לייזר סיב וייטרביום: המכשיר, עקרון הפעולה, כוח, ייצור, שימוש

לייזרי סיבים הם קומפקטיים ועמידים, מדויקים, וקלים חום מושרה פיזור. הם באים בסוגים שונים ויש להם הרבה מה לעשות עם לייזרים מסוגים אחרים יש יתרונות ייחודיים משלהם.

לייזרי סיבים: פעולה

התקנים מסוג זה הם וריאציה התקן של מקור solid-state של קרינה קוהרנטית מן סיבים, במקום מוט נוזל עובד, צלחת או דיסק. האור שנוצר על ידי dopant בחלק המרכזי של סיבים. המבנה הבסיסי יכול לנוע מן הפשוט אל המסובך למדי. מנגנון ליזר הסיב וייטרביום כך הסיבים יש משטח גדול יחס נפח, כך החום ניתן מתפזר בקלות יחסית.

לייזרי סיבים נשאבים אופטית, לעיתים קרובות בעזרת דיודות לייזר, אך במקרים מסוימים - אותם מקורות. אופטיקה בשימוש במערכות אלה הן בדרך כלל מייצג רכיבים אופטיים, שבה רוב או כל אחד מהם מחוברים זה לזה. במקרים מסוימים, אופטיקה בתפזורת, ולפעמים מערכת סיבים אופטית פנימית משולבת עם אופטיקה בתפזורת חיצונית.

מקור משאבת דיודה עשוי להיות מערך דיודה, או ריבוי של דיודות בודדות, שכל אחד מהם מחובר מוליך גל סיבים אופטי מחבר. יש סיבים מסוממים בכל קצה מהוד חלל במראה - בפועל לעשות סורג בראג סיבים. בקצות אופטיקה בתפזורת יש, אם לא רק את הקורה פלט נכנס משהו אחר מאשר סיבים. מדריך האור עלול להיות מעווה כך שאם רצוי חלל הליזר עלול להיות באורך של כמה מטרים.

binuclear

סיבי מבנה המשמשים לייזרי סיבים, חשובים. הנפוץ ביותר הוא הגיאומטריה של מבנה כפול ליבה. הליבה החיצונית undoped (המכונה לעתים אינטימה) שאוב אוספת האור ומכוון אותו לאורך סיבים. קרינה מגורה שנוצר סיבים עובר דרך הליבה הפנימית, כשלרוב מדובר במצב יחיד. הגרעין הפנימי מכיל איטרביום תוסף, מגורה על ידי אור המשאבה. ישנן צורות רבות של ליבת noncircular החיצונית כלל - משושה, D בצורה מלבנית, הקטנת ההסתברות של חטאות אלומת אור הליבה המרכזית.

ליזר הסיב יכול להיות שאיבה בסוף או בצד. לאור המקרה הראשון ממקור אחד או יותר נכנס סוף הסיבים. כאשר אור השאיבה בצד מסופק מפצל אשר מזין אותו לתוך הליבה החיצונית. זו שונה מוט לייזר שבה האור נכנס בניצב לציר.

לקבלת החלטה כזו דורשת הרבה התפתחויות מבניות. תשומת לב רבה מוקדשת המסכם את אור המשאבה לתוך הליבה לייצר היפוך אוכלוסייה, מה שמוביל פליטה מאולצת הליבה הפנימית. ליבת ליזר יכולה להיות בדרגות שונות של הגברה של הסיבים תלויים הסימום, כמו גם על אורכו. גורמים אלה נקבעים כמהנדס תכנון עבור הפרמטרים הנדרשים.

מגבלת כוח עלולה להתרחש, במיוחד כאשר הפועלים בתוך סיבים במצב יחיד. יש כזה ליבה שטח קטן מאוד חתך, וכתוצאה מכך עובר אור therethrough בעצימות גבוהות מאוד. כאשר זה הופך שאינו ליניארי בולט יותר פיזור ברילואן, אשר מגביל את תפוקת החשמל של כמה אלף ואט. אם הפלט הוא גבוה מספיק, בסוף הסיבים עשוי להינזק.

במיוחד לייזרי סיבים

השימוש בסיבים כמו נוזל עובד נותן אורך אינטראקציה גדול יותר, אשר עובד היטב כאשר שאיבת דיודה. תוצאות גיאומטריה זה יעילות המרה גבוהה של פוטונים, כמו גם בנייה אמינה וקומפקטית, שבו אין אופטיקה דיסקרטית, מחייב התאמה או יישור.

לייזר סיב, אשר המנגנון מאפשר לו להסתגל היטב, ניתן להתאים לריתוך של גליונות מתכת עבה לייצר פולסים femtosecond. מגברי סיבים אופטיים לספק רווח חד-פס ומשמשים בתחום התקשורת, כפי שהם יכולים להגביר באורכי גל רבים בו זמנית. אותו רווח משמש מגברי הספק עם מתנד מאסטר. בחלק מהמקרים, המגבר יכול להיות מופעל עם לייזר גל רציף.

דוגמא נוספת היא מקור הפליטה ספונטנית מן-חיזוק הסיבים, שבו הפליטה המאולצת הוא מורחק. דוגמה נוספת היא לייזר סיב ראמאן בשילוב עם פיזור מוגבר, גל גזירה משמעותית. זה מצא יישום במחקר, שבו השילוב של דור והגברה באמצעות כוס פלואוריד ולא סיבי סיליקה סטנדרטי.

עם זאת, בדרך כלל, סיבי זכוכית סיליקה עם dopant נדיר הארץ בתוך הליבה. התוספים הבסיסיים הם איטרביום ו ארביום. יש וייטרביום אורכי גל מ 1030 כדי 1080 ננומטר, ועשוי לפלוט על פני טווח רחב. שימוש משאבת דיודה 940 ננומטר מפחית באופן משמעותי את הגירעון של פוטונים. יש וייטרביום לא אפקטים מרווה עצמית, אשר נמצאים ניאודימיום בצפיפויות גבוהות, כך שהאחרון משמש לייזרים בתפזורת איטרביום - בסיבים (שניהם מספקים על אותו גל).

ארביום פולט ננו בטווח 1530-1620, כספת לעיניים. התדירות ניתן להכפיל לייצר אור ב 780 ננומטר, אשר אינו זמין עבור סוגים אחרים של לייזרי סיבים. לבסוף, איטרביום ניתן להוסיף ארביום כך האלמנט יספוג את קרינת המשאבה ולהעביר את האנרגיה הזו כדי ארביום. תוליום - dopant נוספת פליטה באזור האינפרה אדום הקרוב, אשר ובכך הוא בטוח עבור התמונות העין.

יעילות גבוהה

ליזר הסיבים הוא מערכת מעין-שלוש-רמה. פוטוני המשאבה להלהיב את המעבר ממדינת הקרקע לשכבה העליונה. מעבר ליזר הוא מהחלק הנמוך של במפלס העליון באחת המדינות טחונות המפוצלות. זה מאוד יעיל: למשל, איטרביום-940 משאבה ננומטר פוטון פולט פוטון עם אורך גל של 1030 ננומטר, ועל הפגם הקוונטים (הפסד אנרגיה), רק כ 9%.

לעומת זאת, ניאודימיום, ביניקה 808 ננומטר מאבד כ 24% מהאנרגיה. לפיכך, איטרביום יש מיסודו יעילות גבוהה, אם כי לא כל שהוא בר השגה בשל אובדן של חלק מן הפוטונים. Yb עלול להישאב במספר תחומי תדרים, ו ארביום - גל של nm 1480 או 980. התדירות הגבוהה יותר אינה יעילה כמו במונחים של פוטונים פגם, אבל שימושית, אפילו במקרה זה, משום 980 ננומטר, המקורות הטובים ביותר זמינה.

היעילות הכוללת של לייזר סיב הוא תוצאה של תהליך בן שני שלבים. ראשית, זה את היעילות של דיודה המשאבה. מקורות Semiconductor של קרינה קוהרנטית הם יעילים מאוד, עם 50% יעילות המרת אות חשמלי לתוך אופטי. התוצאות של מחקרי מעבדה מראים כי ניתן להגיע לערך של 70% או יותר. עם לייזר סיב קו ספיגת הקרינה פלט התאמה מדויקת מושגת יעילות שאיבה גבוהה.

שנית, יעילות המרה אופטית-אופטית זו. כאשר פוטוני פגם קטנים יכולים להשיג רמה גבוהה של עירור ואת יעילות המיצוי של יעילות המרה אופטית-אופטית של 60-70%. היעילות המתקבלת היא של% בטווח 25-35.

תצורות שונות

גנרטורים גל הרציפים קוונטי סיבים עשויים להיות מרובה או בודד (מצב רוחבי). חד-קרן לייצר באיכות גבוהה עבור חומרים, עבודה או שיגור אלומת דרך האטמוספרה, ו לייזרי סיבים תעשייתיים מרובים יכולים לייצר יותר כוח. הוא משמש עבור חיתוך וריתוך, ובעיקר, עבור טיפול בחום, שבו שטח גדול מואר.

ליזר הסיבים הארוך הוא מנגנון מעין-רציף משמעותי בדרך כלל האלפית שני סוג מניבות פולסים. בדרך כלל זה מחזור העבודה הוא 10%. זה מוביל חשמל בשעות שיא הצריכה גבוהה יותר מאשר במצב מתמשך (בדרך כלל עשר פעמים) המשמש, למשל, עבור קידוח פעמו. התדירות עשויה להיות 500 הרץ, תלוי המשך.

Q-Switch ב לייזרי סיבים גם מעשים כמו בתפזורת. משך הדופק טיפוסי הוא בטווח של ננו שניות כדי מיקרו. ככל הסיבים, ככל שנדרשו עבור Q-Switch של קרינת התפוקה, וכתוצאה מכך דופקת כבר.

מאפייני סיבים מספר מגבלות על האפנון ש. הליניאריות של ליזר הסיב היא יותר משמעותי בגלל חתך באזור הקטן של הליבה, כך שעוצמת השיא אמורה להיות מוגבלת למדי. אתה יכול להשתמש גם את מתגי נפח Q, המספקים ביצועים גבוהים יותר, או מאפננים אופטיים, אשר מחוברים הקצוות של חלק פעיל.

פולסים-switched Q ניתן מוגברים סיבים או מהוד החלל. דוגמה לכך ניתן למצוא סימולציה הלאומי קומפלקס של ניסויים גרעיניים (NIF, ליברמור, קליפורניה), שבו לייזר סיב הוא מתנד אב 192 קורות. פולסים קטנים לוחות גדולים של זכוכית מסוממת מוגברים ל 'ול.

בשנת לייזרי סיבים עם תדירות החזרת סנכרון תלוי באורך של חומר חיזוק, כמו המצבים האחרים של מעגלי סנכרון ומשך דופק תלוי ביכולת לשפר את תפוקה. הדרך הקצרה הנמצאים בטווח של 50 FS, ו טיפוסי ביותר - בטווח של 100 FS.

בין איטרביום וסיבים ארביום, יש הבדל חשוב, לפיו הם פועלים פיזור מצבים שונים. ארביום מסומם סיבים הפולטים ב ננומטר 1550 באזור של פיזור האנומלי. זה מאפשר סוליטונים. Itterbievye סיבים נמצא פיזור חיובי או רגיל; כתוצאה, הם מייצרים פולסים עם אפנון תדר ליניארית מבוטא. כתוצאה בראג צורמת שייתכן ויש צורך לדחוס את אורך הפולס.

ישנן מספר דרכים כדי לשנות את פעימות לייזר סיב, בפרט ללימודי מהירים picosecond. סיבי קריסטל פוטוניים יכולים להיות מיוצרים עם ליבות קטנות מאוד עבור אפקטים לינארית חזקים, כגון עבור דור supercontinuum. לעומת זאת, הגבישים פוטוניים יכולים גם להיות מיוצרים עם ליבה במצב יחיד גדולה מאוד על מנת למנוע תופעות לא לינאריות על סמכויות גבוהות.

סיבי גביש פוטונים גמישים עם ליבה גדולה שנוצרה עבור יישומים הדורשים הספק גבוה. אחת השיטות הוא כיפוף מכוון של הסיבים כדי להסיר כל מצבים כדי רצויים גבוהים תוך שמירה על מצב רוחבי יסוד. The-ליניאריות יוצר הרמוניות; ועל ידי הפחתת התדירות מתקפל, אתה יכול ליצור אורכי גל קצרים יותר. תופעות קויות גם יכולות לייצר דחיסה פולס, מוביל אל המסרקים בתדירות ההופעה.

מקור supercontinuum כמו פולסים קצרים מאוד לייצר ספקטרום רציף באמצעות אפנון פאזה. לדוגמא, מן פולסים PS 6 הראשוניים 1050 ננומטר, אשר יוצר את ספקטרום ליזר סיב איטרביום המתקבל בטווח של אולטרה סגול ליותר מ 1600 ננומטר. מקור נוסף של מקור IR-שאוב ארביום-supercontinuum באורך גל של nm 1550.

הספק גבוה

התעשייה היא כיום הצרכן הגדול ביותר של לייזרי סיבים. ביקוש גבוה עכשיו נהנה הכח בסדר גודל של קילוואט המשמש בתעשיית הרכב. תעשיית הרכב מתקדמת לעבר ייצור מכוניות פלדה חוזק גבוה כדי לעמוד בדרישות של עמידות יחסית קל בדלק יותר. כלי מכונית קונבנציונליים קשים מאוד, למשל, מחורר סוג זה של פלדת מקורות קרינה קוהרנטית להקל.

לייזר סיב מתכת חיתוך, לעומת סוגים אחרים של גנרטור הקוונטים יש מספר יתרונות. לדוגמה, waveband האינפרה-אדום הקרוב גם נספג מתכות. Beam ניתן לשלוח דרך סיב, אשר מאפשר לרובוט לנוע המוקד בקלות כאשר חיתוך קידוח.

סיב אופטי עונה על הדרישות הגבוהות ביותר עבור כוח. נשק חיל הים האמריקאי, נבדק 2014, מורכב לייזרים 6 סיבים 5.5 קילוואט בשילוב בקרן אחת ומקרינה דרך מערכת אופטית להרכיב. יחידת 33 כ"ס שימש להביס מזל"ט. למרות שאלומת אינו במצב יחיד, המערכת היא של עניין, שכן היא מאפשרת ליצור לייזר סיב עם הידיים מתוך תקן, החומרים זמינים.

מקורות אור קוהרנטי במצב יחיד הגבוהה ביותר כוח של Photonics IPG הוא 10 כ"ס. המתנד אמן מייצר וואט של כוח אופטי, אשר מסופק מגבר הבמה ביניקה 1018 ננומטר עם האור של לייזרי סיבים אחרים. המערכת כולה יש גודל של שני מקררים.

השימוש בלייזר סיב גם האריך את חיתוך כוח גבוהה ריתוך. לדוגמא, הם החליפו התנגדות ריתוך פחים מפלדה לפתור את הבעיה של עיוות של החומר. בקרת הספק ופרמטרים נוספים מאפשרים עקומות חיתוך מדויקות מאוד, במיוחד בפינות.

ליזר הסיב החזק ביותר - לחיתוך מתכות מאותו היצרן - עד 100 כ"ס. המערכת מבוססת על שילוב של קרן מבולבלת, אז זה לא קורה סופר איכותי. התנגדות זו הופכת לייזרי סיבים אטרקטיביים עבור תעשייה.

קידוח בטון

פלט לייזר סיב של 4 קילוואט יכול לשמש לחיתוך ו קידוח בטון. למה לעשות את זה? כאשר מהנדס מנסים להשיג עמידות סיסמית של בניינים קיימים, כדי להיות זהיר מאוד עם הבטון. כאשר מותקן בו, כגון קידוח קשה קונבנציונלי חיזוק פלדה עלול לגרום פגמים ולהחליש את הבטון, אבל לייזרי סיבים לחתוך מבלי למחוץ אותה.

לייזרים עם סיבים ממותגים Q המשמשים למשל עבור תיוג או בייצור של מוצרי אלקטרוניקה מוליכים למחצה. הם גם משמשים מדי טווח: מודולים הם בגודל של יד מכיל לייזרי סיבים בטוחי עין שתפוקתם 4 כ"ס, תדירות 50 kHz ומשך דופק של 5-15 NS.

טיפול שטח

יש עניין רב לייזרי סיבים קטנים עבור מיקרו nanoprocessing. כאשר מוציאים את שכבת פני השטח, אם משך הדופק קצר יותר 35 נ.ב., אין חומר ריסוס. הדבר מונע היווצרות גומות וחפצים לא רצויים אחרים. הדופק המשטר femtosecond לייצר תופעות לא לינאריות שאינם רגישים גל וסביבתה אינו מחומם, המאפשר לעבוד ללא נזק משמעותי או היחלשות של והסביבה. בנוסף, חורים ניתן לחתוך עם עומק גבוה רוחב - למשל, במהירות (תוך כמה אלפיות) חורים קטנים של 1 מ"מ באמצעות פולסים 800-FS נירוסטה עם תדר של 1 מגה-רץ.

אפשר גם לייצר חומרים שקופים שטופל שטח, לדוגמה, העין האנושית. כדי לחתוך הדש Microsurgery עין, פולסים femtosecond vysokoaperturnym העדשה בחוזקה הפוקוס בנקודה מתחת לפני השטח של העין מבלי לגרום כל נזק על פני השטח, אבל העין על ידי השמדת חומר על עומק נשלט. משטח חלק של הקרנית, אשר חיוני לראייה נשאר שלם. דש מופרד מהחלק התחתון, לאחר מכן ניתן עצרה משטח העדשה להרכיב לייזר excimer. יישומים רפואיים אחרים כוללים חדירה רדודה ניתוח בדרמטולוגיה, כמו גם את השימוש של סוגים מסוימים של טומוגרפיה קוהרנטיות האופטית.

לייזרים femtosecond

לייזרי Femtosecond במדע השתמשו כדי להלהיב את ספקטרוסקופיה התפלגות הליזר, ספקטרוסקופיה פלואורסצנטי עם רזולוציה זמנית, וגם למחקר חומרים בכלל. בנוסף, הם נדרשים לייצור מסרק תדירות femtosecond הנדרש המטרולוגיה ולימודים כלליים. אחד היישומים אמיתי בטווח הקצר יהיה שעונים אטומיים של לווייני GPS של דור חדש, אשר יגדיל את הדיוק מיצוב.

לייזר סיב תדר יחיד מבוצע עם linewidth ספקטרלי של פחות מ 1 kHz. מכשיר מרשים עם כוח פלט קרינה קטן מ 10 mW עד 1W. ממצא יישום בתחום התקשורת, המטרולוגיה (לדוגמא, ב ג'ירוסקופים סיבים) וספקטרוסקופיה.

מה הלאה?

באשר יישומי מחקר אחרים, זה עדיין הרבה מהם נלמדים. לדוגמה, הנדסה צבאית, אשר יכול להיות מיושם בתחומים אחרים, אשר מורכב המשלב קורות סיב לייזר כדי להשיג קורת גבוהה באמצעות שילוב קוהרנטית או ספקטרלי. כתוצאה מכך, יותר כוח מושגת בתוך קורות עץ במצב יחיד.

הפקה של לייזרי סיבים צומחת במהירות, במיוחד עבור צרכי תעשיית הרכב. כמו כן, ישנה החלפה של מכשירי סיבים שאינם סיביים. בנוסף לשיפורים כלליים עלות וביצועים, יש יותר לייזרי femtosecond מעשים מקורות supercontinuum. לייזרי סיבים לתפוס נישות יותר ולהיות מקור השיפור עבור סוגים אחרים של לייזרים.