ألياف Ytterbium: الجهاز ، مبدأ التشغيل ، الطاقة ، الإنتاج ، التطبيق

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

الليزرات الليفية مضغوطة ومتينة ، تشير بدقة وتبدد الطاقة الحرارية بسهولة. تأتي في أشكال متنوعة ، وعلى الرغم من وجود الكثير من القواسم المشتركة بينها وبين الأنواع الأخرى من المولدات الكمومية الضوئية ، إلا أن لها مزاياها الفريدة.

الليزرات الليفية: كيف تعمل

الأجهزة من هذا النوع هي تباين في مصدر الحالة الصلبة القياسي للإشعاع المتماسك مع وسيط عمل مصنوع من الألياف بدلاً من قضيب أو لوح أو قرص. يتولد الضوء من شائبة في وسط الألياف. يمكن أن يتراوح الهيكل الأساسي من البسيط إلى المعقد للغاية. تصميم ليزر ألياف الإيتربيوم يجعل الألياف ذات سطح كبير إلى نسبة الحجم ، لذلك يمكن تبديد الحرارة بسهولة نسبيًا.

يتم ضخ ليزرات الألياف بصريًا ، غالبًا عن طريق مولدات كمية الصمام الثنائي ، ولكن في بعض الحالات من نفس المصادر. عادةً ما تكون البصريات المستخدمة في هذه الأنظمة عبارة عن مكونات ليفية ، معظمها أو جميعها متصلة ببعضها البعض. في بعض الحالاتيتم استخدام البصريات الحجمية ، وفي بعض الأحيان يتم دمج نظام الألياف البصرية الداخلي مع البصريات الحجمية الخارجية.

يمكن أن يكون مصدر ضخ الصمام الثنائي عبارة عن صمام ثنائي أو مصفوفة أو مجموعة من الثنائيات الفردية ، كل منها متصل بموصل بواسطة دليل ضوئي من الألياف البصرية. تحتوي الألياف المخدرة على مرآة تجويف مرنان في كل طرف - في الممارسة العملية ، حواجز شبكية Bragg مصنوعة من الألياف. لا توجد بصريات مجمعة في النهايات ، ما لم ينتقل شعاع الخرج إلى شيء آخر غير الألياف. يمكن لف موجه الضوء ، بحيث يمكن أن يصل طول تجويف الليزر إلى عدة أمتار إذا رغبت في ذلك.

هيكل ثنائي النواة

هيكل الألياف المستخدمة في ألياف الليزر مهم. الهندسة الأكثر شيوعًا هي البنية ثنائية النواة. يقوم اللب الخارجي غير المكسور (الذي يسمى أحيانًا الكسوة الداخلية) بجمع الضوء الذي تم ضخه وتوجيهه على طول الألياف. يمر الانبعاث المحفز المتولد في الألياف عبر اللب الداخلي ، والذي غالبًا ما يكون أحادي الوضع. يحتوي اللب الداخلي على مادة الإيتربيوم المشبعة التي يتم تحفيزها بواسطة شعاع ضوء المضخة. هناك العديد من الأشكال غير الدائرية لللب الخارجي ، بما في ذلك الشكل السداسي ، والشكل D ، والمستطيل ، مما يقلل من فرصة فقدان شعاع الضوء من القلب المركزي.

يمكن ضخ ليزر الألياف في النهاية أو الجانب. في الحالة الأولى ، يدخل الضوء من مصدر واحد أو أكثر إلى نهاية الألياف. في الضخ الجانبي ، يتم تغذية الضوء في الفاصل ، والذي يمده إلى القلب الخارجي. هو - هييختلف عن الليزر القضيبي حيث يدخل الضوء بشكل عمودي على المحور

هذا الحل يتطلب الكثير من تطوير التصميم. يتم إيلاء اهتمام كبير لدفع ضوء المضخة إلى القلب لإنتاج انعكاس سكاني يؤدي إلى انبعاث محفز في القلب الداخلي. يمكن أن يكون لنواة الليزر درجة مختلفة من التضخيم اعتمادًا على منشطات الألياف ، وكذلك على طولها. يتم تعديل هذه العوامل من قبل مهندس التصميم للحصول على المعلمات المطلوبة

قد تحدث قيود على الطاقة ، لا سيما عند التشغيل داخل الألياف ذات الوضع الفردي. يحتوي هذا اللب على مساحة مقطعية صغيرة جدًا ، ونتيجة لذلك ، يمر الضوء ذو الكثافة العالية جدًا عبره. في الوقت نفسه ، يصبح نثر Brillouin غير الخطي ملحوظًا أكثر فأكثر ، مما يحد من قدرة الخرج إلى عدة آلاف من واط. إذا كانت إشارة الخرج عالية بدرجة كافية ، فقد تتلف نهاية الألياف.

ميزات ليزر الألياف

استخدام الألياف كوسيط عمل يعطي طول تفاعل طويل يعمل بشكل جيد مع ضخ الصمام الثنائي. ينتج عن هذه الهندسة كفاءة عالية في تحويل الفوتون بالإضافة إلى تصميم متين ومضغوط بدون بصريات منفصلة للضبط أو المحاذاة.

ليزر الألياف ، الذي يسمح له جهازه بالتكيف بشكل جيد ، يمكن تكييفه لكل من لحام الصفائح السميكة من المعدن ولإنتاج نبضات فيمتوثانية.توفر مضخمات الألياف الضوئية تضخيمًا أحادي المسار وتستخدم في الاتصالات لأنها قادرة على تضخيم العديد من الأطوال الموجية في وقت واحد. يتم استخدام نفس الكسب في مضخمات الطاقة باستخدام مذبذب رئيسي. في بعض الحالات ، يمكن أن يعمل مكبر الصوت مع ليزر CW.

مثال آخر هو مصادر الانبعاث التلقائي المتضخمة بالألياف والتي يتم فيها قمع الانبعاث المستحث. مثال آخر هو ليزر ألياف رامان مع تضخيم التشتت المشترك ، والذي يغير بشكل كبير الطول الموجي. لقد وجد تطبيقًا في البحث العلمي ، حيث يتم استخدام ألياف زجاجية الفلورايد لتوليد Raman وتضخيمها ، بدلاً من ألياف الكوارتز القياسية.

ومع ذلك ، كقاعدة عامة ، تصنع الألياف من زجاج الكوارتز مع مادة ترابية نادرة في القلب. المضافات الرئيسية هي الإيتربيوم والإربيوم. تمتلك الإيتربيوم أطوال موجية من 1030 إلى 1080 نانومتر ويمكن أن تشع على نطاق أوسع. استخدام ضخ الصمام الثنائي 940 نانومتر يقلل بشكل كبير من عجز الفوتون. لا يحتوي الإيتربيوم على أي من تأثيرات التبريد الذاتي التي يتمتع بها النيوديميوم بكثافة عالية ، لذلك يتم استخدام النيوديميوم في الليزرات السائبة والإيتربيوم في ليزر الألياف (كلاهما يوفران نفس الطول الموجي تقريبًا).

ينبعث الإربيوم في حدود 1530-1620 نانومتر ، وهو آمن للعيون. يمكن مضاعفة التردد لتوليد ضوء عند 780 نانومتر ، وهو غير متوفر لأنواع ليزرات الألياف الأخرى. أخيرًا ، يمكن إضافة الإيتربيوم إلى الإربيوم بحيث يمتص العنصرضخ الإشعاع ونقل هذه الطاقة إلى الإربيوم. الثوليوم هو مادة شائبة أخرى للأشعة تحت الحمراء القريبة ، وهي بالتالي مادة آمنة للعين.

كفاءة عالية

ليزر الألياف هو نظام شبه ثلاثي المستويات. يثير فوتون المضخة الانتقال من الحالة الأرضية إلى المستوى العلوي. انتقال الليزر هو انتقال من أدنى جزء من المستوى العلوي إلى إحدى حالات الانقسام الأرضي. هذا فعال للغاية: على سبيل المثال ، يُصدر الإيتربيوم مع فوتون بمضخة 940 نانومتر فوتونًا بطول موجة 1030 نانومتر وخلل كمي (فقدان طاقة) يبلغ حوالي 9٪ فقط.

في المقابل ، يفقد النيوديميوم الذي يتم ضخه عند 808 نانومتر حوالي 24٪ من طاقته. وبالتالي ، يتمتع الإيتربيوم بطبيعته بكفاءة أعلى ، على الرغم من أنه لا يمكن تحقيق كل ذلك بسبب فقدان بعض الفوتونات. يمكن ضخ Yb في عدد من نطاقات التردد ، بينما يمكن ضخ الإربيوم عند 1480 أو 980 نانومتر. التردد العالي ليس بنفس الكفاءة من حيث عيب الفوتون ، ولكنه مفيد حتى في هذه الحالة لأن المصادر الأفضل متوفرة عند 980 نانومتر.

بشكل عام ، تكون كفاءة ألياف الليزر نتيجة لعملية من خطوتين. أولاً ، هذه هي كفاءة الصمام الثنائي للمضخة. تعتبر مصادر أشباه الموصلات للإشعاع المتماسك فعالة للغاية ، مع كفاءة بنسبة 50 ٪ في تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية. تشير نتائج الدراسات المعملية إلى إمكانية تحقيق قيمة 70٪ أو أكثر. مع تطابق تام لخط الإشعاع الناتجامتصاص ألياف الليزر وكفاءة المضخة العالية.

الثاني هو كفاءة التحويل البصري البصري. مع وجود عيب صغير في الفوتون ، يمكن تحقيق درجة عالية من الإثارة وكفاءة الاستخراج بكفاءة تحويل بصرية بصرية تبلغ 60-70٪. الكفاءة الناتجة في حدود 25-35٪

تكوينات مختلفة

يمكن أن تكون المولدات الكمومية للألياف الضوئية للإشعاع المستمر أحادية أو متعددة الوضع (للأوضاع العرضية). ينتج الليزر أحادي الوضع شعاعًا عالي الجودة للمواد التي تعمل أو تنتقل عبر الغلاف الجوي ، بينما يمكن أن تولد ليزرات الألياف الصناعية متعددة الأوضاع طاقة عالية. يستخدم هذا للقطع واللحام وبالأخص للمعالجة الحرارية حيث تضاء مساحة كبيرة.

ليزر الألياف طويل النبض هو في الأساس جهاز شبه مستمر ، ينتج عادةً نبضات من النوع الملي ثانية. عادة ، تكون دورة عملها 10٪. ينتج عن هذا طاقة ذروة أعلى من الوضع المستمر (عادةً أكثر من عشرة أضعاف) والذي يستخدم في الحفر بالنبض ، على سبيل المثال. يمكن أن يصل التردد إلى 500 هرتز ، حسب المدة.

يعمل Q-switching في ليزر الألياف بنفس طريقة عمل الليزر السائب. تتراوح مدة النبضة النموذجية بين نانوثانية إلى ميكروثانية. كلما طالت الألياف ، كلما طالت مدة تحويل Q للخرج ، مما ينتج عنه نبضة أطول.

تفرض خصائص الألياف بعض القيود على Q-switching. تعتبر اللاخطية لليزر الليفي أكثر أهمية نظرًا لصغر مساحة المقطع العرضي لللب ، لذلك يجب أن تكون طاقة الذروة محدودة إلى حد ما. يمكن استخدام إما مفاتيح Q الحجمية ، والتي توفر أداءً أفضل ، أو مُعدِّلات الألياف ، والتي يتم توصيلها بنهايات الجزء النشط.

يمكن تضخيم نبضات Q-switched في الألياف أو في مرنان التجويف. يمكن العثور على مثال على هذا الأخير في المرفق الوطني لمحاكاة الاختبارات النووية (NIF ، ليفرمور ، كاليفورنيا) ، حيث يكون ليزر ألياف الإيتربيوم هو المذبذب الرئيسي لـ 192 حزمة. يتم تضخيم النبضات الصغيرة في ألواح زجاجية مخدرة كبيرة إلى ميغا جول.

في ليزر الألياف المقفل ، يعتمد معدل التكرار على طول مادة الكسب ، كما هو الحال في أنظمة قفل الوضع الأخرى ، وتعتمد مدة النبض على عرض النطاق الترددي للكسب. الأقصر في نطاق 50 fs والأكثر نموذجية في نطاق 100 fs.

هناك فرق مهم بين ألياف الإربيوم والإيتربيوم ، ونتيجة لذلك تعمل في أوضاع تشتت مختلفة. تنبعث الألياف المشبعة بالإربيوم عند 1550 نانومتر في منطقة التشتت الشاذة. هذا يسمح بإنتاج السليتون. تكون ألياف الإيتربيوم في منطقة التشتت الإيجابي أو الطبيعي ؛ ونتيجة لذلك ، فإنها تولد نبضات ذات تردد تشكيل خطي واضح. نتيجة لذلك ، قد تكون هناك حاجة إلى مقضب Bragg لضغط طول النبضة.

هناك عدة طرق لتعديل نبضات ليزر الألياف ، خاصةً لدراسات البيكو ثانية فائقة السرعة. يمكن تصنيع ألياف الكريستال الضوئية باستخدام نوى صغيرة جدًا لإنتاج تأثيرات غير خطية قوية ، مثل التوليد الفائق. في المقابل ، يمكن أيضًا تصنيع البلورات الضوئية باستخدام نوى أحادية الوضع كبيرة جدًا لتجنب التأثيرات غير الخطية في القوى العالية.

تم تصميم ألياف الكريستال الضوئية المرنة ذات النواة الكبيرة لتطبيقات الطاقة العالية. تتمثل إحدى التقنيات في ثني مثل هذه الألياف عن قصد للتخلص من أي أوضاع ترتيب أعلى غير مرغوب فيها مع الاحتفاظ فقط بالنمط العرضي الأساسي. يخلق اللاخطي التوافقيات ؛ عن طريق طرح وإضافة الترددات ، يمكن إنشاء موجات أقصر وأطول. يمكن للتأثيرات غير الخطية أيضًا ضغط النبضات ، مما ينتج عنه أمشاط تردد.

كمصدر فائق الاستمرارية ، تنتج النبضات القصيرة جدًا طيفًا مستمرًا واسعًا باستخدام تعديل الطور الذاتي. على سبيل المثال ، من نبضات 6 ps الأولية عند 1050 نانومتر التي ينتجها ليزر ألياف الإيتربيوم ، يتم الحصول على طيف في النطاق من الأشعة فوق البنفسجية إلى أكثر من 1600 نانومتر. يتم ضخ مصدر آخر من مصادر الأشعة تحت الحمراء الفائقة بمصدر الإربيوم عند 1550 نانومتر.

قوة عالية

تعد الصناعة حاليًا أكبر مستهلك لليزر الليفي. الطلب على السلطة مرتفع الآن.حوالي كيلو واط ، المستخدم في صناعة السيارات. تتجه صناعة السيارات نحو المركبات الفولاذية عالية القوة لتلبية متطلبات المتانة وتكون خفيفة نسبيًا من أجل الاقتصاد في استهلاك الوقود بشكل أفضل. من الصعب جدًا على الأدوات الآلية العادية ، على سبيل المثال ، إحداث ثقوب في هذا النوع من الفولاذ ، لكن مصادر الإشعاع المتماسكة تجعل الأمر سهلاً.

قطع المعادن بليزر الألياف ، مقارنة بأنواع أخرى من مولدات الكم ، له عدد من المزايا. على سبيل المثال ، تمتص المعادن جيدًا أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة. يمكن توصيل الحزمة فوق الألياف ، مما يسمح للإنسان الآلي بتحريك التركيز بسهولة عند القطع والحفر.

الألياف تلبي أعلى متطلبات الطاقة. يتكون سلاح البحرية الأمريكية الذي تم اختباره في عام 2014 من 6 أنواع من الليزر بقدرة 5.5 كيلو وات مدمجة في حزمة واحدة وتنبعث من خلال نظام بصري تشكيل. تم استخدام وحدة 33 كيلوواط لتدمير طائرة بدون طيار. على الرغم من أن الحزمة ليست أحادية الوضع ، إلا أن النظام مثير للاهتمام لأنه يسمح لك بإنشاء ليزر ليفي بيديك من مكونات قياسية ومتاحة بسهولة.

أعلى مصدر ضوء متماسك أحادي الوضع من IPG Photonics هو 10 كيلو وات. ينتج المذبذب الرئيسي كيلو واط من الطاقة الضوئية ، والتي يتم تغذيتها في مرحلة مكبر الصوت التي يتم ضخها عند 1018 نانومتر بضوء من ليزر ليفي آخر. النظام بأكمله بحجم ثلاجتين

انتشر استخدام ليزر الألياف أيضًا في القطع واللحام عالي الطاقة. على سبيل المثال ، استبدلوااللحام بالمقاومة للصفائح الفولاذية ، حل مشكلة تشوه المواد. يسمح التحكم في الطاقة والمعلمات الأخرى بقطع المنحنيات بدقة شديدة ، وخاصة الزوايا.

أقوى ليزر ليف متعدد الأوضاع - آلة قطع معدنية من نفس الشركة المصنعة - يصل إلى 100 كيلو واط. يعتمد النظام على مجموعة من شعاع غير متماسك ، لذا فهو ليس شعاعًا عالي الجودة. هذه المتانة تجعل ألياف الليزر جذابة للصناعة.

حفر ملموسة

يمكن استخدام ليزر الألياف متعدد الأوضاع 4KW لقطع الخرسانة وحفرها. لماذا هذا مطلوب؟ عندما يحاول المهندسون تحقيق مقاومة الزلازل في المباني القائمة ، يجب على المرء أن يكون حذرًا للغاية مع الخرسانة. إذا تم تركيب حديد التسليح فيه ، على سبيل المثال ، يمكن للحفر المطرقي التقليدي تكسير وإضعاف الخرسانة ، لكن ليزرات الألياف تقطعها دون تكسيرها.

تُستخدم المولدات الكمية ذات الألياف Q-switched ، على سبيل المثال ، لوضع العلامات أو في إنتاج إلكترونيات أشباه الموصلات. تُستخدم أيضًا في أجهزة تحديد المدى: تحتوي الوحدات ذات الحجم اليدوي على ليزر ليفي آمن للعين بقوة 4 كيلو واط ، وتردد 50 كيلو هرتز وعرض نبضي من 5 إلى 15 نانوثانية.

المعالجة السطحية

هناك اهتمام كبير بألياف الليزر الصغيرة المستخدمة في الآلات الدقيقة والنانوية. عند إزالة الطبقة السطحية ، إذا كانت مدة النبض أقل من 35 ps ، فلا يوجد تناثر للمادة. هذا يمنع تكوين المنخفضات والقطع الأثرية الأخرى غير المرغوب فيها. تنتج نبضات الفيمتو ثانية تأثيرات غير خطية ليست حساسة لطول الموجة ولا تسخن المساحة المحيطة ، مما يسمح بالتشغيل دون حدوث أضرار كبيرة أو إضعاف المناطق المحيطة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن قطع الثقوب بنسب عالية من العمق إلى العرض ، مثل بسرعة (في غضون مللي ثانية) عمل ثقوب صغيرة في الفولاذ المقاوم للصدأ 1 مم باستخدام 800 fs نبضات عند 1 ميجاهرتز.

يمكن استخدامها أيضًا في المعالجة السطحية للمواد الشفافة مثل عيون الإنسان. لقطع السديلة في الجراحة المجهرية للعين ، يتم تركيز نبضات الفيمتوثانية بإحكام بواسطة هدف ذو فتحة عالية عند نقطة أسفل سطح العين ، دون التسبب في أي ضرر للسطح ، ولكن تدمير مادة العين عند عمق متحكم فيه. يظل السطح الأملس للقرنية ، وهو ضروري للرؤية ، سليمًا. يمكن بعد ذلك سحب السديلة ، المفصولة من الأسفل ، لتشكيل عدسة ليزر إكسيمر السطح. تشمل التطبيقات الطبية الأخرى جراحة الاختراق السطحي في الأمراض الجلدية ، واستخدامها في بعض أنواع التصوير المقطعي بالتماس البصري.

ليزر الفيمتو ثانية

تُستخدم مولدات الكم الفيمتو ثانية في العلوم من أجل التحليل الطيفي للإثارة مع انهيار الليزر ، والتحليل الطيفي الفلوري الذي تم حله بمرور الوقت ، وكذلك لأبحاث المواد العامة. بالإضافة إلى ذلك ، فهي ضرورية لإنتاج تردد الفيمتو ثانيةالأمشاط اللازمة في علم القياس والبحث العام. أحد التطبيقات الحقيقية على المدى القصير هو الساعات الذرية للأقمار الصناعية من الجيل التالي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، والتي ستعمل على تحسين دقة تحديد المواقع.

يتم إنتاج ليزر الألياف أحادي التردد بعرض خط طيفي أقل من 1 كيلو هرتز. إنه جهاز صغير بشكل مثير للإعجاب بطاقة خرج تتراوح من 10mW إلى 1W. يجد تطبيقًا في مجال الاتصالات والقياس (على سبيل المثال ، في الجيروسكوبات الليفية) والتحليل الطيفي.

ماذا بعد؟

بالنسبة لتطبيقات البحث والتطوير الأخرى ، يتم استكشاف المزيد. على سبيل المثال ، تطور عسكري يمكن تطبيقه على مناطق أخرى ، والذي يتمثل في الجمع بين أشعة الليزر الليفي للحصول على حزمة واحدة عالية الجودة باستخدام مزيج متماسك أو طيفي. نتيجة لذلك ، يتم تحقيق المزيد من الطاقة في الحزمة أحادية الوضع.

يتزايد إنتاج ألياف الليزر بسرعة ، لا سيما لتلبية احتياجات صناعة السيارات. يتم أيضًا استبدال الأجهزة غير الليفية بأخرى من الألياف. بالإضافة إلى التحسينات العامة في التكلفة والأداء ، أصبحت المولدات الكمومية للفيمتوثانية ومصادر الاستمرارية الفائقة عملية بشكل متزايد. أصبحت ليزر الألياف أكثر تخصصًا وأصبحت مصدرًا للتحسين لأنواع الليزر الأخرى.