Laser sợi quang Ytterbium: thiết bị, nguyên tắc hoạt động, nguồn điện, sản xuất, ứng dụng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Laser sợi quang nhỏ gọn và chắc chắn, điểm chính xác và dễ dàng tiêu tán nhiệt năng. Chúng có nhiều dạng khác nhau và tuy có nhiều điểm chung với các loại máy phát lượng tử quang học khác, nhưng lại có những ưu điểm riêng biệt.

Laser sợi quang: cách chúng hoạt động

Các thiết bị loại này là một biến thể của nguồn bức xạ kết hợp trạng thái rắn tiêu chuẩn với môi trường làm việc được làm bằng sợi chứ không phải là thanh, đĩa hoặc đĩa. Ánh sáng được tạo ra bởi một chất pha tạp ở trung tâm của sợi quang. Cấu trúc cơ bản có thể từ đơn giản đến khá phức tạp. Thiết kế của laser sợi quang ytterbium là sợi quang có tỷ lệ bề mặt trên thể tích lớn, do đó nhiệt có thể được tản ra tương đối dễ dàng.

Laser sợi quang được bơm quang học, hầu hết thường được sử dụng bởi máy phát lượng tử đi-ốt, nhưng trong một số trường hợp là bởi các nguồn giống nhau. Quang học được sử dụng trong các hệ thống này thường là các thành phần sợi quang, với hầu hết hoặc tất cả chúng được kết nối với nhau. Trong vài trường hợpquang thể tích được sử dụng và đôi khi hệ thống cáp quang bên trong được kết hợp với quang thể tích bên ngoài.

Nguồn bơm diode có thể là một diode, một ma trận hoặc nhiều điốt riêng lẻ, mỗi điốt được kết nối với một đầu nối bằng một thanh dẫn ánh sáng sợi quang. Sợi pha tạp có một gương cộng hưởng khoang ở mỗi đầu - trên thực tế, cách tử Bragg được tạo ra trong sợi. Không có quang học số lượng lớn ở các đầu, trừ khi chùm tia đầu ra đi vào thứ gì đó không phải là sợi quang. Thanh dẫn ánh sáng có thể được xoắn lại, vì vậy nếu muốn, hốc laser có thể dài vài mét.

Cấu trúc lõi kép

Cấu trúc của sợi quang được sử dụng trong laser sợi quang rất quan trọng. Dạng hình học phổ biến nhất là cấu trúc lõi kép. Lõi bên ngoài không có lớp phủ (đôi khi được gọi là lớp phủ bên trong) thu thập ánh sáng được bơm và hướng nó dọc theo sợi quang. Phát xạ kích thích được tạo ra trong sợi quang đi qua lõi bên trong, lõi này thường ở chế độ đơn. Lõi bên trong chứa chất dopant ytterbium được kích thích bởi chùm ánh sáng máy bơm. Có nhiều hình dạng không phải hình tròn của lõi bên ngoài, bao gồm hình lục giác, hình chữ D và hình chữ nhật, giúp giảm khả năng thiếu chùm tia sáng từ lõi trung tâm.

Laser sợi quang có thể được bơm cuối hoặc bơm bên. Trong trường hợp đầu tiên, ánh sáng từ một hoặc nhiều nguồn đi vào phần cuối của sợi quang. Trong bơm bên, ánh sáng được đưa vào bộ chia, cung cấp cho lõi bên ngoài. nókhác với tia laze hình que, nơi ánh sáng đi vào vuông góc với trục.

Giải pháp này đòi hỏi sự phát triển thiết kế rất nhiều. Cần chú ý đến việc điều khiển ánh sáng bơm vào lõi để tạo ra sự nghịch đảo dân số dẫn đến phát xạ kích thích trong lõi bên trong. Lõi laser có thể có mức độ khuếch đại khác nhau tùy thuộc vào sự pha tạp của sợi quang, cũng như chiều dài của nó. Các yếu tố này được kỹ sư thiết kế điều chỉnh để đạt được các thông số cần thiết.

Giới hạn nguồn có thể xảy ra, đặc biệt khi hoạt động trong sợi quang chế độ đơn. Một lõi như vậy có diện tích mặt cắt ngang rất nhỏ, và kết quả là ánh sáng có cường độ rất cao đi qua nó. Đồng thời, hiện tượng tán xạ Brillouin phi tuyến tính ngày càng trở nên đáng chú ý hơn, khiến công suất đầu ra bị giới hạn ở mức vài nghìn watt. Nếu tín hiệu đầu ra đủ cao, phần cuối của sợi quang có thể bị hỏng.

Tính năng của laser sợi quang

Sử dụng sợi quang làm môi trường làm việc mang lại độ dài tương tác dài, hoạt động tốt với bơm diode. Hình dạng này mang lại hiệu quả chuyển đổi photon cao cũng như thiết kế chắc chắn và nhỏ gọn không có quang học rời rạc để điều chỉnh hoặc căn chỉnh.

Laser sợi quang, có thiết bị cho phép nó thích ứng tốt, có thể được điều chỉnh cho cả hàn các tấm kim loại dày và để tạo ra xung femto giây. Bộ khuếch đại sợi quang cung cấp khả năng khuếch đại một lần và được sử dụng trong viễn thông vì chúng có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng đồng thời. Độ lợi tương tự được sử dụng trong bộ khuếch đại công suất với bộ dao động chính. Trong một số trường hợp, bộ khuếch đại có thể hoạt động với tia laser CW.

Một ví dụ khác là nguồn phát xạ tự phát khuếch đại bằng sợi quang trong đó phát xạ kích thích bị triệt tiêu. Một ví dụ khác là laser sợi quang Raman với sự khuếch đại tán xạ kết hợp, làm thay đổi bước sóng một cách đáng kể. Nó đã được ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, nơi các sợi thủy tinh florua được sử dụng để tạo và khuếch đại Raman, thay vì các sợi thạch anh tiêu chuẩn.

Tuy nhiên, theo quy luật, các sợi được làm bằng thủy tinh thạch anh với một chất pha tạp đất hiếm trong lõi. Các chất phụ gia chính là ytterbium và erbium. Ytterbium có bước sóng từ 1030 đến 1080 nm và có thể phát xạ trên một phạm vi rộng hơn. Việc sử dụng bơm diode 940 nm làm giảm đáng kể sự thâm hụt photon. Ytterbium không có bất kỳ hiệu ứng tự dập tắt nào mà neodymium có ở mật độ cao, vì vậy neodymium được sử dụng trong laser số lượng lớn và ytterbium trong laser sợi quang (cả hai đều cung cấp bước sóng gần giống nhau).

Erbium phát ra trong khoảng 1530-1620 nm, an toàn cho mắt. Tần số có thể được tăng gấp đôi để tạo ra ánh sáng ở bước sóng 780 nm, điều này không có ở các loại laser sợi quang khác. Cuối cùng, ytterbium có thể được thêm vào erbium theo cách mà nguyên tố sẽ hấp thụbơm bức xạ và chuyển năng lượng này tới erbium. Thulium là một loại thuốc chống tia hồng ngoại gần khác, do đó là một vật liệu an toàn cho mắt.

Hiệu quả cao

Laser sợi quang là một hệ thống gần như ba cấp. Photon bơm kích thích quá trình chuyển đổi từ trạng thái cơ bản lên mức cao hơn. Quá trình chuyển đổi laser là sự chuyển đổi từ phần thấp nhất của mức cao nhất sang một trong những trạng thái cơ bản được phân tách. Điều này rất hiệu quả: ví dụ, ytterbium với một photon bơm 940 nm phát ra một photon có bước sóng 1030 nm và khiếm khuyết lượng tử (tổn thất năng lượng) chỉ khoảng 9%.

Ngược lại, neodymium được bơm ở bước sóng 808nm sẽ mất khoảng 24% năng lượng. Do đó, ytterbium vốn có hiệu suất cao hơn, mặc dù không phải tất cả đều có thể đạt được do mất một số photon. Yb có thể được bơm ở một số dải tần, trong khi erbium có thể được bơm ở bước sóng 1480 hoặc 980 nm. Tần số cao hơn không hiệu quả về mặt khiếm khuyết photon, nhưng hữu ích ngay cả trong trường hợp này vì các nguồn tốt hơn có sẵn ở bước sóng 980nm.

Nói chung, hiệu quả của laser sợi quang là kết quả của quá trình hai bước. Đầu tiên, đây là hiệu suất của diode bơm. Các nguồn bức xạ kết hợp bán dẫn rất hiệu quả, với hiệu suất 50% trong việc chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Kết quả của các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng có thể đạt được giá trị từ 70% trở lên. Với sự phù hợp chính xác của đường bức xạ đầu rasự hấp thụ tia laser sợi quang và hiệu suất bơm cao.

Thứ hai là hiệu suất chuyển đổi quang-quang. Với một khuyết tật photon nhỏ, có thể đạt được mức độ kích thích và hiệu suất chiết cao với hiệu suất chuyển đổi quang-quang 60–70%. Hiệu suất thu được nằm trong khoảng 25–35%.

Cấu hình khác nhau

Máy phát lượng tử sợi quang bức xạ liên tục có thể là chế độ đơn hoặc đa chế độ (đối với chế độ ngang). Các tia laser đơn chế độ tạo ra chùm tia chất lượng cao cho các vật liệu hoạt động hoặc chiếu tia qua khí quyển, trong khi các tia laser sợi quang công nghiệp đa chế độ có thể tạo ra công suất cao. Điều này được sử dụng để cắt và hàn, và đặc biệt để xử lý nhiệt ở nơi có diện tích lớn được chiếu sáng.

Laser sợi quang xung dài về bản chất là một thiết bị bán liên tục, thường tạo ra các xung kiểu mili giây. Thông thường, chu kỳ nhiệm vụ của nó là 10%. Điều này dẫn đến công suất đỉnh cao hơn so với ở chế độ liên tục (thường là gấp 10 lần) được sử dụng để khoan xung, chẳng hạn. Tần số có thể đạt đến 500 Hz, tùy thuộc vào thời lượng.

Q-chuyển mạch trong laser sợi quang hoạt động giống như trong laser số lượng lớn. Thời lượng xung điển hình nằm trong khoảng từ nano giây đến micro giây. Sợi càng dài, thời gian chuyển mạch Q đầu ra càng lâu, dẫn đến xung dài hơn.

Thuộc tính sợi quang áp đặt một số hạn chế đối với chuyển mạch Q. Tính phi tuyến tính của laser sợi quang có ý nghĩa hơn do diện tích mặt cắt ngang của lõi nhỏ, do đó công suất đỉnh phải bị hạn chế phần nào. Có thể sử dụng bộ chuyển mạch Q âm lượng để mang lại hiệu suất tốt hơn hoặc bộ điều biến sợi quang, được kết nối với các đầu của bộ phận hoạt động.

Các xung chuyển mạch Q có thể được khuếch đại trong sợi quang hoặc trong bộ cộng hưởng âm thanh. Có thể tìm thấy một ví dụ về phương pháp thứ hai tại Cơ sở Mô phỏng Thử nghiệm Hạt nhân Quốc gia (NIF, Livermore, CA), nơi laser sợi quang ytterbium là bộ tạo dao động chính cho 192 chùm tia. Các xung nhỏ trong tấm kính lớn pha tạp chất được khuếch đại lên thành megajoule.

Trong laser sợi quang bị khóa, tốc độ lặp lại phụ thuộc vào độ dài của vật liệu khuếch đại, như trong các sơ đồ khóa chế độ khác và thời lượng xung phụ thuộc vào băng thông khuếch đại. Ngắn nhất trong phạm vi 50 fs và điển hình nhất là trong phạm vi 100 fs.

Có một sự khác biệt quan trọng giữa sợi erbi và ytterbium, do chúng hoạt động ở các chế độ phân tán khác nhau. Sợi pha tạp Erbium phát ra ở bước sóng 1550 nm trong vùng phân tán dị thường. Điều này cho phép sản xuất soliton. Sợi ytterbium nằm trong vùng phân tán tích cực hoặc bình thường; kết quả là chúng tạo ra các xung với tần số điều chế tuyến tính rõ rệt. Do đó, có thể cần cách tử Bragg để nén độ dài xung.

Có một số cách để sửa đổi xung laser sợi quang, đặc biệt là đối với các nghiên cứu pico giây siêu nhanh. Sợi tinh thể quang tử có thể được tạo ra với lõi rất nhỏ để tạo ra các hiệu ứng phi tuyến tính mạnh, chẳng hạn như tạo siêu điều khiển. Ngược lại, các tinh thể quang tử cũng có thể được tạo ra với các lõi đơn mode rất lớn để tránh các hiệu ứng phi tuyến tính ở công suất cao.

Sợi tinh thể quang tử lõi lớn linh hoạt được thiết kế cho các ứng dụng công suất cao. Một kỹ thuật là cố ý uốn cong một sợi như vậy để loại bỏ bất kỳ chế độ bậc cao không mong muốn nào trong khi chỉ giữ lại chế độ ngang cơ bản. Sự không tuyến tính tạo ra sóng hài; bằng cách trừ và thêm tần số, các sóng ngắn hơn và dài hơn có thể được tạo ra. Các hiệu ứng phi tuyến tính cũng có thể nén các xung, tạo ra các tần số lược.

Là nguồn siêu điều khiển, các xung rất ngắn tạo ra phổ liên tục rộng bằng cách sử dụng điều chế tự pha. Ví dụ, từ xung 6 ps ban đầu ở 1050 nm mà laser sợi quang ytterbium tạo ra, một quang phổ thu được trong khoảng từ cực tím đến hơn 1600 nm. Một nguồn IR siêu điều khiển chân không khác được bơm bằng nguồn erbi ở bước sóng 1550 nm.

Công suất cao

Ngành công nghiệp hiện đang là ngành tiêu thụ laser sợi quang lớn nhất. Hiện nay nhu cầu điện đang rất cao.khoảng một kilowatt, được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Ngành công nghiệp ô tô đang hướng tới các phương tiện bằng thép có độ bền cao để đáp ứng các yêu cầu về độ bền và tương đối nhẹ để tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn. Ví dụ, đối với các máy công cụ thông thường, rất khó để đục lỗ trên loại thép này, nhưng các nguồn bức xạ kết hợp giúp việc này trở nên dễ dàng.

Cắt kim loại bằng laser sợi quang, so với các loại máy phát lượng tử khác, có một số ưu điểm. Ví dụ, các bước sóng hồng ngoại gần bị kim loại hấp thụ tốt. Chùm tia có thể được phân phối qua sợi quang, cho phép robot dễ dàng di chuyển tiêu điểm khi cắt và khoan.

Sợi đáp ứng các yêu cầu điện năng cao nhất. Một vũ khí của Hải quân Mỹ được thử nghiệm vào năm 2014 bao gồm 6 sợi laser 5,5 kW kết hợp thành một chùm và phát ra thông qua một hệ thống quang học tạo hình. Đơn vị 33 kW được sử dụng để tiêu diệt một máy bay không người lái. Mặc dù chùm tia không phải là chế độ đơn lẻ, nhưng hệ thống này rất thú vị vì nó cho phép bạn tạo ra một tia laser sợi quang bằng tay của chính mình từ các thành phần tiêu chuẩn, sẵn có.

Nguồn sáng kết hợp đơn chế độ công suất cao nhất từ IPG Photonics là 10 kW. Bộ dao động chính tạo ra một kilowatt công suất quang, được đưa vào tầng khuếch đại được bơm ở bước sóng 1018 nm với ánh sáng từ các laser sợi quang khác. Toàn bộ hệ thống có kích thước bằng hai chiếc tủ lạnh.

Việc sử dụng laser sợi quang cũng đã lan rộng sang hàn và cắt công suất cao. Ví dụ, họ đã thay thếhàn điện trở của thép tấm, giải quyết vấn đề biến dạng vật liệu. Kiểm soát công suất và các thông số khác cho phép cắt rất chính xác các đường cong, đặc biệt là các góc.

Laser sợi quang đa chế độ mạnh nhất - một máy cắt kim loại của cùng một nhà sản xuất - đạt 100 kW. Hệ thống này dựa trên sự kết hợp của một chùm tia rời rạc, vì vậy nó không phải là một chùm tia chất lượng cực cao. Độ bền này làm cho laser sợi quang trở nên hấp dẫn đối với ngành công nghiệp.

Khoan bê tông

Laser sợi quang đa chế độ 4KW có thể được sử dụng để khoan cắt bê tông. tại sao nó cần thiết? Khi các kỹ sư đang cố gắng đạt được khả năng chống động đất trong các tòa nhà hiện có, người ta phải rất cẩn thận với bê tông. Ví dụ, nếu cốt thép được lắp đặt trong đó, khoan búa thông thường có thể làm nứt và làm bê tông yếu đi, nhưng tia laser sợi quang sẽ cắt nó mà không làm nát nó.

Máy phát lượng tử với sợi chuyển mạch Q, chẳng hạn, được sử dụng để đánh dấu hoặc trong sản xuất điện tử bán dẫn. Chúng cũng được sử dụng trong máy đo khoảng cách: các mô-đun cỡ bàn tay chứa tia laser sợi quang an toàn cho mắt với công suất 4 kW, tần số 50 kHz và độ rộng xung 5-15 ns.

Xử lý bề mặt

Có rất nhiều sự quan tâm đến laser sợi nhỏ để gia công vi mô và nano. Khi loại bỏ lớp bề mặt, nếu thời gian xung ngắn hơn 35 ps thì không có vật liệu bắn tung tóe. Điều này ngăn ngừa sự hình thành của chỗ lõm vàtạo tác không mong muốn khác. Xung Femtosecond tạo ra các hiệu ứng phi tuyến tính, không nhạy cảm với bước sóng và không làm nóng không gian xung quanh, cho phép hoạt động mà không gây tổn hại hoặc suy yếu đáng kể cho các khu vực xung quanh. Ngoài ra, các lỗ có thể được cắt ở tỷ lệ chiều sâu và chiều rộng cao, chẳng hạn như nhanh chóng (trong vòng mili giây) tạo các lỗ nhỏ bằng thép không gỉ 1mm bằng cách sử dụng xung 800 fs ở 1 MHz.

Cũng có thể được sử dụng để xử lý bề mặt của vật liệu trong suốt như mắt người. Để cắt một vạt trong vi phẫu mắt, xung femto giây được tập trung chặt chẽ bởi vật kính khẩu độ cao tại một điểm bên dưới bề mặt mắt, mà không gây ra bất kỳ tổn thương nào cho bề mặt, nhưng phá hủy vật liệu mắt ở độ sâu được kiểm soát. Bề mặt nhẵn của giác mạc, rất cần thiết cho thị lực, vẫn còn nguyên vẹn. Sau đó, nắp được tách ra từ bên dưới có thể được kéo lên để tạo thành thấu kính laser đặc biệt bề mặt. Các ứng dụng y tế khác bao gồm phẫu thuật thâm nhập nông trong da liễu và sử dụng trong một số loại chụp cắt lớp kết hợp quang học.

Femtosecond laser

Máy phát lượng tửFemtosecond được sử dụng trong khoa học cho quang phổ kích thích với tia laser phá vỡ, quang phổ huỳnh quang phân giải theo thời gian, cũng như nghiên cứu vật liệu nói chung. Ngoài ra, chúng cần thiết để sản xuất tần số femto giâylược cần thiết trong đo lường và nghiên cứu chung. Một trong những ứng dụng thực tế trong ngắn hạn sẽ là đồng hồ nguyên tử cho các vệ tinh GPS thế hệ tiếp theo, giúp cải thiện độ chính xác của việc định vị.

Laser sợi quang đơn tần được tạo ra với độ rộng vạch phổ nhỏ hơn 1 kHz. Nó là một thiết bị nhỏ ấn tượng với công suất đầu ra từ 10mW đến 1W. Nó có ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông, đo lường (ví dụ, trong con quay hồi chuyển sợi quang) và quang phổ học.

Tiếp theo là gì?

Đối với các ứng dụng R&D khác, nhiều ứng dụng khác đang được khám phá. Ví dụ, một sự phát triển quân sự có thể được áp dụng cho các lĩnh vực khác, bao gồm việc kết hợp các chùm tia laze sợi quang để thu được một chùm tia chất lượng cao bằng cách sử dụng kết hợp đồng nhất hoặc kết hợp quang phổ. Do đó, đạt được nhiều năng lượng hơn trong chùm chế độ đơn.

Sản xuất laser sợi quang đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt là cho nhu cầu của ngành công nghiệp ô tô. Các thiết bị không sợi quang cũng đang được thay thế bằng các thiết bị sợi quang. Ngoài những cải tiến chung về chi phí và hiệu suất, máy phát lượng tử femto giây và nguồn siêu điều khiển đang ngày càng trở nên thiết thực. Laser sợi quang đang trở nên thích hợp hơn và đang trở thành nguồn cải tiến cho các loại laser khác.