Laser a fibra di itterbio: dispositivo, principio di funzionamento, potenza, produzione, applicazione

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

I laser a fibra sono compatti e robusti, puntano con precisione e dissipano facilmente l'energia termica. Sono disponibili in una varietà di forme e, pur avendo molto in comune con altri tipi di generatori quantistici ottici, hanno i loro vantaggi unici.

Laser a fibra: come funzionano

I dispositivi di questo tipo sono una variazione di una sorgente a stato solido standard di radiazione coerente con un mezzo di lavoro fatto di fibra piuttosto che un'asta, una piastra o un disco. La luce è generata da un drogante al centro della fibra. La struttura di base può variare da semplice a piuttosto complessa. Il design del laser a fibra di itterbio è tale che la fibra ha un ampio rapporto superficie/volume, quindi il calore può essere dissipato in modo relativamente semplice.

I laser a fibra sono pompati otticamente, il più delle volte da generatori quantistici a diodi, ma in alcuni casi dalle stesse sorgenti. Le ottiche utilizzate in questi sistemi sono tipicamente componenti in fibra, con la maggior parte o tutte collegate tra loro. In alcuni casivengono utilizzate ottiche volumetriche e talvolta un sistema interno in fibra ottica viene combinato con ottiche volumetriche esterne.

La sorgente di pompaggio dei diodi può essere un diodo, una matrice o una pluralità di singoli diodi, ciascuno dei quali è collegato a un connettore tramite una guida di luce in fibra ottica. La fibra drogata ha uno specchio risonatore a cavità a ciascuna estremità - in pratica, i reticoli di Bragg sono realizzati nella fibra. Non ci sono ottiche sfuse alle estremità, a meno che il raggio di uscita non entri in qualcosa di diverso da una fibra. La guida di luce può essere ruotata, in modo che, se lo si desidera, la cavità laser possa essere lunga diversi metri.

Struttura a doppio nucleo

La struttura della fibra utilizzata nei laser a fibra è importante. La geometria più comune è la struttura dual core. Il nucleo esterno non drogato (a volte chiamato rivestimento interno) raccoglie la luce pompata e la dirige lungo la fibra. L'emissione stimolata generata nella fibra passa attraverso il nucleo interno, che spesso è monomodale. Il nucleo interno contiene un drogante di itterbio stimolato dal raggio di luce della pompa. Esistono molte forme non circolari del nucleo esterno, tra cui esagonali, a forma di D e rettangolari, che riducono la possibilità che il raggio di luce manchi dal nucleo centrale.

Il laser a fibra può essere pompato all'estremità o lateralmente. Nel primo caso, la luce proveniente da una o più sorgenti entra nell'estremità della fibra. Nel pompaggio laterale, la luce viene immessa in uno splitter, che la fornisce al nucleo esterno. essodifferisce dal laser a barra, dove la luce entra perpendicolarmente all'asse.

Questa soluzione richiede molto sviluppo del design. Viene prestata notevole attenzione a guidare la luce della pompa nel nucleo per produrre un'inversione della popolazione che porta a un'emissione stimolata nel nucleo interno. Il nucleo del laser può avere un diverso grado di amplificazione a seconda del drogaggio della fibra, oltre che della sua lunghezza. Questi fattori vengono regolati dal progettista per ottenere i parametri richiesti.

Potrebbero verificarsi limitazioni di potenza, in particolare quando si opera con fibra monomodale. Un tale nucleo ha un'area della sezione trasversale molto piccola e, di conseguenza, una luce di intensità molto elevata lo attraversa. Allo stesso tempo, diventa sempre più evidente lo scattering Brillouin non lineare, che limita la potenza di uscita a diverse migliaia di watt. Se il segnale di uscita è sufficientemente alto, l'estremità della fibra potrebbe essere danneggiata.

Caratteristiche dei laser a fibra

L'uso della fibra come mezzo di lavoro offre una lunga lunghezza di interazione che funziona bene con il pompaggio a diodi. Questa geometria si traduce in un'elevata efficienza di conversione dei fotoni e in un design robusto e compatto senza ottiche discrete da regolare o allineare.

Il laser a fibra, il cui dispositivo gli permette di adattarsi bene, può essere adattato sia per la saldatura di lamiere spesse sia per la produzione di impulsi a femtosecondi. Gli amplificatori in fibra ottica forniscono un'amplificazione a passaggio singolo e sono utilizzati nelle telecomunicazioni perché sono in grado di amplificare molte lunghezze d'onda contemporaneamente. Lo stesso guadagno viene utilizzato negli amplificatori di potenza con un oscillatore master. In alcuni casi, l'amplificatore può funzionare con un laser CW.

Un altro esempio sono le sorgenti di emissione spontanea amplificate in fibra in cui l'emissione stimolata viene soppressa. Un altro esempio è un laser a fibra Raman con amplificazione di scattering combinata, che sposta significativamente la lunghezza d'onda. Ha trovato applicazione nella ricerca scientifica, in cui le fibre di vetro al fluoruro vengono utilizzate per la generazione e l'amplificazione Raman, piuttosto che le fibre di quarzo standard.

Tuttavia, di norma, le fibre sono fatte di vetro al quarzo con una terra rara drogante nel nucleo. I principali additivi sono itterbio ed erbio. L'itterbio ha lunghezze d'onda da 1030 a 1080 nm e può irradiare su una gamma più ampia. L'uso del pompaggio a diodi a 940 nm riduce significativamente il deficit di fotoni. L'itterbio non ha nessuno degli effetti di auto spegnimento che il neodimio ha ad alta densità, quindi il neodimio viene utilizzato nei laser sfusi e l'itterbio nei laser a fibra (entrambi forniscono all'incirca la stessa lunghezza d'onda).

Erbium emette nella gamma di 1530-1620 nm, che è sicuro per gli occhi. La frequenza può essere raddoppiata per generare luce a 780 nm, che non è disponibile per altri tipi di laser a fibra. Infine, l'itterbio può essere aggiunto all'erbio in modo tale che l'elemento venga assorbitopompa la radiazione e trasferisce questa energia all'erbio. Il tulio è un altro drogante nel vicino infrarosso, che è quindi un materiale sicuro per gli occhi.

Alta efficienza

Il laser a fibra è un sistema quasi a tre livelli. Il fotone pompa eccita la transizione dallo stato fondamentale al livello superiore. Una transizione laser è una transizione dalla parte più bassa del livello superiore a uno degli stati fondamentali divisi. Questo è molto efficiente: ad esempio, l'itterbio con un fotone di pompa da 940 nm emette un fotone con una lunghezza d'onda di 1030 nm e un difetto quantistico (perdita di energia) di solo circa il 9%.

Al contrario, il neodimio pompato a 808 nm perde circa il 24% della sua energia. Pertanto, l'itterbio ha intrinsecamente un'efficienza più elevata, sebbene non tutto sia realizzabile a causa della perdita di alcuni fotoni. Yb può essere pompato in un certo numero di bande di frequenza, mentre l'erbio può essere pompato a 1480 o 980 nm. Una frequenza più alta non è così efficiente in termini di difetto del fotone, ma utile anche in questo caso perché sono disponibili sorgenti migliori a 980 nm.

In generale, l'efficienza di un laser a fibra è il risultato di un processo in due fasi. Innanzitutto, questa è l'efficienza del diodo della pompa. Le sorgenti di radiazione coerente a semiconduttore sono molto efficienti, con un'efficienza del 50% nella conversione di un segnale elettrico in uno ottico. I risultati degli studi di laboratorio indicano che è possibile raggiungere un valore del 70% o più. Con una corrispondenza esatta della linea di radiazione in uscitaassorbimento del laser a fibra e alta efficienza della pompa.

Secondo è l'efficienza di conversione ottico-ottica. Con un piccolo difetto del fotone, è possibile ottenere un elevato grado di eccitazione ed efficienza di estrazione con un'efficienza di conversione opto-ottica del 60–70%. L'efficienza risultante è compresa tra il 25 e il 35%.

Varie configurazioni

I generatori quantistici a fibra ottica di radiazione continua possono essere mono o multimodali (per i modi trasversali). I laser monomodali producono un raggio di alta qualità per i materiali che operano o irradiano attraverso l'atmosfera, mentre i laser a fibra industriali multimodali possono generare un'elevata potenza. Viene utilizzato per il taglio e la saldatura, e in particolare per il trattamento termico dove viene illuminata una vasta area.

Il laser a fibra a impulsi lunghi è essenzialmente un dispositivo quasi continuo, che produce tipicamente impulsi di tipo millisecondo. In genere, il suo ciclo di lavoro è del 10%. Ciò si traduce in una potenza di picco maggiore rispetto alla modalità continua (tipicamente dieci volte di più) utilizzata, ad esempio, per la perforazione a impulsi. La frequenza può raggiungere i 500 Hz, a seconda della durata.

La commutazione Q nei laser a fibra funziona allo stesso modo dei laser bulk. La durata tipica dell'impulso è compresa tra nanosecondi e microsecondi. Più lunga è la fibra, più tempo è necessario per commutare in Q l'uscita, risultando in un impulso più lungo.

Le proprietà della fibra impongono alcune restrizioni al Q-switching. La non linearità di un laser a fibra è più significativa a causa della piccola area della sezione trasversale del nucleo, quindi la potenza di picco deve essere alquanto limitata. È possibile utilizzare sia interruttori Q volumetrici, che offrono prestazioni migliori, sia modulatori in fibra, che sono collegati alle estremità della parte attiva.

Gli impulsi Q-switched possono essere amplificati nella fibra o in un risuonatore a cavità. Un esempio di quest'ultimo può essere trovato presso la National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), dove un laser a fibra di itterbio è l'oscillatore principale per 192 raggi. Piccoli impulsi in grandi lastre di vetro drogato vengono amplificati a megajoule.

Nei laser a fibra bloccati, la frequenza di ripetizione dipende dalla lunghezza del materiale di guadagno, come in altri schemi di bloccaggio di modalità, e la durata dell'impulso dipende dalla larghezza di banda del guadagno. I più corti sono nell'intervallo 50 fs e i più tipici sono nell'intervallo 100 fs.

C'è un'importante differenza tra le fibre di erbio e di itterbio, per cui operano in diverse modalità di dispersione. Le fibre drogate con erbio emettono a 1550 nm nella regione di dispersione anomala. Ciò consente la produzione di solitoni. Le fibre di itterbio sono nella regione di dispersione positiva o normale; di conseguenza, generano impulsi con una frequenza di modulazione lineare pronunciata. Di conseguenza, potrebbe essere necessario un reticolo di Bragg per comprimere la durata dell'impulso.

Ci sono diversi modi per modificare gli impulsi del laser a fibra, in particolare per gli studi ultraveloci sui picosecondi. Le fibre di cristalli fotonici possono essere realizzate con nuclei molto piccoli per produrre forti effetti non lineari, come la generazione di supercontinuum. Al contrario, i cristalli fotonici possono essere realizzati anche con nuclei monomodali molto grandi per evitare effetti non lineari ad alte potenze.

Le fibre flessibili di cristalli fotonici a nucleo largo sono progettate per applicazioni ad alta potenza. Una tecnica consiste nel piegare intenzionalmente tale fibra per eliminare qualsiasi modalità indesiderata di ordine superiore mantenendo solo la modalità trasversale fondamentale. La non linearità crea armoniche; sottraendo e sommando frequenze si possono creare onde più corte e più lunghe. Gli effetti non lineari possono anche comprimere gli impulsi, risultando in pettini di frequenza.

Come sorgente di supercontinuum, impulsi molto brevi producono un ampio spettro continuo utilizzando la modulazione autofase. Ad esempio, dagli impulsi iniziali di 6 ps a 1050 nm creati da un laser a fibra di itterbio, si ottiene uno spettro nell'intervallo dall'ultravioletto a più di 1600 nm. Un' altra sorgente IR supercontinuum viene pompata con una sorgente di erbio a 1550 nm.

Alta potenza

L'industria è attualmente il maggior consumatore di laser a fibra. L'energia è molto richiesta in questo momento.circa un kilowatt, utilizzato nell'industria automobilistica. L'industria automobilistica si sta muovendo verso veicoli in acciaio ad alta resistenza per soddisfare i requisiti di durata ed essere relativamente leggeri per un migliore risparmio di carburante. È molto difficile per le normali macchine utensili, ad esempio, praticare fori in questo tipo di acciaio, ma le sorgenti di radiazioni coerenti lo rendono facile.

Il taglio dei metalli con un laser a fibra, rispetto ad altri tipi di generatori quantistici, presenta numerosi vantaggi. Ad esempio, le lunghezze d'onda del vicino infrarosso sono ben assorbite dai metalli. Il raggio può essere distribuito sulla fibra, consentendo al robot di spostare facilmente la messa a fuoco durante il taglio e la perforazione.

La fibra soddisfa i più elevati requisiti di alimentazione. Un'arma della Marina degli Stati Uniti testata nel 2014 è composta da laser a 6 fibre da 5,5 kW combinati in un raggio che emettono attraverso un sistema ottico di formazione. L'unità da 33 kW è stata utilizzata per distruggere un veicolo aereo senza pilota. Sebbene il raggio non sia a modalità singola, il sistema è interessante perché consente di creare un laser a fibra con le proprie mani a partire da componenti standard prontamente disponibili.

La sorgente di luce coerente monomodale più potente di IPG Photonics è di 10 kW. L'oscillatore principale produce un kilowatt di potenza ottica, che viene immessa nello stadio dell'amplificatore pompato a 1018 nm con la luce di altri laser a fibra. L'intero sistema ha le dimensioni di due frigoriferi.

L'uso dei laser a fibra si è diffuso anche al taglio e alla saldatura ad alta potenza. Ad esempio, hanno sostituitosaldatura a resistenza della lamiera d'acciaio, risolvendo il problema della deformazione del materiale. Il controllo della potenza e di altri parametri consente un taglio molto preciso delle curve, in particolare degli angoli.

Il laser a fibra multimodale più potente, una macchina per il taglio dei metalli dello stesso produttore, raggiunge i 100 kW. Il sistema si basa su una combinazione di un raggio incoerente, quindi non è un raggio di altissima qualità. Questa durata rende i laser a fibra attraenti per l'industria.

Perforazioni di cemento

Il laser a fibra multimodale 4KW può essere utilizzato per il taglio e la perforazione del calcestruzzo. Perché è necessario? Quando gli ingegneri cercano di ottenere la resistenza ai terremoti negli edifici esistenti, bisogna stare molto attenti con il calcestruzzo. Se al suo interno è installato un rinforzo in acciaio, ad esempio, la perforazione a percussione convenzionale può incrinare e indebolire il calcestruzzo, ma i laser a fibra lo tagliano senza schiacciarlo.

I generatori quantistici con fibra Q-switched vengono utilizzati, ad esempio, per la marcatura o nella produzione di elettronica a semiconduttore. Sono utilizzati anche nei telemetri: moduli di dimensioni manuali contengono laser in fibra sicuri per gli occhi con una potenza di 4 kW, una frequenza di 50 kHz e una larghezza di impulso di 5-15 ns.

Trattamento della superficie

C'è molto interesse per i laser a piccola fibra per la micro e nanolavorazione. Quando si rimuove lo strato superficiale, se la durata dell'impulso è inferiore a 35 ps, non si verificano schizzi del materiale. Questo impedisce la formazione di depressioni e altri artefatti indesiderati. Gli impulsi a femtosecondi producono effetti non lineari non sensibili alla lunghezza d'onda e non riscaldano lo spazio circostante, consentendo il funzionamento senza danni significativi o indebolimento delle aree circostanti. Inoltre, i fori possono essere tagliati con rapporti profondità-larghezza elevati, ad esempio facendo piccoli fori in acciaio inossidabile da 1 mm rapidamente (in pochi millisecondi) utilizzando impulsi da 800 fs a 1 MHz.

Può essere utilizzato anche per il trattamento superficiale di materiali trasparenti come gli occhi umani. Per tagliare un lembo in microchirurgia oculare, gli impulsi di femtosecondi sono strettamente focalizzati da un obiettivo ad alta apertura in un punto al di sotto della superficie oculare, senza causare alcun danno alla superficie, ma distruggendo il materiale oculare a una profondità controllata. La superficie liscia della cornea, essenziale per la vista, rimane intatta. Il lembo, separato dal basso, può quindi essere sollevato per la formazione di lenti laser ad eccimeri di superficie. Altre applicazioni mediche includono la chirurgia a penetrazione superficiale in dermatologia e l'uso in alcuni tipi di tomografia a coerenza ottica.

Laser a femtosecondi

I generatori quantistici a femtosecondi sono utilizzati nella scienza per la spettroscopia di eccitazione con rottura del laser, la spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo e per la ricerca generale sui materiali. Inoltre, sono necessari per la produzione di frequenza a femtosecondipettini necessari in metrologia e ricerca generale. Una delle applicazioni reali a breve termine saranno gli orologi atomici per i satelliti GPS di prossima generazione, che miglioreranno la precisione di posizionamento.

Il laser a fibra a frequenza singola viene prodotto con una larghezza di riga spettrale inferiore a 1 kHz. È un dispositivo straordinariamente piccolo con una potenza di uscita che va da 10 mW a 1 W. Trova applicazione nel campo delle comunicazioni, della metrologia (per esempio nei giroscopi a fibra) e della spettroscopia.

Quali sono le prospettive?

Come per altre applicazioni di ricerca e sviluppo, se ne stanno esplorando molte altre. Ad esempio, uno sviluppo militare che può essere applicato ad altre aree, che consiste nel combinare fasci laser in fibra per ottenere un raggio di alta qualità utilizzando una combinazione coerente o spettrale. Di conseguenza, si ottiene più potenza nel raggio a modalità singola.

La produzione di laser a fibra sta crescendo rapidamente, soprattutto per le esigenze dell'industria automobilistica. Anche i dispositivi non in fibra vengono sostituiti con quelli in fibra. Oltre ai miglioramenti generali in termini di costi e prestazioni, i generatori quantistici a femtosecondi e le sorgenti di supercontinuum stanno diventando sempre più pratici. I laser a fibra stanno diventando sempre più di nicchia e stanno diventando una fonte di miglioramento per altri tipi di laser.