Fiiberoptiline laser lõikamiseks. Suure võimsusega ühemoodilised kiudlaserid. CW Ytterbium laserid

Dioodlasermoodulid DLM-seeria dioodlasermooduleid toodetakse väljundvõimsusega kuni 100 W. Need laserid eristuvad kompaktse disaini, kõrge töökindluse ja kuluefektiivsuse poolest. Need töötavad lainepikkusel umbes 970 nm, nende pistikefektiivsus on 40-45%, need on mõeldud juhtivaks või sundõhujahutuseks ning ei vaja kogu kasutusea jooksul ühtegi elementi välja vahetada. Kiirgus väljastatakse 0,1...0,3 mm läbimõõduga painduva optilise kiu kaudu, mis on kaitstud metallkestaga. Moodulite töö hõlbustamiseks võib nähtamatule töökiirgusele lisada väikese võimsusega kiirgust pilootlaserist punases või rohelises vahemikus.

Lasermooduli juhtahel pakub funktsioone väljundkiirguse sisse/välja lülitamiseks, väljundvõimsuse juhtimiseks, mooduli parameetrite jälgimiseks ja pilootlaseri juhtimiseks. Väljundkiirguse lubatud modulatsioonisagedused on kuni 50 kHz. Moodulid saavad toite madalpinge alalisvoolu allikatest.

Peamised eelised
- Kompaktne disain
- Kiudkiirguse kohaletoimetamine
- Kasutegur kuni 45%
- Juhtivus või õhkjahutus
- Kiirgusmodulatsioon sagedustega kuni 50 kHz
- Kõrge töökindlus ja pikk kasutusiga
- Ei vaja hooldust

Kasutusvaldkonnad
- Jootmine
- Plastide keevitamine
- Kuumtöötlus
- Pinna puhastamine
- Meditsiiniseadmed
- Laserpumpamine
- Teaduslikud uuringud

Valikud
- Roheline/punane pilootlaser

Tüüpiline spetsifikatsioon

Valikud DLM-5 DLM-10 DLM-15 DLM-30 DLM-50 DLM-75 DLM-100
Töörežiim Pidev, moduleeriv kuni 50 kHz
Maksimaalne väljundvõimsus 5 10 15 30 50 75 100
Kiirguse lainepikkus 970
Kiudude omadused
Optiline väljund Paljas otsaga kiud/kaitstud otsapind/optiline pistik Kaitstud serv/optiline pistik
Kiu pikkus, m kuni 20 m
Töörežiimid
Temperatuuritingimused, °C 0…+40
Mõõtmed
Suurus, mm 130 x 230 x 36,5 252 x 220 x 75
Kaal, kg 3 3 3 5 5 7 8

CW Ytterbium laserid

ILM-i seeria ytterbium pidevlaine laserid on mõeldud integreerimiseks lõppkasutaja seadmetesse erinevate rakenduste jaoks ja on mõeldud karmides töötingimustes - kõrge vibratsiooni ja saaste tasemega, õhuniiskusega kuni 90% ja suurte temperatuuride erinevustega. Kompaktsed, hooldusvabad, dioodpumbaga ytterbium fiiberlaserid tekitavad kiirgust spektrivahemikus 1030-1080 nm, mis toimetatakse otse kahjustatud piirkonda kasutades ühemoodilist kiudu kaitsvas metallhülsis. Kliendi soovil saab kiu otsa paigaldada kollimeeriva läätse või optilise konnektori.

Madal energiatarve (kasutegur "pistikupesast" on üle 25-30%), kompaktne disain, reguleeritavate elementide puudumine, õhkjahutus, kõrge töökindlus ja pikk kasutusiga ekstreemsetes töötingimustes annavad ytterbiumkiudlaserite põhilised eelised võrreldes laseritega. muud tüüpi selle spektripiirkonna jaoks. Kiirguse väljundvõimsust saab moduleerida amplituudis kuni 5 kHz sagedusega. ILM-seeria laserid saavad toite 24 V alalisvooluvõrgust.

Peamised eelised
- Väljundvõimsus kuni 120 W
- Tala kvaliteet M2

Valikud
- Lineaarne polarisatsioon
- Kiu pikkus kuni 20 m

Kasutusvaldkonnad
- Jootmine
- Mikrokeevitus
- Kuumtöötlus
- Graveerimine
- Meditsiiniseadmed
- Teaduslikud mõõteriistad

Tüüpiline spetsifikatsioon

Valikud ILM-1 ILM-5 ILM-10 ILM-20 ILM-50 ILM-100
Töörežiim Pidev, moduleeriv kuni 5 kHz
Maksimaalne väljundvõimsus, W 1 5 10 20 50 100
Kiirguse lainepikkus, nm 1030 – 1080 (täpsustada tellimisel)
Polarisatsioon Juhuslik
Tala kvaliteet, M 2 1,05
Töörežiimid
Temperatuuritingimused, °C 0…+40
Energiatarve, W 25 60 90 125 150 240
Kiudude omadused
Optiline väljund Kollimaator
Kiu pikkus, m 2–20 m
Mõõtmed
Suurus, mm 165 x 70 x 230 252 x 75 x 220
Kaal, kg 3 3 5 7 8 8

CW erbiumlaserid

1,5-mikronilise spektrivahemiku jaoks pakub NTO IRE-Polyus laia valikut seadmeid lasertehnoloogia erinevatesse rakendusvaldkondadesse – telekommunikatsioonist meditsiinini. Selle spektrivahemiku võimendid ja laserid kasutavad erbiumiga legeeritud kvartskiude ja pika tööeaga laserpumba dioode.

ELM-seeria erbiumkiudlaserid on ainulaadsed instrumendid, millel on kõik kiudlaserite eelised ja mis töötavad silmale ohutus spektrivahemikus (1530-1620 nm). Tänu oma laiale väljundvõimsuse ulatusele, suurele efektiivsusele, suurele töökindlusele ja laiale valikuvõimalustele on need laserid parim lahendus mitmesuguste materjalide töötlemise, telekommunikatsiooni, meditsiini ja teadusaparatuuriga seotud ülesannete jaoks. Seadmeid juhitakse liidese kaudu, mis võimaldab ELM-i kasutada tehnoloogilise installatsiooni, meditsiini- või teaduskompleksi osana.

Peamised eelised
- Emissiooni lainepikkus 1530–1620 nm
- Kasutegur pistikupesast on üle 10%
- Suurepärane valgusvihu kvaliteet
- Õhk- või vesijahutus

Valikud
- Võimsuse modulatsioon
- Lineaarne polarisatsioon
- Väljundkiu pikkus kuni 20 m

Kasutusvaldkonnad
- Materjali töötlemine
- Telekommunikatsioon
- Meditsiiniseadmed

- Keskkonnaseire
- Teaduslikud mõõteriistad

Tüüpiline spetsifikatsioon

Valikud ELM-5 ELM-10 ELM-20 ELM-30 ELM-50
Töörežiim Pidev
Võimsus, W 5 10 20 30 50
Kiirguse lainepikkus, nm 1550 – 1570
Polarisatsioon Juhuslik
Tala kvaliteet, M 2 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05
Töörežiimid
Temperatuuritingimused, °C 0…+40
Energiatarve, W 50 90 160 240 330
Kiudude omadused
Optiline väljund Kollimaator
Kiu pikkus, m 2
Mõõtmed
Suurus, mm 130 x 230 x 70 252 x 220 x 75
Kaal, kg 5 5 8 8 10

CW tuuliumlaserid

NTO IRE-Polyus lõi tuuliumiga aktiveeritud kiududel põhinevad lasersüsteemid spetsiaalselt selleks, et rahuldada suurenenud vajadust suure võimsusega kompaktsete ühemoodiliste kiirgusallikate järele spektrivahemikus 1800–2100 nm sellistes rakendustes nagu materjalide töötlemine ja meditsiin. . Nendel süsteemidel on traditsiooniliste tahkislaserite ees põhimõttelised eelised, kuna need pakuvad suurt võimsust ja väljundkiirguse kvaliteeti, on kõrge efektiivsusega (rohkem kui 5% "pistikupesast"), on kompaktsed ning ei vaja reguleerimist ega hooldust. Kiirgus edastatakse metallkestaga kaitstud ühemoodilise kiu abil. TLM-seeria lasereid on lihtne integreerida erinevatesse kliendikompleksidesse ja süsteemidesse.

TLM-seeria tooliumkiudlaserid töötavad pidevas režiimis madalaimas põikrežiimis (M2

Peamised eelised
- Üherežiimiline töörežiim (M2

Valikud
- Lineaarne polarisatsioon
- Väljundkiu pikkus kuni 20 m

Kasutusvaldkonnad
- Materjali töötlemine
- Meditsiiniseadmed
- Keskmise infrapuna tahkislaserite ja optiliste parameetriliste ostsillaatorite pumpamine
- Keskkonnaseire
- Teaduslikud mõõteriistad

Tüüpiline spetsifikatsioon

Valikud TLM-5 TLM-10 TLM-30
Töörežiim Pidev
Võimsus, W 5 10 30
Kiirguse lainepikkus, nm 1800-2100
Polarisatsioon Juhuslik
Kiudude omadused
Optiline väljund Kollimaator
Kiu pikkus, m 2 — 20
Töörežiimid
Temperatuuritingimused, °C 0…+40
Energiatarve, W 60 120 350
Mõõtmed
Suurus, mm 130 x 230 x 36,5 215 x 95 x 286
Kaal, kg 5 8 10

Impulss-ütterbiumlaserid

ILI seeria impulsskiudlaserid annavad impulsskiirgust keskmise võimsusega kuni 50 W ja impulsi kestusega 80 kuni 120 ns. Töömodulatsiooni sagedused on vahemikus 20 kHz kuni 100 kHz. Kiirgus väljastatakse kuni 6 meetri pikkuse kiudoptilise kaabli kaudu. Väljundkollimaator on varustatud optilise isolaatoriga, mis pakub kaitset tagasipeegelduse eest. Keskne genereerimisliin jääb vahemikku 1060-1070 nm. ILI seeria laserid on varustatud väikese võimsusega punase pilootlaseriga.

ILI-seeria impulsslasereid iseloomustab madal tarbimine 24 V alalisvooluvõrgust ja neid jahutatakse õhkjahutusega, kasutades sisseehitatud ventilaatoreid.

ILI seeria laserite põhiliseks kasutusvaldkonnaks on lasermärgistamine ja graveerimine. Neid kasutatakse ka täppislõikamiseks, mikrotöötluseks ja laserfreesimiseks.

Peamised eelised:
- Väljundvõimsus kuni 50 W
- Tala kvaliteet M2

Kasutusvaldkonnad:
- Graveerimine
- Märgistus
- Mikrotöötlus
- Täpne lõikamine
- Teaduslikud mõõteriistad

Tüüpiline spetsifikatsioon

Valikud VÕI-0,5-10 VÕI-1-20 VÕI-1-50
Töörežiim Pulss
Impulsi energia, mJ 0,5 1 1
Kiirguse lainepikkus, nm 1062
Polarisatsioon Juhuslik
Keskmine väljundvõimsus, W 10 20 50
Impulsi kestus, ns 90 — 120
Tala kvaliteet, M 2 1,4 1,8 1,8
Töörežiimid
Temperatuuritingimused, °C 0…+40
Energiatarve, W 120 150 240
Kiudude omadused
Optiline väljund Kollimaator sisseehitatud isolaatoriga
Kiu pikkus, m 3
Mõõtmed
Suurus, mm 215 x 95 x 286
Kaal, kg 8 9 12

Neid lasereid saab väga tinglikult eristada eraldi tüübina, kuna need kasutavad aktiivse keskkonna ergastamiseks (pumpamiseks) ligikaudu sama mehhanismi kui gaasi- või tahkislaserid.

Laserdioode kasutatakse ka pumpamiseks. Need allikad töötati välja kiud-telekommunikatsioonisüsteemide jaoks, kus neid kasutatakse signaalivõimenditena. Kujutage ette, et kristall, milles toodetakse kasulikku laserkiirgust, on venitatud üle mitmekümne meetri ja kujutab endast mitme mikronise läbimõõduga kiudude südamikku, mis asub kvartskiu sees. Dioodi kiirgus suunatakse kvartskiudu ja südamiku optiline pumpamine toimub kogu selle pikkuses.

Laserklaasi kasutamine tahkislaserites aktiivse elemendina on tuntud juba pikka aega. Erinevalt kristallidest on laserklaasidel sisemine struktuur korrast ära. Koos klaasimoodustavate komponentidega SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, BeF 2 sisaldavad need Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3, Sb 2 O 3. Aktiivsed lisandid toimivad kõige sagedamini neodüümioonidena Nd 3+; Kasutatakse ka gadoliiniumi Gd 3+, erbium Er 3+, holmium Ho 3+, ütterbium Yb 3+. Neodüümiioonide Nd 3+ kontsentratsioon klaasides ulatub 6% (massi järgi).

Laserklaasid saavutavad aktiivsete osakeste kõrge kontsentratsiooni. Selliste klaaside eeliseks on ka võimalus valmistada suuremõõtmelisi peaaegu igasuguse kujuga ja väga kõrge optilise homogeensusega aktiivelemente. Klaasid saadakse plaatina- või keraamilistes tiiglites. Klaaside lasermaterjalina kasutamise miinusteks on suhteliselt lai laserriba (310 nm) ja madal soojusjuhtivus, mis takistab kiiret soojuse eemaldamist suure võimsusega optilise pumpamise korral.

Kiudlaseritel on väga kõrge (kuni 80%) efektiivsus laserdioodkiirguse muutmisel kasulikuks kiirguseks. Nende töö tagamiseks piisab õhkjahutusest. Need laserallikad on väga paljutõotavad trükitud vormide digitaalse salvestamise süsteemide jaoks.

Joonisel fig. Joonisel 3.22 on kujutatud pooljuhtpumbaga kiudlaseri ja sisse töötamise skeem üldine vaade kogu optilise tee kuni töödeldava materjalini. Selle laseri põhiomadus seisneb selles, et siinne kiirgus genereeritakse õhukeses, vaid 68-mikronilise läbimõõduga kius (südamik; aktiivseks keskkonnaks võib olla näiteks ütterbium), mis paikneb läbimõõduga kvartskiu sees. 400-600 mikronit. Laserpumba dioodide kiirgus juhitakse kvartskiudu ja levib mööda kogu kompleksset komposiitkiudu, mille pikkus on mitukümmend meetrit.

Joonis 3.22 – Optiline süsteem kiudlaseriga:

1 – südamik, ütterbiumiga legeeritud, läbimõõt 6-8 mikronit; 2 – kvartskiud, läbimõõt 400-600 mikronit; 3 – polümeerkest; 4 – välimine kaitsekate; 5 – optilised pumplaserdioodid; 6 – optiline pumpamissüsteem; 7 – kiud (kuni 40 m); 8 – kollimaator; 9 – valgusmodulaator; 10 – teravustamise optiline süsteem

Kiirgus pumpab optiliselt südamikku ja just siin, ütterbiumi aatomitel, toimuvad füüsikalised transformatsioonid, mille tulemuseks on laserkiirguse ilmumine. Kiu otste lähedale tehakse südamikule kaks nn difraktsioonipeeglit südamiku silindrilisele pinnale sälkude komplektina (difraktsioonivõred) - nii tekib fiiberlaserresonaator. Kiudude kogupikkus ja laserdioodide arv valitakse vajaliku võimsuse ja efektiivsuse alusel. Väljundiks on ideaalne ühemoodiline väga ühtlase võimsusjaotusega laserkiir, mis võimaldab fokuseerida kiirgust väikesesse punkti ja saavutada suurema teravussügavuse kui suure võimsusega tahkis-Nd:YAG puhul. laserid.

Samuti väärib märkimist, et mitmed fiiberlaserkiirguse omadused, näiteks kiire polarisatsiooni iseloom, muudavad selle kiirguse juhtimise akusto-optiliste seadmete abil mugavaks ja usaldusväärseks ning võimaldavad rakendada mitmekiirelise kujutise salvestamise skeeme.

Kuna optiline pumpamine toimub kogu kiu pikkuses, ei esine tavalistele tahkislaseritele tüüpilisi efekte, nagu termiline lääts kristallis, kristalli enda defektidest tingitud lainefrondi moonutused, kiire ebastabiilsus aja jooksul, jne, mis on alati takistanud tahkissüsteemide maksimaalsete võimete saavutamist. Kuid kiudlaseri ülesehituse ja tööpõhimõtted tagavad kõrged jõudlusnäitajad ja muudavad need seadmed täiuslikeks valguskiirguse laserkiirguseks muundajateks.

Vaid mõne mikromeetri paksune laseri südamik on valmistatud ütterbiumist ja toimib resonaatorina. Parimat kvaliteeti saab saavutada kiirguse lainepikkusega 1110 nm, samas kui fiiberoptilise kaabli pikkus võib ulatuda 40 m. Kaubanduslikult toodetakse lasereid võimsusega 1 kuni 100 W, efektiivsusega umbes 50%. Kiudoptilised laserid ei vaja üldjuhul erilist jahutust. Kaasaegsete fiiberoptiliste laserite minimaalne täpimõõt on umbes 20 mikronit ja korrigeerimismehhanismide kasutamisega saab seda vähendada 5 mikronini. Fookussügavus on 300 mikronit, mis võimaldab edukalt töötada erineva paksusega plaatmaterjalidega ilma autofookusmehhanismita.

Kiudlaser on täielikult või osaliselt fiiberoptilise teostusega laser, kus võimenduskeskkond ja mõnel juhul ka resonaator on valmistatud valguskiust.


Kiudlaser on täielikult või osaliselt fiiberoptilise teostusega laser, kus optiline kiud A tehakse võimenduskeskkond ja mõnel juhul ka resonaator. Sõltuvalt kiu rakendamise astmest võib laser olla täiskiud (aktiivne meedium ja resonaator) või diskreetkiud (ainult kiudresonaator või muud elemendid).

Kiudlaserid võivad töötada nii pidevlaines kui ka nano- ja femtosekundilistes impulssimpulssides.

Disain laser oleneb nende töö spetsiifikast. Resonaatoriks võib olla Fabry-Perot süsteem või ringresonaator. Enamikus konstruktsioonides kasutatakse aktiivse keskkonnana haruldaste muldmetallide ioonidega legeeritud optilist kiudu - tulium, erbium, neodüüm, ütterbium, praseodüüm. Laser pumbatakse ühe või mitme laserdioodi abil otse fiibersüdamikusse või suure võimsusega süsteemides sisekattesse.

Kiudlasereid kasutatakse laialdaselt tänu laiale parameetrite valikule ja võimalusele kohandada impulssi laias pikkuses, sagedustes ja võimsustes.

Kiudlaserite võimsus on 1 W kuni 30 kW. Optilise kiu pikkus – kuni 20 m.


Kiudlaserite rakendused:

lõikamine metallid ja polümeerid tööstuslik tootmine,

täppis lõikamine,

mikrotöötlus metallid ja polümeerid,

Pinnatöötlus,

jootmine,

kuumtöötlus,

toote märgistus,

telekommunikatsioon (kiudoptilised sideliinid),

elektroonika tootmine,

meditsiiniseadmete tootmine,

teaduslik aparatuur.

Kiudlaserite eelised:

– kiudlaserid on ainulaadne tööriist, mis avab materjalitöötluses uue ajastu,

kaasaskantavus ja võimalus valida kiudlaserite lainepikkust võimaldavad uusi tõhusaid rakendusi, mis pole saadaval muud tüüpi praegu olemasolevate laserite jaoks,

– parem kui muud tüüpi laserid peaaegu kõigi oluliste parameetrite poolest, mis on nende seisukohast olulised tööstuslik kasutamine,

võimalus kohandada impulssi laias pikkuses, sageduses ja võimsuses,

– võimalus seadistada vajaliku sagedusega ja suure tippvõimsusega lühikeste impulsside jada, mis on vajalik näiteks lasergraveerimine,

lai valik parameetreid.

Erinevat tüüpi laserite võrdlus:

Parameeter Nõutav tööstuslikuks kasutamiseks CO 2 YAG-Nd lambipumbaga Dioodpumbaga YAG-Nd Dioodlaserid
Väljundvõimsus, kW 1…30 1…30 1…5 1…4 1…4 1…30
Lainepikkus, µm nii vähem kui võimalik 10,6 1,064 1,064 või 1,03 0,8…0,98 1,07
BPP, mm x mrad < 10 3…6 22 22 > 200 1,3…14
Tõhusus, % > 20 8…10 2…3 4…6 25…30 20…25
Kiudkiirguse edastamise ulatus 10…300 puudub 20…40 20…40 10…50 10..300
Väljundvõimsuse stabiilsus nii kõrgele kui võimalik madal madal madal kõrge väga kõrge
Tagasipeegelduse tundlikkus nii madalale kui võimalik kõrge kõrge kõrge madal madal
Hõivatud pind, ruutmeetrit nii vähem kui võimalik 10…20 11 9 4 0,5
Paigaldusmaksumus, suhtelised ühikud nii vähem kui võimalik 1 1 0,8 0,2 < 0,05
Operatsiooni maksumus, suhteühikud nii vähem kui võimalik 0,5 1 0,6 0,2 0,13
Hoolduskulu, suhteühikud nii vähem kui võimalik 1…1,5 1 4…12 4…10 0,1
Lambi või laserdioodi vahetamise sagedus, tund. nii palju kui võimalik 300…500 2000…5000 2000…5000 > 50 000


2000w cw opto raycus impulssfiiber ytterbium laser 50w 100kw osta tootja
kiud tahkislaserid
metalli lõikamine vineer fantastiline cernark graveerimine režiimid sügav graveerimine kiudlaseriga
ytterbium kiudlaserseade
fiibermasin müüa laserit
tööpõhimõte tootmine Fryazino 1,65 mikronit tehnoloogia ytterbium osta hind ipg hj 1 optika metalli lõikamiseks graveerimine impulss tööpõhimõte masin optilised rakendused võimsus tee ise seadme diagramm lainepikkus keevitamine tootja lõikab lainetena

Nõudluse tegur 902

THOMAS SCHRIEBER, ANDREAS TUNNERMANN ja ANDREAS THOMS

Suure võimsusega kiudlaseritega seotud probleemide tuvastamise ja optilise kiu optimeerimise abil saavutati ühemoodiline võimsus 4,3 kW koos tulevase võimaliku skaleerimise ja uute ülikiirete laserrakendustega.

Kui lasertehnoloogias on üks selge trend, siis on see fiiberlaserite tõus. Kiudlaserid on võtnud turuosa suure võimsusega CO2 laseritelt, aga ka mahulistelt tahkislaseritelt suure võimsusega lõikamisel ja keevitamisel. Suured kiudlaserite tootjad kasutavad nüüd mitmeid uusi rakendusi, et haarata veelgi rohkem turge.

Suure võimsusega laserite hulgas pakuvad üherežiimilised süsteemid funktsioone, mis muudavad need ihaldusväärseks: neil on suurim heledus ja neid saab teravustada kuni mõne mikroni ja suurima intensiivsusega. Neil on ka suurim fookussügavus, mis muudab need kaugtöötluseks kõige sobivamaks.

Neid on aga keeruline valmistada ja ainult turuliider PHG Photonics (Oxford, MA) pakub 10 kW ühemoodilist süsteemi (2009).

Kahjuks puuduvad andmed nende kiirte omaduste kohta, eriti võimalike mitmemoodiliste komponentide kohta, mis võiksid vastata ühemoodilisele kiirele.

Saksamaa teadlaste meeskond demonstreeris kiudlaseri 4,3 kW üherežiimilist võimsust, mille väljundit piiras ainult sisendpumba võimsus.

Rahastab Saksamaa valitsus ja koostöös TRUMPF-iga (Ditzingen, Saksamaa), Active Fiber Systemsiga, Jenoptikuga ja Leibnizi fotoonilise tehnoloogia instituudiga, teadlaste meeskonnaga Friedrich Schilleri ülikoolist ja Fraunhoferi rakendusoptika ja täppistehnika instituudist (kõik Jenas, Saksamaal) analüüsis selliste laserite skaleerimise väljakutseid ja töötas seejärel piirangute ületamiseks välja uued kiud. Meeskond lõpetas edukalt katseseeria, mis näitas ühemoodilise 4,3 kW väljundvõimsust, mille puhul kiudlaseri väljundit piiras ainult sisendpumba võimsus.

Piiramisefektid ühemoodilise kiudlaseriga skaleerimiseks

Millised on sellise ühemoodilise suure võimsusega kiudlaseri väljakutsed? Need võib rühmitada kolme valdkonda: a) täiustatud pumpamine, b) väikese optilise kaoga aktiivkiu arendamine, mis töötab ainult ühes režiimis, ja c) tekkiva kiirguse õige mõõtmine.

Selles artiklis eeldame, et a) on lahendatud suure heledusega laserdioodide ja sobivate lahtisidumise tehnikate abil ning keskendume kahele teisele valdkonnale.

Suure võimsusega ühemoodilise töö jaoks mõeldud aktiivkiudude väljatöötamisel kasutatakse optimeerimiseks kahte üldist parameetrite komplekti: doping ja geomeetria. Kõik parameetrid tuleb määrata minimaalse kadu, üherežiimilise töö ja lõpuks suure võimsuse võimenduse jaoks. Ideaalne kiud võimendi annab suur kiirusüle 90% konversioon, suurepärane kiire kvaliteet ja väljundvõimsus, mida piirab ainult saadaolev pumba võimsus.

Ühemoodilise süsteemi suurendamine suurematele võimsustele võib aga kaasa tuua suurema võimsustiheduse aktiivses tuumas, suurenenud termilise koormuse ja mitmed mittelineaarsed optilised efektid, nagu stimuleeritud Ramani hajumine (SRS) ja stimuleeritud Brillouini hajumine (SBS).

Sõltuvalt aktiivse südamiku suurusest saab ergutada ja võimendada mitut põikrežiimi. Antud tuuma ja kesta vahelise indeksi astme puhul on seda väiksem on selliste režiimide arv, mida väiksem on aktiivse lahtri aktiivne ristlõige. Väiksem läbimõõt tähendab aga ka suuremat võimsustihedust. Mõned nipid, näiteks kiudude painutamine, lisavad kõrgemate režiimide puhul kadusid.

Suurema südamiku läbimõõdu ja soojuskoormuse korral võib aga käituda teisiti. Need režiimid on võimenduse ajal interaktsiooni all – ilma optimaalsete levitingimusteta võib väljundprofiil muutuda ruumiliselt või ajaliselt ebastabiilseks.

Põikrežiimi ebastabiilsused

Ytterbium (Yb) legeeritud kiud on tüüpiline töökeskkond suure võimsusega ühemoodiliste kiudlaserite jaoks. Kuid üle teatud läve näitavad need täiesti uut efekti – nn transversaalrežiimi ebastabiilsust (TMI).

Teatud võimsustasemel ilmuvad ootamatult kõrgemad režiimid või isegi katterežiimid, energia kandub dünaamiliselt nende režiimide vahel üle ja kiire kvaliteet väheneb.

Kiir hakkab väljapääsu juures võnkuma.

Alates TMI avastamisest on seda täheldatud mitmesugustes kiududes, alustades sammuindeksi kiududest kuni fotooniliste kristallkiududeni. Ainult selle läviväärtus sõltub geomeetriast ja dopingust, kuid ligikaudne hinnang näitab, et see mõju ületab 1 kW väljundvõimsust.

Vahepeal leiti, et efekt tuleneb kiu sees olevatest termilistest efektidest, millel on tugev seos fototumenemisefektidega. Veelgi enam, kiudlaserite tundlikkus TMI suhtes näib sõltuvat tuuma koostisest.

Astmeindeksi geomeetria toob kaasa mitmeid optimeerimiseks vajalikke parameetreid. Südamiku läbimõõtu, pumba kesta suurust ja murdumisnäitaja erinevust südamiku ja pumba kesta vahel saab kohandada. See seadistus sõltub lisandi kontsentratsioonist, st Yb ioonide kontsentratsiooni saab kasutada pumba kiirguse neeldumispikkuse reguleerimiseks aktiivses kius. Termoefektide vähendamiseks ja murdumisnäitaja astme kontrollimiseks võib lisada muid lisaaineid.

Kuid on mõned vastupidised nõuded. Mittelineaarsete mõjude vähendamiseks peab kiud olema lühem. Soojuskoormuse vähendamiseks peab aga kiud olema pikem. Foto tumenemine suureneb lisandi kontsentratsiooni ruuduga, seega on paremad ka pikemad kiud, mille doping on väiksem.

Rakendused ülikiires teaduses

Pärast umbes kümme aastat kestnud seisakut suure võimsusega ühemoodiliste kiudlaserite skaleerimisel näib nüüd olevat võimalik välja töötada uue põlvkonna kilovatt-klassi kiudlaserid, millel on suurepärane kiirte kvaliteet.

Näidatud on 4,3 kW väljundvõimsused, mida piirab ainult pumba võimsus.

Peamised piirangud edasisele skaleerimisele on kindlaks tehtud ja nendest piirangutest ülesaamise viisid on kindlaks tehtud.

Tuleb märkida, et see oli kõigi teadaolevate mõjude põhjalik uurimine ja sellele järgnenud parameetrite optimeerimine, mis tõi kaasa edusammud kiudude disainis ja lõpuks uusi rekordeid väljundvõimsuses.

Kiu edasine skaleerimine ja kohandamine muudeks rakendusteks näib olevat teostatav ja seda jätkatakse.

See avab mitmeid huvitavaid väljavaateid.

Ühest küljest on tulemuste ülekandmine tööstustoodetesse projektipartnerite poolt soovitav, kuid nõuab täiendavaid suuri arendustegevust.

Teisest küljest on see tehnoloogia väga oluline muude kiudoptiliste lasersüsteemide, näiteks femtosekundiliste kiudvõimendite skaleerimiseks.

VIITED

  1. F. Beier et al., "Ühemoodiline 4,3 kW väljundvõimsus otse dioodiga pumbatavast Yb-legeeritud fiiberoptiimist", avaldatakse Opt. Ekspress.
  2. T. Eidam et al., Opt. Lett., 35, 94–96 (2010).
  3. M. Müller et al., Opt. Lett., 41, 3439–3442 (2016).

Tõlkinud Sergei Rogalev

Mõiste "kiudlaser" viitab tavaliselt laserile, mille võimendusmeediumiks on optiline kiud, kuigi mõnda pooljuhtvõimendusmeediumi ja kiudresonaatoriga laserit nimetatakse ka kiudlaseriteks. Enamasti on kiudlaserite võimenduskandjaks kiud, mis on legeeritud haruldaste muldmetallide ioonidega, nagu erbium (Er 3+), neodüüm (Nd 3+), ütterbium (Yb 3+), tulium (Tm 3+) või praseodüüm ( Pr 3+). Pumpamiseks kasutatakse ühte või mitut laserdioodi.

Kiudlaseri õõnsus

Kiudlaseri lineaarresonaatori loomiseks on vaja kasutada mingit reflektorit (peegel) või luua ringresonaator (rõngaskiudlaser).

Fiiberlaserliini õõnsused kasutavad erinevat tüüpi peegleid:

· Lihtsate laboratoorsete seadistuste korral saab kiu risti lõhestatud otste külge kinnitada tavapäraseid dielektrilisi peegleid, nagu on näidatud joonisel 1. Selline lähenemine ei ole aga masstootmise puhul kuigi otstarbekas ega ole ka väga usaldusväärne.

· Fresneli peegeldus kiu otsast on sageli piisav kiudlaseri õõnsuse väljundpeeglina kasutamiseks. Joonisel fig. 2 näitab näidet.

· Dielektrilisi katteid on võimalik kanda ka otse kiu otstele, tavaliselt pihustamise teel. Selliseid katteid saab kasutada peegelduseks laias vahemikus.

· Paljud kiudlaserid kasutavad Braggi kiudreste, mis on moodustatud otse legeeritud kiududesse või aktiivkihiga ühendatud legeerimata kiududesse. Joonisel 3 on kujutatud kahe fiiberrestiga hajutatud Bragg reflektor (DBR) laser, kuid on ka DBR lasereid. tagasisidetüheainsa restiga legeeritud kiududes, mille keskel on faasinihe.

· Parimad omadused vastavalt võimsusele, mida saate kasutades kollimaatorit valguse väljastamiseks kiust ja peegeldades seda tagasi dielektrilise peegli abil (joonis 4). Intensiivsus peegli juures väheneb oluliselt suurema valgusvihu pindala tõttu. Väike nihe võib aga põhjustada olulisi peegelduskadusid, polarisatsioonist sõltuvaid kadusid jne.

· Teine võimalus on kasutada fiibersilmuse kujul olevat peeglit (joonis 5), mis põhineb kiududel (nt jaotussuhe 50:50) ja passiivkiu tükil.

Enamikku kiudlasereid pumbatakse ühe või mitme kiudväljunddioodlaseriga (laserdioodi valgus on ühendatud kiududega). Valgust saab pumbata otse kiusüdamikusse või suure võimsusega laserites kiu sisekattesse.