Ytterbium була лазери: аппарат, иштөө принциби, күч, өндүрүш, колдонуу

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-17 10:34

Була лазерлери компакттуу жана бышык, так көрсөтүп, жылуулук энергиясын оңой таратат. Алар ар кандай формада келет жана оптикалык кванттык генераторлордун башка түрлөрү менен көп окшоштуктарга ээ болгону менен, алардын уникалдуу артыкчылыктары бар.

Фибер лазерлер: алар кантип иштешет

Ушул типтеги түзмөктөр стерженьден, пластинкадан же дисктен эмес, буладан жасалган жумушчу чөйрө менен когеренттүү нурлануунун стандарттуу катуу абалындагы булагынын вариациясы. Жарык жипченин борборундагы кошумча зат тарабынан пайда болот. Негизги түзүлүш жөнөкөйдөн татаалга чейин өзгөрүшү мүмкүн. Итербий була лазеринин конструкциясы жипченин бетинин көлөмгө болгон катышы чоң болгондуктан, жылуулук салыштырмалуу оңой таралат.

Була лазерлери көбүнчө диоддук кванттык генераторлор аркылуу, бирок кээ бир учурларда ошол эле булактар аркылуу оптикалык сордурулат. Бул системаларда колдонулган оптика, адатта, була компоненттери болуп саналат, алардын көбү же баары бири-бирине туташкан. Кээ бир учурлардакөлөмдүү оптика колдонулат, кээде ички оптикалык була системасы тышкы көлөмдүү оптика менен айкалышат.

Диодду насостун булагы диод, матрица же ар бири була-оптикалык жарык жетектөөчү аркылуу туташтыргычка туташтырылган көптөгөн жеке диоддор болушу мүмкүн. Кошумча була эки учунда көңдөй резонатордук күзгүгө ээ - иш жүзүндө Брегг торлору буладан жасалат. Чыгуучу нур буладан башка нерсеге кирбесе, аягында эч кандай жапырт оптика жок. Жарык жетектөөчү буралып, каалаган болсо, лазер көңдөйүнүн узундугу бир нече метрге чейин болушу мүмкүн.

Кош өзөктүү түзүлүш

Була лазерде колдонулган жипченин түзүлүшү маанилүү. Эң кеңири таралган геометрия эки ядролуу түзүлүш болуп саналат. Кошулбаган сырткы өзөк (кээде ички каптама деп да аталат) сордурулган жарыкты чогултуп, аны жипче боюнча багыттайт. Жипчеде пайда болгон стимулданган эмиссия ички өзөктөн өтөт, ал көбүнчө бир режимдүү. Ички өзөктө насостун жарык нуру менен стимулданган итербий кошулмасы бар. Сырткы өзөктүн көптөгөн тегерек эмес формалары бар, анын ичинде алты бурчтуу, D түрүндөгү жана тик бурчтуу, алар борбордук өзөктөн жарык шооласынын жок болуу мүмкүнчүлүгүн азайтат.

Була лазер аягы же капталынан сордурулушу мүмкүн. Биринчи учурда, бир же бир нече булактардан келген жарык жипченин учуна кирет. Каптал соргучта жарык бөлүүчүгө келип, аны сырткы өзөккө берет. алжарык огуна перпендикуляр кирген стержендик лазерден айырмаланат.

Бул чечим көп дизайнды иштеп чыгууну талап кылат. Ички өзөктө стимулданган эмиссияга алып баруучу популяциянын инверсиясын пайда кылуу үчүн насостун жарыгын өзөккө айдатууга олуттуу көңүл бурулат. Лазердик өзөк жипченин допингине, ошондой эле анын узундугуна жараша ар кандай күчөтүү даражасына ээ болушу мүмкүн. Бул факторлор керектүү параметрлерди алуу үчүн инженер-конструктор тарабынан жөнгө салынат.

Күч чектөөлөр болушу мүмкүн, өзгөчө бир режим була ичинде иштегенде. Мындай өзөктүн кесилишинин аянты өтө кичинекей, натыйжада ал аркылуу өтө жогорку интенсивдүүлүктөгү жарык өтөт. Ошол эле учурда, сызыктуу эмес Brillouin чачыратуу барган сайын байкалып, чыгуу кубаттуулугун бир нече миң ватт менен чектейт. Эгер чыгуу сигналы жетишерлик бийик болсо, була аягы бузулушу мүмкүн.

Була лазерлеринин өзгөчөлүктөрү

Жумушчу чөйрө катары буланы колдонуу диод насосу менен жакшы иштеген узак өз ара аракеттенүүнү камсыз кылат. Бул геометрия фотонду өзгөртүүнүн жогорку эффективдүүлүгүн, ошондой эле тууралоо же тегиздөө үчүн дискреттик оптикасы жок бышык жана компакт дизайнга алып келет.

Аппараты жакшы ыңгайлашууга мүмкүндүк берген була лазерди калың металл барактарын ширетүүгө да, фемтосекунддук импульстарды чыгарууга да ылайыктаса болот. Була-оптикалык күчөткүчтөр бир жолку күчөтүүнү камсыз кылат жана телекоммуникацияда колдонулат, анткени алар бир эле учурда көптөгөн толкун узундуктарын күчөтүүгө жөндөмдүү. Ошол эле пайда мастер осциллятору бар күч күчөткүчтөрүндө колдонулат. Кээ бир учурларда, күчөткүч CW лазери менен иштей алат.

Дагы бир мисал – була менен күчөтүлгөн стимулдаштырылган эмиссия басылган стихиялуу эмиссия булактары. Дагы бир мисал - толкун узундугун олуттуу жылдырган аралаш чачыратуу күчөтүү менен Раман була лазери. Ал илимий изилдөөлөрдө колдонулушун тапты, мында стандарттык кварц булаларына караганда фториддик айнек жипчелери Раманды түзүү жана күчөтүү үчүн колдонулат.

Бирок, эреже катары, булалар өзөгүндө сейрек кездешүүчү топурак кошулмасы бар кварц айнектен жасалган. Негизги кошумчалары итербий жана эрбий. Итербий 1030дан 1080 нмге чейинки толкун узундугуна ээ жана кененирээк диапазондо нурланта алат. 940 нм диоддук насосту колдонуу фотондун тартыштыгын бир топ азайтат. Итербий жогорку тыгыздыкта неодимдей өзүн-өзү өчүрүүчү эффекттерге ээ эмес, ошондуктан неодим массалык лазерлерде жана итербий булалуу лазерлерде колдонулат (экөө тең болжол менен бирдей толкун узундугун камсыздайт).

Эрбиум 1530-1620 нм диапазонунда бөлүп чыгарат, бул көз үчүн коопсуз. Жыштык 780 нмде жарыкты түзүү үчүн эки эсеге көбөйтүлүшү мүмкүн, бул була лазерлеринин башка түрлөрү үчүн жок. Акыр-аягы, итербийди элемент сиңирип алгыдай кылып эрбийге кошууга болотнурланууну насостоп, бул энергияны эрбийге өткөрөт. Тулий дагы бир жакын инфракызыл кошулма болуп саналат, ошондуктан көз үчүн коопсуз материал.

Жогорку натыйжалуулук

Була лазер квази-үч деңгээлдүү система. Насос фотону негизги абалдан жогорку деңгээлге өтүүнү козгойт. Лазердик өтүү - бул жогорку деңгээлдин эң төмөнкү бөлүгүнөн бөлүнгөн жер абалынын бирине өтүү. Бул абдан эффективдүү: мисалы, 940 нм насостук фотону бар итербий 1030 нм толкун узундуктагы фотонду жана 9% гана кванттык дефектти (энергияны жоготуу) чыгарат.

Ал эми 808нм ылдамдыкта насостолгон неодим энергиянын 24%ке жакынын жоготот. Ошентип, итербий табигый түрдө жогорураак эффективдүүлүккө ээ, бирок кээ бир фотондордун жоголушуна байланыштуу анын бардыгына жетишүү мүмкүн эмес. Yb бир катар жыштык тилкелеринде сордурса болот, ал эми эрбий 1480 же 980 нм. Жогорку жыштык фотон кемчилиги боюнча эффективдүү эмес, бирок бул учурда да пайдалуу, анткени 980нмде жакшыраак булактар жеткиликтүү.

Жалпысынан була лазеринин эффективдүүлүгү эки этаптуу процесстин натыйжасы. Биринчиден, бул насостун диодунун натыйжалуулугу. Когеренттик нурлануунун жарым өткөргүч булактары өтө эффективдүү, электрдик сигналды оптикалык сигналга айландыруудагы эффективдүүлүгү 50%. Лабораториялык изилдөөлөрдүн натыйжалары 70% же андан көп мааниге жетишүү мүмкүн экенин көрсөтүп турат. Чыгуу нурлануу линиясынын так дал келүүсү мененбула лазердин жутулушу жана насостун жогорку натыйжалуулугу.

Экинчи – оптикалык-оптикалык конверсиянын эффективдүүлүгү. Кичинекей фотон кемчилиги менен 60-70% опто-оптикалык конверсиянын эффективдүүлүгү менен дүүлүктүрүү жана экстракциянын эффективдүүлүгүнүн жогорку даражасына жетишүүгө болот. Натыйжада натыйжалуулугу 25–35% диапазонунда.

Ар түрдүү конфигурациялар

Үзгүлтүксүз нурлануунун була-оптикалык кванттык генераторлору бир же көп режимдүү болушу мүмкүн (туурадан өтүүчү режимдер үчүн). Бир режимдүү лазерлер атмосферада иштеген же нурлануучу материалдар үчүн жогорку сапаттагы нурду чыгарат, ал эми көп режимдүү өнөр жай була лазерлери жогорку кубаттуулукту жаратат. Бул кесүү жана ширетүү үчүн, өзгөчө чоң аймак жарыктанган жылуулук менен иштетүү үчүн колдонулат.

Узун импульстуу була лазери негизинен милисекунд түрүндөгү импульстарды чыгарган квази үзгүлтүксүз түзүлүш. Эреже катары, анын иштөө цикли 10% түзөт. Бул, мисалы, импульстук бургулоо үчүн колдонулган үзгүлтүксүз режимге (адатта он эсе көп) караганда жогорку күчкө алып келет. Жыштык узактыгына жараша 500 Гц жетиши мүмкүн.

Була лазерлеринде Q-которуу жапырт лазерлердей эле иштейт. Кадимки импульстун узактыгы наносекунддан микросекундка чейинки диапазондо. Була канчалык узун болсо, чыгарууну Q-которуш үчүн ошончолук көп убакыт талап кылынат, натыйжада импульс узагыраак болот.

Fiber касиеттери Q-которуштурууга айрым чектөөлөрдү киргизет. Була лазеринин сызыктуу эместиги өзөктүн кесилишинин кичинекей аянтына байланыштуу көбүрөөк мааниге ээ, ошондуктан эң жогорку кубаттуулук бир аз чектелген болушу керек. Жакшыраак иштөөчү көлөмдүү Q которгучтарын же жигердүү бөлүктүн учтарына туташтырылган була модуляторлорун колдонсо болот.

Q-которулуучу импульстарды жипчеде же көңдөй резонатордо күчөтсө болот. Акыркысынын мисалын Улуттук ядролук сыноолорду симуляциялоо мекемесинен (NIF, Livermore, CA) тапса болот, мында ytterbium була лазери 192 нур үчүн башкы осциллятор болуп саналат. Чоң кошулган айнек плиталардагы кичинекей импульстар мегаджоульге чейин күчөтүлөт.

Кулпуланган була лазерлеринде кайталануу ылдамдыгы башка режимдердин кулпу схемаларындагыдай эле пайда материалынын узундугуна жараша болот, ал эми импульстун узактыгы күчөтүү өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө жараша болот. Эң кыскасы 50 fs диапазонунда, эң типтүүсү 100 fs диапазонунда.

Эрбий менен итербий булаларынын ортосунда маанилүү айырма бар, анын натыйжасында алар ар кандай дисперсия режимдеринде иштешет. Эрбиум кошулган жипчелер аномалдуу дисперсиялык аймакта 1550 нм. Бул солитондорду өндүрүүгө мүмкүндүк берет. Итербий жипчелери оң же нормалдуу дисперсия аймагында; натыйжада алар айкын сызыктуу модуляция жыштыгы менен импульстарды жаратышат. Натыйжада, импульстун узундугун кысуу үчүн Брегг торлору керек болушу мүмкүн.

Лазердик була импульстарын өзгөртүүнүн бир нече жолу бар, өзгөчө өтө тез пикосекунддук изилдөөлөр үчүн. Фотоникалык кристалл жипчелери суперконтинуум генерациясы сыяктуу күчтүү сызыктуу эмес эффекттерди өндүрүү үчүн өтө кичинекей өзөктөр менен жасалышы мүмкүн. Ал эми фотоникалык кристаллдарды жогорку кубаттуулукта сызыктуу эмес эффекттерден качуу үчүн өтө чоң бир режимдүү өзөктөр менен да жасоого болот.

Ийкемдүү чоң өзөктүү фотоникалык кристалл жипчелери жогорку кубаттуулуктагы колдонмолор үчүн иштелип чыккан. Бир техника, негизги туурасынан кеткен режимди гана сактап, каалаган жогорку тартиптеги режимдерди жок кылуу үчүн мындай жипти атайылап ийүү. Сызыктуу эместик гармонияларды жаратат; жыштыктарды кемитүү жана кошуу менен кыскараак жана узун толкундарды түзүүгө болот. Сызыктуу эмес эффекттер импульстарды да кысып, жыштык тарактарына алып келиши мүмкүн.

Суперконтинуум булагы катары өтө кыска импульстар автофазалык модуляцияны колдонуу менен кеңири үзгүлтүксүз спектрди жаратат. Мисалы, итербий буласынан жасалган лазер жараткан 1050 нмдеги алгачкы 6 ps импульстарынан ультра кызгылт көктөн 1600 нмге чейинки диапазондо спектр алынат. Дагы бир суперконтинуум IR булагы 1550 нмде эрбиум булагы менен сордурулган.

Жогорку кубаттуулук

Өнөр жай учурда була лазерлерин эң ири керектөөчүсү болуп саналат. Учурда электр энергиясына суроо-талап жогору.киловаттка жакын, автомобиль енер жайында пайдаланылат. Автоунаа өнөр жайы туруктуулук талаптарын канааттандыруу жана күйүүчү майды үнөмдөө үчүн салыштырмалуу жеңил болуу үчүн жогорку бышык болоттон жасалган унааларды көздөй жылып жатат. Кадимки станок үчүн, мисалы, болоттун мындай түрүн тешүү өтө кыйын, бирок когеренттүү нурлануу булактары муну жеңилдетет.

Квант генераторлорунун башка түрлөрүнө салыштырмалуу була лазери менен металлдарды кесүү бир катар артыкчылыктарга ээ. Мисалы, жакын инфракызыл толкун узундуктары металлдар тарабынан жакшы сиңет. Нур буланын үстүнө жеткирилип, робот кесип жана бургулоодо фокусту оңой жылдырууга мүмкүндүк берет.

Була эң жогорку кубат талаптарына жооп берет. 2014-жылы сыналган АКШнын Аскер-деңиз флотунун куралы бир нурга бириктирилген 6-булалуу 5,5 кВттык лазерлерден турат жана түзүүчү оптикалык система аркылуу чыгарат. 33 кВт кубаттуулугу учкучсуз учуучу аппаратты жок кылуу үчүн колдонулган. Нур бир режимдүү болбосо да, система кызыктуу, анткени ал стандарттуу, оңой жеткиликтүү компоненттерден өз колуңуз менен була лазерди түзүүгө мүмкүндүк берет.

IPG Photonics'тен эң жогорку кубаттуулуктагы бир режимдик когеренттүү жарык булагы 10 кВт. Мастер осциллятор бир киловатт оптикалык кубаттуулукту өндүрөт, ал башка була лазерлеринин жарыгы менен 1018 нмде насостолгон күчөткүч баскычына берилет. Бардык система эки муздаткычка барабар.

Була лазерлерин колдонуу жогорку кубаттуулуктагы кесүү жана ширетүү үчүн да жайылды. Мисалы, алар алмаштырылганлист болоттун каршылык менен ширетүү, материалды деформациялоо маселесин чечүү. Күчтү жана башка параметрлерди көзөмөлдөө ийри сызыктарды, өзгөчө бурчтарды өтө так кесүүгө мүмкүндүк берет.

Эң күчтүү көп режимдүү була лазери - ошол эле өндүрүүчүнүн металл кесүүчү станок - 100 кВтка жетет. Система когерентсиз нурдун айкалышына негизделген, ошондуктан бул өтө жогорку сапаттагы нур эмес. Бул туруктуулук була лазерлерди өнөр жай үчүн жагымдуу кылат.

Бетон бургулоо

4KW көп режимдүү була лазерин бетонду кесүү жана бургулоо үчүн колдонсо болот. Бул эмне үчүн керек? Инженерлер азыркы имараттарда жер титирөөгө туруштук берүүгө аракет кылып жатканда, бетон менен өтө этият болушубуз керек. Эгерде ага темир арматура орнотулган болсо, мисалы, кадимки балка менен бургулоо бетонду жарып, алсыратышы мүмкүн, бирок була лазерлери аны майдалабастан кесип салат.

Q-которулуу буласы бар кванттык генераторлор, мисалы, маркалоо үчүн же жарым өткөргүч электрониканы өндүрүүдө колдонулат. Алар диапазондо да колдонулат: колго өлчөмдүү модулдар 4 кВт кубаттуулуктагы, 50 кГц жыштыгы жана импульстун туурасы 5-15 нс болгон көзгө коопсуз була лазерлерди камтыйт.

Беттик тазалоо

Микро жана наномашина иштетүү үчүн кичинекей була лазерлерине көп кызыгуу бар. Үстүнкү катмарды алып салууда, импульстун узактыгы 35 ps дан кыска болсо, материалдын чачырашы болбойт. Бул депрессия жана пайда болушуна жол бербейтбашка керексиз артефакттар. Фемтосекунддук импульстар толкун узундугуна сезгич эмес жана курчап турган мейкиндикти ысытпаган сызыктуу эмес эффекттерди жаратып, курчап турган аймактарды олуттуу зыянсыз же алсыратпай иштөөгө мүмкүндүк берет. Мындан тышкары, тешиктерди 1 МГц жыштыкта 800 fs импульстары аркылуу 1 мм дат баспас болоттон тез (миллисекунддун ичинде) жасоо сыяктуу жогорку тереңдиктин туурасына болгон катышта кесүүгө болот.

Адамдын көзү сыяктуу тунук материалдардын үстүн тазалоо үчүн да колдонсо болот. Окулярдык микрохирургияда капкакты кесүү үчүн фемтосекунддук импульстар жогорку апертура объективи менен көздүн бетинен ылдыйкы бир чекитке катуу фокусталат, бетине эч кандай зыян келтирбестен, көзөмөлгө алынган тереңдикте көздүн материалын жок кылат. Көрүү үчүн өтө зарыл болгон көздүн кабыгынын жылмакай бети бүт бойдон сакталат. Төмөндөн бөлүнгөн капкак андан кийин беттик эксимердик лазер линзасын түзүү үчүн тартылышы мүмкүн. Башка медициналык колдонмолорго дерматологиядагы тайыз өтүү хирургиясы жана оптикалык когеренттик томографиянын кээ бир түрлөрүндө колдонуу кирет.

Фемтосекунддук лазерлер

Фемтосекунддук кванттык генераторлор илимде лазердик ажыратуу менен дүүлүктүрүүчү спектроскопия, убакыт боюнча чечилүүчү флуоресценттик спектроскопия, ошондой эле жалпы материалдарды изилдөө үчүн колдонулат. Мындан тышкары, алар фемтосекунд жыштыгын өндүрүү үчүн керекметрологияда жана жалпы изилдөөдө зарыл тарактар. Кыска мөөнөттөгү реалдуу колдонмолордун бири жаңы муундагы GPS спутниктери үчүн атомдук сааттар болот, бул жайгашуунун тактыгын жакшыртат.

Бир жыштыктагы була лазер спектрдик сызык сызыгы 1 кГцтен азыраак менен өндүрүлгөн. Бул 10 мВттан 1 Вт чейин чыгуучу кубаттуулугу менен таасирдүү кичинекей аппарат. Ал байланыш, метрология (мисалы, була гироскопторунда) жана спектроскопия тармагында колдонулат.

Кийинки эмне?

Башка R&D колдонмолоруна келсек, дагы көптөгөн нерселер изилденип жатат. Мисалы, когеренттүү же спектралдык айкалыштыруу аркылуу жогорку сапаттагы бир нурду алуу үчүн була лазер нурларын айкалыштыруудан турган башка аймактарга колдонулушу мүмкүн болгон аскердик өнүгүү. Натыйжада, бир режимдүү нурда көбүрөөк кубат алынат.

Лазердик була өндүрүү, өзгөчө автомобиль өнөр жайынын керектөөлөрү үчүн тездик менен өсүп жатат. Була эмес аппараттар да булалууларга алмаштырылууда. Наркы жана өндүрүмдүүлүктүн жалпы жакшыруусунан тышкары, фемтосекунддук кванттык генераторлор жана суперконтинуум булактары барган сайын практикалык болуп баратат. Булалуу лазерлер барган сайын өзгөчөлөнүп, лазердин башка түрлөрүн жакшыртуунун булагы болуп баратат.