이테르븀 파이버 레이저 : 장치, 동작 원리, 전력, 생산, 사용

파이버 레이저는 분산 유도 열 컴팩트하고 내구성, 정확하고 용이합니다. 그들은 다른 유형에 와서 많은 다른 종류의 레이저와 함께 할 필요는 그들 만의 독특한 장점이있다.

섬유 레이저 : 작업

이 유형의 장치는 광섬유에서 방사 간섭의 고체 광원의 표준 편차 대신로드 작동 유체, 플레이트 또는 디스크이다. 섬유의 중앙부에 도핑에 의해 생성 된 빛. 기본 구조는 아주 간단한 것에서부터 복잡한 것까지 다양합니다. 섬유 체적비로 큰 표면을 가지며, 따라서 열이 상대적으로 용이하게 확산 될 수 있도록 이테르븀 파이버 레이저 장치.

파이버 레이저는 종종 다이오드 레이저의 도움으로, 광학적으로 펌핑하지만, 어떤 경우에 - 같은 소스. 이러한 시스템에 사용되는 광학 대부분 또는 모두가 서로 연결되어있어서, 일반적으로, 광학 구성 요소를 나타냅니다입니다. 어떤 경우에는, 벌크 광학 때로는 내부 광섬유 시스템 외부 벌크 광학 결합된다.

다이오드 펌프 소스는 커넥터 광섬유 도파로에 접속되고, 각각의 다이오드 어레이, 또는 개별 복수의 다이오드 일 수있다. 양쪽 끝에 첨가 광섬유는 미러 공동 공진기를 갖는다 - 실제로, 광섬유 브래그 격자를 만든다. 벌크 광학 단부에서 가지고, 상기 출력 빔뿐만 섬유 이외 들어가면. 도광 원한다면 레이저 캐비티는 수 미터의 길이를 가질 수 있도록 트위스트 될 수있다.

이핵

파이버 레이저에 사용되는 구조의 섬유는 중요하다. 가장 일반적인 듀얼 코어 구조의 형상이다. 펌핑 (때때로 내막 라 함) 도핑 된 외부 코어는 광을 수집하고, 섬유을 따라 지시한다. 섬유의 생성 자극 방사선은 종종 단일 모드 인 내부 코어를 통과한다. 내부 코어는 펌프 광 자극 이테르븀 첨가제를 포함한다. 미스 확률 중앙 코어의 광속을 감소 육각형, D 형 및 직사각형 - 포함한 비 원형 외측 코어의 다양한 형태가있다.

파이버 레이저는 단부 측 또는 양수를 가질 수있다. 하나 개 이상의 소스로부터의 제 1 케이스에서, 광 섬유의 단부로 진입한다. 측면 펌핑 광이 외부로 코어를 공급하는 분리기에 공급 될 때. 이 광은 입사 축에 수직 인 레이저로드 다르다.

이러한 결정 구조 개발을 많이 필요로한다. 상당한주의는 내부 코어 자극 방출로 이어지는 인구 반전을 생산하는 핵심에 펌프 광을 요약에 지급됩니다. 레이저 코어를 길이에 도핑에 따라 섬유의 증폭의 정도의 차이를 가질 수있다. 이러한 요소는 필요한 매개 변수의 설계 엔지니어로 설정됩니다.

단일 모드 광섬유 내에서 작동 할 때 전력 제한은 특히, 발생할 수 있습니다. 이러한 코어들은 매우 작은 단면적을 가지며, 결과적으로 매우 높은 강도의 광을 관통하여 통과한다. 이 와트의 수천의 전원 출력을 제한 더욱 두드러 비선형 브릴 루앙 산란을, 될 때. 출력이 충분히 높은 경우, 섬유 끝 부분이 손상 될 수 있습니다.

특히 파이버 레이저

작동 유체로 섬유의 사용은 잘 때 다이오드 펌프를 작동 큰 상호 작용 길이를 제공합니다. 어떠한 불연속 광학 조정 또는 조정을 필요로하지 않는 한 광자의 높은 전환 효율뿐만 아니라, 안정적이고 콤팩트 한 구성에있어서 이러한 형상의 결과.

장치가 잘 적응할 수 있도록하는 파이버 레이저는 두꺼운 금속 시트의 용접에 적합 할 수있는 펨토초 펄스를 생성한다. 광섬유 증폭기는 단일 패스 이득을 제공하고 동시에 많은 파장을 증폭 수, 통신에 사용됩니다. 동일한 이득은 마스터 오실레이터 전력 증폭기에서 이용된다. 어떤 경우에는, 증폭기는 연속파 레이저로 동작 할 수있다.

또 다른 예는 유도 방출이 억제되는 섬유 보강으로부터 자연 방출의 공급원이다. 또 다른 예는 증가 된 분산, 실질적 전단 파장 결합 라만 광섬유 레이저이다. 이 연구에서 애플리케이션을 발견 한 곳 불화물 유리보다 표준 실리카 섬유를 사용하여 생성 및 증폭의 조합.

그러나, 일반적으로, 섬유는 상기 코어의 희토류 도펀트로 실리카 유리. 기본 첨가제는 이테르븀 에르븀 있습니다. 이테르븀 1030에서 1080 nm의 파장을 갖고, 넓은 범위에 걸쳐 방출 할 수있다. 940 나노 다이오드 펌프의 사용은 상당히 광자의 결손을 감소시킨다. 이테르븀 높은 밀도에서 네오디뮴에있는도 자기 급냉 효과를 가지며, 따라서 후자의 벌크 레이저 및 이테르븀에서 사용 - 섬유 (이들은 모두 동일한 파장에 대해 제공한다).

에르븀은 눈을 안전 범위 1530-1620 nm의에서 방출한다. 주파수는 파이버 레이저의 다른 유형을 사용할 수없는 780 nm의 광을 생성하기 위해 두 배가 될 수있다. 요소가 어븀이 에너지를 펌프 방사선을 흡수하고 전송할 수 있도록 마지막으로, 이테르븀은 에르븀에 추가 할 수 있습니다. 툴륨 - 따라서 아이 이미지에 안전한 근적외선 영역에서의 방출에 다른 도판 트.

고효율

섬유 레이저 준 세 가지 수준의 시스템입니다. 펌프 광자 상층의 바닥 상태의 전환을 자극. 레이저 천이 분할 접지 상태 중 하나의 상부 레벨의 가장 낮은 부분부터이다. 이는 매우 효과적이다 : 예를 들어, 이테르븀 - 940 nm의 광자 펌프 1,030 nm의 파장을 가진 광자 및 양자 결함 (에너지 손실), 약 9 %를 방출한다.

대조적으로, 네오디뮴, 에너지의 약 24 % 손실 808 nm의 펌핑. 그것의 모든 때문에 광자의 일부 손실을 달성했지만 따라서, 이테르븀은 본질적으로 높은 효율성을 가지고있다. YB는 주파수 대역, 및 에르븀 다수의 펌핑 될 수있다 - 파장 1,480 또는 980 nm 인. 높은 주파수는 최고의 소스를 사용할 수 있기 때문에 980 nm에서,이 경우에도, 같은 결함 광자의 측면에서 효과가 있지만, 유용하지 않습니다.

파이버 레이저의 전체 효율은 두 단계 과정의 결과이다. 첫째, 펌프 다이오드의 효율성이다. 가 간섭 성 방사 소스 반도체는 50 %의 효율로 광을 전기 신호로 변환하여, 매우 효과적이다. 실험 연구의 결과는 70 % 이상의 값에 도달 할 수 있음을 시사한다. 일치 출력 방사선 흡수 라인 파이버 레이저를 실현하고, 높은 펌핑 효율된다.

둘째, 광이 광 변환 효율. 작은 결함 광자 여기가 높은 60 내지 70 % 인 광학 광 변환 효율의 추출 효율을 얻을 수있는 경우. 생성 효율의 범위는 25-35 %가된다.

다양한 구성

섬유 양자 연속 파형 발생기는 단일 또는 다중 모드 (가로 모드) 일 수있다. 싱글은 일하거나 대기를 통해 빔을 전송, 재료 높은 품질의 빔을 생성하고, 멀티 산업용 섬유 레이저는 더 많은 전력을 생성 할 수 있습니다. 이것은 큰 영역이 조명되는 열처리를 들어, 절단 및 용접과 특히 사용된다.

긴 섬유는 일반적으로 레이저 펄스 발생 형 준 밀리 초 연속 실질적 장치. 보통은 듀티 사이클이 10 %이다. 이것은 펄스 천공, 예를 들면, 사용되는 연속 모드 (일반적으로 열 배)보다도 높은 피크 파워로 이끈다. 주파수는 시간에 따라 500 Hz에서 수있다.

파이버 레이저에 Q 스위칭 또한 대량으로 작용한다. 일반적인 펄스 지속 시간은 마이크로 나노초의 범위이다. 긴 섬유는 더 이상은 이상 펄스의 결과로, 출력 방사선의 Q 스위칭 걸리는.

섬유 속성은 Q 변조에 대한 몇 가지 제한이 있습니다. 피크 파워가 다소 제한되어야하도록 섬유 레이저의 비선형 성 때문에, 코어의 작은 단면적이 더 중요하다. 사용자는 더 높은 성능, 또는 활성 부의 단부에 연결되는 광학 변조기를 제공하는 Q 볼륨 스위치를 사용할 수있다.

Q- 스위치 펄스 섬유 또는 공동 공진기에서 증폭 될 수있다. 후자의 예는 섬유 레이저 빔 (192)의 마스터 오실레이터 인 핵 실험 (NIF 리버모어, CA), 국립 복잡한 시뮬레이션에서 찾을 수있다. 큰 유리 슬라브 작은 펄스 메가 줄 증폭 도핑.

동기화 반복 주파수 광섬유 레이저에서 동기화 회로의 다른 모드에서와 같이 보강재의 길이에 의존하며 펄스 지속 시간은 스루풋을 향상 할 수있는 능력에 달려있다. FS 100의 범위 - 최단 50 명 FS, 가장 일반적인 범위에있다.

이테르븀 및 에르븀 섬유 사이에 서로 다른 모드 분산 운영함으로써 중요한 차이점이있다. 이상 분산의 영역 내에 1,550 nm에서 발광 어븀 첨가 광섬유. 이 솔리톤 수 있습니다. Itterbievye 섬유 양 또는 정상 분산이고; 결과적으로, 그들은 두드러 선형 주파수 변조와 펄스를 생성한다. 결과 브래그 격자로 펄스 길이를 압축 할 필요가있다.

피코 초 초고속 연구에 특히 섬유 레이저 펄스를 수정하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 광결정 섬유는 이러한 초 연속 세대 강한 비선형 효과에 매우 작은 코어를 제조 할 수있다. 대조적으로, 광 결정은 높은 파워의 비선형 효과를 방지하기 위해 매우 많은 싱글 모드 코어로 제조 될 수있다.

높은 전력을 필요로하는 애플리케이션을 위해 만든 대형 코어와 유연한 광자 결정 광섬유. 방법 중 하나는 기본 가로 모드를 유지하면서 섬유의 고의적 굽힘 불필요한 고차 모드를 제거하는 것이다. 비선형 고조파를 생성; 및 접는의 주파수를 뺌으로써, 당신은 짧고 긴 파장을 생성 할 수 있습니다. 비선형 효과는 출현 빈도 빗 리드 펄스 압축을 생성 할 수있다.

매우 짧은 펄스로 초 연속 소스는 위상 변조를 통해 연속적인 스펙트럼을 생성한다. 예를 들어, 자외선에서 이상 1,600 nm의 범위에서 얻어진 이테르븀 파이버 레이저 스펙트럼을 생성 ~ 1050㎚에서 초기 6 PS 펄스에서. 1550 nm의 파장에서 IR 펌핑 에르븀 초 연속 소스를 다른 소스.

높은 전력

업계는 현재 광섬유 레이저의 가장 큰 소비자이다. 수요가 지금 자동차 산업에 사용되는 킬로와트의 순서의 힘을 즐긴다. 자동차 산업은 내구성의 요구 사항을 충족하기 위해 고강도 강철 자동차의 생산쪽으로 이동하고 더 큰 연료 경제에 상대적으로 쉽게됩니다. 기존의 공작 기계는 예를 들어, 강철의이 유형에 구멍을 펀치와 일관된 방사선의 소스는 쉽게, 매우 어렵습니다.

양자 발생기의 다른 타입에 비해 절단 금속 섬유 레이저는 다수의 장점을 갖는다. 예를 들어, 근적외선 파장대 잘 금속을 흡수. 빔 절단 및 천공시 쉽게 포커스를 이동 로봇을 허용하는 광섬유를 통해 전달 될 수있다.

광섬유 전력에 대한 높은 요구 사항을 만족시킨다. 2014 테스트 무기 미 해군은 6 섬유 5.5 킬로와트 레이저 빔 중 하나에 결합하고, 결상 광학 시스템을 통해 발산 구성된다. 33 킬로와트 단위 패배 하였다 무인 항공기를. 빔은 단일 모드 아니지만 그것은 표준, 쉽게 사용할 재료에서 자신의 손으로 광섬유 레이저를 만들 수 있습니다로, 시스템은 흥미 롭다.

IPG 포토닉스의 높은 전력 단일 모드 일관된 광원은 10 kW 급이다. 마스터 오실레이터는 다른 파이버 레이저의 광 1,018 nm에서 펌핑 스테이지 증폭기에 공급되는 광 전력의 와트를 생성한다. 전체 시스템은 두 개의 냉장고의 크기를 갖는다.

파이버 레이저의 사용은 높은 전력의 절단 및 용접으로 연장된다. 예를 들어, 저항은 재료의 변형의 문제를 해결하는 강판을 용접에 대체했다. 전력 제어 및 다른 파라미터는 매우 정밀 절삭 곡선, 특히 모서리를 허용한다.

가장 강력한 다중 모드 광섬유 레이저 - 100 kW 급까지 - 동일한 제조업체에서 금속을 절단. 이 시스템은 간섭 성 빔의 조합에 따라, 그래서 그것은 매우 높은 품질의 빔 아니다된다. 이 저항은 업계에 매력적인 광섬유 레이저를합니다.

콘크리트 드릴링

4kW의 멀티 모드 광섬유 레이저 출력은 절단 콘크리트 드릴에 사용될 수있다. 왜합니까? 엔지니어들은 기존 건물의 내진를 달성하려고 할 때, 콘크리트 매우 조심해야합니다. 철강 보강 기존의 타악기 드릴링, 그것은에 설치하는 경우 결함의 원인과 콘크리트를 약화 있지만, 광섬유 레이저는 분쇄하지 않고 절단 할 수있다.

라벨 또는 반도체 전자 장치의 제조 예에 사용되는 Q 스위치 레이저와 광섬유. 또한 거리 측정기에 사용된다 : 모듈은 손의 크기가 그 출력 4kW의 50 kHz의 주파수 및 5-15 ns의 펄스 지속 시간 인 아이 세이프 파이버 레이저를 포함한다.

표면 처리

마이크로 및 nanoprocessing에 대한 작은 광섬유 레이저에 큰 관심이있다. 펄스 지속 시간보다 짧은 35 개 PS없이 분무 재료의 경우, 표면층을 제거하는 경우. 이 보조개 및 기타 바람직하지 않은 유물의 형성을 방지 할 수 있습니다. 펨토초 정권 펄스는 파장에 민감하지 않은 주변 영역은 주변의 실질적인 손상되거나 약화없이 작동 할 수 있도록, 가열되지 비선형 효과를 생성한다. 또한, 구멍의 폭에 대한 높이의 깊이로 절단 될 수있다 - 예를 들면, 빨리 1 MHz의 주파수를 가진 스테인레스 스틸 800 FS 펄스를 사용하여 1mm의 작은 구멍 (수 밀리 초 이내에).

이 표면 처리 된 투명 재료, 예를 들면, 인간의 눈을 생산하는 것도 가능하다. 안구 미세에서 플랩을 잘라, 펨토초 펄스를 표면에 손상을주지 않고, 눈의 표면 아래의 지점에서 초점 렌즈를 단단히 vysokoaperturnym하지만, 깊이 조절 물질을 파괴하여 눈. 비전에 필수적인 각막의 매끄러운 표면은 그대로 유지됩니다. 플랩은 바닥으로부터 분리 한 후 엑시머 레이저를 형성하는 렌즈 표면 위로 당겨질 수있다. 기타 의료 응용 프로그램은 수술 얕은 피부과에 침투뿐만 아니라, 빛 간섭 단층 촬영의 특정 유형의 사용을 포함한다.

펨토초 레이저

과학 펨토초 레이저는 시간적 해상도 레이저 분해 분광법, 형광 분광법을 자극하는 데 사용하고, 또한 일반적인 재료 연구합니다. 또한, 이들은 및 계측 총론 필요 펨토초 주파수 빗의 생산을 위해 필요하다. 단기적으로 실제 애플리케이션 중 하나는 위치 정확도를 증가 새로운 세대의 GPS 위성의 원자 시계가 될 것입니다.

단일 주파수 레이저 섬유 미만 1 kHz의 스펙트럼 선폭이 수행된다. 10 mW의 발 1W에 작은 방사선 출력이 인상 장치. (섬유 자이로 스코프의 예) 통신, 계측 분야의 애플리케이션 및 분광기를 찾는다.

무엇이 다음입니까?

다른 연구 응용 프로그램으로, 그것은 여전히 많이 연구되어있다. 예를 들면, 레이저 광 빔을 결합하는 것으로 이루어진다 다른 영역에 적용 할 수 공병는, 코 히어 런트 또는 스펙트럼의 조합을 이용하여 고 빔을 얻었다. 결과적으로, 더 많은 전력이 싱글 모드 광으로 달성된다.

광섬유 레이저의 생산은 특히 자동차 산업의 요구에 빠르게 성장하고있다. 또한, 비 섬유 광섬유 장치의 대체가있다. 비용과 성능의 일반적인 개선뿐만 아니라, 펨토초 레이저와 초 연속 소스 더 실용적이 있습니다. 파이버 레이저는 더 틈새 시장을 점유하고 다른 종류의 레이저에 대한 개선의 원천이된다.