Fiber lézer és előnyei. Szálas lézerek CW thulium lézerek
Szergej Rogalev fordítása
A "száloptikai lézer" kifejezés általában olyan lézerre vonatkozik, amelynek erősítő közege egy optikai szál, bár néhány félvezető erősítő közeggel és szálrezonátorral rendelkező lézert száloptikai lézernek is neveznek. A legtöbb esetben a szálas lézerek erősítő közege ritkaföldfém-ionokkal adalékolt szál, mint például erbium (Er 3+), neodímium (Nd 3+), itterbium (Yb 3+), tulium (Tm 3+) vagy prazeodímium (Pr) 3+) . A szivattyúzáshoz egy vagy több lézerdiódát használnak.
Fiber lézer rezonátor
Az optikai lézer lineáris rezonátorának létrehozásához valamilyen reflektor (tükör) vagy gyűrűs rezonátor (gyűrűszálas lézer) létrehozása szükséges.
A szálas lézeres lineáris rezonátorok különböző típusú tükröket használnak:
· Egyszerű laboratóriumi elrendezésekben hagyományos dielektromos tükrök rögzíthetők merőlegesen hasított szálvégekre, amint az 1. ábrán látható. Ez a megközelítés azonban nem túl praktikus tömeggyártásnál, és nem is túl megbízható.
· 
A Fresnel-visszaverődés a szál végén gyakran elegendő ahhoz, hogy egy szálas lézerüreg kimeneti tükreként használhassuk. ábrán 2 egy példa.
· Lehetőség van dielektromos bevonatok felhordására közvetlenül a szálvégekre is, általában porlasztással. Az ilyen bevonatok széles tartományban használhatók visszaverődésre.
· 
Sok szálas lézer szálas Bragg-rácsokat használ közvetlenül az adalékolt szálban, vagy az aktív réteghez forrasztott adalékolatlan szálban. A 3. ábrán egy elosztott Bragg reflektor lézer (DBR lézer) látható két szálas ráccsal, de léteznek olyan elosztott visszacsatoló lézerek is, amelyek egyetlen ráccsal vannak adalékolt szálakban, középen fáziseltolással.
· 
A legjobb teljesítményértékek érhetők el kollimátort használva a fény kilépésénél a szálból és visszaverve azt dielektromos tükör segítségével (4. ábra). A tükör intenzitása jelentősen csökken a sokkal nagyobb sugárfelület miatt. Azonban egy kis eltolás jelentős visszaverődési veszteséghez, polarizációfüggő veszteséghez stb.
· 
Egy másik lehetőség a szálhurok (5. ábra) formájú tükör használata, amely egy szálhüvelyen (például 50:50-es felosztási aránnyal) és egy passzív szálon alapul.
A legtöbb szálas lézert egy vagy több szálas kimenetű diódalézer pumpálja (lézerdióda sugárzását fecskendezik a szálba). A fény közvetlenül a magba, vagy nagy teljesítményű lézereknél a szál belső burkolatába pumpálható.
A szálas lézerek kompaktak és robusztusak, pontosan mutatnak, és könnyen elvezetik a hőenergiát. Sokféle formában léteznek, és bár sok közös vonásuk van más típusú optikai kvantumgenerátorokkal, megvannak a maguk egyedi előnyei.
Szállézerek: működési elv
Az ilyen típusú eszközök a koherens sugárzás szabványos szilárdtest-forrásának egy változata, ahol a munkaközeg optikai szálból készül, nem pedig rúdból, lemezből vagy lemezből. A fényt a szál közepén lévő adalékanyag állítja elő. Az alapstruktúra az egyszerűtől a meglehetősen bonyolultig terjedhet. Az itterbiumszálas lézer kialakítása olyan, hogy a szál nagy felület/térfogat arányú, így a hő viszonylag könnyen elvezethető.
A szálas lézereket optikailag pumpálják, leggyakrabban dióda kvantumgenerátorral, de bizonyos esetekben ugyanazok a források. Az ezekben a rendszerekben használt optika jellemzően üvegszálas alkatrészek, amelyek többsége vagy mindegyike egymáshoz kapcsolódik. Egyes esetekben volumetrikus optikát használnak, és néha belső optikai rendszert kombinálnak külső volumetrikus optikával.
A diódaszivattyúzás forrása lehet egy dióda, egy tömb vagy több különálló dióda, amelyek mindegyike száloptikai fényvezetővel csatlakozik a csatlakozóhoz. Az adalékolt szál mindkét végén üreges rezonátor tükörrel rendelkezik - a gyakorlatban Bragg rácsok készülnek a szálban. A végein nincs ömlesztett optika, kivéve, ha a kimeneti sugár nem szálba megy át. A fényvezető csavarható, így a lézerrezonátor kívánt esetben akár több méter hosszú is lehet.
Kétmagos szerkezet
A szálas lézerekben használt szál szerkezete fontos. A leggyakoribb geometria a kétmagos szerkezet. Az adalékolatlan külső mag (néha belső burkolatnak is nevezik) összegyűjti a szivattyúzott fényt, és a szál mentén irányítja. A szálban generált stimulált emisszió áthalad a belső magon, amely gyakran egymódusú. A belső mag egy itterbium adalékanyagot tartalmaz, amelyet a pumpa fénysugár stimulál. A külső magnak számos nem kör alakú formája van, köztük hatszögletű, D-alakú és téglalap alakú, amelyek csökkentik annak esélyét, hogy a fénysugár ne kerüljön be a központi magba.
A szálas lézer lehet vég- vagy oldalsó pumpás. Az első esetben egy vagy több forrásból származó fény jut be a szál végébe. Az oldalsó szivattyúzásnál a fényt egy osztóba táplálják, amely a külső magba juttatja. Ez különbözik a rúdlézertől, ahol a fény a tengelyre merőlegesen jut be.
Egy ilyen megoldás sok konstruktív fejlesztést igényel. Jelentős figyelmet fordítanak arra, hogy a szivattyú fényét a magba irányítsák, hogy a populáció inverzióját idézzék elő, ami stimulált emisszióhoz vezet a belső magban. A lézermag a szál adalékolásától és hosszától függően eltérő erősítésű lehet. Ezeket a tényezőket a tervező mérnök módosítja a szükséges paraméterek elérése érdekében.
Teljesítménykorlátozások léphetnek fel, különösen ha egymódusú szálon belül működik. Egy ilyen magnak nagyon kicsi a keresztmetszete, és ennek eredményeként nagyon nagy intenzitású fény halad át rajta. Ezzel párhuzamosan a nemlineáris Brillouin-szórás is egyre észrevehetőbbé válik, ami több ezer wattra korlátozza a kimenő teljesítményt. Ha a kimeneti jel elég magas, a szál vége megsérülhet.
A szálas lézerek jellemzői
A szál munkaközegként való felhasználása hosszú interakciós hosszt biztosít, ami jól működik diódapumpálással. Ez a geometria magas fotonkonverziós hatékonyságot, valamint robusztus és kompakt kialakítást eredményez, amelyen nincs külön beállító vagy igazítási optika.
A szálas lézer, amelynek kialakítása lehetővé teszi a jól adaptálást, alkalmas vastag fémlemezek hegesztésére és femtoszekundumos impulzusok előállítására is. A száloptikai erősítők egymenetes erősítést biztosítanak, és a távközlésben használatosak, mivel egyszerre több hullámhosszt képesek erősíteni. Ugyanezt az erősítést használják a fő oszcillátorral rendelkező teljesítményerősítőkben. Bizonyos esetekben az erősítő folyamatos hullámú lézerrel üzemeltethető.
Egy másik példa a szálerősítésű spontán emissziós források, amelyekben a stimulált emissziót elnyomják. Egy másik példa a Raman szálas lézer kombinált szórási erősítéssel, amely jelentősen eltolja a hullámhosszt. Alkalmazásra talált a tudományos kutatásban, ahol fluorid üvegszálakat használnak Raman generálására és erősítésére, nem pedig szabványos kvarcszálakat.
A szálak azonban rendszerint ritkaföldfém-adalékanyagból készülnek a magban. A fő adalékanyagok az itterbium és az erbium. Az itterbium hullámhossza 1030 és 1080 nm között van, és szélesebb tartományban sugározhat. A 940 nm-es diódaszivattyúzás alkalmazása jelentősen csökkenti a fotonhiányt. Az itterbiumnak nincs olyan önkioltó hatása, mint a neodímiumnak nagy sűrűség esetén, ezért a neodímiumot tömeglézerekben, az itterbiumot pedig a szálas lézerekben használják (mindkettő nagyjából azonos hullámhosszt biztosít).
Az erbium 1530-1620 nm tartományban bocsát ki, ami biztonságos a szem számára. A frekvencia megduplázásával 780 nm-en fény keletkezik, ami más típusú szálas lézereknél nem elérhető. Végül az itterbium hozzáadható az erbiumhoz oly módon, hogy az elem elnyeli a szivattyú sugárzását, és ezt az energiát átadja az erbiumnak. A thúlium egy másik közeli infravörös fényt adó dópolóanyag, amely így szembiztos anyag.
Magas hatásfok
A szálas lézer egy kvázi háromszintű rendszer. A pumpa foton gerjeszti az átmenetet az alapállapotból a felső szintre. A lézeres átmenet a felső szint legalsó részéből az egyik osztott alapállapotba való átmenet. Ez nagyon hatékony: például az itterbium egy 940 nm-es pumpás fotonnal 1030 nm hullámhosszú fotont bocsát ki, amelynek kvantumhibája (energiavesztesége) mindössze körülbelül 9%.
Ezzel szemben a 808 nm-en pumpált neodímium energiájának körülbelül 24%-át veszíti el. Így az itterbium eredendően nagyobb hatásfokkal rendelkezik, bár egyes fotonok elvesztése miatt nem mindegyik érhető el. Az Yb számos frekvenciasávban pumpálható, az erbium pedig 1480 vagy 980 nm-en. A magasabb frekvencia fotonhiba szempontjából nem olyan hatékony, de még ebben az esetben is hasznos, mert 980 nm-en jobb források állnak rendelkezésre.
Általában a szálas lézer hatékonysága egy kétlépéses folyamat eredménye. Először is, ez a szivattyú dióda hatékonysága. A koherens sugárzás félvezető forrásai nagyon hatékonyak, az elektromos jel 50%-os átalakítási hatásfokkal optikai jellé. A laboratóriumi vizsgálatok eredményei azt mutatják, hogy 70% vagy annál nagyobb érték is elérhető. A kimenő sugárzás és a szálas lézer abszorpciós vonalának pontos megfeleltetésével nagy szivattyúhatás érhető el.
A második az optikai-optikai átalakítás hatékonysága. Kis fotonhibával 60-70%-os optikai-optikai konverziós hatásfokkal nagy fokú gerjesztési és extrakciós hatásfok érhető el. Az így kapott hatásfok 25-35% tartományba esik.
Különféle konfigurációk
A folytonos sugárzású optikai szálas kvantumgenerátorok lehetnek egy- vagy többmódusúak (transzverzális módokhoz). Az egymódusú lézerek kiváló minőségű sugarat állítanak elő a légkörben működő vagy átsugárzó anyagok számára, míg a többmódusú ipari szálas lézerek nagy teljesítményt képesek generálni. Ezt használják vágáshoz és hegesztéshez, és különösen hőkezeléshez, ahol nagy terület van megvilágítva.
A hosszú impulzusú szálas lézer lényegében egy kvázi-folyamatos eszköz, amely jellemzően ezredmásodperces típusú impulzusokat állít elő. Tipikusan a terhelhetősége 10%. Ez nagyobb csúcsteljesítményt eredményez, mint a folyamatos üzemben (általában tízszer nagyobb), amelyet például impulzusfúráshoz használnak. A frekvencia az időtartamtól függően elérheti az 500 Hz-et.
A Q-kapcsolás a szálas lézereknél ugyanúgy működik, mint a tömeges lézereknél. Az impulzus tipikus időtartama nanoszekundum és mikroszekundum közötti tartományban van. Minél hosszabb a szál, annál hosszabb ideig tart a kimenet Q-váltása, ami hosszabb impulzust eredményez.
A szál tulajdonságai korlátozzák a Q-kapcsolást. A szálas lézer nemlinearitása jelentősebb a mag kis keresztmetszete miatt, ezért a csúcsteljesítményt némileg korlátozni kell. Használhatunk volumetrikus Q-kapcsolókat, amelyek nagyobb teljesítményt adnak, vagy szálmodulátorokat, amelyek az aktív rész végeihez kapcsolódnak.
A Q-kapcsolt impulzusok a szálban vagy egy rezonáns üregben erősíthetők. Ez utóbbira található példa a National Nuclear Test Simulation Facility-ben (NIF, Livermore, CA), ahol egy itterbiumszálas lézer a fő oszcillátor 192 nyalábhoz. A nagy, adalékolt üveglapok kis impulzusait megajoule-ra erősítik.
A zárt szálas lézereknél az ismétlési sebesség az erősítő anyag hosszától függ, mint más mód-zárolt sémákban, az impulzus időtartama pedig az erősítési sávszélességtől függ. A legrövidebbek az 50 fs tartományban, a legjellemzőbbek pedig a 100 fs tartományban vannak.
Az erbium és az itterbium rostok között lényeges különbség van, aminek következtében eltérő diszperziós módban működnek. Az erbiummal adalékolt szálak 1550 nm-en bocsátanak ki az anomális diszperziós tartományban. Ez lehetővé teszi szolitonok előállítását. Az itterbiumszálak a pozitív vagy normál diszperzió tartományában vannak; ennek eredményeként kifejezett lineáris modulációs frekvenciájú impulzusokat generálnak. Ennek eredményeként Bragg-rácsra lehet szükség az impulzushossz tömörítéséhez.
Számos módja van a szálas lézerimpulzusok módosításának, különösen az ultragyors pikoszekundumos vizsgálatok esetében. A fotonikus kristályszálak nagyon kis magokkal készíthetők erős nemlineáris hatások, például szuperkontinuum létrehozása érdekében. Ezzel szemben a fotonikus kristályokat nagyon nagy egymódusú magokkal is lehet készíteni, hogy elkerüljük a nemlineáris hatásokat nagy teljesítményeknél.
A rugalmas, nagy magú fotonikus kristályszálakat nagy teljesítményű alkalmazásokhoz tervezték. Az egyik technika az ilyen szálak szándékos hajlítása a nem kívánt magasabb rendű módok kiküszöbölése érdekében, miközben csak az alapvető transzverzális módus marad meg. A nemlinearitás harmonikusokat hoz létre; a frekvenciák kivonásával és összeadásával rövidebb és hosszabb hullámok hozhatók létre. A nemlineáris effektusok az impulzusokat is tömöríthetik, ami frekvenciafésűket eredményez.
Szuperkontinuum forrásként a nagyon rövid impulzusok széles folyamatos spektrumot állítanak elő önfázisú moduláció segítségével. Például az itterbiumszálas lézerrel előállított 1050 nm-es kezdeti 6 ps-os impulzusokból az ultraibolya sugárzástól 1600 nm feletti spektrumot kapunk. Egy másik szuperkontinuális infravörös forrást erbiumforrással pumpálnak 1550 nm hullámhosszon.
Nagy hatalom
Az iparág jelenleg a szálas lézerek legnagyobb fogyasztója. Az autóiparban használt kilowatt nagyságrendű teljesítményre ma már nagy a kereslet. Az autóipar a nagy szilárdságú acél járművek felé mozdul el, hogy megfeleljen a tartóssági követelményeknek, és viszonylag könnyű legyen a jobb üzemanyag-fogyasztás érdekében. A közönséges szerszámgépekkel például nagyon nehéz lyukakat ütni az ilyen típusú acélba, de a koherens sugárforrások megkönnyítik.
A fémek szálas lézerrel történő vágása más típusú kvantumgenerátorokkal összehasonlítva számos előnnyel rendelkezik. Például a közeli infravörös hullámhosszokat jól elnyelik a fémek. A sugár áthelyezhető a szálon, így a robot könnyedén mozgathatja a fókuszt vágás és fúrás közben.
A száloptika megfelel a legmagasabb teljesítményigényeknek. A 2014-ben tesztelt amerikai haditengerészet fegyvere 6 szálas, 5,5 kW-os lézerekből áll, amelyek egy sugárba vannak kombinálva, és egy formáló optikai rendszeren keresztül bocsátanak ki. 33 kW-os beállítást használtak a killre Bár a sugár nem egymódusú, a rendszer azért érdekes, mert lehetővé teszi, hogy szabványos, könnyen elérhető alkatrészekből saját szálas lézert építsen fel.
Az IPG Photonics egymódusú koherens sugárforrásának legnagyobb teljesítménye 10 kW. A mester oszcillátor kilowatt optikai teljesítményt állít elő, amelyet más szálas lézerek fényével 1018 nm-en pumpált erősítő fokozatba táplálnak. Az egész rendszer akkora, mint két hűtőszekrény.
A szálas lézerek alkalmazása átterjedt a nagy teljesítményű vágásra és hegesztésre is. Például leváltották az acéllemez ellenálláshegesztését, megoldva az anyagdeformáció problémáját. A teljesítmény és egyéb paraméterek szabályozása lehetővé teszi a ívek, különösen a sarkok nagyon precíz vágását.
A legerősebb multimódusú szálas lézer, ugyanazon gyártó fémvágó gépe eléri a 100 kW-ot. A rendszer egy inkoherens sugár kombinációján alapul, tehát nem egy ultra-jó minőségű nyalábról van szó. Ez a tartósság vonzóvá teszi a szálas lézereket az ipar számára.
Betonfúrás
A 4KW-os többmódusú szálas lézer beton vágására és fúrására használható. Miért van erre szükség? Amikor a mérnökök megpróbálják elérni a földrengésállóságot a meglévő épületekben, nagyon óvatosnak kell lenni a betonnal. Ha például acélmerevítést szerelnek bele, akkor a hagyományos ütvefúrással megrepedhet, meggyengítheti a betont, de a szállézerek anélkül vágják, hogy összetörnék.
A Q-kapcsolt szálas kvantumgenerátorokat például jelölésre vagy félvezető elektronika gyártására használják. Távolságmérőben is használatosak: a kézi méretű modulok 4 kW teljesítményű, 50 kHz-es frekvenciájú, 5-15 ns impulzusszélességű, szembiztos szálas lézereket tartalmaznak.
Felületkezelés
Nagy az érdeklődés a mikro- és nanomegmunkálásra alkalmas kisszálas lézerek iránt. A felületi réteg eltávolításakor, ha az impulzus időtartama rövidebb, mint 35 ps, nem fröcsköl az anyag. Ez kiküszöböli a mélyedések és más nem kívánt műtermékek kialakulását. A femtoszekundumos impulzusok nemlineáris hatásokat hoznak létre, amelyek nem érzékenyek a hullámhosszra, és nem melegítik fel a környező területet, lehetővé téve a működést a környező területek jelentős károsodása vagy gyengítése nélkül. Ezenkívül a lyukak nagy mélység-szélesség arányban vághatók ki – például gyorsan (néhány ezredmásodperc alatt) készítsen kis lyukakat 1 mm-es rozsdamentes acélba 800 fs impulzusokkal 1 MHz-en.
Lehetőség van átlátszó anyagok, például emberi szem felületkezelésére is. Az okuláris mikrosebészetben a lebeny levágásához a femtoszekundumos impulzusokat egy nagy rekesznyílású lencse szorosan fókuszálja a szem felszíne alatti ponton anélkül, hogy a felületet károsítaná, de szabályozott mélységben tönkretenné a szemanyagot. A szaruhártya sima felülete, amely elengedhetetlen a látáshoz, érintetlen marad. Az alulról leválasztott szárny ezután felhúzható a felületi excimer lézerlencse kialakításához. Egyéb orvosi alkalmazások közé tartozik a sekély behatolású sebészet a bőrgyógyászatban, valamint az optikai koherencia-tomográfiák bizonyos típusaiban történő alkalmazás.
Femtoszekundumos lézerek
A femtoszekundumos kvantumgenerátorokat a tudományban használják lézeres letörési gerjesztési spektroszkópiára, időfelbontású fluoreszcencia spektroszkópiára, valamint általános anyagkutatásra. Ezenkívül a metrológiában és az általános kutatásban szükséges femtoszekundumos frekvenciájú fésűk előállításához is szükség van rájuk. Az egyik igazi alkalmazás rövid távon a következő generációs GPS-műholdak atomórái lesznek, amelyek javítják a helymeghatározási pontosságot.
Az egyfrekvenciás szálas lézer 1 kHz-nél kisebb spektrális vonalszélességgel készül. Lenyűgözően kicsi készülék, 10mW-tól 1W-ig terjedő kimeneti teljesítménnyel. Alkalmazható a kommunikáció, a metrológia (például a szálas giroszkópokban) és a spektroszkópia területén.
Mi a következő lépés?
Ami a többi kutatási alkalmazást illeti, még sok más kutatás alatt áll. Például egy katonai fejlesztés, amely más területeken is alkalmazható, és amely a szálas lézersugarak kombinálásából áll, hogy koherens vagy spektrális kombinációval egyetlen kiváló minőségű nyalábot kapjunk. Ennek eredményeként nagyobb teljesítmény érhető el az egymódusú sugárban.
A szálas lézerek gyártása rohamosan növekszik, különösen az autóipar igényei szerint. A nem szálas eszközöket is szálasra cserélik. A költségek és a teljesítmény általános javulása mellett a femtoszekundumos kvantumgenerátorok és a szuperkontinuumforrások egyre praktikusabbakká válnak. A szálas lézerek egyre nagyobb teret hódítanak, és más típusú lézerek fejlesztésének forrásaivá válnak.
A szálas lézer teljesen vagy részben száloptikai megvalósítású lézer, ahol az erősítő közeg és bizonyos esetekben a rezonátor optikai szálból készül.
A szálas lézer egy teljesen vagy részben optikai megvalósítású lézer, honnan optikai szál A erősítő közeget és esetenként rezonátort is készítenek. A szálas megvalósítás mértékétől függően a lézer lehet teljesen szálas (aktív közeg és rezonátor) vagy diszkrét szálas (csak szálas rezonátor vagy egyéb elemek).
A szálas lézerek folyamatos, valamint nano- és femtoszekundumos impulzusimpulzusokban működhetnek.
Tervezés lézer munkájuk jellegétől függ. A rezonátor lehet Fabry-Perot rendszer vagy gyűrűs rezonátor. A legtöbb kivitelben ritkaföldfém-elemek - tuliium, erbium, neodímium, itterbium, prazeodímium - ionokkal adalékolt optikai szálat használnak aktív közegként. A lézert egy vagy több lézerdióda közvetlenül a szálmagba, vagy nagy teljesítményű rendszerekben a belső burkolatba pumpálja.
A szálas lézereket széles körben használják a paraméterek széles választéka, valamint az impulzusok széles időtartam-, frekvencia- és teljesítménytartományban történő hangolása miatt.
A szálas lézerek teljesítménye 1 W-tól 30 kW-ig terjed. Az optikai szál hossza legfeljebb 20 m.
A szálas lézerek alkalmazásai:
– vágás fémek és polimerek az ipari termelésben,
– precíziós vágás,
– mikromegmunkálás fémekés polimerek
– felületkezelés,
– forrasztás,
– hőkezelés,
– termék címkézés,
– távközlés (optikai szálas kommunikációs vonalak),
– elektronikai gyártás,
– orvostechnikai eszközök gyártása,
– tudományos műszerezés.
A szálas lézerek előnyei:
– a szálas lézerek egyedülálló eszközök, amelyek új korszakot nyitnak az anyagfeldolgozásban,
– a szálas lézerek hordozhatósága és hullámhosszának megválasztása új, hatékony alkalmazásokat tesz lehetővé, amelyek a jelenleg meglévő lézerek más típusaihoz nem állnak rendelkezésre,
– szinte minden ipari felhasználásuk szempontjából lényeges paraméterben felülmúlják más típusú lézereket,
– az impulzus időtartamának, frekvenciájának és teljesítményének széles tartományában történő beállításának lehetősége,
- rövid impulzussorozat beállításának képessége a kívánt frekvenciával és nagy csúcsteljesítménnyel, amely például lézergravírozáshoz szükséges,
– lehetőségek széles skálája.
Különböző típusú lézerek összehasonlítása:
| Paraméter | Ipari felhasználáshoz szükséges | CO 2 | YAG-Nd lámpa pumpás | YAG-Nd dióda szivattyúzva | Dióda lézerek | |
| Kimeneti teljesítmény, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Hullámhossz, µm | minél kevesebbet | 10,6 | 1,064 | 1,064 vagy 1,03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Hatékonyság, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Sugárzási távolság szálonként | 10…300 | hiányzó | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Kimeneti teljesítmény stabilitása | a lehető legmagasabbra | alacsony | alacsony | alacsony | magas | nagyon magas |
| Hátsó tükrözés érzékenysége | a lehető legalacsonyabbra | magas | magas | magas | alacsony | alacsony |
| Lakott terület, nm | minél kevesebbet | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Beépítési költség, rel. | minél kevesebbet | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Működési költség, rel.un. | minél kevesebbet | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Szolgáltatási költség, rel. | minél kevesebbet | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| A lámpák vagy lézerdiódák cseréjének gyakorisága, óra. | amennyire csak lehetséges | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus impulzusos ytterbium szál lézer 50w 100kw gyártó vásárlás
szilárdtestszálas lézerek
fémvágás rétegelt lemez félelmetes cernark gravírozás szálas lézeres mélygravírozási módok
itterbium szál lézeres készülék
szálas gép eladó lézer
működési elv fryazino gyártása 1,65 mikron technológia ytterbium vételár ipg hp 1 optikai fém vágáshoz gravírozás impulzusos működési elv gép optikai alkalmazás teljesítmény barkácsolás eszköz séma hullámhossz hegesztés gyártó hullámokat vág
Kereslet aránya 902
A szálas lézerek optikailag pumpált szilárdtestlézerek, amelyekben az aktív elem egy szál fényvezető, lézeraktivátorok hozzáadásával. A fényvezető rendszerek számára a legígéretesebbek a neodímium ionok által aktivált szálakon alapuló lézerek, A neodímium ionoknak két fő lézervonala van μm és μm központi hullámhosszal, amelyek abban a spektrális tartományban helyezkednek el, ahol a fény vesztesége és diszperziója a kvarcszálakban minimális.
Rizs. 4.11. A relé szakasz hosszának függése az információátviteli sebességtől egy lépcsős szálnál μm-es csillapítással:
1 - lézerdiódához (a karakterisztika csökkenése a BC szakaszban az intermode diszperzió miatt van) 2 - fénykibocsátó diódánál (a karakterisztika csökkenése a szakaszban lévő dióda széles spektrumának köszönhető, a szakasz - a frekvenciaválasz további csökkenése)
A neodímium erősítés spektrális jellemzői gyakorlatilag függetlenek a külső körülményektől, a neodímium ionok maximális erősítésének megfelelő hullámhossz hőmérsékleti eltolódása egyenlő, míg félvezető közegeknél ez a paraméter A emitter szálas kialakítása lehetővé teszi a sugárzás hatékony bejuttatását. optikai szálakba szabványos csatlakozókkal, beleértve a és az egymódust.
Ezen előnyök és – amint az alább látható – széles körű funkcionalitás ellenére a szálas lézerek még nem hagyták el a kutatási szakaszt. Ez azzal magyarázható, hogy a száloptikai rendszerek létrehozásakor számos problémát sikerült megoldani a jól fejlett félvezető emitterekkel, különösen azokban a rendszerekben, amelyeket elsősorban meglehetősen egyszerű rendszerekben valósítanak meg, ahol a félvezető források egyik fő előnye, A sugárzás intenzitásának közvetlen modulálása a szivattyú áram által, döntő szerepet játszik. A szilárdtestlézereknél, különösen a neodímium-aktivált közegre épülő lézereknél a sugárzási intenzitás nagysebességű modulálása a szivattyú teljesítményének változtatásával a viszonylag hosszú longitudinális relaxációs idő miatt alapvetően lehetetlen. Az invertált populáció gyors "bekapcsolásának" lehetetlensége a közvetlen modulációs frekvenciákat Hz-re korlátozza. Fényvezető rendszerek fejlesztése, különösen a közeljövő ígéretes rendszerei koherens vétellel és többcsatornás spektrummal
a tömörítés serkenti a szálas lézerek kifejlesztését, amelyek nem csak generátorként, hanem fényerősítőként is használhatók.
A szálas lézerek meglévő tervei három csoportra oszthatók. Az első csoportba tartozó szálas lézerek több hosszú szálból álló kötegeket és nagy teljesítményű szivattyúzást használnak impulzusos gázkisüléses lámpákkal. Pozitív visszacsatolás az ilyen struktúrákban a szálak végeiről visszaverődő fény, valamint a mikrohajlításokra és inhomogenitásokra való visszaszórás miatt jön létre.
Rizs. 4.12. Szállézerek tervei a - végpumpálással; b - keresztirányú szivattyúzással kis átmérőjű szálakhoz; 6 - optikai ragasztó, 8 - reflektor, 9 - üveghenger, 10, 12 - radiátorok; 11, 14 - LED-vonalak
A lámpás szivattyúzás lehetővé teszi, hogy egyetlen menetben nagy nyereséget érjünk el, de kényszerített folyadékhűtő rendszereket és terjedelmes tápegységeket igényel, ami láthatóan irreálissá teszi a kis méretű készülékek létrehozását. Ebben az értelemben bizonyos kilátások a gázkisüléses mikrolámpák használatában rejlenek. A lámpával pumpált kivitelek előnyei közé tartozik, hogy utazóhullámú optikai erősítőkként és regeneratív erősítőkként is használhatók, meglehetősen magas (~30-40 dB) erősítéssel.
A második csoportba tartozó szálas lézerek tervezésénél rövid hosszúságú egykristály- és üvegszálakat használnak, amelyeket neodímium ionok aktiválnak. A szivattyúzás a szál végén keresztül történik félvezető lézerrel vagy LED-del. Meglehetősen magas szivattyúzási hatásfok érhető el, ha egy GaAlAs DHS-en alapuló félvezető emitter emissziós spektrumát a kb.
0,81 µm. A második csoportba tartozó szálas lézerek kialakítását sematikusan az ábra mutatja. 4.12, a. Az aktív közeg alacsony erősítésének köszönhetően kialakul a lézerrezonátor
dielektromos tükrök magas visszaverési együtthatóval. Az ittrium-alumínium gránátból készült, neodímium és üveg-neodímium kvarcszálas egykristályszál alapú lézerek ilyen kialakításúak. Beszámoltak végpumpás kripton lézerszivattyús lézerezésről kristályos szálban és argonszivattyús lézerezésről rubinszálban. A legjobb eredményeket egy szálgeometriájú, 0,5 cm hosszú és 80 µm átmérőjű kristály használatával érte el. A külső rezonátort (4.12. ábra, a) dielektromos bevonattal ellátott tükrök alkották, amelyek közül az egyik lézersugárzásra μm-es és csak pumpás sugárzásra visszaverődési együtthatóval rendelkezett, a második tükör ugyanolyan magas visszaverődési együtthatóval a visszavert lézersugárzásra. a pumpa elég jól világít A tükrök szinte a szál végeihez közel helyezkedtek el. A szivattyúzást 85 μm sugárzófelület-átmérőjű felületi LED végezte. A szivattyú teljesítményének küszöbértéke volt
Az ilyen kialakítású szálas lézerek fő előnyei az alacsony energiafogyasztás és az általános méretek. A fő hátrányok az, hogy a végszivattyúkör nem teszi lehetővé az 1 cm-nél hosszabb szálszegmensek használatát, ami korlátozza a kimeneti teljesítményt. Ezen túlmenően ezeknek a lézereknek a gyártási és beállítási technológiája összetett, és a pumpás LED jelenléte az egyik végén megnehezíti a lézer optikai jelerősítőként való használatát.
Többfordulatú szálas lézerek LED-tömbök keresztirányú pumpálásával (ábra a harmadik csoportba tartozó terveket ábrázolja. A LED-tömbön több menetes üvegszál van elhelyezve, melynek magját neodímium ionok aktiválják. A kialakítás bizonyos mértékig kombinál az első és a második csoportba tartozó szálas lézerek előnyei és hiányosságaik nagy része nélkülözi a félvezető emitterek szivattyúzási forrásként való felhasználása miatt az ilyen rendszerek mérete meglehetősen kicsi, a keresztirányú szivattyúzás és a hosszú szálszakaszok alkalmazása lehetővé teszi hogy egy menetben kellően nagy erősítést kapjunk.neodímium és ennek megfelelően nagy a szivattyú fényelnyelési együtthatója.Ilyen tulajdonságokkal rendelkeznek a neodímium-ultrafoszfátokból készült szálak.A LED-soron többfordulatú szálak fektetése elvégezhető különböző utak. Tehát egy darab szálat többször áthúzunk egy körülbelül 1 mm átmérőjű üveghengeren (4.12. ábra, b), amelynek külső felületére fényvisszaverő bevonatot viszünk fel.
a szivattyú sugárzás felhasználásának hatékonyságának növelése. Ez a módszer előnyös kis külső átmérőjű (µm) szálak esetén. A nagyobb átmérőjű szálak egymásra rakhatók a fordulatról-fordulóra (4.12. ábra, c). Mindkét kivitel használható optikai utazóhullámú erősítőként, a szál egyik vége az erősítő bemenete, a másik pedig a kimenet. A tükörbevonatok lerakása a szálak végein lehetővé teszi a lézergenerálást Fabry-Perot szálrezonátorral.
Az aktív optikai szálak lézeres folyamatainak jellemzőit a specifikus lézergeneráció jelenléte határozza meg pozitív visszacsatolás hiányában.
Rizs. 4.13. Szálas fényvezető: a - aktív maggal és passzív burkolattal; b - passzív maggal és aktív héjjal (2)
Ez a fő különbség a szálas lézerek és az ömlesztett aktív elemeken alapuló lézerek között. A félvezető LED-ekben a szuperlumineszcencia rendszerhez közel álló folyamat lényegének magyarázatához vegyük figyelembe a szál néhány elemi szakaszát, amelyben inverz populáció jön létre (4.13. ábra, a). A spontán sugárzás minden irányban egyenlő valószínűséggel következik be, azonban a szálakkal közös tengelyű, 20-os nyitási szöggel meghatározott két szögkúpban koncentrált sugárzás nem hagyja el a magot. Itt
hol vannak a mag és a burkolat törésmutatói, ez a sugárzás a szál természetes rezgéseit (módusait) gerjeszti, amelyeket a szál mentén jobbra és balra terjedő stimulált sugárzás felerősít (4.13. ábra, a). Ugyanez a kép figyelhető meg a szál aktív magjának bármely más elemi szakaszán. Egy ilyen szálas fényforrás kimeneténél a sugárzási divergenciát hozzávetőlegesen a szál numerikus apertúrája határozza meg
Amíg az aktív szálban egymás felé terjedő fényhullámok intenzitása jóval kisebb, mint az erősítést telítő érték, addig az ellenterjesztő hullámok függetlenek, akárcsak a szál különböző módusai által hordozott energiák. Ilyen körülmények között a stimulált emisszió miatti spontán emisszió felerősödésének folyamatát a telítés nélküli lézererősítő jól ismert egyenletei írják le, figyelembe véve a spontán emissziót. A sugárzás spektrális teljesítménysűrűsége egy üzemmódban a szál aktív szakaszának kimenetén (4.13. ábra, a) egyenlő
Itt van Planck állandója; - fényrezgések frekvenciája; a felső és alsó lézerszint populációi; az egységnyi hosszra jutó erősítés, ahol a kényszerített átmenet Einstein-együtthatója; - a spektrális erősítési vonal normalizált alakja; c a fénysebesség. A maximálisan termelt teljesítményt korlátozhatja vagy a szál hossza, vagy – mint az üreges lézereknél – a telítés. Természetesen az erősítés során a generálási spektrum a lumineszcencia spektrumhoz képest leszűkül, amiatt, hogy a vonal közepén lévő spektrális komponensek jobban felerősödnek. A spektrum szélességét az erősítés és az alak határozza meg, a sugárzási spektrum pedig folytonos a rezonátor hiánya miatt.
A vizsgált specifikus fényvezető lézeres eljárásnak három lényeges szempontja van.
1. Az aktív szálas fényvezető fényforrásként használható optikai üreg nélkül.
2. A hagyományos séma szerinti, rezonátoros szálas lézerek létrehozásakor figyelembe kell venni, hogy a figyelembe vett folyamat egy menetben az erősítés telítéséhez vezethet, aminek következtében a visszacsatolás értelmét veszti. Ebben az esetben a és értékeit úgy kell megválasztani, hogy az messze legyen az erősítést telítő értéktől.
3. Az optikai szálas erősítőkben a vizsgált folyamat eredményeként keletkező fény a fő zajforrás. A zajteljesítmény spektrális sűrűsége egy üzemmódban, az erősítő bemenetére konvertálva, a (4.12) képlet szerint, egyenlő
Négyszintű rendszerben, ami a neodímium lézerszintek sémája, általában és nagy erősítéssel
Az ömlesztett erősítőkben az erősített spontán emisszió zaját sokáig alapvetően eltávolíthatatlannak tartották (lásd például a munkát), azonban a szálas erősítőkben a szintje jelentősen csökkenthető az ábrán látható fényvezető használatával. 4.13, 6. Az egymódusú szál, amelynek magja törésmutatót növelő adalékanyaggal ellátott kvarcüvegből készül, például neodímium ionokkal aktivált üveg burkolattal rendelkezik. Az inverz populáció létrehozása a burkolatban a mag mód erősítéséhez vezet, hatékony erősítéssel
hol a nyereség a héjban; a mag üzemmódú teljesítménynek a burkolatban terjedő része; P az ennek az üzemmódnak a teljes teljesítménye. Az arány 0,99-ről 0,1-re változik, ha a szálparaméter 0,6-ról 2,4048-ra változik. Amikor a mag elkezdi hatékonyan irányítani az alapvető módot azáltal, hogy saját maga közelében lokalizálja a mezőjét, a második mód gerjesztődik. A képletet ugyanúgy kapjuk meg, mint egy olyan burkolatú szál csillapítási együtthatójának kifejezését, amelyben a sugárzási veszteségek rosszabbak, mint a szálaké. Az előbbiek jelentős hátrányai az erősítővonal hőmérsékleti instabilitása (μm-re), jelentős veszteségek az egymódusú optikai szálak sík erősítő optikai szállal történő illesztése során, valamint a nagy zajteljesítmény - szuperlumineszcencia sugárzás.
A szálas lézerek lehetőséget nyitnak új típusú FOS létrehozására. Az érzékelő elem, amely egy szál fényvezető, itt a lézer szálgyűrűjének vagy lineáris rezonátorának egy része.
Rizs. 4.14. Egyfrekvenciás szálas lézerek elosztott visszacsatolással (a) és Bragg tükrökkel (b): 1 - aktív mag; 2 - periodikus szerkezetű héj
A lézerekben a fénylengés fázisának külső tényezők hatására bekövetkező változása a különböző üzemmódok generálási frekvenciáinak megváltozásához vezet. A külső hatásokra vonatkozó információkat az intermode ütemek frekvenciájának változása tartalmazza. Gyűrűs rezonátorral ellátott szálas lézer alapján, amely a fényvezető végeinek vagy azok leválasztható csatlakozásának hegesztésével valósul meg, meglehetősen egyszerű kis méretű lézerszálas giroszkóp elkészítése.
Stabil egyfrekvenciás szálas lézerek tervezhetők elosztott visszacsatolással vagy elosztott Bragg-reflexióval. Ennek érdekében a szál bizonyos szakaszain az alábbiakban ismertetett módszerek egyike (lásd a 4.8. szakaszt) egy szálreflexiós spektrális szűrőt hoz létre (4.14. ábra). Az ilyen források FOS fázisban használhatók.
A szuperlumineszcens szálas lézerek alkalmazása lehetővé teszi a passzív szálas giroszkópok tervezésének egyszerűsítését és érzékenységük növelését az ömlesztett elemek jelenléte okozta zajszint csökkentésével. A gyűrűs giroszkópos interferométerekben a zajszint csökken a forrássugárzás koherenciahosszának és a tömbelemek számának csökkenésével (lásd 3.6. fejezet). Szálas forrásban a forgás és a nem kölcsönös hatások miatt könnyen elérhető, hogy a sugárzás koherenciahossza nagyobb legyen, mint az interferométer ellenszaporodó hullámainak útkülönbsége. A szuperlumineszcens szálas lézerek spektrális szélessége nm, és meglehetősen nagy impulzusteljesítményük van.
szabványos csatlakozókkal csatlakozik a szálgyűrűs interferométerhez.
