Laser gentian Ytterbium: peranti, prinsip operasi, kuasa, pengeluaran, aplikasi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 10:36

Laser gentian adalah padat dan lasak, menghala dengan tepat dan menghilangkan tenaga haba dengan mudah. Ia datang dalam pelbagai bentuk dan, walaupun mempunyai banyak persamaan dengan jenis penjana kuantum optik yang lain, mempunyai kelebihan unik mereka sendiri.

Laser gentian: cara ia berfungsi

Peranti jenis ini ialah variasi sumber sinaran koheren keadaan pepejal piawai dengan medium kerja yang diperbuat daripada gentian dan bukannya rod, plat atau cakera. Cahaya dijana oleh dopan di tengah gentian. Struktur asas boleh terdiri daripada mudah kepada agak kompleks. Reka bentuk laser gentian ytterbium adalah sedemikian rupa sehingga gentian mempunyai nisbah permukaan kepada isipadu yang besar, jadi haba boleh dilesapkan dengan agak mudah.

Laser gentian dipam secara optikal, selalunya oleh penjana kuantum diod, tetapi dalam beberapa kes oleh sumber yang sama. Optik yang digunakan dalam sistem ini biasanya komponen gentian, dengan kebanyakan atau kesemuanya bersambung antara satu sama lain. Dalam beberapa kesoptik volumetrik digunakan, dan kadangkala sistem gentian optik dalaman digabungkan dengan optik volumetrik luaran.

Sumber pengepaman diod boleh menjadi diod, matriks, atau kepelbagaian diod individu, setiap satunya disambungkan kepada penyambung oleh panduan cahaya gentian optik. Gentian doped mempunyai cermin resonator rongga pada setiap hujung - dalam praktiknya, parut Bragg dibuat dalam gentian. Tiada optik pukal di hujungnya, melainkan rasuk keluaran masuk ke sesuatu selain daripada gentian. Panduan cahaya boleh dipintal, supaya jika dikehendaki, rongga laser boleh menjadi beberapa meter panjang.

Struktur teras dwi

Struktur gentian yang digunakan dalam laser gentian adalah penting. Geometri yang paling biasa ialah struktur dwi teras. Teras luar yang tidak didop (kadangkala dipanggil pelapisan dalam) mengumpul cahaya yang dipam dan mengarahkannya ke sepanjang gentian. Pelepasan rangsangan yang dijana dalam gentian melalui teras dalam, yang selalunya mod tunggal. Teras dalam mengandungi dopan ytterbium yang dirangsang oleh pancaran cahaya pam. Terdapat banyak bentuk bukan bulatan bagi teras luar, termasuk heksagon, berbentuk D dan segi empat tepat, yang mengurangkan kemungkinan pancaran cahaya hilang dari teras tengah.

Laser gentian boleh dipam hujung atau sisi. Dalam kes pertama, cahaya dari satu atau lebih sumber memasuki hujung gentian. Dalam pengepaman sisi, cahaya dimasukkan ke dalam pembahagi, yang membekalkannya ke teras luar. iaberbeza daripada laser rod, di mana cahaya masuk berserenjang dengan paksi.

Penyelesaian ini memerlukan banyak pembangunan reka bentuk. Perhatian yang besar diberikan untuk memacu cahaya pam ke dalam teras untuk menghasilkan penyongsangan populasi yang membawa kepada pelepasan yang dirangsang dalam teras dalam. Teras laser boleh mempunyai tahap penguatan yang berbeza bergantung pada doping gentian, dan juga pada panjangnya. Faktor ini diselaraskan oleh jurutera reka bentuk untuk mendapatkan parameter yang diperlukan.

Penghadan kuasa mungkin berlaku, terutamanya apabila beroperasi dalam gentian mod tunggal. Teras sedemikian mempunyai luas keratan rentas yang sangat kecil, dan akibatnya, cahaya dengan keamatan yang sangat tinggi melaluinya. Pada masa yang sama, taburan Brillouin bukan linear menjadi semakin ketara, yang mengehadkan kuasa output kepada beberapa ribu watt. Jika isyarat keluaran cukup tinggi, hujung gentian mungkin rosak.

Ciri-ciri laser gentian

Menggunakan gentian sebagai medium kerja memberikan panjang interaksi yang panjang yang berfungsi dengan baik dengan pengepaman diod. Geometri ini menghasilkan kecekapan penukaran foton yang tinggi serta reka bentuk yang lasak dan padat tanpa optik diskret untuk dilaraskan atau diselaraskan.

Laser gentian, yang perantinya membolehkannya menyesuaikan diri dengan baik, boleh disesuaikan untuk mengimpal kepingan logam tebal dan untuk menghasilkan denyutan femtosaat. Penguat gentian optik menyediakan penguatan laluan tunggal dan digunakan dalam telekomunikasi kerana ia dapat menguatkan banyak panjang gelombang secara serentak. Keuntungan yang sama digunakan dalam penguat kuasa dengan pengayun induk. Dalam sesetengah kes, penguat boleh berfungsi dengan laser CW.

Contoh lain ialah sumber pancaran spontan diperkuat gentian di mana pelepasan rangsangan ditekan. Contoh lain ialah laser gentian Raman dengan amplifikasi serakan gabungan, yang mengubah panjang gelombang dengan ketara. Ia telah menemui aplikasi dalam penyelidikan saintifik, di mana gentian kaca fluorida digunakan untuk penjanaan dan penguatan Raman, bukannya gentian kuarza standard.

Walau bagaimanapun, sebagai peraturan, gentian diperbuat daripada kaca kuarza dengan dopan nadir bumi dalam teras. Bahan tambahan utama ialah ytterbium dan erbium. Ytterbium mempunyai panjang gelombang dari 1030 hingga 1080 nm dan boleh memancar dalam julat yang lebih luas. Penggunaan pengepaman diod 940 nm mengurangkan defisit foton dengan ketara. Ytterbium tidak mempunyai apa-apa kesan pelindapkejutan sendiri yang dimiliki oleh neodymium pada ketumpatan tinggi, jadi neodymium digunakan dalam laser pukal dan ytterbium dalam laser gentian (kedua-duanya memberikan panjang gelombang yang hampir sama).

Erbium memancarkan dalam julat 1530-1620 nm, yang selamat untuk mata. Kekerapan boleh digandakan untuk menjana cahaya pada 780 nm, yang tidak tersedia untuk jenis laser gentian lain. Akhir sekali, ytterbium boleh ditambah kepada erbium dengan cara yang unsur akan menyerapsinaran pam dan memindahkan tenaga ini kepada erbium. Thulium ialah satu lagi dopan inframerah dekat, yang oleh itu merupakan bahan yang selamat untuk mata.

Kecekapan tinggi

Laser gentian ialah sistem kuasi tiga peringkat. Foton pam menggembirakan peralihan dari keadaan dasar ke aras atas. Peralihan laser ialah peralihan dari bahagian bawah aras atas ke salah satu keadaan tanah berpecah. Ini sangat cekap: contohnya, ytterbium dengan foton pam 940 nm mengeluarkan foton dengan panjang gelombang 1030 nm dan kecacatan kuantum (kehilangan tenaga) hanya kira-kira 9%.

Sebaliknya, neodymium yang dipam pada 808nm kehilangan kira-kira 24% tenaganya. Oleh itu, ytterbium sememangnya mempunyai kecekapan yang lebih tinggi, walaupun tidak semuanya boleh dicapai kerana kehilangan beberapa foton. Yb boleh dipam dalam beberapa jalur frekuensi, manakala erbium boleh dipam pada 1480 atau 980 nm. Frekuensi yang lebih tinggi tidak begitu cekap dari segi kecacatan foton, tetapi berguna walaupun dalam kes ini kerana sumber yang lebih baik tersedia pada 980nm.

Secara amnya, kecekapan laser gentian adalah hasil daripada proses dua langkah. Pertama, ini ialah kecekapan diod pam. Sumber semikonduktor sinaran koheren sangat cekap, dengan kecekapan 50% dalam menukar isyarat elektrik kepada isyarat optik. Hasil kajian makmal menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk mencapai nilai 70% atau lebih. Dengan padanan tepat garis sinaran keluaranpenyerapan laser gentian dan kecekapan pam yang tinggi.

Kedua ialah kecekapan penukaran optik-optik. Dengan kecacatan foton yang kecil, tahap pengujaan dan kecekapan pengekstrakan yang tinggi boleh dicapai dengan kecekapan penukaran opto-optik sebanyak 60–70%. Kecekapan yang terhasil adalah dalam julat 25–35%.

Pelbagai konfigurasi

Penjana kuantum gentian optik sinaran berterusan boleh menjadi mod tunggal atau berbilang (untuk mod melintang). Laser mod tunggal menghasilkan pancaran berkualiti tinggi untuk bahan yang beroperasi atau pancaran melalui atmosfera, manakala laser gentian industri berbilang mod boleh menjana kuasa tinggi. Ini digunakan untuk memotong dan mengimpal, dan khususnya untuk rawatan haba di mana kawasan yang luas diterangi.

Laser gentian nadi panjang pada asasnya ialah peranti separa berterusan, biasanya menghasilkan denyutan jenis milisaat. Biasanya, kitaran tugasnya ialah 10%. Ini menghasilkan kuasa puncak yang lebih tinggi daripada dalam mod berterusan (biasanya sepuluh kali lebih banyak) yang digunakan untuk penggerudian nadi, contohnya. Kekerapan boleh mencapai 500 Hz, bergantung pada tempohnya.

Q-switching dalam laser gentian berfungsi dengan cara yang sama seperti dalam laser pukal. Tempoh nadi biasa adalah dalam julat nanosaat hingga mikrosaat. Semakin panjang gentian, semakin lama masa yang diperlukan untuk menukar Q output, menghasilkan nadi yang lebih panjang.

Sifat gentian mengenakan beberapa sekatan pada penukaran Q. Ketidak-linearan laser gentian lebih ketara disebabkan oleh luas keratan rentas teras teras, jadi kuasa puncak mestilah agak terhad. Sama ada suis Q volumetrik boleh digunakan, yang memberikan prestasi yang lebih baik, atau modulator gentian, yang disambungkan ke hujung bahagian aktif.

Denyutan Q-switched boleh dikuatkan dalam gentian atau dalam resonator rongga. Contoh yang terakhir boleh didapati di Kemudahan Simulasi Ujian Nuklear Kebangsaan (NIF, Livermore, CA), di mana laser gentian ytterbium ialah pengayun induk untuk 192 rasuk. Denyutan kecil dalam papak kaca dop besar dikuatkan kepada megajoule.

Dalam laser gentian berkunci, kadar pengulangan bergantung pada panjang bahan perolehan, seperti dalam skema penguncian mod lain, dan tempoh nadi bergantung pada lebar jalur keuntungan. Yang paling pendek adalah dalam julat 50 fs dan yang paling tipikal adalah dalam julat 100 fs.

Terdapat perbezaan penting antara gentian erbium dan ytterbium, akibatnya ia beroperasi dalam mod penyebaran yang berbeza. Gentian berdop erbium memancarkan pada 1550 nm di kawasan penyebaran anomali. Ini membolehkan pengeluaran soliton. Gentian Ytterbium berada dalam kawasan penyebaran positif atau normal; akibatnya, ia menghasilkan denyutan dengan frekuensi modulasi linear yang jelas. Akibatnya, parut Bragg mungkin diperlukan untuk memampatkan panjang nadi.

Terdapat beberapa cara untuk mengubah suai denyutan laser gentian, terutamanya untuk kajian picosaat ultra pantas. Gentian kristal fotonik boleh dibuat dengan teras yang sangat kecil untuk menghasilkan kesan bukan linear yang kuat, seperti penjanaan supercontinuum. Sebaliknya, kristal fotonik juga boleh dibuat dengan teras mod tunggal yang sangat besar untuk mengelakkan kesan bukan linear pada kuasa tinggi.

Gentian kristal fotonik teras besar yang fleksibel direka untuk aplikasi kuasa tinggi. Satu teknik adalah dengan sengaja membengkokkan gentian sedemikian untuk menghapuskan sebarang mod tertib tinggi yang tidak diingini sambil mengekalkan hanya mod melintang asas. Ketidak-linearan mewujudkan harmonik; dengan menolak dan menambah frekuensi, gelombang yang lebih pendek dan lebih panjang boleh dicipta. Kesan bukan linear juga boleh memampatkan denyutan, menghasilkan sikat frekuensi.

Sebagai sumber supercontinuum, denyutan yang sangat pendek menghasilkan spektrum berterusan yang luas menggunakan modulasi fasa kendiri. Sebagai contoh, daripada denyutan awal 6 ps pada 1050 nm yang dihasilkan oleh laser gentian ytterbium, spektrum diperoleh dalam julat dari ultraungu hingga lebih daripada 1600 nm. Satu lagi sumber IR supercontinuum dipam dengan sumber erbium pada 1550 nm.

Kuasa tinggi

Industri kini merupakan pengguna terbesar laser gentian. Kuasa dalam permintaan tinggi sekarang.kira-kira satu kilowatt, digunakan dalam industri automotif. Industri automotif sedang bergerak ke arah kenderaan keluli berkekuatan tinggi untuk memenuhi keperluan ketahanan dan agak ringan untuk penjimatan bahan api yang lebih baik. Amat sukar bagi alatan mesin biasa, contohnya, untuk menebuk lubang pada keluli jenis ini, tetapi sumber sinaran yang koheren memudahkannya.

Memotong logam dengan laser gentian, berbanding dengan jenis penjana kuantum yang lain, mempunyai beberapa kelebihan. Contohnya, panjang gelombang inframerah dekat diserap dengan baik oleh logam. Rasuk boleh dihantar melalui gentian, membolehkan robot mengalihkan fokus dengan mudah semasa memotong dan menggerudi.

Fiber memenuhi keperluan kuasa tertinggi. Senjata Tentera Laut AS yang diuji pada 2014 terdiri daripada laser 6-fiber 5.5-kW digabungkan menjadi satu pancaran dan dipancarkan melalui sistem optik pembentuk. Unit 33 kW digunakan untuk memusnahkan kenderaan udara tanpa pemandu. Walaupun pancaran bukan mod tunggal, sistem ini menarik kerana ia membolehkan anda mencipta laser gentian dengan tangan anda sendiri daripada komponen standard yang sedia ada.

Sumber cahaya koheren mod tunggal kuasa tertinggi daripada IPG Photonics ialah 10 kW. Pengayun induk menghasilkan kilowatt kuasa optik, yang disalurkan ke peringkat penguat yang dipam pada 1018 nm dengan cahaya daripada laser gentian lain. Keseluruhan sistem adalah sebesar dua peti sejuk.

Penggunaan laser gentian juga telah merebak ke pemotongan dan kimpalan berkuasa tinggi. Sebagai contoh, mereka menggantikankimpalan rintangan keluli lembaran, menyelesaikan masalah ubah bentuk bahan. Mengawal kuasa dan parameter lain membolehkan pemotongan lengkung yang sangat tepat, terutamanya sudut.

Laser gentian pelbagai mod yang paling berkuasa - mesin pemotong logam daripada pengeluar yang sama - mencapai 100 kW. Sistem ini berdasarkan gabungan rasuk tidak koheren, jadi ia bukan rasuk berkualiti ultra tinggi. Ketahanan ini menjadikan laser gentian menarik kepada industri.

Penggerudian konkrit

Laser gentian berbilang mod 4KW boleh digunakan untuk pemotongan dan penggerudian konkrit. Mengapa ini diperlukan? Apabila jurutera cuba mencapai rintangan gempa di bangunan sedia ada, seseorang itu perlu berhati-hati dengan konkrit. Jika tetulang keluli dipasang di dalamnya, contohnya, penggerudian tukul konvensional boleh retak dan melemahkan konkrit, tetapi laser gentian memotongnya tanpa menghancurkannya.

Penjana kuantum dengan gentian bertukar-Q digunakan, contohnya, untuk menanda atau dalam pengeluaran elektronik semikonduktor. Ia juga digunakan dalam pencari jarak: modul bersaiz tangan mengandungi laser gentian selamat mata dengan kuasa 4 kW, frekuensi 50 kHz dan lebar nadi 5-15 ns.

Rawatan permukaan

Terdapat banyak minat terhadap laser gentian kecil untuk pemesinan mikro dan nano. Apabila mengeluarkan lapisan permukaan, jika tempoh nadi lebih pendek daripada 35 ps, tiada percikan bahan. Ini menghalang pembentukan kemurungan danartifak lain yang tidak diingini. Denyutan femtosaat menghasilkan kesan bukan linear yang tidak sensitif kepada panjang gelombang dan tidak memanaskan ruang sekeliling, membolehkan operasi tanpa kerosakan atau kelemahan yang ketara pada kawasan sekeliling. Selain itu, lubang boleh dipotong pada nisbah kedalaman-ke-lebar yang tinggi, seperti dengan cepat (dalam milisaat) membuat lubang kecil dalam keluli tahan karat 1mm menggunakan denyutan 800 fs pada 1 MHz.

Boleh juga digunakan untuk rawatan permukaan bahan lutsinar seperti mata manusia. Untuk memotong kepak dalam pembedahan mikro okular, nadi femtosaat difokuskan dengan ketat oleh objektif apertur tinggi pada satu titik di bawah permukaan okular, tanpa menyebabkan sebarang kerosakan pada permukaan, tetapi memusnahkan bahan okular pada kedalaman terkawal. Permukaan licin kornea, yang penting untuk penglihatan, kekal utuh. Kepak, dipisahkan dari bawah, kemudiannya boleh ditarik ke atas untuk pembentukan kanta laser excimer permukaan. Aplikasi perubatan lain termasuk pembedahan penembusan cetek dalam dermatologi, dan penggunaan dalam beberapa jenis tomografi koheren optik.

Laser Femtosaat

Penjana kuantum femtosaat digunakan dalam sains untuk spektroskopi pengujaan dengan pecahan laser, spektroskopi pendarfluor yang diselesaikan masa, serta untuk penyelidikan bahan am. Di samping itu, ia diperlukan untuk penghasilan frekuensi femtosaatsikat diperlukan dalam metrologi dan penyelidikan am. Salah satu aplikasi sebenar dalam jangka pendek ialah jam atom untuk satelit GPS generasi akan datang, yang akan meningkatkan ketepatan kedudukan.

Laser gentian frekuensi tunggal dihasilkan dengan lebar garis spektrum kurang daripada 1 kHz. Ia adalah peranti yang sangat kecil dengan kuasa output antara 10mW hingga 1W. Ia menemui aplikasi dalam bidang komunikasi, metrologi (contohnya, dalam giroskop gentian) dan spektroskopi.

Apa yang seterusnya?

Bagi aplikasi R&D yang lain, banyak lagi yang sedang diterokai. Sebagai contoh, pembangunan ketenteraan yang boleh digunakan untuk kawasan lain, yang terdiri daripada menggabungkan pancaran laser gentian untuk mendapatkan satu pancaran berkualiti tinggi menggunakan gabungan koheren atau spektrum. Akibatnya, lebih banyak kuasa dicapai dalam pancaran mod tunggal.

Pengeluaran laser gentian berkembang pesat, terutamanya untuk keperluan industri automotif. Peranti bukan gentian juga digantikan dengan peranti gentian. Sebagai tambahan kepada peningkatan umum dalam kos dan prestasi, penjana kuantum femtosecond dan sumber supercontinuum menjadi semakin praktikal. Laser gentian menjadi lebih khusus dan menjadi sumber penambahbaikan untuk jenis laser lain.