Làser de fibra d'itterbi: dispositiu, principi de funcionament, potència, producció, aplicació

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21

Els làsers de fibra són compactes i resistents, apunten amb precisió i dissipen l'energia tèrmica fàcilment. Tenen diverses formes i, tot i que tenen molt en comú amb altres tipus de generadors quàntics òptics, tenen els seus avantatges únics.

Làsers de fibra: com funcionen

Els dispositius d'aquest tipus són una variació d'una font estàndard d'estat sòlid de radiació coherent amb un medi de treball fet de fibra en lloc d'una vareta, una placa o un disc. La llum la genera un dopant al centre de la fibra. L'estructura bàsica pot anar de simple a força complexa. El disseny del làser de fibra d'itterbi és tal que la fibra té una gran relació superfície/volum, de manera que la calor es pot dissipar amb relativa facilitat.

Els làsers de fibra són bombejats òpticament, la majoria de vegades per generadors quàntics de díodes, però en alguns casos per les mateixes fonts. Les òptiques utilitzades en aquests sistemes solen ser components de fibra, amb la majoria o tots connectats entre si. En alguns casoss'utilitza òptica volumètrica i, de vegades, es combina un sistema de fibra òptica interna amb òptica volumètrica externa.

La font de bombeig de díodes pot ser un díode, una matriu o una pluralitat de díodes individuals, cadascun dels quals està connectat a un connector mitjançant una guia de llum de fibra òptica. La fibra dopada té un mirall ressonador de cavitat a cada extrem; a la pràctica, les reixes de Bragg es fan a la fibra. No hi ha òptica a granel als extrems, tret que el feix de sortida entri en una altra cosa que no sigui una fibra. La guia de llum es pot girar, de manera que, si es desitja, la cavitat del làser pot tenir diversos metres de llarg.

Estructura de doble nucli

L'estructura de la fibra utilitzada en làsers de fibra és important. La geometria més comuna és l'estructura de doble nucli. El nucli exterior no dopat (de vegades anomenat revestiment interior) recull la llum bombejada i la dirigeix al llarg de la fibra. L'emissió estimulada generada a la fibra passa pel nucli intern, que sovint és monomode. El nucli interior conté un dopant d'itterbi estimulat pel feix de llum de la bomba. Hi ha moltes formes no circulars del nucli exterior, com ara hexagonals, en forma de D i rectangulars, que redueixen la possibilitat que el feix de llum f alti al nucli central.

El làser de fibra es pot bombejar lateralment o lateralment. En el primer cas, la llum d'una o més fonts entra a l'extrem de la fibra. En el bombeig lateral, la llum s'alimenta a un divisor, que la subministra al nucli exterior. aixòdifereix del làser de vareta, on la llum entra perpendicularment a l'eix.

Aquesta solució requereix molt desenvolupament de disseny. Es presta una atenció considerable a impulsar la llum de la bomba al nucli per produir una inversió de població que condueixi a una emissió estimulada al nucli interior. El nucli làser pot tenir un grau d'amplificació diferent en funció del dopatge de la fibra, així com de la seva longitud. Aquests factors els ajusta l'enginyer de disseny per obtenir els paràmetres necessaris.

Poden produir-se limitacions d'energia, sobretot quan es treballa amb fibra de mode únic. Aquest nucli té una àrea de secció transversal molt petita i, com a resultat, hi passa llum de molt alta intensitat. Al mateix temps, la dispersió no lineal de Brillouin es fa cada cop més notable, la qual cosa limita la potència de sortida a diversos milers de watts. Si el senyal de sortida és prou alt, és possible que l'extrem de la fibra estigui danyat.

Característiques dels làsers de fibra

L'ús de fibra com a mitjà de treball ofereix una llarga durada d'interacció que funciona bé amb el bombeig de díodes. Aquesta geometria dóna com a resultat una alta eficiència de conversió de fotons, així com un disseny robust i compacte sense cap òptica discreta per ajustar o alinear.

El làser de fibra, el dispositiu del qual li permet una bona adaptació, es pot adaptar tant per soldar làmines gruixudes de metall com per produir polsos de femtosegons. Els amplificadors de fibra òptica proporcionen amplificació d'un sol pas i s'utilitzen en telecomunicacions perquè són capaços d'amplificar moltes longituds d'ona simultàniament. El mateix guany s'utilitza en amplificadors de potència amb un oscil·lador mestre. En alguns casos, l'amplificador pot funcionar amb un làser CW.

Un altre exemple són les fonts d'emissió espontània amplificades amb fibra en les quals es suprimeix l'emissió estimulada. Un altre exemple és un làser de fibra Raman amb amplificació de dispersió combinada, que canvia significativament la longitud d'ona. Ha trobat aplicació en la investigació científica, on s'utilitzen fibres de vidre de fluor per a la generació i amplificació Raman, en lloc de les fibres de quars estàndard.

No obstant això, per regla general, les fibres estan fetes de vidre de quars amb un dopant de terres rares al nucli. Els principals additius són l'iterbi i l'erbi. L'iterbi té longituds d'ona de 1030 a 1080 nm i pot irradiar en un rang més ampli. L'ús de bombeig de díodes de 940 nm redueix significativament el dèficit de fotons. L'iterbi no té cap dels efectes d'autoextingut que té el neodimi a altes densitats, de manera que el neodimi s'utilitza en làsers a granel i l'iterbi en làsers de fibra (tots dos proporcionen aproximadament la mateixa longitud d'ona).

L'erbi s'emet en el rang de 1530-1620 nm, que és segur per als ulls. La freqüència es pot duplicar per generar llum a 780 nm, que no està disponible per a altres tipus de làsers de fibra. Finalment, l'iterbi es pot afegir a l'erbi de manera que l'element absorbeixibomba la radiació i transfereix aquesta energia a l'erbi. El tuli és un altre dopant d'infraroig proper, que és per tant un material segur per als ulls.

Alta eficiència

El làser de fibra és un sistema de quasi tres nivells. El fotó de la bomba excita la transició de l'estat fonamental al nivell superior. Una transició làser és una transició des de la part més baixa del nivell superior a un dels estats fonamentals dividits. Això és molt eficient: per exemple, l'iterbi amb un fotó de bomba de 940 nm emet un fotó amb una longitud d'ona de 1030 nm i un defecte quàntic (pèrdua d'energia) de només un 9%.

En canvi, el neodimi bombat a 808 nm perd al voltant del 24% de la seva energia. Així, l'iterbi té inherentment una eficiència més alta, encara que no tot és possible a causa de la pèrdua d'alguns fotons. Yb es pot bombar en diverses bandes de freqüència, mentre que l'erbi es pot bombejar a 1480 o 980 nm. Una freqüència més alta no és tan eficient en termes de defecte fotogràfic, però útil fins i tot en aquest cas perquè hi ha millors fonts disponibles a 980 nm.

En general, l'eficiència d'un làser de fibra és el resultat d'un procés de dos passos. En primer lloc, aquesta és l'eficiència del díode de la bomba. Les fonts de radiació coherent de semiconductors són molt eficients, amb un 50% d'eficiència en la conversió d'un senyal elèctric en un de òptic. Els resultats dels estudis de laboratori indiquen que és possible assolir un valor del 70% o més. Amb una coincidència exacta de la línia de radiació de sortidaabsorció làser de fibra i alta eficiència de la bomba.

Segon és l'eficiència de conversió òptica-òptica. Amb un petit defecte de foton, es pot aconseguir un alt grau d'eficàcia d'excitació i extracció amb una eficiència de conversió optoòptica del 60-70%. L'eficiència resultant se situa entre el 25 i el 35%.

Diverses configuracions

Els generadors quàntics de fibra òptica de radiació contínua poden ser monomode o multimode (per a modes transversals). Els làsers monomode produeixen un feix d' alta qualitat per als materials que operen o transmeten l'atmosfera, mentre que els làsers de fibra industrial multimode poden generar una gran potència. S'utilitza per tallar i soldar, i en particular per al tractament tèrmic on s'il·lumina una gran àrea.

El làser de fibra de pols llarg és essencialment un dispositiu quasi continu, que normalment produeix polsos de tipus mil·lisegon. Normalment, el seu cicle de treball és del 10%. Això es tradueix en una potència màxima més alta que en mode continu (normalment deu vegades més) que s'utilitza per a la perforació de polsos, per exemple. La freqüència pot arribar als 500 Hz, depenent de la durada.

Q-switching en làsers de fibra funciona de la mateixa manera que en làsers a granel. La durada típica del pols està en el rang de nanosegons a microsegons. Com més llarga sigui la fibra, més temps es trigarà a canviar la sortida Q, el que resulta en un pols més llarg.

Les propietats de la fibra imposen algunes restriccions al canvi Q. La no linealitat d'un làser de fibra és més significativa a causa de la petita àrea de secció transversal del nucli, de manera que la potència màxima ha de ser una mica limitada. Es poden utilitzar interruptors Q volumètrics, que donen un millor rendiment, o moduladors de fibra, que estan connectats als extrems de la part activa.

Els polsos de commutació Q es poden amplificar a la fibra o en un ressonador de cavitat. Un exemple d'això últim es pot trobar a la National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), on un làser de fibra d'iterbi és l'oscil·lador mestre per a 192 feixos. Els polsos petits en grans lloses de vidre dopat s'amplifiquen a megajoules.

En els làsers de fibra bloquejada, la taxa de repetició depèn de la longitud del material de guany, com en altres esquemes de bloqueig de mode, i la durada del pols depèn de l'amplada de banda de guany. Els més curts es troben a l'interval de 50 fs i els més típics són a l'interval de 100 fs.

Hi ha una diferència important entre les fibres d'erbi i d'itterbi, com a resultat de la qual funcionen en diferents modes de dispersió. Les fibres dopades amb erbi emeten a 1550 nm a la regió de dispersió anòmala. Això permet la producció de solitons. Les fibres d'iterbi es troben a la regió de dispersió positiva o normal; com a resultat, generen polsos amb una freqüència de modulació lineal pronunciada. Com a resultat, pot ser que calgui una reixa de Bragg per comprimir la durada del pols.

Hi ha diverses maneres de modificar els polsos làser de fibra, especialment per als estudis de picosegons ultra ràpids. Les fibres de cristall fotònic es poden fer amb nuclis molt petits per produir efectes no lineals forts, com ara la generació de supercontinu. En canvi, els cristalls fotònics també es poden fer amb nuclis monomode molt grans per evitar efectes no lineals a altes potències.

Les fibres de cristall fotònic de nucli gran flexible estan dissenyades per a aplicacions d' alta potència. Una tècnica és doblegar intencionadament aquesta fibra per eliminar qualsevol mode d'ordre superior no desitjat mentre es manté només el mode transversal fonamental. La no linealitat crea harmònics; restant i sumant freqüències, es poden crear ones més curtes i més llargues. Els efectes no lineals també poden comprimir els polsos, donant lloc a pintes de freqüència.

Com a font de supercontinu, els polsos molt curts produeixen un ampli espectre continu mitjançant la modulació d'autofàsica. Per exemple, a partir dels impulsos inicials de 6 ps a 1050 nm que crea un làser de fibra d'iterbi, s'obté un espectre en el rang des de l'ultraviolat fins a més de 1600 nm. Una altra font d'IR de supercontinu es bombeja amb una font d'erbi a 1550 nm.

Alta potència

La indústria és actualment el major consumidor de làsers de fibra. L'energia té una gran demanda en aquests moments.aproximadament un quilowatt, utilitzat en la indústria de l'automòbil. La indústria de l'automòbil s'està movent cap a vehicles d'acer d' alta resistència per complir els requisits de durabilitat i ser relativament lleugers per a una millor economia de combustible. Per exemple, per a les màquines eina ordinàries, és molt difícil perforar forats en aquest tipus d'acer, però les fonts de radiació coherents ho faciliten.

Tallar metalls amb làser de fibra, en comparació amb altres tipus de generadors quàntics, té una sèrie d'avantatges. Per exemple, les longituds d'ona de l'infraroig proper són ben absorbides pels metalls. El feix es pot lliurar sobre la fibra, permetent al robot moure el focus fàcilment quan talla i perfora.

La fibra compleix els requisits d'energia més alts. Una arma de la Marina dels Estats Units provada el 2014 consta de làsers de 6 fibres de 5,5 kW combinats en un feix i que s'emeten a través d'un sistema òptic de formació. La unitat de 33 kW es va utilitzar per destruir un vehicle aeri no tripulat. Tot i que el feix no és monomode, el sistema és interessant perquè us permet crear un làser de fibra amb les vostres pròpies mans a partir de components estàndard fàcilment disponibles.

La font de llum coherent de mode únic de més gran potència d'IPG Photonics és de 10 kW. L'oscil·lador mestre produeix un quilowatt de potència òptica, que s'alimenta a l'etapa amplificadora bombejada a 1018 nm amb llum d' altres làsers de fibra. Tot el sistema té la mida de dues neveres.

L'ús de làsers de fibra també s'ha estès al tall i la soldadura d' alta potència. Per exemple, van substituirsoldadura per resistència de xapa d'acer, solucionant el problema de la deformació del material. El control de la potència i altres paràmetres permet tallar amb molta precisió les corbes, especialment les cantonades.

El làser de fibra multimode més potent, una màquina de tall de metalls del mateix fabricant, arriba als 100 kW. El sistema es basa en una combinació d'un feix incoherent, de manera que no és un feix d' alta qualitat. Aquesta durabilitat fa que els làsers de fibra siguin atractius per a la indústria.

Perforació de formigó

El làser de fibra multimode 4KW es pot utilitzar per tallar i perforar formigó. Per què és necessari això? Quan els enginyers intenten aconseguir resistència als terratrèmols en edificis existents, cal tenir molta cura amb el formigó. Si s'hi instal·la un reforç d'acer, per exemple, la perforació de martell convencional pot trencar i debilitar el formigó, però els làsers de fibra el tallen sense aixafar-lo.

Els generadors quàntics amb fibra Q-switched s'utilitzen, per exemple, per marcar o en la producció d'electrònica de semiconductors. També s'utilitzen en telèmetres: els mòduls de mida manual contenen làsers de fibra segurs per als ulls amb una potència de 4 kW, una freqüència de 50 kHz i una amplada de pols de 5-15 ns.

Tractament superficial

Hi ha molt d'interès pels làsers de fibra petits per a la micro i nanomecanització. En eliminar la capa superficial, si la durada del pols és inferior a 35 ps, no hi ha esquitxades del material. Això evita la formació de depressions i altres artefactes no desitjats. Els polsos de femtosegon produeixen efectes no lineals que no són sensibles a la longitud d'ona i no escalfen l'espai circumdant, permetent el funcionament sense danys significatius ni debilitament de les zones circumdants. A més, els forats es poden tallar amb proporcions altes de profunditat i amplada, com ara fent petits forats en acer inoxidable d'1 mm ràpidament (en pocs mil·lisegons) amb polsos de 800 fs a 1 MHz.

També es pot utilitzar per al tractament superficial de materials transparents com els ulls humans. Per tallar una solapa en la microcirurgia ocular, els polsos de femtosegons estan ben enfocats per un objectiu d' alta obertura en un punt per sota de la superfície ocular, sense causar cap dany a la superfície, però destruint el material ocular a una profunditat controlada. La superfície llisa de la còrnia, que és essencial per a la visió, es manté intacta. La solapa, separada per sota, es pot tirar cap amunt per a la formació de lents làser d'excimer de superfície. Altres aplicacions mèdiques inclouen la cirurgia de penetració superficial en dermatologia i l'ús en alguns tipus de tomografia de coherència òptica.

làser de femtosegons

Els generadors quàntics de femtosegons s'utilitzen a la ciència per a l'espectroscòpia d'excitació amb ruptura làser, espectroscòpia de fluorescència resolta en el temps, així com per a la investigació general de materials. A més, són necessaris per a la producció de freqüència de femtosegonspintes necessàries en metrologia i investigació general. Una de les aplicacions reals a curt termini seran els rellotges atòmics per a satèl·lits GPS de nova generació, que milloraran la precisió del posicionament.

El làser de fibra d'una sola freqüència es produeix amb una amplada de línia espectral inferior a 1 kHz. És un dispositiu impressionantment petit amb una potència de sortida que oscil·la entre 10 mW i 1 W. Troba aplicació en l'àmbit de les comunicacions, la metrologia (per exemple, en giroscopis de fibra) i l'espectroscòpia.

Què hi ha després?

Pel que fa a altres aplicacions d'R+D, s'estan explorant moltes més. Per exemple, un desenvolupament militar que es pot aplicar a altres àrees, que consisteix a combinar raigs làser de fibra per obtenir un feix d' alta qualitat mitjançant una combinació coherent o espectral. Com a resultat, s'aconsegueix més potència en el feix monomode.

La producció de làsers de fibra està creixent ràpidament, especialment per a les necessitats de la indústria de l'automoció. Els dispositius sense fibra també s'estan substituint per altres de fibra. A més de les millores generals en costos i rendiment, els generadors quàntics de femtosegons i les fonts de supercontinu són cada cop més pràctics. Els làsers de fibra s'estan convertint en més nínxols i s'estan convertint en una font de millora per a altres tipus de làsers.