Systemy laserowe dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki
Lasery światłowodowe
Źródło: www.jakubduba.pl Światłowód płaszcz n 2 n 1 > n 2 rdzeń n 1 zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia
Źródło: fotonika.jtd.edu.pl Modowy podział światłowodów Jednomodowe (SM): Rozkład współczynnika załamania n 2 n 1 n d Wielomodowe (MM): n 2 n 1 n d n 2 n 1 n d
Charakterystyka lasera światłowodowego propagacja wiązki odbywa się w tylko w rdzeniu światłowodu rdzeń jest domieszkowany odpowiednimi pierwiastkami umożliwiającymi powstanie akcji laserowej cienki rdzeń jest otoczony płaszczem -> dobre odprowadzanie ciepła elementy rezonatora laserowego można zintegrować w światłowodzie -> bardzo zwarta i niezawodna konstrukcja Źródło: Beyer
Budowa lasera światłowodowego kryształ światłowód w krysztale promieniowanie pompy jest absorbowane przez cały kryształ, w światłowodzie promieniowanie pompy biegnie tylko w rdzeniu razem z generowanym promieniowaniem (efektywne wykorzystanie pompy) długość kryształu jest ograniczona przez procesy technologiczne użyte do jego wytwarzania, jest ona ograniczona również przez kształt wiązki w rezonatorze laserowym. Światłowód może być dowolnie długi zależnie o potrzeb
Rezonator optyczny Zwierciadła laserowe mogą być wykonane w następujący sposób: napylenie na końcach światłowodów użycie typowych zwierciadeł i przyklejenie ich czoła światłowodu wbudowanie w rdzeń światłowodu periodycznej struktury (zwierciadło Bragga) Źródło: Trumpf
Źródło: Wikipedia, Fosta Siatka Bragga Siatka Bragga powstaje przez periodyczne zaburzenie współczynnika załamania w rdzeniu
Siatka Bragga λ B = 2 n eff Λ λ B - długość fali odbijanego światła n eff - efektywny współczynnik załamania rdzenia Λ długość okresu siatki Zmieniając długość okresu siatki możemy zmieniać długość fali, jaka zostanie odbita przez siatkę Bragga Dzięki użyciu światłowodowej siatki Bragga nie jest potrzebne żadne justowanie rezonatora laserowego jak w przypadku klasycznych laserów, dzięki temu lasery światłowodowe charakteryzują się bardzo dużą niezawodnością Źródło: Wikipedia, Fosta
Metody wytwarzania siatek Bragga Wodorowanie z wykorzystaniem masek fazowych (siatka dyfrakcyjna) z wykorzystaniem litografii interferencyjnej (interferencja fal) włókna umieszczane są w wodorze w temperaturze 20-75 C i pod ciśnieniem około 150 atmosfer dyfuzja molekuł wodoru do rdzenia naświetlanie promieniowaniem UV z wykorzystaniem masek fazowych lub litografii interferencyjnej zmiany współczynnika załamania na poziomie 0,01 obszary nie poddane naświetlaniu, stopniowo uwalniają wodór
Siatka dyfrakcyjna Źródło: http://physics-ref.blogspot.com, http://www.schoolphysics.co.uk
Metody wytwarzania siatek Bragga maska fazowa Minimalizacja zerowego rzędu dyfrakcji (typowo mniej niż 5%) Maksymalizacja pierwszego rzędu dyfrakcji (typowo powyżej 35%) Period siatki Bragga jest połową okresu maski Duża powtarzalność Metoda odporna na wibracje mechaniczne Źródło: spie.org, www.specialtyphotonics.com
Litografia interferencyjna a Do uzyskania interferencji światła niezbędne są dwie lub więcej koherentnych wiązek światła padających w to samo miejsce w przestrzeni a = a okres zaburzenia λ/2 sin α/2 λ wykorzystywana długość fali α kąt pomiędzy wiązkami padającymi
Metody wytwarzania siatek Bragga litografia interferencyjna Wymagana duża kontrola kąta padania wiązek Minimalny period siatki to około 150 nm Możliwa interferencja więcej niż dwóch wiązek Brak konieczności przygotowywania maski Źródło: spie.org, www.specialtyphotonics.com
Inne zastosowania siatek Bragga wąsko-pasmowe filtry optyczne pasmowo-zaporowe wąsko-pasmowe filtry optyczne pasmowo-przepustowe (w technice WDM do multipleksacji i demultipleksacji w dziedzinie długości fali) do kompensacji dyspersji chromatycznej stabilizacja długości fali laserów zastosowanie we wzmacniaczach światłowodowych EDFA szeroko stosowane jako czujniki (temperatury, naprężenia)
Źródło: Thorlabs, IPG Sprzęganie mocy pompującej sprzęganie boczne
Źródło: http://www.laserfocusworld.com Sprzęganie mocy pompującej sprzęganie boczne i czołowe
Laser światłowodowy dwurdzeniowy Światłowód aktywny jest tak skonstruowany, że występują w nim dwa rdzenie. Mniejszym wędruje promieniowanie laserowe, a do większego sprzęgane jest promieniowanie pompy Źródło: Beyer
Laser światłowodowy dwurdzeniowy selektywne prowadzenie światła w światłowodzie przez obszary o różnym współczynniku załamania długość fali laserowej prowadzona tylko przez rdzeń aktywny w związku z tym, że rdzeń światłowodu jest bardzo mały (kilka μm) propaguje się w nim tylko mod podstawowy (gaussowski) pompa jest prowadzona przez rdzeń pompujący, ale jednocześnie promieniowanie przechodzi przez rdzeń aktywny, gdzie promieniowanie pompy jest absorbowane i wzbudza jony na wyższy poziom energetyczny, z którego następuje emisja promieniowania laserowego. Wysoka sprawność do 50 % Źródło: Beyer
Laser światłowodowy - fotoniczny mogą być jednomodowe dla szerokiego zakresu długości fal dobór wielkości i gęstości dziur zapewnia lepszą kontrolę NA; płaszcz zewnętrzny (powietrze) zapewnia duże NA dla pompy płaszcz nie musi być duży, co oznacza lepsze wzmocnienie Źródło: http://ultrafast.fuw.edu.pl/
Źródło: Beyer Konstrukcje rdzenia pompującego pobudzanie jednomodowe pobudzanie wielomodowe
Materiały lasera światłowodowego Materiał bazowy włókna aktywnego: szkła kwarcowe (pasmo do 2,2 µm) szkła fluorkowe (pasmo od 0,2 do 7 µm) najczęściej ZBLAN (mieszanka fluorków cyrkonu, baru, lantanu, glinu i sodu) Domieszki jonów ziem rzadkich: neodym (808 nm > 1,06 µm) iterb (976 nm > 1,04 µm) erb (980 nm > 1,50 µm) prezeodym ( > 1,30 µm) tul ( > 1,9 µm) holm ( > 2,1 µm)
Lasery z up-konwersją we włóknie długość fali emitowanej jest krótsza niż długość fali pompy światłowody chętnie wykorzystywane ze względu na małą powierzchnię rdzenia szkło kwarcowe charakteryzuje się krótkim poziomem życia stanu metastabilnego, dlatego bardziej pożądane są szkła ciężki, np. ZBLAN przykłady laserów światłowodowych wykorzystujących proces upkonwersji: laser ba bazie tulu (1130 nm > 480 nm) laser na bazie erbu (980 nm > 546 nm) laser na bazie prazeodymu i iterbu (880 nm > 635 nm, > 605 nm, > 520 nm, > 491 nm)
Laser światłowodowy dużej mocy Źródło: Beyer
Laser światłowodowy dużej mocy Źródło: Beyer
Stanowisko z laserem dużej mocy Źródło: http://www.hypertherm.com
Spektrum laserów wysokiej mocy Źródło: IPG
Lasery światłowodowe małej mocy Pasmo optyczne Opis Zakres długości fal [nm] O standardowe 1260 1360 E rozszerzone 1360-1460 S krótkich długości 1460-1530 C konwencjonalne 1530-1565 L długich długości 1565-1625 U ultra długich długości 1625-1675
Źródło: : LTJ-Sep-2014 Laser światłowodowy - kompaktowość laser 4 kw na ciele stałym laser 4 kw światłowodowy
Zastosowanie w wojsku Źródło: wonderfulengineering.com
Źródło: Beyer, IPG Laser jedno i wielomodowy laser jednomodowy moc: 1,0 kw długość fali: 1070 nm średnica rdzenia: 14 µm długość włókna: 5 m BPP: < 0,34 mm mrad laser wielomodowy moc: 4,0 kw długość fali: 1070 nm średnica rdzenia: 50 µm długość włókna: 15 m BPP: < 2 mm mrad
Charakterystyka lasera jedno i wielomodowego Źródło: SPI precyzyjne cięcie/mikroobróbka technologie przyrostowe precyzyjne grawerowanie cięcie/nacinanie ceramiki/krzemu precyzyjne spawanie cięcie elementów grubościennych spawanie znakowanie szkła ceramiki cięcie/spawanie tworzyw sztucznych
Cięcie laserem światłowodowym
Cechy laserów światłowodowych Zalety: dobra skalowalność mocy wysoka moc wyjściowa (>50 kw) wysoka jakość wiązki ( 4 mm mrad dla 20 kw) wysoka efektywność (30 %) prowadzenie wiązki cały czas w światłowodzie, aż do głowicy obróbczej tanie w porównaniu z innymi laserami zwarta budowa Wady: wrażliwe na odbicie wsteczne tryb impulsowy możliwy w ograniczonym zakresie ze względu na duże gęstości mocy (efekty nieliniowe)
Popyt na lasery światłowodowe Źródło: IPG
Aplikacje laserów światłowodowych Źródło: IPG
Źródło: ILS Jan 2005 Porównanie laserów dużej mocy Parametr Laser na ciele stałym Laser gazowy światłowodowy Nd:YAG dyskowy CO 2 sprawność [%] 30 5 15 10 moc wyjściowa [kw] > 50 < 6 < 12 > 40 BPP (4-5 kw) < 2,5 25 8 6 czas życia [h] 100 000 10 000 10 000 - powierzchnia (4-5 kw) [m 2 ] > 1 m 2 > 6 m 2 > 4 m 2 > 3 m 2 koszt godziny pracy [EUR] 14,93 26,86 24,83 17,01 serwisowanie zbędne częste częste rzadko
Dziękuję za uwagę Lasery impulsowe