Ytterbium fiberlaser: apparaat, werkingsprincipe, vermogen, productie, toepassing

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Vezellasers zijn compact en robuust, richten nauwkeurig en voeren gemakkelijk thermische energie af. Ze zijn er in verschillende vormen en hebben, hoewel ze veel gemeen hebben met andere soorten optische kwantumgeneratoren, hun eigen unieke voordelen.

Vezellasers: hoe ze werken

Apparaten van dit type zijn een variatie op een standaard solid-state bron van coherente straling met een werkmedium gemaakt van vezels in plaats van een staaf, plaat of schijf. Het licht wordt gegenereerd door een doteringsstof in het midden van de vezel. De basisstructuur kan variëren van eenvoudig tot vrij complex. Het ontwerp van de ytterbium-vezellaser is zodanig dat de vezel een grote oppervlakte-tot-volumeverhouding heeft, zodat warmte relatief gemakkelijk kan worden afgevoerd.

Vezellasers worden optisch gepompt, meestal door diode-kwantumgeneratoren, maar in sommige gevallen door dezelfde bronnen. De optica die in deze systemen wordt gebruikt, zijn typisch glasvezelcomponenten, waarvan de meeste of allemaal met elkaar zijn verbonden. In sommige gevallenvolumetrische optica wordt gebruikt en soms wordt een intern glasvezelsysteem gecombineerd met externe volumetrische optica.

De bron van diodepompen kan een diode, een matrix of meerdere afzonderlijke diodes zijn, die elk zijn verbonden met een connector door een glasvezellichtgeleider. De gedoteerde vezel heeft aan elk uiteinde een holte-resonatorspiegel - in de praktijk worden Bragg-roosters in de vezel gemaakt. Er zijn geen bulkoptieken aan de uiteinden, tenzij de uitgangsbundel in iets anders dan een vezel gaat. De lichtgeleider kan worden gedraaid, zodat de laserholte desgewenst enkele meters lang kan zijn.

Dubbele kernstructuur

De structuur van de vezel die in fiberlasers wordt gebruikt, is belangrijk. De meest voorkomende geometrie is de dual core-structuur. De ongedoteerde buitenkern (ook wel de binnenbekleding genoemd) vangt het gepompte licht op en leidt het langs de vezel. De gestimuleerde emissie die in de vezel wordt gegenereerd, gaat door de binnenkern, die vaak single-mode is. De binnenkern bevat een ytterbium-doteringsstof die wordt gestimuleerd door de lichtstraal van de pomp. Er zijn veel niet-ronde vormen van de buitenste kern, waaronder zeshoekig, D-vormig en rechthoekig, die de kans verkleinen dat de lichtstraal uit de centrale kern ontbreekt.

De fiberlaser kan aan het uiteinde of aan de zijkant worden gepompt. In het eerste geval komt licht van een of meer bronnen het uiteinde van de vezel binnen. Bij zijwaarts pompen wordt licht naar een splitter gevoerd, die het aan de buitenste kern levert. hetverschilt van de staaflaser, waarbij het licht loodrecht op de as binnenkomt.

Deze oplossing vereist veel ontwerpontwikkeling. Er wordt veel aandacht besteed aan het aandrijven van pomplicht in de kern om een populatie-inversie te produceren die leidt tot gestimuleerde emissie in de binnenste kern. De laserkern kan een verschillende mate van versterking hebben, afhankelijk van de dotering van de vezel, evenals van de lengte ervan. Deze factoren worden door de ontwerpingenieur aangepast om de vereiste parameters te verkrijgen.

Er kunnen stroombeperkingen optreden, vooral bij gebruik binnen single-mode glasvezel. Zo'n kern heeft een zeer kleine dwarsdoorsnede en als resultaat gaat er licht met een zeer hoge intensiteit doorheen. Tegelijkertijd wordt niet-lineaire Brillouin-verstrooiing meer en meer merkbaar, waardoor het uitgangsvermogen wordt beperkt tot enkele duizenden watts. Als het uitgangssignaal hoog genoeg is, kan het uiteinde van de vezel beschadigd raken.

Kenmerken van fiberlasers

Het gebruik van vezels als werkmedium geeft een lange interactielengte die goed werkt met diodepompen. Deze geometrie resulteert in een hoge efficiëntie van fotonenconversie en een robuust en compact ontwerp zonder discrete optica om aan te passen of uit te lijnen.

De fiberlaser, waarvan het apparaat hem goed kan aanpassen, kan zowel worden aangepast voor het lassen van dikke metalen platen als voor het produceren van femtosecondepulsen. Glasvezelversterkers bieden single-pass versterking en worden gebruikt in de telecommunicatie omdat ze in staat zijn om veel golflengten tegelijk te versterken. Dezelfde versterking wordt gebruikt in eindversterkers met een master-oscillator. In sommige gevallen kan de versterker werken met een CW-laser.

Een ander voorbeeld zijn met vezels versterkte spontane emissiebronnen waarin gestimuleerde emissie wordt onderdrukt. Een ander voorbeeld is een Raman-vezellaser met gecombineerde verstrooiingsversterking, die de golflengte aanzienlijk verschuift. Het heeft toepassing gevonden in wetenschappelijk onderzoek, waar fluorideglasvezels worden gebruikt voor het genereren en versterken van Raman, in plaats van standaard kwartsvezels.

De vezels zijn echter in de regel gemaakt van kwartsglas met een zeldzame-aarde-doteringsstof in de kern. De belangrijkste additieven zijn ytterbium en erbium. Ytterbium heeft golflengten van 1030 tot 1080 nm en kan over een groter bereik uitstralen. Het gebruik van 940 nm diodepompen vermindert het fotontekort aanzienlijk. Ytterbium heeft geen van de zelfdovende effecten die neodymium heeft bij hoge dichtheden, dus neodymium wordt gebruikt in bulklasers en ytterbium in fiberlasers (ze bieden beide ongeveer dezelfde golflengte).

Erbium zendt uit in het bereik van 1530-1620 nm, wat veilig is voor de ogen. De frequentie kan worden verdubbeld om licht te genereren bij 780 nm, wat niet beschikbaar is voor andere soorten fiberlasers. Tenslotte kan ytterbium zo aan erbium worden toegevoegd dat het element gaat absorberenpompstraling en draagt deze energie over aan erbium. Thulium is een ander nabij-infrarood doteringsmiddel, dat dus een oogveilig materiaal is.

Hoog rendement

De fiberlaser is een quasi-drie-niveau systeem. Het pompfoton prikkelt de overgang van de grondtoestand naar het bovenste niveau. Een laserovergang is een overgang van het laagste deel van het bovenste niveau naar een van de gesplitste grondtoestanden. Dit is zeer efficiënt: ytterbium met een 940 nm pompfoton zendt bijvoorbeeld een foton uit met een golflengte van 1030 nm en een kwantumdefect (energieverlies) van slechts ongeveer 9%.

Neodymium daarentegen, gepompt op 808nm, verliest ongeveer 24% van zijn energie. Ytterbium heeft dus inherent een hogere efficiëntie, hoewel niet alles haalbaar is vanwege het verlies van enkele fotonen. Yb kan in een aantal frequentiebanden worden gepompt, terwijl erbium op 1480 of 980 nm kan worden gepompt. Een hogere frequentie is niet zo efficiënt in termen van fotonendefecten, maar zelfs in dit geval nuttig omdat er betere bronnen beschikbaar zijn op 980nm.

Over het algemeen is de efficiëntie van een fiberlaser het resultaat van een proces in twee stappen. Ten eerste is dit het rendement van de pompdiode. Halfgeleiderbronnen van coherente straling zijn zeer efficiënt, met een efficiëntie van 50% bij het omzetten van een elektrisch signaal in een optisch signaal. De resultaten van laboratoriumonderzoek geven aan dat het mogelijk is om een waarde van 70% of meer te behalen. Met een exacte match van de uitgangsstralingslijnvezellaserabsorptie en hoge pompefficiëntie.

Tweede is de optisch-optische conversie-efficiëntie. Met een klein fotonendefect kan een hoge mate van excitatie- en extractie-efficiëntie worden bereikt met een opto-optische conversie-efficiëntie van 60-70%. Het resulterende rendement ligt in het bereik van 25-35%.

Diverse configuraties

Vezeloptische kwantumgeneratoren van continue straling kunnen single- of multi-mode zijn (voor transversale modi). Single-mode lasers produceren een hoogwaardige straal voor materialen die door de atmosfeer werken of stralen, terwijl multi-mode industriële fiberlasers een hoog vermogen kunnen genereren. Dit wordt gebruikt voor snijden en lassen, en in het bijzonder voor warmtebehandeling waarbij een groot gebied wordt verlicht.

De fiberlaser met lange puls is in wezen een quasi-continu apparaat, dat doorgaans pulsen van het milliseconde-type produceert. Meestal is de inschakelduur 10%. Dit resulteert in een hoger piekvermogen dan in de continue modus (meestal tien keer meer), die bijvoorbeeld wordt gebruikt voor pulsboren. De frequentie kan oplopen tot 500 Hz, afhankelijk van de duur.

Q-switching in fiberlasers werkt op dezelfde manier als in bulklasers. Typische pulsduur ligt in het bereik van nanoseconden tot microseconden. Hoe langer de vezel, hoe langer het duurt om de uitgang te Q-switchen, wat resulteert in een langere puls.

Vezeleigenschappen leggen een aantal beperkingen op aan Q-switching. De niet-lineariteit van een fiberlaser is belangrijker vanwege het kleine dwarsdoorsnede-oppervlak van de kern, dus het piekvermogen moet enigszins beperkt zijn. Ofwel volumetrische Q-schakelaars kunnen worden gebruikt, die betere prestaties leveren, of vezelmodulatoren, die zijn aangesloten op de uiteinden van het actieve deel.

Q-geschakelde pulsen kunnen worden versterkt in de vezel of in een holteresonator. Een voorbeeld van dit laatste is te vinden in de National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), waar een ytterbiumvezellaser de hoofdoscillator is voor 192 bundels. Kleine pulsen in grote gedoteerde glasplaten worden versterkt tot megajoules.

In vergrendelde fiberlasers hangt de herhalingssnelheid af van de lengte van het versterkingsmateriaal, zoals in andere modusvergrendelingsschema's, en de pulsduur hangt af van de versterkingsbandbreedte. De kortste zijn in het 50 fs-bereik en de meest typische zijn in het 100 fs-bereik.

Er is een belangrijk verschil tussen erbium- en ytterbiumvezels, waardoor ze in verschillende dispersiemodi werken. Erbium-gedoteerde vezels emitteren bij 1550 nm in het abnormale dispersiegebied. Dit maakt de productie van solitonen mogelijk. Ytterbiumvezels bevinden zich in het gebied van positieve of normale dispersie; daardoor genereren ze pulsen met een uitgesproken lineaire modulatiefrequentie. Als gevolg hiervan kan een Bragg-rooster nodig zijn om de pulslengte te comprimeren.

Er zijn verschillende manieren om fiberlaserpulsen aan te passen, met name voor ultrasnelle picoseconde-onderzoeken. Fotonische kristalvezels kunnen worden gemaakt met zeer kleine kernen om sterke niet-lineaire effecten te produceren, zoals het genereren van supercontinuüm. Daarentegen kunnen fotonische kristallen ook worden gemaakt met zeer grote single-mode kernen om niet-lineaire effecten bij hoge vermogens te voorkomen.

Flexibele fotonische kristalvezels met grote kern zijn ontworpen voor toepassingen met een hoog vermogen. Eén techniek is om een dergelijke vezel opzettelijk te buigen om ongewenste modi van hogere orde te elimineren, terwijl alleen de fundamentele transversale modus behouden blijft. De niet-lineariteit creëert harmonischen; door frequenties af te trekken en op te tellen, kunnen kortere en langere golven worden gecreëerd. Niet-lineaire effecten kunnen ook pulsen comprimeren, wat resulteert in frequentiekammen.

Als supercontinuümbron produceren zeer korte pulsen een breed continu spectrum met behulp van zelffasemodulatie. Uit de initiële pulsen van 6 ps bij 1050 nm die een ytterbiumvezellaser creëert, wordt bijvoorbeeld een spectrum verkregen in het bereik van ultraviolet tot meer dan 1600 nm. Een andere supercontinuüm IR-bron wordt gepompt met een erbiumbron bij 1550 nm.

Hoog vermogen

De industrie is momenteel de grootste consument van fiberlasers. Er is momenteel veel vraag naar stroom.ongeveer een kilowatt, gebruikt in de auto-industrie. De auto-industrie evolueert naar voertuigen van hoogwaardig staal om aan de duurzaamheidseisen te voldoen en relatief licht te zijn voor een lager brandstofverbruik. Het is bijvoorbeeld erg moeilijk voor gewone gereedschapsmachines om gaten in dit soort staal te maken, maar coherente stralingsbronnen maken het gemakkelijk.

Metalen snijden met een fiberlaser, in vergelijking met andere soorten kwantumgeneratoren, heeft een aantal voordelen. Nabij-infraroodgolflengten worden bijvoorbeeld goed geabsorbeerd door metalen. De straal kan over de vezel worden geleverd, waardoor de robot gemakkelijk de focus kan verplaatsen tijdens het snijden en boren.

Fiber voldoet aan de hoogste stroomvereisten. Een wapen van de Amerikaanse marine dat in 2014 werd getest, bestaat uit 6-vezel 5,5 kW-lasers gecombineerd in één straal en uitgezonden via een vormend optisch systeem. De 33 kW-eenheid werd gebruikt om een onbemand luchtvaartuig te vernietigen. Hoewel de straal niet single-mode is, is het systeem interessant omdat het je in staat stelt om met je eigen handen een fiberlaser te maken van standaard, gemakkelijk verkrijgbare componenten.

De coherente lichtbron met het hoogste vermogen van IPG Photonics is 10 kW. De hoofdoscillator produceert een kilowatt optisch vermogen, dat wordt toegevoerd aan de versterkertrap die bij 1018 nm wordt gepompt met licht van andere fiberlasers. Het hele systeem is zo groot als twee koelkasten.

Het gebruik van fiberlasers heeft zich ook uitgebreid naar snijden en lassen met hoog vermogen. Ze vervingen bijvoorbeeldweerstandslassen van plaatstaal, het oplossen van het probleem van materiaalvervorming. Door het vermogen en andere parameters te regelen, kunnen bochten, met name hoeken, zeer nauwkeurig worden gesneden.

De krachtigste multimode fiberlaser - een metaalsnijmachine van dezelfde fabrikant - bereikt 100 kW. Het systeem is gebaseerd op een combinatie van een onsamenhangende bundel, het is dus geen ultrahoge kwaliteit bundel. Deze duurzaamheid maakt fiberlasers aantrekkelijk voor de industrie.

Betonboren

4KW multi-mode fiberlaser kan worden gebruikt voor het snijden en boren van beton. Waarom is dit nodig? Wanneer ingenieurs aardbevingsbestendigheid proberen te bereiken in bestaande gebouwen, moet men heel voorzichtig zijn met beton. Als er bijvoorbeeld stalen wapening in is geïnstalleerd, kan conventioneel hamerboren het beton barsten en verzwakken, maar fiberlasers snijden het zonder het te verpletteren.

Quantumgeneratoren met Q-switched fiber worden bijvoorbeeld gebruikt voor markering of bij de productie van halfgeleiderelektronica. Ze worden ook gebruikt in afstandsmeters: modules op handformaat bevatten oogveilige fiberlasers met een vermogen van 4 kW, een frequentie van 50 kHz en een pulsbreedte van 5-15 ns.

Oppervlaktebehandeling

Er is veel belangstelling voor kleine vezellasers voor micro- en nanobewerking. Bij het verwijderen van de oppervlaktelaag, als de pulsduur korter is dan 35 ps, is er geen spatten van het materiaal. Dit voorkomt de vorming van depressies enandere ongewenste artefacten. Femtoseconde-pulsen produceren niet-lineaire effecten die niet gevoelig zijn voor golflengten en die de omringende ruimte niet opwarmen, waardoor de werking zonder noemenswaardige schade of verzwakking van de omliggende gebieden mogelijk is. Bovendien kunnen gaten worden gesneden met hoge diepte-breedteverhoudingen, zoals snel (binnen milliseconden) het maken van kleine gaatjes in 1 mm roestvrij staal met 800 fs-pulsen op 1 MHz.

Kan ook worden gebruikt voor oppervlaktebehandeling van transparante materialen zoals menselijke ogen. Om een flap in oculaire microchirurgie te snijden, worden femtoseconde-pulsen strak gefocusseerd door een objectief met hoge opening op een punt onder het oculaire oppervlak, zonder enige schade aan het oppervlak te veroorzaken, maar het oculaire materiaal op een gecontroleerde diepte te vernietigen. Het gladde oppervlak van het hoornvlies, dat essentieel is voor het gezichtsvermogen, blijft intact. De flap, van onderen gescheiden, kan dan omhoog worden getrokken voor de vorming van een oppervlakte-excimeerlaserlens. Andere medische toepassingen zijn onder meer oppervlakkige penetratiechirurgie in de dermatologie en gebruik bij sommige soorten optische coherentietomografie.

Femtoseconde lasers

Femtoseconde kwantumgeneratoren worden in de wetenschap gebruikt voor excitatiespectroscopie met laserafbraak, tijdsopgeloste fluorescentiespectroscopie en voor algemeen materiaalonderzoek. Bovendien zijn ze nodig voor de productie van femtoseconde frequentiekammen die nodig zijn in metrologie en algemeen onderzoek. Een van de echte toepassingen op korte termijn zijn atoomklokken voor GPS-satellieten van de volgende generatie, die de nauwkeurigheid van de positionering zullen verbeteren.

Vezellaser met enkele frequentie wordt geproduceerd met een spectrale lijnbreedte van minder dan 1 kHz. Het is een indrukwekkend klein apparaat met een uitgangsvermogen van 10mW tot 1W. Het vindt toepassing op het gebied van communicatie, metrologie (bijvoorbeeld in fibergyroscopen) en spectroscopie.

Wat nu?

Voor andere O&O-toepassingen worden er nog veel meer onderzocht. Bijvoorbeeld een militaire ontwikkeling die ook op andere gebieden kan worden toegepast, namelijk het combineren van fiberlaserstralen tot één hoogwaardige straal door middel van coherente of spectrale combinatie. Hierdoor wordt er meer vermogen bereikt in de single-mode bundel.

De productie van fiberlasers groeit snel, vooral voor de behoeften van de auto-industrie. Ook apparaten zonder glasvezel worden vervangen door apparaten van glasvezel. Naast algemene verbeteringen in kosten en prestaties, worden femtoseconde kwantumgeneratoren en supercontinuümbronnen steeds praktischer. Fiberlasers worden steeds meer een niche en worden een bron van verbetering voor andere soorten lasers.