Dezvoltarea hiperactivă a industriei moderne stimulează adesea apariția unor noi abordări tehnologice bazate pe dezvoltări științifice avansate care vizează extinderea gamei și cantității de produse. Un exemplu de succes al unei astfel de simbioze a cerințelor de producție cu realizările științifice este domeniul tehnologiei laser. O mulțime de avantaje cu un minim de dezavantaje au devenit motivul introducerii pe scară largă în domeniul marcajului pieselor, ansamblurilor și produselor echipamentelor bazate pe tehnologii laser.
Industria de marcare cu laser folosește o gamă largă de echipamente laser (CATALOG), bazat pe utilizarea diferitelor tipuri de emițători laser. Calitatea radiațiilor, durata de viață semnificativă și stabilitatea fluxului luminos generat au determinat utilizarea cea mai largă a echipamentelor de marcare bazate pe lasere cu stare solidă. O mașină de marcat industrială bazată pe un laser în stare solidă este fabricată în diverși factori de formă și, în funcție de cerințele de producție, poate fi fie compactă pentru utilizare flexibilă într-o zonă de producție, fie staționară cu echipamente suplimentare pentru marcarea loturilor în serie.
Laserele cu fibră, care sunt utilizate în mod activ în multe sisteme de marcare cu laser, aparțin grupului de lasere cu stare solidă, funcționează cu o lungime de undă de 1,064 microni și permit obținerea unei puteri ridicate a fasciculului la ieșire. Un laser cu fibră optică generează energie datorită pompării cu diode a mediului activ, care este o fibră optică încorporată.
Un circuit tipic al unui astfel de dispozitiv este format din trei componente principale:
- Modul de pompare. LED-urile de bandă largă sau diodele laser cu radiație monomod sunt utilizate ca sursă de pompă pentru ghidurile de undă optice, oferind luminozitate ridicată și o durată lungă de viață;
- Mediu activ. Constă dintr-o fibră optică activă și un ghid de undă cu pompă. Se folosesc ghidaje de lumină din fibre dopate cu elemente de pământuri rare sau bismut. Densitatea de dopaj este determinată de lungimea fibrei optice fabricate. Materialul principal al fibrei optice este silice topită ultra-pură, care are pierderi optice minime. Limita superioară a puterii pompei unui astfel de cuarț dopat este de câțiva kilowați, care este determinată de puterea maximă de radiație pe unitatea de suprafață la care materialul nu este distrus;
- Rezonator optic. Îndeplinește funcțiile unui sistem rezonant laser și este conceput pentru a crea feedback optic pozitiv, datorită căruia amplificatorul laser se transformă într-un generator laser. Acesta concentrează lumina emisă de substanța activă într-un fascicul îngust. Rezonatorul determină spectrul, polarizarea și direcția radiației generate. Cele mai utilizate modele de rezonatoare sunt oglinzile Bragg, rezonatoarele inelare și rezonatoarele Fabry-Perot.
Aplicații echipamente tehnologice pentru marcare, echipate cu lasere cu fibră optică, sunt destul de diverse: microprelucrări precise diverse materiale, marcaj grafic, micro-frezare, inscriptii pe tablouri de bord, structurarea artistică a suprafețelor. Marcarea plăcilor și plăcuțelor de identificare, identificarea codurilor de bare, prelucrarea materialelor din folie subțire - toate acestea sunt ușor posibile cu echipamente bazate pe lasere cu fibră optică.
Dispozitivele de marcare bazate pe emițători laser cu fibră concurează cu succes cu alte tipuri de marcare, atât tradiționale, cât și bazate pe alte tipuri de lasere. Sunt ieftine, compacte, ușor de operat, au viteză și eficiență ridicate de operare.
Laserele cu fibră sunt înțelese ca lasere cu stare solidă pompate optic, al căror element activ este un ghid de lumină cu fibre cu aditivi ai activatorilor laser. Cele mai promițătoare pentru sistemele de ghidare a luminii sunt laserele bazate pe fibre activate de ionii de neodim Ionii de neodim au două linii laser principale cu lungimi de undă centrale µm și µm, situate în intervalul spectral în care pierderile și dispersia luminii în fibrele de cuarț sunt minime.
Orez. 4.11. Dependența lungimii secțiunii releului de viteza de transmisie a informațiilor pentru o fibră în trepte cu atenuare pentru microni:
1 - pentru o diodă laser (scăderea caracteristică în secțiunea BC se datorează dispersiei intermodale) 2 - pentru o diodă emițătoare de sbeto (declinul caracteristic se datorează spectrului larg al diodei din secțiune și, în plus față de scăderea caracteristicii frecvenței în secțiune)
Caracteristicile spectrale ale amplificării neodimului sunt practic independente de condițiile externe, deviația de temperatură a lungimii de undă corespunzătoare amplificării maxime a ionilor de neodim este egală, în timp ce pentru mediile semiconductoare acest parametru este Designul fibrei emițătorului permite utilizarea conectorilor standard pentru introduce în mod eficient radiația în ghidajele de lumină din fibre, inclusiv și monomod.
În ciuda acestor avantaje și, așa cum se va arăta mai jos, o funcționalitate largă, laserele cu fibră nu au părăsit încă stadiul cercetării. Acest lucru se explică prin faptul că la crearea sistemelor de fibră optică, multe probleme au fost rezolvate folosind emițători semiconductori bine dezvoltati, mai ales în sistemele destul de simple fiind implementate în primul rând, unde unul dintre principalele avantaje ale surselor de semiconductori joacă un rol decisiv. - posibilitatea de modulare directa a intensitatii radiatiei de catre curentul pompei. La laserele cu stare solidă, în special la laserele bazate pe medii activate cu neodim, modularea de mare viteză a intensității radiației prin modificarea puterii pompei este fundamental imposibilă din cauza timpului de relaxare longitudinală relativ lung. Incapacitatea de a „porni” rapid inversiunea populației limitează frecvențele de modulație directă la valori Hz. Dezvoltarea sistemelor de ghidare a luminii, în special a sistemelor promițătoare ale viitorului apropiat, cu recepție coerentă și spectralitate multicanal
compactarea stimulează dezvoltarea laserelor cu fibră, care pot fi folosite nu numai ca generatoare, ci și ca amplificatoare de lumină.
Modelele existente de laser cu fibră pot fi împărțite în trei grupuri. Laserele cu fibre din primul grup folosesc pachete de mai multe fibre lungi și pompare puternică cu lămpi cu descărcare în gaz pulsat. Feedback-ul pozitiv în astfel de structuri se formează datorită reflectării luminii de la capetele fibrelor și reîmprăștierii la microcoduri și neomogenități.
Orez. 4.12. Proiectări lasere cu fibră: a - cu pompare la capăt; b - cu pompare transversală pentru fibre cu diametru mic, cu direct așezarea fibrelor pe o riglă - platformă emițătoare - oglindă cu rezonanță laser, transparentă la radiații, 13 - fibră activă, 5 - oglindă rezonatoare; 6 - adeziv optic, 8 - reflector, 9 - cilindru de sticlă, 10, 12 - calorifere; 11, 14 - linii LED
Pomparea cu tuburi face posibilă obținerea de câștiguri mari într-o singură trecere, dar necesită utilizarea unor sisteme de răcire cu lichid forțat și surse de alimentare voluminoase, ceea ce aparent face ca crearea de dispozitive de dimensiuni mici să fie nerealistă. Anumite perspectiveîn acest sens poate implica utilizarea de microlampi cu descărcare în gaz. Avantajele modelelor cu lămpi pompate includ posibilitatea de a le utiliza ca amplificatoare optice cu unde călătorie și amplificatoare regenerative cu un câștig destul de mare (~30-40 dB).
Al doilea grup de modele cu laser cu fibre utilizează lungimi scurte de fibre monocristaline și de sticlă dopate cu ioni de neodim. Pomparea se realizează prin capătul fibrei cu un laser semiconductor sau LED. Suficient randament ridicat pomparea se realizează prin potrivirea spectrului de emisie al unui emițător semiconductor bazat pe un GVD GaAlAs cu una dintre liniile intense de absorbție ale neodimului cu o lungime de undă centrală de aproximativ
0,81 µm. Proiectarea laserelor cu fibră din al doilea grup este prezentată schematic în Fig. 4.12, a. Datorită câștigului scăzut al mediului activ, se formează cavitatea laser
oglinzi dielectrice cu reflectivitate mare. Laserele pe bază de fibre monocristaline din granat de ytriu aluminiu cu neodim și fibre de cuarț de sticlă cu neodim au acest design. Există rapoarte de generare cu pompare finală cu un laser krypton într-o fibră cristalină și cu pompare cu un laser argon într-o fibră de rubin Cele mai bune rezultate s-au obținut la utilizarea unui cristal cu o geometrie a fibrei, de 0,5 cm lungime și 80. μm în diametru. Rezonatorul extern (Fig. 4.12, a) era format din oglinzi cu un strat dielectric, dintre care una avea un coeficient de reflexie pt. radiatii laser cu microni și numai pentru radiația pompei, a doua oglindă cu aceeași reflectivitate ridicată pentru radiația laser a reflectat destul de bine lumina pompei Oglinzile erau situate aproape de capetele fibrei. Pomparea a fost efectuată de un LED de suprafață cu un diametru al zonei de emisie de 85 μm. Puterea de prag a pompei a fost
Principalele avantaje ale laserelor cu fibră cu acest design sunt consumul redus de energie și dimensiunile totale. Principalele dezavantaje: circuitul de pompare final nu permite utilizarea segmentelor de fibră cu o lungime mai mare de 1 cm, ceea ce limitează puterea de ieșire. În plus, tehnologia de fabricație și aliniere a acestor lasere este complexă, iar prezența unui LED de pompă la unul dintre capete complică utilizarea laserului ca amplificator de semnal optic.
Laser cu fibră cu mai multe ture cu pompare transversală prin bare LED (Fig. reprezintă modelele celui de-al treilea grup. Pe bara LED sunt plasate mai multe spire de fibră de sticlă, al cărei miez este activat de ionii de neodim. Designul într-o anumită măsură combină avantajele laserelor cu fibră din primul și al doilea grup și este lipsită de majoritatea dezavantajelor acestora este posibil să se obțină un câștig destul de mare într-o singură trecere Datorită diametrului mic al fibrelor optice într-o schemă de pompare transversală, utilizarea fibrelor de sticlă cu o concentrație ridicată de ioni este eficientă, cu un coeficient de absorbție ridicat Fibrele din ultrafosfați de neodim au astfel de proprietăți. în moduri diferite. Astfel, o bucată de fibră este trasă în mod repetat printr-un cilindru de sticlă cu un diametru de aproximativ 1 mm (Fig. 4.12, b), pentru a suprafata exterioara care are un strat reflectorizant aplicat pe
creșterea eficienței utilizării radiației pompei. Această metodă este preferată pentru fibrele cu un diametru exterior mic (µm). Fibrele cu diametrul mai mare pot fi așezate pe linia de LED-uri turn to turn (Fig. 4.12, c). Ambele modele pot fi folosite ca amplificatoare optice cu undă de călătorie, cu un capăt al ghidajului de lumină fiind intrarea amplificatorului, iar celălalt fiind ieșirea. Aplicarea straturilor de oglindă la capetele fibrelor permite aplicarea laserului cu un rezonator de fibre Fabry-Perot.
Caracteristicile proceselor laser din fibrele optice active sunt determinate de prezența unei generații laser specifice în absența feedback-ului pozitiv.
Orez. 4.13. Ghid de lumină din fibre: a - cu miez activ și placare pasivă; b - cu un miez pasiv și o carcasă activă (2)
Aceasta este principala diferență dintre laserele cu fibră și laserele bazate pe elemente active volumetrice. Pentru a explica esența acestui proces, care este apropiat de regimul de superluminiscență în LED-urile semiconductoare, să luăm în considerare o secțiune elementară a ghidului de lumină în care se creează o populație inversată (Fig. 4.13, a). Emisia spontană are loc cu probabilitate egală în toate direcțiile, dar radiația, concentrată în două conuri de unghiuri care au o axă comună cu fibra și sunt determinate de un unghi de deschidere de 20, nu părăsește miezul. Aici
unde sunt indicii de refracție ai miezului și respectiv ai învelișului Această radiație excită oscilații (moduri) naturale ale fibrei, care sunt amplificate de emisia stimulată în timpul propagării de-a lungul fibrei spre dreapta și spre stânga (Fig. 4.13, a). Aceeași imagine este observată pentru orice altă secțiune elementară a miezului de fibre active. La ieșirea unei astfel de surse de lumină cu fibre, divergența radiației este determinată aproximativ de deschiderea numerică a fibrei.
Atâta timp cât intensitatea undelor luminoase care se propagă între ele într-un ghid de lumină activ este semnificativ mai mică decât valoarea care saturează câștigul, undele de contrapropagare sunt independente, precum și energiile transferate de diferite moduri ale ghidului de lumină. În aceste condiții, procesul de amplificare a emisiei spontane datorată emisiei stimulate este descris de binecunoscutele ecuații ale unui amplificator laser fără saturație și ținând cont de emisia spontană. Densitatea de putere spectrală a radiației într-un mod la ieșirea secțiunii active a unei lungimi de fibre (Fig. 4.13, a) este egală cu
Iată constanta lui Planck; - frecventa vibratiilor luminii; - populația nivelurilor laser superioare și inferioare; - câștig pe unitate de lungime, unde este coeficientul Einstein pentru tranziția forțată; - forma normalizată a liniei de câștig spectral; c este viteza luminii. Puterea maximă generată poate fi limitată fie de lungimea ghidului de lumină, fie, ca la laserele cu rezonatoare, de saturație. Desigur, în timpul procesului de amplificare, spectrul de generare se îngustează în comparație cu spectrul de luminiscență datorită faptului că componentele spectrale din centrul liniei sunt mai mult amplificate. Lățimea spectrului este determinată de câștig și formă, iar spectrul de emisie este continuu datorită absenței unui rezonator.
Procesul specific laser cu fibră luat în considerare are trei aspecte semnificative.
1. Ghidul de lumină cu fibră activă poate fi folosit ca sursă de lumină fără rezonator optic.
2. Atunci când se creează lasere cu fibră folosind un design tradițional al cavității, este necesar să se țină cont de faptul că procesul luat în considerare poate duce la obținerea de saturație într-o singură trecere, în urma căreia feedback-ul își va pierde sensul. În acest caz, valorile și trebuie alese astfel încât să fie departe de valoarea care saturează câștigul.
3. În amplificatoarele cu fibră optică, generarea de lumină ca urmare a procesului discutat este principala sursă de zgomot. Densitatea spectrală a puterii zgomotului într-un mod, recalculată la intrarea amplificatorului, după cum urmează din formula (4.12), este egală cu
Într-un sistem cu patru niveluri, cum ar fi circuitul de nivel cu laser cu neodim, de obicei la câștiguri mari
În amplificatoarele volumetrice, zgomotul emisiei spontane amplificate a fost considerat de mult timp în mod fundamental inamovibil (a se vedea, de exemplu, lucru), cu toate acestea, în amplificatoarele cu fibră, nivelul său poate fi redus semnificativ atunci când se utilizează ghidajul de lumină prezentat în Fig. 4.13, 6. Fibră monomodală, al cărei miez este din sticlă de cuarț cu un aditiv care mărește indicele de refracție, de exemplu, are o placare de sticlă activată de ioni de neodim. Crearea unei populații inverse în placare duce la amplificarea modului de bază cu un câștig efectiv
unde este câștigul în coajă; - o parte din puterea modului miez care se propagă în placare; P este puterea totală transportată de acest mod. Raportul se modifică de la 0,99 la 0,1 când parametrul fibrei se modifică de la 0,6 la 2,4048. Când miezul începe să direcționeze eficient modul principal prin localizarea câmpului său aproape de sine, al doilea mod este excitat. Formula a fost obținută în același mod ca și expresia pentru coeficientul de atenuare al unei fibre cu o placare în care apar pierderi de radiație de calitate inferioară celor din fibre. Dezavantajele semnificative ale primelor sunt instabilitatea temperaturii liniei de câștig (pentru microni), pierderi semnificative la conectarea ghidajelor de lumină cu fibre monomod la ghidul de lumină plan al amplificatorului și nivel înalt putere de zgomot - radiație de superluminiscență.
Laserele cu fibre deschid posibilitatea de a crea noi tipuri de FOD. Elementul sensibil, care este un ghid de lumină cu fibră, este aici parte a unui inel de fibre sau a unui rezonator laser liniar.
Orez. 4.14. Laser cu fibră cu o singură frecvență cu distribuție feedback(a) și oglinzi Bragg (b): 1 - miez activ; 2 - coajă cu structură periodică
O modificare a fazei oscilațiilor luminii sub influența factorilor externi duce la o modificare a frecvențelor de generare a diferitelor moduri în lasere. Informațiile despre influențele externe sunt conținute în modificarea frecvenței bătăilor intermodale. Pe baza unui laser cu fibră cu rezonator inel, care se realizează prin sudarea capetelor ghidajului de lumină sau prin detașarea acestora, este destul de simplu să se creeze un giroscop cu fibre laser de dimensiuni mici.
Laserele cu fibră stabile cu o singură frecvență pot fi implementate ca un feedback distribuit sau un design de reflexie Bragg distribuit. Pentru a face acest lucru, un filtru spectral reflectorizant al fibrei este creat în anumite secțiuni ale fibrei folosind una dintre metodele care vor fi descrise mai jos (vezi paragraful 4.8) (Fig. 4.14). Asemenea surse pot fi utilizate în diode cu apă de fază.
Utilizarea laserelor cu fibre superluminescente face posibilă simplificarea proiectării giroscoapelor cu fibre pasive și creșterea sensibilității acestora prin reducerea nivelului de zgomot cauzat de prezența elementelor volumetrice. În interferometrele inelare și giroscoape, nivelul de zgomot scade odată cu scăderea lungimii de coerență a radiației sursei și a numărului de elemente volumetrice (vezi secțiunea 3.6). Într-o sursă de fibre, este ușor de asigurat că lungimea de coerență a radiației este mai mare decât diferența de cale a undelor de contrapropagare ale interferometrului, datorită rotației și efectelor nereciproce. Laserele cu fibră superluminiscente au o lățime de spectru în nm și o putere de impuls destul de mare
se conectează la un interferometru inel de fibre folosind cuple standard.
THOMAS SCHRIEBER, ANDREAS TUNNERMANN și ANDREAS THOMS
Prin identificarea problemelor cu laserele cu fibră de mare putere și optimizarea fibrei optice, s-a obținut o putere monomod de 4,3 kW, cu posibile scalare în viitor și noi aplicații laser ultra-rapide în dezvoltare.
Dacă există o tendință clară în tehnologia laser, aceasta este creșterea laserelor cu fibră. Laserele cu fibră au luat cota de piață de la laserele cu CO2 de mare putere, precum și de la laserele volumetrice cu stare solidă în tăierea și sudarea de mare putere. Principalii producători de lasere cu fibră se îndreaptă acum către o serie de aplicații noi pentru a captura și mai multe piețe.
Dintre laserele de mare putere, sistemele cu un singur mod oferă caracteristici care le fac dezirabile: au cea mai mare luminozitate și pot fi focalizate până la câțiva microni și la cele mai mari intensități. Ele prezintă, de asemenea, cea mai mare profunzime de focalizare, făcându-le cele mai potrivite pentru procesarea de la distanță.
Cu toate acestea, sunt dificil de fabricat și doar liderul de piață PHG Photonics (Oxford, MA) oferă un sistem monomod de 10 kW (2009).
Din păcate, nu există date disponibile despre aceste caracteristici ale fasciculului, în special despre orice componente posibile multimodale care ar putea corespunde unui fascicul cu un singur mod.
O echipă de cercetători din Germania a demonstrat o putere monomod de 4,3 kW de la un laser cu fibră în care puterea de ieșire a fost limitată doar de puterea de intrare a pompei.
Finanțat de guvernul german și în colaborare cu TRUMPF (Ditzingen, Germania), Active Fiber Systems, Jenoptik și Institutul Leibniz pentru Tehnologie Fotonică, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Friedrich Schiller și Institutul Fraunhofer pentru Optică Aplicată și Inginerie de Precizie (toate din Jena, Germania) au analizat provocările pentru scalarea unor astfel de lasere și apoi au dezvoltat noi fibre pentru a depăși limitările. Echipa a finalizat cu succes o serie de teste care arată o putere monomod de 4,3 kW, în care ieșirea laserului cu fibră a fost limitată doar de puterea de intrare a pompei.
Efecte de izolare pentru scalarea laser cu fibre monomod
Care sunt provocările pentru un astfel de laser cu fibră de mare putere cu un singur mod? Acestea pot fi grupate în trei domenii: a) pompare îmbunătățită, b) dezvoltarea fibrei active cu pierderi optice reduse care funcționează numai în modul unic și c) măsurarea corectă a radiației rezultate.
În acest articol, vom presupune că a) este rezolvat folosind diode laser de înaltă luminozitate și tehnici de decuplare adecvate și ne vom concentra pe celelalte două domenii.
La dezvoltarea fibrei active pentru aplicații monomod de mare putere, pentru optimizare sunt utilizate două seturi generale de parametri: dopaj și geometrie. Toți parametrii trebuie să fie determinați pentru pierderea minimă, funcționarea cu un singur mod și, în final, câștigul de mare putere. Un amplificator ideal cu fibră va oferi rate de conversie ridicate de peste 90%, calitate excelentă a fasciculului și putere de ieșire limitată doar de puterea disponibilă a pompei.
Cu toate acestea, extinderea unui sistem monomod la puteri mai mari poate duce la densități mai mari de putere în nucleul activ, o sarcină termică crescută și o serie de efecte optice neliniare, cum ar fi împrăștierea Raman stimulată (SRS) și împrăștierea Brillouin stimulată (SBS).
În funcție de dimensiunea miezului activ, mai multe moduri transversale pot fi excitate și amplificate. Pentru un anumit pas de index între miez și înveliș, cu cât secțiunea transversală activă a celulei active este mai mică, cu atât este mai mic numărul de astfel de moduri. Cu toate acestea, un diametru mai mic înseamnă și o densitate de putere mai mare. Câteva trucuri, cum ar fi îndoirea fibrelor, adaugă pierderi pentru moduri mai mari.
Cu toate acestea, pentru diametre mai mari ale miezului și sarcini termice, pot apărea alte comportamente. Aceste moduri sunt supuse interacțiunii în timpul amplificării – fără condiții optime de propagare, profilul de ieșire poate deveni instabil spațial sau temporal.
Instabilitatea modului transversal
Fibrele dopate cu yterbiu (Yb) sunt un mediu de lucru tipic pentru laserele cu fibre monomod de mare putere. Dar dincolo de un anumit prag, ele arată un efect complet nou - așa-numitele instabilități în mod transversal (TMI).
La un anumit nivel de putere, apar brusc moduri mai mari sau chiar moduri de placare, energia este transferată dinamic între aceste moduri, iar calitatea fasciculului este redusă.
Fasciculul începe să oscileze la ieșire.
De când a fost descoperit TMI, a fost observat într-o varietate de modele de fibre, de la fibre cu indice de pas până la fibre de cristal fotonic. Doar valoarea sa de prag depinde de geometrie și dopaj, dar o estimare aproximativă sugerează că acest efect depășește puterea de ieșire de 1 kW.
Între timp, sa constatat că efectul se datorează efectelor termice din interiorul fibrei, cu o relație puternică cu efectele de fotoîntunecare. Mai mult, susceptibilitatea laserelor cu fibră la TMI pare să depindă de compoziția miezului.
Geometria indicelui de pas conduce la o serie de parametri de optimizare. Diametrul miezului, dimensiunea carcasei pompei și diferența de indice de refracție dintre miez și carcasa pompei pot fi personalizate. Această setare depinde de concentrația de dopant, adică concentrația de ioni Yb poate fi utilizată pentru a controla lungimea de absorbție a radiației pompei în fibra activă. Se pot adăuga și alți aditivi pentru a reduce efectele termice și pentru a controla stadiul indicelui de refracție.
Dar există anumite cerințe contrare. Pentru a reduce efectele neliniare, fibra trebuie să fie mai scurtă. Cu toate acestea, pentru a reduce sarcina termică, fibra trebuie să fie mai lungă. Foto-întunecarea crește odată cu pătratul concentrației de dopant, astfel încât fibrele mai lungi cu dopaj mai scăzut vor fi și ele mai bune.
Aplicații în știința ultrarapidă
După aproximativ un deceniu de stagnare în scalarea laserelor cu fibră monomod de mare putere, acum pare fezabilă să se dezvolte o nouă generație de lasere cu fibră de clasă kilowați, cu o calitate excelentă a fasciculului.
Sunt afișate puteri de ieșire de 4,3 kW, limitate doar de puterea pompei.
Au fost identificate principalele limitări pentru scalarea ulterioară și au fost identificate modalități de depășire a acestor limitări.
De remarcat că a fost o investigare amănunțită a tuturor efectelor cunoscute și optimizarea ulterioară a parametrilor care a condus la progrese în proiectarea fibrelor și, în sfârșit, la noi recorduri în ceea ce privește puterea de ieșire.
Redimensionarea și adaptarea ulterioară a fibrei pentru alte aplicații par fezabile și vor fi urmărite în continuare.
Acest lucru deschide o serie de perspective interesante.
Pe de o parte, transferul rezultatelor în produse industriale este de dorit de partenerii de proiect, dar va necesita eforturi suplimentare majore de dezvoltare.
Pe de altă parte, această tehnologie este foarte importantă pentru scalarea altor sisteme laser cu fibră optică, cum ar fi amplificatoarele cu fibră femtosecundă.
REFERINȚE
- F. Beier și colab., „Putere de ieșire de 4,3 kW monomod de la un amplificator de fibră dopat Yb pompat direct cu diode”, care urmează să fie publicat în Opt. Expres.
- T. Eidam şi colab., Opt. Lett., 35, 94–96 (2010).
- M. Müller şi colab., Opt. Lett., 41, 3439–3442 (2016).
Traducere de Serghei Rogalev
Termenul „laser cu fibră” se referă de obicei la un laser cu o fibră optică ca mediu de câștig, deși unele lasere cu un mediu de câștig semiconductor și un rezonator cu fibră sunt numite și lasere cu fibră. În majoritatea cazurilor, mediul de câștig al laserelor cu fibre este o fibră dopată cu ioni de pământuri rare, cum ar fi erbiu (Er 3+), neodim (Nd 3+), iterbiu (Yb 3+), tuliu (Tm 3+) sau praseodimiu ( Pr 3+). Pentru pompare se folosesc una sau mai multe diode laser.
Cavitatea laser cu fibre
Pentru a crea un rezonator liniar al unui laser cu fibră, este necesar să utilizați un fel de reflector (oglindă) sau să creați un rezonator inel (laser cu fibră inel).
Utilizați rezonatoare liniare laser cu fibră diverse tipuri oglinzi:
· În configurații simple de laborator, oglinzile dielectrice convenționale pot fi atașate la capetele despicate perpendicular ale fibrei, așa cum se arată în Figura 1. Această abordare, totuși, nu este foarte practică pentru producţie în masăși, de asemenea, nu foarte de încredere.
· 
Reflexia Fresnel de la capătul fibrei este adesea suficientă pentru a fi utilizată ca oglindă de ieșire a unei cavități laser cu fibră. În fig. 2 arată un exemplu.
· De asemenea, este posibil să se aplice învelișuri dielectrice direct la capetele fibrelor, de obicei prin pulverizare. Astfel de acoperiri pot fi utilizate pentru reflexie pe o gamă largă.
· 
Multe lasere cu fibre folosesc rețele Bragg de fibre formate direct în fibra dopată sau într-o fibră nedopată legată de stratul activ. Figura 3 prezintă un laser cu reflector Bragg distribuit (DBR) cu două rețele de fibre, dar există și lasere cu feedback distribuit cu o singură rețea în fibre dopate cu o schimbare de fază în mijloc.
· 
Cele mai bune caracteristiciîn funcție de puterea pe care o poți obține prin utilizarea unui colimator pentru a scoate lumină din fibră și reflectând-o înapoi folosind o oglindă dielectrică (Fig. 4). Intensitatea la oglinda este semnificativ redusa datorita suprafetei mult mai mari a fasciculului. Cu toate acestea, un mic offset poate duce la pierderi semnificative de reflexie, pierderi dependente de polarizare etc.
· 
O altă opțiune este să folosiți o oglindă sub formă de buclă de fibre (Figura 5), bazată pe un cuplaj de fibre (de exemplu, raport de scindare 50:50) și o bucată de fibră pasivă.
Majoritatea laserelor cu fibră sunt pompate de unul sau mai multe lasere cu diodă de ieșire cu fibre (lumina cu diodă laser este cuplată în fibră). Lumina poate fi pompată direct în miezul fibrei sau în placa interioară a fibrei în lasere de mare putere.
Studiind problema tăiere cu laser metale, este necesar să începem cu luarea în considerare a bazei fizice a funcționării laserului. Deoarece în continuare toate studiile privind acuratețea tăierii cu laser a materialelor din foi subțiri vor fi efectuate pe un complex laser folosind un laser cu fibră de itterbiu, vom lua în considerare proiectarea laserelor cu fibră.
Un laser este un dispozitiv care convertește energia pompei (luminoasă, electrică, termică, chimică etc.) în energia unui flux de radiații coerent, monocromatic, polarizat și foarte țintit.
Laserele cu fibră au fost dezvoltate relativ recent, în anii 1980. În prezent, sunt cunoscute modele de lasere tehnologice cu fibră cu o putere de până la 20 kW. Compoziția lor spectrală variază de la 1 la 2 μm. Utilizarea unor astfel de lasere face posibilă furnizarea de diferite caracteristici temporale ale radiației.
Recent, laserele cu fibră au înlocuit în mod activ laserele tradiționale în domenii de aplicare a tehnologiei laser, cum ar fi, de exemplu, tăierea și sudarea cu laser a metalelor, marcarea și tratarea suprafețelor, imprimarea și imprimarea cu laser de mare viteză. Sunt utilizate în telemetrie laser și locatoare tridimensionale, echipamente de telecomunicații, instalații medicale etc.
Principalele tipuri de lasere cu fibră sunt laserele monomod cu undă continuă, inclusiv laserele cu polarizare unică și cu frecvență unică; lasere cu fibră pulsată care funcționează în moduri de comutare Q, blocare de mod și modulare aleatorie; lasere cu fibre reglabile; lasere cu fibre superluminiscente; lasere cu fibre multimode continue de mare putere.
Principiul de funcționare al laserului se bazează pe transmiterea luminii de la o fotodiodă printr-o fibră lungă. Un laser cu fibră constă dintr-un modul de pompă (de obicei LED-uri de bandă largă sau diode laser), un ghid de lumină în care are loc laserul și un rezonator. Ghidul de lumină conține o substanță activă (fibră optică dopată - un miez fără înveliș, spre deosebire de ghidurile de undă optice convenționale) și ghidurile de undă pompa. Designul rezonatorului este determinat de obicei de specificațiile tehnice, dar se pot distinge cele mai comune clase: rezonatoare de tip Fabry-Perot și rezonatoare inelare. În instalațiile industriale, mai multe lasere sunt uneori combinate într-o singură instalație pentru a crește puterea de ieșire. În fig. Figura 1.2 prezintă o diagramă simplificată a unui dispozitiv laser cu fibră.
Orez. 1.2. Circuit laser cu fibră tipic.
1 - fibre active; 2 - oglinzi Bragg; 3 - bloc de pompare.
Materialul principal pentru fibra optică activă este cuarțul. Transparența ridicată a cuarțului este asigurată de stările saturate ale nivelurilor energetice ale atomilor. Impuritățile introduse prin dopaj transformă cuarțul într-un mediu absorbant. Prin selectarea puterii de radiație a pompei, într-un astfel de mediu este posibil să se creeze o stare inversă de populație a nivelurilor de energie (adică, nivelurile de energie ridicată vor fi mai umplute decât nivelul solului). Pe baza cerințelor pentru frecvența de rezonanță (gama infraroșu pentru telecomunicații) și puterea de prag scăzută a pompei, de regulă, dopajul se realizează cu elemente de pământuri rare din grupul lantanidelor. Unul dintre tipurile obișnuite de fibre este erbiul, utilizat în sistemele laser și amplificatoare, al cărui domeniu de operare se află în intervalul de lungimi de undă 1530-1565 nm. Datorită probabilității diferite de tranziții la nivelul principal de la subnivelurile nivelului metastabil, eficiența generării sau amplificării diferă pentru diferite lungimi de undă din domeniul de operare. Gradul de dopaj cu ioni de pământuri rare depinde de obicei de lungimea fibrei active fabricate. Într-un interval de până la câteva zeci de metri poate varia de la zeci la mii de ppm, iar în cazul lungimii de kilometri - 1 ppm sau mai puțin.
Oglinzile Bragg - un reflector Bragg distribuit - este o structură stratificată în care indicele de refracție al materialului se modifică periodic într-o direcție spațială (perpendiculară pe straturi).
Există diferite modele pentru pomparea ghidurilor de undă optice, dintre care cele mai comune sunt modelele cu fibră pură. O opțiune este plasarea fibrei active în interiorul mai multor învelișuri, dintre care cea exterioară este de protecție (așa-numita fibră dublu acoperită). Prima carcasă este realizată din cuarț pur cu un diametru de câteva sute de micrometri, iar a doua este realizată dintr-un material polimeric, al cărui indice de refracție este selectat să fie semnificativ mai mic decât cel al cuarțului. Astfel, prima și a doua placare creează un ghid de undă multimodal cu o secțiune transversală mare și o deschidere numerică în care este lansată radiația pompei. În fig. Figura 1.3 prezintă diagrama de pompare a unui laser bazat pe o fibră dublu acoperită.
Orez. 1.3. Circuit de pompare pentru un laser bazat pe o fibră dublu acoperită.
Avantajele laserelor cu fibră includ în mod tradițional un raport semnificativ dintre suprafața rezonatorului și volumul său, ceea ce asigură o răcire de înaltă calitate, stabilitatea termică a siliciului și dispozitivele de dimensiuni mici în clase similare de putere și cerințe de calitate. Un fascicul laser, de regulă, trebuie introdus într-o fibră optică pentru utilizarea ulterioară în tehnologie. Pentru laserele de alte modele, acest lucru necesită sisteme optice speciale de colimare și face ca dispozitivele să fie sensibile la vibrații. În laserele cu fibră, radiația este generată direct în fibră și are o calitate optică ridicată. Dezavantajele acestui tip de laser sunt riscul efectelor neliniare din cauza densității ridicate de radiație din fibră și energiei de ieșire relativ scăzută per impuls datorită volumului mic al substanței active.
Laserele cu fibră sunt inferioare laserelor cu stare solidă în aplicațiile în care este necesară o stabilitate ridicată a polarizării, iar utilizarea fibrei care menține polarizarea este dificilă din diverse motive. Laserele cu stare solidă nu pot fi înlocuite cu lasere cu fibră în intervalul spectral de 0,7-1,0 microni. De asemenea, au un potențial mai mare de creștere a puterii de ieșire a impulsurilor în comparație cu cele cu fibră. Cu toate acestea, laserele cu fibră funcționează bine la lungimi de undă în care nu există medii active sau oglinzi suficient de bune pentru alte modele laser și permit implementarea mai ușor a unor modele laser, cum ar fi conversia ascendentă.
