鐿光纖激光器：器件，工作原理，電源，生產，應用

光纖激光器結構緊湊，堅固耐用，準確，易於分散誘導熱。 他們有不同的類型，並有很多與其他類型的激光器也有自己獨特的優勢。

光纖激光器：操作

這種類型的設備可從該纖維相干輻射的固態源的標準偏差，而不是桿的工作流體，板或圓盤。 在纖維的中心部分由所述摻雜劑產生的光。 基本結構可以從簡單到相當複雜的範圍。 鐿光纖激光器裝置，使得所述纖維具有大的表面與體積比，所以熱量能夠比較容易地擴散。

光纖激光器的光泵浦，經常用二極管激光器的幫助，但在某些情況下 - 同一來源。 在這些系統中使用的光學通常表示光學部件，其特徵在於，大多數或所有的人都彼此連接。 在一些情況下，大量光學，有時內部光纖系統與外部大量光學結合。

二極管泵浦源可以是二極管陣列，或多個單獨的二極管，其每一個被連接到連接器的光纖波導。 在每個端部摻雜光纖具有鏡面空腔諧振器 - 實際上使光纖布拉格光柵。 在大量光學的端部具有，如果不僅輸出光束進入比纖維以外的內容。 光導可以被扭曲，使得如果需要，激光器腔體可以具有數米的長度。

雙核

在光纖激光器中使用結構的纖維，是重要的。 最常見的是雙核結構的幾何形狀。 泵送未摻雜的外芯（有時被稱為內膜）收集光並引導其沿光纖。 在光纖中產生受激輻射穿過內芯，這往往是一個單一的模式。 所述內芯包含添加劑鐿，由泵浦光刺激。 有非圓形的外芯的許多形式，包括 - 六邊形，D形和矩形，減少未命中的光束在中央纖芯的概率。

光纖激光器可具有端部或側泵浦。 在從一個或多個源的情況下，第一光入射到光纖端部。 當側泵浦光被提供給它饋送到外芯部的分離器。 這不同於激光棒其中光進入垂直於軸線。

對於這樣的決定需要大量的結構發展。 相當重視的泵浦光匯總到核心產生粒子數反轉，從而導致受激發射的內芯。 激光芯可以具有不同程度的放大的在纖維取決於摻雜，以及在它的長度。 這些因素都設置為設計工程師所需要的參數。

一單模光纖內操作時，可能會發生功率極限，特別是。 這種芯具有非常小的橫截面面積，並且作為結果傳遞非常高的強度的光從中。 當該正在變得更加明顯非線性的布里淵散射，這限制了的幾千瓦特的功率輸出。 如果輸出是足夠高時，該光纖端部可能會被損壞。

尤其是光纖激光器

作為工作流體使用光纖提供了更大的相互作用長度，其效果很好的二極管泵浦時。 這種幾何形狀導致光子的高轉換效率，以及可靠和緊湊的結構，其中沒有離散的光學，需要調整或對準。

一種光纖激光器，該裝置允許它很好地適應，可以適用於厚金屬板的焊接，並產生飛秒脈衝。 光纖放大器提供單通增益和在電信中使用，因為它們可以同時擴增許多波長。 相同的增益功率放大器中使用具有主振盪器。 在一些情況下，放大器可以用連續波激光進行操作。

另一個例子是由纖維增強材料，其中所述受激發射被抑制自發發射的源。 另一個例子是拉曼光纖激光器具有提高的分散性，基本上剪切波長組合。 它已找到應用的研究，其中，產生和擴增的使用氟化物玻璃而不是標準的二氧化矽纖維的組合。

然而，通常，與纖維在芯稀土摻雜劑由石英玻璃製成的。 基本的添加劑是鐿和鉺。 鐿具有波長1030至1080年納米，並且可以發射在寬範圍內。 使用940納米二極管泵浦的顯著降低光子的赤字。 鐿既不具有自猝滅效應，它們在以高密度釹，所以後者在散裝激光器和鐿中使用 - 在纖維（它們都提供大約相同的波長）。

鉺發射範圍內的1630至20年納米，安全的眼睛。 頻率可加倍在780nm處，這是不適用於其他類型的光纖激光器以產生光。 最後，鐿可以被添加到鉺使得元件將吸收泵浦輻射並傳輸該能量到鉺。 铥 - 另一摻雜劑，以在近紅外區中的發射，其因此是眼睛的圖片的安全。

高效率

光纖激光是準三電平系統。 泵光子激發從基態到上層的過渡。 激光轉變是從上層的在分割研磨狀態中的一個的最低部分。 這是非常有效的：例如，鐿940nm的光子泵發射具有1030納米波長的光子，並且量子缺陷（能量損失），只有約9％。

與此相反，釹，泵送在808納米失去能量的24％左右。 因此，鐿本身具有較高的效率，但不是所有的實現是由於一些光子的損失。 鐿可以在多個頻帶，和鉺的泵送 - 波長的1480或980納米。 較高頻率的是不是有效的缺陷的光子而言，但有用的，即使在這種情況下，由於在980納米，最好的來源提供。

光纖激光器的整體效率是兩個步驟的過程的結果。 首先，它是泵浦二極管的效率。 相干輻射的半導體源是非常有效的，以50％的效率將電信號轉換成光。 實驗室研究結果表明，它是有可能達到70％以上的價值。 與完全匹配的輸出輻射吸收線光纖激光器實現和高泵送效率。

其次，光 - 光轉換效率。 當一個小缺陷的光子可以達到很高的程度激發和的60-70％，光 - 光轉換效率的提取效率。 將得到的效率的範圍是25-35％。

各種配置

纖維量子連續波發生器可以是單模或多模（橫模）。 單模生產高質量的光束為材料，工作或通過大氣發送光束，並且多模工業纖維激光器可以產生更多的電力。 它用於切割和焊接，並且特別地，用於熱處理，在一個大面積被照亮。

長纖維激光器基本上是準連續的裝置通常毫秒脈衝發生型。 通常它是佔空比為10％。 這導致更高的峰值功率比被使用，例如，對於脈衝鑽孔連續模式（通常10次）。 該頻率可以是500Hz的，這取決於持續時間。

在光纖激光器Q開關還充當在本體。 典型的脈衝持續時間在納秒到微秒的範圍內。 纖維越長，時間越長的輸出輻射的Q開關，從而導致較長的脈衝。

纖維的性能上Q調製一定的局限性。 光纖激光器的非線性是更顯著因為核心的小的橫截面面積，從而使峰值功率應是比較有限的。 可以使用任一Q容量開關，其提供更高的性能，或光調製器，其被連接到所述活動部分的端部。

Q開關脈衝可以在纖維或在空腔諧振器被放大。 後者的一個例子可以在核試驗（NIF，利弗莫爾，CA），其中，所述光纖激光器為192束主振盪器國家綜合仿真中找到。 在玻璃的大板材小脈衝摻雜放大到兆焦。

在光纖激光器與同步重複頻率取決於增強材料的長度，如在同步電路的其它模式和脈衝持續時間取決於以提高吞吐量的能力。 最短是在50 FS，和最典型的範圍 - 在100飛秒的範圍內。

鐿和鉺光纖之間，有一個重要的差別，由此它們在不同的模式分散操作。 摻鉺光纖在反常色散區發射在1550nm處。 這使得孤子。 Itterbievye纖維是正或正常色散; 作為結果，它們產生具有顯著的線性調頻脈衝。 由於布喇格的結果光柵它可能需要壓縮脈衝長度。

有幾種方法來修改光纖激光脈衝，尤其是對於皮秒超快的研究。 光子晶體光纖可與強非線性效應，諸如用於產生超連續譜非常小的芯來製造。 與此相反，光子晶體也可以用非常大的單模芯，以避免在高功率的非線性效應製造。

柔性光子晶體光纖與需要高功率應用程序創建的大的芯。 其中一種方法是纖維的故意彎曲，以除去任何不希望的高次模，同時維持基本橫向模式。 非線性諧波產生; 並通過減去折疊的頻率，則可以創建一個較短和較長的波長。 非線性效應也可以產生脈衝壓縮，這導致出現頻率梳。

超連續源作為非常短的脈衝產生通過相位調製的連續光譜。 例如，從在1050納米，其產生在的範圍內獲得從紫外到超過1600納米的鐿光纖激光器光譜初始6 PS脈衝。 在1550nm的波長的IR泵浦鉺超連續源的另一個來源。

高功率

工業是目前光纖激光器的最大消費國。 在高需求，現在坐落在汽車行業千瓦秩序的力量。 汽車行業向生產高強度鋼汽車的移動，以滿足耐久性要求，是比較容易更大的燃油經濟性。 傳統機床是非常困難的，例如，打孔這種類型的鋼和相干輻射的來源可以很容易。

切割金屬纖維激光器，與其他類型的量子發生器的相比，具有許多優點。 例如，近紅外波段很好地吸收的金屬。 光束可以通過纖維，這允許機器人容易地移動焦點切割和鑽孔時被傳遞。

光纖滿足對電源的最高要求。 武器美國海軍，在2014年進行測試，由6 - 纖維5.5千瓦激光器組合在一個光束，並通過成像光學系統的輻射的。 33千瓦單元被用來打敗 無人飛行器。 儘管束不是單模式中，系統是令人感興趣的，因為它允許創建的光纖激光器用他們的手不符合標準，容易獲得的成分的。

IPG Photonics公司的最高功率單模相干光源為10千瓦。 主振盪器產生的光功率，供給到放大器1018在波長與其他光纖激光器的光泵浦階段的瓦。 整個系統有大小兩個冰箱的。

使用光纖激光器也擴展到高功率的切割和焊接。 例如，它們代替電阻焊接鋼板解決的材料的變形的問題。 功率控制和其它參數允許非常精確的切割的曲線，特別是角上。

最強大的多模光纖激光 - 對於來自同一製造商切割金屬 - 高達100千瓦。 該系統是基於非相干光束的組合，所以它不是超級高光束質量。 這種阻力使光纖激光器行業的吸引力。

混凝土鑽孔

4千瓦的多模光纖的激光輸出可用於切割和混凝土鑽孔。 為什麼這樣做？ 當工程師正在努力實現現有建築的抗震能力，要非常小心與混凝土。 當安裝在它，如鋼筋常規衝擊鑽孔可能引起的缺陷和削弱混凝土，但切斷光纖激光器而不壓碎。

激光器與用於例如用於標記或在半導體電子器件的製造中Q開關的纖維。 它們也可用於在測距儀：模塊是一個手的大小包含人眼安全的光纖激光器，其輸出為4千瓦，50千赫的頻率和5-15納秒的脈衝持續時間。

表面處理

有小型光纖激光器的微型和納米加工的極大興趣。 當除去表面層，如果脈衝持續時間短於35 PS，沒有噴塗材料。 這防止凹坑和其它不合需要的假象的形成。 在飛秒政權脈衝產生未對波長敏感及周邊地區不被加熱，允許在不將周邊區域的嚴重損壞或弱化工作的非線性效應。 此外，孔可以具有高的深度寬度被切割 - 例如，快速使用不銹鋼800飛秒的脈衝具有1MHz的頻率為1毫米的小孔（在幾毫秒內）。

另外，也可以以產生表面處理的透明材料，例如，人的眼睛。 為了削減在眼顯微外科皮瓣，飛秒脈衝在眼的表面下方的點vysokoaperturnym緊密聚焦透鏡，而不會引起在表面上的任何損壞，而是通過對受控深度破壞材料的眼睛。 角膜，這對視功能的關鍵的光滑表面保持不變。 翼片從底部分離，然後可以拉至表面的準分子激光形成透鏡。 其它醫療應用包括手術淺滲透在皮膚科，以及使用某些類型的光學相干斷層掃描的。

飛秒激光器

在科學飛秒激光用於激勵激光擊穿光譜，熒光光譜與時間分辨率，也為普通材料的研究。 此外，它們生產所需的計量和一般研究所需飛秒激光頻率梳的。 一個在短期內真正的應用將成為新一代的GPS衛星，這將增加定位精度的原子鐘。

單頻光纖激光器具有小於1kHz的光譜線寬進行。 這令人印象深刻設備具有小的輻射輸出功率為10毫瓦至1W。 發現在通信，計量領域應用（例如，在光纖陀螺儀）和光譜。

下一步是什麼？

至於其他的研究應用，它仍然是一個很多人進行了研究。 例如，軍事工程，其可以在其他領域得到應用，其中包括在組合纖維的激光束，以獲得使用相干或光譜組合的高光束。 其結果是，更多的功率是在單模光束來實現。

光纖激光器的生產正在迅速增長，特別是汽車行業的需求。 此外，還有一個替代的非纖維性纖維的設備。 除了在成本和性能的普遍改善，還有更實際的飛秒激光器和超連續光源。 光纖激光器佔據更多的利基，成為改善其他類型的激光源。