Волоконные лазеры: мощные одномодовые волоконные лазеры. Принцип работы оптоволоконного лазера Непрерывные эрбиевые лазеры
В основе подобных станков лежит оптоволоконный лазер. Он отличается очень высоким качеством излучения при малых габаритах устройства. Кроме того, оборудование легко охлаждается и не требует трудоемкого обслуживания. Оптоволоконные лазерные граверы получили широкое распространение в таких сферах, как:
- производство сувенирной продукции;
- автомобилестроение, изготовление медицинского оборудования и другие отрасли, где необходима качественная коррозионно-стойкая маркировка деталей;
- производство ювелирных изделий и бижутерии;
- изготовление памятников и ритуальной продукции;
- декорирование мебели и элементов интерьера.
Волоконные лазерные граверы отличаются несколько более высокой ценой в сравнении с СО 2 -станками. Но это обстоятельство компенсируется рядом преимуществ, которыми обладает подобное оборудование:
- более высокий КПД, благодаря чему лазер отличается низким расходом электроэнергии при хорошей мощности;
- работа волоконных лазерных граверов основана на применении диодов, которые характеризуются компактностью, надежностью и долговечностью;
- сверхмалый размер луча, способствующий более высокому разрешению при гравировке и позволяющий создавать микроскопические изображения с отличной детализацией.
Как выбрать оптоволоконный лазерный гравер
При покупке оборудования необходимо уделить внимание следующим характеристикам:
- мощность. Она должна соответствовать типу обрабатываемого материала, а также требуемой производительности станка;
- размеры гравировального поля. Они определяют максимальные габариты заготовки, которую сможет обработать станок;
- функциональность и наличие дополнительных опций.
Волоконные лазеры компактны и прочны, точно наводятся и легко рассеивают тепловую энергию. Они бывают разных видов и, имея много общего с оптическими квантовыми генераторами других типов, обладают собственными уникальными преимуществами.
Волоконные лазеры: принцип работы
Устройства этого типа представляют собой вариацию стандартного твердотельного источника когерентного излучения с рабочим телом из оптоволокна, а не стержня, пластины или диска. Свет генерируется легирующей примесью в центральной части волокна. Основная структура может варьироваться от простой до довольно сложной. Устройство иттербиевого волоконного лазера таково, что волокно имеет большое отношение поверхности к объему, поэтому тепло может быть относительно легко рассеяно.
Волоконные лазеры накачиваются оптически, чаще всего с помощью диодных квантовых генераторов, но в некоторых случаях - такими же источниками. Оптика, используемая в этих системах, как правило, представляет собой волоконные компоненты, причем большинство или все они соединены друг с другом. В некоторых случаях используется объемная оптика, а иногда внутренняя оптоволоконная система сочетается с внешней объемной оптикой.
Источником диодной накачки может служить диод, матрица, или множество отдельных диодов, каждый из которых связан с соединителем волоконно-оптическим световодом. Легированное волокно на каждом конце имеет зеркало объемного резонатора - на практике в волокне делают решетки Брэгга. На концах объемной оптики нет, если только выходной луч не переходит в нечто иное, чем волокно. Световод может скручиваться, так что при желании лазерный резонатор может иметь длину в несколько метров.
Двухъядерная структура
Структура волокна, используемого в волоконных лазерах, имеет важное значение. Наиболее распространенной геометрией является двухъядерная структура. Нелегированное внешнее ядро (иногда называемое внутренней оболочкой) собирает накачиваемый свет и направляет его вдоль волокна. Вынужденное излучение, генерируемое в волокне, проходит через внутреннее ядро, которое часто является одномодовым. Внутреннее ядро содержит присадку иттербия, стимулируемую световым пучком накачки. Существует множество некруговых форм внешнего ядра, в числе которых - гексагональная, D-образная и прямоугольная, уменьшающих вероятность непопадания светового пучка в центральное ядро.
Волоконный лазер может иметь торцевую или боковую накачку. В первом случае свет от одного или нескольких источников поступает в торец волокна. При боковой накачке свет подается в разветвитель, который подает его во внешнее ядро. Это отличается от стержневого лазера, где свет поступает перпендикулярно к оси.
Для такого решения требуется много конструктивных разработок. Значительное внимание уделяется подведению света накачки в активную зону, чтобы произвести инверсию заселенности, ведущую к вынужденному излучению во внутреннем ядре. Сердцевина лазера может иметь различную степень усиления в зависимости от легирования волокна, а также от его длины. Эти факторы настраиваются инженером-конструктором для получения необходимых параметров.
Могут возникнуть ограничения мощности, в частности, при работе в пределах одномодового волокна. Такой сердечник имеет очень малую площадь поперечного сечения, и в результате через него проходит свет очень высокой интенсивности. При этом становится все более ощутимым нелинейное рассеяние Бриллюэна, которое ограничивает выходную мощность несколькими тысячами ватт. Если выходной сигнал является достаточно высоким, торец волокна может быть поврежден.
Особенности волоконных лазеров
Использование волокна в качестве рабочей среды дает большую длину взаимодействия, которая хорошо работает при диодной накачке. Эта геометрия приводит к высокой эффективности преобразования фотонов, а также надежной и компактной конструкции, в которой отсутствует дискретная оптика, требующая настройки или выравнивания.
Волоконный лазер, устройство которого позволяет ему хорошо адаптироваться, может быть приспособлен как для сварки толстых листов металла, так и для получения фемтосекундных импульсов. Световолоконные усилители обеспечивают однопроходное усиление и используются в сфере телекоммуникаций, поскольку способны усиливать многие длины волн одновременно. Такое же усиление применяется в усилителях мощности с задающим генератором. В некоторых случаях усилитель может работать с лазером непрерывного излучения.
Другим примером являются источники спонтанного излучения с волоконным усилением, в которых вынужденное излучение подавляется. Еще одним примером может служить рамановский волоконный лазер с усилением комбинированного рассеивания, существенно сдвигающим длину волны. Он нашел применение в научных исследованиях, где для комбинационной генерации и усиления используется фторидное стекловолокно, а не стандартные кварцевые волокна.
Тем не менее, как правило, волокна изготавливают из с редкоземельной легирующей примесью в ядре. Основными добавками являются иттербий и эрбий. Иттербий имеет длины волн от 1030 до 1080 нм и может излучать в более широком диапазоне. Использование 940-нм диодной накачки значительно сокращает дефицит фотонов. Иттербий не обладает ни одним из эффектов самогашения, которые есть у неодима при высоких плотностях, поэтому последний используется в объемных лазерах, а иттербий - в волоконных (они оба обеспечивают примерно одинаковую длину волны).
Эрбий излучает в диапазоне 1530-1620 нм, безопасном для глаз. Частоту можно удвоить для генерации света при 780 нм, что недоступно для волоконных лазеров других типов. Наконец, иттербий можно добавить к эрбию таким образом, что элемент будет поглощать излучение накачки и передавать эту энергию эрбию. Тулий - еще одна легирующая присадка со свечением в ближней инфракрасной области, которая, таким образом, является безопасным для глаз материалом.
Высокая эффективность
Волоконный лазер представляет собой квази-трехуровневую систему. Фотон накачки возбуждает переход от основного состояния на верхний уровень. Лазерный переход является переходом с самой нижней части верхнего уровня в одно из расщепленных основных состояний. Это очень эффективно: например, иттербий с 940-нм фотоном накачки излучает фотон с длиной волны 1030 нм и квантовым дефектом (потерей энергии) всего около 9 %.
В противоположность этому неодим, накачиваемый при 808 нм, теряет около 24 % энергии. Таким образом, иттербий по своей природе обладает более высокой эффективностью, хотя и не вся она достижима из-за потери некоторых фотонов. Yb может быть накачан в ряде полос частот, а эрбий - длиной волны 1480 или 980 нм. Более высокая частота не так эффективна, с точки зрения дефекта фотонов, но полезна даже в этом случае, потому что при 980 нм доступны лучшие источники.
В целом эффективность волоконного лазера является результатом двухступенчатого процесса. Во-первых, это КПД диода накачки. Полупроводниковые источники когерентного излучения очень эффективны, с 50 % КПД преобразования электрического сигнала в оптический. Результаты лабораторных исследований говорят о том, что можно достичь значения в 70 % и больше. При точном соответствии выходного излучения линии поглощения волоконного лазера и достигается высокий КПД накачки.
Во-вторых, это оптико-оптическая эффективность преобразования. При небольшом дефекте фотонов можно достичь высокой степени возбуждения и эффективности экстракции с оптико-оптической эффективностью преобразования в 60-70 %. Результирующий КПД находится в диапазоне 25-35 %.
Различные конфигурации
Оптоволоконные квантовые генераторы непрерывного излучения могут быть одно- или многомодовыми (для поперечных мод). Одномодовые производят высококачественный пучок для материалов, работающих или посылающих луч через атмосферу, а многомодовые промышленные волоконные лазеры могут генерировать большую мощность. Это используется для резки и сварки, и, в частности, для термообработки, где освещается большая площадь.
Длинноимпульсный волоконный лазер является, по существу, квазинепрерывным устройством, как правило, производящим импульсы миллисекундного типа. Обычно его рабочий цикл составляет 10 %. Это приводит к более высокой пиковой мощности, чем в непрерывном режиме (как правило, в десять раз больше), что используется, например, для импульсного сверления. Частота может достигать 500 Гц, в зависимости от длительности.
Модуляция добротности в волоконных лазерах действует также, как и в объемных. Типичная длительность импульса находится в диапазоне от наносекунды до микросекунды. Чем длиннее волокно, тем больше времени требуется для Q-переключения выходного излучения, что ведет к более продолжительному импульсу.
Свойства волокна накладывают некоторые ограничения на модуляцию добротности. Нелинейность волоконного лазера более значительна из-за малой площади поперечного сечения сердечника, так что пиковая мощность должна быть несколько ограничена. Можно использовать либо объемные переключатели добротности, которые дают более высокую производительность, или волоконные модуляторы, которые подсоединяются к концам активной части.
Импульсы с модуляцией добротности могут быть усилены в волокне или в объемном резонаторе. Пример последнего можно найти в Национальном комплексе имитации ядерных испытаний (NIF, Ливермор, Калифорния), где иттербиевый волоконный лазер является задающим генератором для 192 пучков. Малые импульсы в больших плитах из легированного стекла усиливаются до мегаджоулей.
У волоконных лазеров с синхронизацией частота повторения зависит от длины усиливающего материала, как и в других схемах синхронизации мод, а длительность импульса зависит от пропускной способности усиления. Самые короткие находятся в пределах 50 фс, а наиболее типичные - в диапазоне 100 фс.
Между эрбиевыми и иттербиевыми волокнами существует важное различие, в результате чего они работают в различных режимах дисперсии. Легированные эрбием волокна излучают при 1550 нм в области аномальной дисперсии. Это позволяет производить солитоны. Иттербиевые волокна находятся в области положительной или нормальной дисперсии; в результате они порождают импульсы с выраженной линейной частотой модуляции. В результате для сжатия длины импульса может понадобится брэгговская решетка.
Есть несколько способов изменения волоконно-лазерных импульсов, в частности, для сверхбыстрых пикосекундных исследований. Фотонно-кристаллические волокна могут быть изготовлены с очень малыми ядрами для получения сильных нелинейных эффектов, например, для генерации суперконтинуума. В противоположность этому фотонные кристаллы также могут быть изготовлены с очень большими одномодовыми сердечниками для избежания нелинейных эффектов при больших мощностях.
Гибкие фотонно-кристаллические волокна с большим сердечником создаются для применений, требующих высокой мощности. Одним из приемов состоит в намеренном изгибе такого волокна для устранения любых нежелательных мод высшего порядка с сохранением лишь основной поперечной моды. Нелинейность создает гармоники; с помощью вычитания и складывания частот можно создавать более короткие и более длинные волны. Нелинейные эффекты могут также производить сжатие импульсов, что приводит к появлению частотных гребенок.
В качестве источника суперконтинуума очень короткие импульсы производят широкий непрерывный спектр с помощью фазовой самомодуляции. Например, из начальных 6 пс импульсов при 1050 нм, которые создает иттербиевый волоконный лазер, получается спектр в диапазоне от ультрафиолета до более 1600 нм. Другой ИК-источник суперконтинуума накачивается эрбиевым источником на длине волны 1550 нм.
Большая мощность
Промышленность в настоящее время является крупнейшим потребителем волоконных лазеров. Большим спросом сейчас пользуется мощность порядка киловатта, применяемая в автомобилестроении. Автомобильная промышленность движется к выпуску автомобилей из высокопрочной стали, чтобы они отвечали требованиям долговечности и были относительно легкими для большей экономии топлива. Обычным станкам очень трудно, например, пробивать отверстия в этом виде стали, а источники когерентного излучения делают это легко.
Резка металлов волоконным лазером, по сравнению с квантовыми генераторами других типов, обладает рядом преимуществ. Например, ближний инфракрасный диапазон волн хорошо поглощается металлами. Луч может быть доставлен по волокну, что позволяет роботу легко перемещать фокус при резке и сверлении.
Оптоволокно удовлетворяет самым высоким требованиям к мощности. Оружие ВМФ США, испытанное в 2014 г., состоит из 6-волоконных 5,5-кВт лазеров, объединенных в один пучок и излучающих через формирующую оптическую систему. 33 кВт установка была использована для поражения Хотя луч не является одномодовым, система представляет интерес, так как позволяет создать волоконный лазер своими руками из стандартных, легкодоступных компонентов.
Самая высокая мощность одномодового источника когерентного излучения компании IPG Photonics составляет 10 кВт. Задающий генератор производит киловатт оптической мощности, которая подается в каскад усилителя с накачкой при 1018 нм со светом от других волоконных лазеров. Вся система имеет размер двух холодильников.
Применение волоконных лазеров распространилось также на высокомощную резку и сварку. Например, они заменили контактную сварку листовой стали, решая проблему деформации материала. Управление мощностью и другими параметрами позволяет очень точно резать кривые, особенно углы.
Самый мощный многомодовый волоконный лазер - установка для резки металлов того же производителя - достигает 100 кВт. Система основана на комбинации некогерентного пучка, так что это не луч сверхвысокого качества. Такая стойкость делает волоконные лазеры привлекательными для промышленности.
Бурение бетона
Многомодовый волоконный лазер мощностью 4 кВт может использоваться для резки и бурения бетона. Зачем это нужно? Когда инженеры пытаются достичь сейсмостойкости существующих зданий, нужно быть очень осторожным с бетоном. При установке в нем, например, стальной арматуры обычное ударное бурение может привести к появлению трещин и ослабить бетон, но волоконные лазеры режут его без дробления.
Квантовые генераторы с модулированной добротностью волокна используются, например, для маркировки или при производстве полупроводниковой электроники. Также они используются в дальномерах: модули размером с руку содержат безопасные для глаз волоконные лазеры, мощность которых составляет 4 кВт, частота 50 кГц и длительность импульса 5-15 нс.
Обработка поверхностей
Существует большой интерес в небольших волоконных лазерах для микро- и нанообработки. При снятии поверхностного слоя, если длительность импульса короче 35 пс, отсутствует разбрызгивание материала. Это исключает образование углублений и других нежелательных артефактов. Импульсы в фемтосекундном режиме производят нелинейные эффекты, которые не чувствительны к длине волны и не нагревают окружающее пространство, что позволяет работать без существенного повреждения или ослабления окружающих участков. Кроме того, отверстия могут быть разрезаны с большим отношением глубины к ширине - например, быстро (в течение нескольких миллисекунд) проделать небольшие отверстия в 1-мм нержавеющей стали с помощью 800-фс импульсов с частотой 1 МГц.
Можно также производить поверхностную обработку прозрачных материалов, например, глаза человека. Чтобы вырезать лоскут при микрохирургии глаза, фемтосекундные импульсы плотно фокусируются высокоапертурным объективом в точке ниже поверхности глаза, не вызывая никаких повреждений на поверхности, но разрушая материал глаза на контролируемой глубине. Гладкая поверхность роговицы, которая имеет важное значение для зрения, остается целой и невредимой. Лоскут, отделенный снизу, затем может быть подтянут для поверхностного эксимер-лазерного формирования линзы. Другие медицинские применения включают хирургию неглубокого проникновения в дерматологии, а также использование в некоторых видах оптической когерентной томографии.
Фемтосекундные лазеры
Фемтосекундные квантовые генераторы в науке используют для спектроскопии возбуждения с лазерным пробоем, флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением, а также для общего исследования материалов. Кроме того, они нужны для производства фемтосекундных частотных гребенок, необходимых в метрологии и общих исследованиях. Одним из реальных применений в краткосрочной перспективе станут атомные часы для спутников GPS нового поколения, что позволит увеличить точность позиционирования.
Одночастотный волоконный лазер производится с шириной спектральной линии менее 1 кГц. Это впечатляюще небольшое устройство с выходом излучения мощностью от 10 мВт до 1 Вт. Находит применение в области связи, метрологии (например, в волоконных гироскопах) и спектроскопии.
Что дальше?
Что касается других научно-исследовательских применений, то еще многие из них изучаются. Например, военная разработка, которую можно применять и в других областях, заключающаяся в комбинировании волоконно-лазерных пучков для получения одного высококачественного луча с помощью когерентной или спектральной комбинации. В результате в одномодовом луче достигается большая мощность.
Производство волоконных лазеров быстро растет, особенно для нужд автомобилестроения. Также происходит замена неволоконных устройств волоконными. Помимо общих улучшений в стоимости и производительности, появляются все более практичные фемтосекундные квантовые генераторы и источники суперконтинуума. Волоконные лазеры занимают все больше ниш и становятся источником улучшения для лазеров других типов.
Перевод Сергея Рогалева
Под термином «оптоволоконный лазер» обычно понимается лазер с оптическим волокном в качестве усиливающей среды, хотя некоторые лазеры с полупроводниковой усиливающей средой и волоконным резонатором также назвают оптоволоконными лазерами. В большинстве случаев усиливающей средой оптоволоконных лазеров является волокно, допированное редкоземными ионами, такими как эрбий (Er 3+), неодим (Nd 3+), иттербий (Yb 3+), тулий (Tm 3+) или празеодимий (Pr 3+). Для накачки используются один или несколько лазерных диодов.
Резонатор оптоволоконного лазера
Для создания линейного резонатора оптоволоконного лазера, необходимо использовать некоторый отражатель (зеркало), или же создать кольцевой резонатор (кольцевой оптоволоконный лазер).
В линейных резонаторах оптоволоконного лазера используются различные типы зеркал:
· В простых лабораторных установках обычные диэлектрические зеркала могут прикрепляться к перпендикулярно сколотым концам волокна, как показано в рисунке 1. Этот подход, однако, не очень практичен для массового производства и также не очень надежен.
· Френелевское отражение от торца волокна часто достаточно для использования в качестве выходного зеркала резонатора волоконного лазера. На Рис. 2 приведен пример.
· Также возможно внести диэлектрические покрытия непосредственно на концах волокна, обычно методом напыления. Такие покрытия могут использоваться для отражения в широком диапазоне.
· Во многих волоконных лазерах используются волоконные брэгговские решетки, сформированные непосредственно в легированном волокне, или в нелегированном волокне, спаянным с активным слоем. Рисунок 3 показывает лазер распределенным брэгговским отражателем (РБО лазер) с двумя волоконными решетками, но есть также лазеры с распределенной обратной связью с одной решеткой в легированных волокнах со сдвигом фазы в середине.
· Лучшие характеристики по мощности можно получить за счет использования коллиматора на выходе света из волокна и отражения его обратно с помощью диэлектрического зеркала (рис. 4). Интенсивность на зеркале значительно снижается из-за гораздо большей площади пучка. Однако, небольшое смещение может привести к существенным потерям при отражении, поляризационно-зависимые потери и т.д.
· Другой вариант заключается в использовании зеркала в форме петли волокна (рис. 5), на основе волоконной муфты (например, с коэффициентом разделения 50:50) и куска пассивного волокна.
Большинство волоконных лазеров накачиваются одним или несколькими диодными лазерами с волоконными выходами (излучение лазерного диода вводится в волокно). Накачка света может осуществляться непосредственно в сердцевину, или во внутреннюю оболочку волокна в мощных лазерах.
Изучение проблемы лазерной резки металлов необходимо начать с рассмотрения физических основ работы лазера. Поскольку далее в работе все исследования точности лазерной резки тонколистовых материалов будут проводиться на лазерном комплексе, использующем иттербиевый волоконный лазер, рассмотрим устройство волоконных лазеров.
Лазер – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Волоконные лазеры были разработаны сравнительно недавно, в 1980-х годах. В настоящее время известны модели волоконных технологических лазеров мощностью до 20 кВт. Их спектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм. Использование таких лазеров позволяет обеспечить различные временные характеристики излучения.
В последнее время волоконные лазеры активно вытесняют традиционные лазеры из таких областей применения лазерной техники, как, например, лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать. Их используют в лазерных дальномера и трехмерных локаторах, аппаратуре для телекоммуникаций, в медицинских установках и т.д.
Основными типами волоконных лазеров являются непрерывные одномодовые лазеры, в том числе однополяризационные и одночастотные; импульсные волоконные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а также в произвольном режиме модуляции; перенастраиваемые волоконные лазеры; сверхлюминисцентные волоконные лазеры; мощные непрерывные многомодовые волоконные лазеры.
Принцип работы лазера основан на пропускании света фотодиода по волокну большой протяженности. Волоконный лазер состоит из модуля накачки (как правило, широкополосные светодиоды или лазерные диоды), световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированнное оптическое волокно - сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки. Конструкция резонатора обычно определяется техническим заданием, но можно выделить наиболее распространенные классы: резонаторы типа Фабри - Перо и кольцевые резонаторы. В промышленных установках для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке. На рис. 1.2 показана упрощенная схема устройства волоконного лазера.
Рис. 1.2. Типичная схема волоконного лазера.
1 - активное волокно; 2 - брэгговские зеркала; 3 - блок накачки.
Основной материал для активного оптического волокна – кварц. Высокая прозрачность кварца обеспечивается насыщенными состояниями энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые легированием, превращают кварц в поглощающую среду. Подобрав мощность излучения накачки, в такой среде можно создать инверсное состояние заселённостей энергетических уровней (то есть, высокоэнергетические уровни будут заполнены больше, чем основной). Исходя из требований на резонансную частоту (инфракрасный диапазон для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространённых типов волокон являетсяэрбиевое, используемое в лазерных и усилительных системах, рабочий диапазон которых лежит в интервале длин волн 1530-1565 нм. Вследствие различной вероятности переходов на основной уровень с подуровней метастабильного уровня, эффективность генерации или усиления отличается для различных длин волн в рабочем диапазоне. Степень легирования редкоземельными ионами обычно зависит от длины изготовляемого активного волокна. В пределах до нескольких десятков метров она может составлять от десятков до тысяч ppm, а в случае километровых длин - 1 ppm и менее.
Брэгговские зеркала – распределённый брэгговский отражатель - это слоистая структура, в которой коэффициент преломленияматериала периодически изменяется в одном пространственном направлении (перпендикулярно слоям).
Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной (так называемое волокно с двойным покрытием). Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая - из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом, первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. На рис. 1.3 показана схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.
Рис. 1.3. Схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.
К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров являются опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.
Волоконные лазеры проигрывают твердотельным в сферах применения, где требуется высокая стабильность поляризации, а использование сохраняющего поляризацию волокна затруднено по различным причинам. Твердотельные лазеры не могут быть заменены волоконными в спектральном диапазоне 0,7-1,0 мкм. Они также имеют больший потенциал для наращивания выходной мощности импульса по сравнению с волоконными. Однако волоконные лазеры показывают хорошие результаты на длинах волн, где не существует достаточно хороших активных сред или зеркал для лазеров иных конструкций, и позволяют с меньшими сложностями реализовывать некоторые лазерные схемы наподобие up-конверсии.
Благодаря оптимизации оптического одномодового волокна для использования в волоконно-оптических лазерах достигнута выходная мощность 4,3 кВт с высокой масштабируемостью, а также определены основные направления дальнейших исследований в области разработки приложений для сверхбыстрых лазеров.
Одной из актуальных проблем развития лазерных технологий является рост мощности волоконных лазеров, которые уже «отвоевали» долю рынка у мощных CO 2 -лазеров, а также объемных твердотельных лазеров. В настоящее время крупные производители волоконных лазеров уделяют пристальное внимание разработке новых приложений, рассматривая на перспективу дальнейшее завоевание рынка. Среди представленных на рынке мощных лазеров одномодовые системы оснащены рядом функций, которые делают их наиболее востребованными - они обладают самой высокой яркостью излучения, их можно сфокусировать до нескольких микрон, что делает их более пригодными для бесконтактной обработки материалов. Производство таких систем довольно сложное. Компания IPG Photonics (Oxford, MA) предложила разработку одномодовой системы мощностью 10 кВт, но информация о характеристиках луча отсутствует и данные, в частности, о любых возможных многомодовых компонентах излучения, которые могут существовать наряду с одномодовым сигналом, также не представлены.
Немецкие ученые из Университета Фридриха Шиллера и Института прикладной оптики и точной инженерии Фраунгофера при финансовой поддержке правительства Германии, а также в сотрудничестве с TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Лейбницским институтом фотонных технологий проанализировали проблемы масштабирования таких лазеров и разработали новые волокна для преодоления ограничений мощности. Команда успешно завершила серию испытаний, продемонстрировав одномодовый выходной сигнал мощностью 4,3 кВт, в котором выходная мощность волоконного лазера ограничивалась только мощностью сигнала накачки.
Факторы, ограничивающие мощность излучения одномодового волоконного лазера
К основным задачам, требующим тщательной проработки можно отнести следующие: a) улучшенная накачка; б) разработка активного волокна с низкими оптическими потерями, работающими только в одномодовом режиме; в) более точное измерение полученного излучения. Предположим, что задача улучшенной накачки может быть решена с помощью сверхъярких лазерных диодов и соответствующих методов подвода накачки, и поэтому в данной статье более подробно рассмотрим две другие.
В рамках разработки активного волокна для высокомощного одномодового режима работы были выбраны два набора параметров оптимизации: легирование и геометрия. Все параметры должны быть четко определены для получения минимальных потерь, одномодового режима и мощного усиления. Идеальный волоконный усилитель должен обеспечить высокий коэффициент преобразования - более 90%, отличное качество луча и выходную мощность, ограниченную только доступной мощностью накачки. Однако модернизация одномодовой системы до более высоких мощностей может привести к большей плотности мощности внутри активной зоны самого волокна, увеличению тепловой нагрузки и ряду нелинейных оптических эффектов как, например, вынужденное Рамановское рассеяние (SRS) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS).
Поперечные моды могут усиливаться в зависимости от размера активной зоны волокна. Чем меньше активное сечение волокна, тем меньше количество таких мод - при заданном соотношении между сечениями волокна и оболочки. Однако меньший диаметр определяет и более высокую плотность мощности, а при сгибании волокна, например, добавляются еще и потери для более высоких мод. Тем не менее при большом диаметре ядра волокна и при тепловой нагрузке могут возникать другие моды излучения. Такие моды подвержены взаимодействию между собой во время усиления, а, следовательно, без оптимальных условий распространения, выходной профиль излучения может стать пространственно или временно неустойчивым.
Нестабильность поперечного режима
Волокна, легированные Иттербием (Yb), являются типичной рабочей средой для мощных одномодовых волоконных лазеров, но за пределами определенного порога они показывают совершенно новый эффект - так называемый эффект неустойчивости поперечной моды (TMI). При определенном уровне мощности внезапно могут появиться более высокие моды или даже моды оболочки. Энергия динамически перераспределяется между ними, а качество луча ухудшается. Проявляется флуктуация излучения на выходе (пучок начинает колебаться). Эффект TMI наблюдался в различных конструкциях волокон - от волокон с шаговым индексом преломления до фотонно-кристаллических волокон. Его пороговое значение зависит от геометрии и легирования, но грубая оценка свидетельствует о том, что этот эффект проявляется при выходной мощности, превышающей 1 кВт. В процессе исследования была выявлена зависимость TMI от фотозатемнения, его связь с тепловыми эффектами внутри волокна. Более того, восприимчивость волоконных лазеров к TMI также находится в зависимости от модального содержания ядра.
Геометрия волокна с шаговым индексом преломления дает возможность для оптимизации. Для накачки могут быть подобраны: диаметр волокна, размер оболочки волокна накачки и другие показатели преломления волокна и оболочки. Все эти параметры настройки зависят от концентрации легирующей примеси, то есть концентрация ионов Yb может быть использована для управления длиной участка поглощения излучения накачки в активном волокне. Другие же добавки могут быть введены в волокно для снижения тепловых эффектов и управления коэффициентом преломления. Однако имеют место некоторые противоречия. Чтобы уменьшить нелинейные эффекты, волокно должно быть короче, а для снижения тепловой нагрузки волокно должно быть длиннее. Фотопотемнение пропорционально концентрации легирующей примеси, поэтому более длинные волокна с более низкой концентрацией легирующего элемента определенно будут лучше. Представление о некоторых параметрах можно получить в ходе эксперимента. Тепловое поведение, например, можно моделировать, но довольно трудно предсказать, так как фотозатемнение является малым по определению и не может быть физически измерено при ускоренных испытаниях. Поэтому прямые измерения теплового поведения в волокнах могут быть полезны для планирования экспериментов. Для типичного активного волокна показаны в сравнении: измеренная тепловая нагрузка (получена от одновременно распределенных температурных измерений внутри волоконного усилителя) и моделируемая тепловая нагрузка (Рисунок 1).
Рисунок 1. Измеренная тепловая нагрузка активного волокна по сравнению с моделируемой нагрузкой с дополнительной потерей и без нее
Еще одним важным для проектирования волокна параметром является длина волны отсечки, то есть самая большая длина волны, увеличивающая количество мод в волокне. Более этой длины волны моды высшего уровня не поддерживаются.
Испытание новых волокон на киловаттную мощность
В ходе эксперимента были исследованы два типа волокон, легированных Yb. Волокно №1 диаметром сердцевины 30 мкм с дополнительным легированием фосфором и алюминием. Волокно №2 меньшим диаметром - 23 мкм, было менее легировано, но содержало больше иттербия с целью достижения более высокого коэффициента профиля по сравнению с волокном №1 (Табл.1).
Таблица 1. Параметры тестируемых волокон
Рассчитанная длина волны отсечки расположена около 1275 нм и 1100 нм для волокон 1 и 2 соответственно. Это намного ближе к одномодовому варианту излучения, чем типичному волокну с диаметром сердцевины 20 мкм и числовой апертурой (NA) 0.06, имеющей длину волны отсечки ~1450 нм. Усиленная длина волны лазера в результате была центрирована на 1067 нм.
Оба волокна были испытаны в схеме высокомощной накачки (Рис.2). Диодный лазер накачки и начальный сигнал были соединены в свободном пространстве в волокно с приваренными концевиками и соединителями, омываемые водой для охлаждения. Источником излучения был фазомодулированный диодный лазер с внешним резонаторным (ECDL), сигнал которого был предварительно усилен для достижения мощности входного сигнала до 10 Вт при длине волны 1067 нм и ширине спектра 180 мкм.
Рисунок 2. Экспериментальная установка усилителя большой мощности, используемая для теста волоконного усилителя, где волокно накачивалось при 976 нм в направлении встречного распространения
В процессе тестирования первого волокна наблюдались внезапные колебания в миллисекундном масштабе при пороге 2,8 кВт, что можно отнести к TMI. Второе волокно длиной 30 м, на той же длине волны и ширине спектра, накачивалось до выходной мощности 3,5 кВт, ограниченной уже SBS, а не TMI.
В третьем эксперименте спектр лазера излучателя был изменен для увеличения порога SBS волокна посредством расширения спектра (выше, чем в предыдущем эксперименте). Для этого второй диодный лазер с центральной длиной волны 300 мкм совмещался с первым. Эта интерференция привела к временным колебаниям, которые позволили увеличить мощность сигнала вследствие автофазовой модуляции. В том же основном усилителе, что и раньше, были получены очень близкие значения выходной мощности при эффективности в 90 %, но их можно было увеличивать только до 4,3 кВт без проявления TMI (Табл. 2).
Таблица 2. Результат тестирования волокна
Задачи измерения
Измерение всех параметров высокомощного волоконного лазера является одной из основных задач и требует специального оборудования для их решения. Для получения полной характеристики волокна определяли концентрацию легирующей примеси, профили показателя преломления и затухание сердечника волокна. К примеру, измерение потерь в сердечнике для разных диаметров изгиба является важным параметром для корреляции с порогом TMI.
Рисунок 3. а) Трассировка интенсивности фотодиода при тестировании выходного сигнала с использованием волокна 1, ниже и выше порога ТМI. b) Нормализованное стандартное отклонение трасс фотодиода при разной выходной мощности
Во время тестирования волоконного усилителя порог TMI определен с помощью фотодиода путем отвода малой доли мощности. Начало колебаний мощности оказалось довольно резким и существенным (Рис.3), особенно значительным изменение сигнала было при тестировании волокна 1, но он не был обнаружен при тестировании волокна 2 до уровня мощности 4,3 кВт. Соответствующая зависимость показана на Рисунке 4а.
Рисунок 4. а) Наклон эффективности волокна 2 до выходной мощности 4,3 кВт. b) Оптический спектр с выходной мощностью 3,5 кВт с отношением 75 дБ от выходного сигнала к ASE. Ширина спектра 180 мкм с выходной мощностью 4,3 кВт, расширенной до ширины полосы 7 нм
Измерения качества луча являются наиболее сложной частью характеристики волоконного лазера и заслуживают отдельного обсуждения. Вкратце, затухание без участия термических эффектов является ключевым и может быть организовано с использованием отражений Френеля или оптикой с малыми внутренними потерями. В экспериментах, представленных в данном обзоре, затухание вводилось с использованием клиновых пластин и импульсной накачки в масштабе времени, превышающем время наступления TMI.
Приложения в быстроразвивающейся науке
После десятилетнего затишья представляется вполне реальной разработка мощных одномодовых волоконных лазеров нового поколения киловаттного класса с отличным качеством луча. Уже достигнута выходная мощность 4.3 кВт, лимитированная только мощностью накачки, определены основные ограничения на пути дальнейшего развития и понятны способы их преодоления.
Мощность почти в 1 кВт уже была достигнута на одном волокне при усилении сверхбыстрыми лазерными импульсами, поэтому увеличение до 5 кВт вполне возможно благодаря комбинированию методов. В связи с тем, что системы разрабатываются для исследовательских центров, например, для ELI (Прага, Чешская Республика) - для промышленных систем остается еще непростой задачей дальнейшая разработка надежных средств передачи оптического сигнала.
Проделанная работа определила ряд интересных перспектив. С одной стороны, это передача результатов в производство, несмотря на то, что еще требуется приложить большие усилия в данном направлении, а с другой стороны, технология крайне важна для наращивания параметров других волоконно-оптических лазерных систем, например, для фемтосекундных волоконных усилителей.
По материалам http://www.lightwaveonline.com