Ytterbium-Faserlaser: Das Gerät, das Funktionsprinzip, Leistung, Herstellung, Verwendung

Faserlaser ist kompakt und robust, präzise und leicht zu streuen induzierte Wärme. Sie kommen in verschiedenen Typen und mit viel mit Lasern anderer Typen zu tun haben ihre eigenen einzigartigen Vorteile.

Faserlaser: Betrieb

Vorrichtungen dieser Art sind die Standardabweichung der Festkörper-Quelle kohärenter Strahlung aus der Faser, statt dessen Stange Arbeitsfluid, eine Platte oder Scheibe. Das Licht, das von dem Dotiermittel in dem zentralen Abschnitt der Faser erzeugt. Die Grundstruktur kann von einfachen reichen bis sehr komplex. Ytterbium-Faserlaser-Vorrichtung, so dass die Faser eine große Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis aufweist, so kann die Wärme relativ leicht diffundiert werden.

Faserlaser ist optisch, oft mit Hilfe von Diodenlasern gepumpt, aber in einigen Fällen – die gleichen Quellen. Optik in diesen Systemen verwendet werden, sind in der Regel optischen Komponenten darstellt, wobei die meisten oder alle von ihnen miteinander verbunden sind. In einigen Fällen kann eine bulk optics, und manchmal internes optisches Fasersystem ist mit einer externen bulk Optik kombiniert.

Eine Diodenpumpquelle kann eine Diodenanordnung, oder eine Vielzahl von einzelnen Dioden sein, von denen jeder mit dem Verbindungs Lichtleitfaser-Wellenleiter verbunden ist. Dotierte Faser an jedem Ende einen Spiegel Hohlraumresonator – in der Praxis um die Faser-Bragg-Gitter bilden. An den Enden der Bulk-Optik, wenn nicht nur das Ausgangsstrahl tritt etwas anderes als Faser. Der Lichtleiter kann so verdreht werden, dass, wenn die gewünschten Laserkavität eine Länge von mehreren Metern haben kann.

zweikernig

Strukturfasern in Faserlasern verwendet werden, ist wichtig. Die häufigste ist die Geometrie einer Dual-Kern-Struktur. Undotierte äußere Kern (manchmal als der Intima bezeichnet) gepumpt sammelt das Licht und richtet es entlang der Faser. Stimulierte Strahlung in der Faser erzeugte, geht durch den inneren Kern, die oft ein einziger Modus befindet. Der innere Kern einen Zusatzstoff enthält Ytterbium, durch das Pumplicht angeregt. Es gibt viele Formen von unrunden äußeren Kern einschließlich – hexagonal, D-förmige und rechteckigen, um die Wahrscheinlichkeit von Fehlschüssen des Lichtstrahl in dem zentralen Kern zu reduzieren.

Der Faserlaser kann ein Ende oder Seitenpumpen aufweist. Im ersten Fall Licht von einer oder mehreren Quellen tritt in das Faserende. Wenn das Seitenpumplicht wird einen Teiler zugeführt, die es in den äußeren Kern einspeist. Dies unterscheidet sich von dem Laserstab in dem das Licht auf die Achse senkrecht eintritt.

Für eine solche Entscheidung erfordert viel strukturelle Entwicklungen. Beträchtliche Aufmerksamkeit wird zusammenfassend das Pumplicht in den Kern bezahlt eine Besetzungsumkehr zu erzeugen, in dem inneren Kern zu dem stimulierten Emission führen. Laser-Kern kann verschiedene Grade der Verstärkung in der Faser hat, abhängig von der Dotierung sowie auf seiner Länge. Diese Faktoren werden als Konstrukteur für die erforderlichen Parameter einstellen.

Leistungsgrenze auftreten kann, insbesondere dann, wenn innerhalb einer Einmodenfaser arbeitet. Ein solcher Kern hat eine sehr kleine Querschnittsfläche, und als Ergebnis gelangt dort hindurch Licht mit sehr hoher Intensität. Wenn dies immer noch ausgeprägte nichtlinearen Brillouin-Streuung, die die Leistung von mehrere tausend Watt begrenzt. Wenn der Ausgang hoch genug ist, kann das Faserende beschädigt werden.

Besonders Laser Faser

Die Verwendung von Fasern als Arbeitsfluid gibt größere Wechselwirkungslänge, die gut, wenn das Diodenpumpen arbeitet. Diese Geometrie führt zu einem hohen Umwandlungswirkungsgrad von Photonen, sowie zuverlässige und kompakten Bauweise, bei der keine diskrete Optik, Justierung oder Ausrichtung erfordern.

Ein Faserlaser, wobei die Vorrichtung es gut angepasst werden kann, kann für das Schweißen von dicken Metallplatten angepasst wird und Femtosekundenimpulse zu erzeugen. Lichtwellenleiter-Verstärker sorgt für Einwegverstärkung und wird in der Telekommunikation verwendet, da sie gleichzeitig viele Wellenlängen verstärken können. Die gleiche Verstärkung wird in Leistungsverstärkern mit einem Master-Oszillator verwendet. In einigen Fällen kann der Verstärker mit einem Dauerstrichlaser betrieben werden.

Ein weiteres Beispiel ist eine Quelle spontaner Emission aus der Faser-Verstärkung, in der die stimulierten Emission unterdrückt wird. Ein anderes Beispiel ist ein Raman-Faserlaser mit einem erhöhten Dispersion kombiniert wird, im wesentlichen Scherwellenlänge. Es findet Anwendung in der Forschung, wo die Kombination von Erzeugung und Amplifizierung eines Fluoridglases unter Verwendung von eher als die Standard-Siliciumdioxidfasern gefunden.

Jedoch werden im allgemeinen, Fasern aus Quarzglas mit Seltene-Erde-Dotiermittel in dem Kern aus. Die basischen Zusätze sind Ytterbium und Erbium. Ytterbium hat Wellenlängen von 1030 bis 1080 nm, und über einen weiten Bereich aussenden. Die Verwendung von 940-nm-Diode Pumpe reduziert signifikant das Defizit von Photonen. Ytterbium hat weder einen selbstlöschenden Effekte, die bei hohen Dichten an Neodym sind, so dass die letztere in bulk-Laser und Ytterbium verwendet – in der Faser (beide liefern etwa die gleiche Wellenlänge).

Erbium emittiert im Bereich von 1530-1620 nm, ein sicher für die Augen. Die Frequenz kann verdoppelt werden, um Licht bei 780 nm zu erzeugen, die für andere Arten von Faserlasern nicht verfügbar ist. Schließlich kann Ytterbium zu Erbium hinzugefügt werden, so dass das Element der Pumpstrahlung absorbiert und diese Energie zu Erbium übertragen. Thulium – ein weiteres Dotierungsmittel zur Emission im nahen Infrarotbereich, die somit sicher für die Augenbilder ist.

hohe Effizienz

Der Faserlaser ist ein Quasi-Drei-Niveau-System. die Pumpphotonen erregen vom Grundzustand auf die obere Schicht den Übergang. Laserübergang ist von dem untersten Abschnitt der oberen Ebene an einen der geteilten Grundzustände. Dies ist sehr effektiv: zum Beispiel Ytterbium-940 nm Photon Pumpe emittiert ein Photon mit einer Wellenlänge von 1030 nm und den Quantendefekt (Energieverlust), nur etwa 9%.

Im Gegensatz dazu, Neodym, gepumpt bei 808 nm etwa 24% der Energie verliert. Somit hat Ytterbium von Natur aus einen hohen Wirkungsgrad, wenn auch nicht von allem durch den Verlust einiger der Photonen erreichbar ist. Yb kann in einer Anzahl von Frequenzbändern, und Erbium gepumpt werden – Wellenlänge von 1480 oder 980 nm. Die höhere Frequenz ist nicht so effektiv in Bezug auf Fehler Photonen, aber nützlich, auch in diesem Fall, da bei 980 nm, die besten Quellen zur Verfügung.

Gesamtwirkungsgrad des Faserlasers ist das Ergebnis von zweistufigen Prozess. Zum einen ist es die Effizienz der Pumpdiode. Halbleiter Quellen kohärenter Strahlung sind sehr wirksam, mit 50% Wirkungsgrad, ein elektrisches Signal in eine optische Umwandlung. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen legen nahe, dass es möglich ist, einen Wert von 70% oder mehr zu erreichen. Mit exakter Strahlungsabsorptionslinie Faserlaser Einstimmungsausgangssignal erreicht wird und eine hohe Pumpeffizienz.

Zweitens diese optisch-optische Wirkungsgrad. Wenn ein kleiner Defekt Photonen können einen hohen Grad an Anregung und der Extraktionswirkungsgrad der optischen optischen Umwandlungswirkungsgrad von 60-70% erreichen. Die sich ergebende Effizienz im Bereich von 25-35%.

verschiedene Konfigurationen

Faserquanten kontinuierliche Wellengeneratoren können Einfach- oder Mehrmoden (transversale Moden) sein. Singlemode erzeugt hochwertigen Strahl für Materialien, arbeitet oder einen Strahl durch die Atmosphäre zu senden, und Multimode-Faserlaser Industrie kann mehr Leistung erzeugen. Es ist zum Schneiden und Schweißen, und insbesondere für die Wärmebehandlung verwendet wird, in dem eine große Fläche beleuchtet wird.

Der Langfaserlaser ist im wesentlichen quasi-kontinuierliche Apparatur Impulse Typen gewöhnlich Millisekunde. Normalerweise ist es das Tastverhältnis 10% beträgt. Dies führt zu einer höheren Spitzenleistung als der kontinuierliche Modus (typischerweise zehnmal), die verwendet wird, beispielsweise für eine gepulste Bohren. Die Frequenz kann 500 Hz betragen, abhängig von der Dauer.

Q-switching in Faserlaser fungiert auch als in der Masse. Eine typische Impulsdauer liegt im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden. Je länger die Faser, desto länger dauert es für Q-Schalten der Ausgangsstrahlung, was zu einem längeren Impulse.

Die Fasereigenschaften sind einige Beschränkungen für die Q-Modulation. Die Nicht-Linearität des Faserlasers ist signifikanter wegen der geringen Querschnittsfläche des Kerns, so dass die Spitzenleistung etwas begrenzt sein sollte. Sie können entweder die Q Volumen Schalter verwenden, die eine höhere Leistung zur Verfügung stellen, oder optische Modulatoren, die an den Enden des aktiven Teils verbunden sind.

Gütegeschalteter Impulse können in einer Faser oder in dem Hohlraumresonator verstärkt werden. Ein Beispiel für Letzteres kann in der National Complex Simulation von Atomtests (NIF, Livermore, CA), wobei der Faserlaser ein Hauptoszillator ist für Strahlen 192 gefunden werden. Kleine Impulse in großen Platten aus Glas dotiert Megajoules amplifiziert.

In Faserlaser mit Synchronisationswiederholungsfrequenz hängt von der Länge des Verstärkungsmaterials, wie in den anderen Modi der Synchronisationsschaltungen und Pulsdauer ist abhängig von der Fähigkeit, den Durchsatz zu verbessern. Die kürzeste liegen im Bereich von 50 fs und typischsten – im Bereich von 100 fs.

Zwischen Ytterbium und Erbium-Faser, ist es ein wichtiger Unterschied, wobei sie in verschiedenen Modi betrieben Dispersion. Erbium-dotierte Faser bei 1550 nm in einem Bereich der anomalen Dispersion emittiert. Dies ermöglicht Solitonen. Itterbievye Fasern sind in einer positiven oder normalen Dispersion; als Folge erzeugen sie Impulse mit linearer Frequenzmodulation ausgeprägt. Als Ergebnis der Bragg-Gitter kann es braucht die Pulslänge zu komprimieren.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die Faserlaserpulse, insbesondere für Studien picosecond ultraschnellen zu modifizieren. Photonische Kristallfasern mit sehr kleinen Kernen für starke nichtlineare Effekte hergestellt werden, wie für die Superkontinuum-Erzeugung. Im Gegensatz dazu kann die photonische Kristalle auch mit sehr großem Single-Mode-Kern, um zu vermeiden, nicht-lineare Effekte bei hohen Leistungen hergestellt werden.

Flexible photonische Kristallfaser mit großem Kern für Anwendungen geschaffen, die hohe Leistung. Eine der Methoden ist absichtliche Durchbiegung der Faser unerwünschte Moden höhere Ordnung zu entfernen, während ein Grund-Transversalmodus beibehalten wird. Die Nichtlinearität erzeugt Harmonischen; und durch die Häufigkeit des Faltens subtrahieren, können Sie eine kürzere und längere Wellenlängen erzeugen. Nichtlineare Effekte können auch Pulskompression erzeugen, die auf die Erscheinung Frequenzkämme führt.

Die Superkontinuum-Quelle als sehr kurze Impulse erzeugt ein kontinuierliches Spektrum durch Phasenmodulation. Beispielsweise von dem ersten 6 ps Pulsen bei 1050 nm, die das Ytterbium-Faserlaser-Spektrum im Bereich von Ultraviolett bis mehr als 1600 nm erhalten schaffen. Eine weitere Quelle für IR-gepumpten mit Erbium Supercontinuum Quelle bei einer Wellenlänge von 1550 nm.

hohe Leistung

Die Industrie ist derzeit der größte Verbraucher von Faserlasern. In der hohen Nachfrage erfreut sich gerade jetzt die Leistung in der Größenordnung von Kilowatt in der Automobilindustrie eingesetzt. Die Automobilindustrie bewegt sich in Richtung der Produktion von hochfestem Stahl Autos die Anforderungen an Haltbarkeit zu erfüllen und sind relativ leicht zu wirtschaftlicheren Kraftstoffverbrauch. Herkömmliche Werkzeugmaschinen sind sehr schwierig, zum Beispiel lochen in dieser Art von Stahl und die Quellen kohärenter Strahlung machen es einfach.

Schneiden von Metall-Faserlaser, verglichen mit anderen Arten von Quantengenerator hat eine Reihe von Vorteilen auf. Zum Beispiel im nahen Infrarotwellenbereich gut absorbiert Metalle. Strahl kann durch die Faser geliefert werden, die den Roboter um den Fokus auf einfache Weise zu bewegen, wenn Bohren und Schneiden.

Optische Faser erfüllt die höchsten Anforderungen an Leistung. Waffen US Navy, 2014 getestet, besteht aus einem 6-Faser 5,5-Kilowatt-Laser in einem Strahl kombiniert, und Abstrahlen durch das optische System bilden. 33 kW – Einheit wurde verwendet , um zu vereiteln ein unbemanntes Luftfahrzeug. Obwohl der Strahl nicht eine Single-Mode ist, ist das System von Interesse, da sie einen Faserlaser mit ihren Händen aus Standard, leicht verfügbaren Zutaten erstellen können.

Die höchste Leistung Single-Mode-kohärente Lichtquellen von IPG Photonics ist 10 kW. Der Master-Oszillator erzeugt ein Watt optischer Leistung, die zugeführt wird, Stufe bei 1018 nm mit Licht der anderen Faserlaser gepumpten Verstärker einzustellen. Das gesamte System hat eine Größe von zwei Kühlschränke.

Die Verwendung von Faserlasern sind ebenfalls mit dem Hochleistungsschneiden und -schweißen verlängert. Zum Beispiel ersetzt sie Stahlblech Widerstandsschweißen, das Problem der Verformung des Materials zu lösen. Leistungssteuerung und andere Parameter ermöglichen eine sehr präzise Schnittkurven, besonders die Ecken.

Der stärkste Multimode-Faserlaser – für Metalle vom gleichen Hersteller schneiden – bis zu 100 kW. Das System basiert auf einer Kombination von inkohärenten Strahl basiert, so dass es nicht super hochwertigen Strahl. Dieser Widerstand macht Faserlaser attraktiv für die Industrie.

Betonbohren

Multimode-Faserlaserleistung von 4 kW kann für das Schneiden und das Bohren von Beton verwendet werden. Warum tun Sie es? Wenn Ingenieure versuchen, Erdbebensicherheit von bestehenden Gebäuden zu erreichen, sehr vorsichtig zu sein, mit dem Beton. Wenn in installiert, wie beispielsweise konventionelle Stahlarmierung Perkussionsbohren kann Fehler verursachen und den Beton schwächen, aber Faserlaser schneiden, ohne es zu zerdrücken.

Laser mit einer Q-switched Faser beispielsweise zum Beschriften oder bei der Herstellung von Halbleiterelektronik. Sie werden auch in Entfernungsmesser verwendet: Module sind von der Größe einer Hand enthält augensicheren Faserlaser, dessen Ausgangssignals 4 kW, die Frequenz von 50 kHz und eine Pulsdauer von 5-15 ns.

Oberflächenbehandlung

Es gibt ein großes Interesse an kleinen Faserlaser für die Mikro- und Nanobearbeitung. Beim Entfernen der Oberflächenschicht, wenn die Impulsdauer kürzer als 35 ps ist, kein Spritzmaterial. Dies verhindert die Bildung von Vertiefungen und andere unerwünschte Artefakte. Die Impulse im Femtosekunden-Regime erzeugen nichtlineare Effekte, die nicht empfindlich gegenüber der Wellenlänge sind, und die Umgebung ist nicht beheizt, so dass ohne eine wesentliche Beschädigung oder Schwächung der Umgebung zu arbeiten. Zusätzlich können Löcher mit einer hohen Tiefe zu Breite geschnitten werden – zum Beispiel, schnell (innerhalb weniger Millisekunden) Kleiner Löcher von 1 mm eines Edelstahl-800-fs-Impuls mit einer Frequenz von 1 MHz verwendet wird.

Es ist auch möglich, oberflächenbehandelten transparenten Materialien zu erzeugen, zum Beispiel das menschliche Auge. Um eine Klappe an Augenmikro geschnitten, Femtosekundenpulse vysokoaperturnym dichte Fokuslinse an einem Punkt unterhalb der Oberfläche des Auges, ohne Schaden an der Oberfläche verursacht, aber das Auge von Material auf einer gesteuerte Tiefe zu zerstören. Die glatte Oberfläche der Hornhaut, die für Vision intakt bleibt wesentlich ist. Die Klappe wird von dem Boden getrennt ist, kann dann bis zur Oberfläche Excimerlaser Erzeugungslinse gezogen werden. Andere medizinische Anwendungen umfassen Chirurgie Eindringtiefe in der Dermatologie sowie die Verwendung bestimmter Arten von optischer Kohärenztomographie.

Femtosekundenlaser

Femtosekunden-Laser in der Wissenschaft verwendet, um die Laser-Plasmaspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie mit einer zeitlichen Auflösung zu erregen, und auch für die allgemeine Materialforschung. Darüber hinaus sind sie für die Erzeugung von Femtosekunden-Frequenzkamms erforderlich, in der Messtechnik und allgemeine Studien erforderlich. Einer der realen Anwendungen auf kurze Sicht werden die Atomuhren der GPS-Satelliten einer neuen Generation sein, die die Positionierungsgenauigkeit erhöhen.

Einfrequenz-Faserlaser mit einer spektralen Linienbreite von weniger als 1 kHz durchgeführt. Dieses beeindruckende Gerät mit einer kleinen Strahlungsausgangsleistung von 10 mW bis 1 W. Findet Anwendung auf dem Gebiet der Kommunikation, Messtechnik (z.B. in Fasergyroskopen) und Spektroskopie.

Was weiter?

Wie bei anderen Forschungsanwendungen, ist es immer noch eine Menge von ihnen untersucht werden. Zum Beispiel Militärtechnik, die in anderen Bereichen angewandt werden kann, die Strahlen in der Kombination von einem faser Laser besteht eine hohe Strahl unter Verwendung der kohärente oder spektrale Kombination zu erzielen. Als Ergebnis wird mehr Leistung in einem Single-Mode-Strahl erreicht.

Die Produktion von Faserlaser wächst rasant, vor allem für die Automobilindustrie braucht. Auch gibt es einen Austausch von nichtfaserigen Faservorrichtungen. Neben allgemeinen Verbesserungen in Kosten und Leistung gibt es mehr praktische Femtosekundenlaser und Superkontinuum-Quellen. Faserlaser besetzt mehr Nischen und zu einer Quelle der Verbesserung für andere Arten von Lasern.