Laser serat Ytterbium: perangkat, prinsip operasi, daya, produksi, aplikasi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 10:31

Laser serat kompak dan kokoh, mengarah dengan tepat dan membuang energi panas dengan mudah. Mereka datang dalam berbagai bentuk dan, meskipun memiliki banyak kesamaan dengan jenis generator kuantum optik lainnya, memiliki keunggulan uniknya sendiri.

Laser serat: cara kerjanya

Perangkat jenis ini adalah variasi dari sumber radiasi koheren solid-state standar dengan media kerja yang terbuat dari serat daripada batang, pelat, atau cakram. Cahaya dihasilkan oleh dopan di tengah serat. Struktur dasar dapat berkisar dari yang sederhana hingga yang cukup kompleks. Desain laser serat ytterbium sedemikian rupa sehingga serat memiliki rasio permukaan terhadap volume yang besar, sehingga panas dapat dihilangkan dengan relatif mudah.

Laser serat dipompa secara optik, paling sering oleh generator kuantum dioda, tetapi dalam beberapa kasus oleh sumber yang sama. Optik yang digunakan dalam sistem ini biasanya merupakan komponen serat, dengan sebagian besar atau semuanya terhubung satu sama lain. Dalam beberapa kasusoptik volumetrik digunakan, dan terkadang sistem serat optik internal digabungkan dengan optik volumetrik eksternal.

Sumber pemompaan dioda dapat berupa dioda, matriks, atau sejumlah dioda individu, yang masing-masing dihubungkan ke konektor oleh pemandu cahaya serat optik. Serat yang didoping memiliki cermin resonator rongga di setiap ujungnya - dalam praktiknya, kisi-kisi Bragg dibuat di dalam serat. Tidak ada optik massal di ujungnya, kecuali sinar keluaran masuk ke sesuatu selain serat. Panduan cahaya dapat diputar, sehingga jika diinginkan, rongga laser dapat memiliki panjang beberapa meter.

Struktur inti ganda

Struktur serat yang digunakan dalam laser serat adalah penting. Geometri yang paling umum adalah struktur inti ganda. Inti luar yang tidak didoping (kadang-kadang disebut kelongsong bagian dalam) mengumpulkan cahaya yang dipompa dan mengarahkannya di sepanjang serat. Emisi terstimulasi yang dihasilkan dalam serat melewati inti dalam, yang seringkali merupakan mode tunggal. Inti bagian dalam mengandung dopan ytterbium yang dirangsang oleh sinar pompa. Ada banyak bentuk inti luar yang tidak melingkar, termasuk heksagonal, bentuk D, dan persegi panjang, yang mengurangi kemungkinan berkas cahaya hilang dari inti pusat.

Laser serat dapat dipompa dari ujung atau samping. Dalam kasus pertama, cahaya dari satu atau lebih sumber memasuki ujung serat. Dalam pemompaan samping, cahaya diumpankan ke splitter, yang memasoknya ke inti luar. diaberbeda dengan laser batang, di mana cahaya masuk tegak lurus terhadap sumbu.

Solusi ini membutuhkan banyak pengembangan desain. Perhatian yang cukup besar diberikan untuk mengarahkan cahaya pompa ke inti untuk menghasilkan inversi populasi yang mengarah ke emisi terstimulasi di inti dalam. Inti laser dapat memiliki tingkat amplifikasi yang berbeda tergantung pada doping serat, serta panjangnya. Faktor-faktor ini disesuaikan oleh insinyur desain untuk mendapatkan parameter yang diperlukan.

Keterbatasan daya dapat terjadi, terutama saat beroperasi dalam serat mode tunggal. Inti seperti itu memiliki luas penampang yang sangat kecil, dan akibatnya, cahaya dengan intensitas sangat tinggi melewatinya. Pada saat yang sama, hamburan Brillouin non-linier menjadi semakin terlihat, yang membatasi daya keluaran hingga beberapa ribu watt. Jika sinyal keluaran cukup tinggi, ujung serat mungkin rusak.

Fitur laser serat

Menggunakan serat sebagai media kerja memberikan panjang interaksi yang panjang yang bekerja dengan baik dengan pemompaan dioda. Geometri ini menghasilkan efisiensi konversi foton yang tinggi serta desain yang kokoh dan ringkas tanpa optik diskrit untuk disetel atau disejajarkan.

Laser serat, yang perangkatnya memungkinkannya beradaptasi dengan baik, dapat disesuaikan untuk mengelas lembaran logam tebal dan untuk menghasilkan pulsa femtosecond. Penguat serat optik memberikan amplifikasi single-pass dan digunakan dalam telekomunikasi karena mereka mampu memperkuat banyak panjang gelombang secara bersamaan. Gain yang sama digunakan dalam power amplifier dengan osilator master. Dalam beberapa kasus, amplifier dapat bekerja dengan laser CW.

Contoh lain adalah sumber emisi spontan yang diperkuat serat di mana emisi terstimulasi ditekan. Contoh lain adalah laser serat Raman dengan amplifikasi hamburan gabungan, yang secara signifikan menggeser panjang gelombang. Ini telah menemukan aplikasi dalam penelitian ilmiah, di mana serat kaca fluorida digunakan untuk generasi dan amplifikasi Raman, daripada serat kuarsa standar.

Namun, sebagai aturan, serat terbuat dari kaca kuarsa dengan dopan tanah jarang di intinya. Aditif utama adalah ytterbium dan erbium. Iterbium memiliki panjang gelombang dari 1030 hingga 1080 nm dan dapat memancar pada rentang yang lebih luas. Penggunaan pemompaan dioda 940 nm secara signifikan mengurangi defisit foton. Iterbium tidak memiliki efek pemadaman sendiri yang dimiliki neodymium pada kepadatan tinggi, jadi neodymium digunakan dalam laser massal dan iterbium dalam laser serat (keduanya memberikan panjang gelombang yang kira-kira sama).

Erbium memancarkan dalam kisaran 1530-1620 nm, yang aman untuk mata. Frekuensi dapat digandakan untuk menghasilkan cahaya pada 780 nm, yang tidak tersedia untuk jenis laser serat lainnya. Akhirnya, iterbium dapat ditambahkan ke erbium sedemikian rupa sehingga unsur tersebut akan menyerapmemompa radiasi dan mentransfer energi ini ke erbium. Thulium adalah dopan inframerah-dekat lainnya, yang merupakan bahan yang aman untuk mata.

Efisiensi tinggi

Laser serat adalah sistem kuasi-tiga tingkat. Foton pompa menggairahkan transisi dari keadaan dasar ke tingkat atas. Transisi laser adalah transisi dari bagian terendah tingkat atas ke salah satu keadaan dasar terpisah. Ini sangat efisien: misalnya, iterbium dengan foton pompa 940 nm memancarkan foton dengan panjang gelombang 1030 nm dan cacat kuantum (kehilangan energi) hanya sekitar 9%.

Sebaliknya, neodymium yang dipompa pada 808nm kehilangan sekitar 24% energinya. Dengan demikian, iterbium secara inheren memiliki efisiensi yang lebih tinggi, meskipun tidak semuanya dapat dicapai karena hilangnya beberapa foton. Yb dapat dipompa dalam sejumlah pita frekuensi, sedangkan erbium dapat dipompa pada 1480 atau 980 nm. Frekuensi yang lebih tinggi tidak seefisien dalam hal cacat foton, tetapi berguna bahkan dalam kasus ini karena sumber yang lebih baik tersedia pada 980nm.

Secara umum, efisiensi laser serat adalah hasil dari proses dua langkah. Pertama, ini adalah efisiensi dioda pompa. Sumber radiasi koheren semikonduktor sangat efisien, dengan efisiensi 50% dalam mengubah sinyal listrik menjadi sinyal optik. Hasil studi laboratorium menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk mencapai nilai 70% atau lebih. Dengan kecocokan yang tepat dari garis radiasi keluaranpenyerapan laser serat dan efisiensi pompa yang tinggi.

Kedua adalah efisiensi konversi optik-optik. Dengan cacat foton kecil, tingkat eksitasi dan efisiensi ekstraksi yang tinggi dapat dicapai dengan efisiensi konversi opto-optik 60–70%. Efisiensi yang dihasilkan berada pada kisaran 25–35%.

Berbagai konfigurasi

Pembangkit kuantum serat optik dari radiasi kontinu dapat berupa mode tunggal atau multi mode (untuk mode transversal). Laser mode tunggal menghasilkan sinar berkualitas tinggi untuk bahan yang beroperasi atau dipancarkan melalui atmosfer, sedangkan laser serat industri multi-mode dapat menghasilkan daya tinggi. Ini digunakan untuk memotong dan mengelas, dan khususnya untuk perlakuan panas di mana area yang luas diterangi.

Laser serat pulsa panjang pada dasarnya adalah perangkat kuasi-kontinyu, biasanya menghasilkan pulsa tipe milidetik. Biasanya, siklus tugasnya adalah 10%. Ini menghasilkan daya puncak yang lebih tinggi daripada mode kontinu (biasanya sepuluh kali lebih banyak) yang digunakan untuk pengeboran pulsa, misalnya. Frekuensinya bisa mencapai 500 Hz, tergantung durasinya.

Q-switching pada laser serat bekerja dengan cara yang sama seperti pada laser massal. Durasi pulsa tipikal berada dalam kisaran nanodetik hingga mikrodetik. Semakin panjang serat, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk Q-switch output, menghasilkan pulsa yang lebih lama.

Fiber properties memberlakukan beberapa batasan pada Q-switching. Non-linearitas laser serat lebih signifikan karena luas penampang inti yang kecil, sehingga daya puncak harus agak terbatas. Baik sakelar Q volumetrik dapat digunakan, yang memberikan kinerja lebih baik, atau modulator serat, yang terhubung ke ujung bagian aktif.

Pulsa Q-switched dapat diperkuat dalam serat atau di dalam rongga resonator. Contoh yang terakhir dapat ditemukan di Fasilitas Simulasi Uji Nuklir Nasional (NIF, Livermore, CA), di mana laser serat ytterbium adalah osilator utama untuk 192 sinar. Pulsa kecil dalam lempengan kaca yang didoping besar diperkuat menjadi megajoule.

Dalam laser serat terkunci, tingkat pengulangan bergantung pada panjang bahan penguatan, seperti pada skema penguncian mode lainnya, dan durasi pulsa bergantung pada bandwidth penguatan. Yang paling pendek ada di kisaran 50 fs dan yang paling umum ada di kisaran 100 fs.

Ada perbedaan penting antara serat erbium dan ytterbium, sebagai akibatnya mereka beroperasi dalam mode dispersi yang berbeda. Serat erbium-doped memancarkan pada 1550 nm di wilayah dispersi anomali. Ini memungkinkan produksi soliton. Serat iterbium berada di wilayah dispersi positif atau normal; sebagai hasilnya, mereka menghasilkan pulsa dengan frekuensi modulasi linier yang diucapkan. Akibatnya, kisi Bragg mungkin diperlukan untuk mengompresi panjang pulsa.

Ada beberapa cara untuk memodifikasi pulsa laser serat, terutama untuk studi picosecond ultracepat. Serat kristal fotonik dapat dibuat dengan inti yang sangat kecil untuk menghasilkan efek non-linier yang kuat, seperti pembangkitan superkontinuum. Sebaliknya, kristal fotonik juga dapat dibuat dengan inti mode tunggal yang sangat besar untuk menghindari efek non-linier pada daya tinggi.

Serat kristal fotonik inti besar yang fleksibel dirancang untuk aplikasi daya tinggi. Salah satu teknik adalah dengan sengaja membengkokkan serat tersebut untuk menghilangkan mode orde tinggi yang tidak diinginkan sambil mempertahankan hanya mode transversal fundamental. Non-linearitas menciptakan harmonik; dengan mengurangi dan menambahkan frekuensi, gelombang yang lebih pendek dan lebih panjang dapat dibuat. Efek nonlinier juga dapat memampatkan pulsa, menghasilkan sisir frekuensi.

Sebagai sumber superkontinuum, pulsa yang sangat pendek menghasilkan spektrum kontinu yang lebar menggunakan modulasi fase sendiri. Misalnya, dari pulsa 6 ps awal pada 1050 nm yang dibuat oleh laser serat ytterbium, spektrum diperoleh dalam kisaran dari ultraviolet hingga lebih dari 1600 nm. Sumber IR superkontinum lainnya dipompa dengan sumber erbium pada 1550 nm.

Kekuatan tinggi

Industri saat ini merupakan konsumen laser serat terbesar. Listrik sangat dibutuhkan saat ini.sekitar satu kilowatt, digunakan dalam industri otomotif. Industri otomotif bergerak menuju kendaraan baja berkekuatan tinggi untuk memenuhi persyaratan ketahanan dan menjadi relatif ringan untuk penghematan bahan bakar yang lebih baik. Sangat sulit bagi peralatan mesin biasa, misalnya, untuk membuat lubang pada baja jenis ini, tetapi sumber radiasi yang koheren membuatnya mudah.

Memotong logam dengan laser serat, dibandingkan dengan jenis generator kuantum lainnya, memiliki sejumlah keunggulan. Misalnya, panjang gelombang inframerah dekat diserap dengan baik oleh logam. Balok dapat dikirimkan melalui serat, memungkinkan robot untuk dengan mudah memindahkan fokus saat memotong dan mengebor.

Fiber memenuhi persyaratan daya tertinggi. Senjata Angkatan Laut AS yang diuji pada tahun 2014 terdiri dari laser 6-serat 5,5-kW yang digabungkan menjadi satu sinar dan dipancarkan melalui sistem optik pembentuk. Unit 33 kW digunakan untuk menghancurkan kendaraan udara tak berawak. Meskipun sinarnya bukan mode tunggal, sistem ini menarik karena memungkinkan Anda membuat laser serat dengan tangan Anda sendiri dari komponen standar yang tersedia.

Sumber cahaya koheren mode tunggal dengan daya tertinggi dari IPG Photonics adalah 10 kW. Osilator master menghasilkan satu kilowatt daya optik, yang diumpankan ke tahap penguat yang dipompa pada 1018 nm dengan cahaya dari laser serat lainnya. Keseluruhan sistem berukuran dua lemari es.

Penggunaan laser serat juga telah menyebar ke pemotongan dan pengelasan berdaya tinggi. Misalnya, mereka menggantipengelasan resistansi baja lembaran, memecahkan masalah deformasi material. Mengontrol daya dan parameter lainnya memungkinkan pemotongan kurva yang sangat presisi, terutama sudut.

Laser serat multi-mode paling kuat - mesin pemotong logam dari pabrikan yang sama - mencapai 100 kW. Sistem ini didasarkan pada kombinasi sinar yang tidak koheren, jadi ini bukan sinar berkualitas sangat tinggi. Daya tahan ini membuat laser serat menarik bagi industri.

Pengeboran beton

4KW laser serat multi-mode dapat digunakan untuk pemotongan dan pengeboran beton. Mengapa ini dibutuhkan? Ketika para insinyur mencoba untuk mencapai ketahanan gempa di gedung-gedung yang ada, kita harus sangat berhati-hati dengan beton. Jika tulangan baja dipasang di dalamnya, misalnya, pengeboran palu konvensional dapat memecahkan dan melemahkan beton, tetapi laser serat memotongnya tanpa menghancurkannya.

Generator kuantum dengan serat Q-switched digunakan, misalnya, untuk menandai atau dalam produksi elektronik semikonduktor. Mereka juga digunakan dalam pengintai: modul seukuran tangan berisi laser serat yang aman bagi mata dengan kekuatan 4 kW, frekuensi 50 kHz dan lebar pulsa 5-15 ns.

Perawatan permukaan

Ada banyak minat pada laser serat kecil untuk permesinan mikro dan nano. Saat melepas lapisan permukaan, jika durasi pulsa lebih pendek dari 35 ps, tidak ada percikan material. Ini mencegah pembentukan depresi danartefak lain yang tidak diinginkan. Pulsa femtosecond menghasilkan efek non-linier yang tidak sensitif terhadap panjang gelombang dan tidak memanaskan ruang di sekitarnya, memungkinkan pengoperasian tanpa kerusakan signifikan atau melemahnya area sekitarnya. Selain itu, lubang dapat dipotong pada rasio kedalaman-ke-lebar yang tinggi, seperti dengan cepat (dalam milidetik) membuat lubang kecil pada baja tahan karat 1mm menggunakan pulsa 800 fs pada 1 MHz.

Dapat juga digunakan untuk perawatan permukaan bahan transparan seperti mata manusia. Untuk memotong flap dalam bedah mikro okular, pulsa femtosecond difokuskan secara ketat oleh objektif apertur tinggi pada titik di bawah permukaan okular, tanpa menyebabkan kerusakan pada permukaan, tetapi menghancurkan material okular pada kedalaman yang terkontrol. Permukaan halus kornea, yang penting untuk penglihatan, tetap utuh. Flap, dipisahkan dari bawah, kemudian dapat ditarik ke atas untuk pembentukan lensa laser excimer permukaan. Aplikasi medis lainnya termasuk bedah penetrasi dangkal di bidang dermatologi, dan digunakan dalam beberapa jenis optical coherence tomography.

Laser Femtosecond

Generator kuantum Femtosecond digunakan dalam sains untuk spektroskopi eksitasi dengan kerusakan laser, spektroskopi fluoresensi yang diselesaikan dengan waktu, serta untuk penelitian bahan umum. Selain itu, mereka diperlukan untuk produksi frekuensi femtosecondsisir yang dibutuhkan dalam metrologi dan penelitian umum. Salah satu aplikasi nyata dalam jangka pendek adalah jam atom untuk satelit GPS generasi berikutnya, yang akan meningkatkan akurasi posisi.

Laser serat frekuensi tunggal diproduksi dengan lebar garis spektral kurang dari 1 kHz. Ini adalah perangkat kecil yang mengesankan dengan daya keluaran mulai dari 10mW hingga 1W. Ia menemukan aplikasi di bidang komunikasi, metrologi (misalnya, dalam giroskop serat) dan spektroskopi.

Apa selanjutnya?

Untuk aplikasi R&D lainnya, masih banyak lagi yang sedang dieksplorasi. Misalnya, pengembangan militer yang dapat diterapkan di bidang lain, yang terdiri dari menggabungkan sinar laser serat untuk mendapatkan satu sinar berkualitas tinggi menggunakan kombinasi koheren atau spektral. Hasilnya, lebih banyak daya dicapai dalam berkas mode tunggal.

Produksi laser fiber berkembang pesat, terutama untuk kebutuhan industri otomotif. Perangkat non-serat juga sedang diganti dengan yang serat. Selain peningkatan umum dalam biaya dan kinerja, generator kuantum femtosecond dan sumber superkontinuum menjadi semakin praktis. Laser serat menjadi lebih khusus dan menjadi sumber peningkatan untuk jenis laser lainnya.