Ytterbium fiber laser: kifaa, kanuni ya uendeshaji, nishati, uzalishaji, programu

2024 Mwandishi: Howard Calhoun | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 10:41

Leza za nyuzinyuzi ni sanjari na ni ngumu, huelea kwa usahihi na huondoa nishati ya joto kwa urahisi. Zinakuja katika aina mbalimbali na, ingawa zinafanana sana na aina nyingine za jenereta za optiki za quantum, zina faida zake za kipekee.

Fiber lasers: jinsi zinavyofanya kazi

Vifaa vya aina hii ni tofauti ya chanzo cha kawaida cha hali dhabiti cha mnururisho shirikishi chenye kiungo cha kufanya kazi kilichoundwa na nyuzi badala ya fimbo, sahani au diski. Nuru hutolewa na dopant katikati ya nyuzi. Muundo wa msingi unaweza kuanzia rahisi hadi ngumu kabisa. Muundo wa leza ya nyuzinyuzi ya ytterbium ni kwamba nyuzinyuzi ina uwiano mkubwa wa uso na ujazo, kwa hivyo joto linaweza kutolewa kwa urahisi.

Lazara za Fiber husukumwa kwa macho, mara nyingi na jenereta za diode quantum, lakini katika baadhi ya matukio na vyanzo sawa. Mipangilio ya macho inayotumiwa katika mifumo hii kwa kawaida ni vijenzi vya nyuzi, na vingi au vyote vimeunganishwa kwa kila kimoja. Katika baadhi ya kesioptics ya volumetric hutumiwa, na wakati mwingine mfumo wa ndani wa nyuzi macho huunganishwa na optics ya nje ya ujazo.

Chanzo cha kusukuma diodi kinaweza kuwa diode, tumbo, au wingi wa diodi mahususi, ambayo kila moja imeunganishwa kwenye kiunganishi kwa mwongozo wa mwanga wa nyuzi macho. Fiber ya doped ina kioo cha resonator ya cavity kila mwisho - kwa mazoezi, gratings ya Bragg hufanywa katika fiber. Hakuna optics nyingi kwenye miisho, isipokuwa boriti ya pato inaingia kwenye kitu kingine isipokuwa nyuzi. Mwongozo wa mwanga unaweza kupindishwa, ili ikihitajika, tundu la leza linaweza kuwa na urefu wa mita kadhaa.

Muundo wa msingi mbili

Muundo wa nyuzinyuzi zinazotumika katika leza za nyuzi ni muhimu. Jiometri ya kawaida ni muundo wa msingi wa mbili. Msingi wa nje ambao haujafunguliwa (wakati mwingine huitwa kitambaa cha ndani) hukusanya mwanga wa pumped na kuiongoza kando ya nyuzi. Utoaji uliochochewa unaozalishwa katika nyuzi hupita kwenye msingi wa ndani, ambao mara nyingi huwa wa hali moja. Msingi wa ndani una dopant ya ytterbium inayochochewa na mwanga wa pampu. Kuna maumbo mengi yasiyo ya mduara ya msingi wa nje, ikiwa ni pamoja na hexagonal, umbo la D na mstatili, ambayo hupunguza uwezekano wa miale ya mwanga kukosa kwenye msingi wa kati.

Lazari ya nyuzi inaweza kusukumwa mwisho- au kwa kusukuma kando. Katika kesi ya kwanza, mwanga kutoka kwa chanzo kimoja au zaidi huingia mwisho wa fiber. Katika kusukuma kando, mwanga hutolewa kwenye mgawanyiko, ambayo hutoa kwa msingi wa nje. nihutofautiana na leza ya vijiti, ambapo mwanga huingia kwa mhimili unaoelekea.

Suluhisho hili linahitaji maendeleo mengi ya muundo. Uangalifu mkubwa hulipwa kwa kuendesha mwanga wa pampu ndani ya msingi ili kuzalisha ubadilishaji wa idadi ya watu unaosababisha utoaji wa hewa chafu kwenye msingi wa ndani. Msingi wa laser unaweza kuwa na kiwango tofauti cha amplification kulingana na doping ya fiber, pamoja na urefu wake. Mambo haya hurekebishwa na mhandisi wa kubuni ili kupata vigezo vinavyohitajika.

Vizuizi vya nguvu vinaweza kutokea, haswa inapofanya kazi ndani ya ufumwele wa modi moja. Msingi kama huo una eneo ndogo sana la sehemu ya msalaba, na kwa sababu hiyo, mwanga wa kiwango cha juu sana hupita ndani yake. Wakati huo huo, utawanyiko wa Brillouin usio na mstari unaonekana zaidi na zaidi, ambayo hupunguza nguvu ya pato kwa wati elfu kadhaa. Ikiwa mawimbi ya kutoa ni ya juu vya kutosha, mwisho wa nyuzi unaweza kuharibika.

Vipengele vya nyuzinyuzi lasers

Kutumia nyuzinyuzi kama kifaa cha kufanya kazi hupeana urefu wa mwingiliano ambao hufanya kazi vizuri na kusukuma diodi. Jiometri hii husababisha ufanisi wa hali ya juu wa ubadilishaji wa fotoni na vile vile muundo mbovu na kongamano usio na optics maalum za kurekebisha au kupanga.

Laza ya nyuzi, ambayo kifaa chake huiruhusu kujirekebisha vizuri, inaweza kubadilishwa kwa ajili ya kulehemu karatasi nene za chuma na kutoa mipigo ya femtosecond. Amplifiers za Fiber-optic hutoa ukuzaji wa pasi moja na hutumiwa katika mawasiliano ya simu kwa sababu zina uwezo wa kukuza urefu wa mawimbi kwa wakati mmoja. Faida sawa hutumiwa katika amplifiers za nguvu na oscillator bwana. Katika baadhi ya matukio, amplifaya inaweza kufanya kazi na leza ya CW.

Mfano mwingine ni vyanzo vya uzalishaji wa hiari vilivyoongezwa nyuzinyuzi ambapo utoaji unaochangamshwa hukandamizwa. Mfano mwingine ni laser ya nyuzi za Raman iliyo na ukuzaji wa kutawanya kwa pamoja, ambayo hubadilisha urefu wa wimbi. Imepata matumizi katika utafiti wa kisayansi, ambapo nyuzinyuzi za glasi za floridi hutumiwa kutengeneza na kukuza Raman, badala ya nyuzi za kawaida za quartz.

Hata hivyo, kama sheria, nyuzi hizo zimetengenezwa kwa glasi ya quartz na sehemu ya msingi ya udongo adimu. Viungio kuu ni ytterbium na erbium. Ytterbium ina urefu wa mawimbi kutoka 1030 hadi 1080 nm na inaweza kung'aa juu ya masafa mapana zaidi. Matumizi ya kusukuma diode 940 nm hupunguza kwa kiasi kikubwa upungufu wa photon. Ytterbium haina athari zozote za kujizima ambazo neodymium inayo katika msongamano mkubwa, kwa hivyo neodymium hutumiwa katika leza nyingi na ytterbium katika leza za nyuzi (zote hutoa takriban urefu sawa wa wimbi).

Erbium hutoa kati ya 1530-1620 nm, ambayo ni salama kwa macho. Mzunguko unaweza kuongezeka mara mbili ili kuzalisha mwanga kwa 780 nm, ambayo haipatikani kwa aina nyingine za lasers za nyuzi. Hatimaye, ytterbium inaweza kuongezwa kwa erbium kwa njia ambayo kipengele kitachukuapampu mionzi na kuhamisha nishati hii kwa erbium. Thulium ni dopant nyingine iliyo karibu na infrared, ambayo kwa hivyo ni nyenzo salama macho.

Ufanisi wa hali ya juu

Lazari ya nyuzi ni mfumo wa ngazi tatu. Photon ya pampu inasisimua mpito kutoka hali ya chini hadi ngazi ya juu. Mpito wa laser ni mpito kutoka sehemu ya chini kabisa ya ngazi ya juu hadi mojawapo ya majimbo ya ardhi iliyogawanyika. Hii ni nzuri sana: kwa mfano, ytterbium yenye fotoni ya pampu ya nm 940 hutoa fotoni yenye urefu wa nm 1030 na kasoro ya quantum (kupoteza nishati) ya takriban 9%.

Kinyume chake, neodymium inayosukumwa kwa 808nm hupoteza takriban 24% ya nishati yake. Kwa hivyo, ytterbium asili ina ufanisi wa juu, ingawa sio yote yanaweza kupatikana kwa sababu ya upotezaji wa baadhi ya fotoni. Yb inaweza kusukuma kwa bendi kadhaa za masafa, wakati erbium inaweza kusukuma kwa 1480 au 980 nm. Marudio ya juu si bora kama hayo katika suala la kasoro ya fotoni, lakini yanafaa hata katika hali hii kwa sababu vyanzo bora zaidi vinapatikana kwa 980nm.

Kwa ujumla, ufanisi wa leza ya nyuzi ni matokeo ya mchakato wa hatua mbili. Kwanza, hii ni ufanisi wa diode ya pampu. Vyanzo vya semiconductor vya mionzi madhubuti ni bora sana, na ufanisi wa 50% katika kubadilisha ishara ya umeme kuwa ya macho. Matokeo ya tafiti za maabara yanaonyesha kuwa inawezekana kufikia thamani ya 70% au zaidi. Kwa mechi halisi ya mstari wa mionzi ya patoufyonzaji wa laser ya nyuzi na ufanisi wa juu wa pampu.

Pili ni ufanisi wa ubadilishaji wa macho-macho. Kwa kasoro ndogo ya picha, kiwango cha juu cha msisimko na ufanisi wa uchimbaji kinaweza kupatikana kwa ufanisi wa uongofu wa opto-optical wa 60-70%. Ufanisi unaotokana ni kati ya 25–35%.

Mipangilio mbalimbali

Jenereta za quantum za Fiber-optic za mnururisho unaoendelea zinaweza kuwa za aina moja au nyingi (kwa modi zipizo). Leza za hali moja hutoa boriti ya ubora wa juu kwa nyenzo zinazofanya kazi au kuangazia angahewa, huku leza za nyuzi za viwandani za hali nyingi zinaweza kutoa nguvu ya juu. Hii hutumika kwa kukata na kulehemu, na hasa kwa matibabu ya joto ambapo eneo kubwa limeangaziwa.

Leza ya nyuzinyuzi ya muda mrefu ni kifaa kisichoendelea, kwa kawaida huzalisha mipigo ya aina ya millisecond. Kwa kawaida, mzunguko wa wajibu wake ni 10%. Hii husababisha nguvu ya juu zaidi ya kilele kuliko katika hali ya kuendelea (kawaida mara kumi zaidi) ambayo hutumiwa kwa kuchimba mapigo ya moyo, kwa mfano. Masafa yanaweza kufikia Hz 500, kulingana na muda.

Kubadilisha Q-katika leza za nyuzi hufanya kazi sawa na katika leza nyingi. Muda wa mapigo ya kawaida ni kati ya nanosekunde hadi sekunde ndogo. Kadiri nyuzinyuzi zinavyochukua muda mrefu, ndivyo inavyochukua muda mrefu kubadilisha Q-kubadilisha pato, na kusababisha mpigo mrefu zaidi.

Sifa za Fiber huweka vizuizi fulani kwenye ubadilishaji wa Q. Ukosefu wa mstari wa laser ya nyuzi ni muhimu zaidi kwa sababu ya sehemu ndogo ya sehemu ya msingi, kwa hivyo nguvu ya kilele lazima iwe na kikomo. Swichi za sauti za Q zinaweza kutumika, ambazo hutoa utendaji bora, au vidhibiti nyuzi, ambavyo vimeunganishwa kwenye ncha za sehemu inayotumika.

Mapigo yanayowashwa na Q yanaweza kuimarishwa katika nyuzinyuzi au katika resonator ya mashimo. Mfano wa hizi za mwisho unaweza kupatikana katika Kituo cha Kitaifa cha Kuiga Jaribio la Nyuklia (NIF, Livermore, CA), ambapo leza ya nyuzinyuzi ya ytterbium ndiyo kidhibiti kikuu cha mihimili 192. Mipigo midogo katika slaba kubwa za glasi iliyotiwa dope hukuzwa hadi kufikia megajoule.

Katika leza za nyuzi zilizofungwa, kasi ya kurudia inategemea urefu wa nyenzo ya faida, kama ilivyo kwa mifumo mingine ya kufunga, na muda wa mapigo hutegemea kipimo data cha ongezeko. Fupi zaidi ziko katika safu ya fs 50 na zinazojulikana zaidi ziko katika safu ya fs 100.

Kuna tofauti muhimu kati ya nyuzi za erbium na ytterbium, kutokana na hizo kwamba hufanya kazi kwa njia tofauti za utawanyiko. Nyuzi zenye dope za Erbium hutoa nm 1550 katika eneo lisilo la kawaida la utawanyiko. Hii inaruhusu uzalishaji wa solitons. Nyuzi za Ytterbium ziko katika eneo la utawanyiko mzuri au wa kawaida; kama matokeo, hutoa mapigo na masafa ya urekebishaji ya mstari. Kwa hivyo, Bragg grating inaweza kuhitajika ili kubana urefu wa mpigo.

Kuna njia kadhaa za kurekebisha mipigo ya leza ya nyuzinyuzi, haswa kwa tafiti za haraka sana za picosecond. Nyuzi za fuwele za picha zinaweza kutengenezwa kwa core ndogo sana ili kutoa athari kali zisizo za mstari, kama vile kizazi cha juu zaidi. Kinyume chake, fuwele za picha pia zinaweza kutengenezwa kwa core kubwa za modi moja ili kuepuka athari zisizo za mstari kwa nguvu za juu.

Nyumba za fuwele kubwa zinazonyumbulika za msingi zimeundwa kwa matumizi ya nishati ya juu. Mbinu moja ni kukunja nyuzi kama hiyo kimakusudi ili kuondoa hali zozote zisizohitajika za mpangilio wa juu huku ukibakiza tu hali ya msingi ya mpito. Ukosefu wa mstari huunda maelewano; kwa kupunguza na kuongeza masafa, mawimbi mafupi na marefu yanaweza kuundwa. Athari zisizo za mstari pia zinaweza kubana mipigo, hivyo kusababisha masega ya mara kwa mara.

Kama chanzo cha mwendelezo mwingi, mipigo mifupi sana hutoa wigo mpana unaoendelea kwa kutumia urekebishaji wa hatua-binafsi. Kwa mfano, kutoka kwa mipigo ya awali ya 6 ps kwa 1050 nm ambayo laser ya nyuzi za ytterbium huunda, wigo hupatikana katika safu kutoka kwa ultraviolet hadi zaidi ya 1600 nm. Chanzo kingine cha supercontinuum IR kinasukumwa na chanzo cha erbium cha nm 1550.

Nguvu ya juu

Sekta hii kwa sasa ndiyo watumiaji wengi zaidi wa leza za nyuzi. Nguvu zinahitajika sana hivi sasa.kuhusu kilowati, inayotumika katika sekta ya magari. Sekta ya magari inaelekea kwenye magari ya chuma yenye nguvu ya juu ili kukidhi mahitaji ya uimara na kuwa mepesi kiasi kwa uchumi bora wa mafuta. Ni vigumu sana kwa zana za mashine za kawaida, kwa mfano, kutoboa mashimo katika aina hii ya chuma, lakini vyanzo thabiti vya mionzi hurahisisha.

Kukata metali kwa kutumia leza ya nyuzinyuzi, ikilinganishwa na aina nyinginezo za jenereta za quantum, kuna faida kadhaa. Kwa mfano, karibu urefu wa mawimbi ya infrared huingizwa vizuri na metali. Boriti inaweza kutolewa juu ya nyuzinyuzi, hivyo kuruhusu roboti kusogeza umakini kwa urahisi wakati wa kukata na kuchimba visima.

Fiber inakidhi mahitaji ya juu zaidi ya nishati. Silaha ya Jeshi la Wanamaji la Marekani iliyojaribiwa mwaka wa 2014 ina leza 6-fiber 5.5-kW zilizounganishwa kuwa boriti moja na kutoa moshi kupitia mfumo wa uundaji wa macho. Kitengo cha kW 33 kilitumika kuharibu gari la anga lisilo na rubani. Ingawa boriti si ya hali moja, mfumo huu unavutia kwa sababu hukuruhusu kuunda leza ya nyuzi kwa mikono yako mwenyewe kutoka kwa vijenzi vya kawaida vinavyopatikana kwa urahisi.

Chanzo cha taa cha juu zaidi chenye nguvu cha hali moja kutoka kwa IPG Photonics ni 10 kW. Oscillator mkuu hutoa kilowati ya nguvu ya macho, ambayo huingizwa kwenye hatua ya amplifier iliyopigwa kwa 1018 nm na mwanga kutoka kwa lasers nyingine za nyuzi. Mfumo mzima ni saizi ya friji mbili.

Matumizi ya leza za nyuzi pia yameenea hadi kwenye ukataji wa nishati ya juu na uchomeleaji. Kwa mfano, walibadilishaupinzani kulehemu ya karatasi ya chuma, kutatua tatizo la deformation nyenzo. Kudhibiti nishati na vigezo vingine huruhusu kukata kwa usahihi zaidi mikunjo, hasa pembe.

Laser yenye nguvu zaidi ya hali nyingi - mashine ya kukata chuma kutoka kwa mtengenezaji sawa - hufikia kW 100. Mfumo huo unategemea mchanganyiko wa boriti isiyounganishwa, kwa hiyo sio boriti ya ubora wa juu. Uimara huu hufanya leza za nyuzi kuvutia viwandani.

Uchimbaji zege

4KW leza ya nyuzi za hali nyingi inaweza kutumika kukata na kuchimba visima zege. Kwa nini hii inahitajika? Wakati wahandisi wanajaribu kufikia upinzani wa tetemeko la ardhi katika majengo yaliyopo, mtu anapaswa kuwa makini sana na saruji. Ikiwa uimarishaji wa chuma umewekwa ndani yake, kwa mfano, kuchimba nyundo kwa kawaida kunaweza kupasuka na kudhoofisha saruji, lakini lasers za nyuzi huikata bila kuivunja.

Jenereta za quantum zenye nyuzinyuzi zinazobadilishwa na Q hutumiwa, kwa mfano, kuweka alama au kutengeneza vifaa vya kielektroniki vya semiconductor. Pia hutumika katika vitafuta mbalimbali: moduli za ukubwa wa mkono zina leza za nyuzi zisizo salama kwa macho zenye nguvu ya kW 4, mzunguko wa kHz 50 na upana wa mpigo wa ns 5-15.

Matibabu ya uso

Kuna mambo mengi yanayovutia katika lasers ndogo za nyuzi kwa ajili ya micro- na nanomachining. Wakati wa kuondoa safu ya uso, ikiwa muda wa pigo ni mfupi kuliko 35 ps, hakuna kunyunyiza kwa nyenzo. Hii inazuia malezi ya depressions namabaki mengine yasiyotakikana. Mapigo ya Femtosecond hutoa athari zisizo za mstari ambazo hazijali urefu wa wimbi na hazipashi joto nafasi inayozunguka, kuruhusu operesheni bila uharibifu mkubwa au kudhoofisha kwa maeneo ya karibu. Kwa kuongeza, mashimo yanaweza kukatwa kwa uwiano wa juu wa kina hadi upana, kama vile haraka (ndani ya milisekunde) kutengeneza mashimo madogo katika chuma cha pua cha mm 1 kwa kutumia mipigo ya 800 fs kwa MHz 1.

Pia inaweza kutumika kwa matibabu ya uso ya nyenzo zenye uwazi kama vile macho ya binadamu. Ili kukata flap katika upasuaji wa microsurgery ya ocular, mapigo ya femtosecond yanazingatia sana lengo la juu la kufungua kwenye hatua ya chini ya uso wa macho, bila kusababisha uharibifu wowote kwenye uso, lakini kuharibu nyenzo za ocular kwa kina kilichodhibitiwa. Uso laini wa cornea, ambayo ni muhimu kwa maono, inabakia. Flap, iliyotenganishwa kutoka chini, inaweza kisha kuvutwa juu kwa ajili ya kuunda lenzi ya lenzi ya uso. Maombi mengine ya matibabu ni pamoja na upasuaji wa kupenya kwa kina katika ngozi, na matumizi katika baadhi ya aina za tomografia ya upatanishi wa macho.

Laser za Femtosecond

Jenereta za quantum za Femtosecond hutumika katika sayansi kwa maonesho ya kusisimua yenye mgawanyiko wa leza, taswira ya fluorescence iliyosuluhishwa kwa wakati, pamoja na utafiti wa nyenzo za jumla. Kwa kuongeza, zinahitajika kwa ajili ya uzalishaji wa mzunguko wa femtosecondmasega yanayohitajika katika metrology na utafiti wa jumla. Mojawapo ya programu halisi katika muda mfupi itakuwa saa za atomiki kwa satelaiti za GPS za kizazi kijacho, ambayo itaboresha usahihi wa uwekaji nafasi.

Leza ya nyuzi za masafa moja inazalishwa kwa upana wa mstari wa spectral chini ya kHz 1. Ni kifaa kidogo cha kuvutia chenye nguvu ya kutoa kuanzia 10mW hadi 1W. Hupata matumizi katika nyanja ya mawasiliano, metrology (kwa mfano, katika gyroscopes ya nyuzi) na spectroscopy.

Nini kinafuata?

Kuhusu programu zingine za R&D, nyingi zaidi zinachunguzwa. Kwa mfano, maendeleo ya kijeshi ambayo yanaweza kutumika kwa maeneo mengine, ambayo yanajumuisha kuchanganya mihimili ya laser ya nyuzi ili kupata boriti moja ya ubora wa juu kwa kutumia mchanganyiko thabiti au wa spectral. Kwa hivyo, nguvu zaidi hupatikana katika boriti ya hali moja.

Uzalishaji wa leza za nyuzinyuzi unakua kwa kasi, hasa kwa mahitaji ya tasnia ya magari. Vifaa visivyo na nyuzi pia vinabadilishwa na vya nyuzi. Mbali na maboresho ya jumla katika gharama na utendakazi, jenereta za quantum za femtosecond na vyanzo vya supercontinuum vinazidi kutumika. Leza za nyuzi zinazidi kuwa za kuvutia zaidi na zinakuwa chanzo cha uboreshaji wa aina nyingine za leza.