Иттербиевый волоконный лазер: устройство, принцип работы, мощность, производство, применение

Волоконные лазеры компактны и прочны, точно наводятся и легко рассеивают тепловую энергию. Они бывают разных видов и, имея много общего с оптическими квантовыми генераторами других типов, обладают собственными уникальными преимуществами.

Волоконные лазеры: принцип работы

Устройства этого типа представляют собой вариацию стандартного твердотельного источника когерентного излучения с рабочим телом из оптоволокна, а не стержня, пластины или диска. Свет генерируется легирующей примесью в центральной части волокна. Основная структура может варьироваться от простой до довольно сложной. Устройство иттербиевого волоконного лазера таково, что волокно имеет большое отношение поверхности к объему, поэтому тепло может быть относительно легко рассеяно.

Волоконные лазеры накачиваются оптически, чаще всего с помощью диодных квантовых генераторов, но в некоторых случаях – такими же источниками. Оптика, используемая в этих системах, как правило, представляет собой волоконные компоненты, причем большинство или все они соединены друг с другом. В некоторых случаях используется объемная оптика, а иногда внутренняя оптоволоконная система сочетается с внешней объемной оптикой.

Источником диодной накачки может служить диод, матрица, или множество отдельных диодов, каждый из которых связан с соединителем волоконно-оптическим световодом. Легированное волокно на каждом конце имеет зеркало объемного резонатора – на практике в волокне делают решетки Брэгга. На концах объемной оптики нет, если только выходной луч не переходит в нечто иное, чем волокно. Световод может скручиваться, так что при желании лазерный резонатор может иметь длину в несколько метров.

Двухъядерная структура

Структура волокна, используемого в волоконных лазерах, имеет важное значение. Наиболее распространенной геометрией является двухъядерная структура. Нелегированное внешнее ядро ​​(иногда называемое внутренней оболочкой) собирает накачиваемый свет и направляет его вдоль волокна. Вынужденное излучение, генерируемое в волокне, проходит через внутреннее ядро, которое часто является одномодовым. Внутреннее ядро ​​содержит присадку иттербия, стимулируемую световым пучком накачки. Существует множество некруговых форм внешнего ядра, в числе которых – гексагональная, D-образная и прямоугольная, уменьшающих вероятность непопадания светового пучка в центральное ядро.

Волоконный лазер может иметь торцевую или боковую накачку. В первом случае свет от одного или нескольких источников поступает в торец волокна. При боковой накачке свет подается в разветвитель, который подает его во внешнее ядро. Это отличается от стержневого лазера, где свет поступает перпендикулярно к оси.

Для такого решения требуется много конструктивных разработок. Значительное внимание уделяется подведению света накачки в активную зону, чтобы произвести инверсию заселенности, ведущую к вынужденному излучению во внутреннем ядре. Сердцевина лазера может иметь различную степень усиления в зависимости от легирования волокна, а также от его длины. Эти факторы настраиваются инженером-конструктором для получения необходимых параметров.

Могут возникнуть ограничения мощности, в частности, при работе в пределах одномодового волокна. Такой сердечник имеет очень малую площадь поперечного сечения, и в результате через него проходит свет очень высокой интенсивности. При этом становится все более ощутимым нелинейное рассеяние Бриллюэна, которое ограничивает выходную мощность несколькими тысячами ватт. Если выходной сигнал является достаточно высоким, торец волокна может быть поврежден.

Особенности волоконных лазеров

Использование волокна в качестве рабочей среды дает большую длину взаимодействия, которая хорошо работает при диодной накачке. Эта геометрия приводит к высокой эффективности преобразования фотонов, а также надежной и компактной конструкции, в которой отсутствует дискретная оптика, требующая настройки или выравнивания.

Волоконный лазер, устройство которого позволяет ему хорошо адаптироваться, может быть приспособлен как для сварки толстых листов металла, так и для получения фемтосекундных импульсов. Световолоконные усилители обеспечивают однопроходное усиление и используются в сфере телекоммуникаций, поскольку способны усиливать многие длины волн одновременно. Такое же усиление применяется в усилителях мощности с задающим генератором. В некоторых случаях усилитель может работать с лазером непрерывного излучения.

Другим примером являются источники спонтанного излучения с волоконным усилением, в которых вынужденное излучение подавляется. Еще одним примером может служить рамановский волоконный лазер с усилением комбинированного рассеивания, существенно сдвигающим длину волны. Он нашел применение в научных исследованиях, где для комбинационной генерации и усиления используется фторидное стекловолокно, а не стандартные кварцевые волокна.

Тем не менее, как правило, волокна изготавливают из кварцевого стекла с редкоземельной легирующей примесью в ядре. Основными добавками являются иттербий и эрбий. Иттербий имеет длины волн от 1030 до 1080 нм и может излучать в более широком диапазоне. Использование 940-нм диодной накачки значительно сокращает дефицит фотонов. Иттербий не обладает ни одним из эффектов самогашения, которые есть у неодима при высоких плотностях, поэтому последний используется в объемных лазерах, а иттербий – в волоконных (они оба обеспечивают примерно одинаковую длину волны).

Эрбий излучает в диапазоне 1530–1620 нм, безопасном для глаз. Частоту можно удвоить для генерации света при 780 нм, что недоступно для волоконных лазеров других типов. Наконец, иттербий можно добавить к эрбию таким образом, что элемент будет поглощать излучение накачки и передавать эту энергию эрбию. Тулий – еще одна легирующая присадка со свечением в ближней инфракрасной области, которая, таким образом, является безопасным для глаз материалом.

Высокая эффективность

Волоконный лазер представляет собой квази-трехуровневую систему. Фотон накачки возбуждает переход от основного состояния на верхний уровень. Лазерный переход является переходом с самой нижней части верхнего уровня в одно из расщепленных основных состояний. Это очень эффективно: например, иттербий с 940-нм фотоном накачки излучает фотон с длиной волны 1030 нм и квантовым дефектом (потерей энергии) всего около 9 %.

В противоположность этому неодим, накачиваемый при 808 нм, теряет около 24 % энергии. Таким образом, иттербий по своей природе обладает более высокой эффективностью, хотя и не вся она достижима из-за потери некоторых фотонов. Yb может быть накачан в ряде полос частот, а эрбий – длиной волны 1480 или 980 нм. Более высокая частота не так эффективна, с точки зрения дефекта фотонов, но полезна даже в этом случае, потому что при 980 нм доступны лучшие источники.

В целом эффективность волоконного лазера является результатом двухступенчатого процесса. Во-первых, это КПД диода накачки. Полупроводниковые источники когерентного излучения очень эффективны, с 50 % КПД преобразования электрического сигнала в оптический. Результаты лабораторных исследований говорят о том, что можно достичь значения в 70 % и больше. При точном соответствии выходного излучения линии поглощения волоконного лазера и достигается высокий КПД накачки.

Во-вторых, это оптико-оптическая эффективность преобразования. При небольшом дефекте фотонов можно достичь высокой степени возбуждения и эффективности экстракции с оптико-оптической эффективностью преобразования в 60–70 %. Результирующий КПД находится в диапазоне 25–35 %.

Различные конфигурации

Оптоволоконные квантовые генераторы непрерывного излучения могут быть одно- или многомодовыми (для поперечных мод). Одномодовые производят высококачественный пучок для материалов, работающих или посылающих луч через атмосферу, а многомодовые промышленные волоконные лазеры могут генерировать большую мощность. Это используется для резки и сварки, и, в частности, для термообработки, где освещается большая площадь.

Длинноимпульсный волоконный лазер является, по существу, квазинепрерывным устройством, как правило, производящим импульсы миллисекундного типа. Обычно его рабочий цикл составляет 10 %. Это приводит к более высокой пиковой мощности, чем в непрерывном режиме (как правило, в десять раз больше), что используется, например, для импульсного сверления. Частота может достигать 500 Гц, в зависимости от длительности.

Модуляция добротности в волоконных лазерах действует также, как и в объемных. Типичная длительность импульса находится в диапазоне от наносекунды до микросекунды. Чем длиннее волокно, тем больше времени требуется для Q-переключения выходного излучения, что ведет к более продолжительному импульсу.

Свойства волокна накладывают некоторые ограничения на модуляцию добротности. Нелинейность волоконного лазера более значительна из-за малой площади поперечного сечения сердечника, так что пиковая мощность должна быть несколько ограничена. Можно использовать либо объемные переключатели добротности, которые дают более высокую производительность, или волоконные модуляторы, которые подсоединяются к концам активной части.

Импульсы с модуляцией добротности могут быть усилены в волокне или в объемном резонаторе. Пример последнего можно найти в Национальном комплексе имитации ядерных испытаний (NIF, Ливермор, Калифорния), где иттербиевый волоконный лазер является задающим генератором для 192 пучков. Малые импульсы в больших плитах из легированного стекла усиливаются до мегаджоулей.

У волоконных лазеров с синхронизацией частота повторения зависит от длины усиливающего материала, как и в других схемах синхронизации мод, а длительность импульса зависит от пропускной способности усиления. Самые короткие находятся в пределах 50 фс, а наиболее типичные – в диапазоне 100 фс.

Между эрбиевыми и иттербиевыми волокнами существует важное различие, в результате чего они работают в различных режимах дисперсии. Легированные эрбием волокна излучают при 1550 нм в области аномальной дисперсии. Это позволяет производить солитоны. Иттербиевые волокна находятся в области положительной или нормальной дисперсии; в результате они порождают импульсы с выраженной линейной частотой модуляции. В результате для сжатия длины импульса может понадобится брэгговская решетка.

Есть несколько способов изменения волоконно-лазерных импульсов, в частности, для сверхбыстрых пикосекундных исследований. Фотонно-кристаллические волокна могут быть изготовлены с очень малыми ядрами для получения сильных нелинейных эффектов, например, для генерации суперконтинуума. В противоположность этому фотонные кристаллы также могут быть изготовлены с очень большими одномодовыми сердечниками для избежания нелинейных эффектов при больших мощностях.

Гибкие фотонно-кристаллические волокна с большим сердечником создаются для применений, требующих высокой мощности. Одним из приемов состоит в намеренном изгибе такого волокна для устранения любых нежелательных мод высшего порядка с сохранением лишь основной поперечной моды. Нелинейность создает гармоники; с помощью вычитания и складывания частот можно создавать более короткие и более длинные волны. Нелинейные эффекты могут также производить сжатие импульсов, что приводит к появлению частотных гребенок.

В качестве источника суперконтинуума очень короткие импульсы производят широкий непрерывный спектр с помощью фазовой самомодуляции. Например, из начальных 6 пс импульсов при 1050 нм, которые создает иттербиевый волоконный лазер, получается спектр в диапазоне от ультрафиолета до более 1600 нм. Другой ИК-источник суперконтинуума накачивается эрбиевым источником на длине волны 1550 нм.

Большая мощность

Промышленность в настоящее время является крупнейшим потребителем волоконных лазеров. Большим спросом сейчас пользуется мощность порядка киловатта, применяемая в автомобилестроении. Автомобильная промышленность движется к выпуску автомобилей из высокопрочной стали, чтобы они отвечали требованиям долговечности и были относительно легкими для большей экономии топлива. Обычным станкам очень трудно, например, пробивать отверстия в этом виде стали, а источники когерентного излучения делают это легко.

Резка металлов волоконным лазером, по сравнению с квантовыми генераторами других типов, обладает рядом преимуществ. Например, ближний инфракрасный диапазон волн хорошо поглощается металлами. Луч может быть доставлен по волокну, что позволяет роботу легко перемещать фокус при резке и сверлении.

Оптоволокно удовлетворяет самым высоким требованиям к мощности. Оружие ВМФ США, испытанное в 2014 г., состоит из 6-волоконных 5,5-кВт лазеров, объединенных в один пучок и излучающих через формирующую оптическую систему. 33 кВт установка была использована для поражения беспилотного летательного аппарата. Хотя луч не является одномодовым, система представляет интерес, так как позволяет создать волоконный лазер своими руками из стандартных, легкодоступных компонентов.

Самая высокая мощность одномодового источника когерентного излучения компании IPG Photonics составляет 10 кВт. Задающий генератор производит киловатт оптической мощности, которая подается в каскад усилителя с накачкой при 1018 нм со светом от других волоконных лазеров. Вся система имеет размер двух холодильников.

Применение волоконных лазеров распространилось также на высокомощную резку и сварку. Например, они заменили контактную сварку листовой стали, решая проблему деформации материала. Управление мощностью и другими параметрами позволяет очень точно резать кривые, особенно углы.

Самый мощный многомодовый волоконный лазер - установка для резки металлов того же производителя - достигает 100 кВт. Система основана на комбинации некогерентного пучка, так что это не луч сверхвысокого качества. Такая стойкость делает волоконные лазеры привлекательными для промышленности.

Бурение бетона

Многомодовый волоконный лазер мощностью 4 кВт может использоваться для резки и бурения бетона. Зачем это нужно? Когда инженеры пытаются достичь сейсмостойкости существующих зданий, нужно быть очень осторожным с бетоном. При установке в нем, например, стальной арматуры обычное ударное бурение может привести к появлению трещин и ослабить бетон, но волоконные лазеры режут его без дробления.

Квантовые генераторы с модулированной добротностью волокна используются, например, для маркировки или при производстве полупроводниковой электроники. Также они используются в дальномерах: модули размером с руку содержат безопасные для глаз волоконные лазеры, мощность которых составляет 4 кВт, частота 50 кГц и длительность импульса 5–15 нс.

Обработка поверхностей

Существует большой интерес в небольших волоконных лазерах для микро- и нанообработки. При снятии поверхностного слоя, если длительность импульса короче 35 пс, отсутствует разбрызгивание материала. Это исключает образование углублений и других нежелательных артефактов. Импульсы в фемтосекундном режиме производят нелинейные эффекты, которые не чувствительны к длине волны и не нагревают окружающее пространство, что позволяет работать без существенного повреждения или ослабления окружающих участков. Кроме того, отверстия могут быть разрезаны с большим отношением глубины к ширине – например, быстро (в течение нескольких миллисекунд) проделать небольшие отверстия в 1-мм нержавеющей стали с помощью 800-фс импульсов с частотой 1 МГц.

Можно также производить поверхностную обработку прозрачных материалов, например, глаза человека. Чтобы вырезать лоскут при микрохирургии глаза, фемтосекундные импульсы плотно фокусируются высокоапертурным объективом в точке ниже поверхности глаза, не вызывая никаких повреждений на поверхности, но разрушая материал глаза на контролируемой глубине. Гладкая поверхность роговицы, которая имеет важное значение для зрения, остается целой и невредимой. Лоскут, отделенный снизу, затем может быть подтянут для поверхностного эксимер-лазерного формирования линзы. Другие медицинские применения включают хирургию неглубокого проникновения в дерматологии, а также использование в некоторых видах оптической когерентной томографии.

Фемтосекундные лазеры

Фемтосекундные квантовые генераторы в науке используют для спектроскопии возбуждения с лазерным пробоем, флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением, а также для общего исследования материалов. Кроме того, они нужны для производства фемтосекундных частотных гребенок, необходимых в метрологии и общих исследованиях. Одним из реальных применений в краткосрочной перспективе станут атомные часы для спутников GPS нового поколения, что позволит увеличить точность позиционирования.

Одночастотный волоконный лазер производится с шириной спектральной линии менее 1 кГц. Это впечатляюще небольшое устройство с выходом излучения мощностью от 10 мВт до 1 Вт. Находит применение в области связи, метрологии (например, в волоконных гироскопах) и спектроскопии.

Что дальше?

Что касается других научно-исследовательских применений, то еще многие из них изучаются. Например, военная разработка, которую можно применять и в других областях, заключающаяся в комбинировании волоконно-лазерных пучков для получения одного высококачественного луча с помощью когерентной или спектральной комбинации. В результате в одномодовом луче достигается большая мощность.

Производство волоконных лазеров быстро растет, особенно для нужд автомобилестроения. Также происходит замена неволоконных устройств волоконными. Помимо общих улучшений в стоимости и производительности, появляются все более практичные фемтосекундные квантовые генераторы и источники суперконтинуума. Волоконные лазеры занимают все больше ниш и становятся источником улучшения для лазеров других типов.