Итербиум шилэн лазер: төхөөрөмж, үйл ажиллагааны зарчим, хүч, үйлдвэрлэл, хэрэглээ

2024 Зохиолч: Howard Calhoun | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2023-12-17 10:35

Шилэн лазерууд нь авсаархан, бат бөх, нарийн чиглүүлж, дулааны энергийг амархан тараадаг. Эдгээр нь олон янзын хэлбэртэй бөгөөд бусад төрлийн оптик квант генераторуудтай нийтлэг зүйлтэй ч өөрийн гэсэн өвөрмөц давуу талтай.

Шилэн лазер: тэдгээр нь хэрхэн ажилладаг вэ

Энэ төрлийн төхөөрөмжүүд нь саваа, хавтан, диск гэхээсээ илүү шилэн материалаар хийгдсэн ажиллах орчинтой уялдаатай цацрагийн стандарт хатуу төлөвт эх үүсвэрийн хувилбар юм. Гэрэл нь шилэн эсийн төвд байрлах нэмэлт бодисоор үүсгэгддэг. Үндсэн бүтэц нь энгийнээс нэлээд төвөгтэй хүртэл байж болно. Итербиумын шилэн лазерын загвар нь эслэг нь их хэмжээний гадаргуу ба эзэлхүүний харьцаатай тул дулааныг харьцангуй амархан тараах боломжтой.

Шилэн лазерыг ихэвчлэн диодын квант генератороор шахдаг, гэхдээ зарим тохиолдолд ижил эх үүсвэрээр шахдаг. Эдгээр системд ашиглагддаг оптикууд нь ихэвчлэн шилэн эд ангиуд бөгөөд тэдгээрийн ихэнх нь эсвэл бүгд хоорондоо холбогддог. Зарим тохиолдолдхэмжээст оптик ашигладаг бөгөөд заримдаа дотоод шилэн кабелийн системийг гадаад эзэлхүүний оптикуудтай хослуулдаг.

Диод шахах эх үүсвэр нь диод, матриц эсвэл олон тооны бие даасан диодууд байж болох бөгөөд тус бүр нь шилэн кабелийн гэрлийн чиглүүлэгчээр холбогчтой холбогдсон байдаг. Найрлагатай утас нь төгсгөл бүрт хөндий резонаторын толин тусгалтай байдаг - практик дээр Bragg торыг шилэн дотор хийдэг. Гаралтын цацраг нь утаснаас өөр зүйл рүү орохоос бусад тохиолдолд төгсгөлд бөөнөөр нь оптик байхгүй. Гэрлийн чиглүүлэгчийг мушгих боломжтой бөгөөд хэрэв хүсвэл лазерын хөндий нь хэдэн метр урт байх боломжтой.

Хоёр цөмт бүтэц

Шибер лазерд хэрэглэгддэг шилэн эсийн бүтэц чухал. Хамгийн түгээмэл геометр бол хоёр цөмт бүтэц юм. Нэвтрүүлээгүй гадна талын цөм (заримдаа дотоод бүрхүүл гэж нэрлэдэг) шахуургатай гэрлийг цуглуулж, шилэн дагуу чиглүүлдэг. Шилэн утаснаас үүссэн өдөөгдсөн ялгаруулалт нь дотоод цөмөөр дамждаг бөгөөд энэ нь ихэвчлэн нэг горимтой байдаг. Дотор цөм нь насосны гэрлийн цацрагаар өдөөгдсөн итербиум нэмэлт бодис агуулдаг. Гадна талын голд зургаан өнцөгт, D хэлбэртэй, тэгш өнцөгт зэрэг олон дугуй бус хэлбэрүүд байдаг нь гэрлийн туяа төвийн цөмөөс алга болох магадлалыг бууруулдаг.

Шилэн лазер нь төгсгөлийн болон хажуугийн шахуургатай байж болно. Эхний тохиолдолд нэг буюу хэд хэдэн эх үүсвэрээс гэрэл нь утаснуудын төгсгөлд ордог. Хажуугийн шахуургын үед гэрлийг задлагч руу оруулдаг бөгөөд энэ нь түүнийг гадна талын цөмд нийлүүлдэг. тэрГэрэл тэнхлэгт перпендикуляр орж ирдэг саваа лазераас ялгаатай.

Энэ шийдэл нь маш их дизайны боловсруулалт шаарддаг. Дотоод цөмд өдөөгдсөн ялгаруулалтыг бий болгохын тулд популяцийн урвуу үүсгэхийн тулд насосны гэрлийг цөм рүү оруулахад ихээхэн анхаарал хандуулдаг. Лазерын цөм нь утаснуудын допинг, түүнчлэн түүний уртаас хамааран өөр өөр түвшний өсгөлттэй байж болно. Шаардлагатай параметрүүдийг авахын тулд эдгээр хүчин зүйлсийг дизайнерын инженер тохируулдаг.

Ялангуяа нэг горимын шилэн дотор ажиллах үед тэжээлийн хязгаарлалт үүсч болзошгүй. Ийм цөм нь маш бага хөндлөн огтлолын талбайтай бөгөөд үүний үр дүнд маш өндөр эрчимтэй гэрэл түүгээр дамжин өнгөрдөг. Үүний зэрэгцээ шугаман бус Brillouin тархалт улам бүр мэдэгдэхүйц болж, гаралтын хүчийг хэдэн мянган ватт хүртэл хязгаарладаг. Хэрэв гаралтын дохио хангалттай өндөр байвал утаснуудын төгсгөл гэмтсэн байж болзошгүй.

Шилэн лазерын онцлог

Шиберийг ажлын орчин болгон ашиглах нь диод шахах үед сайн ажилладаг урт харилцан үйлчлэлийн уртыг өгдөг. Энэхүү геометрийн үр дүнд фотон хувиргах өндөр үр ашиг, түүнчлэн тохируулах, зэрэгцүүлэхэд салангид оптик байхгүй бат бөх, авсаархан загвар бий.

Төхөөрөмж нь сайн дасан зохицох боломжийг олгодог шилэн лазер нь зузаан металлыг гагнах болон фемтосекундын импульс үүсгэхэд тохиромжтой. Шилэн кабелийн өсгөгч нь нэг дамжлагатай өсгөгчөөр хангадаг бөгөөд олон долгионы уртыг нэгэн зэрэг өсгөх чадвартай тул харилцаа холбоонд ашиглагддаг. Мастер осциллятор бүхий цахилгаан өсгөгчид ижил ашиг тусыг ашигладаг. Зарим тохиолдолд өсгөгч нь CW лазертай ажиллах боломжтой.

Өөр нэг жишээ бол өдөөгдсөн ялгаруулалтыг дарангуйлдаг эслэгээр олшруулсан аяндаа ялгарах эх үүсвэр юм. Өөр нэг жишээ бол долгионы уртыг ихээхэн өөрчилдөг хосолсон тархалтын өсгөгч бүхий Раман шилэн лазер юм. Энэ нь ердийн кварцын утас биш харин хайлуур жоншны шилэн эслэгийг Раман үүсгэх, өсгөхөд ашигладаг шинжлэх ухааны судалгаанд хэрэглэгдэх болсон.

Гэхдээ утаснууд нь дүрмээр бол голд нь ховор шороон нэмэлт бодис агуулсан кварцын шилээр хийгдсэн байдаг. Үндсэн нэмэлтүүд нь итербиум ба эрби юм. Итербиум нь 1030-аас 1080 нм хүртэлх долгионы урттай бөгөөд илүү өргөн хүрээг хамардаг. 940 нм диодын шахуургыг ашиглах нь фотоны дутагдлыг эрс багасгадаг. Итербий нь өндөр нягтралтай үед неодим шиг өөрийгөө унтраах ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй тул неодимийг бөөнөөр нь лазерд, итербийг шилэн лазерд ашигладаг (хоёулаа ойролцоогоор ижил долгионы урттай байдаг).

Эрбиум нь 1530-1620 нм долгионы долгионы долгионоор ялгардаг бөгөөд энэ нь нүдэнд аюулгүй. 780 нм-т гэрлийг үүсгэхийн тулд давтамжийг хоёр дахин нэмэгдүүлэх боломжтой бөгөөд энэ нь бусад төрлийн шилэн лазерын хувьд боломжгүй юм. Эцэст нь итербиумыг эрбид нэмж, элементийг шингээж авах боломжтойцацрагийг шахаж, энэ энергийг эрбиум руу шилжүүлнэ. Тулиум нь өөр нэг ойрын хэт улаан туяаны нэмэлт бодис бөгөөд энэ нь нүдэнд аюулгүй материал юм.

Өндөр үр ашигтай

Шилэн лазер нь бараг гурван түвшний систем юм. Насосны фотон нь үндсэн төлөвөөс дээд түвшинд шилжих шилжилтийг өдөөдөг. Лазер шилжилт нь дээд түвшний хамгийн доод хэсгээс хуваагдсан үндсэн төлөвүүдийн аль нэгэнд шилжих шилжилт юм. Энэ нь маш үр дүнтэй: жишээлбэл, 940 нм насосны фотон бүхий иттерби нь 1030 нм долгионы урттай, ердөө 9% орчим квантын согог (энергийн алдагдал) бүхий фотоныг ялгаруулдаг.

Үүний эсрэгээр, 808 нм-д шахагдсан неодим нь эрчим хүчнийхээ 24 орчим хувийг алддаг. Ийнхүү иттерби нь угаасаа илүү өндөр үр ашигтай байдаг ч зарим фотонуудын алдагдлаас болж бүгдэд нь хүрэх боломжгүй байдаг. Yb-ийг хэд хэдэн давтамжийн зурваст шахах боломжтой бол эрбиумыг 1480 эсвэл 980 нм-д шахаж болно. Илүү өндөр давтамж нь фотоны согогийн хувьд тийм ч үр дүнтэй биш боловч 980 нм дээр илүү сайн эх үүсвэрүүд байдаг тул энэ тохиолдолд ч ашигтай.

Ерөнхийдөө шилэн лазерын үр ашиг нь хоёр үе шаттай үйл явцын үр дүн юм. Нэгдүгээрт, энэ нь насосны диодын үр ашиг юм. Когерент цацрагийн хагас дамжуулагч эх үүсвэрүүд нь цахилгаан дохиог оптик болгон хувиргахад 50% -ийн үр ашигтай байдаг. Лабораторийн судалгааны үр дүнгээс үзэхэд 70% ба түүнээс дээш үзүүлэлтэд хүрэх боломжтой. Гаралтын цацрагийн шугамын яг таарч байгаагааршилэн лазер шингээлт ба насосны өндөр үр ашиг.

Хоёр дахь нь оптик-оптик хувиргах үр ашиг юм. Фотоны жижиг согогтой бол 60-70% -ийн опто-оптик хувиргах үр ашигтайгаар өдөөх, олборлох үр ашгийн өндөр түвшинд хүрч болно. Үр ашиг нь 25–35% хооронд байна.

Янз бүрийн тохиргоонууд

Тасралтгүй цацрагийн шилэн кабелийн квант генератор нь нэг эсвэл олон горимтой (хөндлөн горимд) байж болно. Нэг горимт лазер нь агаар мандалд ажиллаж байгаа эсвэл цацраг туяа цацруулж буй материалд өндөр чанартай цацраг үүсгэдэг бол олон горимт үйлдвэрлэлийн шилэн лазер нь өндөр хүчийг бий болгодог. Үүнийг зүсэх, гагнах, ялангуяа том талбайг гэрэлтүүлдэг дулааны боловсруулалтанд ашигладаг.

Урт импульсийн шилэн лазер нь үндсэндээ хагас тасралтгүй төхөөрөмж бөгөөд ихэвчлэн миллисекунд хэлбэрийн импульс үүсгэдэг. Дүрмээр бол түүний ажлын мөчлөг нь 10% байдаг. Үүний үр дүнд жишээлбэл, импульсийн өрөмдлөгт ашигладаг тасралтгүй горимоос (ихэвчлэн арав дахин их) илүү их хүч чадал бий. Үргэлжлэх хугацаанаас хамааран давтамж нь 500 Гц хүрч болно.

Шилэн лазерын Q-шилжүүлэлт нь бөөн лазерынхтэй адил ажилладаг. Ердийн импульсийн үргэлжлэх хугацаа нь наносекундээс микросекунд хүртэл байдаг. Шилэн утас урт байх тусам гаралтыг Q-сэлтэхэд удаан хугацаа шаардагдах бөгөөд ингэснээр импульс урт болно.

Fiber шинж чанар нь Q-шилжүүлэхэд зарим хязгаарлалт тавьдаг. Шилэн лазерын шугаман бус байдал нь цөмийн жижиг хөндлөн огтлолын талбайн улмаас илүү чухал байдаг тул оргил хүч нь бага зэрэг хязгаарлагдмал байх ёстой. Илүү сайн гүйцэтгэлийг өгдөг эзлэхүүний Q свич эсвэл идэвхтэй хэсгийн төгсгөлд холбогдсон шилэн модуляторуудыг ашиглаж болно.

Q-шилжүүлэгч импульсийг шилэн дотор эсвэл хөндий резонаторт өсгөж болно. Үүний жишээг Цөмийн туршилтын симуляцийн үндэсний байгууламжаас (NIF, Ливермор, Калифорниа) олж болно, энд иттербиумын шилэн лазер нь 192 цацрагийн гол осциллятор юм. Том хэмжээний хольцтой шилэн хавтангийн жижиг импульсийг мегажоуль болгож өсгөв.

Түгжигдсэн шилэн лазеруудад давталтын хурд нь бусад горимыг түгжих схемийн нэгэн адил ололтын материалын уртаас хамаардаг ба импульсийн үргэлжлэх хугацаа нь олшруулах зурвасын өргөнөөс хамаарна. Хамгийн богино нь 50 fs, хамгийн энгийн нь 100 fs мужид байна.

Эрби ба иттербиум утаснуудын хооронд чухал ялгаа байдаг бөгөөд үүний үр дүнд тэдгээр нь янз бүрийн тархалтын горимд ажилладаг. Эрбийн хольцтой утаснууд нь хэвийн бус тархалтын бүсэд 1550 нм-т ялгардаг. Энэ нь солитон үйлдвэрлэх боломжийг олгодог. Ytterbium утаснууд нь эерэг эсвэл хэвийн тархалтын бүсэд байдаг; Үүний үр дүнд тэд тодорхой шугаман модуляцын давтамжтай импульс үүсгэдэг. Үүний үр дүнд импульсийн уртыг шахахын тулд Брагг тор хэрэгтэй байж магадгүй.

Шилэн лазер импульсийг өөрчлөх хэд хэдэн арга байдаг, ялангуяа хэт хурдан пикосекундын судалгаанд зориулагдсан. Фотоник болор утаснуудыг маш жижиг судалтай хийж, хэт тасралтгүй үүсгэх гэх мэт хүчтэй шугаман бус эффектүүдийг бий болгож болно. Үүний эсрэгээр, өндөр хүчин чадалтай шугаман бус нөлөөллөөс зайлсхийхийн тулд фотоник талстыг маш том нэг горимт цөмөөр хийж болно.

Уян хатан том үндсэн фотоник болор утаснууд нь өндөр хүчин чадалтай хэрэглээнд зориулагдсан. Нэг арга техник нь зөвхөн үндсэн хөндлөн горимыг хадгалахын тулд ийм утасыг зориудаар нугалах явдал юм. Шугаман бус байдал нь гармоник үүсгэдэг; давтамжийг хасах, нэмэх замаар богино, урт долгион үүсгэж болно. Шугаман бус эффектүүд нь импульсийг шахаж, давтамжийг самнаж болно.

Супер тасралтгүй эх үүсвэрийн хувьд маш богино импульс нь өөрөө фазын модуляцийг ашиглан өргөн тасралтгүй спектрийг үүсгэдэг. Жишээлбэл, итербиумын шилэн лазер үүсгэдэг 1050 нм-ийн анхны 6 ps импульсээс хэт ягаан туяанаас 1600 нм-ээс дээш хүрээтэй спектрийг олж авдаг. Өөр нэг хэт тасралтгүй IR эх үүсвэрийг 1550 нм-ийн эрбиумын эх үүсвэрээр шахдаг.

Өндөр хүч

Энэ салбар нь одоогоор шилэн лазерын хамгийн том хэрэглэгч юм. Эрчим хүч одоо маш их эрэлт хэрэгцээтэй байна.киловатт орчим, автомашины үйлдвэрлэлд ашигладаг. Автомашины салбар нь удаан эдэлгээтэй байх шаардлагыг хангаж, түлшний хэмнэлтийг сайжруулахын тулд харьцангуй хөнгөн байхын тулд өндөр бат бэх ган машин руу шилжиж байна. Жишээлбэл, энгийн машин хэрэгсэлд ийм төрлийн гангаар нүх гаргах нь маш хэцүү байдаг ч уялдаатай цацрагийн эх үүсвэр нь үүнийг хялбар болгодог.

Шилэн лазераар металл зүсэх нь бусад төрлийн квант генератортой харьцуулахад олон давуу талтай. Жишээлбэл, хэт улаан туяаны долгионы уртыг металлаар сайн шингээдэг. Цацрагыг утас дээгүүр дамжуулах боломжтой бөгөөд ингэснээр робот зүсэх, өрөмдөх үед төвлөрлийг хялбархан хөдөлгөх боломжийг олгоно.

Fiber нь эрчим хүчний хамгийн өндөр шаардлагад нийцдэг. 2014 онд туршсан АНУ-ын Тэнгисийн цэргийн зэвсэг нь нэг туяанд нэгтгэгдсэн 5.5 кВт-ын 6 ширхэгт лазераас бүрдэх ба оптик системээр цацруулдаг. 33 кВт-ын хүчин чадалтай төхөөрөмжийг нисгэгчгүй нисэх төхөөрөмжийг устгахад ашигласан. Хэдийгээр цацраг нь нэг горимтой биш ч гэсэн стандарт, бэлэн бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс шилэн лазерыг өөрийн гараар бүтээх боломжийг олгодог учраас систем нь сонирхолтой юм.

IPG Photonics-ийн хамгийн өндөр хүчин чадалтай нэг горимын когерент гэрлийн эх үүсвэр нь 10 кВт. Мастер осциллятор нь нэг киловатт оптик хүчийг үйлдвэрлэдэг бөгөөд энэ нь бусад шилэн лазерын гэрлээр 1018 нм-д шахагдсан өсгөгчийн шатанд тэжээгддэг. Бүхэл бүтэн систем нь хоёр хөргөгчний хэмжээтэй.

Шилэн лазерын хэрэглээ мөн өндөр хүчин чадалтай зүсэх, гагнуурт тархсан. Жишээлбэл, тэд сольсонган хуудасны эсэргүүцлийн гагнуур, материалын хэв гажилтын асуудлыг шийдвэрлэх. Эрчим хүч болон бусад параметрүүдийг хянах нь муруй, ялангуяа булангуудыг маш нарийн зүсэх боломжийг олгодог.

Хамгийн хүчирхэг олон горимт шилэн лазер - нэг үйлдвэрлэгчийн металл хайчлах машин - 100 кВт хүрдэг. Систем нь уялдаа холбоогүй цацрагийн хослол дээр суурилдаг тул энэ нь хэт өндөр чанартай цацраг биш юм. Энэхүү бат бөх чанар нь шилэн лазерыг үйлдвэрлэлд татахуйц болгодог.

Бетон өрөмдлөг

4KW олон горимт шилэн лазерыг бетон зүсэх, өрөмдөхөд ашиглаж болно. Энэ яагаад хэрэгтэй вэ? Инженерүүд одоо байгаа барилгад газар хөдлөлтөд тэсвэртэй байхыг хичээж байгаа бол бетонд маш болгоомжтой хандах хэрэгтэй. Хэрэв дотор нь ган арматур суурилуулсан бол жишээлбэл, ердийн алхаар өрөмдөх нь бетоныг хагарч, сулруулдаг боловч шилэн лазераар түүнийг бутлахгүйгээр зүсдэг.

Q-свичтэй шилэн квант генераторыг жишээ нь тэмдэглэгээ хийх эсвэл хагас дамжуулагч электроникийн үйлдвэрлэлд ашигладаг. Тэдгээрийг мөн зай хэмжигчдэд ашигладаг: гар хэмжээтэй модулиуд нь 4 кВт чадалтай, 50 кГц давтамжтай, 5-15 нс-ийн импульсийн өргөнтэй нүдэнд аюулгүй шилэн лазер агуулдаг.

Гадаргуу эмчилгээ

Бичил болон наномашинжуулах зориулалттай жижиг шилэн лазерыг маш их сонирхож байна. Гадаргуугийн давхаргыг арилгах үед импульсийн үргэлжлэх хугацаа 35 ps-ээс бага байвал материал цацагдахгүй. Энэ нь хотгор болон үүсэхээс сэргийлдэгбусад хүсээгүй олдворууд. Фемтосекундын импульс нь долгионы уртад мэдрэмтгий бус шугаман бус эффект үүсгэдэг бөгөөд хүрээлэн буй орон зайг халаахгүй бөгөөд энэ нь эргэн тойрны хэсгүүдэд ихээхэн хохирол учруулахгүй, сулрахгүйгээр ажиллах боломжийг олгодог. Нэмж дурдахад нүхийг өндөр гүн, өргөний харьцаагаар огтолж болно, тухайлбал 1 мм-ийн зэвэрдэггүй гангаар 1 МГц давтамжтай 800 fs импульс ашиглан хурдан (миллисекундын дотор) жижиг нүх гаргах боломжтой.

Хүний нүд гэх мэт тунгалаг материалын гадаргууг боловсруулахад мөн ашиглаж болно. Нүдний бичил мэс засалд хавтсыг таслахын тулд фемтосекундын импульс нь нүдний гадаргуугийн доор байрлах өндөр диафрагмын объективээр нягт төвлөрч, гадаргууд ямар нэгэн гэмтэл учруулахгүйгээр, харин хяналттай гүнд нүдний материалыг устгадаг. Алсын хараанд зайлшгүй шаардлагатай эвэрлэгийн гөлгөр гадаргуу нь хэвээр үлддэг. Дараа нь доороос тусгаарлагдсан хавтсыг дээш татаж, гадаргуугийн эксимер лазер линз үүсгэх боломжтой. Бусад эмнэлгийн хэрэглээнд арьс судлалын гүехэн нэвтрэлтийн мэс засал, зарим төрлийн оптик когерент томографид ашигладаг.

Фемтосекундын лазер

Фемтосекундын квант генераторыг шинжлэх ухаанд лазерын задрал бүхий өдөөх спектроскопи, цаг хугацааны шийдэл бүхий флюресценцийн спектроскопи, түүнчлэн материалын ерөнхий судалгаанд ашигладаг. Үүнээс гадна тэдгээр нь фемтосекунд давтамжийг үйлдвэрлэхэд шаардлагатай байдагхэмжил зүй, ерөнхий судалгаанд шаардлагатай самнууд. Богино хугацаанд бодит хэрэглээнүүдийн нэг нь дараагийн үеийн GPS хиймэл дагуулуудад зориулсан атомын цаг байх бөгөөд энэ нь байршлын нарийвчлалыг сайжруулах болно.

Нэг давтамжийн шилэн лазерыг 1 кГц-ээс бага спектрийн шугамын өргөнтэй үйлдвэрлэдэг. Энэ нь 10 мВт-аас 1 Вт хүртэлх гаралтын чадалтай гайхалтай жижиг төхөөрөмж юм. Энэ нь харилцаа холбоо, хэмжил зүй (жишээлбэл, шилэн гироскоп) болон спектроскопийн салбарт хэрэглэгдэхүүн олдог.

Дараа нь яах вэ?

Бусад R&D програмуудын хувьд өөр олон зүйлийг судалж байна. Жишээлбэл, когерент эсвэл спектрийн хослолыг ашиглан нэг өндөр чанартай туяа авахын тулд шилэн лазер туяаг нэгтгэхээс бүрдэх бусад салбарт хэрэглэж болох цэргийн бүтээн байгуулалт. Үүний үр дүнд нэг горимын цацрагт илүү их хүчийг олж авдаг.

Шилэн лазерын үйлдвэрлэл ялангуяа автомашины үйлдвэрлэлийн хэрэгцээнд зориулан хурдацтай хөгжиж байна. Шилэн бус төхөөрөмжийг мөн шилэн төхөөрөмжөөр сольж байна. Зардал, гүйцэтгэлийн ерөнхий сайжруулалтаас гадна фемтосекундын квант генераторууд болон хэт тасралтгүй эх үүсвэрүүд улам бүр практик болж байна. Шилэн лазерууд улам бүр түгээмэл болж, бусад төрлийн лазерыг сайжруулах эх үүсвэр болж байна.