laser à fibre ytterbium: le dispositif, le principe de fonctionnement, la puissance, la production, l'utilisation

Les lasers à fibre sont compacts et durables, précis et facile à la chaleur de dispersion induite. Ils viennent dans différents types et avoir beaucoup à faire avec des lasers d'autres types ont leurs propres avantages uniques.

Les lasers à fibre: fonctionnement

Des dispositifs de ce type sont l'écart type de la source à l'état solide de rayonnement cohérent à partir de la fibre, à la place du fluide de travail de tige, une plaque ou un disque. La lumière générée par le dopant dans la partie centrale de la fibre. La structure de base peut varier du simple au très complexe. Appareil laser à fibre d'ytterbium de telle sorte que la fibre dispose d'une grande surface au rapport de volume, de sorte que la chaleur peut être diffusé relativement facilement.

Les lasers à fibre sont pompés optiquement, souvent avec l'aide de lasers à diode, mais dans certains cas – les mêmes sources. Optique utilisées dans ces systèmes sont généralement des composants optiques représente, dans lequel la plupart ou la totalité d'entre eux sont reliés les uns aux autres. Dans certains cas, une optique en vrac, et parfois système de fibre optique interne est combinée avec une optique en vrac externe.

Une source de pompage à diode peut être un réseau de diodes, ou une pluralité de diodes individuelles, dont chacune est reliée au guide d'ondes à fibre optique du connecteur. fibre dopée à chaque extrémité comporte un résonateur à cavité de miroir – dans la pratique, rendent le réseau de Bragg de fibre. Aux extrémités de l'optique en vrac ont, non seulement, si le faisceau de sortie entre autre chose que de la fibre. Le guide de lumière peut être tordu de telle sorte que si on le souhaite la cavité laser peut avoir une longueur de plusieurs mètres.

binucléaire

des fibres de structure utilisés dans les lasers à fibres, est importante. La plus courante est la géométrie d'une structure à double noyau. Non dopée noyau externe (parfois dénommé intima) pompé recueille la lumière et la dirige le long de la fibre. rayonnement stimulée générée dans la fibre passe à travers le noyau interne, ce qui est souvent un seul mode. Le noyau interne contient un additif ytterbium, stimulé par la lumière de pompage. Il existe de nombreuses formes de noyau externe non circulaire, notamment – hexagonal, en forme de D et rectangulaire, ce qui réduit la probabilité de manque le faisceau lumineux dans le noyau central.

Le laser à fibre peut avoir une extrémité ou pompage latéral. Dans le premier cas, la lumière provenant d'une ou plusieurs sources pénètre dans l'extrémité de la fibre. Lorsque la lumière de pompage secondaire est fourni à un séparateur où elle alimente le noyau externe. Cela diffère de la tige de laser, où la lumière pénètre perpendiculairement à l'axe.

Pour une telle décision nécessite beaucoup d'évolutions structurelles. Une attention particulière est portée à la synthèse de la lumière de pompage dans le noyau pour produire une inversion de population, ce qui conduit à une émission stimulée dans le noyau interne. noyau de laser peut avoir des degrés d'amplification dans la fibre en fonction du dopage, ainsi que sur sa longueur. Ces facteurs sont définis comme ingénieur de conception pour les paramètres requis.

La limite de puissance peut se produire, en particulier lors de l'utilisation dans une fibre monomode. Un tel noyau a une surface de section transversale très petite, et par conséquent laisse passer la lumière à travers de très haute intensité. Lorsque cela devient de plus la diffusion Brillouin prononcée non linéaire, ce qui limite la puissance de sortie de plusieurs milliers de watts. Si la sortie est suffisamment élevée, l'extrémité de la fibre peut être endommagée.

En particulier des lasers à fibres

L'utilisation de la fibre comme fluide de travail donne une plus grande longueur d'interaction qui fonctionne bien lorsque le pompage de diodes. Il résulte de la géométrie en un haut rendement de conversion de photons, ainsi que la construction fiable et compact, dans lequel aucune optique discrètes, ce qui nécessite l'ajustement ou l'alignement.

Un laser à fibre, lequel dispositif permet d'adapter ainsi, peut être adapté pour le soudage de tôles d'épaisseur et à produire des impulsions femtosecondes. amplificateurs à fibre optique fournissent un gain de passage unique et sont utilisés dans les télécommunications, car ils peuvent amplifier plusieurs longueurs d'onde simultanément. Le même gain est utilisé dans les amplificateurs de puissance avec un oscillateur maître. Dans certains cas, l'amplificateur peut être utilisé avec un laser à onde continue.

Un autre exemple est une source d'émission spontanée provenant de la fibre de renforcement, dans lequel l'émission stimulée est supprimée. Un autre exemple est un laser à fibre Raman combinée avec une dispersion accrue, la longueur d'onde sensiblement cisaillement. On a trouvé une application dans la recherche, où la combinaison de la génération et l'amplification en utilisant un verre de fluorure plutôt que des fibres de silice standard.

Cependant, en général, des fibres en verre de silice avec un dopant de terre rare dans le noyau. Les additifs de base sont ytterbium et l'erbium. Ytterbium a des longueurs d'onde 1030-1080 nm, et peut émettre sur une large plage. L'utilisation de la pompe à diode 940 nm réduit de manière significative le déficit de photons. Ytterbium n'a ni effets d'auto-extinction, qui sont au néodyme à haute densité, de sorte que celui-ci est utilisé dans les lasers en vrac et ytterbium – en fibres (ils fournissent tous les deux de la même longueur d'onde).

Erbium émet dans la gamme 1530-1620 nm, un coffre-fort pour les yeux. La fréquence peut être doublée pour générer une lumière à 780 nm, qui ne sont pas disponibles pour d'autres types de lasers à fibres. Enfin, l'ytterbium peut être ajouté à l'erbium pour que l'élément absorbe le rayonnement de la pompe et de transmettre cette énergie à l'erbium. Thulium – un autre dopant à l'émission dans la région proche infrarouge, qui est donc sans danger pour les images de l'oeil.

haut rendement

Le laser à fibre est un système de niveau quasi-trois. les photons de pompage excite la transition de l'état fondamental à la couche supérieure. transition laser est de la partie la plus basse de l'étage supérieur à l'un des états fendus masse. Cela est très efficace: par exemple, la pompe ytterbium-940 nm photon émet un photon avec une longueur d'onde de 1030 nm, et le défaut quantique (perte d'énergie), seulement environ 9%.

En revanche, Néodyme, pompé à 808 nm perd environ 24% de l'énergie. Ainsi, l'ytterbium a intrinsèquement un rendement élevé, mais pas tout cela est possible en raison de la perte d'une partie des photons. Yb peut être pompé dans un certain nombre de bandes de fréquences, et erbium – longueur d'onde de 1 480 ou 980 nm. La fréquence plus élevée est pas aussi efficace en termes de photons de défaut, mais utile, même dans ce cas, car à 980 nm, les meilleures sources disponibles.

rendement global du laser à fibre est le résultat de processus à deux étapes. Tout d'abord, il est l'efficacité de la diode de la pompe. sources à semi-conducteurs de rayonnement cohérent sont très efficaces, avec un rendement de 50% à convertir un signal électrique en un optique. Les résultats des études de laboratoire suggèrent qu'il est possible d'atteindre une valeur de 70% ou plus. Avec laser ligne d'absorption du rayonnement de sortie de correspondance exacte de la fibre est obtenue et un rendement de pompage élevé.

En second lieu, cette efficacité de conversion optique-optique. Quand une petite photons de défaut peuvent atteindre un degré élevé d'excitation et l'efficacité d'extraction de l'efficacité de conversion optique-optique de 60 à 70%. Le rendement obtenu est de l'ordre de 25 à 35%.

différentes configurations

Fibre quantiques générateurs d'ondes continues peuvent être simples ou multi-modes (modes transverses). Monomode produire un faisceau de haute qualité pour les matériaux, en travaillant ou en envoyant un faisceau à travers l'atmosphère, et les lasers à fibre multimode industrielle peut générer plus de puissance. Il est utilisé pour la découpe et le soudage, et en particulier pour le traitement thermique, où une grande surface est éclairée.

Le laser à fibre longue est sensiblement appareil quasi-continu de type milliseconde habituellement impulsions de génération. Habituellement, il est le cycle de travail est de 10%. Cela conduit à une puissance de crête plus élevée que le mode continu (typiquement dix fois) que l'on utilise, par exemple, pour un forage pulsé. La fréquence peut être de 500 Hz, en fonction de la durée.

Q-commutation dans les lasers à fibre agit également comme dans la masse. Une durée d'impulsion typique est de l'ordre de nanosecondes à microsecondes. Plus la fibre, plus il faut de Q-commutation du rayonnement de sortie, résultant en une impulsion plus longue.

Les propriétés des fibres sont des limites sur la modulation Q. La non-linéarité de la fibre laser est plus importante en raison de la petite surface de section transversale de l'âme, de sorte que la puissance de crête doit être quelque peu limitée. Vous pouvez utiliser des commutateurs de volume Q, qui offrent des performances plus élevées, ou des modulateurs optiques, qui sont reliés aux extrémités de la partie active.

les impulsions Q-switch peuvent être amplifiés dans une fibre ou dans le résonateur à cavité. Un exemple de ce dernier se trouve dans la simulation Complexe National des essais nucléaires (NIF, Livermore, CA), où le laser à fibre est un oscillateur maître pour 192 faisceaux. Les petites impulsions dans de grandes plaques de verre dopé amplifiés à mégajoules.

Dans les lasers à fibre avec une fréquence de répétition de synchronisation dépend de la longueur du matériau de renforcement, comme dans les autres modes de circuits de synchronisation et de la durée des impulsions dépend de la capacité à améliorer le débit. La plus courte sont dans la gamme de 50 fs, et le plus typique – dans la gamme de 100 fs.

Entre ytterbium et de la fibre à l'erbium, il y a une différence importante, de sorte qu'ils fonctionnent dans différents modes de dispersion. fibre dopée à l'erbium émettant à 1550 nm dans une région de dispersion anormale. Cela permet solitons. Itterbievye fibres sont dans une dispersion positive ou normale; en conséquence, ils génèrent des impulsions à modulation de fréquence linéaire prononcée. En raison de réseau de Bragg il peut avoir besoin de comprimer la longueur d'impulsion.

Il existe plusieurs façons de modifier les impulsions laser en fibres, en particulier pour des études picoseconde ultrarapides. fibres de cristaux photoniques peuvent être fabriqués avec des noyaux très faibles pour les effets non linéaires forts, tels que la production d'supercontinuum. En revanche, les cristaux photoniques peuvent également être fabriqués avec une très grande base monomodes afin d'éviter les effets non linéaires à des puissances élevées.

fibre à cristal photonique flexible avec un grand noyau créé pour des applications nécessitant une forte puissance. L'une des méthodes est la flexion volontaire de la fibre pour éliminer tous les modes d'ordre supérieur indésirables, tout en maintenant un mode transversal fondamental. La non-linéarité crée des harmoniques; et en soustrayant la fréquence de pliage, vous pouvez créer une longueur d'onde plus courtes et plus longues. effets non linéaires peuvent aussi produire une compression d'impulsion, ce qui conduit à des peignes de fréquence d'apparition.

La source de supercontinuum sous forme d'impulsions très courtes produire un spectre continu grâce à une modulation de phase. Par exemple, à partir des 6 premières impulsions de ch à 1050 nm, ce qui crée le spectre laser à fibre d'ytterbium obtenue dans la gamme de l'ultraviolet à plus de 1600 nm. Une autre source de la source à l'erbium pompée supercontinuum IR à une longueur d'onde de 1550 nm.

puissance élevée

L'industrie est actuellement le plus grand consommateur de lasers à fibre. En forte demande droite jouit maintenant la puissance de l'ordre de kilowatts utilisés dans l'industrie automobile. L'industrie automobile se dirige vers la production de voitures en acier à haute résistance pour répondre aux exigences de durabilité et sont relativement faciles à une plus grande économie de carburant. machines-outils conventionnelles est très difficile, par exemple, percer des trous dans ce type d'acier et les sources de rayonnement cohérent rendent facile.

laser à fibre de métal de coupe, par rapport à d'autres types de générateur quantique a un certain nombre d'avantages. Par exemple, la gamme d'ondes proche infrarouge bien absorbé les métaux. Faisceau peut être délivré à travers la fibre, ce qui permet au robot de se déplacer facilement la mise au point lors de la découpe et le perçage.

La fibre optique répond aux exigences les plus élevées pour le pouvoir. Armes US Navy, testé en 2014, est constitué d'un laser de 5,5 kilowatts 6 à fibres combinées en un seul faisceau de rayonnement et à travers le système optique de formation. unité de 33 kW a été utilisé pour vaincre un véhicule aérien sans pilote. Bien que le faisceau ne soit pas un seul mode, le système est intéressant, car il permet de créer un laser à fibre, les mains à partir d'ingrédients classiques, facilement disponibles.

La plus grande puissance des sources de lumière cohérente à mode unique de IPG Photonics est de 10 kW. Le maître-oscillateur produit un watt de puissance optique, qui est fourni à l'étape amplificateur pompé à 1018 nm avec une lumière d'autres lasers à fibres. L'ensemble du système a une taille de deux réfrigérateurs.

L'utilisation de lasers à fibres sont également étendue à la grande coupe de puissance et le soudage. Par exemple, ils ont remplacé la tôle d'acier de soudage par résistance résoudre le problème de déformation du matériau. Contrôle de l'alimentation et d'autres paramètres permet des courbes de coupe très précises, en particulier les coins.

Le laser à fibre multimode le plus puissant – pour la coupe de métaux à partir du même fabricant – jusqu'à 100 kW. Le système est basé sur une combinaison de faisceau incohérent, il est donc pas super faisceau de haute qualité. Cette résistance rend les lasers à fibre attrayants pour l'industrie.

perçage de béton

Multimode sortie du laser à fibre de 4 kW peut être utilisé pour le découpage et le perçage du béton. Pourquoi faire? Lorsque les ingénieurs tentent d'obtenir une résistance sismique des bâtiments existants, être très prudent avec le béton. Lorsqu'il est installé en elle, par exemple l'armature d'acier forage à percussion classiques peuvent provoquer des défauts et d'affaiblir le béton, mais les lasers à fibres coupées sans l'écraser.

Les lasers avec une fibre Q-switched utilisé par exemple pour l'étiquetage ou dans la fabrication de produits électroniques à semi-conducteurs. Ils sont également utilisés dans des télémètres: modules sont de la taille d'une main contient le laser à fibre à sécurité oculaire, dont la production est de 4 kW, la fréquence de 50 kHz et une durée d'impulsion de 5-15 ns.

traitement de surface

Il y a un grand intérêt pour les petits lasers à fibre pour les micro et nanoprocessing. Lors du retrait de la couche de surface, si la durée d'impulsion est plus courte que 35 ps, aucun matériau de pulvérisation. Cela empêche la formation de fossettes et d'autres objets indésirables. Les impulsions du régime femtoseconde produisent des effets non linéaires qui ne sont pas sensibles à la longueur d'onde et la région environnante est non chauffée, ce qui permet de travailler sans dégradation substantielle ou l'affaiblissement de la zone environnante. En outre, les trous peuvent être coupés avec une grande profondeur de largeur – par exemple, rapidement (en quelques millisecondes) Les petits trous de 1 mm en utilisant un acier inoxydable impulsions de 800 fs à une fréquence de 1 MHz.

Il est également possible de produire des matériaux transparents à surface traitée, par exemple, l'oeil humain. Pour couper un rabat à la microchirurgie oculaire, des impulsions femtosecondes vysokoaperturnym lentille étroitement focalisation en un point situé en dessous de la surface de l'oeil sans causer de dommages à la surface, mais l'oeil en détruisant la matière sur une profondeur contrôlée. La surface lisse de la cornée, ce qui est essentiel pour la vision reste intacte. Le rabat est séparé du fond, peut alors être tiré vers le haut à la surface formant lentille laser excimère. D'autres applications médicales comprennent une pénétration superficielle de la chirurgie en dermatologie, ainsi que l'utilisation de certains types de tomographie par cohérence optique.

lasers femtoseconde

Les lasers femtoseconde en science utilisées pour exciter la spectroscopie par claquage laser, la spectroscopie de fluorescence avec une résolution temporelle, ainsi que pour la recherche générale des matériaux. De plus, ils sont nécessaires pour la production de peigne de fréquences femtosecondes nécessaire en métrologie et des études générales. L'une des applications réelles à court terme seront les horloges atomiques des satellites GPS d'une nouvelle génération, ce qui augmentera la précision de positionnement.

Laser à fibre à fréquence unique est effectuée avec une largeur de raie spectrale inférieure à 1 kHz. Cet appareil impressionnant avec une petite puissance de sortie de rayonnement de 10 MW à 1W. Trouve une application dans le domaine des communications, de la métrologie (par exemple, dans des gyroscopes à fibres) et la spectroscopie.

Quelle est la prochaine?

En ce qui concerne d'autres applications de recherche, il est encore beaucoup d'entre eux sont étudiés. Par exemple, le génie militaire, qui peut être appliquée dans d'autres domaines, qui consiste à combiner un des faisceaux de laser à fibre pour obtenir un faisceau à haute utilisant la combinaison cohérente ou spectrale. En conséquence, plus de puissance est réalisée dans un faisceau monomode.

La production de lasers à fibre se développe rapidement, en particulier pour les besoins de l'industrie automobile. En outre, il y a un remplacement de dispositifs à fibres non fibreux. Outre les améliorations générales des coûts et de la performance, il y a des lasers femtosecondes plus pratique et les sources supercontinuum. Les lasers à fibre occupent plus des niches et devenir une source d'amélioration pour d'autres types de lasers.