لیزر فیبر ایتربیم: دستگاه، اصل عامل، قدرت، تولید، استفاده

لیزر فیبر جمع و جور و با دوام، دقیق و آسان به حرارت ناشی از پراکندگی هستند. آنها در انواع مختلف می آیند و با داشتن مقدار زیادی به انجام با لیزر از انواع دیگر دارای مزایای منحصر به فرد خود را دارند.

لیزر فیبر: عملیات

دستگاه از این نوع هستند تغییر استاندارد از منبع حالت جامد از اشعه منسجم از فیبر، به جای میله سیال، یک صفحه یا دیسک. نور تولید شده توسط نا خالص در بخش مرکزی از فیبر. ساختار اساسی می تواند از ساده به پیچیده کاملا متغیر است. دستگاه لیزر فیبر ایتربیم به طوری که فیبر دارای یک سطح وسیعی به نسبت حجم، به طوری که حرارت را می توان به راحتی پخش شده.

لیزر فیبر نوری می پمپ، اغلب با کمک لیزر دیود، اما در برخی موارد - همان منابع. اپتیک مورد استفاده در این سیستم ها معمولا نشان دهنده اجزای نوری، در جایی که بیشتر یا همه آنها را به یکدیگر متصل می شود. در برخی موارد، اپتیک فله و سیستم فیبر نوری گاهی اوقات داخلی با اپتیک فله خارجی ترکیب شده است.

یک منبع پمپ دیود ممکن است یک آرایه دیود، یا کثرت از دیودهای منفرد، که هر کدام متصل به موجبر اتصال فیبر نوری می باشد. فیبر دوپ در هر انتها یک تشدید کننده حفره آینه - در عمل را توری براگ فیبری. در پایان می رسد اپتیک به صورت انبوه را، اگر نه تنها پرتو خروجی چیزی غیر از فیبر وارد می شود. راهنمای نور ممکن است پیچیده به طوری که در صورت دلخواه کاواک لیزر ممکن است طول چند متر است.

دوهستهای

الیاف ساختار مورد استفاده در لیزر فیبر، مهم است. شایع ترین هندسه یک ساختار دو هسته ای است. هسته خارجی بدون دوپه (گاهی اوقات به عنوان انتیما نامیده می شود) پمپ نور را جمع آوری و آن را هدایت در طول فیبر. تابش تحریک تولید شده در فیبر از طریق هسته درونی است که اغلب یک حالت عبور می کند. هسته داخلی شامل یک ایتربیم افزودنی، تحریک شده توسط نور پمپ. فرم های بسیاری از هسته خارجی غیر دایروی از جمله وجود دارد - شش ضلعی، D-شکل و مستطیل شکل، کاهش احتمال نتواند پرتو نور در هسته مرکزی.

لیزر فیبر می تواند پایان دادن و یا پمپاژ جانبی داشته باشد. در اولین نور مورد از یک یا چند منبع وارد فیبر پایان. هنگامی که نور به سمت پمپاژ به یک شکاف که از آن تغذیه به هسته خارجی عرضه می شود. این از میله لیزر که در آن نور عمود بر محور وارد متفاوت است.

برای چنین تصمیمی نیاز به مقدار زیادی از تحولات ساختاری است. توجه قابل توجه است به خلاصه نور پمپ به هسته برای تولید یک وارونی جمعیت پرداخت می شود، منجر به گسیل القایی در هسته درونی. هسته ای لیزر ممکن است درجات مختلفی از تقویت در فیبر بسته به دوپینگ، و همچنین در طول آن است. این عوامل به عنوان یک مهندس طراح برای پارامترهای مورد نیاز.

محدود کردن قدرت ممکن است رخ دهد، به خصوص هنگامی که عامل در یک حالت تک فیبر. چنین هسته یک منطقه بسیار کوچک مقطعی، و در نتیجه عبور نور therethrough شدت بسیار بالا است. هنگامی که این در حال تبدیل شدن انتظار غیر خطی پراکندگی بریلوئن، که قدرت خروجی از چند هزار وات محدود می کند. اگر خروجی به اندازه کافی بالا است، پایان فیبر ممکن است آسیب دیده باشد.

به خصوص لیزر فیبر

استفاده از فیبر به عنوان سیال می دهد طول تعامل بیشتر، که به خوبی کار می کند هنگامی که پمپ دیود. این نتایج هندسه در راندمان بالا تبدیل فوتون، و همچنین ساخت و ساز قابل اعتماد و جمع و جور، که در آن هیچ نوری گسسته، نیاز به تنظیم و یا تنظیم.

لیزر فیبر، که اجازه می دهد تا دستگاه آن را به خوبی وفق دهند، می توان برای جوشکاری ورق های فلزی با ضخامت اقتباس و برای تولید پالس فمتوثانیه. تقویت کننده فیبر نوری ارائه افزایش تک پاس و در ارتباطات از راه دور استفاده می شود، به عنوان آنها می توانند بسیاری از طول موج به طور همزمان تقویت می کنند. افزایش همان است که در تقویت کننده های قدرت با یک نوسان ساز استاد استفاده می شود. در برخی موارد، تقویت کننده را می توان با لیزر موج پیوسته اداره می شود.

مثال دیگر یک منبع از انتشار خود به خود از فیبر تقویت، که در آن انتشار تحریک سرکوب شده است. مثال دیگر یک لیزر فیبر رامان همراه با افزایش پراکندگی، طول موج قابل ملاحظه برشی است. این نرم افزار در تحقیقات نشان داده است، که در آن ترکیبی از نسل و تکثیر با استفاده از شیشه فلوراید به جای الیاف سیلیکا استاندارد.

با این حال، به طور کلی، الیاف با نا خالص نادر خاکی در هسته ساخته شده از شیشه بسیار. مواد افزودنی اساسی هستند ایتربیم و اربیم. ایتربیم دارای طول موج 1030-1080 نانومتر، و ممکن است بیش از یک طیف گسترده ای منتشر می کنند. استفاده از پمپ دیود 940 نانومتر قابل توجهی کاهش کسری بودجه از فوتون. ایتربیم دارای نه اثرات خود رفع، که در نئودیمیم در تراکم بالا هستند، بنابراین دومی در لیزر فله و ایتربیم استفاده می شود - از فیبر (که هر دو آنها در مورد همان طول موج ارائه).

اربیم ساطع می کند در محدوده 1530-1620 نانومتر، گاوصندوق برای چشم است. فرکانس را می توان دو برابر برای تولید نور در 780 نانومتر است که برای انواع دیگر لیزر فیبر موجود نمی باشند. در نهایت، ایتربیم را می توان به اربیم اضافه به طوری که عنصر پرتو پمپ به اربیم جذب و انتقال این انرژی است. تولیم - نا خالص دیگری به انتشار در ناحیه مادون قرمز نزدیک، که در نتیجه برای تصاویر چشم بی خطر است.

راندمان بالا

لیزر فیبر یک سیستم سطح شبه سه است. فوتون پمپ تحریک انتقال از حالت پایه به لایه فوقانی. انتقال لیزری را از پایین ترین بخش از سطح بالا در یکی از کشورهای تقسیم زمین است. این بسیار موثر است: به عنوان مثال، ایتربیم-940 پمپ فوتون نانومتر یک فوتون با طول موج 1030 نانومتر و نقص کوانتومی (از دست دادن انرژی)، تنها حدود 9 درصد منتشر می کند.

در مقابل، نئودیمیوم، در طول موج 808 نانومتر حدود 24 درصد از انرژی از دست می دهد پمپ می شود. بنابراین، ایتربیم ذاتا دارای راندمان بالا، البته نه همه از آن به دلیل از دست دادن برخی از فوتون دست یافتنی است. از 1480 و یا 980 نانومتر طول موج - Yb و ممکن است در تعدادی از باند فرکانس، و اربیم پمپ می شود. فرکانس بالاتر است نه به عنوان از نظر فوتون نقص موثر است، اما مفید است، حتی در این مورد، چرا که در 980 نانومتر، بهترین منابع در دسترس است.

بازده کلی لیزر فیبر در نتیجه فرایند دو مرحله ای است. در مرحله اول، بهره وری از دیود پمپ است. منابع نیمه هادی از اشعه منسجم بسیار موثر هستند، با راندمان 50٪ تبدیل یک سیگنال الکتریکی را به یک نوری. نتایج حاصل از مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که ممکن است به رسیدن به یک مقدار از 70٪ یا بیشتر. با دقیق خروجی مسابقه جذب نور لیزر فیبر خط یک راندمان پمپاژ بالا به دست آورد و.

ثانیا، این بازده تبدیل نوری نوری. هنگامی که یک فوتون نقص کوچک می توانید به درجه بالایی از تحریک و راندمان استخراج راندمان تبدیل نوری نوری از 60-70٪ دست یابد. بهره وری و در نتیجه محدوده 25-35 درصد است.

تنظیمات مختلف

فیبر کوانتومی ژنراتور موج پیوسته ممکن است (حالت های عرضی) یک یا چند حالته. تک تولید پرتو با کیفیت بالا برای مواد، کار و یا ارسال یک پرتو از طریق اتمسفر، و لیزر چند حالته فیبر صنعتی می تواند قدرت بیشتری تولید کند. این است که برای برش و جوشکاری، و به ویژه استفاده می شود، عملیات حرارتی، که در آن از یک منطقه بزرگ روشن است.

لیزر با الیاف بلند است قابل ملاحظه دستگاه شبه مداوم معمولا میلی ثانیه نوع پالس تولید. معمولا آن است که سیکل وظیفه 10٪ است. این امر منجر به اوج قدرت بالاتر از حالت پیوسته (معمولا ده برابر) است که استفاده می شود، به عنوان مثال، برای یک حفاری پالس. فرکانس ممکن است 500 هرتز، بسته به طول مدت.

سوئیچ Q در لیزر فیبر نیز به عنوان در بخش عمده ای عمل می کند. مدت پالس معمولی در محدوده نانو ثانیه به میکروثانیه است. دیگر فیبر، دیگر آن را برای سوئیچ Q از تابش خروجی طول می کشد، و در نتیجه یک پالس طولانی تر است.

خواص فیبر برخی از محدودیت در مدولاسیون Q است. غیر خطی لیزر فیبر مهم تر است، زیرا از منطقه کوچک مقطعی از هسته، به طوری که اوج قدرت باید تا حدودی محدود باشد. شما می توانید یا سوئیچ حجم Q، که ارائه عملکرد بالاتر، و یا تعدیل کننده نوری، که به پایان می رسد که بخش فعال متصل استفاده کنید.

پالس سوئیچ Q را می توان در یک فیبر یا تشدید حفره تقویت شده. یک مثال از دومی را می توان در ملی شبیه سازی مجتمع آزمایش های هسته ای (NIF، لیورمور، CA)، که در آن از لیزر فیبر یک نوسان ساز استاد برای 192 پرتوهای است یافت می شود. پالس کوچک در اسلب زیادی از شیشه به مگاژول تقویت دوپ.

در لیزر فیبر با فرکانس هماهنگ سازی تکرار بستگی به طول از مواد تقویت کننده، همانطور که در حالت های دیگر از مدارهای هماهنگ سازی و مدت زمان پالس بستگی به توانایی به منظور افزایش توان عملیاتی. کوتاه ترین در محدوده 50 FS، و معمول ترین هستند - در محدوده 100 FS.

بین ایتربیم و فیبر اربیم، یک تفاوت مهم، به موجب آن آنها در حالت پراکندگی مختلف کار وجود دارد. فیبر اربیم، دوپ رهبری در 1550 نانومتر در منطقه ای از پاشندگی غیرعادی. این اجازه می دهد تا سالیتون. Itterbievye الیاف در یک پراکندگی مثبت و یا طبیعی هستند. به عنوان یک نتیجه، آنها پالس با مدولاسیون فرکانس خطی تلفظ تولید کند. به عنوان یک نتیجه از براگ شبکه شانه عسل ممکن است نیاز به فشرده سازی طول پالس.

راه های مختلفی برای تغییر پالس فیبر لیزر، به ویژه برای مطالعات پیکو ثانیه فوق سریع وجود دارد. فیبر کریستال فوتونی را می توان با هسته بسیار کوچک برای اثرات قوی غیر خطی، از جمله برای نسل supercontinuum تولید شده است. در مقابل، بلور فوتونی همچنین می توانید با هسته تک حالت بسیار بزرگ به منظور اجتناب از اثرات غیر خطی در قدرت بالا تولید می شود.

فیبر قابل انعطاف بلور فوتونی با هسته بزرگ ایجاد شده برای برنامه های کاربردی نیاز به قدرت بالا. یکی از روش های است خم شدن عمدی از فیبر به حذف هر گونه حالت مرتبه بالاتر ناخواسته در حالی که حفظ حالت اساسی عرضی است. غیر خطی هارمونیک ایجاد؛ و با کم کردن فرکانس تاشو، شما می توانید یک طول موج کوتاه تر و طولانی تر ایجاد کنید. اثرات غیر خطی همچنین می توانید فشرده سازی پالس، که منجر به شانه فرکانس ظاهر تولید می کنند.

منبع supercontinuum به عنوان پالس بسیار کوتاه تولید یک طیف پیوسته از طریق مدولاسیون فاز. به عنوان مثال، از اولیه 6 پالس PS در 1050 نانومتر، که ایجاد فیبر ایتربیم طیف لیزر به دست آمده در محدوده ماوراء بنفش به بیش از 1600 نانومتر است. یکی دیگر از منبع منبع اربیم-supercontinuum-پمپ IR در طول موج 1550 نانومتر است.

قدرت بالا

صنعت در حال حاضر بزرگترین مصرف کننده از لیزر فیبر. در تقاضای بالا در حال حاضر قدرت از سفارش از کیلووات مورد استفاده در صنعت خودرو برخوردار است. صنعت خودرو حال حرکت به سمت تولید خودروهای فولاد با مقاومت بالا برای دیدار با الزامات از دوام و نسبتا آسان به اقتصاد سوخت بیشتر است. ابزار و ماشین آلات متعارف بسیار دشوار است، به عنوان مثال، پانچ سوراخ در این نوع فولاد و منابع اشعه منسجم آن را آسان.

برش لیزری فیبر فلز، در مقایسه با انواع دیگر از ژنراتور کوانتومی است که تعدادی از مزایای. به عنوان مثال، باند موج مادون قرمز نزدیک خوبی فلزات جذب می شود. پرتو را می توان از طریق فیبر، که اجازه می دهد تا ربات به راحتی تمرکز را هنگام برش و حفاری تحویل داده است.

فیبر نوری ارضا بالاترین مورد نیاز برای قدرت. سلاح های نیروی دریایی ایالات متحده، تست شده در سال 2014، شامل یک 6 فیبر لیزر 5.5 کیلووات ترکیب در یک پرتو تابش و از طریق سیستم نوری تشکیل شده است. 33 واحد کیلو وات برای شکست مورد استفاده قرار گرفت یک وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین. اگرچه پرتو است تک حالت نیست، سیستم است که از علاقه، به عنوان آن اجازه می دهد تا برای ایجاد یک لیزر فیبر را با دست خود از استاندارد، مواد به راحتی در دسترس.

بالاترین قدرت تک حالت منابع نور منسجم از IPG فوتونیک 10 کیلو وات است. نوسان ساز استاد یک وات توان نوری، که عرضه به تقویت کننده مرحله در 1018 نانومتر با نور دیگر لیزر فیبر پمپ تولید می کند. کل سیستم تا به اندازه دو یخچال و فریزر.

استفاده از لیزر فیبر نیز به برش قدرت بالا و جوشکاری افزایش یافته است. برای مثال، آنها جایگزین جوشکاری مقاومت در برابر ورق از فولاد حل مشکل تغییر شکل مواد است. کنترل قدرت و پارامترهای دیگر اجازه می دهد تا منحنی برش بسیار دقیق، به خصوص گوشه.

قدرتمند ترین لیزر فیبر چند حالته - برای برش فلزات از همان سازنده - تا 100 کیلو وات. این سیستم بر ترکیبی از پرتو نامنسجم است، بنابراین آن را فوق العاده پرتو با کیفیت بالا است. این مقاومت را می سازد لیزر فیبر جذاب برای صنعت.

حفاری بتن

چند حالته خروجی لیزر فیبر از 4 کیلو وات می توان برای برش و حفاری بتن استفاده می شود. چرا آن را انجام؟ هنگامی که مهندسان در حال تلاش برای رسیدن به مقاومت لرزه ای ساختمان های موجود، باید بسیار مراقب باشید با بتن می باشد. هنگامی که در آن مانند فولاد حفاری کوبه ای معمولی نصب شده است، ممکن است نقص باعث و تضعیف بتن، اما لیزر فیبر بدون خرد کردن آن را کاهش دهد.

لیزر با فیبر سوئیچ Q به عنوان مثال برای برچسب زدن و یا در تولید الکترونیک نیمه هادی استفاده می شود. آنها همچنین در یاب محدوده استفاده می شود: ماژول ها به اندازه یک دست حاوی لیزر فیبر چشم امن که خروجی 4 کیلو وات، فرکانس 50 کیلو هرتز و مدت پالس 05/15 ns است.

درمان سطح

علاقه زیادی به لیزر فیبر کوچک برای خرد و نانوپردازش وجود دارد. هنگام خارج کردن لایه سطحی، اگر مدت زمان پالس کوتاه تر از 35 PS، هیچ مواد اسپری است. این مانع از شکل گیری فرورفتگی و دیگر مصنوعات نامطلوب است. پالس در رژیم فمتوثانیه اثرات غیر خطی است که حساس به طول موج نیست و مناطق اطراف آن است گرم نیست، اجازه می دهد تا بدون آسیب قابل توجهی یا تضعیف مناطق اطراف آن کار می کنند. علاوه بر این ها، معادن ممکن است با عمق بیشتری به عرض برش - به عنوان مثال، به سرعت (در عرض چند میلی ثانیه) حفره های کوچک، از مجموع 1 میلی متر با استفاده از یک فولاد ضد زنگ پالس 800-FS با فرکانس 1 مگاهرتز.

همچنین ممکن است به تولید مواد شفاف تحت درمان با سطح، به عنوان مثال، چشم انسان است. به قطع یک فلپ در سرپایی چشم، پالس فمتوثانیه vysokoaperturnym لنز محکم تمرکز در یک نقطه در زیر سطح چشم بدون ایجاد هر گونه آسیب در سطح است، اما چشم با از بین بردن مواد در عمق کنترل می شود. سطح صاف از قرنیه، برای بینایی ضروری است که دست نخورده باقی مانده است. فلپ است که از پایین از هم جدا، پس از آن می توانید کشیده می شود تا به سطح لنز لیزر اگزایمر تشکیل. دیگر کاربردهای پزشکی شامل جراحی نفوذ کم عمق در درماتولوژی، و همچنین استفاده از انواع خاصی از توموگرافی انسجام نوری.

لیزر فمتوثانیه

لیزر فمتوسکند در علم استفاده برای تحریک طیف سنجی تجزیه لیزر، طیف سنجی فلورسانس با قدرت تفکیک زمانی، و همچنین برای تحقیقات مواد به طور کلی. علاوه بر این، آنها برای تولید شانه فرکانس فمتوثانیه مورد نیاز در اندازه شناسی و مطالعات عمومی مورد نیاز است. یکی از برنامه های کاربردی واقعی در کوتاه مدت خواهد بود که ساعتهای اتمی از ماهواره های GPS از نسل جدید، که دقت موقعیت یابی افزایش خواهد یافت.

تنها لیزر فیبر فراوانی است که با یک پهنای خط طیفی کمتر از 1 کیلو هرتز انجام می شود. این دستگاه قابل توجه با یک قدرت خروجی اشعه های کوچک از 10 مگاوات به 1W. می یابد نرم افزار در زمینه ارتباطات، اندازه شناسی (به عنوان مثال، در ژیروسکوپ فیبر) و طیف سنجی.

گام بعدی چیست؟

همانطور که برای دیگر برنامه ها، آن است که هنوز بسیاری از آنها مورد بررسی قرار. به عنوان مثال، مهندسی نظامی، که می تواند در زمینه های دیگر استفاده می شود، که شامل در ترکیب یک پرتوهای فیبر لیزری برای به دست آوردن نور بالا با استفاده از ترکیب منسجم یا طیفی. در نتیجه، قدرت بیشتری در پرتو تک حالت به دست آورد.

تولید لیزر فیبر سرعت در حال رشد است، به ویژه برای نیازهای صنعت خودرو. همچنین، یک جایگزینی دستگاه های فیبر غیر فیبری وجود دارد. علاوه بر بهبود کلی در هزینه و عملکرد، بیشتر عملی لیزر فمتوثانیه و منابع supercontinuum وجود دارد. لیزر فیبر اشغال سوله و تبدیل به یک منبع از بهبود برای انواع دیگر لیزر.