الألياف الإيتربيوم الليزر: الجهاز، ومبدأ التشغيل، والطاقة، والإنتاج، واستخدام

الليزر والالياف يتم التعاقد ودائمة ودقيقة وسهلة لمبعثر بفعل الحرارة. أنها تأتي في أنواع مختلفة وجود الكثير للقيام به مع الليزر من الأنواع الأخرى لديها مزايا فريدة خاصة بهم.

الليزر والالياف: عملية

الأجهزة من هذا النوع هي الاختلاف المعياري للمصدر الحالة الصلبة من الإشعاع متماسك من الألياف، بدلا قضيب سائل العمل، لوحة أو القرص. ضوء الناتجة عن إشابة في الجزء المركزي من الألياف. البنية الأساسية يمكن أن تتراوح من البسيط الى المعقد جدا. جهاز ليزر الألياف الإيتربيوم ان هذه الألياف لديه سطح كبير لنسبة حجم، وبالتالي فإن الحرارة يمكن أن تنتشر بسهولة نسبيا.

يتم ضخ الليزر والالياف بصريا، وغالبا بمساعدة الليزر الصمام الثنائي، ولكن في بعض الحالات - المصادر نفسها. البصريات المستخدمة في هذه الأنظمة عادة تمثل المكونات البصرية، حيث ترتبط معظم أو كل منهم لبعضهم البعض. في بعض الحالات، البصريات السائبة، ونظام الألياف الضوئية الداخلية أحيانا يتم الجمع مع البصريات الأكبر الخارجية.

قد يكون مصدر مضخة الصمام الثنائي مجموعة الصمام الثنائي، أو عدد وافر من الثنائيات الفردية، كل منها متصلا الدليل الموجي موصل الألياف البصرية. الألياف مخدر في نهاية كل لديه مرآة تجويف مرنان - في الواقع جعل الألياف براج صريف. في نهايات البصريات السائبة لها، إن لم يكن سوى شعاع الناتج يدخل شيء آخر من الألياف. قد تكون ملتوية دليل ضوء بحيث إذا رغبت في تجويف الليزر قد يكون بطول عدة أمتار.

ثنائي النواة

الألياف هيكل المستخدمة في الليزر الألياف، هو المهم. والأكثر شيوعا هو هندسة هيكل ثنائي النواة. اللب الخارجي Undoped (التي يشار إليها أحيانا البطانية) ضخ يجمع الضوء ويوجه على طول الألياف. الإشعاع حفز ولدت في الألياف يمر عبر النواة الداخلية، التي غالبا ما تكون طريقة واحدة. يحتوي على النواة الداخلية لالإيتربيوم مضافة، يحفزه على ضوء المضخة. هناك أشكال كثيرة من اللب الخارجي noncircular بما في ذلك - سداسية، D على شكل مستطيل و، مما يقلل من احتمال يفتقد شعاع ضوء في نواة مركزية.

الليزر الألياف يمكن أن يكون لها نهاية أو ضخ الجانب. في أول ضوء حالة من مصادر واحدة أو أكثر يدخل نهاية الألياف. عندما يتم توفير ضوء ضخ الجانب إلى الخائن الذي يتغذى عليه في اللب الخارجي. وهذا يختلف عن قضيب الليزر حيث يدخل ضوء عمودي على محور.

لمثل هذا القرار يتطلب الكثير من التطورات الهيكلية. ويولى اهتمام كبير لتلخيص ضوء مضخة في صلب لإنتاج انعكاس السكان، مما يؤدي إلى الانبعاث المستحث في النواة الداخلية. قد يكون جوهر الليزر بدرجات متفاوتة من التضخيم في الألياف اعتمادا على المنشطات، وكذلك على طوله. يتم تعيين هذه العوامل كمهندس تصميم للمعلمات المطلوبة.

قد تحدث حد السلطة، وخصوصا عندما تعمل ضمن الألياف أحادية النمط. هذا نواة لديه مساحة صغيرة جدا مستعرضة، ونتيجة لذلك يمر الضوء therethrough من كثافة عالية جدا. عندما يكون هذا أصبح أكثر وضوحا نثر Brillouin غير الخطية، مما يحد من انتاج الطاقة من عدة آلاف من واط. إذا كان الناتج عالية بما فيه الكفاية، قد يكون معطوبا نهاية الألياف.

خصوصا ألياف الليزر

استخدام الألياف كما سائل العمل يعطي بمزيد من التفصيل التفاعل، الذي يعمل بشكل جيد عندما ضخ الصمام الثنائي. هذه الهندسة يؤدي إلى كفاءة عالية تحويل الفوتونات، وكذلك بناء موثوق والمدمجة، والتي لا البصريات منفصلة، تتطلب تعديل أو المحاذاة.

ليزر الألياف، والتي يسمح جهاز من التكيف بشكل جيد، ويمكن تكييفها لحام صفائح معدنية سميكة ولإنتاج نبضات الفيمتو ثانية. توفر مكبرات الصوت الألياف البصرية كسب مسار واحد وتستخدم في الاتصالات، لأنها يمكن أن تضخيم العديد من الأطوال الموجية في وقت واحد. يستخدم الربح نفسه في مضخمات الطاقة مع مذبذب الرئيسي. في بعض الحالات، مكبر للصوت يمكن تشغيلها مع ليزر موجة مستمرة.

مثال آخر هو مصدر لانبعاث عفوي من الألياف التعزيز، حيث يتم قمع الانبعاث المستحث. مثال آخر هو ليزر الألياف رامان جنبا إلى جنب مع زيادة التشتت، والطول الموجي القص بشكل كبير. وقد وجدت تطبيق في مجال البحوث، حيث الجمع بين جيل والتضخيم باستخدام الزجاج الفلوريد بدلا من الألياف السيليكا القياسية.

ومع ذلك، عموما، ألياف مصنوعة من الزجاج السيليكا مع إشابة الأرضية النادرة في الصميم. الإضافات الأساسية هي الإيتربيوم والإربيوم. الإيتربيوم ديه موجات 1030-1080 نانومتر، ويمكن أن تنبعث منها على نطاق واسع. استخدام 940 نانومتر مضخة الصمام الثنائي يقلل بشكل ملحوظ من العجز من الفوتونات. الإيتربيوم ليس له آثار التبريد الذاتي، والتي هي في النيوديميوم بكثافات عالية، لذلك يستخدم هذا الأخير في الليزر السائبة والإيتربيوم - في الألياف (كلاهما توفر تقريبا نفس الطول الموجي).

الإربيوم تنبعث في نانومتر نطاق 1530-1620، آمنة للعيون. تردد يمكن مضاعفة لتوليد الضوء في 780 نانومتر، وهي ليست متاحة لأنواع أخرى من الليزر الألياف. وأخيرا، يمكن إضافة الإيتربيوم إلى الإربيوم ذلك أن العنصر سوف تمتص الإشعاع ضخ ونقل هذه الطاقة إلى الإربيوم. الثوليوم - إشابة آخر إلى الانبعاثات في المنطقة تحت الحمراء القريبة، والتي بالتالي فهي آمنة للصور العين.

كفاءة عالية

الليزر الألياف هو نظام الثلاث على مستوى شبه. الفوتونات مضخة تحدث تهيجا في الانتقال من الحالة الأرضية للطبقة العليا. الانتقال الليزر هو من أدنى جزء من الطابق العلوي في واحدة من الدول انقسام الأرض. هذا هو فعالة جدا: على سبيل المثال، الإيتربيوم-940 مضخة نانومتر الفوتون تنبعث الفوتون مع الطول الموجي من 1030 نانومتر، وعيب الكم (فقدان الطاقة)، فقط حوالي 9٪.

في المقابل، النيوديميوم، ضخت في 808 نانومتر يفقد حوالي 24٪ من الطاقة. وهكذا، الإيتربيوم لها بطبيعتها كفاءة عالية، ولكن ليس كل من هو قابل للتحقيق بسبب فقدان بعض الفوتونات. الإيتيربيوم يمكن ضخها في عدد من نطاقات التردد، والإربيوم - الطول الموجي من 1480 أو 980 نانومتر. ارتفاع وتيرة ليس كما فعالة من حيث الفوتونات عيب، ولكن من المفيد، وحتى في هذه الحالة، لأنه في 980 نانومتر، أفضل المصادر المتاحة.

الكفاءة الكلية ليزر الألياف هي نتيجة عملية من خطوتين. أولا، هو كفاءة الصمام الثنائي ضخ. مصادر أشباه الموصلات الإشعاع متماسك فعالة جدا، مع كفاءة 50٪ تحويل إشارة كهربائية إلى بصرية. وتشير نتائج الدراسات المختبرية أنه من الممكن التوصل الى قيمة 70٪ أو أكثر. مع الدقيق الناتج مباراة امتصاص الإشعاع الألياف خط ليزر يتحقق وكفاءة ضخ عالية.

ثانيا، هذا البصرية الضوئية كفاءة التحويل. عندما الفوتونات عيب الصغيرة يمكن تحقيق درجة عالية من الإثارة وكفاءة استخراج كفاءة التحويل الضوئية البصرية من 60-70٪. كفاءة الناتج هو في حدود 25-35٪.

تشكيلات مختلفة

قد تكون الألياف الكم مولدات موجة مستمرة واحدة أو المتعدد (وسائط عرضية). المفردة تنتج شعاع عالية الجودة للمواد، والعمل أو إرسال شعاع من خلال الغلاف الجوي، ويمكن أن الليزر المتعدد الألياف الصناعية توليد المزيد من الطاقة. فهو يستخدم لحام وقطع، وعلى وجه الخصوص، من أجل المعالجة الحرارية، حيث يضيء مساحة كبيرة.

الليزر الألياف الطويل هو إلى حد كبير جهاز شبه مستمر عادة ميلي ثانية واحدة نوع توليد النبضات. وعادة ما هو واجب دورة هو 10٪. وهذا يؤدي إلى ذروة السلطة أعلى من الوضع المستمر (عادة عشر مرات) التي يتم استخدامها، على سبيل المثال، لحفر نابض. قد يكون تردد 500 هرتز، اعتمادا على المدة.

يعمل Q-التحول في ألياف الليزر أيضا كما في الجزء الأكبر. ومدة النبضة النموذجية هي في حدود نانو ثانية إلى ميكروثانية. وتعد الألياف، ويعد فإنه يأخذ لQ-التحول من الإشعاع الناتج، مما أدى إلى نبض أطول.

خصائص الألياف هي بعض القيود على تعديل Q. استقامة من الليزر الألياف هو أكثر أهمية بسبب صغر مساحة مقطعية للقلب، حتى أن ذروة السلطة يجب أن تكون محدودة نوعا ما. يمكنك استخدام أي مفاتيح حجم Q، والتي توفر أداء أعلى، أو جهري البصرية، والتي ترتبط إلى أقاصي الجزء النشط.

نبضات تحولت Q يمكن تضخيمه في الألياف أو في تجويف مرنان. مثال على هذا الأخير يمكن العثور عليها في محاكاة الوطني مجمع للتجارب النووية (الجبهة القومية الإسلامية، ليفرمور، CA)، حيث الليزر الألياف هو مذبذب رئيسية ل192 الحزم. البقول الصغيرة في ألواح كبيرة من الزجاج مخدر تضخيم لالميغاجول.

في الليزر الألياف مع تردد تزامن تكرار يعتمد على طول من المواد التعزيز، كما في غيرها من وسائط الدوائر التزامن ومدة النبضة يعتمد على القدرة على تعزيز الإنتاجية. أقصر هي في حدود 50 خ م، والأكثر شيوعا - في حدود 100 خ م.

بين الإيتربيوم والألياف الإربيوم، هناك فارق هام، حيث أنها تعمل في أوضاع مختلفة التشتت. الألياف مخدر الإربيوم تنبعث منها في 1550 نانومتر في منطقة التشتت الشاذ. وهذا يسمح سلتون. Itterbievye الألياف هي في تشتت إيجابية أو العادي؛ ونتيجة لذلك، فإنها تولد نبضات مع تضمين التردد الخطي وضوحا. ونتيجة لبراج صريف قد تحتاج لضغط طول النبض.

هناك عدة طرق لتعديل نبضات الألياف الليزر، ولا سيما للدراسات بيكو ثانية فائق السرعة. الألياف الضوئية الكريستال يمكن تصنيعها مع النوى الصغيرة جدا للآثار غير الخطية القوية، مثل لتوليد supercontinuum. في المقابل، يمكن أيضا البلورات الضوئية يتم تصنيعها مع كبير جدا طريقة واحدة أساسية من أجل تجنب الآثار غير الخطية في القوى عالية.

مرونة الألياف الضوئية الكريستال مع جوهر كبيرة لخلق التطبيقات التي تتطلب طاقة عالية. إحدى الطرق هو الانحناء المتعمد من الألياف لإزالة أي وسائط أجل ارتفاع غير المرغوب فيها مع الحفاظ على وضع عرضية الأساسية. اللاخطية يخلق التوافقيات. وبطرح تردد للطي، يمكنك إنشاء موجات أقصر وأطول. يمكن أن التأثيرات اللاخطية أيضا إنتاج ضغط النبض، مما يؤدي إلى أمشاط التردد المظهر.

المصدر supercontinuum كما نبضات قصيرة جدا ينتج الطيف المستمر من خلال مرحلة التشكيل. على سبيل المثال، من الأولي 6 البقول ملاحظة في 1050 نانومتر، مما يخلق الطيف ليزر الألياف الإيتربيوم تم الحصول عليها في مجموعة من الأشعة فوق البنفسجية إلى أكثر من 1600 نانومتر. مصدر آخر من مصادر الإربيوم-supercontinuum ضخ IR عند طول موجي 1550 نانومتر.

السلطة العليا

الصناعة هي حاليا أكبر مستهلك للألياف الليزر. في ارتفاع الطلب تتمتع الآن قوة ترتيب كيلووات المستخدمة في صناعة السيارات. صناعة السيارات تتجه نحو إنتاج السيارات الصلب عالية القوة لتلبية متطلبات المتانة ومن السهل نسبيا إلى زيادة الاقتصاد في استهلاك الوقود. أدوات الآلات التقليدية من الصعب جدا، على سبيل المثال، لكمة ثقوب في هذا النوع من الصلب ومصادر الإشعاع متماسك تجعل من السهل.

قطع الليزر الألياف المعدنية، مقارنة مع أنواع أخرى من مولد الكم لديها عدد من المزايا. على سبيل المثال، waveband الأشعة تحت الحمراء القريبة استيعابها جيدا المعادن. يمكن أن يتم تسليم الحزمة من خلال الألياف، والتي تسمح للروبوت على الانتقال بسهولة التركيز عند القطع والحفر.

الألياف البصرية يلبي متطلبات أعلى من أجل السلطة. الأسلحة البحرية الأمريكية، واختبارها في عام 2014، ويتألف من 6 ألياف الليزر 5.5 كيلوواط جنبا إلى جنب في شعاع واحد ويشع من خلال نظام بصري تشكيل. تم استخدام 33 وحدة كيلوواط لهزيمة مركبة جوية بدون طيار. على الرغم من أن شعاع ليست طريقة واحدة، وهذا النظام هو من الفائدة، لأنها تسمح لخلق الليزر الألياف بأيديهم من القياسية والمكونات متوفرة بسهولة.

أعلى سلطة واحدة وضع مصادر الضوء متماسكة من IPG الضوئيات هو 10 كيلو واط. مذبذب رئيسية تنتج واط من الطاقة الضوئية، والتي يتم توفيرها لمكبر للصوت مرحلة ضخ في 1018 نانومتر مع ضوء الليزر الألياف الأخرى. النظام بأكمله لديها حجم ثلاجتين.

يتم توسيع استخدام الليزر الألياف أيضا إلى ارتفاع قطع الكهرباء واللحام. على سبيل المثال، التي حلت محلها المقاومة لحام صفائح من الفولاذ حل مشكلة تشوه للمادة. التحكم في الطاقة وغيرها من المعالم تسمح منحنيات قطع دقيقة جدا، وخصوصا الزوايا.

أقوى الألياف متعددة ليزر - لتقطيع المعادن من نفس الشركة المصنعة - ما يصل إلى 100 كيلو واط. ويستند هذا النظام على مجموعة من شعاع غير متماسكة، حتى انها ليست فائقة شعاع عالية الجودة. هذه المقاومة يجعل الليزر الألياف جذابة للصناعة.

حفر ملموسة

المتعدد الناتج ألياف الليزر من 4 كيلو واط يمكن استخدامها لقطع وحفر ملموسة. لماذا تفعل ذلك؟ عندما تحاول المهندسين لتحقيق مقاومة الزلازل المباني القائمة، أن تكون حذرا جدا مع الخرسانة. عند تركيبها في ذلك، مثل حديد التسليح قرع التقليدية الحفر قد تسبب العيوب وتضعف الخرسانة، ولكن ألياف الليزر قطع من دون سحقها.

الليزر مع الألياف تحولت Q استخدامها على سبيل المثال لوضع العلامات أو في صناعة الإلكترونيات أشباه الموصلات. كما أنها تستخدم في المدى بأشعة: وحدات هي حجم اليد تحتوي على ألياف الليزر العين آمنة خرجها هو 4 كيلو واط، وتواتر 50 كيلو هرتز ومدة النبضة من 5-15 نانو ثانية.

المعالجة السطحية

هناك اهتمام كبير في الليزر الألياف صغيرة للالصغيرة وnanoprocessing. عند إزالة الطبقة السطحية، وإذا كانت مدة النبضة هي أقصر من 35 ملاحظة، أية مواد الرش. وهذا ما يمنع تشكيل الدمامل وغيرها من الأعمال الفنية غير مرغوب فيها. نبضات في النظام الفيمتو ثانية آثارا غير الخطية التي ليست حساسة لطول الموجة والمنطقة المحيطة بها ليست ساخنة، والسماح للعمل دون أضرار كبيرة أو إضعاف من المناطق المحيطة بها. بالإضافة إلى ذلك، قد يتم خفض الثقوب مع عمق عالية للعرض - على سبيل المثال، بسرعة (في غضون بضع ميلي ثانية) ثقوب صغيرة من 1 ملم باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الحبوب 800 FS مع تواتر 1 ميغاهرتز.

ومن الممكن أيضا لإنتاج مواد شفافة المعالجة السطحية، على سبيل المثال، العين البشرية. لقطع رفرف في جراحة العيون والبقول الفيمتو ثانية vysokoaperturnym عدسة التركيز بإحكام عند نقطة تحت سطح العين دون أن تسبب أي ضرر على السطح، ولكن العين عن طريق تدمير المواد على عمق تسيطر عليها. سطح أملس من القرنية، وهو أمر ضروري لرؤية لا تزال سليمة. يتم فصل رفرف من الأسفل، ومن ثم يمكن سحب ما يصل إلى السطح عدسة الليزر تشكيل الهيجان. وتشمل التطبيقات الطبية الأخرى جراحة اختراق الضحلة في الأمراض الجلدية، وكذلك استخدام أنواع معينة من التصوير المقطعي التماسك البصري.

ليزر الفيمتو ثانية

ليزر الفيمتو ثانية في العلوم تستخدم لإثارة انهيار الطيفي بالليزر، التحليل الطيفي مضان مع القرار الزماني، وكذلك لبحوث المواد العامة. وبالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إليها لإنتاج مشط التردد الفيمتو ثانية المطلوبة في القياس والدراسات العامة. واحدة من تطبيقات حقيقية على المدى القصير أن تكون الساعات الذرية من الأقمار الصناعية GPS من الجيل الجديد، والتي سوف تزيد من دقة تحديد المواقع.

يتم تنفيذ واحد ليزر الألياف تردد مع linewidth الطيفي أقل من 1 كيلو هرتز. هذا الجهاز مثير للإعجاب مع صغير انتاج الطاقة الإشعاع من 10 ميغاواط إلى 1W. يجد التطبيق في مجال الاتصالات والمقاييس (على سبيل المثال، في جيروسكوبات الألياف)، والتحليل الطيفي.

ما هي الخطوة التالية؟

أما بالنسبة للتطبيقات البحثية الأخرى، فإنه لا يزال الكثير منهم دراستها. على سبيل المثال، والهندسة العسكرية، والتي يمكن تطبيقها في مجالات أخرى، والتي تتمثل في الجمع بين الحزم الألياف ليزر للحصول على شعاع عالية باستخدام مزيج متماسك أو الطيفي. ونتيجة لذلك، يتم تحقيق المزيد من السلطة في شعاع طريقة واحدة.

إنتاج الليزر الألياف تنمو بسرعة، وخاصة لتلبية احتياجات صناعة السيارات. أيضا، هناك استبدال أجهزة الألياف غير ليفية. بالإضافة إلى تحسينات عامة في التكلفة والأداء، وهناك أكثر عملية ليزر الفيمتو ثانية ومصادر supercontinuum. الليزر والالياف تحتل المزيد من محاريب وتصبح مصدرا للتحسين لأنواع أخرى من الليزر.