Ytterbium szálas lézer: eszköz, működési elv, teljesítmény, gyártás, alkalmazás

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

A szálas lézerek kompaktak és robusztusak, pontosan irányítanak és könnyen elvezetik a hőenergiát. Különféle formákban kaphatók, és bár sok közös vonásuk van más típusú optikai kvantumgenerátorokkal, megvannak a maguk egyedi előnyei.

Szállézerek: hogyan működnek

Az ilyen típusú eszközök egy szabványos szilárdtest-koherens sugárzási forrás variációi, amelyek nem rúdból, lemezből vagy korongból, hanem rostból készülnek. 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 esetekbenvolumetrikus optikát használnak, és néha belső száloptikai rendszert külső volumetrikus optikával kombinálnak.

A diódaszivattyúzás forrása lehet egy dióda, egy mátrix vagy több különálló dióda, amelyek mindegyike száloptikai fényvezetővel csatlakozik egy csatlakozóhoz. Az adalékolt szál mindkét végén üreges rezonátor tükörrel rendelkezik - a gyakorlatban Bragg rácsok készülnek a szálban. Nincs ömlesztett optika a végein, kivéve, ha a kimeneti sugár nem egy szálba megy bele. A fényvezető csavarható, így kívánság szerint a lézerüreg 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 hiányzik a központi magból.

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. aztkülönbözik a rúdlézertől, ahol a fény a tengelyre merőlegesen lép be.

Ez a megoldás sok tervezési 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 tervezőmérnök módosítja a szükséges paraméterek eléréséhez.

Tápellátás korlátozások léphetnek fel, különösen, ha egymódusú optikai szálon belül működik. Egy ilyen magnak nagyon kicsi a keresztmetszete, és ennek eredményeként nagyon nagy intenzitású fény halad át rajta. Ezzel párhuzamosan a nem lineáris Brillouin-szórás is egyre jobban észrevehető, ami több ezer wattra korlátozza a kimenő teljesítményt. Ha a kimeneti jel elég magas, akkor a szál vége megsérülhet.

A szálas lézerek jellemzői

A szál munkaközegként való használata hosszú interakciós hosszt biztosít, amely jól működik diódapumpálással. Ez a geometria magas fotonkonverziós hatékonyságot, valamint robusztus és kompakt kialakítást eredményez, amelyen nincs külön beállítás vagy igazítás.

A szálas lézer, amelynek eszköze lehetővé teszi a jól alkalmazkodó képességet, 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. Egyes esetekben az erősítő CW lézerrel is működhet.

Egy másik példa a szálerősítésű spontán emissziós források, amelyekben a stimulált emisszió elnyomott. 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 kvarcüvegből készülnek, ritkaföldfém-adalékanyaggal 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 itterbiumot úgy adhatjuk az erbiumhoz, hogy az elem felszívódjonpumpálja a sugárzást, és ezt az energiát adja át az erbiumnak. A thúlium egy másik közeli infravörös adalékanyag, amely így a szem számára biztonságos anyag.

Magas hatékonyság

A szálas lézer egy kvázi háromszintű rendszer. A pumpa foton gerjeszti az átmenetet az alapállapotból a felső szintbe. 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) csak körülbelül 9%.

Ezzel szemben a 808 nm-en pumpált neodímium energiája 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, míg az erbium 1480 vagy 980 nm-en pumpálható. A magasabb frekvencia nem olyan hatékony a fotonhiba szempontjából, de még ebben az esetben is hasznos, mert 980 nm-en jobb források állnak rendelkezésre.

A szálas lézer hatékonysága általában egy kétlépéses folyamat eredménye. Először is, ez a szivattyú dióda hatékonysága. A koherens sugárzás félvezető forrásai nagyon hatékonyak, 50%-os hatékonysággal alakítják át az elektromos jelet optikai jellé. A laboratóriumi vizsgálatok eredményei azt mutatják, hogy 70% vagy annál nagyobb érték is elérhető. A kimeneti sugárzási vonal pontos egyezésévelszálas lézer abszorpció és nagy szivattyú hatásfok.

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 a 25-35% tartományba esik.

Különféle konfigurációk

A folytonos sugárzás száloptikai kvantumgenerátorai 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 üzemmódban (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 tovább tart a kimenet Q-váltása, ami hosszabb impulzust eredményez.

A szál tulajdonságai bizonyos korlátozásokat írnak elő a Q-váltásra. A szálas lézer nemlinearitása jelentősebb a mag kis keresztmetszete miatt, ezért a csúcsteljesítményt némileg korlátozni kell. Akár volumetrikus Q kapcsolók is használhatók, amelyek jobb teljesítményt adnak, vagy optikai modulátorok, amelyek az aktív rész végeihez csatlakoznak.

A Q-kapcsolt impulzusok a szálban vagy egy üreges rezonátorban 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 üveglapokban lévő kis impulzusok megajoule-ra erősödnek.

A lezárt szálas lézereknél az ismétlési sebesség az erősítő anyag hosszától függ, mint a többi üzemmód zárolási sémánál, az impulzus időtartama pedig az erősítési sávszélességtől függ. A legrövidebbek az 50 fs tartományban, a legjellemzőbbek pedig a 100 fs tartományban vannak.

Lényeges különbség van az erbium és az itterbium rostok között, aminek következtében különböző diszperziós módokban 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.

Többféle mód van a szálas lézerimpulzusok módosítására, különösen az ultragyors pikoszekundumos vizsgálatok esetében. A fotonikus kristályszálak nagyon kis magokkal készíthetők erős nemlineáris hatások, például szuperkontinuum generálás érdekében. Ezzel szemben a fotonikus kristályokat nagyon nagy, egymódusú magokkal is lehet készíteni, hogy elkerüljük a nagy teljesítményű nemlineáris hatásokat.

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 keresztirányú 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 saját fázisú moduláció segítségével. Például a kezdeti 6 ps-os impulzusokból 1050 nm-en, amelyeket egy itterbiumszálas lézer hoz létre, az ultraibolya sugárzástól az 1600 nm-nél nagyobb tartományig terjedő spektrumot kapunk. Egy másik szuperkontinuális infravörös forrást erbiumforrással pumpálnak 1550 nm-en.

Nagy teljesítményű

Az iparág jelenleg a szálas lézerek legnagyobb fogyasztója. Jelenleg nagy az igény a hatalomra.körülbelül egy kilowatt, az autóiparban használják. Az autóipar a nagy szilárdságú acél járművek felé halad, hogy megfeleljen a tartóssági követelményeknek, és viszonylag könnyű legyen a jobb üzemanyag-fogyasztás érdekében. A közönséges szerszámgépekkel például nagyon nehéz lyukakat lyukasztani az ilyen típusú acélba, de a koherens sugárforrások megkönnyítik ezt.

A fémek szálas lézerrel történő vágása más típusú kvantumgenerátorokhoz képest számos előnnyel jár. 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.

Fiber megfelel a legmagasabb energiaigényeknek. Az Egyesült Államok haditengerészetének egyik 2014-ben tesztelt fegyvere 6 szálas, 5,5 kW-os lézerekből áll, amelyeket egyetlen sugárba egyesítenek, és egy formáló optikai rendszeren keresztül bocsátanak ki. A 33 kW-os egységet egy pilóta nélküli légi jármű megsemmisítésére használták. Bár a sugár nem egymódusú, a rendszer azért érdekes, mert lehetővé teszi, hogy saját kezűleg szálas lézert készítsen szabványos, könnyen elérhető alkatrészekből.

Az IPG Photonics legnagyobb teljesítményű egymódusú koherens fényforrása 10 kW. A mester oszcillátor kilowatt optikai teljesítményt állít elő, amelyet az erősítő fokozatba táplálnak, 1018 nm-en pumpálva más szálas lézerek fényével. Az egész rendszer akkora, mint két hűtőszekrény.

A szálas lézerek használata a nagy teljesítményű vágásra és hegesztésre is kiterjedt. Például lecseréltékacéllemez ellenálláshegesztése, az anyagdeformáció problémájának megoldása. A teljesítmény és egyéb paraméterek szabályozása lehetővé teszi a ívek, különösen a sarkok nagyon precíz vágását.

A legerősebb többmódusú 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

4KW többmódusú szálas lézer használható beton vágására és fúrására. 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 ütvefúrás megrepedhet és meggyengítheti a betont, de a szállézerek anélkül vágják, hogy összetörnék.

A Q-kapcsolású szálas kvantumgenerátorokat például jelölésre vagy félvezető elektronika gyártására használják. Távolságmérőkben is használatosak: a kézi méretű modulok 4 kW teljesítményű, 50 kHz frekvenciájú és 5-15 ns impulzusszélességű, szembiztos szálas lézereket tartalmaznak.

Felületkezelés

Nagy érdeklődés mutatkozik a mikro- és nanomegmunkáláshoz használt kisszálas lézerek iránt. A felületi réteg eltávolításakor, ha az impulzus időtartama rövidebb, mint 35 ps, nincs anyag fröccsenése. Ez megakadályozza a depressziók kialakulását ésegyéb nem kívánt műtermékek. A femtoszekundumos impulzusok nemlineáris hatásokat keltenek, amelyek nem érzékenyek a hullámhosszra, és nem melegítik fel a környező teret, lehetővé téve a működést a környező területek jelentős károsodása vagy gyengítése nélkül. Ezenkívül a lyukak nagy mélység-szélesség arányban vághatók, például gyorsan (ezredmásodperceken belül) kis lyukakat készítve 1 mm-es rozsdamentes acélba 800 fs impulzusokkal 1 MHz-en.

Átlátszó anyagok, például emberi szem felületkezelésére is használható. Az okuláris mikrosebészetben a lebeny levágásához a femtoszekundumos impulzusokat egy nagy rekesznyílású objektív 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 gerjesztési spektroszkópiához lézeres lebontással, időfelbontású fluoreszcencia spektroszkópiával, valamint általános anyagkutatáshoz. Ezenkívül szükség van rájuk a femtoszekundumos frekvencia előállításáhoza metrológiában és az általános kutatásban szükséges fésűk. 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 szálas giroszkópokban) és a spektroszkópia területén.

Mi következik?

A többi K+F-alkalmazással kapcsolatban számos további kutatás folyik. 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 gyorsan 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 a többi lézertípus fejlesztésének forrásává válnak.