Laser cu fibră de putere redusă. Lasere cu fibră optică Principiul de funcționare al unui laser cu fibră optică

Prin optimizarea fibrei optice monomod pentru utilizarea în laserele cu fibră, a fost atinsă o putere de ieșire extrem de scalabilă de 4,3 kW și au fost identificate direcții de cercetare ulterioare pentru aplicațiile laser ultrarapide.

Unul dintre problemele actuale Dezvoltarea tehnologiilor laser este creșterea puterii laserelor cu fibră, care au „câștigat” deja cota de piață de la laserele cu CO 2 de mare putere, precum și laserele volumetrice cu stare solidă. În prezent marii producatori laserele cu fibră acordă o atenție deosebită dezvoltării de noi aplicații, luând în considerare cucerirea în continuare a pieței în viitor. Dintre laserele de mare putere de pe piață, sistemele monomod au o serie de caracteristici care le fac cele mai căutate - au cea mai mare luminozitate de ieșire și pot fi focalizate până la câțiva microni, făcându-le mai potrivite pentru non -prelucrare materiale de contact. Producția unor astfel de sisteme este destul de complexă. IPG Photonics (Oxford, MA) a propus dezvoltarea unui sistem monomod de 10 kW, dar informațiile despre caracteristicile fasciculului nu sunt disponibile și nu sunt furnizate date, în special, despre eventualele componente multimodale care pot exista alături de semnalul monomod. .

Oamenii de știință germani de la Universitatea Friedrich Schiller și Institutul Fraunhofer pentru Optică Aplicată și Inginerie de Precizie, cu sprijin financiar din partea guvernului german și în colaborare cu TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Institutul Leibniz pentru Tehnologia Fotonică, au analizat problemele de scalare ale astfel de lasere și au dezvoltat noi fibre pentru a depăși limitările de putere. Echipa a finalizat cu succes o serie de teste, demonstrând o ieșire monomod de 4,3 kW în care puterea de ieșire a laserului cu fibră a fost limitată doar de puterea semnalului pompei.

Factori care limitează puterea de radiație a unui laser cu fibră monomod

La principalele sarcini care necesită studiu atent Pot fi incluse: a) pompare îmbunătățită; b) dezvoltarea fibrei active cu pierderi optice reduse, care funcționează numai în modul monomod; c) măsurarea mai precisă a radiaţiei primite. Presupunând că problema pompei îmbunătățite poate fi rezolvată folosind diode laser ultra-luminoase și metode adecvate de livrare a pompei, vom lua în considerare, prin urmare, celelalte două mai detaliat în acest articol.

Ca parte a dezvoltării fibrei active pentru funcționarea monomod de mare putere, au fost selectate două seturi de parametri de optimizare: dopaj și geometrie. Toți parametrii trebuie definiți clar pentru a obține pierderi minime, funcționare monomod și câștig puternic. Un amplificator ideal cu fibră ar trebui să ofere o eficiență ridicată de conversie de peste 90%, o calitate excelentă a fasciculului și o putere de ieșire limitată doar de puterea disponibilă a pompei. Cu toate acestea, modernizarea unui sistem monomod la puteri mai mari poate duce la densități de putere mai mari în miezul fibrei în sine, o sarcină termică crescută și o varietate de efecte optice neliniare, cum ar fi împrăștierea Raman stimulată (SRS) și împrăștierea Brillouin stimulată (SBS). ).

Modurile transversale pot fi îmbunătățite în funcție de dimensiunea zonei active de fibre. Cu cât secțiunea transversală activă a fibrei este mai mică, cu atât este mai mic numărul de astfel de moduri - pentru un raport dat între secțiunile transversale ale fibrei și placare. Cu toate acestea, un diametru mai mic determină și o densitate de putere mai mare, iar la îndoirea unei fibre, de exemplu, se adaugă și pierderi pentru moduri mai mari. Cu toate acestea, cu un diametru mare a miezului de fibre și stres termic, pot apărea și alte moduri de emisie. Astfel de moduri sunt supuse interacțiunii între ele în timpul amplificării și, prin urmare, fără conditii optime propagare, profilul radiației de ieșire poate deveni instabil spațial sau temporal.

Instabilitatea modului transversal

Fibrele dopate cu yterbiu (Yb) sunt mediul de lucru tipic pentru laserele cu fibră monomod de mare putere, dar dincolo de un anumit prag ele prezintă un efect complet nou - așa-numitul efect de instabilitate în mod transversal (TMI). La un anumit nivel de putere, pot apărea brusc moduri mai mari sau chiar moduri shell. Energia este redistribuită dinamic între ele, iar calitatea fasciculului se deteriorează. La ieșire apare o fluctuație a radiației (fascicul începe să oscileze). Efectul TMI a fost observat într-o varietate de modele de fibre, de la fibre cu indice în trepte la fibre de cristal fotonic. Valoarea sa de prag depinde de geometrie și dopaj, dar o estimare aproximativă sugerează că acest efect are loc la puteri de ieșire mai mari de 1 kW. În timpul studiului, a fost dezvăluită dependența TMI de fotoîntunecare și legătura sa cu efectele termice din interiorul fibrei. Mai mult, susceptibilitatea laserelor cu fibră la TMI depinde și de conținutul miezului modal.

Geometria fibrei cu indice de pas permite optimizarea. Pentru pompare, pot fi selectate următoarele: diametrul fibrei, dimensiunea învelișului fibrei pompei și alți indici de refracție ai fibrei și ai învelișului. Toți acești parametri de reglare depind de concentrația de dopant, adică concentrația de ioni Yb poate fi utilizată pentru a controla lungimea regiunii de absorbție a radiației pompei din fibra activă. Alți aditivi pot fi adăugați în fibră pentru a reduce efectele termice și pentru a controla indicele de refracție. Cu toate acestea, există unele contradicții. Pentru a reduce efectele neliniare, fibra trebuie să fie mai scurtă, iar pentru a reduce sarcina termică, fibra trebuie să fie mai lungă. Fotoîntunecarea este proporțională cu concentrația de dopanți, astfel încât fibrele mai lungi cu concentrație mai mică de dopanți vor fi cu siguranță mai bune. O idee despre unii parametri poate fi obținută în timpul experimentului. Comportamentul termic, de exemplu, poate fi modelat, dar este destul de dificil de prezis, deoarece fotoîntunecarea este mică prin definiție și nu poate fi măsurată fizic în testele accelerate. Prin urmare, măsurătorile directe ale comportamentului termic în fibre pot fi utile pentru proiectarea experimentală. În comparație pentru o fibră activă tipică sunt reprezentate sarcina termică măsurată (derivată din măsurători de temperatură distribuite simultan în cadrul amplificatorului cu fibră) și sarcina termică simulată (Figura 1).

Figura 1. Sarcina termică măsurată a fibrei active în comparație cu sarcina simulată cu și fără pierderi suplimentare

Un alt parametru important pentru proiectarea fibrei este lungimea de undă de tăiere, care este cea mai mare lungime de undă care crește numărul de moduri din fibră. Mai mult decât această lungime de undă mod nivel superior nu sunt suportate.

Testarea noilor fibre la puterea de kilowați

În timpul experimentului, au fost studiate două tipuri de fibre dopate cu Yb. Fibră nr. 1 cu diametrul miezului de 30 microni cu dopaj suplimentar cu fosfor și aluminiu. Fibra nr. 2, cu un diametru mai mic de 23 de microni, a fost mai puțin dopată, dar conținea mai mult iterbiu pentru a obține un coeficient de profil mai mare în comparație cu fibra nr. 1 (Tabelul 1).

Tabelul 1. Parametrii fibrelor testate

Lungimea de undă de tăiere calculată este situată în jurul valorii de 1275 nm și 1100 nm pentru fibrele 1 și, respectiv, 2. Aceasta este mult mai aproape de emisia monomod decât o fibră tipică cu diametrul miezului de 20 µm, cu deschidere numerică (NA) de 0,06, având o lungime de undă de tăiere de ~1450 nm. Lungimea de undă a laserului amplificată a fost în cele din urmă centrată la 1067 nm.

Ambele fibre au fost testate într-un circuit de pompare de mare putere (Fig. 2). Laserul cu diodă de pompă și semnalul inițial au fost cuplate în spațiu liber într-o fibră cu capete și conectori sudate, spălate cu apă pentru răcire. Sursa de radiație a fost un laser cu diodă cu cavitate externă modulată în fază (ECDL), al cărui semnal a fost preamplificat pentru a obține o putere a semnalului de intrare de până la 10 W la o lungime de undă de 1067 nm și o lățime spectrală de 180 μm.

Figura 2. Configurație experimentală a amplificatorului de mare putere utilizată pentru testul amplificatorului cu fibră în care fibra a fost pompată la 976 nm în direcția de contrapropagare.

În timpul testării primei fibre, au fost observate fluctuații bruște la o scară de milisecunde la pragul de 2,8 kW, care pot fi atribuite TMI. O a doua fibră de 30 m, la aceeași lungime de undă și lățime spectrală, a fost pompată la o putere de ieșire de 3,5 kW, limitată de SBS mai degrabă decât de TMI.

În al treilea experiment, spectrul emițătorului laser a fost modificat pentru a crește pragul SBS al fibrei prin lărgirea spectrului (mai mare decât experimentul anterior). În acest scop, un al doilea laser cu diodă cu o lungime de undă centrală de 300 μm a fost combinat cu primul. Această interferență a dus la fluctuații temporale care au permis creșterea puterii semnalului datorită modulării autofază. Cu același amplificator principal ca și înainte, s-au obținut valori foarte asemănătoare ale puterii de ieșire la o eficiență de 90%, dar acestea au putut fi crescute doar la 4,3 kW fără TMI (Tabelul 2).

Tabelul 2. Rezultatul testului de fibre

Sarcini de măsurare

Măsurarea tuturor parametrilor unui laser cu fibră de mare putere este una dintre sarcinile principale și necesită echipamente speciale pentru a le rezolva. Pentru a obține o caracterizare completă a fibrei, s-au determinat concentrația de dopanți, profilele indicelui de refracție și atenuarea miezului fibrei. De exemplu, măsurarea pierderii miezului pentru diferite diametre de îndoire este un parametru important pentru corelarea cu pragul TMI.

Figura 3. a) Urmărirea intensității fotodiodei la testarea semnalului de ieșire folosind fibra 1, sub și peste pragul TMI. b) Abaterea standard normalizată a urmelor fotodiodei la diferite puteri de ieșire

În timpul testării unui amplificator cu fibră, pragul TMI este determinat folosind o fotodiodă prin atingerea unei mici fracțiuni din putere. Debutul fluctuațiilor de putere s-a dovedit a fi destul de ascuțit și semnificativ (Fig. 3), schimbarea semnalului a fost deosebit de semnificativă la testarea fibrei 1, dar nu a fost detectată la testarea fibrei 2 până la un nivel de putere de 4,3 kW. Relația corespunzătoare este prezentată în Figura 4a.

Figura 4. a) Panta eficienței Fibrei 2 până la o putere de ieșire de 4,3 kW. b) Spectru optic cu o putere de ieșire de 3,5 kW cu un raport de 75 dB de la ieșire la ASE. Lățimea spectrală de 180 µm cu putere de ieșire de 4,3 kW extinsă la o lățime de bandă de 7 nm

Măsurătorile calității fasciculului reprezintă partea cea mai dificilă a caracterizării laserului cu fibră și merită o discuție separată. Pe scurt, atenuarea non-termică este esențială și poate fi realizată folosind reflexii Fresnel sau optice cu pierderi reduse. În experimentele prezentate în această recenzie, atenuarea a fost introdusă folosind plăci de tip pană și pompare în impulsuri pe o scară de timp care depășește timpul de debut al TMI.

Aplicații în știința rapidă

După o pauză de zece ani, dezvoltarea unor lasere puternice cu fibră monomod de o nouă generație în clasa kilowați, cu o calitate excelentă a fasciculului, pare destul de posibilă. S-a atins deja o putere de ieșire de 4,3 kW, limitată doar de puterea pompei, au fost identificate principalele limitări pe calea dezvoltării ulterioare și modalitățile de depășire a acestora sunt clare.

Puteri de aproape 1 kW au fost deja atinse pe o singură fibră atunci când este amplificată de impulsuri laser ultrarapide, astfel încât o creștere la 5 kW este în întregime posibilă printr-o combinație de tehnici. Datorită faptului că sistemele sunt dezvoltate pentru centre de cercetare de exemplu, pentru ELI (Praga, Republica Cehă) - pentru sistemele industriale, dezvoltarea în continuare a transmisiei de semnal optic de încredere rămâne o provocare.

Munca depusă a identificat o serie de perspective interesante. Pe de o parte, acesta este transferul rezultatelor în producție, în ciuda faptului că este încă nevoie de mult efort în această direcție, iar pe de altă parte, tehnologia este extrem de importantă pentru creșterea parametrilor altor sisteme laser cu fibră optică, de exemplu, pentru amplificatoarele cu fibre femtosecunde.

Pe baza materialelor de pe http://www.lightwaveonline.com

Traducere de Serghei Rogalev

Termenul „laser cu fibră” se referă de obicei la un laser cu o fibră optică ca mediu de câștig, deși unele lasere cu un mediu de câștig semiconductor și un rezonator cu fibră sunt numite și lasere cu fibră. În majoritatea cazurilor, mediul de câștig al laserelor cu fibre este o fibră dopată cu ioni de pământuri rare, cum ar fi erbiu (Er 3+), neodim (Nd 3+), iterbiu (Yb 3+), tuliu (Tm 3+) sau praseodimiu ( Pr 3+). Pentru pompare se folosesc una sau mai multe diode laser.

Cavitatea laser cu fibre

Pentru a crea un rezonator liniar al unui laser cu fibră, este necesar să utilizați un fel de reflector (oglindă) sau să creați un rezonator inel (laser cu fibră inel).

Utilizați rezonatoare liniare laser cu fibră diverse tipuri oglinzi:

· În configurații simple de laborator, oglinzile dielectrice convenționale pot fi atașate la capetele despicate perpendicular ale fibrei, așa cum se arată în Figura 1. Această abordare, totuși, nu este foarte practică pentru producția de masă și, de asemenea, nu este foarte fiabilă.

· Reflexia Fresnel de la capătul fibrei este adesea suficientă pentru a fi utilizată ca oglindă de ieșire a unei cavități laser cu fibră. În fig. 2 arată un exemplu.

· De asemenea, este posibil să se aplice învelișuri dielectrice direct la capetele fibrelor, de obicei prin pulverizare. Astfel de acoperiri pot fi utilizate pentru reflexie pe o gamă largă.

· Multe lasere cu fibre folosesc rețele Bragg de fibre formate direct în fibra dopată sau într-o fibră nedopată legată de stratul activ. Figura 3 prezintă un laser cu reflector Bragg distribuit (DBR) cu două rețele de fibre, dar există și lasere DBR. feedback cu un singur grătar în fibre dopate cu defazaj la mijloc.

· Cele mai bune caracteristiciîn funcție de puterea pe care o poți obține prin utilizarea unui colimator pentru a scoate lumină din fibră și reflectând-o înapoi folosind o oglindă dielectrică (Fig. 4). Intensitatea la oglinda este redusa semnificativ datorita suprafetei mult mai mari a fasciculului. Cu toate acestea, un mic offset poate duce la pierderi semnificative de reflexie, pierderi dependente de polarizare etc.

· O altă opțiune este să folosiți o oglindă sub formă de buclă de fibre (Figura 5), ​​bazată pe un cuplaj de fibre (de exemplu, raport de scindare 50:50) și o bucată de fibră pasivă.

Majoritatea laserelor cu fibră sunt pompate de unul sau mai multe lasere cu diodă de ieșire cu fibre (lumina cu diodă laser este cuplată în fibră). Lumina poate fi pompată direct în miezul fibrei sau în placa interioară a fibrei în lasere de mare putere.

Un laser cu fibră este un laser cu o implementare completă sau parțială cu fibră optică, unde mediul de câștig și, în unele cazuri, rezonatorul sunt realizate din fibră optică.

Un laser cu fibră este un laser cu o implementare totală sau parțială de fibră optică, unde fibra optica O se realizează un mediu de câștig și, în unele cazuri, un rezonator. În funcție de gradul de implementare a fibrei, un laser poate fi din fibre (mediu activ și rezonator) sau fibră discretă (rezonator doar cu fibre sau alte elemente).

Laserele cu fibră pot funcționa în undă continuă, precum și în impulsuri pulsate nano și femtosecunde.

Proiecta laser depinde de specificul muncii lor. Rezonatorul poate fi un sistem Fabry-Perot sau un rezonator inel. În majoritatea modelelor, o fibră optică dopată cu ioni de elemente de pământuri rare - tuliu, erbiu, neodim, itterbiu, praseodim - este utilizată ca mediu activ. Laserul este pompat folosind una sau mai multe diode laser direct în miezul fibrei sau, în sistemele de mare putere, în placa interioară.

Laserele cu fibră sunt utilizate pe scară largă datorită unei selecții largi de parametri și a capacității de a personaliza pulsul pe o gamă largă de durate, frecvențe și puteri.

Puterea laserelor cu fibră este de la 1 W la 30 kW. Lungimea fibrei optice – până la 20 m.

Aplicații ale laserelor cu fibră:

– tăiere metale și polimeri în producție industrială,

– taiere de precizie,

– microprocesare metaleși polimeri,

– tratarea suprafeței,

– lipire,

– tratament termic,

– etichetarea produselor,

– telecomunicații (linii de comunicații cu fibră optică),

– producție de electronice,

– producerea de dispozitive medicale,

– instrumentare științifică.

Avantajele laserelor cu fibră:

– laserele cu fibră sunt un instrument unic care deschide o nouă eră în prelucrarea materialelor,

– portabilitatea și capacitatea de a selecta lungimea de undă a laserelor cu fibră permit implementarea de noi aplicații eficiente care nu sunt disponibile pentru alte tipuri de lasere existente în prezent,

– superior altor tipuri de lasere în aproape toți parametrii importanți din punct de vedere al utilizării lor industriale,

– posibilitatea de a regla pulsul într-o gamă largă de durate, frecvențe și puteri,

- capacitatea de a seta o secvență de impulsuri scurte cu frecvența necesară și puterea de vârf mare, care este necesară, de exemplu, pentru gravarea cu laser;

– gamă largă de parametri.

Comparația diferitelor tipuri de lasere:

2000w cw opto raycus laser cu fibră pulsată itterbiu 50w 100kw cumpărare producător
lasere cu fibră solidă
placaj de tăiere a metalelor minunate moduri de gravare cernark de gravare profundă cu laser cu fibră
dispozitiv laser cu fibră de iterbiu
mașină cu fibră vand laser
principiul de funcționare producție Fryazino 1,65 microni tehnologie itterbiu preț de cumpărare ipg hp 1 optic pentru tăierea metalului gravare puls principiul de funcționare mașină aplicații optice putere do it yourself diagrama dispozitiv lungimi de undă sudare producător tăieturi în valuri

Factorul de cerere 902

Laserele cu fibră sunt compacte și robuste, vizează cu precizie și se dispersează ușor energie termică. Se întâmplă diferite tipuriși, având multe în comun cu alte tipuri de generatoare cuantice optice, au propriile lor avantaje unice.

Laser cu fibră: principiu de funcționare

Dispozitivele de acest tip sunt o variație a sursei standard de radiație coerentă în stare solidă, cu un fluid de lucru din fibră optică, mai degrabă decât o tijă, placă sau disc. Lumina este generată de un dopant în partea centrală a fibrei. Structura de bază poate varia de la simplă la destul de complexă. Designul laserului cu fibre de iterbiu este astfel încât fibra are un raport mare suprafață-volum, astfel încât căldura poate fi disipată relativ ușor.

Laserele cu fibră sunt pompate optic, cel mai adesea de generatoare cuantice de diode, dar în unele cazuri de aceleași surse. Optica utilizată în aceste sisteme sunt de obicei componente din fibră, majoritatea sau toate fiind interconectate. În unele cazuri, se utilizează optică volumetrică, iar uneori un sistem intern de fibră optică este combinat cu optica volumetrică externă.

Sursa de pompare a diodei poate fi o diodă, o matrice sau o multitudine de diode individuale, fiecare dintre acestea fiind conectată la un conector printr-un ghid de lumină cu fibră optică. Fibra dopată are o oglindă rezonatoare cu cavitate la fiecare capăt - în practică, în fibră sunt realizate rețele Bragg. Nu există optica în vrac la capete decât dacă fasciculul de ieșire este cuplat la altceva decât o fibră. Ghidul de lumină poate fi răsucit astfel încât cavitatea laserului să poată avea câțiva metri lungime, dacă se dorește.

Structură dual core

Structura fibrei utilizate în laserele cu fibră este importantă. Cea mai comună geometrie este structura dual-core. Miezul exterior nedopat (numit uneori placarea interioară) colectează lumina pompată și o direcționează de-a lungul fibrei. Emisia stimulată generată în fibră trece prin miezul interior, care este adesea monomod. Miezul interior conține un dopant de iterbiu stimulat de fasciculul luminos al pompei. Există multe forme necirculare ale miezului exterior, inclusiv hexagonale, în formă de D și dreptunghiulare, care reduc probabilitatea ca fasciculul de lumină să nu ajungă la miezul central.

Un laser cu fibră poate fi pompat la capăt sau lateral. În primul caz, lumina de la una sau mai multe surse pătrunde la capătul fibrei. Cu pomparea laterală, lumina este alimentată într-un splitter, care o alimentează în miezul exterior. Acesta este diferit de un laser cu bară, în care lumina intră perpendicular pe axă.

Această soluție necesită multă dezvoltare a designului. Se acordă o atenție considerabilă furnizării luminii pompei către miez, pentru a produce o inversiune a populației care să conducă la emisie stimulată în miezul interior. Miezul laser poate avea grade diferite de câștig în funcție de dopajul fibrei, precum și de lungimea acesteia. Acești factori sunt ajustați de către inginerul proiectant pentru a obține parametrii necesari.

Pot apărea limitări de putere, în special atunci când funcționează în fibră monomod. Acest miez are o suprafață în secțiune transversală foarte mică și, ca urmare, trece prin el lumina de foarte mare intensitate. În același timp, împrăștierea neliniară Brillouin devine din ce în ce mai vizibilă, limitând puterea de ieșire la câteva mii de wați. Dacă ieșirea este suficient de mare, capătul fibrei poate fi deteriorat.

Caracteristicile laserelor cu fibră

Folosind fibre ca mediu de lucru oferă o lungime mare de interacțiune, care funcționează bine cu pomparea cu diode. Această geometrie are ca rezultat o eficiență ridicată de conversie a fotonilor, precum și un design robust și compact care elimină optica discretă care necesită aliniere sau aliniere.

Laserul cu fibră, al cărui design îi permite să fie foarte adaptabil, poate fi adaptat atât pentru sudarea foilor groase de metal, cât și pentru producerea de impulsuri femtosecunde. Amplificatoarele cu fibră oferă amplificare cu o singură trecere și sunt utilizate în telecomunicații deoarece pot amplifica multe lungimi de undă simultan. Același câștig este folosit la amplificatoarele de putere cu un oscilator principal. În unele cazuri, amplificatorul poate funcționa cu un laser cu undă continuă.

Un alt exemplu sunt sursele de emisie spontană amplificată cu fibre, în care emisia stimulată este suprimată. Un alt exemplu este un laser cu fibră Raman cu îmbunătățire combinată a împrăștierii care modifică semnificativ lungimea de undă. A găsit aplicație în cercetarea stiintifica, unde fibrele de sticlă cu fluor sunt folosite pentru generarea și amplificarea Raman, mai degrabă decât fibrele standard de cuarț.

Cu toate acestea, de regulă, fibrele sunt fabricate dintr-un dopant de pământ rar în miez. Principalii aditivi sunt iterbiul și erbiul. Itterbiul are lungimi de undă de la 1030 la 1080 nm și poate emite într-o gamă mai largă. Utilizarea pompei cu diode de 940 nm reduce semnificativ deficitul de fotoni. Iterbiul nu are niciunul dintre efectele de auto-stingere pe care le are neodimul la densități mari, motiv pentru care acesta din urmă este utilizat în laserele în vrac și iterbiul în laserele cu fibră (ambele oferă aproximativ aceeași lungime de undă).

Erbiul emite în intervalul 1530-1620 nm, ceea ce este sigur pentru ochi. Frecvența poate fi dublată pentru a genera lumină la 780 nm, ceea ce nu este disponibil cu alte tipuri de lasere cu fibră. În cele din urmă, iterbiul poate fi adăugat la erbiu în așa fel încât elementul să absoarbă radiația pompei și să transfere acea energie către erbiu. Tuliul este un alt dopant care strălucește în regiunea infraroșu apropiat și, prin urmare, este un material sigur pentru ochi.

Eficiență ridicată

Laserul cu fibră este un sistem cu trei niveluri. Fotonul pompei excită o tranziție de la starea fundamentală la nivelul superior. O tranziție cu laser este o tranziție de la partea cea mai de jos a nivelului superior la una dintre stările fundamentale divizate. Acest lucru este foarte eficient: de exemplu, yterbiul cu un foton de pompă de 940 nm emite un foton cu o lungime de undă de 1030 nm și un defect cuantic (pierdere de energie) de numai aproximativ 9%.

În schimb, neodimul pompat la 808 nm își pierde aproximativ 24% din energie. Astfel, iterbiul are în mod inerent o eficiență mai mare, deși nu toate sunt realizabile din cauza pierderii unor fotoni. Yb poate fi pompat într-un număr de benzi de frecvență, iar erbiul poate fi pompat fie la 1480, fie la 980 nm. Frecvența mai mare nu este la fel de eficientă în ceea ce privește defectele fotonilor, dar este utilă chiar și așa deoarece surse mai bune sunt disponibile la 980 nm.

În general, eficiența unui laser cu fibră este rezultatul unui proces în două etape. În primul rând, aceasta este eficiența diodei pompei. Sursele de radiații coerente semiconductoare sunt foarte eficiente, cu o eficiență de 50% în conversia unui semnal electric în unul optic. Rezultatele de laborator indică faptul că poate fi atinsă o valoare de 70% sau mai mult. Când radiația de ieșire se potrivește exact cu linia de absorbție a laserului cu fibră, se obține o eficiență ridicată a pompei.

În al doilea rând, este eficiența conversiei optice-optice. Cu un mic defect foton, se poate obține o eficiență ridicată de excitare și extracție cu o eficiență de conversie optică-optică de 60-70%. Eficiența rezultată este în intervalul 25-35%.

Diverse configurații

Generatoarele cuantice cu fibră optică CW pot fi monomode sau multimodale (pentru moduri transversale). Modul unic produce un fascicul de înaltă calitate pentru materialele care operează sau trimit un fascicul prin atmosferă, în timp ce laserele industriale cu fibră multimode pot genera o putere mai mare. Acesta este utilizat pentru tăiere și sudură, și în special pentru tratamentul termic, unde este iluminată o zonă mare.

Un laser cu fibră cu impuls lung este, în esență, un dispozitiv cu undă cvasi-continuă, care produce de obicei impulsuri în milisecunde. De obicei, ciclul său de lucru este de 10%. Acest lucru are ca rezultat o putere de vârf mai mare decât în ​​modul continuu (de obicei de zece ori mai mult), așa cum este utilizat pentru forarea cu impulsuri, de exemplu. Frecvența poate ajunge la 500 Hz, în funcție de durată.

Comutarea Q în laserele cu fibră funcționează în același mod ca și în laserele cu volum. Duratele tipice ale impulsului variază de la nanosecunde la microsecunde. Cu cât fibra este mai lungă, cu atât este nevoie de mai mult pentru a comuta Q ieșirea, rezultând un impuls mai lung.

Proprietățile fibrei impun unele restricții asupra comutării Q. Neliniaritatea unui laser cu fibră este mai semnificativă datorită ariei mici a secțiunii transversale a miezului, astfel încât puterea de vârf trebuie să fie oarecum limitată. Puteți utiliza fie comutatoare Q în vrac, care oferă performanțe mai mari, fie modulatoare de fibră, care sunt conectate la capetele părții active.

Impulsurile Q-switched pot fi amplificate într-o fibră sau într-un rezonator cu cavitate. Un exemplu al acestuia din urmă poate fi găsit la National Nuclear Simulation Facility (NIF, Livermore, California), unde un laser cu fibră de itterbiu este oscilatorul principal pentru 192 de fascicule. Pulsurile mici din plăci mari de sticlă dopată sunt amplificate la megajouli.

Pentru laserele cu fibră de blocare, rata de repetiție depinde de lungimea materialului de amplificare, ca în alte scheme de blocare a modului, iar durata impulsului depinde de lățimea de bandă de amplificare. Cele mai scurte sunt în intervalul 50 fs, iar cele mai tipice sunt în intervalul 100 fs.

Există o diferență importantă între fibrele de erbiu și iterbiu, rezultând în funcționarea lor în regimuri de dispersie diferite. Fibrele dopate cu erbiu emit la 1550 nm în regiunea de dispersie anormală. Acest lucru permite producerea de solitoni. Fibrele de iterbiu se găsesc în regiunea de dispersie pozitivă sau normală; ca urmare, ele generează impulsuri cu o frecvență de modulație liniară pronunțată. Ca rezultat, poate fi necesar un grătar Bragg pentru a comprima lungimea pulsului.

Există mai multe moduri de a modifica impulsurile laser cu fibră, în special pentru studiile ultrarapide cu picosecunde. Fibrele de cristal fotonic pot fi fabricate cu miezuri foarte mici pentru a produce efecte neliniare puternice, cum ar fi generarea de supercontinuum. În schimb, cristalele fotonice pot fi fabricate și cu miezuri monomod foarte mari pentru a evita efectele neliniare la puteri mari.

Fibrele de cristal fotonic flexibile, cu miez mare, sunt create pentru aplicații care necesită putere mare. O tehnică este de a îndoi în mod deliberat o astfel de fibră pentru a elimina orice moduri de ordin superior nedorite, lăsând doar modul transversal fundamental. Neliniaritatea creează armonici; Scăzând și adunând frecvențe, pot fi create unde mai scurte și mai lungi. Efectele neliniare pot produce, de asemenea, compresia pulsului, care are ca rezultat piepteni de frecvență.

Ca sursă de supercontinuu, impulsurile foarte scurte produc un spectru larg continuu prin modularea în autofaza. De exemplu, din impulsurile inițiale de 6 ps la 1050 nm produse de un laser cu fibră de itterbiu, se obține un spectru care variază de la ultraviolet la peste 1600 nm. O altă sursă IR supercontinuă este pompată de o sursă de erbiu la 1550 nm.

Mare putere

Industria este în prezent cel mai mare consumator de lasere cu fibră. Puterea de ordinul unui kilowatt, folosită în industria auto, este acum la mare căutare. Industria auto se îndreaptă spre fabricarea de vehicule din oțel de înaltă rezistență pentru a îndeplini cerințele de durabilitate și pentru a fi relativ ușoare pentru o mai bună economie de combustibil. Este foarte dificil pentru mașinile convenționale, de exemplu, să facă găuri în acest tip de oțel, dar sursele de radiații coerente fac acest lucru ușor.

Tăierea metalelor cu un laser cu fibră, în comparație cu alte tipuri de generatoare cuantice, are o serie de avantaje. De exemplu, lungimile de undă în infraroșu apropiat sunt bine absorbite de metale. Fasciculul poate fi livrat de-a lungul fibrei, permițând robotului să mute cu ușurință focalizarea la tăiere și găurire.

Fibra optică îndeplinește cele mai mari cerințe de putere. Arma US Navy, testată în 2014, constă din lasere cu 6 fibre de 5,5 kW combinate într-un singur fascicul și emitând printr-un sistem optic de modelare. Pentru distrugere a fost folosită o unitate de 33 kW Deși fasciculul nu este monomod, sistemul este interesant, deoarece vă permite să creați singur un laser cu fibră din componente standard, ușor disponibile.

Cea mai mare sursă de radiație coerentă monomod de la IPG Photonics este de 10 kW. Oscilatorul principal produce un kilowatt de putere optică, care este alimentat în treapta amplificatorului, pompat la 1018 nm cu lumina de la alte lasere cu fibră. Întregul sistem are dimensiunea a două frigidere.

Utilizarea laserelor cu fibre s-a extins și la tăierea și sudarea de mare putere. De exemplu, au înlocuit sudarea prin rezistență a tablei de oțel, rezolvând problema deformării materialului. Controlul puterii și al altor parametri permite tăierea foarte precisă a curbelor, în special a colțurilor.

Cel mai puternic laser cu fibră multimod - o mașină de tăiat metal de la același producător - atinge 100 kW. Sistemul se bazează pe o combinație de fascicul incoerent, deci nu este un fascicul de calitate superioară. Această durabilitate face laserele cu fibră atractive pentru industrie.

Forarea betonului

Laserul cu fibră multimodal de 4 kW poate fi folosit pentru tăierea și găurirea betonului. De ce este necesar acest lucru? Când inginerii încearcă să obțină rezistență la cutremur în clădirile existente, trebuie să fie foarte atenți cu betonul. La instalarea, de exemplu, a armăturii din oțel, găurirea convențională cu percuție poate provoca crăpături și slăbi betonul, dar laserele cu fibre îl taie fără a-l zdrobi.

Generatoarele cuantice cu fibre Q-switched sunt utilizate, de exemplu, pentru marcare sau în producția de electronice semiconductoare. Ele sunt, de asemenea, utilizate în telemetru: modulele de dimensiuni manuale conțin lasere cu fibră sigure pentru ochi, cu o putere de 4 kW, o frecvență de 50 kHz și o durată a impulsului de 5-15 ns.

Tratarea suprafeței

Există mult interes pentru laserele cu fibre mici pentru micro- și nano-prelucrare. La îndepărtarea stratului de suprafață, dacă durata impulsului este mai mică de 35 ps, nu există stropire de material. Acest lucru elimină formarea depresiunilor și a altor artefacte nedorite. Impulsurile femtosecunde produc efecte neliniare care nu sunt sensibile la lungimea de undă și nu încălzesc zona înconjurătoare, permițând funcționarea fără deteriorare semnificativă sau slăbire a zonelor înconjurătoare. În plus, găurile pot fi tăiate cu un raport mare adâncime-lățime - de exemplu, rapid (în câteva milisecunde) făcând găuri mici în oțel inoxidabil de 1 mm folosind impulsuri de 800 fs la 1 MHz.

De asemenea, este posibil să se efectueze un tratament de suprafață pe materiale transparente, cum ar fi ochii umani. Pentru a tăia un lambou în microchirurgia oculară, pulsurile femtosecunde sunt strâns focalizate de o lentilă cu deschidere mare într-un punct sub suprafața ochiului, nu provocând daune suprafeței, dar distrugând materialul ocular la o adâncime controlată. Suprafața netedă a corneei, care este importantă pentru vedere, rămâne intactă și nevătămată. Clapeta, separată de dedesubt, poate fi apoi ridicată pentru formarea superficială a lentilelor laser excimer. Alte aplicații medicale includ chirurgia cu penetrare superficială în dermatologie, precum și utilizarea în unele tipuri de tomografie cu coerență optică.

Laser femtosecunde

Generatoarele cuantice de femtosecunde sunt utilizate în știință pentru spectroscopia de excitație a defalcării laserului, spectroscopia cu fluorescență rezolvată în timp și cercetarea generală a materialelor. În plus, sunt necesari pentru producerea pieptenilor de frecvență femtosecunde necesari în metrologie și cercetarea generală. O aplicație practică pe termen scurt va fi ceasurile atomice pentru sateliții GPS de generație următoare, care vor îmbunătăți precizia de poziționare.

Laserul cu fibră cu o singură frecvență este produs cu o lățime de linie spectrală mai mică de 1 kHz. Este un dispozitiv impresionant de mic, cu o ieșire de radiație cuprinsă între 10 mW și 1 W. Găsește aplicații în comunicații, metrologie (de ex. giroscoape cu fibre) și spectroscopie.

Ce urmează?

În ceea ce privește alte aplicații de cercetare, multe altele sunt studiate. De exemplu, o dezvoltare militară care poate fi aplicată în alte domenii este combinarea fasciculelor laser cu fibre pentru a produce un singur fascicul de înaltă calitate folosind o combinație coerentă sau spectrală. Ca rezultat, se obține o putere mare într-un fascicul cu un singur mod.

Producția de lasere cu fibră este în creștere rapidă, în special pentru aplicații auto. Dispozitivele non-fibră sunt, de asemenea, înlocuite cu cele din fibră. Pe lângă îmbunătățirile generale ale costurilor și performanței, apar generatoare cuantice femtosecunde din ce în ce mai practice și surse de supercontinuu. Laserele cu fibră ocupă din ce în ce mai multe nișe și devin o sursă de îmbunătățire pentru alte tipuri de lasere.

Studiind problema tăiere cu laser metale, este necesar să începem cu luarea în considerare a bazei fizice a funcționării laserului. Deoarece în continuare toate studiile privind acuratețea tăierii cu laser a materialelor din foi subțiri vor fi efectuate pe un complex laser folosind un laser cu fibră de itterbiu, vom lua în considerare proiectarea laserelor cu fibră.

Un laser este un dispozitiv care convertește energia pompei (luminoasă, electrică, termică, chimică etc.) în energia unui flux de radiație coerent, monocromatic, polarizat și foarte țintit.

Laserele cu fibră au fost dezvoltate relativ recent, în anii 1980. În prezent, sunt cunoscute modele de lasere tehnologice cu fibră cu o putere de până la 20 kW. Compoziția lor spectrală variază de la 1 la 2 μm. Utilizarea unor astfel de lasere face posibilă furnizarea de diferite caracteristici temporale ale radiației.

Recent, laserele cu fibră au înlocuit în mod activ laserele tradiționale în domenii de aplicare a tehnologiei laser, cum ar fi, de exemplu, tăierea și sudarea cu laser a metalelor, marcarea și tratarea suprafețelor, imprimarea și imprimarea cu laser de mare viteză. Sunt utilizate în telemetrie laser și locatoare tridimensionale, echipamente de telecomunicații, instalații medicale etc.

Principalele tipuri de lasere cu fibră sunt laserele monomod cu undă continuă, inclusiv laserele cu polarizare unică și cu frecvență unică; lasere cu fibră pulsată care funcționează în moduri de comutare Q, blocare de mod și modulare aleatorie; lasere cu fibre reglabile; lasere cu fibre superluminiscente; lasere cu fibre multimode continue de mare putere.

Principiul de funcționare al laserului se bazează pe transmiterea luminii de la o fotodiodă printr-o fibră lungă. Un laser cu fibră constă dintr-un modul de pompă (de obicei LED-uri de bandă largă sau diode laser), un ghid de lumină în care are loc laserul și un rezonator. Ghidul de lumină conține o substanță activă (fibră optică dopată - un miez fără înveliș, spre deosebire de ghidurile de undă optice convenționale) și ghidurile de undă pompa. Designul rezonatorului este determinat de obicei de specificațiile tehnice, dar se pot distinge cele mai comune clase: rezonatoare de tip Fabry-Perot și rezonatoare inelare. În instalațiile industriale, mai multe lasere sunt uneori combinate într-o singură instalație pentru a crește puterea de ieșire. În fig. Figura 1.2 prezintă o diagramă simplificată a unui dispozitiv laser cu fibră.

Orez. 1.2. Circuit laser cu fibră tipic.

1 - fibre active; 2 - oglinzi Bragg; 3 - bloc de pompare.

Materialul principal pentru fibra optică activă este cuarțul. Transparența ridicată a cuarțului este asigurată de stările saturate ale nivelurilor energetice ale atomilor. Impuritățile introduse prin dopaj transformă cuarțul într-un mediu absorbant. Prin selectarea puterii de radiație a pompei, într-un astfel de mediu este posibil să se creeze o stare inversă de populație a nivelurilor de energie (adică, nivelurile de energie ridicată vor fi mai umplute decât nivelul solului). Pe baza cerințelor pentru frecvența de rezonanță (gama infraroșu pentru telecomunicații) și puterea de prag scăzută a pompei, de regulă, dopajul se realizează cu elemente de pământuri rare din grupul lantanidelor. Unul dintre tipurile obișnuite de fibre este erbiul, utilizat în sistemele laser și amplificatoare, al cărui domeniu de operare se află în intervalul de lungimi de undă 1530-1565 nm. Datorită probabilității diferite de tranziții la nivelul principal de la subnivelurile nivelului metastabil, eficiența generării sau amplificării diferă pentru diferite lungimi de undă din domeniul de operare. Gradul de dopaj cu ioni de pământuri rare depinde de obicei de lungimea fibrei active fabricate. Într-un interval de până la câteva zeci de metri poate varia de la zeci la mii de ppm, iar în cazul lungimii de kilometri - 1 ppm sau mai puțin.

Oglinzile Bragg - un reflector Bragg distribuit - este o structură stratificată în care indicele de refracție al materialului se modifică periodic într-o direcție spațială (perpendiculară pe straturi).

Există diferite modele pentru pomparea ghidurilor de undă optice, dintre care cele mai comune sunt modelele cu fibră pură. O opțiune este plasarea fibrei active în interiorul mai multor învelișuri, dintre care cea exterioară este de protecție (așa-numita fibră dublu acoperită). Prima carcasă este făcută din cuarț pur cu un diametru de câteva sute de micrometri, iar a doua este din material polimeric, al cărui indice de refracție este selectat să fie semnificativ mai mic decât cel al cuarțului. Astfel, prima și a doua placare creează un ghid de undă multimodal cu o secțiune transversală mare și o deschidere numerică în care este lansată radiația pompei. În fig. Figura 1.3 prezintă diagrama de pompare a unui laser bazat pe o fibră dublu acoperită.

Orez. 1.3. Circuit de pompare pentru un laser bazat pe o fibră dublu acoperită.

Avantajele laserelor cu fibră includ în mod tradițional un raport semnificativ dintre suprafața rezonatorului și volumul său, ceea ce asigură o răcire de înaltă calitate, stabilitatea termică a siliciului și dispozitivele de dimensiuni mici în clase similare de putere și cerințe de calitate. Un fascicul laser, de regulă, trebuie introdus într-o fibră optică pentru utilizarea ulterioară în tehnologie. Pentru laserele de alte modele, acest lucru necesită sisteme optice speciale de colimare și face ca dispozitivele să fie sensibile la vibrații. În laserele cu fibră, radiația este generată direct în fibră și are un nivel ridicat calitate optică. Dezavantajele acestui tip de laser sunt riscul efectelor neliniare din cauza densității ridicate de radiație din fibră și energiei de ieșire relativ scăzută per impuls datorită volumului mic al substanței active.

Laserele cu fibră sunt inferioare laserelor cu stare solidă în aplicațiile în care este necesară o stabilitate ridicată a polarizării, iar utilizarea fibrei care menține polarizarea este dificilă din diverse motive. Laserele cu stare solidă nu pot fi înlocuite cu lasere cu fibră în intervalul spectral de 0,7-1,0 microni. De asemenea, au un potențial mai mare de creștere a puterii de ieșire a impulsurilor în comparație cu cele cu fibră. Cu toate acestea, laserele cu fibră funcționează bine la lungimi de undă în care nu există medii active sau oglinzi suficient de bune pentru alte modele laser și permit implementarea mai ușor a unor modele laser, cum ar fi conversia ascendentă.