לייזר סיבי Ytterbium: מכשיר, עיקרון הפעלה, כוח, ייצור, יישום

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

לייזרי סיבים הם קומפקטיים ומחוספסים, מכוונים בצורה מדויקת ומפזרים אנרגיה תרמית בקלות. הם מגיעים במגוון צורות, ולמרות שיש להם הרבה מן המשותף עם סוגים אחרים של מחוללי קוונטים אופטיים, יש להם יתרונות ייחודיים משלהם.

לייזרי סיבים: איך הם עובדים

מכשירים מסוג זה הם וריאציה של מקור סטנדרטי במצב מוצק של קרינה קוהרנטית עם מדיום עבודה העשוי מסיבים ולא ממוט, צלחת או דיסק. האור נוצר על ידי דופנט במרכז הסיב. המבנה הבסיסי יכול לנוע בין פשוט למורכב למדי. העיצוב של הלייזר סיבי איטרביום הוא כזה שלסיב יש יחס משטח לנפח גדול, כך שניתן לפזר חום בקלות יחסית.

לייזרי סיבים נשאבים אופטית, לרוב על ידי מחוללים קוונטיים של דיודות, אך במקרים מסוימים על ידי אותם מקורות. האופטיקה המשמשת במערכות אלו היא בדרך כלל רכיבי סיבים, כאשר רובם או כולם מחוברים זה לזה. במקרים מסוימיםנעשה שימוש באופטיקה נפחית, ולעיתים משולבת מערכת סיבים אופטיים פנימית עם אופטיקה נפחית חיצונית.

מקור שאיבת הדיודה יכול להיות דיודה, מטריצה או ריבוי דיודות בודדות, שכל אחת מהן מחוברת למחבר באמצעות מוביל אור סיב אופטי. לסיב המסומם יש מראת תהודה חלל בכל קצה - בפועל, סורגים של Bragg עשויים בסיב. אין אופטיקה בתפזורת בקצוות, אלא אם אלומת הפלט נכנסת למשהו אחר מלבד סיב. ניתן לסובב את מוביל האור, כך שאם רוצים, חלל הלייזר יכול להיות באורך של כמה מטרים.

מבנה ליבה כפול

מבנה הסיב המשמש בלייזרי סיבים חשוב. הגיאומטריה הנפוצה ביותר היא מבנה הליבה הכפולה. הליבה החיצונית הבלתי מסומנת (המכונה לפעמים החיפוי הפנימי) אוספת את האור הנשאב ומכוונת אותו לאורך הסיב. הפליטה המגורה שנוצרת בסיבים עוברת דרך הליבה הפנימית, שלעתים קרובות היא במצב יחיד. הליבה הפנימית מכילה חומר דופן איטרביום המגורה על ידי אלומת האור המשאבה. ישנן צורות רבות שאינן מעגליות של הליבה החיצונית, כולל משושה, בצורת D ומלבנית, אשר מפחיתות את הסיכוי לחסר קרן אור מהליבה המרכזית.

ניתן לשאוב את לייזר הסיבים בקצה או בצד. במקרה הראשון, אור ממקור אחד או יותר נכנס לקצה הסיב. בשאיבה צדדית, האור מוזן לתוך מפצל, המספק אותו לליבה החיצונית. זהשונה מהלייזר המוט, שבו האור נכנס בניצב לציר.

פתרון זה דורש פיתוח עיצובי רב. תשומת לב רבה מוקדשת להנעת אור משאבה לתוך הליבה כדי לייצר היפוך אוכלוסיה המוביל לפליטת מגורה בליבה הפנימית. לליבת הלייזר יכולה להיות דרגת הגברה שונה בהתאם לסימום של הסיב, כמו גם לאורכו. גורמים אלה מותאמים על ידי מהנדס התכנון כדי לקבל את הפרמטרים הנדרשים.

הגבלות כוח עשויות להתרחש, במיוחד כאשר פועלים בתוך סיב מצב יחיד. לליבה כזו יש שטח חתך קטן מאוד, וכתוצאה מכך עובר דרכה אור בעוצמה גבוהה מאוד. במקביל, פיזור ברילואין לא ליניארי הופך בולט יותר ויותר, מה שמגביל את הספק המוצא לכמה אלפי וואט. אם אות הפלט גבוה מספיק, קצה הסיב עלול להינזק.

תכונות של לייזרים סיבים

שימוש בסיבים כמדיום עבודה נותן אורך אינטראקציה ארוך שעובד היטב עם שאיבת דיודה. גיאומטריה זו מביאה ליעילות המרת פוטון גבוהה, כמו גם עיצוב מחוספס וקומפקטי ללא אופטיקה נפרדת להתאמה או יישור.

לייזר הסיבים, שהמכשיר שלו מאפשר לו להסתגל היטב, יכול להיות מותאם הן לריתוך יריעות מתכת עבות והן להפקת פולסים של פמט שנייה.מגברים סיבים אופטיים מספקים הגברה במעבר יחיד ומשמשים בתקשורת מכיוון שהם מסוגלים להגביר אורכי גל רבים בו זמנית. אותו רווח משמש במגברי הספק עם מתנד מאסטר. במקרים מסוימים, המגבר יכול לעבוד עם לייזר CW.

דוגמה נוספת היא מקורות פליטה ספונטניים מוגברים בסיבים שבהם פליטה מגורה מדוכאת. דוגמה נוספת היא לייזר סיב ראמאן עם הגברה משולבת של פיזור, שמשנה משמעותית את אורך הגל. זה מצא יישום במחקר מדעי, שבו סיבי זכוכית פלואוריד משמשים לייצור והגברה של רמאן, ולא בסיבי קוורץ סטנדרטיים.

עם זאת, ככלל, הסיבים עשויים מזכוכית קוורץ עם חומר דופן של אדמה נדירה בליבה. התוספים העיקריים הם איטרביום וארביום. לאיטרביום יש אורכי גל מ-1030 עד 1080 ננומטר והוא יכול להקרין על פני טווח רחב יותר. השימוש בשאיבת דיודות 940 ננומטר מפחית משמעותית את חוסר הפוטונים. לאיטרביום אין אף אחת מההשפעות המכילות העצמיות שיש לנאודימיום בצפיפות גבוהה, לכן נעשה שימוש בניאודיום בלייזרים בתפזורת ואיטרביום בלייזרי סיבים (שניהם מספקים בערך את אותו אורך גל).

ארביום פולט בטווח של 1530-1620 ננומטר, וזה בטוח לעיניים. ניתן להכפיל את התדר ליצירת אור ב-780 ננומטר, שאינו זמין עבור סוגים אחרים של לייזרים סיבים. לבסוף, ניתן להוסיף לארביום איטרביום בצורה כזו שהיסוד יספוגלשאוב קרינה ולהעביר את האנרגיה הזו לארביום. תוליום הוא עוד חומר סימול קרוב לאינפרא אדום, ולכן הוא חומר בטוח לעין.

יעילות גבוהה

לייזר הסיבים הוא מערכת כמעט-שלוש רמות. פוטון המשאבה מעורר את המעבר ממצב הקרקע למפלס העליון. מעבר לייזר הוא מעבר מהחלק הנמוך ביותר של המפלס העליון לאחד ממצבי הקרקע המפוצלים. זה מאוד יעיל: למשל, איטרביום עם פוטון משאבה של 940 ננומטר פולט פוטון עם אורך גל של 1030 ננומטר ופגם קוונטי (אובדן אנרגיה) של כ-9%. בלבד

לעומת זאת, ניאודימיום הנשאב ב-808nm מאבד כ-24% מהאנרגיה שלו. לפיכך, לאיטרביום מטבעו יש יעילות גבוהה יותר, אם כי לא הכל ניתן להשגה עקב אובדן של כמה פוטונים. ניתן לשאוב Yb במספר פסי תדר, בעוד ארביום ניתן לשאוב ב-1480 או 980 ננומטר. תדר גבוה יותר אינו יעיל במונחים של פגם בפוטונים, אבל שימושי אפילו במקרה זה מכיוון שמקורות טובים יותר זמינים ב-980nm.

באופן כללי, היעילות של לייזר סיבים היא תוצאה של תהליך דו-שלבי. ראשית, זוהי היעילות של דיודת המשאבה. מקורות מוליכים למחצה של קרינה קוהרנטית יעילים מאוד, עם יעילות של 50% בהמרת אות חשמלי לאות אופטי. תוצאות מחקרי מעבדה מצביעות על כך שניתן להגיע לערך של 70% ומעלה. עם התאמה מדויקת של קו הקרינה הפלטספיגת סיבים בלייזר ויעילות משאבה גבוהה.

שני הוא יעילות ההמרה האופטית-אופטית. עם פגם פוטון קטן, ניתן להשיג רמה גבוהה של עירור ויעילות מיצוי עם יעילות המרה אופטית של 60-70%. היעילות המתקבלת היא בטווח של 25–35%.

תצורות שונות

מחוללי סיבים אופטיים קוונטיים של קרינה רציפה יכולים להיות חד או רב-מודים (עבור מצבים רוחביים). לייזרים חד-מודים מייצרים אלומה איכותית לחומרים הפועלים או מקרינים דרך האטמוספרה, בעוד שלייזרי סיבים תעשייתיים מרובי מצבים יכולים לייצר הספק גבוה. זה משמש לחיתוך וריתוך, ובפרט לטיפול בחום שבו מואר שטח גדול.

לייזר הסיבים הארוך הוא בעצם מכשיר מעין רציף, המפיק בדרך כלל פולסים מסוג אלפית שנייה. בדרך כלל, מחזור העבודה שלו הוא 10%. זה מביא להספק שיא גבוה יותר מאשר במצב רציף (בדרך כלל פי עשרה יותר) המשמש לקידוח דופק, למשל. התדר יכול להגיע ל-500 הרץ, תלוי במשך הזמן.

מיתוג Q בלייזרי סיבים פועל באותו אופן כמו בלייזרים בתפזורת. משך הדופק האופייני הוא בטווח של ננו-שניות עד מיקרו-שניות. ככל שהסיב ארוך יותר, ייקח יותר זמן ל-Q-switch את הפלט, וכתוצאה מכך דופק ארוך יותר.

מאפייני סיבים מטילים כמה הגבלות על מיתוג Q. חוסר הליניאריות של לייזר סיבים משמעותי יותר בגלל שטח החתך הקטן של הליבה, ולכן שיא ההספק חייב להיות מוגבל במקצת. ניתן להשתמש במתגי Q נפחיים, שנותנים ביצועים טובים יותר, או במאפננים סיבים, המחוברים לקצוות של החלק הפעיל.

ניתן להגביר פולסים עם מיתוג Q בסיב או במהוד חלל. דוגמה לאחרון ניתן למצוא במתקן הלאומי לסימולציית ניסויים גרעיניים (NIF, Livermore, CA), שם לייזר סיבי איטרביום הוא המתנד הראשי ל-192 קרניים. פולסים קטנים בלוחות זכוכית מסוממים גדולים מוגברים למגה-ג'אול.

בלייזרים סיבים נעולים, קצב החזרה תלוי באורך חומר ההגברה, כמו בסכימות נעילה במצבים אחרים, ומשך הפולס תלוי ברוחב הפס של ההגבר. הקצרים ביותר נמצאים בטווח של 50 fs והאופייניים ביותר הם בטווח של 100 fs.

יש הבדל חשוב בין סיבי ארביום ואיטרביום, כתוצאה מכך הם פועלים במצבי פיזור שונים. סיבים מסוממים בארביום פולטים ב-1550 ננומטר באזור הפיזור האנומלי. זה מאפשר ייצור של סוליטונים. סיבי איטרביום נמצאים באזור של פיזור חיובי או תקין; כתוצאה מכך, הם מייצרים פולסים עם תדר אפנון ליניארי בולט. כתוצאה מכך, ייתכן שיהיה צורך בסורג בראג כדי לדחוס את אורך הדופק.

ישנן מספר דרכים לשנות את פעימות הלייזר של סיבים, במיוחד עבור מחקרי פיקושניות מהירים במיוחד. ניתן לייצר סיבי גביש פוטוניים עם ליבות קטנות מאוד כדי לייצר אפקטים לא ליניאריים חזקים, כגון יצירת רצף על. לעומת זאת, גבישים פוטוניים יכולים להתבצע גם עם ליבות במצב יחיד גדולות מאוד כדי למנוע אפקטים לא ליניאריים בהספקים גבוהים.

סיבי קריסטל פוטוניים גמישים בעלי ליבה גדולה מיועדים ליישומי הספק גבוה. טכניקה אחת היא לכופף סיב כזה בכוונה כדי לחסל כל מצב לא רצוי מסדר גבוה תוך שמירה על המצב הרוחבי הבסיסי בלבד. האי-לינאריות יוצרת הרמוניות; על ידי חיסור והוספת תדרים, ניתן ליצור גלים קצרים וארוכים יותר. אפקטים לא ליניאריים יכולים גם לדחוס פולסים, וכתוצאה מכך מסרקות תדרים.

כמקור על-רצף, פולסים קצרים מאוד מייצרים ספקטרום רציף רחב באמצעות אפנון פאזה עצמית. לדוגמה, מהפולסים הראשוניים של 6 ps ב-1050 ננומטר שלייזר סיב איטרביום יוצר, מתקבל ספקטרום בטווח שבין אולטרה סגול ליותר מ-1600 ננומטר. מקור IR סופר-רציף נוסף נשאב עם מקור ארביום ב-1550 ננומטר.

עוצמה גבוהה

התעשייה היא כיום הצרכן הגדול ביותר של לייזרים סיבים. כוח הוא ביקוש גבוה כרגע.בערך קילוואט, בשימוש בתעשיית הרכב. תעשיית הרכב נעה לעבר רכבי פלדה בעלי חוזק גבוה כדי לעמוד בדרישות העמידות ולהיות קלה יחסית לחיסכון טוב יותר בדלק. קשה מאוד לכלי מכונות רגילים, למשל, לנקב חורים בסוג זה של פלדה, אבל מקורות קרינה קוהרנטיים מקלים על זה.

לחיתוך מתכות בלייזר סיבים, בהשוואה לסוגים אחרים של גנרטורים קוונטיים, יש מספר יתרונות. לדוגמה, אורכי גל קרובים לאינפרא אדום נספגים היטב על ידי מתכות. ניתן להעביר את האלומה מעל הסיב, מה שמאפשר לרובוט להזיז בקלות את המיקוד בעת חיתוך וקידוח.

סיבים עומדים בדרישות ההספק הגבוהות ביותר. נשק של חיל הים האמריקני שנבדק בשנת 2014 מורכב מלייזרים בעלי 6 סיבים של 5.5 קילוואט המשולבים לאורה אחת ונפלטים דרך מערכת אופטית מתגבשת. יחידת ה-33 קילוואט שימשה להשמדת כלי טיס בלתי מאויש. למרות שהקרן אינה חד-מודית, המערכת מעניינת מכיוון שהיא מאפשרת ליצור לייזר סיבים במו ידיך מרכיבים סטנדרטיים וזמינים.

מקור האור הקוהרנטי בעל ההספק הגבוה ביותר מבית IPG Photonics הוא 10 קילוואט. המתנד הראשי מייצר קילוואט של כוח אופטי, המוזן לשלב המגבר הנשאב ב-1018 ננומטר עם אור מלייזרי סיבים אחרים. המערכת כולה בגודל של שני מקררים.

השימוש בלייזרי סיבים התפשט גם לחיתוך וריתוך בעוצמה גבוהה. למשל, הם החליפוריתוך התנגדות של פלדה, פותר את בעיית עיוות החומר. שליטה על הספק ופרמטרים נוספים מאפשרת חיתוך מדויק מאוד של עקומות, במיוחד פינות.

לייזר הסיבים הרב-מצבי החזק ביותר - מכונת חיתוך מתכת מאותו יצרן - מגיע ל-100 קילוואט. המערכת מבוססת על שילוב של אלומה לא קוהרנטית, כך שלא מדובר בקורה איכותית במיוחד. עמידות זו הופכת את לייזרים סיבים לאטרקטיביים לתעשייה.

קידוח בטון

4KW לייזר סיבים רב-מצבי יכול לשמש לחיתוך וקידוח בטון. למה זה נחוץ? כאשר מהנדסים מנסים להשיג עמידות בפני רעידות אדמה במבנים קיימים, יש להיזהר מאוד בבטון. אם מותקן בו חיזוק פלדה, למשל, קידוח פטיש קונבנציונלי עלול לסדוק ולהחליש את הבטון, אבל לייזרים סיבים חותכים אותו מבלי למעוך אותו.

גנרטורים קוונטיים עם סיב מתווי Q משמשים, למשל, לסימון או לייצור אלקטרוניקה מוליכים למחצה. הם משמשים גם במדדי טווח: מודולים בגודל יד מכילים לייזרים סיבים בטוחים לעין עם הספק של 4 קילוואט, תדר של 50 קילו-הרץ ורוחב פולסים של 5-15 ns.

טיפול פני השטח

יש עניין רב בלייזרי סיבים קטנים לעיבוד מיקרו וננו. בעת הסרת שכבת פני השטח, אם משך הדופק קצר מ-35 ps, אין התזה של החומר. זה מונע היווצרות של דיכאונות וחפצים לא רצויים אחרים. פעימות פמט שנייה מייצרות אפקטים לא ליניאריים שאינם רגישים לאורך הגל ואינם מחממים את החלל שמסביב, מה שמאפשר פעולה ללא נזק משמעותי או היחלשות של האזורים שמסביב. בנוסף, ניתן לחתוך חורים ביחסי עומק-רוחב גבוהים, כגון יצירת חורים קטנים במהירות (בתוך אלפיות שניות) בפלדת אל-חלד של 1 מ מ באמצעות פעימות 800 fs ב-1 מגה-הרץ.

יכול לשמש גם לטיפול פני השטח של חומרים שקופים כגון עיניים אנושיות. כדי לחתוך דש במיקרו-כירורגיה עיניים, פעימות פמט-שניות ממוקדות בחוזקה על ידי מטרה בעלת צמצם גבוה בנקודה מתחת למשטח העין, מבלי לגרום נזק למשטח, אלא להרוס את החומר העיני בעומק מבוקר. המשטח החלק של הקרנית, החיוני לראייה, נשאר שלם. לאחר מכן ניתן למשוך את הדש, המופרד מלמטה, כלפי מעלה ליצירת עדשת לייזר אקסימר משטח. יישומים רפואיים אחרים כוללים ניתוח חדירה רדודה ברפואת עור, ושימוש בכמה סוגים של טומוגרפיה קוהרנטית אופטית.

לייזרים בפמט שנייה

מחוללי קוואנטים של פמט שנייה משמשים במדע עבור ספקטרוסקופיה עירור עם התמוטטות לייזר, ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית עם פתרון זמן, כמו גם עבור מחקר חומרים כללי. בנוסף, הם נחוצים לייצור תדר פמט-שניותמסרקים הדרושים במטרולוגיה ומחקר כללי. אחד מהיישומים האמיתיים בטווח הקצר יהיה שעונים אטומיים ללווייני GPS מהדור הבא, שישפרו את דיוק המיקום.

לייזר סיב בתדר יחיד מיוצר ברוחב קו ספקטרלי של פחות מ-1 קילו-הרץ. זהו מכשיר קטן להפליא עם הספק מוצא הנעים בין 10mW ל-1W. הוא מוצא יישום בתחום התקשורת, המטרולוגיה (למשל, בגירוסקופים של סיבים) וספקטרוסקופיה.

מה הלאה?

באשר ליישומי מו פ אחרים, הרבה יותר נחקרים. לדוגמה, פיתוח צבאי שניתן ליישם בתחומים אחרים, המורכב משילוב קרני לייזר סיבים לקבלת קרן אחת איכותית באמצעות שילוב קוהרנטי או ספקטרלי. כתוצאה מכך, הספק רב יותר מושג בקרן במצב יחיד.

ייצור לייזרים סיבים גדל במהירות, במיוחד לצרכי תעשיית הרכב. גם מכשירים שאינם סיבים מוחלפים במכשירים סיבים. בנוסף לשיפורים כלליים בעלות ובביצועים, מחוללי קוואנטים של פמט שנייה ומקורות סופר-רצף הופכים ליותר ויותר מעשיים. לייזרים סיבים הופכים לנישה יותר והופכים למקור שיפור עבור סוגים אחרים של לייזרים.