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láser de fibra de iterbio: el dispositivo, el principio de funcionamiento, potencia, producción, uso

Los láseres de fibra son compacto y duradero, preciso y fácil de dispersión inducida por calor. Vienen en diferentes tipos y que tiene mucho que ver con los láseres de otros tipos tienen sus propias ventajas.

Los láseres de fibra de operación:

Los dispositivos de este tipo son la variación estándar de la fuente de estado sólido de radiación coherente de la fibra, en lugar de fluido de trabajo varilla, una placa o disco. La luz generada por el dopante en la porción central de la fibra. La estructura básica puede variar de simple a bastante complejo. aparato de láser de fibra de iterbio de tal manera que la fibra tiene una gran superficie en relación al volumen, por lo que el calor se puede difundir de forma relativamente fácil.

Los láseres de fibra son bombeados ópticamente, a menudo con la ayuda de láseres de diodo, pero en algunos casos – las mismas fuentes. Optics utilizados en estos sistemas son por lo general representa componentes ópticos, en el que la mayor parte o todos ellos están conectados entre sí. En algunos casos, una óptica a granel, y el sistema de fibra óptica a veces interna se combina con una óptica a granel externos.

Una fuente de bombeo de diodo puede ser una matriz de diodos, o una pluralidad de diodos individuales, cada uno de los cuales está conectado a la guía de ondas de conector de fibra óptica. fibra dopada en cada extremo tiene una cavidad de resonador espejo – en la práctica hacer que la red de Bragg. En los extremos de la óptica a granel tienen, si no sólo el haz de salida entra en algo distinto de la fibra. La guía de luz puede ser torcido de modo que si se desea, la cavidad de láser puede tener una longitud de varios metros.

binuclear

fibras de estructura utilizada en los láseres de fibra, es importante. El más común es la geometría de una estructura de doble núcleo. núcleo externo sin dopar (a veces referido como la íntima) bombeado recoge la luz y la dirige a lo largo de la fibra. radiación estimulada generada en la fibra pasa a través del núcleo interior, que es a menudo un modo único. El núcleo interior contiene un aditivo de iterbio, estimulado por la luz de bombeo. Hay muchas formas de núcleo externo no circular incluyendo – hexagonal, en forma de D y rectangular, reduciendo la probabilidad de fallos del haz de luz en el núcleo central.

El láser de fibra puede tener un fin o el bombeo lado. En la primera luz caso de una o más fuentes entra en el extremo de la fibra. Cuando se suministra la luz de bombeo lado a un divisor que lo introduce en el núcleo externo. Esto difiere de la barra de láser, donde la luz entra en perpendicular al eje.

Para tal decisión requiere una gran cantidad de cambios estructurales. Se presta una atención considerable a resumir la luz de bombeo en el núcleo para producir una inversión de población, dando lugar a la emisión estimulada en el núcleo interno. núcleo de láser puede tener diversos grados de amplificación en la fibra en función del dopaje, así como sobre su longitud. Estos factores se establecen como ingeniero de diseño para los parámetros requeridos.

se puede producir límite de potencia, en particular cuando se opera dentro de una fibra de modo único. un núcleo de este tipo tiene una muy pequeña área de sección transversal, y como resultado pasa la luz a través del mismo de muy alta intensidad. Cuando esto se está convirtiendo dispersión de Brillouin no lineal más pronunciada, lo que limita la potencia de salida de varios miles de vatios. Si la salida es lo suficientemente alta, el extremo de la fibra puede estar dañado.

Especialmente láseres de fibra

El uso de la fibra como fluido de trabajo da una mayor longitud interacción, que funciona bien cuando el bombeo de diodos. Esta geometría resulta en una alta eficiencia de conversión de fotones, así como la construcción fiable y compacta, en la que no hay óptica discretos, que requiere ajuste o alineación.

Un láser de fibra, aparato que le permite adaptarse bien, puede ser adaptado para la soldadura de láminas metálicas gruesas y para producir impulsos de femtosegundos. amplificadores de fibra óptica proporcionan ganancia de un solo paso y se utilizan en las telecomunicaciones, ya que pueden amplificar muchas longitudes de onda al mismo tiempo. La misma ganancia se utiliza en amplificadores de potencia con un oscilador maestro. En algunos casos, el amplificador puede ser operado con un láser de onda continua.

Otro ejemplo es una fuente de emisión espontánea de la fibra de refuerzo, en la que se suprime la emisión estimulada. Otro ejemplo es un láser de fibra Raman combinado con aumento de la dispersión, longitud de onda sustancialmente cizallamiento. Se ha encontrado aplicación en la investigación, donde la combinación de la generación y amplificación usando un vaso de fluoruro en lugar de las fibras de sílice estándar.

Sin embargo, generalmente, las fibras hechas de vidrio de sílice con dopante de tierras raras en el núcleo. Los aditivos básicos son iterbio y el erbio. Iterbio tiene longitudes de onda 1030 a 1080 nm, y puede emitir en un amplio intervalo. El uso de la bomba de diodo de 940 nm reduce significativamente el déficit de fotones. Iterbio tiene ni un auto-temple efectos, que están en neodimio a altas densidades, por lo que el último se utiliza en los láseres a granel y de iterbio – en fibra (ambos proporcionan aproximadamente la misma longitud de onda).

Erbio emite en el rango de 1530 a 1620 nm, un seguro para los ojos. La frecuencia puede ser duplicado para generar luz a 780 nm, que no está disponible para otros tipos de láseres de fibra. Por último, iterbio se puede agregar a erbio manera que el elemento absorbe la radiación de bombeo y transmitir esta energía a erbio. Tulio – otro dopante a la emisión en la región del infrarrojo cercano, que por lo tanto es seguro para las imágenes del ojo.

alta eficiencia

El láser de fibra es un sistema de tres niveles cuasi. los fotones de bombeo excita la transición desde el estado fundamental a la capa superior. transición láser es desde la parte más baja del nivel superior en uno de los estados de división molida. Esto es muy eficaz: por ejemplo, iterbio-940 bomba nm de fotones emite un fotón con longitud de onda de 1030 nm, y el defecto cuántico (pérdida de energía), sólo alrededor del 9%.

En contraste, neodimio, bombeado a 808 nm pierde alrededor del 24% de la energía. Por lo tanto, iterbio inherentemente tiene una alta eficiencia, aunque no todo es alcanzable debido a la pérdida de algunos de los fotones. Yb se puede bombear en un número de bandas de frecuencia, y erbio – longitud de onda de 1480 o 980 nm. La mayor frecuencia no es tan eficaz en términos de fotones de defectos, pero útil, incluso en este caso, debido a 980 nm, las mejores fuentes disponibles.

La eficiencia global de la fibra de láser es el resultado de proceso de dos pasos. En primer lugar, es la eficiencia del diodo bomba. fuentes de semiconductores de radiación coherente son muy eficaces, con una eficiencia del 50% la conversión de una señal eléctrica en una óptica. Los resultados de los estudios de laboratorio sugieren que es posible llegar a un valor del 70% o más. Con salida partido absorción de la radiación láser de fibra línea exacta se logra y una alta eficiencia de bombeo.

En segundo lugar, esta eficiencia de conversión óptica-óptico. Cuando una pequeña fotones de defectos pueden alcanzar un alto grado de excitación y de la eficacia de la extracción de la eficiencia de conversión óptica-óptica del 60-70%. La eficiencia resultante está en el rango de 25-35%.

varias configuraciones

Fibra cuántica generadores de ondas continuas pueden ser (modos transversales) individuales o multimodo. Monomodo producir haz de alta calidad para los materiales, de trabajo o el envío de un haz a través de la atmósfera, y el láser multimodo de fibra industrial puede generar más potencia. Se utiliza para el corte y la soldadura, y, en particular, para el tratamiento de calor, donde se ilumina un área grande.

El láser de fibra larga es sustancialmente aparato cuasi continua generalmente milisegundo tipo de generación de pulsos. Por lo general, es el ciclo de trabajo es del 10%. Esto conduce a una potencia de pico más alta que el modo continuo (típicamente diez veces) que se utiliza, por ejemplo, para una perforación pulsado. La frecuencia puede ser de 500 Hz, dependiendo de la duración.

Q-conmutación en láseres de fibra también actúa como en la masa. Una duración de pulso típico es en el rango de nanosegundos a microsegundos. Cuanto más larga sea la fibra, más tiempo tarda para la conmutación Q de la radiación de salida, resultando en un pulso más largo.

propiedades de la fibra son algunas limitaciones en la modulación Q. La no linealidad de la fibra de láser es más significativa debido a la pequeña área de sección transversal del núcleo, de modo que la potencia de pico debe ser algo limitado. Puede utilizar cualquiera de los interruptores de volumen Q, que proporcionan un mayor rendimiento, o moduladores ópticos, que están conectados a los extremos de la parte activa.

pulsos de conmutación de Q pueden ser amplificados en una fibra o en el resonador de cavidad. Un ejemplo de esto último se puede encontrar en la simulación Complex Nacional de los ensayos nucleares (NIF, Livermore, CA), en el que el láser de fibra es un oscilador maestro para 192 haces. Pequeños pulsos de grandes losas de vidrio dopado amplificadas a megajulios.

En láseres de fibra con frecuencia de repetición de sincronización depende de la longitud de material de refuerzo, como en los otros modos de circuitos de sincronización y duración de los impulsos depende de la capacidad para mejorar el rendimiento. El más corto están en el rango de 50 fs, y lo más típico – en el rango de 100 fs.

Entre iterbio y fibra de erbio, hay una diferencia importante, por lo que operan en diferentes modos de dispersión. fibra dopada con erbio que emiten a 1550 nm en una región de dispersión anómala. Esto permite que los solitones. Itterbievye fibras están en una dispersión positiva o normal; como resultado, generan impulsos con modulación de frecuencia lineal pronunciada. Como resultado de la rejilla de Bragg puede ser necesario para comprimir la longitud del impulso.

Hay varias maneras de modificar los pulsos de láser de fibra, en particular para los estudios de picosegundos ultrarrápidos. fibras de cristal fotónico se pueden fabricar con muy pequeños núcleos para fuertes efectos no lineales, tales como para la generación de supercontinuo. En contraste, los cristales fotónicos pueden también ser fabricados con núcleo monomodo muy grande con el fin de evitar efectos no lineales a altas potencias.

fibra flexible de cristal fotónico con gran núcleo creado para aplicaciones que requieren alta potencia. Uno de los métodos es la flexión deliberada de la fibra para eliminar cualquier modos no deseados de orden superior, mientras que el mantenimiento de un modo transversal fundamental. La no linealidad crea armónicos; y restando la frecuencia de plegado, puede crear unas longitudes de onda más cortas y más largas. efectos no lineales también pueden producir compresión de impulsos, que conduce a los peines de frecuencia apariencia.

La fuente supercontinuo como pulsos muy cortos producen un espectro continuo a través de la modulación de fase. Por ejemplo, a partir de los 6 pulsos iniciales CV a 1050 nm, lo que crea el espectro láser de fibra de iterbio obtenido en el rango de ultravioleta a más de 1600 nm. Otra fuente de la fuente de erbio supercontinuo IR-bombeado a una longitud de onda de 1550 nm.

de alta potencia

La industria es actualmente el mayor consumidor de láseres de fibra. En alta demanda en este momento cuenta con el poder del orden de kilovatios utilizados en la industria del automóvil. La industria del automóvil se está moviendo hacia la producción de automóviles de acero de alta resistencia para cumplir los requisitos de durabilidad y son relativamente fáciles de mayor economía de combustible. máquinas herramientas convencionales es muy difícil, por ejemplo, perforar agujeros en este tipo de acero y las fuentes de radiación coherente que sea fácil.

Corte por láser de fibra de metal, en comparación con otros tipos de generador cuántico tiene una serie de ventajas. Por ejemplo, la banda de onda del infrarrojo cercano bien metales absorbido. Beam puede ser entregado a través de la fibra, lo que permite que el robot para mover fácilmente el foco cuando el corte y la perforación.

Fibra óptica satisface los más altos requisitos de potencia. Armas Marina de los EE.UU., probado en 2014, consiste en un 6-fibra láseres 5,5 kilovatios combinados en un haz y que irradian a través del sistema óptico que forma. 33 unidad kW se utilizó para derrotar a un vehículo aéreo no tripulado. Aunque el haz no es de un solo modo, el sistema es de interés, ya que permite crear un láser de fibra con sus manos fuera de ingredientes estándar, fácilmente disponibles.

Los monomodo poder coherentes fuentes de luz más altas de IPG Fotónica es de 10 kW. El oscilador maestro produce un vatio de potencia óptica, que se suministra al amplificador etapa bombeado a 1018 nm con luz de otros láseres de fibra. Todo el sistema tiene un tamaño de dos refrigeradores.

El uso de láseres de fibra también se extienden a la alta corte de energía y la soldadura. Por ejemplo, reemplazaron soldadura por resistencia la hoja de acero resolver el problema de la deformación del material. Control de potencia y otros parámetros permite curvas de corte muy precisas, especialmente las esquinas.

El más potente láser de fibra multimodo – para el corte de metales del mismo fabricante – hasta 100 kW. El sistema se basa en una combinación de haz incoherente, por lo que no es super haz de alta calidad. Esta resistencia hace que los láseres de fibra atractivas para la industria.

perforación de hormigón

Multimodo de salida del láser de fibra de 4 kW se puede utilizar para el corte y perforación de hormigón. ¿Por qué hacerlo? Cuando los ingenieros están tratando de lograr la resistencia sísmica de los edificios existentes, que tener mucho cuidado con el hormigón. Cuando se instala en ella, tal como acero de refuerzo perforación por percusión convencionales pueden causar defectos y debilitar el hormigón, pero los láseres de fibra cortadas sin aplastarla.

Láseres con una fibra de Q-conmutado utilizado por ejemplo para el etiquetado o en la fabricación de la electrónica de semiconductores. También se utilizan en telémetros: módulos son del tamaño de una mano contiene láseres de fibra ojo-safe cuya salida es 4 kW, la frecuencia de 50 kHz y una duración de pulso de 5-15 ns.

tratamiento de superficies

Hay un gran interés en pequeños láseres de fibra para micro y nanoprocessing. Al retirar la capa superficial, si la duración del impulso es más corto que 35 ps, ningún material de pulverización. Esto evita la formación de hoyuelos y otros artefactos indeseables. Los impulsos en el régimen de femtosegundo producen efectos no lineales que no son sensibles a la longitud de onda y la zona circundante no se calienta, lo que permite trabajar sin daño sustancial o debilitamiento de las áreas circundantes. Además, los agujeros se pueden cortar con una alta profundidad a anchura – por ejemplo, rápidamente (dentro de unos pocos milisegundos) pequeños agujeros de 1 mm usando una de acero inoxidable pulsos 800-FS con una frecuencia de 1 MHz.

También es posible producir materiales transparentes tratadas en la superficie, por ejemplo, el ojo humano. Para cortar un colgajo en la microcirugía del ojo, pulsos de femtosegundos vysokoaperturnym lente firmemente foco en un punto por debajo de la superficie del ojo sin causar ningún daño en la superficie, pero el ojo mediante la destrucción de material sobre una profundidad controlada. La superficie lisa de la córnea, que es esencial para la visión permanece intacta. La aleta se separa de la parte inferior, a continuación, se puede tirar hasta superficie de la lente de formación de láser excimer. Otras aplicaciones médicas incluyen la cirugía de penetración poco profunda en la dermatología, así como el uso de ciertos tipos de tomografía de coherencia óptica.

láseres de femtosegundos

láseres de femtosegundos en la ciencia utilizan para excitar la espectroscopia láser de ruptura, la espectroscopia de fluorescencia con una resolución temporal, y también para la investigación de materiales en general. Además, se necesitan para la producción de peine de frecuencias de femtosegundos requerida en metrología y estudios generales. Una de las aplicaciones reales en el corto plazo serán los relojes atómicos de los satélites GPS de una nueva generación, lo que aumentará la precisión de posicionamiento.

láser de fibra de frecuencia individual se realiza con una anchura de línea espectral de menos de 1 kHz. Este dispositivo impresionante, con una pequeña potencia de salida de radiación de 10 mW a 1 W. Encuentra aplicación en el campo de las comunicaciones, la metrología (por ejemplo, en los giroscopios de fibra) y la espectroscopia.

¿Qué sigue?

En cuanto a otras aplicaciones de investigación, es todavía se estudian muchos de ellos. Por ejemplo, la ingeniería militar, que puede ser aplicado en otras áreas, que consiste en la combinación de un vigas de fibra láser para obtener un haz de alta usando la combinación coherente o espectral. Como resultado, se consigue más potencia en un haz de modo único.

La producción de láseres de fibra está creciendo rápidamente, especialmente para las necesidades de la industria de automoción. Además, no es un reemplazo de dispositivos de fibra no fibrosos. Además de las mejoras generales en coste y rendimiento, no son más prácticos láser de femtosegundos y fuentes supercontinuo. Los láseres de fibra ocupan más nichos y se convierten en una fuente de mejora para otros tipos de láser.