Ytterbium tolali lazer: qurilma, ishlash printsipi, quvvat, ishlab chiqarish, qo'llanilishi

2024 Muallif: Howard Calhoun | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2023-12-17 10:44

Tolali lazerlar ixcham va mustahkam, aniq ishora qiladi va issiqlik energiyasini osongina tarqatadi. Ular turli shakllarda keladi va boshqa turdagi optik kvant generatorlari bilan ko‘p umumiyliklarga ega bo‘lsada, o‘ziga xos afzalliklarga ega.

Tolali lazerlar: ular qanday ishlaydi

Ushbu turdagi qurilmalar novda, plastinka yoki diskdan ko'ra toladan tayyorlangan ishchi muhitga ega bo'lgan standart qattiq holatdagi kogerent nurlanish manbasining o'zgarishidir. Yorug'lik tolaning markazida joylashgan dopant tomonidan ishlab chiqariladi. Asosiy tuzilma oddiydan juda murakkabgacha bo'lishi mumkin. İtterbiy tolali lazerning dizayni shundayki, tola katta sirt va hajm nisbatiga ega, shuning uchun issiqlik nisbatan oson tarqaladi.

Tolali lazerlar optik ravishda pompalanadi, ko'pincha diodli kvant generatorlari tomonidan, lekin ba'zi hollarda bir xil manbalardan. Ushbu tizimlarda ishlatiladigan optika odatda tolali komponentlar bo'lib, ularning aksariyati yoki barchasi bir-biriga bog'langan. Ba'zi hollardavolumetrik optika ishlatiladi va ba'zan ichki tolali optik tizim tashqi volumetrik optika bilan birlashtiriladi.

Diodli nasosning manbai diyot, matritsa yoki bir nechta alohida diodlar bo'lishi mumkin, ularning har biri optik tolali yorug'lik yo'riqnomasi orqali ulagichga ulangan. Doplangan tolaning har ikki uchida bo'shliq rezonator oynasi mavjud - amalda tolada Bragg panjaralari tayyorlanadi. Chiqish nuri toladan boshqa narsaga kirmasa, uchlarida ommaviy optika yo'q. Yorug'lik qo'llanmasini burish mumkin, agar xohlasangiz, lazer bo'shlig'i bir necha metr uzunlikda bo'lishi mumkin.

Ikki yadroli tuzilma

Tolali lazerlarda ishlatiladigan tolaning tuzilishi muhim. Eng keng tarqalgan geometriya ikki yadroli strukturadir. Dorilanmagan tashqi yadro (ba'zan ichki qoplama deb ataladi) pompalanadigan nurni to'playdi va uni tola bo'ylab yo'n altiradi. Tolada hosil bo'lgan stimulyatsiya qilingan emissiya ko'pincha bir rejimli bo'lgan ichki yadrodan o'tadi. Ichki yadroda nasosning yorug'lik nurlari tomonidan qo'zg'atilgan iterbiy qo'shimchasi mavjud. Tashqi yadroning aylana bo'lmagan ko'plab shakllari mavjud, jumladan, olti burchakli, D shaklidagi va to'rtburchaklar, ular markaziy yadrodan yorug'lik nurlarining yo'qolishi ehtimolini kamaytiradi.

Tolali lazer uchi yoki yon tomondan pompalanishi mumkin. Birinchi holda, bir yoki bir nechta manbalardan yorug'lik tolaning oxiriga kiradi. Yon pompalamada yorug'lik uni tashqi yadroga etkazib beradigan ajratgichga beriladi. buyorug'lik o'qga perpendikulyar kiradigan novda lazeridan farq qiladi.

Bu yechim juda koʻp dizayn ishlab chiqishni talab qiladi. Ichki yadroda rag'batlantirilgan emissiyaga olib keladigan populyatsiya inversiyasini hosil qilish uchun yadroga nasos nurini haydashga katta e'tibor beriladi. Lazer yadrosi tolaning dopingiga, shuningdek uning uzunligiga qarab turli darajadagi kuchaytirishga ega bo'lishi mumkin. Bu omillar loyiha muhandisi tomonidan kerakli parametrlarni olish uchun sozlanadi.

Quvvat cheklanishi mumkin, ayniqsa, bitta rejimli tolada ishlaganda. Bunday yadro juda kichik kesma maydoniga ega va natijada u orqali juda yuqori intensivlikdagi yorug'lik o'tadi. Shu bilan birga, chiziqli bo'lmagan Brillouin tarqalishi tobora sezilarli bo'lib bormoqda, bu esa chiqish quvvatini bir necha ming vattgacha cheklaydi. Chiqish signali etarlicha yuqori bo'lsa, tolaning uchi shikastlangan bo'lishi mumkin.

Tolali lazerlarning xususiyatlari

Ishchi vosita sifatida toladan foydalanish diodli nasos bilan yaxshi ishlaydigan uzoq o'zaro ta'sir uzunligini beradi. Bu geometriya yuqori foton konversiya samaradorligini hamda sozlash yoki tekislash uchun diskret optikasiz mustahkam va ixcham dizaynga olib keladi.

Qurilmasi yaxshi moslashishga imkon beruvchi tolali lazer qalin metall qatlamlarni payvandlash uchun ham, femtosekund impulslarini ishlab chiqarish uchun ham moslashtirilishi mumkin. Optik tolali kuchaytirgichlar bir martali kuchaytirishni ta'minlaydi va telekommunikatsiyalarda qo'llaniladi, chunki ular bir vaqtning o'zida ko'plab to'lqin uzunliklarini kuchaytirishga qodir. Xuddi shu daromad asosiy osilatorli quvvat kuchaytirgichlarida qo'llaniladi. Ba'zi hollarda kuchaytirgich CW lazer bilan ishlashi mumkin.

Boshqa bir misol - tola bilan kuchaytirilgan spontan emissiya manbalari bo'lib, unda stimulyatsiya qilingan emissiya bostiriladi. Yana bir misol - to'lqin uzunligini sezilarli darajada o'zgartiradigan kombinatsiyalangan tarqalish kuchaytirgichli Raman tolali lazer. Ilmiy tadqiqotlarda qo'llanilishini topdi, bu erda standart kvarts tolalari o'rniga ftoridli shisha tolalar Raman ishlab chiqarish va kuchaytirish uchun ishlatiladi.

Ammo, qoida tariqasida, tolalar yadrosida noyob tuproqli dopant bo'lgan kvarts oynasidan tayyorlanadi. Asosiy qo'shimchalar iterbiy va erbiydir. Ytterbium 1030 dan 1080 nm gacha to'lqin uzunligiga ega va kengroq diapazonda nurlanishi mumkin. 940 nm diodli nasosdan foydalanish foton tanqisligini sezilarli darajada kamaytiradi. Ytterbium neodimiyning yuqori zichlikdagi o'z-o'zini o'chirish effektlariga ega emas, shuning uchun neodimiy ommaviy lazerlarda va iterbiy tolali lazerlarda qo'llaniladi (ular ikkalasi ham taxminan bir xil to'lqin uzunligini ta'minlaydi).

Erbiy 1530-1620 nm diapazonida chiqaradi, bu ko'zlar uchun xavfsizdir. 780 nm da yorug'lik hosil qilish uchun chastotani ikki baravar oshirish mumkin, bu boshqa turdagi tolali lazerlar uchun mavjud emas. Nihoyat, iterbiy erbiyga shunday qo'shilishi mumkinki, element so'riladinurlanishni pompalang va bu energiyani erbiyga o'tkazing. Tulyum yana bir yaqin infraqizil dopant bo'lib, u ko'z uchun xavfsiz materialdir.

Yuqori samaradorlik

Tolali lazer kvazi-uch darajali tizimdir. Nasos fotoni asosiy holatdan yuqori darajaga o'tishni qo'zg'atadi. Lazerli o'tish - bu yuqori sathning eng past qismidan bo'lingan zamin holatlaridan biriga o'tish. Bu juda samarali: masalan, 940 nm nasosli fotonga ega iterbiy 1030 nm toʻlqin uzunligi va atigi 9% ga yaqin kvant nuqsoni (energiya yoʻqolishi) boʻlgan foton chiqaradi.

Aksincha, 808nm tezlikda pompalanadigan neodimiy energiyasining taxminan 24% ni yo'qotadi. Shunday qilib, iterbiy tabiatan yuqori samaradorlikka ega, ammo ba'zi fotonlarning yo'qolishi tufayli hammasiga erishib bo'lmaydi. Yb bir qancha chastota diapazonlarida, erbiy esa 1480 yoki 980 nm da pompalanishi mumkin. Yuqori chastota foton nuqsoni jihatidan unchalik samarali emas, lekin bu holatda ham foydali, chunki 980nm da yaxshiroq manbalar mavjud.

Umuman olganda, tolali lazerning samaradorligi ikki bosqichli jarayonning natijasidir. Birinchidan, bu nasos diodining samaradorligi. Kogerent nurlanishning yarimo'tkazgichli manbalari juda samarali bo'lib, elektr signalini optikaga aylantirishda 50% samaradorlikka ega. Laboratoriya tadqiqotlari natijalari shuni ko'rsatadiki, 70% yoki undan ortiq qiymatga erishish mumkin. Chiqish radiatsiya chizig'ining aniq mosligi bilantolali lazerni yutish va yuqori nasos samaradorligi.

Ikkinchi - optik-optik konversiya samaradorligi. Kichik foton nuqsoni bilan 60-70% opto-optik konversiya samaradorligi bilan yuqori darajada qo'zg'alish va ekstraktsiya samaradorligiga erishish mumkin. Olingan samaradorlik 25–35% oralig'ida.

Turli konfiguratsiyalar

Uzluksiz nurlanishning optik tolali kvant generatorlari bir yoki koʻp rejimli boʻlishi mumkin (koʻndalang rejimlar uchun). Yagona rejimli lazerlar atmosferada ishlaydigan yoki nurlanayotgan materiallar uchun yuqori sifatli nur hosil qiladi, ko'p rejimli sanoat tolali lazerlar esa yuqori quvvat ishlab chiqarishi mumkin. Bu kesish va payvandlash uchun, xususan, katta maydon yoritilgan issiqlik bilan ishlov berish uchun ishlatiladi.

Uzoq impulsli tolali lazer asosan yarim uzluksiz qurilma boʻlib, odatda millisekundli impulslarni ishlab chiqaradi. Odatda, uning ish aylanishi 10% ni tashkil qiladi. Bu, masalan, impulsli burg'ulash uchun ishlatiladigan uzluksiz rejimga qaraganda (odatda o'n barobar ko'p) yuqori cho'qqi quvvatiga olib keladi. Davomiyligiga qarab chastota 500 Gts ga yetishi mumkin.

Tolali lazerlardagi Q-switching ommaviy lazerlardagi kabi ishlaydi. Odatda impuls davomiyligi nanosoniyadan mikrosekundgacha bo'lgan diapazonda bo'ladi. Tolalar qancha uzun bo'lsa, chiqishni Q-switch qilish shunchalik uzoq davom etadi, natijada puls uzoqroq bo'ladi.

Tolalar xususiyatlari Q-switchingga ba'zi cheklovlar qo'yadi. Tolali lazerning chiziqli bo'lmaganligi yadroning kichik tasavvurlar maydoni tufayli muhimroqdir, shuning uchun maksimal quvvat biroz cheklangan bo'lishi kerak. Yaxshiroq ishlash imkonini beruvchi hajmli Q kalitlari yoki faol qism uchlariga ulangan tolali modulyatorlardan foydalanish mumkin.

Q-switchli impulslar tolada yoki kavita rezonatorida kuchaytirilishi mumkin. Ikkinchisiga misolni Milliy yadroviy sinovlarni simulyatsiya qilish zavodida (NIF, Livermor, Kaliforniya) topish mumkin, bu erda iterbiy tolali lazer 192 nur uchun asosiy osilator hisoblanadi. Katta qo'yilgan shisha plitalardagi kichik impulslar megajoullarga ko'tariladi.

Bloklangan tolali lazerlarda takrorlanish tezligi boshqa rejimni blokirovkalash sxemalarida boʻlgani kabi daromad materialining uzunligiga bogʻliq, impuls davomiyligi esa daromad oʻtkazuvchanligiga bogʻliq. Eng qisqasi 50 fs oralig'ida, eng tipiklari esa 100 fs oralig'ida.

Erbiy va iterbiy tolalari orasida muhim farq bor, buning natijasida ular turli dispersiya rejimlarida ishlaydi. Erbiy qo'shilgan tolalar anomal dispersiya hududida 1550 nm da chiqaradi. Bu solitonlar ishlab chiqarish imkonini beradi. Ytterbium tolalari musbat yoki normal dispersiya mintaqasida; natijada ular aniq chiziqli modulyatsiya chastotasi bilan impulslarni hosil qiladi. Natijada, impuls uzunligini siqish uchun Bragg panjarasi kerak bo'lishi mumkin.

Tolali lazer impulslarini oʻzgartirishning bir necha yoʻli mavjud, xususan, oʻta tez pikosekundlik tadqiqotlar uchun. Fotonik kristalli tolalar kuchli chiziqli bo'lmagan effektlarni yaratish uchun juda kichik yadrolar bilan tayyorlanishi mumkin, masalan, superkontinuum hosil bo'lishi. Aksincha, fotonik kristallar yuqori quvvatlarda chiziqli bo'lmagan ta'sirlardan qochish uchun juda katta bitta rejimli yadrolar bilan ham yaratilishi mumkin.

Moslashuvchan yirik yadroli fotonik kristall tolalar yuqori quvvatli ilovalar uchun moʻljallangan. Texnikalardan biri, faqat asosiy ko'ndalang rejimni saqlab qolgan holda, istalgan yuqori tartibli rejimlarni yo'q qilish uchun bunday tolani ataylab egishdir. Chiziqli bo'lmaganlik harmonikani hosil qiladi; chastotalarni ayirish va qo'shish orqali qisqaroq va uzunroq to'lqinlarni yaratish mumkin. Chiziqsiz effektlar impulslarni ham siqib chiqarishi mumkin, natijada chastota taroqlari paydo bo‘ladi.

Superkontinuum manbai sifatida juda qisqa impulslar oʻz-oʻzidan fazali modulyatsiya yordamida keng uzluksiz spektr hosil qiladi. Misol uchun, iterbiy tolali lazer yaratadigan 1050 nm da dastlabki 6 ps impulslaridan ultrabinafshadan 1600 nm dan ortiq diapazonda spektr olinadi. Yana bir supercontinuum IR manbai 1550 nm da erbium manbai bilan pompalanadi.

Yuqori quvvat

Sanoat hozirda tolali lazerlarning eng yirik iste'molchisi hisoblanadi. Hozirda elektr energiyasiga talab katta.kilovattga yaqin, avtomobil sanoatida foydalaniladi. Avtomobil sanoati chidamlilik talablariga javob beradigan va yoqilg'i tejamkorligi uchun nisbatan engil bo'lishi uchun yuqori quvvatli po'latdan yasalgan transport vositalariga o'tmoqda. Oddiy dastgohlar uchun, masalan, bunday po'latda teshik ochish juda qiyin, ammo kogerent nurlanish manbalari buni osonlashtiradi.

Metallarni tolali lazer bilan kesish, boshqa turdagi kvant generatorlari bilan solishtirganda, bir qator afzalliklarga ega. Misol uchun, yaqin infraqizil to'lqin uzunliklari metallar tomonidan yaxshi so'riladi. Nur tola ustiga uzatilishi mumkin, bu robotga kesish va burg'ulashda fokusni osongina harakatlantirish imkonini beradi.

Tola eng yuqori quvvat talablariga javob beradi. 2014-yilda sinovdan o‘tgan AQSh harbiy-dengiz kuchlari quroli bitta nurga birlashtirilgan va shakllantiruvchi optik tizim orqali chiqaradigan 6 tolali 5,5 kVt lazerlardan iborat. 33 kVt quvvatga ega qurilma uchuvchisiz uchish apparatini yo'q qilish uchun ishlatilgan. Nur bir rejimli bo'lmasa-da, tizim qiziqarli, chunki u standart, tayyor komponentlardan o'z qo'llaringiz bilan tolali lazer yaratish imkonini beradi.

IPG Photonics'dan eng yuqori quvvatli yagona rejimli kogerent yorug'lik manbai 10 kVt. Asosiy osilator bir kilovatt optik quvvat ishlab chiqaradi, u boshqa tolali lazerlarning yorug'ligi bilan 1018 nm da pompalanadigan kuchaytirgich bosqichiga beriladi. Butun tizim oʻlchami ikkita muzlatgichga teng.

Tolali lazerlardan foydalanish yuqori quvvatli kesish va payvandlashda ham tarqaldi. Masalan, ular almashtirdilarlavha po'latdan qarshilik payvandlash, materialning deformatsiyasi muammosini hal qilish. Quvvat va boshqa parametrlarni boshqarish egri chiziqlarni, ayniqsa burchaklarni juda aniq kesish imkonini beradi.

Eng kuchli ko'p rejimli tolali lazer - xuddi shu ishlab chiqaruvchining metall kesish mashinasi - 100 kVtga etadi. Tizim uyg'un bo'lmagan nurning kombinatsiyasiga asoslangan, shuning uchun u ultra yuqori sifatli nur emas. Bu chidamlilik tolali lazerlarni sanoat uchun jozibador qiladi.

Beton burg'ulash

4KW koʻp rejimli tolali lazer beton kesish va burgʻulash uchun ishlatilishi mumkin. Bu nima uchun kerak? Muhandislar mavjud binolarda zilzilaga chidamliligiga erishishga harakat qilganda, beton bilan juda ehtiyot bo'lish kerak. Agar unda temir armatura o'rnatilgan bo'lsa, masalan, an'anaviy bolg'acha burg'ulash betonni yorilishi va zaiflashtirishi mumkin, ammo tolali lazerlar uni maydalamasdan kesib tashlaydi.

Q-switched tolali kvant generatorlari, masalan, markalash yoki yarimo'tkazgichli elektronika ishlab chiqarishda ishlatiladi. Ular masofa o'lchagichlarda ham qo'llaniladi: qo'lda o'lchamdagi modullar 4 kVt quvvatga, 50 kHz chastotaga va 5-15 ns impuls kengligiga ega ko'z uchun xavfsiz tolali lazerlarni o'z ichiga oladi.

Yuza ishlov berish

Mikro va nanomachinlash uchun kichik tolali lazerlarga katta qiziqish bor. Sirt qatlamini olib tashlashda, pulsning davomiyligi 35 ps dan qisqa bo'lsa, materialning chayqalishi yo'q. Bu depressiyalarning shakllanishiga to'sqinlik qiladi vaboshqa kiruvchi artefaktlar. Femtosekund impulslari to'lqin uzunligiga sezgir bo'lmagan chiziqli bo'lmagan effektlarni keltirib chiqaradi va atrofdagi makonni isitmaydi, bu esa atrofdagi hududlarni sezilarli darajada shikastlanmasdan yoki zaiflashtirmasdan ishlashga imkon beradi. Bundan tashqari, teshiklarni yuqori chuqurlik va kenglik nisbatlarida kesish mumkin, masalan, 1 MGts chastotada 800 fs impulslar yordamida 1 mm zanglamaydigan po‘latdan tez (millisekundlar ichida) kichik teshiklar yasash.

Shuningdek, inson ko'zlari kabi shaffof materiallarning sirtini tozalash uchun ham foydalanish mumkin. Ko'z mikrojarrohligida qopqoqni kesish uchun femtosekund impulslari yuqori diafragma ob'yektiv tomonidan ko'z yuzasi ostidagi nuqtaga mahkam yo'n altiriladi, sirtga hech qanday zarar etkazmasdan, lekin boshqariladigan chuqurlikda ko'z materialini yo'q qiladi. Ko'rish uchun zarur bo'lgan shox pardaning silliq yuzasi butunligicha qoladi. Pastdan ajratilgan qopqoq, keyin sirt eksimer lazer linzalarini shakllantirish uchun tortilishi mumkin. Boshqa tibbiy ilovalar uchun dermatologiyada sayoz penetratsion jarrohlik va optik kogerent tomografiyaning ayrim turlarida foydalanish kiradi.

Femtosoniyali lazerlar

Femtosekundli kvant generatorlari fanda lazerli parchalanish bilan qoʻzgʻatuvchi spektroskopiya, vaqt boʻyicha ajraladigan floresans spektroskopiyasi, shuningdek, materiallarni umumiy tadqiq qilish uchun ishlatiladi. Bundan tashqari, ular femtosekund chastotasini ishlab chiqarish uchun kerakmetrologiya va umumiy tadqiqotlarda zarur bo'lgan taroqlar. Qisqa muddatda haqiqiy ilovalardan biri yangi avlod GPS sun'iy yo'ldoshlari uchun atom soatlari bo'ladi, bu esa joylashishni aniqlashning aniqligini oshiradi.

Bir chastotali tolali lazer 1 kHz dan kam spektral chiziq kengligi bilan ishlab chiqariladi. Bu chiqish quvvati 10 mVt dan 1 Vt gacha bo'lgan ta'sirchan kichik qurilma. U aloqa, metrologiya (masalan, tolali giroskoplarda) va spektroskopiya sohasida qo'llaniladi.

Keyingi nima?

Boshqa ilmiy-tadqiqot dasturlariga kelsak, yana koʻp narsalar oʻrganilmoqda. Masalan, kogerent yoki spektral kombinatsiyadan foydalangan holda bitta yuqori sifatli nurni olish uchun tolali lazer nurlarini birlashtirishdan iborat bo'lgan boshqa sohalarda qo'llanilishi mumkin bo'lgan harbiy ishlanma. Natijada, bitta rejimli nurda ko'proq quvvatga erishiladi.

Tolali lazerlarni ishlab chiqarish, ayniqsa avtomobilsozlik sanoati ehtiyojlari uchun jadal sur'atlar bilan o'sib bormoqda. Tolali bo'lmagan qurilmalar ham tolali qurilmalarga almashtirilmoqda. Xarajat va ishlashning umumiy yaxshilanishiga qo'shimcha ravishda, femtosekundli kvant generatorlari va supercontinuum manbalari tobora amaliy bo'lib bormoqda. Elyaf lazerlar tobora ommalashib bormoqda va lazerlarning boshqa turlarini yaxshilash manbaiga aylanmoqda.