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laser a fibra itterbio: il dispositivo, il principio di funzionamento, potere, produzione, uso

laser a fibra sono compatto e resistente, preciso e facile da calore dispersione indotta. Essi sono disponibili in diverse tipologie e avere molto a che fare con il laser di altri tipi hanno i loro vantaggi unici.


laser a fibra: funzionamento

Dispositivi di questo tipo sono la variazione standard della sorgente a stato solido di radiazione coerente dalla fibra, invece fluido di lavoro asta, una piastra o disco. La luce generata dalla drogante nella porzione centrale della fibra. La struttura di base può variare dal semplice al abbastanza complessa. Apparecchiatura laser fibra itterbio tale che la fibra ha un grande rapporto tra superficie e volume, in modo che il calore può essere diffuso relativamente facilmente.

laser a fibra vengono pompati otticamente, spesso con l'aiuto di laser a diodi, ma in alcuni casi – le stesse fonti. Ottiche utilizzate in questi sistemi sono generalmente rappresenta i componenti ottici, in cui la maggior parte o tutti sono collegati tra loro. In alcuni casi, un ottica rinfusa, e sistema di fibra ottica a volte interno è combinato con un ottica di massa esterno.

Una sorgente di pompa diodo può essere una matrice di diodi, oppure una pluralità di singoli diodi, ciascuno dei quali è collegato alla guida d'onda connettore a fibra ottica. fibra drogata a ciascuna estremità presenta una cavità risonatore specchio – in pratica rendono la fibra di Bragg. Alle estremità di ottica bulk hanno, se non solo fascio di uscita entra qualcosa di diverso fibra. La guida di luce può essere ritorto in modo che, se desiderato la cavità laser può avere una lunghezza di diversi metri.

binuclear

fibre struttura utilizzata laser in fibra, è importante. Il più comune è la geometria di una struttura dual-core. nucleo esterno non drogato (talvolta denominato intimale) pompato raccoglie la luce e la dirige lungo la fibra. radiazione stimolata generato nella fibra passa attraverso il nucleo interno, che è spesso un singolo modo. Il nucleo interno contiene un additivo itterbio, stimolata dalla luce pompa. Ci sono molte forme di nucleo esterno non circolare compreso – esagonale, a forma di D e rettangolare, riducendo la probabilità che esce fascio luminoso nel nucleo centrale.

Il laser fibra può avere un fine o pompaggio laterale. Nel primo caso la luce da una o più sorgenti entra l'estremità della fibra. Quando la luce laterale di pompaggio è alimentato ad un separatore che immette nucleo esterno. Ciò differisce dalla barretta laser in cui la luce entra perpendicolare all'asse.

Per una tale decisione richiede un sacco di sviluppi strutturali. Notevole attenzione è rivolta a riassumere la luce pompa nel nucleo per produrre un'inversione di popolazione, con conseguente emissione stimolata nel nucleo interno. nucleo laser può avere vari gradi di amplificazione nella fibra dipende dal drogaggio, nonché sulla sua lunghezza. Questi fattori sono impostati come ingegnere progettista per i parametri richiesti.

limite di potenza può verificarsi, in particolare quando si opera all'interno di una fibra monomodale. Tale nucleo ha una piccola area in sezione trasversale, e di conseguenza passa attraverso di esso luce di intensità molto elevata. Quando questo è sempre più marcata diffusione di Brillouin non lineare, che limita la potenza di diverse migliaia di watt. Se l'uscita è abbastanza alto, l'estremità della fibra può essere danneggiato.

Soprattutto laser a fibra

L'uso della fibra come fluido di lavoro offre una maggiore lunghezza di interazione, che funziona bene quando il pompaggio diodo. Questa geometria determina una elevata efficienza di conversione dei fotoni, così come la costruzione affidabile e compatta, in cui non ottica discreti, richiedono regolazione o allineamento.

Un laser in fibra, la quale apparecchiatura permette di adattarsi bene, può essere adattato per la saldatura di lamiere di spessore e di produrre impulsi a femtosecondi. amplificatori a fibra ottica sia guadagno a passaggio singolo e vengono utilizzati nelle telecomunicazioni, in quanto possono amplificare molte lunghezze d'onda simultaneamente. Lo stesso guadagno viene usato negli amplificatori di potenza con un oscillatore principale. In alcuni casi, l'amplificatore può essere azionato con un laser ad onda continua.

Un altro esempio è una sorgente di emissione spontanea della fibra di rinforzo, in cui l'emissione stimolata viene soppressa. Un altro esempio è un laser a fibra Raman combinato con maggiore dispersione, lunghezza d'onda sostanzialmente taglio. Si è trovato applicazione nella ricerca, in cui la combinazione di generazione e l'amplificazione utilizzando una lente fluoruro piuttosto che le fibre in silice standard.

Tuttavia, in generale, le fibre di vetro di silice con drogante terre rare nel nucleo. Gli additivi di base sono itterbio e erbio. Itterbio ha lunghezze d'onda 1030-1080 nm, e può emettere un ampio intervallo. L'uso di pompa diodo 940 nm riduce significativamente il deficit di fotoni. Itterbio ha né un auto-spegnimento effetti, che sono al neodimio ad alta densità, per cui quest'ultimo viene utilizzato nei laser sfusi e itterbio – in fibra (entrambi forniscono circa la stessa lunghezza d'onda).

Erbio emette nel range 1530-1620 nm, una cassetta di sicurezza per gli occhi. La frequenza può essere raddoppiata a generare luce a 780 nm, che non è disponibile per altri tipi di laser in fibra. Infine, itterbio può essere aggiunto a Erbio in modo che l'elemento in grado di assorbire la radiazione di pompa e trasmettere questa energia per erbio. Tulio – un altro drogante per l'emissione nella regione del vicino infrarosso, che è quindi sicuro per le immagini degli occhi.

alta efficienza

Il laser a fibra è un sistema a tre livelli quasi. i fotoni pompa eccitare la transizione dallo stato fondamentale allo strato superiore. transizione laser è dalla parte più bassa del livello superiore in uno dei divisi terra stati. Questo è molto efficace: per esempio, itterbio-940 nm pompa fotone emette un fotone con lunghezza d'onda di 1030 nm, e il difetto quantistico (perdita di energia), solo circa il 9%.

Al contrario, neodimio, pompato a 808 nm perde circa il 24% di energia. Così, itterbio ha intrinsecamente una elevata efficienza, anche se non tutto è realizzabile a causa della perdita di alcuni dei fotoni. Yb può essere pompato in una serie di bande di frequenza, e erbio – lunghezza d'onda di 1480 nm o 980. La frequenza superiore non è efficace in termini di fotoni di difetto, ma utile, anche in questo caso, perché a 980 nm, le migliori fonti disponibili.

efficienza complessiva del laser in fibra è il risultato del processo in due fasi. In primo luogo, è l'efficienza del diodo pompa. sorgenti a semiconduttore di radiazione coerente sono molto efficaci, con efficienza del 50% convertire un segnale elettrico in un ottica. I risultati degli studi di laboratorio suggeriscono che è possibile raggiungere un valore di 70% o più. Con uscita corrispondenza esatta laser assorbimento della radiazione fibra di linea e si ottiene una elevata efficienza di pompaggio.

In secondo luogo, questa efficienza di conversione ottico-ottico. Quando una piccola fotoni difetto può raggiungere un elevato grado di eccitazione e l'efficienza di estrazione di efficienza di conversione ottico-ottico del 60-70%. L'efficienza risultante è nell'intervallo 25-35%.

varie configurazioni

Fibre quantistica generatori di onde continue possono essere (modi trasversali) singola o multimodale. Monomodale produrre fascio di alta qualità per materiali, lavorazione o inviando un fascio attraverso l'atmosfera, e laser multimodale fibra industriale può generare più potenza. Viene utilizzato per il taglio e saldatura, e in particolare, per il trattamento termico, in cui una grande area è illuminata.

Il laser a fibra lunga è sostanzialmente apparato quasi continua solito millisecondo tipo impulsi di generazione. Di solito è il duty cycle è 10%. Questo porta ad una maggiore potenza di picco rispetto al modo continuo (in genere dieci volte) che viene utilizzato, per esempio, per una foratura pulsata. La frequenza può essere di 500 Hz, a seconda della durata.

Q-switching in laser a fibra agisce anche come nel bulk. Un tipico durata dell'impulso è nell'intervallo di nanosecondi a microsecondi. Più lungo la fibra, il tempo che impiega per Q-switching della radiazione in uscita, causando un impulso più lungo.

proprietà delle fibre sono alcune limitazioni sulla modulazione Q. La non linearità del laser fibra è più significativo a causa della piccola area di sezione trasversale del nucleo, in modo che la potenza di picco dovrebbe essere piuttosto limitata. È possibile utilizzare sia gli interruttori di volume Q, che forniscono prestazioni più elevate, o modulatori ottici, che sono collegati alle estremità della parte attiva.

impulsi Q commutati possono essere amplificati in una fibra o nel risonatore a cavità. Un esempio di quest'ultimo può essere trovata nella simulazione Nazionale Complesso di test nucleari (NIF, Livermore, CA), in cui il laser a fibra è un oscillatore principale per 192 travi. Piccoli impulsi in grandi lastre di vetro drogato amplificati a megajoules.

Nei laser in fibra con frequenza di sincronizzazione di ripetizione dipende dalla lunghezza del materiale di rinforzo, come negli altri modi di circuiti di sincronizzazione e la durata dell'impulso dipende dalla capacità di migliorare il throughput. Il più corto sono nella gamma di 50 fs, e più tipico – nell'intervallo di 100 fs.

Tra itterbio e fibra erbio, v'è una differenza importante, per cui essi operino in diversi modi dispersione. fibra drogata con Erbio emette a 1550 nm in una regione di dispersione anomala. Questo permette di solitoni. Itterbievye fibre sono in una dispersione positiva o normale; di conseguenza, si generano impulsi con modulazione di frequenza lineare pronunciato. Come risultato di reticolo di Bragg può essere necessario comprimere la lunghezza dell'impulso.

Ci sono diversi modi per modificare gli impulsi laser in fibra, in particolare per studi picosecondo ultraveloci. fibre a cristalli fotonici possono essere realizzati con molto piccoli nuclei per forti effetti non lineari, come ad esempio per la generazione supercontinuo. Al contrario, i cristalli fotonici possono essere realizzati con grande nucleo monomodali per evitare effetti non lineari a potenza elevata.

fibra a cristalli fotonici flessibile con grande nucleo creato per applicazioni che richiedono elevata potenza. Uno dei metodi è flessione intenzionale della fibra per rimuovere eventuali modi di ordine superiore indesiderati mantenendo un modo trasversale fondamentale. La non linearità crea armoniche; e sottraendo la frequenza di piegatura, è possibile creare una lunghezze d'onda più corte e più a lungo. effetti non lineari possono anche produrre compressione di impulso, che porta i pettini di frequenza aspetto.

La fonte supercontinuo come impulsi molto brevi produrre uno spettro continuo attraverso la modulazione di fase. Ad esempio, dagli iniziali 6 impulsi ps a 1050 nm, che crea lo spettro laser in fibra itterbio ottenuta nell'intervallo dall'ultravioletto più di 1600 nm. Un'altra fonte di sorgente Erbio supercontinuo IR pompato ad una lunghezza d'onda di 1550 nm.

ad alta potenza

L'industria è attualmente il più grande consumatore di laser a fibra. in questo momento gode in alto la domanda la potenza dell'ordine di kilowatt utilizzati nell'industria automobilistica. L'industria automobilistica si sta muovendo verso la produzione di automobili acciaio ad alta resistenza per soddisfare i requisiti di resistenza e sono relativamente facili da grande economia di combustibile. macchine utensili tradizionali è molto difficile, per esempio, perforare in questo tipo di acciaio e delle fonti di radiazione coerente rendono facile.

Taglio laser in fibra metallica, rispetto ad altri tipi di generatore quantistica ha un certo numero di vantaggi. Per esempio, lunghezza d'onda nel vicino infrarosso ben assorbito i metalli. Fascio può essere trasportato attraverso la fibra, che consente al robot di spostare facilmente la messa a fuoco durante il taglio e foratura.

Fibra ottica soddisfa i massimi requisiti di potenza. Armi US Navy, testato nel 2014, è costituito da un 6-fibra laser 5.5 chilowatt combinati in un unico fascio e irradia attraverso il sistema ottico di formatura. 33 unità kW stato usato per sconfiggere un velivolo senza pilota. Anche se il fascio non è un singolo-mode, il sistema è di interesse, in quanto consente di creare un laser in fibra con le mani di ingredienti standard, facilmente reperibili.

Le più alte monomodali potenza sorgenti di luce coerente di IPG Photonics è di 10 kW. L'oscillatore principale produce un watt di potenza ottica, che è fornito all'amplificatore fase pompato a 1018 nm con luce di altri laser a fibra. L'intero sistema ha una dimensione di due frigoriferi.

L'uso del laser in fibra sono estesi anche al taglio ad alta potenza e saldatura. Ad esempio, hanno sostituito saldatura a resistenza lamiera risolvere il problema della deformazione del materiale. controllo di potenza ed altri parametri permette curve di taglio molto precise, specie gli angoli.

Il più potente laser a fibra multimodale – per il taglio dei metalli dello stesso produttore – fino a 100 kW. Il sistema si basa su una combinazione di fascio incoerente, quindi non è eccellente fascio di alta qualità. Questa resistenza rende laser in fibra attraenti per l'industria.

foratura di calcestruzzo

Multimodale uscita laser in fibra di 4 kW può essere utilizzata per il taglio e la foratura di calcestruzzo. Perché farlo? Quando gli ingegneri stanno cercando di raggiungere la resistenza sismica degli edifici esistenti, essere molto attenti con il calcestruzzo. Quando installato in esso, come armature percussione convenzionale perforazione può causare difetti e indebolire il calcestruzzo, ma laser in fibra tagliati senza romperla.

Laser con una fibra Q-switched utilizzato ad esempio per l'etichettatura o nella fabbricazione di elettronica dei semiconduttori. Essi sono utilizzati anche in telemetri: moduli sono le dimensioni di una mano contiene laser a fibra eye-safe cui produzione è 4 kW, la frequenza di 50 kHz e una durata dell'impulso di 5-15 ns.

trattamento di superficie

V'è un grande interesse per laser a fibra piccole per micro e nanoprocessing. Quando si rimuove lo strato superficiale, se la durata dell'impulso è più breve di 35 ps, nessun materiale spruzzatura. Ciò impedisce la formazione di fossette e altri artefatti indesiderati. Gli impulsi del regime femtosecondi producono effetti non lineari che non sono sensibili alla lunghezza d'onda e la zona circostante non è riscaldata, che permette di lavorare senza danno sostanziale o indebolimento delle aree circostanti. Inoltre, i fori possono essere tagliate con una elevata profondità di larghezza – per esempio, rapidamente (entro pochi millisecondi) Piccoli fori di 1 mm con un acciaio inossidabile impulsi 800 fs con una frequenza di 1 MHz.

E 'inoltre possibile produrre materiali trasparenti con superficie trattata, ad esempio, l'occhio umano. Per tagliare un lembo a microchirurgia dell'occhio, impulsi a femtosecondi vysokoaperturnym lente strettamente fuoco in un punto sotto la superficie dell'occhio senza causare alcun danno alla superficie, ma l'occhio distruggendo materiale in profondità controllata. La superficie liscia della cornea, che è essenziale per la visione rimane intatto. Il lembo è separata dal fondo, può quindi essere tirato fino alla superficie della lente laser ad eccimeri formatura. Altre applicazioni mediche includono la chirurgia penetrazione poco profonda in dermatologia, così come l'uso di alcuni tipi di tomografia a coerenza ottica.

laser a femtosecondi

laser a femtosecondi nel campo della scienza usati per eccitare la spettroscopia ripartizione del laser, spettroscopia di fluorescenza con una risoluzione temporale, e anche per la ricerca di materiali generale. Inoltre, sono necessari per la produzione di pettine di frequenza femtosecondi required metrologia e studi di carattere generale. Una delle applicazioni reali a breve termine saranno gli orologi atomici dei satelliti GPS di nuova generazione, che aumenterà la precisione di posizionamento.

laser a fibra singola frequenza viene eseguita con una larghezza di riga spettrale inferiore a 1 kHz. Questo dispositivo impressionante con una piccola potenza radiazione da 10 mW a 1W. Trova applicazione nel campo delle comunicazioni, metrologia (ad esempio, in giroscopi fibra) e spettroscopia.

Quali sono le prospettive?

Per quanto riguarda le altre applicazioni di ricerca, è ancora un sacco di loro sono studiati. Ad esempio, ingegneria militare, che può essere applicato in altri settori, che consiste nel combinare un fasci laser in fibra per ottenere un fascio alto utilizzando la combinazione coerente o spettrale. Come risultato, più potenza viene ottenuta in un fascio monomodale.

Produzione di laser a fibra è in rapida crescita, specialmente per le esigenze dell'industria automobilistica. Inoltre, v'è una sostituzione di dispositivi in fibra non fibrose. Oltre a miglioramenti generali costi e prestazioni, ci sono più pratici laser a femtosecondi e fonti supercontinuo. laser a fibra occupano più nicchie e diventare una fonte di miglioramento per gli altri tipi di laser.