Лекция 11 Введение в специальность Волоконные лазеры И

Лекция 11 Введение в специальность Волоконные лазеры И. М. Белоусова Санкт-Петербург 2011

Волоконные лазеры Волоконный лазер – лазер, в котором активная среда и, в ряде конструкций, резонатор представляет собой оптическое волокно. ü Впервые - передачу лазерного излучения 1961 г. по оптическому волокну продемонстрировал Э. Снитцер ü Первый лазер на основе оптического волокна, легированного неодимом, выполнил 1963 г. Э. Снитцер 70 -е гг. ü Важные шаги дальнейшего развития: • Разработка стеклянных волоконных световодов с малыми потерями (≤ 1 дб/км в ближней ИК-области спектра) • Разработка высокоярких лазерных диодов • Элементы конструкций волоконных лазеров (брэгговские решетки и др. ) ü Стремительное развитие волоконных с 1980 г. лазеров НТО “ИРЭ-Полюс” – руководитель работ 1993 -1994 г. В. П. Галонцев разработал первые усилители света с диодной накачкой ü В. П. Галонцев переехал в Германию и 1995 г. основал фирму IPG-Laser Gmb. H, занявшую лидирующее положение в мире по разработке и производству волоконных лазеров и установок с волоконными лазерами Рост выходной мощности непрерывных волоконных лазеров (SM – одномодовый режим) с легированием редкоземельными элементами В настоящее время мощность непрерывного излучения установок с волоконными лазерами достигает 50 к. Вт 2

Принцип работы волоконных лазеров. Общая схема Волоконный лазер состоит из: • Активного оптического волокна, (кварц, легированный редкоземельными элементами (1)) • Резонатора : Фабри-Перо или кольцевой. Резонатор встраивается прямо в волокно (т. н. брэгговские зеркала) • Блока накачки : (светодиоды или лазерные диоды) Типичная схема волоконного лазера. 1 — активное волокно 2 — брэгговские зеркала 3 — блок накачки 1 к. Вт промышленный лазер (серия ЛК) ИРЭ-Полюс

Активное волокно Состав активного волокна. Основа активного волокна – кварц – имеет высокую прозрачность в широком спектральном диапазоне от170 нм до 3600 нм Легирующие примеси – активная среда на основе ионов редкоземельных элементов: неодима Nd 3+; эрбия Er 3+; иттербия Yb 3+; туллия Tu 3+; прозедиума Pr 3+. Концентрация составляет 1÷ 1000 ppm Выбор легирующих примесей определяется областью применений и необходимыми характеристиками Наиболее широко используются оптические световоды • с легированием Yb (иттербий), обеспечивающий генерацию на λ~1. 1 мкм • со смесью Er/Yb для генерации на λ~1. 5÷ 1. 6 мкм • с Tu и Ho → λ~1. 5÷ 1. 6 мкм • с Nd для преобразования излучения в видимый диапазон 1 2 3 4 Сечение волокна Внутреннее волокно (1) кварц, легированный редкоземельными элементами, диаметром 6÷ 8 мкм, находится внутри кварцевого волокна (2) диаметром 400 ÷ 800 мкм Стенки волокна покрыты отражающим покрытием. Защитная полимерная оболочка (3) Внешнее защитное покрытие (4)

Накачка волоконных лазеров. Конструкция и принцип работы Принцип работы Конструкция Излучение лазерных диодов (8) накачки вводится в кварцевое волокно (2) и распространяется, многократно отражаясь от светоотражающего покрытия (4) вдоль сложного составного волокна длиной несколько метров. Излучение диодов накачивает активное волокно сердцевины (3). Большое отношение площади поверхности волоконного световода (ø 400÷ 600 мкм) к объему решает проблему теплоотвода, позволяя создавать волоконные лазеры выходной мощности > 1 к. Вт с воздушным охлаждением. На концах волновода устанавливаются дифракционные Схема волоконного лазера зеркала, одно из которых сплошное (1) , а другое – полупрозрачное. Через полупрозрачное зеркало выходит идеальный одномодовый ТЕМ 00 лазерный луч (6), который может фокусироваться в малое пятно Схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием

Многокаскадные волоконные лазеры Для применения лазеров в технологии надо иметь мощность Промышленные волоконные 1 к. Вт ÷ 4 к. Вт ÷ 10 к. Вт лазеры Излучение такой мощности получают сочетанием многокаскад. НТО ИРЭ Полюс ного усиления и набором мощности от нескольких лазеров Схема многокаскадного усиления в волокнах путем набора мощности излучения от нескольких лазеров с меньшей мощностью 1– задающий волоконный лазер; 2 – соединяющее световое волокно; 3 – изолятор; 4 – мощный усиливающий волоконный лазер первой ступени; 5 - мощный усиливающий волоконный лазер второй ступени; 6 – лазерный луч; 7 – светодиоды; 8 – фокусирующие системы светодиодов. 8 к. Вт, 4 к. В и 2 к. Вт - промышленные лазеры серии ЛС Для получения 2, 4, 6 и 10 к. Вт собирают блоки Схема мощного волоконного лазера 1 – волоконные лазеры мощностью 100 Вт; 2 – мощный волоконный лазер; 3 – волокно, передающее суммированное излучение; 4 – фокусирующая система; 5 – обрабатываемая деталь 1, 5 к. Вт квазинепрерывный волоконный лазер 6

Применение волоконных лазеров. Промышленная технология • Гравировка, резка металлов; • Лазерная маркировка; • Лазерная сварка нержавеющей стали; в компонентах электронных и медицинских инструментов толщиной в десятые доли миллиметра (изготовления стенов) • Типография; • Цифровая технология флексографии.