Hiina fiiberoptilise laseri pideva töö aeg. Kiudlaseriga graveerijad. Erinevat tüüpi laserite võrdlus

Selliste masinate keskmes on fiiberoptiline laser. Seda eristab väga kõrge kiirguse kvaliteet seadme väikeste mõõtmetega. Lisaks on seadmeid lihtne jahutada ega vaja töömahukat hooldust. Kiudlaseriga graveerijaid kasutatakse laialdaselt sellistes valdkondades nagu:

• suveniiride tootmine;
• autotööstus, meditsiiniseadmete tootmine ja muud tööstusharud, kus nõutakse kvaliteetset korrosioonikindla osa märgistamist;
• ehete ja juveelide tootmine;
• monumentide ja rituaaltoodete tootmine;
• mööbli ja sisustuselementide kaunistamine.

Kiudlaseriga graveerijad on veidi kallimad kui CO2 masinad. Kuid seda asjaolu kompenseerivad mitmed eelised, mis sellistel seadmetel on:

• suurem efektiivsus, mille tõttu laserit iseloomustab hea võimsusega madal energiatarve;
• kiudlasergraveerijate töö põhineb dioodide kasutamisel, mida iseloomustab kompaktsus, töökindlus ja vastupidavus;
• Üliväike kiire suurus rohkemate jaoks kõrgresolutsiooniga graveerimisel ja võimaldab luua suurepäraste detailidega mikroskoopilisi pilte.

Kuidas valida kiudlaseriga graveerijat

Seadmete ostmisel peate pöörama tähelepanu järgmistele omadustele:

• võimsus. See peab vastama töödeldava materjali tüübile, samuti masina nõutavale tootlikkusele;
• graveerimisvälja mõõtmed. Need määravad kindlaks töödeldava detaili maksimaalsed mõõtmed, mida masin saab töödelda;
• funktsionaalsus ja lisavõimaluste kättesaadavus.

THOMAS SCRIBER, ANDREAS TÜNNERMANN ja ANDREAS THOMS

Suure võimsusega kiudlaserite probleemide tuvastamise ja optilise kiu optimeerimisega on saavutatud ühemoodiline võimsus 4,3 kW, mis on tulevikus skaleeritav ja arendamisel on uued ülikiired laserrakendused.

Kui lasertehnoloogias on üks ilmselge suundumus, siis on see fiiberlaserite kasv. Kiudlaserid on üle võtnud suure võimsusega CO2 laserite turuosa, samuti suure võimsusega lõikamiseks ja keevitamiseks mõeldud tahkislaseritelt. Suuremad tootjad kiudlaserid on nüüd pöördumas mitmete uute rakenduste poole, et vallutada veelgi rohkem turge.

hulgas võimsad laseridüherežiimilised süsteemid pakuvad funktsioone, mis muudavad need ihaldusväärseks: neil on kõrgeim heledus ja neid saab teravustada kuni mõne mikronini ja kõrgeima intensiivsusega. Need näitavad ka suurimat fookuse sügavust, muutes need kaugtöötluseks kõige sobivamaks.

Neid on aga keeruline valmistada ja ainult turuliider PHG Photonics (Oxford, MA) pakub 10 kW ühemoodilist süsteemi (2009).

Kahjuks puuduvad andmed nende kiirte omaduste, eriti võimalike mitmerežiimiliste komponentide kohta, mis võiksid sobida ühemoodilise kiirega.

Saksamaa teadlaste meeskond demonstreeris kiudlaseri ühemoodilist võimsust 4,3 kW, mille väljundit piiras ainult sisendpumba võimsus.

Rahastab Saksamaa valitsus ja koostöös TRUMPF-iga (Ditzingen, Saksamaa), Active Fiber Systemsiga, Jenoptikuga ja Leibnizi fotoonilise tehnoloogia instituudiga, teadlaste meeskonnaga Friedrich Schilleri ülikoolist ja Fraunhoferi rakendusoptika ja täppistehnika instituudist (kõik Jenas, Saksamaal) analüüsis selliste laserite skaleerimise probleeme ja töötas seejärel piirangute ületamiseks välja uued kiud. Meeskond lõpetas edukalt katseseeria, mis näitas 4,3 kW üherežiimilist väljundit, mille puhul kiudlaseri väljundit piiras ainult sisendpumba võimsus.

Piiramisefektid ühemoodilise kiudlaseriga skaleerimiseks

Millised on väljakutsed nii suure võimsusega ühemoodilise kiudlaseriga? Need võib rühmitada kolme valdkonda: a) täiustatud pumpamine, b) madala kadudega aktiivkiu väljatöötamine, mis töötab ainult ühes režiimis, ja c) tekkiva kiirguse õige mõõtmine.

Selles artiklis eeldame, et a) on lahendatud suure heledusega laserdioodide ja sobivate lahtisidumise tehnikatega ning keskendume kahele teisele valdkonnale.

Suure võimsusega üherežiimilise aktiivkiu väljatöötamise osana kasutatakse optimeerimiseks kahte üldist parameetrite komplekti: doping ja geomeetria. Kõik parameetrid tuleb määratleda minimaalse kadu, ühe režiimi ja lõpuks suure võimenduse jaoks. Ideaalne kiud võimendi annab suur kiirusüle 90% konversioon, suurepärane kiire kvaliteet ja väljundvõimsus, mida piirab ainult saadaolev pumba võimsus.

Ühemoodilise süsteemi suurendamine suurematele võimsustele võib aga kaasa tuua suurema võimsustiheduse tuuma sees, suurenenud termilise koormuse ja mitmed mittelineaarsed optilised efektid, nagu stimuleeritud Ramani hajumine (SRS) ja stimuleeritud Brillouini hajumine (SBS). .

Sõltuvalt aktiivse südamiku suurusest saab ergutada ja võimendada mitut põikrežiimi. Tuuma ja kesta vahelise antud indeksi astme puhul on seda väiksem on selliste režiimide arv, mida väiksem on aktiivse raku ristlõige. Väiksem läbimõõt tähendab aga ka suuremat võimsustihedust. Mõned nipid, näiteks kiudude painutamine, lisavad kõrgemate režiimide puhul kadusid.

Suure südamiku läbimõõduga ja termilise pinge korral võivad siiski esineda muud režiimid. Need režiimid on võimenduse ajal interaktsiooni all – ilma optimaalsete levitingimusteta võib väljundprofiil muutuda ruumiliselt või ajaliselt ebastabiilseks.

Põikrežiimi ebastabiilsused

Ütterbium(Yb) legeeritud kiud on tüüpilised töökeskkond suure võimsusega ühemoodiliste kiudlaserite jaoks. Kuid üle teatud künnise näitavad need täiesti uut efekti - nn põikrežiimi ebastabiilsust (TMI).

Teatud võimsustasemel ilmuvad ootamatult kõrgemad režiimid või isegi katterežiimid, energia kandub dünaamiliselt nende režiimide vahel üle ja kiire kvaliteet langeb.

Kiir hakkab väljundis võnkuma.

Alates TMI avastamisest on seda täheldatud mitmesugustes kiudude konstruktsioonides, alustades kõrgusindeksi kiududest kuni fotooniliste kristallkiududeni. Ainult selle läviväärtus sõltub geomeetriast ja dopingust, kuid ligikaudne hinnang viitab sellele, et see mõju ületab 1 kW väljundvõimsuse.

Vahepeal on leitud, et mõju on seotud kiu termiliste mõjudega, millel on tugev seos fototumenemise mõjuga. Veelgi enam, kiudlaserite vastuvõtlikkus TMI-le näib sõltuvat tuuma koostisest.

Astmeindeksi geomeetria viib optimeerimiseks mitme parameetrini. Südamiku läbimõõtu, pumba voodri suurust ja murdumisnäitajat pumba südamiku ja pumba kesta vahel saab kohandada. See seadistus sõltub lisandi kontsentratsioonist, st Yb ioonide kontsentratsiooni saab kasutada pumba kiirguse neeldumispikkuse reguleerimiseks aktiivkius. Termoefektide vähendamiseks ja murdumisnäitaja astme kontrollimiseks võib lisada muid lisaaineid.

Kuid on mõned vastuolulised väited. Mittelineaarsete mõjude vähendamiseks peab kiud olema lühem. Soojuskoormuse vähendamiseks peab aga kiud olema pikem. Foto tumenemine suureneb lisandi kontsentratsiooni ruuduga, seega on paremad ka pikemad kiud, mille doping on väiksem.

Rakendused ülikiires teaduses

Pärast kümmekond aastat kestnud seisakut suure võimsusega ühemoodiliste kiudlaserite skaleerimise vallas tundub nüüd olevat mõttekas välja töötada uue põlvkonna kilovatt-klassi kiudlaserid, millel on suurepärane kiire kvaliteet.

Näidatud on 4,3 kW väljundvõimsused, mida piirab ainult pumba võimsus.

Peamised piirangud edasisele skaleerimisele on kindlaks tehtud ja nendest piirangutest ülesaamise viisid on kindlaks tehtud.

Tuleb märkida, et see oli kõigi teadaolevate mõjude põhjalik uurimine ja sellele järgnenud parameetrite optimeerimine, mis tõi kaasa edusammude kiudude disainis ja lõpuks uute rekorditeni väljundvõimsuses.

Täiendav skaleerimine ja kiudude kohandamine muude rakenduste jaoks näib olevat teostatav ja seda sihitakse veelgi.

See avab mitmeid huvitavaid vaatenurki.

Ühest küljest on tulemuste ülekandmine tööstustoodetesse projekti partnerite poolt soovitav, kuid nõuab täiendavaid suuri arendustegevusi.

Teisest küljest on see tehnoloogia väga oluline teiste kiudlasersüsteemide, näiteks femtosekundiliste kiudvõimendite skaleerimiseks.

VIITED

1. F. Beier et al., "Ühemoodiline 4,3 kW väljundvõimsus otse dioodiga pumbatavast Yb-leotud fiiberoptiimist", avaldatakse Opt. väljendada.
2. T. Eidam et al., Opt. Lett., 35, 94–96 (2010).
3. M. Müller et al., Opt. Lett., 41, 3439–3442 (2016).

Kiudlaserid on optiliselt pumbatavad pooljuhtlaserid, mille aktiivseks elemendiks on kiudvalgusjuht, millele on lisatud laseraktivaatoreid. Valgusjuhtsüsteemide jaoks on kõige perspektiivikamad laserid, mis põhinevad neodüümiioonide poolt aktiveeritud kiududel.Neodüümioonidel on kaks peamist laserijoont tsentraalsete lainepikkustega μm ja μm, mis asuvad spektrivahemikus, kus valguse kadu ja hajumine kvartsikiududes on minimaalne.

Riis. 4.11. Relee sektsiooni pikkuse sõltuvus teabeedastuskiirusest astmelise kiu puhul, mille sumbumine on μm:

1 - laserdioodi puhul (karakteristiku vähenemine BC sektsioonis on tingitud intermode dispersioonist) 2 - valgusdioodi jaoks (karakteristiku vähenemine on tingitud dioodi laiast spektrist sektsioonis, in sektsioon - sagedusreaktsiooni täiendav vähenemine)

Neodüümi võimenduse spektraalkarakteristikud on välistingimustest praktiliselt sõltumatud, neodüümiioonide maksimaalsele võimendusele vastava lainepikkuse temperatuuritriiv on võrdne, pooljuhtkandjate puhul on see parameeter Emitteri kiudkonstruktsioon võimaldab efektiivselt kiirgust sisse viia. optilistesse kiududesse, kasutades standardseid pistikuid, sealhulgas ja üherežiimilist.

Vaatamata nendele eelistele ja, nagu allpool näidatud, lai funktsionaalsus, kiudlaserid pole veel uurimisetapist väljunud. Seda seletatakse asjaoluga, et fiiberoptiliste süsteemide loomisel lahendati palju probleeme hästiarenenud pooljuhtemitterite abil, eriti aastal. lihtsad süsteemid, kus otsustavat rolli mängib pooljuhtallikate üks peamisi eeliseid - kiirguse intensiivsuse otsese moduleerimise võimalus pumba vooluga. Tahkislaserites, eriti neodüümiga aktiveeritud kandjatel põhinevates laserites, on kiirguse intensiivsuse kiire moduleerimine pumba võimsust muutes suhteliselt pika pikisuunalise relaksatsiooniaja tõttu põhimõtteliselt võimatu. Pööratud populatsiooni kiire "sisselülitamise" võimatus piirab otsese modulatsiooni sagedusi Hz väärtustega. Valgusjuhisüsteemide arendamine, eriti lähituleviku paljutõotavad sidusa vastuvõtu ja mitmekanalilise spektriga süsteemid

tihendamine stimuleerib kiudlaserite väljatöötamist, mida saab kasutada mitte ainult generaatoritena, vaid ka valgusvõimenditena.

Olemasolevad kiudlaserite konstruktsioonid võib jagada kolme rühma. Esimese rühma kiudlaserid kasutavad mitmetest pikkadest kiududest koosnevaid kimpe ja suure võimsusega pumpamist impulss-gaaslahenduslampide abil. Positiivne tagasiside sellistes struktuurides tekib tänu valguse peegeldumisele kiudude otstest ning tagasihajumisest mikropaindel ja ebahomogeensustel.

Riis. 4.12. Kiudlaserite konstruktsioonid a - otsapumpamisega; b - väikese läbimõõduga kiudude jaoks põiki pumpamisega; 6 - optiline liim, 8 - reflektor, 9 - klaassilinder, 10, 12 - radiaatorid; 11, 14 - LED-liinid

Lambi pumpamine võimaldab saavutada suure kasu ühe läbimisega, kuid nõuab sundvedeliku jahutussüsteemide ja mahukate toiteallikate kasutamist, mis ilmselt muudab väikesemõõtmeliste seadmete loomise ebareaalseks. Selles mõttes võivad teatud väljavaated peituda gaaslahendusega mikrolampide kasutamisel. Lambipumbaga konstruktsioonide eeliste hulka kuulub võimalus kasutada neid liikuvate lainetega optiliste võimenditena ja küllalt suure (~30–40 dB) võimendusega regeneratiivvõimenditena.

Teise rühma kiudlaserite konstruktsioonides kasutatakse lühikesi ühekristall- ja klaaskiude, mis on aktiveeritud neodüümiioonide poolt. Pumpamine toimub pooljuhtlaseriga või LED-iga läbi kiu otsa. Üsna kõrge pumpamise efektiivsus saavutatakse GaAlAs DHS-il põhineva pooljuhtemitteri emissioonispektri sobitamisega ühe neodüümi intensiivse neodüümi joonega, mille keskne lainepikkus on umbes

0,81 µm. Skemaatiliselt on teise rühma kiudlaserite konstruktsioon näidatud joonisel fig. 4.12, a. Aktiivse keskkonna väikese võimenduse tõttu moodustub laserresonaator

kõrge peegeldusteguriga dielektrilised peeglid. Sellise konstruktsiooniga on laserid, mis põhinevad ühekristallkiul ütriumalumiiniumgranaadist koos neodüüm- ja klaasneodüümkvartskiududega. On teateid otspumbaga krüptoonlaseriga laserpumbaga laserkiust kristallilises kius ja argoonipumbaga laserkiust rubiinkius. Parimad tulemused saadi kiudude geomeetriaga, 0,5 cm pikkuse ja 80 µm läbimõõduga kristalli kasutamisel. Välisresonaatori (joon. 4.12, a) moodustasid dielektrilise kattega peeglid, millest ühel oli peegelduskoefitsient laserkiirgusele μm ja ainult pumpkiirgusele, teine ​​peegeldus peegeldus laserkiirgusele sama suure peegeldusteguriga. pump valgus üsna hästi Peeglid asusid peaaegu kiu otste lähedal. Pumpamine viidi läbi pinna-LED-ga, mille kiirgusala läbimõõt oli 85 μm. Lävi pumba võimsus oli

Sellise disainiga fiiberoplaserite peamised eelised on madal energiatarve ja üldmõõtmed. Peamised puudused on see, et lõpppumba vooluring ei võimalda kasutada üle 1 cm pikkuseid kiudude segmente, mis piirab väljundvõimsust. Lisaks on nende laserite valmistamise ja joondamise tehnoloogia keeruline ning pumba LED-i olemasolu ühes otsas raskendab laseri kasutamist optilise signaali võimendina.

LED-massiivide abil põikipumpamisega mitme pöördega fiiberlaserid (Joonis. kujutavad kolmanda rühma kujundusi. LED-massiivile on asetatud mitu keerdu klaaskiudu, mille südamiku aktiveerivad neodüümioonid. Disain teatud määral kombineerib esimese ja teise rühma kiudlaserite eelised ning puudub enamik nende puudustest Pooljuhtemitterite kasutamine pumpamisallikatena muudab sellised süsteemid mõõtmetelt üsna väikeseks, põikpumpamisskeemi ja pikkade kiuosade kasutamine võimaldab piisavalt suure võimenduse saamiseks ühe käiguga.neodüüm ja vastavalt suure pumba valguse neeldumisteguriga.Sellised omadused on neodüümi ultrafosfaatidest valmistatud kiududel.Mitme pöördega kiudude paigaldamist LED-ide reale saab teostada erinevatel viisidel. Niisiis tõmmatakse kiutükk korduvalt läbi umbes 1 mm läbimõõduga klaassilindri (joonis 4.12, b), mille välispinnale kantakse peegeldav kate.

pumba kiirguse kasutamise efektiivsuse suurendamine. Seda meetodit eelistatakse väikese välisläbimõõduga (µm) kiudude puhul. Suurema läbimõõduga kiude saab virnastada LED-liinile pööre pöördeks (joon. 4.12, c). Mõlemat konstruktsiooni saab kasutada optilise liikuva laine võimendina, kusjuures kiu üks ots on võimendi sisend ja teine ​​väljund. Peegelkatete ladestamine kiudude otstele võimaldab teostada lasergenereerimist Fabry-Perot kiudresonaatoriga.

Laserprotsesside omadused aktiivsetes optilistes kiududes määratakse konkreetse laseri genereerimise olemasoluga positiivse tagasiside puudumisel.

Riis. 4.13. Kiudvalgusjuht: a - aktiivse südamiku ja passiivse kattega; b - passiivse südamiku ja aktiivse kestaga (2)

See on peamine erinevus kiudlaserite ja massaktiivsetel elementidel põhinevate laserite vahel. Selle pooljuht-LED-de superluminestsentsrežiimile lähedase protsessi olemuse selgitamiseks vaatleme mõnda kiu elementaarset lõiku, milles tekib pöördpopulatsioon (joonis 4.13, a). Spontaanne kiirgus toimub võrdse tõenäosusega kõikides suundades, kuid kiirgus, mis on koondunud kahte nurgakoonust, millel on kiuga ühine telg ja mis on määratud avanemisnurgaga 20, ei lahku südamikust. Siin

kus on vastavalt südamiku ja katte murdumisnäitajad.See kiirgus ergastab kiu loomulikke võnkumisi (režiime), mida stimuleeritud kiirgus võimendab levimisel piki kiudu paremale ja vasakule (joon. 4.13, a). Sama pilt on täheldatud kõigi teiste kiu aktiivse südamiku elementaarsete osade puhul. Sellise kiudvalgusallika väljundis määrab kiirguse lahknemise ligikaudu kiu numbriline ava

Kuni aktiivses kius üksteise suunas levivate valguslainete intensiivsus on palju väiksem kui võimendust küllastav väärtus, on vastulevivad lained sõltumatud, nagu ka kiu erinevate režiimide energiad. Nendes tingimustes kirjeldatakse stimuleeritud emissioonist tingitud spontaanse emissiooni võimendamise protsessi hästi tuntud laservõimendi võrranditega ilma küllastuseta ja spontaanse emissiooniga. Kiirguse spektraalne võimsustihedus ühes režiimis pikkusega (joonis 4.13, a) kiu aktiivse osa väljundis on võrdne

Siin on Plancki konstant; - valguse vibratsiooni sagedus; - üla- ja alapopulatsioonid lasertasemed; on võimendus pikkuseühiku kohta, kus on sunnitud ülemineku Einsteini koefitsient; - spektraalse võimendusjoone normaliseeritud kuju; c on valguse kiirus. Maksimaalset genereeritavat võimsust saab piirata kas kiu pikkusega või, nagu õõneslaserite puhul, küllastusega. Loomulikult kitseneb võimendamise käigus generatsioonispekter luminestsentsspektriga võrreldes seetõttu, et joone keskel olevad spektrikomponendid on rohkem võimendatud. Spektri laiuse määrab võimendus ja kuju ning kiirgusspekter on pidev, kuna puudub resonaator.

Vaadeldaval konkreetsel valgusjuhitava laserprotsessil on kolm olulist aspekti.

1. Aktiivkiudvalgusjuhti saab kasutada valgusallikana ilma optilise õõnsuseta.

2. Kiudlaserite loomisel traditsioonilise skeemi järgi koos resonaatoriga tuleb arvestada, et vaadeldav protsess võib viia ühe läbimisega küllastuse saavutamiseni, mille tulemusena kaotab tagasiside tähenduse. Sel juhul tuleb ja väärtused valida nii, et see oleks kaugel võimenduse küllastavast väärtusest.

3. Valguskiudvõimendites on vaadeldava protsessi tulemusena tekkiv valgus peamine müraallikas. Müra võimsuse spektraalne tihedus ühes režiimis, teisendatuna võimendi sisendiks, nagu tuleneb valemist (4.12), on võrdne

Neljatasandilises süsteemis, mis on neodüümlaseri taseme skeem, tavaliselt ja suure võimendusega

Hulgivõimendites on võimendatud spontaanse emissiooni müra pikka aega peetud põhimõtteliselt eemaldamatuks (vt näiteks töö ), kuid kiudvõimendites saab selle taset oluliselt vähendada, kui kasutada joonisel fig. 4.13, 6. Ühemoodiline kiud, mille südamik on valmistatud kvartsklaasist koos murdumisnäitajat suurendava lisandiga, on näiteks neodüümioonidega aktiveeritud klaasist kattekihiga. Pöördpopulatsiooni loomine kattes viib põhirežiimi võimendamiseni tõhusa võimendusega

kus on kasu kestas; on tuumrežiimi võimsuse osa, mis levib kattes; P on selle režiimi koguvõimsus. Suhe muutub 0,99-lt 0,1-le, kui kiu parameeter muutub 0,6-lt 2,4048-le. Kui tuum hakkab põhirežiimi tõhusalt juhtima, lokaliseerides oma välja enda lähedale, ergastab teine ​​režiim. Valem saadakse samamoodi nagu kiudude sumbumiskoefitsiendi avaldis kattekihiga, mille kiirguskadu on halvem kui kiudude puhul. Esimeste olulisteks puudusteks on võimendusjoone temperatuuri ebastabiilsus (μm puhul), olulised kaod ühemoodiliste optiliste kiudude splaissimisel tasapinnalise võimendi optilise kiuga ja kõrge tase müravõimsus - superluminestsentskiirgus.

Kiudlaserid avavad võimalusi uut tüüpi FOS-ide loomiseks. Tundlik element, mis on kiudvalgusjuht, on siin osa laseri kiudrõngast või lineaarresonaatorist.

Riis. 4.14. Ühe sagedusega hajutatud kiudlaserid tagasisidet(a) ja Braggi peeglid (b): 1 - aktiivne südamik; 2 - perioodilise struktuuriga kest

Valguse vibratsiooni faasi muutus tegevuse ajal välised tegurid viib laserites erinevate režiimide genereerimissageduste muutumiseni. Teave välismõjude kohta sisaldub intermode löökide sageduse muutumises. Rõngasresonaatoriga fiiberlaseri baasil, mis realiseeritakse valgusjuhi otste või nende lahtivõetava ühenduse keevitamise teel, on väikese suurusega laserkiudgüroskoobi loomine üsna lihtne.

Stabiilseid ühesageduslikke kiudlasereid saab kujundada hajutatud tagasisidega või hajutatud Braggi peegeldusega. Selleks loob teatud kiu osadel üks allpool kirjeldatud meetoditest (vt jaotis 4.8) kiudu peegeldava spektraalfiltri (joonis 4.14). Selliseid allikaid saab kasutada FOS-faasis.

Superluminestseeruvate kiudlaserite kasutamine võimaldab lihtsustada passiivkiudgüroskoopide disaini ja suurendada nende tundlikkust, vähendades mahuelementide olemasolust tingitud mürataset. Rõngasgüroskoobi interferomeetrites müratase väheneb, kui kiirgusallika koherentsuspikkus ja puisteelementide arv väheneb (vt ptk 3.6). Kiudallika puhul on pöörlemise ja mittevastastikuse mõju tõttu lihtne saavutada, et kiirguse koherentsuspikkus on suurem kui interferomeetri vastassuunaliste lainete teevahe. Superluminestseeruvate kiudlaserite spektraallaius on nm ja impulsi võimsus üsna suur.Selline allikas

ühendub kiudrõnga interferomeetriga standardsete sidurite abil.

Neid lasereid saab väga tinglikult eristada eraldi tüübiks, kuna need kasutavad aktiivse keskkonna ergastamiseks (pumpamiseks) ligikaudu sama mehhanismi nagu gaasi- või tahkislaserites.

Laserdioode kasutatakse ka pumpamiseks. Need allikad on välja töötatud kiud-telekommunikatsioonisüsteemide jaoks, kus neid kasutatakse signaalivõimenditena. Kujutage ette, et kristall, milles toodetakse kasulikku laserkiirgust, on justkui mitmekümne meetri pikkuseks venitatud ja kujutab endast mitme mikronise läbimõõduga kiududest südamikku, mis asub kvartskiu sees. Dioodide kiirgus suunatakse kvartskiudu ja südamik pumbatakse optiliselt kogu selle pikkuses.

Laserklaasi kasutamine tahkislaserites aktiivse elemendina on tuntud juba ammu. Erinevalt kristallidest on laserklaasidel sisemine struktuur korrast ära. Koos klaasimoodustavate komponentidega SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, BeF 2 sisaldavad need Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3, Sb 2 O 3. Neodüümioonid Nd 3+ toimivad kõige sagedamini aktiivsete lisanditena; Kasutatakse ka gadoliiniumi Gd 3+, erbium Er 3+, holmium Ho 3+, ütterbium Yb 3+. Nd 3+ neodüümiioonide kontsentratsioon klaasides ulatub 6% (massi järgi).

Laserprillides saavutatakse aktiivsete osakeste kõrge kontsentratsioon. Selliste prillide eeliseks on ka võimalus valmistada praktiliselt igasuguse kujuga ja väga kõrge optilise ühtlusega aktiivseid elemente. Klaasid saadakse plaatina- või keraamilistes tiiglites. Klaaside lasermaterjalina kasutamise puudused hõlmavad suhteliselt laia genereerimisriba (310 nm) ja madalat soojusjuhtivust, mis takistab kiiret soojuse eemaldamist suure võimsusega optilise pumpamise ajal.

Kiudlaseritel on laserdioodkiirguse kasulikuks kiirguseks muutmisel väga kõrge (kuni 80%) efektiivsus. Nende töö tagamiseks piisab õhkjahutusest. Need laserallikad on digitaalsete plaatide salvestussüsteemide jaoks väga paljutõotavad.

Joonisel fig. 3.22 näitab pooljuhtpumbaga fiiberoplaseri töö skeemi ja, in üldine vaade kogu optiline tee kuni töödeldud materjalini. Selle laseri põhiomadus seisneb selles, et siinne kiirgus tekib õhukeses, vaid 68 mikronise läbimõõduga kius (südamik; näiteks ytterbium võib olla aktiivne keskkond), mis paikneb 400600 läbimõõduga kvartskiu sees. mikronit. Pumba laserdioodide kiirgus juhitakse kvartskiudu ja levib mööda kogu kompleksset komposiitkiudu, mille pikkus on mitukümmend meetrit.

Joonis 3.22 – kiudlaseriga optiline süsteem:

1 – ütterbiumiga legeeritud südamik, läbimõõt 6–8 µm; 2 - kvartskiud, läbimõõt 400-600 mikronit; 3 – polümeerkest; 4 - välimine kaitsekate; 5 – optilise pumpamise laserdioodid; 6 – optiline pumpamissüsteem; 7 - kiud (kuni 40 m); 8 - kollimaator; 9 - valgusmodulaator; 10 - teravustamise optiline süsteem

Kiirgus pumpab optiliselt südamikku ja just siin, ütterbiumi aatomitel, toimuvad füüsikalised transformatsioonid, mille tulemuseks on laserkiirguse ilmumine. Kiu otste lähedale tehakse südamikule kaks nn difraktsioonipeeglit südamiku silindrilisele pinnale sälkude komplekti (difraktsioonivõred) kujul - nii tekib fiiberlaserresonaator. Kiu kogupikkus ja laserdioodide arv valitakse vajaliku võimsuse ja efektiivsuse alusel. Väljundiks on ideaalne ühemoodiline väga ühtlase võimsusjaotusega laserkiir, mis võimaldab fokuseerida kiirgust väikesesse punkti ja saavutada suurema teravussügavuse kui suure võimsusega tahkis-Nd:YAG puhul. laserid.

Samuti tuleb märkida, et mitmed sellised kiudlaserkiirguse omadused, nagu näiteks kiire polarisatsiooni iseloom, muudavad selle kiirguse juhtimise akusto-optiliste seadmete abil mugavaks ja usaldusväärseks ning võimaldavad rakendada mitmekiirelise kujutise salvestamise skeeme.

Kuna optiline pumpamine toimub kogu kiu pikkuses, ei esine tavapärastele tahkislaseritele selliseid efekte nagu termiline lääts kristallis, kristalli enda defektidest tingitud lainefrondi moonutus, kiire ebastabiilsus ajas jne, mis alati takistas tahkissüsteemide maksimaalsete võimaluste saavutamist. Kuid kiudlaseri ülesehituse ja tööpõhimõtted tagavad kõrge jõudluse ja muudavad need seadmed täiuslikeks valguskiirguse laserkiirguseks muundajateks.

Laseri kõigest mõne mikromeetri paksune "tuum" koosneb ütterbiumist ja toimib resonaatorina. Parimat kvaliteeti on võimalik saavutada kiirguse lainepikkusel 1110 nm, samas kui fiiberoptilise kaabli pikkus võib ulatuda 40 m. Kaubanduslikult on saadaval laserid võimsusega 1 kuni 100 W, mille efektiivsus on umbes 50%. Kiudlaserid ei vaja tavaliselt erilist jahutust. Kaasaegsete fiiberoptiliste laserite minimaalne täpi suurus on umbes 20 µm ja korrigeerimismehhanisme kasutades saab seda vähendada 5 µm-ni. Fookuse sügavus on 300 µm, mis võimaldab edukalt töötada erineva paksusega plaatmaterjalidega ilma autofookusmehhanismita.

Tõlkinud Sergei Rogalev

Mõiste "kiudoptiline laser" viitab tavaliselt laserile, millel on optiline kiud võimendusmeediumina, kuigi mõnda pooljuhtvõimendusmeediumi ja fiiberoptilise õõnsusega laserit nimetatakse ka fiiberoptiliseks laseriks. Enamasti on kiudlaserite võimenduskeskkonnaks kiud, mis on legeeritud haruldaste muldmetallide ioonidega nagu erbium (Er 3+), neodüüm (Nd 3+), ütterbium (Yb 3+), tulium (Tm 3+) või praseodüüm (Pr). 3+) . Pumpamiseks kasutatakse ühte või mitut laserdioodi.

Fiiberlaserresonaator

Fiiberoptilise laseri lineaarse resonaatori loomiseks on vaja kasutada mingit reflektorit (peeglit) või luua rõngasresonaator (rõngaskiudlaser).

Kiudlaser-lineaarresonaatorid kasutavad erinevat tüüpi peegleid:

· Lihtsate laboratoorsete seadistuste korral saab tavapäraseid dielektrilisi peegleid kinnitada risti lõhestatud kiu otstele, nagu on näidatud joonisel 1. Selline lähenemine ei ole aga masstootmise jaoks kuigi otstarbekas ega ole ka väga usaldusväärne.

· Fresneli peegeldus kiu otsast on sageli piisav, et seda kasutada kiudlaseri õõnsuse väljundpeeglina. Joonisel fig. 2 on näide.

· Dielektrilisi katteid on võimalik kanda ka otse kiu otstele, tavaliselt pihustamise teel. Selliseid katteid saab kasutada peegelduseks laias vahemikus.

· Paljud kiudlaserid kasutavad Braggi kiudreste, mis on moodustatud otse legeeritud kiu sisse või aktiivkihi külge joodetud legeerimata kiu sisse. Joonisel 3 on kujutatud hajutatud Braggi reflektorlaser (DBR laser) kahe kiudvõrega, kuid on ka hajutatud tagasiside lasereid, millel on üks legeeritud kiududes faasinihe keskel.

· Parimad omadused võimu saab kätte kasutades kollimaatorit valguse väljumisel kiust ja peegeldades seda tagasi dielektrilise peegli abil (joonis 4). Peegli intensiivsus väheneb oluliselt suurema valgusvihu pindala tõttu. Väike nihe võib aga kaasa tuua märkimisväärse peegelduse kadu, polarisatsioonist sõltuva kadu jne.

· Teine võimalus on kasutada kiudsilmuse (joonis 5) kujul olevat peeglit, mis põhineb kiudhülsil (näiteks jaotussuhtega 50:50) ja passiivkiust.

Enamik kiudlasereid pumbatakse ühe või mitme kiudväljundiga dioodlaseriga (laserdioodi kiirgus süstitakse kiudu). Valgust saab pumbata otse südamikusse või suure võimsusega laserite kiudude sisemisse kattekihti.