لیزر فیبر ایتربیوم: دستگاه، اصل عملیات، قدرت، تولید، کاربرد

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

لیزرهای فیبر فشرده و مستحکم هستند، به دقت نقطه می زنند و انرژی حرارتی را به راحتی از بین می برند. آنها اشکال مختلفی دارند و در عین حال که شباهت زیادی با انواع دیگر ژنراتورهای کوانتومی نوری دارند، مزایای منحصر به فرد خود را دارند.

لیزرهای فیبر: نحوه کار آنها

دستگاه‌هایی از این نوع، تنوعی از یک منبع استاندارد حالت جامد از تابش منسجم با یک محیط کار ساخته شده از فیبر به جای میله، صفحه یا دیسک هستند. نور توسط یک ماده ناخالص در مرکز فیبر تولید می شود. ساختار اصلی می تواند از ساده تا کاملاً پیچیده باشد. طراحی لیزر فیبر ایتربیوم به گونه ای است که فیبر نسبت سطح به حجم زیادی دارد، بنابراین گرما را می توان به راحتی دفع کرد.

لیزرهای فیبر به صورت نوری پمپ می شوند، اغلب توسط ژنراتورهای کوانتومی دیودی، اما در برخی موارد توسط همان منابع. اپتیک های مورد استفاده در این سیستم ها معمولاً اجزای فیبر هستند که اکثر یا همه آنها به یکدیگر متصل هستند. در بعضی موارداپتیک حجمی استفاده می شود و گاهی اوقات یک سیستم فیبر نوری داخلی با اپتیک حجمی خارجی ترکیب می شود.

منبع پمپاژ دیود می تواند یک دیود، یک ماتریس یا تعداد زیادی دیود جداگانه باشد که هر کدام از آنها توسط یک راهنمای نور فیبر نوری به یک رابط متصل می شوند. فیبر دوپ شده دارای یک آینه تشدید کننده حفره در هر انتها است - در عمل، توری های براگ در فیبر ساخته می شوند. هیچ اپتیک حجیمی در انتها وجود ندارد، مگر اینکه پرتو خروجی به چیزی غیر از فیبر برود. راهنمای نور را می توان پیچ خورد، به طوری که در صورت تمایل، حفره لیزر می تواند چندین متر طول داشته باشد.

ساختار دو هسته ای

ساختار فیبر مورد استفاده در لیزرهای فیبر مهم است. رایج ترین هندسه ساختار دو هسته ای است. هسته خارجی روکش نشده (که گاهی به آن روکش داخلی می گویند) نور پمپ شده را جمع آوری کرده و آن را در امتداد فیبر هدایت می کند. انتشار تحریک شده تولید شده در فیبر از هسته داخلی عبور می کند که اغلب تک حالته است. هسته داخلی حاوی یک ماده ناخالص ایتربیوم است که توسط پرتو نور پمپ تحریک می شود. اشکال غیر دایره ای زیادی از هسته خارجی وجود دارد، از جمله شش ضلعی، D شکل، و مستطیلی که احتمال فقدان پرتو نور از هسته مرکزی را کاهش می دهد.

لیزر فیبر را می توان به صورت انتهایی یا جانبی پمپ کرد. در حالت اول نور از یک یا چند منبع وارد انتهای فیبر می شود. در پمپاژ جانبی، نور به یک اسپلیتر وارد می شود که آن را به هسته بیرونی می رساند. آی تیبا لیزر میله ای که در آن نور عمود بر محور وارد می شود متفاوت است.

این راه حل نیاز به توسعه طراحی زیادی دارد. توجه قابل توجهی به هدایت نور پمپ به داخل هسته برای ایجاد وارونگی جمعیتی که منجر به انتشار تحریک شده در هسته داخلی می شود، شده است. هسته لیزر بسته به میزان دوپینگ فیبر و همچنین طول آن می تواند درجه تقویت متفاوتی داشته باشد. این عوامل توسط مهندس طراح برای به دست آوردن پارامترهای مورد نیاز تنظیم می شوند.

محدودیت برق ممکن است رخ دهد، به ویژه هنگامی که در فیبر حالت تک کار می کنید. چنین هسته ای سطح مقطع بسیار کمی دارد و در نتیجه نوری با شدت بسیار بالا از آن عبور می کند. در همان زمان، پراکندگی غیر خطی بریلوین بیشتر و بیشتر قابل توجه می شود، که توان خروجی را به چندین هزار وات محدود می کند. اگر سیگنال خروجی به اندازه کافی بالا باشد، انتهای فیبر ممکن است آسیب ببیند.

ویژگی های لیزرهای فیبر

استفاده از فیبر به عنوان محیط کاری طول برهمکنش طولانی می دهد که با پمپاژ دیود به خوبی کار می کند. این هندسه منجر به راندمان تبدیل فوتون بالا و همچنین طراحی ناهموار و فشرده بدون اپتیک مجزا برای تنظیم یا تراز می شود.

لیزر فیبر، که دستگاه آن به آن اجازه می دهد تا به خوبی تطبیق یابد، می تواند هم برای جوشکاری ورق های ضخیم فلز و هم برای تولید پالس های فمتوثانیه سازگار شود.تقویت کننده های فیبر نوری تقویت تک گذر را ارائه می دهند و در ارتباطات راه دور استفاده می شوند زیرا قادر به تقویت همزمان بسیاری از طول موج ها هستند. بهره مشابه در تقویت کننده های قدرت با نوسانگر اصلی استفاده می شود. در برخی موارد، تقویت کننده می تواند با لیزر CW کار کند.

مثال دیگر منابع انتشار خود به خودی تقویت شده با فیبر است که در آنها انتشار تحریک شده سرکوب می شود. مثال دیگر لیزر فیبر رامان با تقویت پراکندگی ترکیبی است که به طور قابل توجهی طول موج را تغییر می دهد. در تحقیقات علمی کاربرد پیدا کرده است، جایی که الیاف شیشه فلوراید برای تولید و تقویت رامان به جای الیاف استاندارد کوارتز استفاده می شود.

با این حال، به عنوان یک قاعده، الیاف از شیشه کوارتز با یک خاک نادر ناخالص در هسته ساخته شده است. مواد افزودنی اصلی ایتربیوم و اربیوم هستند. ایتربیوم دارای طول موج 1030 تا 1080 نانومتر است و می تواند در محدوده وسیع تری تابش کند. استفاده از پمپاژ دیود 940 نانومتر به طور قابل توجهی کمبود فوتون را کاهش می دهد. ایتربیوم هیچ یک از اثرات خود خاموش کننده ای که نئودیمیم در چگالی بالا دارد را ندارد، بنابراین نئودیمیم در لیزرهای حجیم و ایتربیوم در لیزرهای فیبر استفاده می شود (هر دو تقریباً طول موج یکسانی را ارائه می دهند).

اربیوم در محدوده 1530-1620 نانومتر ساطع می کند که برای چشم بی خطر است. فرکانس را می توان دو برابر کرد تا نور 780 نانومتر تولید شود که برای انواع دیگر لیزرهای فیبر در دسترس نیست. در نهایت می توان ایتربیوم را به گونه ای به اربیوم اضافه کرد که عنصر جذب شودتابش را پمپ کرده و این انرژی را به اربیوم منتقل می کند. تولیوم یکی دیگر از مواد ناخالص نزدیک به مادون قرمز است که ماده ای ایمن برای چشم است.

بازدهی بالا

لیزر فیبر یک سیستم شبه سه سطحی است. فوتون پمپ انتقال از حالت پایه به سطح بالایی را تحریک می کند. انتقال لیزری انتقال از پایین ترین قسمت سطح بالایی به یکی از حالت های پایه تقسیم شده است. این بسیار کارآمد است: برای مثال، ایتربیوم با یک فوتون پمپ 940 نانومتری، فوتونی با طول موج 1030 نانومتر و نقص کوانتومی (اتلاف انرژی) تنها در حدود 9٪ منتشر می‌کند.

در مقابل، نئودیمیم پمپ شده در 808 نانومتر حدود 24 درصد از انرژی خود را از دست می دهد. بنابراین، ایتربیوم ذاتاً بازده بالاتری دارد، اگرچه همه آن به دلیل از دست دادن برخی فوتون ها قابل دستیابی نیست. Yb را می توان در تعدادی از باندهای فرکانسی پمپ کرد، در حالی که اربیوم را می توان در 1480 یا 980 نانومتر پمپ کرد. فرکانس بالاتر از نظر نقص فوتون کارآمد نیست، اما حتی در این مورد مفید است زیرا منابع بهتری در 980 نانومتر در دسترس هستند.

به طور کلی، کارایی لیزر فیبر نتیجه یک فرآیند دو مرحله ای است. اول، این کارایی دیود پمپ است. منابع نیمه هادی تشعشعات منسجم بسیار کارآمد هستند و بازدهی 50 درصدی در تبدیل سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری دارند. نتایج مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که امکان دستیابی به مقدار 70 درصد یا بیشتر وجود دارد. با تطابق دقیق خط تابش خروجیجذب لیزر فیبر و راندمان پمپ بالا.

دومین بازده تبدیل نوری-اپتیکی است. با یک نقص کوچک فوتون، درجه بالایی از تحریک و بازده استخراج را می توان با بازده تبدیل نوری 60-70٪ به دست آورد. راندمان حاصل در محدوده 25-35٪ است.

پیکربندی های مختلف

ژنراتورهای کوانتومی فیبر نوری تابش پیوسته می توانند تک حالته یا چند حالته (برای حالت های عرضی) باشند. لیزرهای تک حالته پرتوی باکیفیت برای موادی که در اتمسفر کار می کنند یا پرتو می شوند تولید می کنند، در حالی که لیزرهای فیبر صنعتی چند حالته می توانند قدرت بالایی تولید کنند. این برای برش و جوشکاری، و به ویژه برای عملیات حرارتی که در آن یک منطقه بزرگ روشن است استفاده می شود.

لیزر فیبر پالس بلند اساساً یک دستگاه شبه پیوسته است که معمولاً پالس های میلی ثانیه ای تولید می کند. به طور معمول، چرخه وظیفه آن 10٪ است. این منجر به پیک توان بالاتری نسبت به حالت پیوسته (معمولاً ده برابر بیشتر) می شود که برای مثال برای حفاری پالس استفاده می شود. فرکانس بسته به مدت زمان می تواند به 500 هرتز برسد.

سوئیچینگ Q در لیزرهای فیبر مانند لیزرهای حجیم عمل می کند. مدت زمان پالس معمولی در محدوده نانوثانیه تا میکروثانیه است. هرچه فیبر طولانی‌تر باشد، سوئیچ Q-خروجی بیشتر طول می‌کشد و در نتیجه پالس طولانی‌تری ایجاد می‌شود.

خواص فیبر محدودیت هایی را برای سوئیچینگ Q اعمال می کند. غیر خطی بودن یک لیزر فیبر به دلیل سطح مقطع کوچک هسته مهمتر است، بنابراین اوج قدرت باید تا حدودی محدود باشد. می توان از سوئیچ های حجمی Q استفاده کرد که عملکرد بهتری ارائه می دهد، یا مدولاتورهای فیبر که به انتهای قسمت فعال متصل می شوند.

پالس های سوئیچ کیورا می توان در فیبر یا در یک تشدید کننده حفره تقویت کرد. نمونه‌ای از دومی را می‌توان در مرکز شبیه‌سازی آزمایش هسته‌ای ملی (NIF، لیورمور، کالیفرنیا) یافت، جایی که یک لیزر فیبر ایتربیوم نوسان‌گر اصلی برای 192 پرتو است. پالس های کوچک در صفحات شیشه ای دوپینگ بزرگ به مگاژول تقویت می شوند.

در لیزرهای فیبر قفل شده، نرخ تکرار به طول ماده بهره بستگی دارد، مانند سایر طرح‌های قفل کردن حالت، و مدت زمان پالس به پهنای باند بهره بستگی دارد. کوتاه ترین ها در محدوده 50 fs و معمولی ترین آنها در محدوده 100 fs هستند.

تفاوت مهمی بین الیاف اربیوم و ایتربیوم وجود دارد که در نتیجه آنها در حالت های پراکندگی مختلف عمل می کنند. الیاف دوپ شده با اربیوم در 1550 نانومتر در ناحیه پراکندگی غیرعادی ساطع می کنند. این امکان تولید سالیتون را فراهم می کند. الیاف ایتربیوم در ناحیه پراکندگی مثبت یا نرمال قرار دارند. در نتیجه، پالس هایی با فرکانس مدولاسیون خطی مشخص تولید می کنند. در نتیجه، ممکن است برای فشرده کردن طول پالس به یک توری براگ نیاز باشد.

راه های مختلفی برای اصلاح پالس های لیزر فیبر، به ویژه برای مطالعات پیکوثانیه ای فوق سریع وجود دارد. الیاف کریستال فوتونیک را می توان با هسته های بسیار کوچک ساخت تا اثرات غیر خطی قوی مانند تولید ابرپیوسته ایجاد کنند. در مقابل، کریستال های فوتونی را می توان با هسته های تک حالته بسیار بزرگ نیز ساخت تا از اثرات غیرخطی در توان های بالا جلوگیری شود.

فیبرهای کریستال فوتونیک هسته بزرگ انعطاف پذیر برای کاربردهای با توان بالا طراحی شده اند. یک تکنیک خم کردن عمدی چنین فیبری برای حذف هر گونه حالت مرتبه بالاتر ناخواسته در حالی که فقط حالت عرضی اساسی را حفظ می کند، است. غیر خطی بودن هارمونیک ایجاد می کند. با تفریق و اضافه کردن فرکانس ها می توان امواج کوتاهتر و بلندتری ایجاد کرد. جلوه‌های غیرخطی همچنین می‌توانند پالس‌ها را فشرده کنند و در نتیجه شانه‌های فرکانس ایجاد شود.

به عنوان یک منبع ابرپیوسته، پالس های بسیار کوتاه با استفاده از مدولاسیون خود فاز، طیف گسترده ای پیوسته تولید می کنند. به عنوان مثال، از پالس های اولیه 6 ps در 1050 نانومتر که لیزر فیبر ایتربیوم ایجاد می کند، طیفی در محدوده از فرابنفش تا بیش از 1600 نانومتر به دست می آید. منبع مادون قرمز ابرپیوسته دیگری با یک منبع اربیوم در 1550 نانومتر پمپ می شود.

قدرت بالا

این صنعت در حال حاضر بزرگترین مصرف کننده لیزرهای فیبر است. برق در حال حاضر تقاضای زیادی دارد.حدود یک کیلووات، که در صنعت خودرو استفاده می شود. صنعت خودرو به سمت وسایل نقلیه فولادی با مقاومت بالا حرکت می کند تا الزامات دوام را برآورده کند و برای مصرف سوخت بهتر، نسبتاً سبک باشد. برای مثال، سوراخ کردن این نوع فولاد برای ماشین ابزارهای معمولی بسیار دشوار است، اما منابع تابش منسجم این کار را آسان می کند.

برش فلزات با لیزر فیبر، در مقایسه با انواع دیگر ژنراتورهای کوانتومی، مزایای زیادی دارد. به عنوان مثال، طول موج های مادون قرمز نزدیک به خوبی توسط فلزات جذب می شوند. پرتو را می توان روی فیبر رساند و به ربات اجازه می دهد به راحتی تمرکز را هنگام برش و سوراخ کردن حرکت دهد.

فیبر بالاترین نیاز انرژی را برآورده می کند. یک سلاح نیروی دریایی ایالات متحده که در سال 2014 آزمایش شد شامل لیزرهای 6 فیبر 5.5 کیلوواتی است که در یک پرتو ترکیب شده و از طریق یک سیستم نوری تشکیل می شود. واحد 33 کیلووات برای انهدام یک هواپیمای بدون سرنشین استفاده شد. اگرچه پرتو تک حالته نیست، اما این سیستم جالب است زیرا به شما امکان می دهد با دستان خود یک لیزر فیبر از اجزای استاندارد و در دسترس ایجاد کنید.

بالاترین قدرت منبع نور منسجم تک حالته از IPG Photonics 10 کیلو وات است. نوسانگر اصلی یک کیلووات توان نوری تولید می کند که با نور لیزرهای فیبر دیگر به مرحله تقویت کننده پمپ شده در 1018 نانومتر تغذیه می شود. کل سیستم به اندازه دو یخچال است.

استفاده از لیزرهای فیبر به برش و جوشکاری با قدرت بالا نیز گسترش یافته است. مثلا تعویض کردندجوشکاری مقاومتی ورق فولادی، حل مشکل تغییر شکل مواد. کنترل قدرت و سایر پارامترها امکان برش بسیار دقیق منحنی ها، به ویژه گوشه ها را فراهم می کند.

قدرتمندترین لیزر فیبر چند حالته - دستگاه برش فلز از همان سازنده - به 100 کیلو وات می رسد. این سیستم بر اساس ترکیبی از یک پرتو نامنسجم است، بنابراین یک پرتو با کیفیت فوق العاده بالا نیست. این دوام لیزرهای فیبر را برای صنعت جذاب می کند.

حفاری بتن

لیزر فیبر چند حالته 4KW می تواند برای برش و حفاری بتن استفاده شود. چرا این مورد نیاز است؟ زمانی که مهندسان در حال تلاش برای دستیابی به مقاومت در برابر زلزله در ساختمان های موجود هستند، باید بسیار مراقب بتن بود. به عنوان مثال، اگر آرماتور فولادی در آن نصب شود، حفاری چکشی معمولی می تواند بتن را ترک کند و ضعیف کند، اما لیزرهای فیبر آن را بدون خرد کردن برش می دهند.

ژنراتورهای کوانتومی با فیبر سوئیچ کیو، به عنوان مثال، برای علامت گذاری یا در تولید الکترونیک نیمه هادی استفاده می شوند. آنها همچنین در مسافت یاب ها استفاده می شوند: ماژول های اندازه دستی حاوی لیزرهای فیبر ایمن با قدرت 4 کیلووات، فرکانس 50 کیلوهرتز و عرض پالس 5-15 ns هستند.

درمان سطح

علاقه زیادی به لیزرهای فیبر کوچک برای ماشینکاری میکرو و نانو وجود دارد. هنگام برداشتن لایه سطحی، اگر مدت زمان پالس کمتر از 35 ثانیه باشد، مواد پاشیده نمی شوند. این امر از ایجاد افسردگی وسایر مصنوعات ناخواسته پالس‌های فمتوثانیه اثرات غیرخطی ایجاد می‌کنند که به طول موج حساس نیستند و فضای اطراف را گرم نمی‌کنند و اجازه می‌دهند بدون آسیب یا ضعیف شدن نواحی اطراف عملیات انجام شود. علاوه بر این، سوراخ‌ها را می‌توان با نسبت عمق به عرض بالا برید، مانند ایجاد سوراخ‌های کوچک در فولاد ضد زنگ 1 میلی‌متری با استفاده از پالس‌های 800 fs در 1 مگاهرتز.

همچنین می تواند برای درمان سطحی مواد شفاف مانند چشم انسان استفاده شود. برای برش فلپ در میکروجراحی چشم، پالس های فمتوثانیه به شدت توسط یک شیئی با دیافراگم بالا در نقطه ای زیر سطح چشم متمرکز می شوند، بدون اینکه آسیبی به سطح چشم وارد شود، اما مواد چشمی را در یک عمق کنترل شده از بین می برند. سطح صاف قرنیه که برای بینایی ضروری است، دست نخورده باقی می ماند. فلپ که از زیر جدا شده است، سپس می تواند برای تشکیل لنز لیزری اگزایمر سطحی به سمت بالا کشیده شود. سایر کاربردهای پزشکی شامل جراحی با نفوذ کم عمق در درماتولوژی و استفاده در برخی از انواع توموگرافی انسجام نوری است.

لیزرهای فمتوثانیه

ژنراتورهای کوانتومی فمتوثانیه در علم برای طیف‌سنجی تحریک با شکست لیزری، طیف‌سنجی فلورسانس با تفکیک زمانی، و همچنین برای تحقیقات عمومی مواد استفاده می‌شوند. علاوه بر این، آنها برای تولید فرکانس فمتوثانیه مورد نیاز هستندشانه های مورد نیاز در مترولوژی و تحقیقات عمومی. یکی از کاربردهای واقعی در کوتاه مدت، ساعت های اتمی برای نسل بعدی ماهواره های GPS خواهد بود که دقت موقعیت یابی را بهبود می بخشد.

لیزر فیبر تک فرکانس با پهنای خط طیفی کمتر از ۱ کیلوهرتز تولید می شود. این دستگاه بسیار کوچک با توان خروجی از 10mW تا 1W است. در زمینه ارتباطات، اندازه‌شناسی (مثلاً در ژیروسکوپ‌های فیبر) و طیف‌سنجی کاربرد پیدا می‌کند.

بعدی چیست؟

درمورد سایر برنامه های R&D، بسیاری دیگر در حال بررسی هستند. به عنوان مثال، یک توسعه نظامی که می تواند در مناطق دیگر اعمال شود، که شامل ترکیب پرتوهای لیزر فیبر برای به دست آوردن یک پرتو با کیفیت بالا با استفاده از ترکیب منسجم یا طیفی است. در نتیجه، قدرت بیشتری در پرتو تک حالته به دست می آید.

تولید لیزرهای فیبر به ویژه برای نیازهای صنعت خودرو به سرعت در حال رشد است. دستگاه های غیر فیبر نیز با دستگاه های فیبر جایگزین می شوند. علاوه بر بهبودهای کلی در هزینه و عملکرد، ژنراتورهای کوانتومی فمتوثانیه و منابع ابرپیوسته به طور فزاینده ای کاربردی می شوند. لیزرهای فیبر در حال تبدیل شدن به یک منبع بهبود برای انواع دیگر لیزرها هستند.