Ytterbium-Faserlaser: Gerät, Funktionsprinzip, Leistung, Herstellung, Anwendung

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Faserlaser sind kompakt und robust, zielen präzise und leiten Wärmeenergie problemlos ab. Sie kommen in einer Vielzahl von Formen vor und haben, obwohl sie viele Gemeinsamkeiten mit anderen Arten optischer Quantengeneratoren haben, ihre eigenen einzigartigen Vorteile.

Faserlaser: So funktionieren sie

Vorrichtungen dieses Typs sind eine Variation einer standardmäßigen Festkörperquelle für kohärente Strahlung mit einem Arbeitsmedium aus Fasern und nicht aus einem Stab, einer Platte oder einer Scheibe. Das Licht wird durch einen Dotierstoff im Zentrum der Faser erzeugt. Die Grundstruktur kann von einfach bis ziemlich komplex reichen. Das Design des Ytterbium-Faserlasers ist so, dass die Faser ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen hat, sodass Wärme relativ leicht abgeführt werden kann.

Faserlaser werden optisch gepumpt, meistens von Dioden-Quantengeneratoren, aber in einigen Fällen von denselben Quellen. Die in diesen Systemen verwendeten Optiken sind typischerweise Faserkomponenten, von denen die meisten oder alle miteinander verbunden sind. In manchen Fällenvolumetrische Optiken werden verwendet, und manchmal wird ein internes Faseroptiksystem mit einer externen volumetrischen Optik kombiniert.

Die Quelle des Diodenpumpens kann eine Diode, eine Matrix oder eine Vielzahl einzelner Dioden sein, von denen jede durch einen faseroptischen Lichtleiter mit einem Verbinder verbunden ist. Die dotierte Faser hat an jedem Ende einen Hohlraumresonatorspiegel – in der Praxis werden Bragg-Gitter in der Faser hergestellt. An den Enden gibt es keine Bulk-Optik, es sei denn, der Ausgangsstrahl geht in etwas anderes als eine Faser. Der Lichtleiter kann verdreht werden, sodass die Laserkavität auf Wunsch mehrere Meter lang werden kann.

Dual-Core-Struktur

Die Struktur der in Faserlasern verwendeten Faser ist wichtig. Die gebräuchlichste Geometrie ist die Doppelkernstruktur. Der undotierte äußere Kern (manchmal auch als innerer Mantel bezeichnet) sammelt das gepumpte Licht und leitet es entlang der Faser. Die in der Faser erzeugte stimulierte Emission geht durch den inneren Kern, der oft einmodig ist. Der innere Kern enthält einen Ytterbium-Dotierstoff, der durch den Pumplichtstrahl angeregt wird. Es gibt viele nicht kreisförmige Formen des äußeren Kerns, einschließlich sechseckig, D-förmig und rechteckig, die die Wahrscheinlichkeit verringern, dass der Lichtstrahl im zentralen Kern fehlt.

Der Faserlaser kann end- oder seitengepumpt werden. Im ersten Fall tritt Licht von einer oder mehreren Quellen in das Ende der Faser ein. Beim Seitenpumpen wird Licht in einen Splitter geleitet, der es dem äußeren Kern zuführt. Dasunterscheidet sich vom Stablaser, bei dem das Licht senkrecht zur Achse einfällt.

Diese Lösung erfordert viel Designentwicklung. Dem Leiten von Pumplicht in den Kern wird beträchtliche Aufmerksamkeit geschenkt, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen, die zu einer stimulierten Emission im inneren Kern führt. Je nach Dotierung der Faser sowie ihrer Länge kann der Laserkern einen unterschiedlichen Verstärkungsgrad aufweisen. Diese Faktoren werden vom Konstrukteur angepasst, um die erforderlichen Parameter zu erh alten.

Leistungseinschränkungen können auftreten, insbesondere beim Betrieb in Singlemode-Fasern. Ein solcher Kern hat eine sehr kleine Querschnittsfläche, und infolgedessen tritt Licht sehr hoher Intensität durch ihn hindurch. Gleichzeitig macht sich immer mehr nichtlineare Brillouin-Streuung bemerkbar, die die Ausgangsleistung auf mehrere tausend Watt begrenzt. Wenn das Ausgangssignal hoch genug ist, kann das Faserende beschädigt werden.

Eigenschaften von Faserlasern

Die Verwendung von Fasern als Arbeitsmedium ergibt eine lange Wechselwirkungslänge, die gut mit Diodenpumpen funktioniert. Diese Geometrie führt zu einer hohen Photonenumwandlungseffizienz sowie zu einem robusten und kompakten Design ohne diskrete Optik, die angepasst oder ausgerichtet werden muss.

Der Faserlaser, der sich aufgrund seiner Vorrichtung gut anpassen lässt, kann sowohl für das Schweißen dicker Bleche als auch für die Erzeugung von Femtosekundenpulsen angepasst werden. Faseroptische Verstärker bieten Single-Pass-Verstärkung und werden in der Telekommunikation eingesetzt, da sie viele Wellenlängen gleichzeitig verstärken können. Dieselbe Verstärkung wird in Leistungsverstärkern mit einem Hauptoszillator verwendet. In einigen Fällen kann der Verstärker mit einem CW-Laser arbeiten.

Ein weiteres Beispiel sind faserverstärkte Spontanemissionsquellen, bei denen die stimulierte Emission unterdrückt wird. Ein weiteres Beispiel ist ein Raman-Faserlaser mit kombinierter Streuverstärkung, der die Wellenlänge deutlich verschiebt. Es hat Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung gefunden, wo anstelle von Standard-Quarzfasern Fluoridglasfasern zur Raman-Erzeugung und -Verstärkung verwendet werden.

In der Regel bestehen die Fasern jedoch aus Quarzglas mit einer Seltenerddotierung im Kern. Die Hauptzusätze sind Ytterbium und Erbium. Ytterbium hat Wellenlängen von 1030 bis 1080 nm und kann über einen größeren Bereich strahlen. Die Verwendung von 940-nm-Diodenpumpen reduziert das Photonendefizit erheblich. Ytterbium hat keine der Selbstlöschungseffekte, die Neodym bei hohen Dichten hat, daher wird Neodym in Volumenlasern und Ytterbium in Faserlasern verwendet (beide liefern ungefähr die gleiche Wellenlänge).

Erbium emittiert im Bereich von 1530-1620 nm, was für die Augen ungefährlich ist. Die Frequenz kann verdoppelt werden, um Licht bei 780 nm zu erzeugen, was für andere Arten von Faserlasern nicht verfügbar ist. Schließlich kann dem Erbium Ytterbium so zugesetzt werden, dass das Element absorbiertStrahlung pumpen und diese Energie auf Erbium übertragen. Thulium ist ein weiterer Nahinfrarot-Dotierstoff, der somit ein augensicheres Material ist.

Hohe Effizienz

Der Faserlaser ist quasi ein Drei-Ebenen-System. Das Pumpphoton regt den Übergang vom Grundzustand zum oberen Niveau an. Ein Laserübergang ist ein Übergang vom untersten Teil des oberen Niveaus zu einem der geteilten Grundzustände. Das ist sehr effizient: Beispielsweise emittiert Ytterbium mit einem 940 nm Pumpphoton ein Photon mit einer Wellenlänge von 1030 nm und einem Quantendefekt (Energieverlust) von nur etwa 9 %.

Im Gegensatz dazu verliert Neodym, das bei 808nm gepumpt wird, etwa 24% seiner Energie. Somit hat Ytterbium von Natur aus eine höhere Effizienz, obwohl aufgrund des Verlusts einiger Photonen nicht alles davon erreicht werden kann. Yb kann in einer Reihe von Frequenzbändern gepumpt werden, während Erbium bei 1480 oder 980 nm gepumpt werden kann. Eine höhere Frequenz ist in Bezug auf Photonendefekte nicht so effizient, aber selbst in diesem Fall nützlich, da bei 980 nm bessere Quellen verfügbar sind.

Im Allgemeinen ist die Effizienz eines Faserlasers das Ergebnis eines zweistufigen Prozesses. Erstens ist dies der Wirkungsgrad der Pumpdiode. Halbleiterquellen für kohärente Strahlung sind sehr effizient, mit 50 % Effizienz bei der Umwandlung eines elektrischen Signals in ein optisches. Die Ergebnisse von Laborstudien weisen darauf hin, dass ein Wert von 70 % oder mehr erreicht werden kann. Mit exakter Übereinstimmung der AusgangsstrahlungslinieFaserlaserabsorption und hohe Pumpeffizienz.

Zweitens ist die optisch-optische Umwandlungseffizienz. Mit einem kleinen Photonendefekt kann ein hoher Grad an Anregungs- und Extraktionseffizienz mit einer opto-optischen Konversionseffizienz von 60–70 % erreicht werden. Der resultierende Wirkungsgrad liegt im Bereich von 25–35 %.

Verschiedene Konfigurationen

Faseroptische Quantengeneratoren für kontinuierliche Strahlung können Single- oder Multimode (für transversale Moden) sein. Singlemode-Laser erzeugen einen hochwertigen Strahl für Materialien, die in der Atmosphäre arbeiten oder strahlen, während industrielle Multimode-Faserlaser eine hohe Leistung erzeugen können. Dies wird zum Schneiden und Schweißen und insbesondere zur Wärmebehandlung verwendet, bei der eine große Fläche beleuchtet wird.

Der Langpuls-Faserlaser ist im Wesentlichen ein quasi-kontinuierliches Gerät, das typischerweise Pulse vom Millisekundentyp erzeugt. Typischerweise beträgt seine Einsch altdauer 10 %. Dies führt zu einer höheren Spitzenleistung als im kontinuierlichen Modus (typischerweise zehnmal mehr), der beispielsweise beim Impulsbohren verwendet wird. Die Frequenz kann je nach Dauer 500 Hz erreichen.

Q-Switching funktioniert bei Faserlasern genauso wie bei Bulk-Lasern. Eine typische Impulsdauer liegt im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden. Je länger die Faser, desto länger dauert es, den Ausgang gütezusch alten, was zu einem längeren Puls führt.

Fasereigenschaften erlegen dem Q-Switching einige Einschränkungen auf. Die Nichtlinearität eines Faserlasers ist aufgrund der kleinen Querschnittsfläche des Kerns stärker ausgeprägt, sodass die Spitzenleistung etwas begrenzt werden muss. Es können entweder volumetrische Q-Sch alter verwendet werden, die eine bessere Leistung liefern, oder Fasermodulatoren, die an den Enden des aktiven Teils angeschlossen werden.

Gütegesch altete Pulse können in der Faser oder in einem Hohlraumresonator verstärkt werden. Ein Beispiel für Letzteres findet sich in der National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), wo ein Ytterbium-Faserlaser der Hauptoszillator für 192 Strahlen ist. Kleine Pulse in großen dotierten Glasplatten werden auf Megajoule verstärkt.

Bei gekoppelten Faserlasern hängt die Wiederholungsrate wie bei anderen Modenkopplungsschemata von der Länge des Verstärkungsmaterials ab, und die Pulsdauer hängt von der Verstärkungsbandbreite ab. Die kürzesten liegen im Bereich von 50 fs und die typischsten im Bereich von 100 fs.

Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen Erbium- und Ytterbiumfasern, wodurch sie in unterschiedlichen Dispersionsmodi arbeiten. Erbium-dotierte Fasern emittieren bei 1550 nm im anomalen Dispersionsbereich. Dies ermöglicht die Herstellung von Solitonen. Ytterbiumfasern befinden sich im Bereich positiver oder normaler Dispersion; dadurch erzeugen sie Pulse mit ausgeprägter linearer Modulationsfrequenz. Infolgedessen kann ein Bragg-Gitter erforderlich sein, um die Impulslänge zu komprimieren.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Faserlaserpulse zu modifizieren, insbesondere für ultraschnelle Pikosekundenstudien. Photonische Kristallfasern können mit sehr kleinen Kernen hergestellt werden, um starke nichtlineare Effekte zu erzeugen, wie z. B. Superkontinuumserzeugung. Im Gegensatz dazu können photonische Kristalle auch mit sehr großen Singlemode-Kernen hergestellt werden, um nichtlineare Effekte bei hohen Leistungen zu vermeiden.

Flexible photonische Kristallfasern mit großem Kern sind für Hochleistungsanwendungen konzipiert. Eine Technik besteht darin, eine solche Faser absichtlich zu biegen, um alle unerwünschten Moden höherer Ordnung zu eliminieren, während nur die transversale Grundmode beibeh alten wird. Die Nichtlinearität erzeugt Harmonische; durch Subtrahieren und Addieren von Frequenzen können kürzere und längere Wellen erzeugt werden. Nichtlineare Effekte können auch Pulse komprimieren, was zu Frequenzkämmen führt.

Als Superkontinuum-Quelle erzeugen sehr kurze Pulse durch Selbstphasenmodulation ein breites kontinuierliches Spektrum. Beispielsweise wird aus den anfänglichen 6-ps-Pulsen bei 1050 nm, die ein Ytterbium-Faserlaser erzeugt, ein Spektrum im Bereich von Ultraviolett bis über 1600 nm erh alten. Eine weitere Superkontinuum-IR-Quelle wird mit einer Erbiumquelle bei 1550 nm gepumpt.

Hochleistung

Die Industrie ist derzeit der größte Abnehmer von Faserlasern. Strom ist derzeit sehr gefragt.etwa ein Kilowatt, verwendet in der Automobilindustrie. Die Automobilindustrie bewegt sich in Richtung Fahrzeuge aus hochfestem Stahl, um die H altbarkeitsanforderungen zu erfüllen und relativ leicht zu sein, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Es ist zum Beispiel für gewöhnliche Werkzeugmaschinen sehr schwierig, Löcher in diese Art von Stahl zu stanzen, aber kohärente Strahlungsquellen machen es einfach.

Das Schneiden von Metallen mit einem Faserlaser hat im Vergleich zu anderen Arten von Quantengeneratoren eine Reihe von Vorteilen. Zum Beispiel werden Wellenlängen im nahen Infrarot gut von Metallen absorbiert. Der Strahl kann über die Faser geliefert werden, sodass der Roboter den Fokus beim Schneiden und Bohren leicht verschieben kann.

Fiber erfüllt höchste Leistungsanforderungen. Eine 2014 getestete Waffe der US Navy besteht aus 6-Faser-5,5-kW-Lasern, die zu einem Strahl kombiniert sind und durch ein formgebendes optisches System emittieren. Die 33-kW-Einheit wurde verwendet, um ein unbemanntes Luftfahrzeug zu zerstören. Obwohl der Strahl kein Monomode-Strahl ist, ist das System interessant, weil es Ihnen ermöglicht, einen Faserlaser mit Ihren eigenen Händen aus Standardkomponenten zu erstellen, die leicht erhältlich sind.

Die kohärente Singlemode-Lichtquelle mit der höchsten Leistung von IPG Photonics hat 10 kW. Der Hauptoszillator erzeugt ein Kilowatt optischer Leistung, die in die Verstärkerstufe eingespeist wird, die mit Licht von anderen Faserlasern bei 1018 nm gepumpt wird. Das ganze System hat die Größe von zwei Kühlschränken.

Der Einsatz von Faserlasern hat sich auch auf das Hochleistungsschneiden und -schweißen ausgeweitet. Zum Beispiel ersetzten sieWiderstandsschweißen von Stahlblechen zur Lösung des Problems der Materialverformung. Die Steuerung der Leistung und anderer Parameter ermöglicht ein sehr präzises Schneiden von Kurven, insbesondere von Ecken.

Der leistungsstärkste Multimode-Faserlaser - eine Metallschneidemaschine desselben Herstellers - erreicht 100 kW. Das System basiert auf einer Kombination eines inkohärenten Strahls, es ist also kein Strahl von ultrahoher Qualität. Diese Langlebigkeit macht Faserlaser für die Industrie attraktiv.

Betonbohren

4KW Multimode-Faserlaser kann zum Schneiden und Bohren von Beton verwendet werden. Warum wird das benötigt? Wenn Ingenieure versuchen, Erdbebensicherheit in bestehenden Gebäuden zu erreichen, muss man mit Beton sehr vorsichtig sein. Wenn darin beispielsweise eine Stahlbewehrung eingebaut ist, kann herkömmliches Hammerbohren den Beton reißen und schwächen, aber Faserlaser schneiden ihn, ohne ihn zu zerdrücken.

Quantengeneratoren mit gütegesch alteter Faser werden beispielsweise zum Markieren oder in der Produktion von Halbleiterelektronik eingesetzt. Auch in Entfernungsmessern kommen sie zum Einsatz: Handgroße Module enth alten augensichere Faserlaser mit einer Leistung von 4 kW, einer Frequenz von 50 kHz und einer Pulsbreite von 5-15 ns.

Oberflächenbehandlung

Es besteht großes Interesse an kleinen Faserlasern für die Mikro- und Nanobearbeitung. Wenn beim Entfernen der Oberflächenschicht die Pulsdauer kürzer als 35 ps ist, gibt es kein Spritzen des Materials. Dies verhindert die Bildung von Vertiefungen undandere unerwünschte Artefakte. Femtosekundenpulse erzeugen nichtlineare Effekte, die nicht wellenlängenempfindlich sind und den umgebenden Raum nicht aufheizen, was einen Betrieb ohne signifikante Beschädigung oder Schwächung der umgebenden Bereiche ermöglicht. Darüber hinaus können Löcher mit hohen Tiefen-zu-Breiten-Verhältnissen geschnitten werden, z. B. schnell (innerhalb von Millisekunden) kleine Löcher in 1 mm Edelstahl mit 800-fs-Impulsen bei 1 MHz.

Kann auch zur Oberflächenbehandlung von transparenten Materialien wie dem menschlichen Auge verwendet werden. Um einen Lappen in der Augenmikrochirurgie zu schneiden, werden Femtosekundenpulse durch ein Objektiv mit hoher Apertur auf einen Punkt unterhalb der Augenoberfläche fokussiert, ohne die Oberfläche zu beschädigen, aber das Augenmaterial in einer kontrollierten Tiefe zu zerstören. Die für das Sehen wichtige glatte Oberfläche der Hornhaut bleibt erh alten. Die von unten abgetrennte Klappe kann dann zur Bildung von Oberflächen-Excimer-Laserlinsen hochgezogen werden. Andere medizinische Anwendungen umfassen die Operation mit flacher Penetration in der Dermatologie und die Verwendung in einigen Arten der optischen Kohärenztomographie.

Femtosekundenlaser

Femtosekunden-Quantengeneratoren werden in der Wissenschaft für die Anregungsspektroskopie mit Laserdurchbruch, zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie sowie für die allgemeine Materialforschung eingesetzt. Außerdem werden sie zur Erzeugung der Femtosekundenfrequenz benötigtKämme, die in der Metrologie und allgemeinen Forschung benötigt werden. Eine der kurzfristig realen Anwendungen werden Atomuhren für GPS-Satelliten der nächsten Generation sein, die die Positionsgenauigkeit verbessern werden.

Einfrequenz-Faserlaser werden mit einer spektralen Linienbreite von weniger als 1 kHz hergestellt. Es ist ein beeindruckend kleines Gerät mit einer Ausgangsleistung von 10 mW bis 1 W. Es findet Anwendung in den Bereichen Kommunikation, Messtechnik (z. B. in Faserkreiseln) und Spektroskopie.

Was kommt als nächstes?

Was andere F&E-Anwendungen betrifft, so werden viele weitere erforscht. Zum Beispiel eine militärische Entwicklung, die auf andere Bereiche angewendet werden kann und darin besteht, Faserlaserstrahlen zu kombinieren, um einen Strahl hoher Qualität durch kohärente oder spektrale Kombination zu erh alten. Dadurch wird mehr Leistung im Singlemode-Strahl erreicht.

Die Produktion von Faserlasern wächst rasant, insbesondere für die Bedürfnisse der Automobilindustrie. Nicht-Glasfaser-Geräte werden auch durch Glasfaser-Geräte ersetzt. Neben allgemeinen Verbesserungen bei Kosten und Leistung werden Femtosekunden-Quantengeneratoren und Superkontinuumsquellen immer praktischer. Faserlaser entwickeln sich immer mehr zu Nischen und werden zu einer Verbesserungsquelle für andere Lasertypen.