ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-6

Волоконные лазеры (10)

Мощные непрерывные волоконные лазеры быстро заменяют CO2 и Nd: YAG лазеры в автомобильной, аэрокосмической и медицинской промышленности, где они в основном используются для резки, сварки и поверхностной обработке материалов.

Одномодовые волоконные лазеры с умеренными уровнями мощности в диапазон десятков до сотен ватт идеально подходят для микросварки и резки тонких материалы. Волоконные лазеры со средними уровнями мощности в несколько сотен ватт и пиковой мощности около киловатта очень привлекательны для резки, сварки, маркировки, гравировка, спекания и пайки.

Одномодовые и маломодовые оптоволоконные лазеры с уровнями мощности 1 квт и выше нашли широкое принятие в целом ряде приложений обработки материалов в связи с их более надежной работой и лучшей производительностью, что обеспечивает снижение эксплуатационных расходов. Потребители при модернизации своих производств, как правило, предпочитают заменять существующие CO2 или Nd: YAG лазеры на волоконные.

Еще одним важным применением мощных волоконных лазеров может стать оружие направленной энергии. Высокая мощность вместе высоким оптическим качеством луча, компактность, прочность, надежность, безопасность эксплуатации и хорошая энергоэффективность обеспечивают волоконным лазерам заметные преимущества над газовыми химическими

лазерами и даже в некоторых случаях над ТТЛ для военных приложений. Волоконные лазеры уже использовались для демонстрационных испытаний в качестве оружия для широкого спектра применений, включая безопасное уничтожение взрывных устройств, борьбу с летящими целями( неуправляемые ракеты, снаряды, мины, беспилотные летательные аппараты).

Сравнение волоконных и твердотельных лазеров

Рассмотрим сильные и слабые стороны волоконных лазеров в сравнении с обычными твердотельными лазерами с точки зрения их производительности и особенностей использования.

1. Волоконные лазеры обеспечивают относительно намного более высокую эффективность «от розетки» по сравнению с твердотельными лазерами (ТТЛ) на кристаллах и стеклах. Эффективность «от розетки» 50% достижима в принципе для волоконных лазеров, в отличие от величины 20-30% для твердотельных лазеров.

Волоконные лазеры (11)

Однако, волоконные лазеры должны использовать диоды накачки с более высоким оптическим качеством луча, чем диоды накачки твердотельных лазеров. ТТЛ могут также использовать в качестве накачки световые источники с заведомо более низким оптическим качеством, в том числе импульсными лампами высокой энергии. Например, лазер с чрезвычайно высокий энергией и пиковой мощностью импульса и умеренными частотами их повторения, который используется в лазерных термоядерных исследованиях представляет из себя ТТЛ с боковой накачкой мощными импульсными газоразрядными лампами. Такой режим вообще невозможен для волоконного лазера.

2. По сравнению с ТТЛ излучение волоконных лазеров характеризуется более высоким оптическим качеством при достаточно высоких уровнях средней выходной мощности. Волноводный эффект связанный со структурой оптического волокна в сочетании с большим отношением площади поверхности к объему определяет отличные термооптических свойства волоконных лазеров. Как результат, волоконные лазеры способны генерировать излучение на высоком уровне выходной мощности с высоким качеством луча. Хотя как волоконные, так и твердотельные лазеры могут обеспечить мультикиловаттные уровни мощности, для ТТЛ гораздо труднее достичь высокого качества луча для заданного уровня выходной мощности.

3. Волоконные лазеры позволяют получать относительно широкую спектральную полосу усиления. Стеклянная матрица расширяет оптические переходы у редкоземельных ионов примесей. Это дает возможность реализовать волоконные лазеры с плавной перестройкой в ближней инфракрасной области спектра с 1-2мм при использовании подходящих присадок иттербия, эрбия и тулия. Большая ширина полосы усиления также позволяет использовать волоконные лазеры для генерации ультра-коротких импульсов с помощью пассивной синхронизации мод, хотя иногда это не представляется возможным использовать в полной мере их большую ширину полосы частот усиления для достижения кратчайшей из возможных длительностей импульса из-за проявляющихся в этом случае чрезмерных нелинейных эффектов.

Волоконные лазеры (12)

4. Волоконные лазеры имеют широкие полосы поглощения, что делает процесс накачки менее критичным с точки зрения длины волны излучения накачки. Это также подразумевает, что диодные лазеры накачки могут использоваться без стабилизации температуры.

5. Волоконные лазеры значительно дешевле ТТЛ с сопоставимыми характеристиками. Это преимущество всех волоконных лазеров усугубляется возможностью при их использовании отказаться от открытой оптики. Один из причины низкой стоимости волоконных лазеров в том, что для интеграции оптических схем используется сварка (сращивание волокн) и такие процессы могут быть в значительной степени автоматизированы. Кроме того, во всех волоконных лазеров Отсутствие каких-либо элементов открытой оптики делает их нечувствительными к любым деформациям конструкции и обеспечивает устойчивость и долгосрочная стабильность оптических схем.

6. Несмотря на то, волоконные лазеры обеспечивают намного большую эффективность, когда дело доходит до высоких значений мощности и энергии лазера вместе с высоким оптическим качеством луча , твердотельные лазеры имеют преимущество как с точки зрения более высокой энергии импульса, так и более высокой пиковой мощности.

7. В волоконных лазерах очень сильно влияние нелинейности за счет эффекта Керра, обусловленное большой длиной и малой площадью сечения волокна. Нелинейность часто ограничивает минимально достижимую длительность импульса и возможность работы волоконного лазера в одночастотном режиме. Нелинейные эффекты гораздо менее серьезны для твердотельных лазеров.

8. Волоконные лазеры могут работать на сложных лазерных переходах. Это возможно благодаря волноводной структуре волоконного лазера, которая позволяет сохранить высокую интенсивность излучения накачки по всей длине волокна. Примером этого являются апконверсионные лазеры.

Жидкости (1)

Активная среда жидкостных лазеров – растворы органических красителей в жидких растворителях: вода, этиловый и метиловый спирт. Обычно их делят на три класса:

1.Полиметиновые красители (0.7…1.5 мкм)

2.Ксантеновые красители (видимая область)

3.Кумариновые красители (0.4…0.5 мкм)

Все красители имеют широкие полосы поглощения и флюоресценции, что определяется их сложной структурой и большим числом энергетических состояний, представляющих сложные комбинации электронных, колебательных и вращательных состояний. При этом каждое электронное состояние состоит из ряда колебательных и вращательных уровней. Для возбуждения органических красителей применяют накачку лазерами или импульсными лампами. Лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Жидкости (2)

Вустойчивых молекулах с ковалентной связью на всех нижних энергетических уровнях находятся спаренные электроны с равным нулю результирующим спином. Такое энергетическое состояние называется синглетным (S). Если при возбуждении молекулы спины электронов останутся без изменений, то состояние останется синглетным. Если спины станут параллельными, то такое состояние называется триплетным (Т).

Излучательные переходы между синглетными переходами называются флюоресценцией, а между различными состояниями – фосфоресценцией.

Врезультате возбуждения молекула из состояния S0 переводится в состояние S1. Возбужденная молекула быстро (10-11с) релаксирует на нижний колебательный уровень синглетного состояния S1, откуда может совершить излучательный переход S1→ S0 либо безизлучательный переход в триплетное состояние S1→ Т1 (синглет-триплетная конверсия), которое затем может приводить как к дополнительному поглощению Т1→ Т2 так и к излучательным или безизлучательным переходам Т1→ S0.