fibra, li tippermetti l-robot li faċilment jċaqalqu l-fokus meta taqta u tħaffir.

fibra ottika jissodisfa l-ogħla rekwiżiti għall-enerġija. Armi Istati Uniti Navy, ittestjati fl-2014, tikkonsisti minn 6-fibra lejżers 5.5 kilowatt magħquda fir-raġġ wieħed u radiating permezz tas-sistema ottika jiffurmaw. 33 unità kW ġiet użata biex jegħleb vettura ajru mingħajr ekwipaġġ. Għalkemm il-raġġ mhuwiex b'modalità unika, is-sistema huwa ta 'interess, peress li jippermetti li jinħoloq laser fibra bl-idejn tagħhom barra mill standard, ingredjenti faċilment disponibbli.

L-ogħla qawwa wieħed modalità sorsi ta 'dawl koerenti ta IPG Fotonika huwa 10 kW. L-ossillatur kaptan tipproduċi watt ta 'poter ottiċi, li hija fornita sabiex amplifikatur stadju ippumpjat fil 1018 nm dawl tal-lasers fibra oħra. Is-sistema sħiħa għandu daqs ta 'żewġ refriġeraturi.

L-użu tal-lasers fibra huma estiżi wkoll għat-tqattigħ qawwa għolja u l-iwweldjar. Per eżempju, dawn sostitwit wweldjar reżistenti karta tal-azzar tissolva l-problema ta 'deformazzjoni tal-materjal. kontroll tal-qawwa u parametri oħra tippermetti kurvi qtugħ preċiżi ħafna, speċjalment il-kantunieri.

L-aktar qawwija fibra multimode laser - għall-qtugħ metalli mill-istess manifattur - sa 100 kW. Is-sistema hija bbażata fuq taħlita ta 'raġġ inkoerenti, dan mhuwiex super raġġ ta' kwalità għolja. Din ir-reżistenza jagħmel lejżers fibra attraenti għall-industrija.

tħaffir konkrit

Multimode produzzjoni fibra laser ta '4 kW jistgħu jintużaw għat-tqattigħ u tħaffir konkreti. Għaliex dan? Meta inġiniera qed jippruvaw jiksbu reżistenza sismika ta 'bini eżistenti, li tkun attent ħafna bil-konkrit. Meta jkun installat fiha, bħal tisħiħ azzar tħaffir perkussjoni konvenzjonali jistgħu jikkawżaw difetti u jdgħajfu l-konkrit, iżda lasers fibra maqtugħin mingħajr ma tgħaffiġha.

Lasers bil fibra switched Q użat per eżempju għal ittikkettjar jew fil-manifattura ta 'l-elettronika semikondutturi. Dawn huma użati wkoll fil FINDERS medda: moduli huma d-daqs ta 'l-idejn fihom eye sikur lejżers fibra li l-produzzjoni hija 4 kW, il-frekwenza ta' 50 kHz u durata tal-impuls ta '5-15 ns.

trattament tal-wiċċ

Hemm interess kbir fil lejżers fibra żgħar għall mikro u nanoprocessing. Meta jitneħħa s-saff tal-wiċċ, jekk il-durata tal-impuls huwa iqsar minn 35 ps, l-ebda materjal bexx. Dan jimpedixxi l-formazzjoni ta 'dimples u artifacts oħra mhux mixtieqa. Il impulsi fis-sistema femtosecond jipproduċu effetti linjari li mhumiex sensittivi għall-wavelength u l-inħawi ma tkunx imsaħħna, li jippermetti li taħdem mingħajr ħsara sostanzjali jew indeboliment tal-inħawi. Barra minn hekk, toqob jistgħu jiġu maqtugħa b'fond għoli biex wisa - per eżempju, malajr (fi ftit milleżmi) toqob żgħar ta '1 mm bl-użu ta' l-istainless steel impulsi 800-fs bi frekwenza ta '1 MHz.

Huwa wkoll possibbli li tipproduċi materjali trasparenti trattati fil-wiċċ, eż, l-għajn tal-bniedem. Biex jinqatgħu flap fil microsurgery għajn, impulsi femtosecond vysokoaperturnym lenti sewwa tiffoka f'punt taħt il-wiċċ tal-għajn mingħajr ma jikkawżaw xi ħsara fuq il-wiċċ, iżda l-għajn minn materjal jeqirdu fuq fond ikkontrollat. Il-wiċċ lixx tal-kornea, li hija essenzjali għall-viżjoni tibqa 'ntatta. Il-flap huwa separat mill-qiegħ, jistgħu mbagħad jiġu miġbuda sa wiċċ lenti laser jiffurmaw eċċimeri. applikazzjonijiet mediċi oħra jinkludu kirurġija penetrazzjoni baxx fil dermatoloġija, kif ukoll l-użu ta 'ċerti tipi ta' tomografija koerenza ottika.

lejżers femtosecond

lejżers femtosecond fix-xjenza użati biex eċitati il-laser tqassim ispettroskopija, ispettroskopija fluworexxenza b'riżoluzzjoni temporali, u wkoll għar-riċerka materjali ġenerali. Barra minn hekk, huma meħtieġa għall-produzzjoni ta 'moxt frekwenza femtosecond meħtieġa fil-metroloġija u studji ġenerali. Waħda mill-applikazzjonijiet reali fi żmien qasir se jkunu l-arloġġi atomiċi ta 'l-satelliti tal-GPS ta' ġenerazzjoni ġdida, li se jżidu l-preċiżjoni tal-pożizzjoni.

Uniku laser fibra frekwenza hija mwettqa bil-linewidth spettrali ta 'inqas minn 1 kHz. Dan il-mezz impressjonanti ta 'qawwa żgħira produzzjoni radjazzjoni minn 10 mW sa 1W. Isib applikazzjoni fil-qasam tal-komunikazzjonijiet, metroloġija (eż, fil ġiroskopji tal-fibra) u ispettroskopija.

Xi jmiss?

Fir-rigward applikazzjonijiet oħra ta 'riċerka, huwa għadu ħafna minnhom huma studjati. Per eżempju, l-inġinerija militari, li jistgħu jiġu applikati f'oqsma oħra, li tikkonsisti fil-kombinament ta 'travi fibra laser biex jinkiseb raġġ għolja bl-użu kombinazzjoni koerenti jew spettrali. Bħala riżultat, aktar setgħa jinkiseb raġġ b'modalità unika.

Produzzjoni tal-lasers fibra qed jikber malajr, speċjalment għall-bżonnijiet tal-industrija tal-karozzi. Ukoll, hemm sostituzzjoni ta 'apparat tal-fibra mhux fibrużi. Flimkien mat-titjib ġenerali fl-ispiża u l-prestazzjoni, hemm lejżers femtosecond u sorsi supercontinuum aktar prattiku. lejżers fibra jokkupaw aktar niċeċ u saret sors ta 'titjib għal tipi oħra ta lasers.