Итербий талшықты лазер: құрылғы, жұмыс принципі, қуат, өндіру, қолдану

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 10:33

Талшықты лазерлер ықшам және берік, дәл көрсетеді және жылу энергиясын оңай таратады. Олар әртүрлі пішіндерде келеді және оптикалық кванттық генераторлардың басқа түрлерімен көп ортақ болғанымен, олардың бірегей артықшылықтары бар.

Талшықты лазерлер: олар қалай жұмыс істейді

Осы типтегі құрылғылар өзекшеден, пластинадан немесе дисктен емес, талшықтан жасалған жұмыс ортасы бар когерентті сәулеленудің стандартты қатты дене көзінің нұсқасы болып табылады. Жарық талшықтың ортасында орналасқан қоспамен жасалады. Негізгі құрылым қарапайымнан күрделіге дейін болуы мүмкін. Итербий талшықты лазердің дизайны талшықтың үлкен беті мен көлемдік қатынасына ие, сондықтан жылу салыстырмалы түрде оңай таралады.

Талшықты лазерлер көбінесе диодтық кванттық генераторлармен, бірақ кейбір жағдайларда бірдей көздерден оптикалық айдалады. Бұл жүйелерде қолданылатын оптика әдетте талшықты құрамдас бөліктер болып табылады, олардың көпшілігі немесе барлығы бір-бірімен байланысты. Кейбір жағдайлардакөлемдік оптика пайдаланылады, кейде ішкі талшықты-оптикалық жүйе сыртқы көлемдік оптикамен біріктіріледі.

Диодты айдау көзі диод, матрица немесе әрқайсысы коннекторға талшықты-оптикалық жарық бағыттағышы арқылы қосылған жеке диодтардың көптігі болуы мүмкін. Қоспа талшығының әр ұшында қуысты резонаторлық айна бар - іс жүзінде талшықта Брегг торлары жасалады. Шығу сәулесі талшықтан басқа нәрсеге түспесе, ұштарында көлемді оптика жоқ. Жарық бағыттағышын бұруға болады, осылайша қажет болса, лазер қуысының ұзындығы бірнеше метр болуы мүмкін.

Қос ядролы құрылым

Талшықты лазерлерде қолданылатын талшықтың құрылымы маңызды. Ең көп таралған геометрия - екі ядролы құрылым. Қоспаланбаған сыртқы өзек (кейде ішкі қаптама деп те аталады) айдалатын жарықты жинайды және оны талшық бойымен бағыттайды. Талшықта түзілетін ынталандырылған эмиссия көбінесе бір режимді болатын ішкі ядро арқылы өтеді. Ішкі ядрода сорғы жарық сәулесімен ынталандырылған иттербий қоспасы бар. Сыртқы ядроның көптеген дөңгелек емес пішіндері бар, соның ішінде алтыбұрышты, D-тәрізді және тікбұрышты, олар орталық ядродан жарық сәулесінің түсу мүмкіндігін азайтады.

Талшықты лазерді шетінен немесе бүйірінен айдауға болады. Бірінші жағдайда бір немесе бірнеше көздерден түсетін жарық талшықтың соңына түседі. Бүйірлік айдауда жарық сплиттерге түседі, ол оны сыртқы ядроға береді. олжарық осіне перпендикуляр енетін таяқша лазерінен ерекшеленеді.

Бұл шешім көп дизайн әзірлеуді қажет етеді. Ішкі ядрода ынталандырылған эмиссияға әкелетін популяциялық инверсияны жасау үшін сорғы жарығын өзекке айдауға көп көңіл бөлінеді. Лазерлік өзек талшықтың қоспалануына, сондай-ақ оның ұзындығына байланысты әртүрлі күшейту дәрежесіне ие болуы мүмкін. Бұл факторларды инженер-конструктор қажетті параметрлерді алу үшін реттейді.

Қуат шектеулері туындауы мүмкін, әсіресе бір режимді талшықта жұмыс істегенде. Мұндай ядроның көлденең қимасының ауданы өте аз, нәтижесінде ол арқылы өте жоғары қарқындылықтағы жарық өтеді. Сонымен қатар, сызықты емес Brillouin шашырауы барған сайын байқалады, бұл шығыс қуатын бірнеше мың ваттпен шектейді. Егер шығыс сигналы жеткілікті жоғары болса, талшықтың ұшы зақымдалуы мүмкін.

Талшықты лазерлердің ерекшеліктері

Жұмыс ортасы ретінде талшықты пайдалану диодты айдаумен жақсы жұмыс істейтін ұзақ әрекеттесу ұзақтығын береді. Бұл геометрия фотонды түрлендірудің жоғары тиімділігін, сондай-ақ реттеу немесе туралау үшін дискретті оптикасыз берік және ықшам дизайнды береді.

Құрылғы жақсы бейімделуге мүмкіндік беретін талшықты лазерді қалың металл парақтарын дәнекерлеуге де, фемтосекундтық импульстарды шығаруға да бейімдеуге болады. Талшықты-оптикалық күшейткіштер бір жолақты күшейтуді қамтамасыз етеді және телекоммуникацияда қолданылады, өйткені олар бір уақытта көптеген толқын ұзындығын күшейте алады. Дәл осындай күшейту негізгі осцилляторы бар қуат күшейткіштерінде қолданылады. Кейбір жағдайларда күшейткіш CW лазерімен жұмыс істей алады.

Тағы бір мысал талшықпен күшейтілген өздігінен шығарылатын эмиссия көздері болып табылады, онда ынталандырылған эмиссия басылады. Тағы бір мысал - толқын ұзындығын айтарлықтай ауыстыратын аралас шашырау күшейтуі бар Раман талшықты лазері. Ол стандартты кварц талшықтарынан гөрі фторидті шыны талшықтар Раман генерациясы мен күшейту үшін қолданылатын ғылыми зерттеулерде қолданылды.

Алайда, әдетте, талшықтар өзегінде сирек жер қоспасы бар кварц шынысынан жасалған. Негізгі қоспаларға иттербий және эрбий жатады. Итербийдің толқын ұзындығы 1030-дан 1080 нм-ге дейін және кеңірек диапазонда сәулеленуі мүмкін. 940 нм диодты айдауды пайдалану фотон тапшылығын айтарлықтай азайтады. Итербийде неодим жоғары тығыздықтағы өздігінен сөндіретін әсерлердің ешқайсысы жоқ, сондықтан неодим көлемді лазерлерде және итербий талшықты лазерлерде қолданылады (екеуі де шамамен бірдей толқын ұзындығын қамтамасыз етеді).

Эрбий 1530-1620 нм диапазонында сәуле шығарады, бұл көзге қауіпсіз. 780 нм шамасында жарық шығару үшін жиілікті екі есе арттыруға болады, бұл талшықты лазерлердің басқа түрлері үшін қол жетімді емес. Ақырында, итербийді элемент сіңіретіндей етіп эрбийге қосуға боладысәулеленуді сорып, бұл энергияны эрбийге жібереді. Тулий - тағы бір жақын инфрақызыл қоспасы, сондықтан көзге қауіпсіз материал.

Жоғары тиімділік

Талшықты лазер квази-үш деңгейлі жүйе. Сорғы фотоны негізгі күйден жоғарғы деңгейге өтуді қоздырады. Лазерлік ауысу – бұл жоғарғы деңгейдің ең төменгі бөлігінен бөлінген негізгі күйлердің біріне өту. Бұл өте тиімді: мысалы, 940 нм сорғы фотоны бар иттербий толқын ұзындығы 1030 нм және кванттық ақауы (энергия жоғалуы) шамамен 9% болатын фотонды шығарады.

Керісінше, 808 нм жиілікте айдалатын неодим энергиясының шамамен 24% жоғалтады. Осылайша, иттербийдің жоғары тиімділігі бар, бірақ кейбір фотондардың жоғалуына байланысты оның барлығына қол жеткізу мүмкін емес. Yb бірнеше жиілік диапазонында айдауға болады, ал эрбийді 1480 немесе 980 нм айдауға болады. Жоғары жиілік фотон ақауы тұрғысынан тиімді емес, бірақ бұл жағдайда да пайдалы, себебі жақсырақ көздер 980 нм-де қолжетімді.

Жалпы, талшықты лазердің тиімділігі екі сатылы процестің нәтижесі болып табылады. Біріншіден, бұл сорғы диодының тиімділігі. Когерентті сәулеленудің жартылай өткізгіш көздері өте тиімді, электрлік сигналды оптикалық сигналға түрлендірудегі тиімділігі 50%. Зертханалық зерттеулердің нәтижелері 70% немесе одан да көп мәнге қол жеткізуге болатынын көрсетеді. Шығыс сәулелену сызығының дәл сәйкестігіменталшықты лазерді сіңіру және жоғары сорғы тиімділігі.

Екінші – оптикалық-оптикалық түрлендіру тиімділігі. Кішігірім фотон ақауымен қозу мен экстракция тиімділігінің жоғары дәрежесіне опто-оптикалық түрлендіру тиімділігі 60-70% қол жеткізуге болады. Алынған тиімділік 25–35% диапазонында.

Әртүрлі конфигурациялар

Үздіксіз сәулеленудің талшықты-оптикалық кванттық генераторлары бір немесе көп режимді болуы мүмкін (көлденең режимдер үшін). Бір режимді лазерлер атмосферада жұмыс істейтін немесе сәулеленетін материалдар үшін жоғары сапалы сәуле шығарады, ал көп режимді өнеркәсіптік талшықты лазерлер жоғары қуат жасай алады. Бұл кесу және дәнекерлеу үшін, әсіресе үлкен аумақ жарықтандырылған термиялық өңдеу үшін қолданылады.

Ұзақ импульстік талшықты лазер негізінен миллисекунд түріндегі импульстарды шығаратын квази үздіксіз құрылғы болып табылады. Әдетте, оның жұмыс циклі 10% құрайды. Бұл, мысалы, импульстік бұрғылау үшін пайдаланылатын үздіксіз режимге (әдетте он есе көп) қарағанда жоғары ең жоғары қуатқа әкеледі. Ұзақтығына байланысты жиілік 500 Гц жетуі мүмкін.

Талшықты лазерлердегі Q-қосқышы көлемді лазерлердегі сияқты жұмыс істейді. Импульстің әдеттегі ұзақтығы наносекунд пен микросекунд аралығында болады. Талшық неғұрлым ұзағырақ болса, шығысты Q-қосқышы соғұрлым ұзағырақ болады, нәтижесінде импульс ұзарады.

Талшық қасиеттері Q-қосқышына кейбір шектеулер қояды. Талшықты лазердің сызықты еместігі ядроның көлденең қимасының кішігірім ауданына байланысты маңыздырақ, сондықтан ең жоғары қуат біршама шектеулі болуы керек. Жақсырақ өнімділікті беретін көлемді Q қосқыштарын немесе белсенді бөліктің ұштарына жалғанған талшықты модуляторларды пайдалануға болады.

Q-қосқыш импульстарды талшықта немесе қуыс резонаторында күшейтуге болады. Соңғысының мысалын Ұлттық ядролық сынақтарды модельдеу қондырғысынан (NIF, Livermore, CA) табуға болады, мұнда иттербий талшықты лазері 192 сәуленің негізгі осцилляторы болып табылады. Үлкен қоспаланған шыны тақталардағы шағын импульстар мегаджоульге дейін күшейтіледі.

Құлыпталған талшықты лазерлерде қайталау жылдамдығы басқа режимді құлыптау схемаларындағы сияқты күшейту материалының ұзындығына байланысты, ал импульс ұзақтығы күшейту өткізу қабілетіне байланысты. Ең қысқалары 50 fs диапазонында, ал ең әдеттегілері 100 fs диапазонында.

Эрбий мен иттербий талшықтарының арасында маңызды айырмашылық бар, нәтижесінде олар әртүрлі дисперсия режимдерінде жұмыс істейді. Эрбий қосылған талшықтар аномальді дисперсия аймағында 1550 нм сәуле шығарады. Бұл солитондарды өндіруге мүмкіндік береді. Итербий талшықтары оң немесе қалыпты дисперсия аймағында болады; нәтижесінде олар айқын сызықтық модуляция жиілігі бар импульстарды жасайды. Нәтижесінде импульс ұзындығын қысу үшін Брегг торы қажет болуы мүмкін.

Талшықты лазерлік импульстарды өзгертудің бірнеше жолы бар, әсіресе өте жылдам пикосекундтық зерттеулер үшін. Фотонды кристалды талшықтарды суперконтинуум генерациясы сияқты күшті сызықтық емес әсерлерді шығару үшін өте кішкентай өзектермен жасауға болады. Керісінше, фотонды кристалдар жоғары қуаттарда сызықтық емес әсерлерді болдырмау үшін өте үлкен бір режимді өзектермен де жасалуы мүмкін.

Икемді үлкен өзекті фотонды кристалды талшықтар жоғары қуатты қолданбаларға арналған. Бір әдіс тек негізгі көлденең режимді сақтай отырып, кез келген қажетсіз жоғары ретті режимдерді жою үшін осындай талшықты әдейі бүгу болып табылады. Сызықты емес гармониялар жасайды; жиіліктерді азайту және қосу арқылы қысқа және ұзын толқындар жасауға болады. Сондай-ақ сызықтық емес әсерлер импульстарды қысып, жиілік тарақтарына әкеледі.

Суперконтинуум көзі ретінде өте қысқа импульстар өздігінен фазалық модуляцияны пайдаланып кең үздіксіз спектрді жасайды. Мысалы, итербий талшықты лазер жасайтын 1050 нм-дегі бастапқы 6 ps импульстарынан ультракүлгіннен 1600 нм-ден астам диапазондағы спектр алынады. Басқа суперконтинуум ИК көзі 1550 нм-де эрбиум көзімен айдалады.

Жоғары қуат

Өнеркәсіп қазіргі уақытта талшықты лазерлердің ең үлкен тұтынушысы болып табылады. Қазіргі уақытта қуат жоғары сұранысқа ие.киловаттқа жуық, автомобиль өнеркәсібінде қолданылады. Автокөлік өнеркәсібі төзімділік талаптарын қанағаттандыру және жанармай үнемдеу үшін салыстырмалы түрде жеңіл болу үшін берік болаттан жасалған көліктерге көшуде. Қарапайым станоктар үшін, мысалы, мұндай болатты тесу өте қиын, бірақ когерентті сәулелену көздері оны жеңілдетеді.

Талшықты лазермен металдарды кесу кванттық генераторлардың басқа түрлерімен салыстырғанда бірқатар артықшылықтарға ие. Мысалы, жақын инфрақызыл толқын ұзындықтары металдармен жақсы жұтылады. Роботқа кесу және бұрғылау кезінде фокусты оңай жылжытуға мүмкіндік беретін сәулені талшықтың үстінен жеткізуге болады.

Талшық ең жоғары қуат талаптарына жауап береді. АҚШ Әскери-теңіз күштерінің 2014 жылы сыналған қаруы бір сәулеге біріктірілген және қалыптаушы оптикалық жүйе арқылы сәуле шығаратын 6 талшықты 5,5 кВт лазерлерден тұрады. 33 кВт қондырғы ұшқышсыз ұшатын аппаратты жою үшін қолданылған. Сәуле бір режимді болмаса да, жүйе қызықты, себебі ол стандартты, оңай қол жетімді компоненттерден өз қолыңызбен талшықты лазер жасауға мүмкіндік береді.

IPG Photonics ұсынған ең жоғары қуатты бір режимді когерентті жарық көзі 10 кВт. Негізгі осциллятор бір киловатт оптикалық қуат шығарады, ол басқа талшықты лазерлердің жарығымен 1018 нм айдалатын күшейткіш сатысына беріледі. Бүкіл жүйе екі тоңазытқышқа тең.

Талшықты лазерлерді пайдалану жоғары қуатты кесу мен дәнекерлеуге де тарады. Мысалы, олар ауыстырылдықаңылтыр болатты қарсылықпен дәнекерлеу, материалдың деформациясы мәселесін шешу. Қуатты және басқа параметрлерді басқару қисықтарды, әсіресе бұрыштарды өте дәл кесуге мүмкіндік береді.

Ең қуатты көп режимді талшықты лазер - бір өндірушінің металл кесетін машинасы - 100 кВт-қа жетеді. Жүйе когерентсіз сәуленің комбинациясына негізделген, сондықтан ол өте жоғары сапалы сәуле емес. Бұл төзімділік талшықты лазерлерді өнеркәсіп үшін тартымды етеді.

Бетонды бұрғылау

4КВ көп режимді талшықты лазерді бетонды кесу және бұрғылау үшін пайдалануға болады. Бұл не үшін қажет? Инженерлер бар ғимараттарда жер сілкінісіне төзімділікке қол жеткізуге тырысқанда, бетонмен өте сақ болу керек. Егер оған болат арматура орнатылса, мысалы, кәдімгі балғамен бұрғылау бетонды жарып, әлсіретуі мүмкін, бірақ талшықты лазерлер оны ұсақтамай кеседі.

Q-қосқыш талшығы бар кванттық генераторлар, мысалы, таңбалау үшін немесе жартылай өткізгіш электроника өндірісінде қолданылады. Олар диапазон өлшегіштерде де қолданылады: қолмен өлшемді модульдерде қуаты 4 кВт, жиілігі 50 кГц және импульстік ені 5-15 нс болатын көзге қауіпсіз талшықты лазерлер бар.

Бетті өңдеу

Микро және наномаөңдеу үшін шағын талшықты лазерлерге қызығушылық көп. Беткі қабатты алып тастау кезінде, импульс ұзақтығы 35 пс-тен аз болса, материалдың шашырауы болмайды. Бұл депрессияның пайда болуына жол бермейді жәнебасқа қажетсіз артефактілер. Фемтосекундтық импульстар толқын ұзындығына сезімтал емес сызықты емес әсерлерді тудырады және қоршаған кеңістікті қыздырмайды, бұл қоршаған аумақтарды айтарлықтай зақымдамай немесе әлсіретусіз жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Оған қоса, саңылауларды тереңдік пен ен арақатынасы жоғары жылдамдықпен кесуге болады, мысалы, 1 МГц жиілікте 800 fs импульстарды пайдаланып, 1 мм баспайтын болаттан шағын тесіктер жасау.

Адам көзі сияқты мөлдір материалдардың бетін өңдеу үшін де қолдануға болады. Көздің микрохирургиясында қақпақты кесу үшін фемтосекунд импульстары жоғары апертуралы объективпен көз бетінен төмен нүктеде, бетіне ешқандай зақым келтірместен, бақыланатын тереңдікте көз материалын бұзады. Көру үшін өте қажет қасаң қабықтың тегіс беті өзгеріссіз қалады. Төменнен бөлінген қақпақты, содан кейін беттік эксимерлі лазерлік линзаны қалыптастыру үшін жоғары тартуға болады. Басқа медициналық қолданбаларға дерматологиядағы таяз ену хирургиясы және оптикалық когерентті томографияның кейбір түрлерінде пайдалану кіреді.

Фемтосекундтық лазерлер

Фемтосекундтық кванттық генераторлар ғылымда лазерлік ыдыратумен қозу спектроскопиясы, уақыт бойынша шешілетін флуоресцентті спектроскопия, сондай-ақ жалпы материалдарды зерттеу үшін қолданылады. Сонымен қатар, олар фемтосекунд жиілігін өндіру үшін қажетметрологияда және жалпы зерттеулерде қажет тарақтар. Қысқа мерзімді перспективадағы нақты қолданбалардың бірі позициялау дәлдігін жақсартатын келесі буын GPS спутниктеріне арналған атомдық сағаттар болады.

Бір жиілікті талшықты лазер спектрлік сызық ені 1 кГц-тен аз шығарылады. Бұл 10 мВт-тан 1 Вт-қа дейінгі шығыс қуаты бар әсерлі шағын құрылғы. Ол байланыс, метрология (мысалы, талшықты гироскоптарда) және спектроскопия саласында қолданылады.

Алдағы не?

Басқа ҒЗТКЖ қолданбаларына келетін болсақ, тағы көп нәрсе зерттелуде. Мысалы, когерентті немесе спектрлік комбинацияны пайдалана отырып, бір жоғары сапалы сәулені алу үшін талшықты лазер сәулелерін біріктіруден тұратын басқа салаларға қолданылуы мүмкін әскери әзірлеме. Нәтижесінде бір режимді сәуледе көбірек қуатқа қол жеткізіледі.

Талшықты лазерлерді өндіру әсіресе автомобиль өнеркәсібінің қажеттіліктері үшін қарқынды дамып келеді. Талшықты емес құрылғылар да талшықты құрылғыларға ауыстырылуда. Құны мен өнімділігінің жалпы жақсартуларына қоса, фемтосекундтық кванттық генераторлар мен суперконтинуум көздері барған сайын практикалық бола бастады. Талшықты лазерлер көбірек орын алуда және лазерлердің басқа түрлері үшін жақсарту көзіне айналуда.