Fiber lazer teknolojisinin çeşitli sektörlerde nasıl devrim yarattığını hiç merak ettiniz mi? Bu makale, fiber lazerlerin temel prensiplerini ve çeşitli uygulamalarını inceleyerek geleneksel lazer sistemlerine göre avantajlarını vurgulamaktadır. Üstün ışın kalitesi ve enerji verimliliği sunan bu kompakt, yüksek hassasiyetli araçların telekomünikasyondan tıbbi teknolojiye kadar çeşitli alanlarda nasıl kullanıldığını keşfedin. Okuyarak, fiber lazerleri modern mühendislik ve endüstri gelişmelerinin hayati bir parçası haline getiren mekanizmalar hakkında bilgi edineceksiniz.
Kazanç ortamı kullanan katkılı fiber lazerler üzerine yapılan araştırmalar, Snitzer'in 1963 yılında neodimyum iyonları (Nd3+) bir cam matris içinde katkılanmıştır.
1970'lerden bu yana, fiber hazırlama teknolojisinde ve fiber lazerler için pompa ve rezonans kavite yapılarının araştırılmasında önemli ilerlemeler kaydedilmiştir.
1980'lerin ortalarında, katkılı fiberde bir atılım (Er3+) İngiltere'deki Southampton Üniversitesi'nde fiber lazerlerin pratikliğini büyük ölçüde artırdı ve çok umut verici uygulama beklentileri gösterdi.
Geleneksel katı ve gaz lazerlerle karşılaştırıldığında, fiber lazerler yüksek ışın kalitesi, küçük boyut, hafiflik, bakım gerektirmeyen, hava soğutmalı, kullanımı kolay, düşük işletme maliyeti ve endüstriyel ortamlarda uzun süreli kullanım gibi birçok benzersiz avantaja sahiptir.
Ayrıca yüksek işleme hassasiyeti, yüksek hız, uzun ömür, enerji tasarrufu ve zeka ve otomasyon için mükemmel esneklik sunarlar. Bu nedenle, birçok alanda geleneksel YAG ve CO2 lazerlerinin yerini almışlardır.
Fiber lazerlerin çıkış dalga boyu aralığı 400-3400nm arasındadır ve optik veri depolama, optik iletişim, sensör teknolojisi, spektroskopi ve tıbbi uygulamalar gibi çeşitli alanlarda uygulanabilir.
Şu anda katkılı fiber lazerler, fiber Bragg ızgaralı lazerler, ayarlanabilir dar çizgi genişlikli fiber lazerler ve yüksek güçlü çift kaplamalı fiber lazerlerde hızlı bir gelişme görülmektedir.
Fiber lazer temel olarak üç bölümden oluşur: foton üretebilen kazanç ortamı, kazanç ortamında foton geri beslemesi ve rezonans amplifikasyonu sağlayan optik rezonans boşluğu ve lazer ortamını uyarabilen pompa kaynağı.
Fiber lazerin temel yapısı Şekil 2.1'de gösterilmektedir.
Kazanç ortamı, nadir toprak iyonları ile katkılanmış bir fiber çekirdektir. Katkılı fiber, seçilen yansıtma özelliğine sahip iki ayna arasına yerleştirilir. Pompa ışığı, fiber lazerin sol aynasından fibere bağlanır ve lazer ışığını bir kolimasyon optik sistemi ve bir filtreden geçirir.
Teorik olarak, pompa kaynağı ve kazanç fiberi fiber lazerin temel bileşenleridir ve rezonans boşluğu vazgeçilmez değildir. Rezonans boşluğunun mod seçimi ve kazanç ortamının uzatılması fiber lazerlerde gerekli değildir çünkü fiberin kendisi çok uzun olabilir, böylece çok yüksek bir tek geçişli kazanç elde edilebilir ve fiberin dalga kılavuzu etkisi bir mod seçimi rolü oynayabilir.
Bununla birlikte, pratik uygulamalarda insanlar genellikle daha kısa fiberler kullanmayı tercih eder, bu nedenle çoğu durumda geri besleme sağlamak için bir rezonans boşluğu kullanılır.
Fiber lazerlerin dalga kılavuzu yapısı nedeniyle, güçlü pompalamayı barındırabilir ve yüksek bir kazanca sahip olabilirler (50dB'ye kadar tek geçişli kazanç). Cam matris içindeki nadir toprak elementleri geniş bir çizgi genişliğine ve ayar aralığına sahiptir (Yb3+ 125nm, Tm3+ >300nm).
Belirli özellikler aşağıdaki gibidir:
1) Fiber, yüksek bağlantı verimliliği, küçük çekirdek çapı ve fiber içinde yüksek güç yoğunluğu oluşturmada kolaylık sunan bir dalga kılavuzu ortamı olarak hizmet eder. Mevcut fiber optik iletişim sistemlerine rahatlıkla bağlanabilir. Elde edilen lazerler yüksek dönüşüm verimliliğine, düşük lazer eşiğine, mükemmel ışın kalitesine ve dar çizgi genişliğine sahiptir.
2) Fiberin yüksek "yüzey alanı/hacim" oranı göz önüne alındığında, iyi bir ısı dağılımına sahiptir. Ortam sıcaklığı -20 ila 70 ℃ arasında değişebilir, bu da büyük bir su soğutma sistemi ihtiyacını ortadan kaldırır ve sadece basit hava soğutması gerektirir.
3) Fiber lazer, yüksek darbe, yüksek titreşim, yüksek sıcaklık ve tozlu koşullar gibi zorlu koşullar altında çalışabilir.
4) Fiberin mükemmel esnekliği sayesinde lazer, kompakt bir şekil ve küçük hacimle oldukça küçük ve esnek olacak şekilde tasarlanabilir, bu da sistem entegrasyonunu kolaylaştırır ve yüksek bir performans-fiyat oranı sunar.
5) Fiber lazer, geniş bir ayar aralığını, mükemmel monokromatikliği ve yüksek kararlılığı kapsamasını sağlayan oldukça fazla ayarlanabilir parametreye ve seçiciliğe sahiptir. Ortalama 10kh hatta 100kh üzerinde hatasız çalışma süresi ile uzun bir pompa ömrüne sahiptir.
Şu anda geliştirilen fiber lazerler, kazanç ortamı olarak çoğunlukla nadir toprak elementleri ile katkılanmış fiberler kullanmaktadır.
Fiber lazerin çalışma prensibi, pompa ışığının ön reflektör (veya ön ızgara) aracılığıyla katkılı fibere gelmesi ve foton enerjisini emen nadir toprak iyonlarının enerji seviyesi geçişlerine uğrayarak "parçacık numarası ters çevirme" elde etmesidir.
Ters çevrilmiş parçacıklar gevşemeden sonra radyasyon şeklinde temel duruma geri dönecek, aynı anda foton şeklinde enerji açığa çıkaracak ve arka reflektörden (arka ızgara) lazer çıkışı sağlayacaktır.
Nadir toprak elementleriyle katkılanmış fiber amplifikatör, fiber lazerlerin geliştirilmesini teşvik etmiştir, çünkü fiber amplifikatörler uygun geri besleme mekanizmaları aracılığıyla fiber lazerler oluşturabilir.
Pompa ışığı fiberdeki nadir toprak iyonlarından geçtiğinde, nadir toprak iyonları tarafından absorbe edilecektir. Bu sırada, foton enerjisini emen nadir toprak atomları daha yüksek bir lasing enerji seviyesine uyarılacak ve böylece iyon numarası inversiyonu sağlanacaktır.
Ters çevrilmiş iyon numarası, yüksek enerji seviyesinden radyasyon şeklinde temel duruma geçecek ve uyarılmış radyasyonu tamamlayarak enerjiyi serbest bırakacaktır. Uyarılmış durumdan temel duruma radyasyon modunun iki türü vardır: spontane radyasyon ve uyarılmış radyasyon.
Bunlar arasında uyarılmış radyasyon, çok tutarlı bir lazer oluşturabilen aynı frekans ve fazdaki bir radyasyondur. Lazer emisyonu, uyarılmış radyasyonun spontane radyasyonu çok aştığı fiziksel bir süreçtir.
Bu sürecin devam edebilmesi için iyon numarası terslenmesinin oluşması gerekir. Bu nedenle, sürece dahil olan enerji seviyeleri ikiyi aşmalı ve enerji sağlamak için bir pompa kaynağı da olmalıdır.
Fiber lazer aslında pompa dalga boyundaki ışığın gerekli lasing dalga boyundaki ışığa dönüştürülebildiği bir dalga boyu dönüştürücü olarak adlandırılabilir.
Örneğin, erbiyum katkılı bir fiber lazer 980nm ışık pompalar ve 1550nm lazer çıkışı verir. Lazerin çıkışı sürekli veya darbeli olabilir.
Fiber lazerlerin üç seviyeli ve dört seviyeli olmak üzere iki lasing durumu vardır. Üç seviyeli ve dört seviyeli lazer prensipleri Şekil 2.2'de gösterilmiştir.
Pompa (kısa dalga boylu yüksek enerjili foton) elektronun temel durumdan yüksek enerji durumuna geçmesine neden olur E44 veya E33daha sonra üst lazer seviyesi E4'e geçiş yapar3 veya E32 radyatif olmayan geçişler yoluyla.
Elektron üst lazer seviyesinden alt enerji seviyesine daha fazla geçiş yaptığında E42 veya E31, the lazer süreci gerçekleşecek.
Tablo 3.1'de gösterildiği gibi farklı kategorilere ayrılabilen çeşitli fiber optik lazer türleri vardır. Aşağıdaki bölümler bu lazerlerin çeşitli türlerine bir giriş sağlayacaktır.
Tablo 3.1 Fiber Optik Lazerlerin Sınıflandırılması
| Rezonatör Yapısına Göre Sınıflandırma | F-P Kavite, Halka Kavite, Döngü Reflektörlü Fiber Rezonatör ve "8" Şekilli Kavite, DBR Fiber Lazer, DFB Fiber Lazer |
| Elyaf Yapısına Göre Sınıflandırma | Tek Kaplamalı Fiber Lazer, Çift Kaplamalı Fiber Lazer |
| Kazanç Ortamına Göre Sınıflandırma | Nadir Toprak Katkılı Fiber Lazer, Doğrusal Olmayan Etkili Fiber Lazer, Tek Kristal Fiber Lazer, Plastik Fiber Lazer |
| Çalışma Mekanizmasına Göre Sınıflandırma | Yukarı Dönüşümlü Fiber Lazer, Aşağı Dönüşümlü Fiber Lazer |
| Doping Elementlerine Göre Sınıflandırma | Erbiyum (Er3+), Neodimyum (Nd3+), Praseodimyum (Pr3+), Tülyum (Tm3+), İterbiyum (Yb3+), Holmiyum (Ho3+) ve 15 diğer tür |
| Çıkış Dalga Boyuna Göre Sınıflandırma | S-Bandı (1280-1350nm), C-Bandı (1528-1565nm), L-Bandı (1561-1620nm) |
| Çıkış Lazerine Göre Sınıflandırma | Darbeli Lazer, Sürekli Dalga Lazer |
Nadir toprak elementleri, periyodik tablonun beşinci sırasında yer alan 15 elementi kapsar.
Şu anda, aktif fiberlere dahil edilen olgunlaşmış nadir toprak iyonları arasında Er3+, Nd3+, Pr3+, Tm3+ve Yb3+.
Son yıllarda, kaplama pompalama teknolojisini kullanan çift kaplamalı katkılı fiber lazerler, çıkış gücünü önemli ölçüde artırarak lazerler alanında bir başka araştırma noktası haline gelmiştir.
Şekil 3.1'de gösterildiği gibi bu tip fiber yapısı, bir dış kaplama, iç kaplama ve katkılı bir çekirdekten oluşur.
Dış kaplamanın kırılma indisi iç kaplamanınkinden daha azdır ve bu da fiber çekirdeğin kırılma indisinden daha azdır, böylece çift katmanlı bir dalga kılavuzu yapısı oluşturur.
Katkılı çift kaplı fiber, fiber lazerlerin yapımında önemli bir bileşendir. Bir fiber lazerdeki ana rolleri şunlardır:
1) Pompa ışık gücünün lazerin çalışma ortamına dönüştürülmesi;
2) Bir lazer rezonatörü oluşturmak için diğer cihazlarla işbirliği yapmak.
Çalışma prensibi temel olarak pompa ışığının fibere yanal olarak veya uç yüzünden enjekte edilmesini içerir. Dış kaplamanın kırılma indisi fiberin iç kaplamasınınkinden çok daha düşük olduğundan, iç kaplama çok modlu pompa ışığını iletebilir.
İç kaplamanın enine kesit boyutu çekirdekten daha büyüktür. Böylece, üretilen lazer dalga boyu için, iç kaplama ve nadir toprak katkılı çekirdek mükemmel bir tek modlu dalga kılavuzu oluştururken, bu ve dış kaplama pompa ışık gücünü iletmek için çok modlu bir dalga kılavuzu oluşturur.
Bu, büyük güçlü çok modlu pompa ışığının iç kaplamaya bağlanmasını sağlar. Çok modlu pompa ışığı fiber boyunca ilerleyip çekirdeği geçerken birden çok kez emilir. Çekirdekteki nadir toprak iyonlarının uyarılması nedeniyle, yüksek güçlü bir sinyal lazer çıkışı üretilir.
Çalışma prensibi Şekil 3.1'de gösterilmiştir.
1990'larda UV-yazılı fiber Bragg ızgara teknolojisinin artan olgunluğu, başta Dağıtılmış Bragg Reflektör (DBR) ve Dağıtılmış Geri Besleme (DFB) fiber ızgara lazerleri olmak üzere fiber Bragg ızgara lazerlerine olan ilginin artmasına neden olmuştur.
İkisi arasındaki temel fark, DFB fiber lazerin optik geri besleme ve dalga boyu seçimi elde etmek için yalnızca bir ızgara kullanması, böylece daha iyi stabilite sunması ve Er katkılı fiber ile ızgara arasındaki füzyon kaybını önlemesidir.
Bununla birlikte, ızgara UV kullanılarak doğrudan Er katkılı fibere yazılabilirken, fiber çekirdeğindeki düşük Ge içeriği ve zayıf ışığa duyarlılık nedeniyle DEB fiber lazerin pratik üretimi kolay değildir.
Buna karşılık, DBR fiber lazer, rezonans boşluğu oluşturmak için Er katkılı fiberin her iki ucunda Ge katkılı bir fiber ızgaranın kaynaştırılmasıyla daha kolay üretilebilir.
DBR ve DFB fiber ızgara lazerler, kısa rezonans boşlukları nedeniyle düşük pompa emilim verimliliği, halka lazerlerden daha geniş spektral çizgiler ve mod atlama gibi çeşitli sorunlarla karşı karşıyadır.
Bu sorunları çözmek için sürekli çaba sarf edilmektedir. Önerilen iyileştirmeler arasında kazanç ortamı olarak Er:Yb ko-katkılı fiber kullanılması, kavite içi pompalama yönteminin benimsenmesi ve osilatör ile güç amplifikatörünün entegre edilmesi yer almaktadır.
Ultra kısa darbeli lazerler şu anda fiber lazerlerde, öncelikle pasif mod-kilitleme tekniklerini kullanan sıcak bir araştırma konusudur.
Katı hal lazerlerine benzer şekilde, fiber lazerler de mod-kilitleme prensibine dayalı olarak kısa darbeli lazer çıkışları üretir. Bir fiber lazer, kazanç bant genişliği içinde çok sayıda uzunlamasına modda çalıştığında, her uzunlamasına mod faz senkronize olduğunda ve herhangi iki bitişik uzunlamasına mod arasındaki faz farkı sabit olduğunda mod kilitleme elde edilir.
Rezonans boşluğunda dolaşan tek darbe, çıkış kuplöründen enerji çıkışı sağlar. Fiber lazerler, aktif mod kilitli fiber lazerler ve pasif mod kilitli fiber lazerler olarak ikiye ayrılır.
Aktif mod-kilitleme modülasyonu özelliği, mod-kilitli darbenin genellikle pikosaniye mertebesinde olan darbe genişliğini sınırlar. Pasif mod kilitlemeli fiber lazerler, mod kilitleme elde etmek için fiberin veya diğer optik bileşenlerin doğrusal olmayan optik etkilerini kullanır.
Lazer yapısı basittir ve herhangi bir modülasyon bileşeni olmadan belirli koşullar altında kendi kendine başlayan mod kilitleme elde edebilir. Pasif mod kilitli fiber lazerler kullanılarak femtosaniye mertebesinde ultra kısa darbeler üretilebilir.
Ultra kısa atımlı lazerler ultra hızlı ışık kaynaklarında kullanılmış ve çeşitli zaman çözümlü spektroskopi ve pompalama teknikleri ortaya çıkmıştır. Ultra kısa darbe üretim teknolojisi, ultra yüksek hızlı optik zaman bölmeli çoğullama (OTDM) elde etmenin anahtarıdır. Ultra kısa atımlı fiber lazerler malzeme, biyoloji, tıp, kimya ve askeri gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Lazerler lazer teknolojisinin çekirdeğini oluşturmaktadır ve fiber lazerlerin gelecekteki gelişim yönü, çıkış gücünü daha da artırmak ve ışın kalitesini iyileştirmek; yeni lazer dalga boylarını genişletmek, lazerlerin ayarlanabilir aralığını genişletmek; lazer spektrumunu daraltmak; yüksek parlaklıkta lazerlerin ultra kısa darbelerini (ps ve fs seviyeleri) geliştirmek ve genel minyatürleştirme, pratiklik ve zeka üzerine araştırmalar yapmak gibi fiber lazerlerin performansını daha da iyileştirmek olacaktır.
Son yıllarda, gelişim temel olarak üç konuya odaklanmıştır:
(1) fiber Bragg ızgaralarının performansını artırarak fiber lazerlerde iyi bir şekilde uygulanmalarını sağlamak;
(2) daha dar darbe ve spektral çizgi genişliklerine, daha yüksek çıkış gücüne, daha geniş ayar aralığına vb. sahip fiber lazerler;
(3) fiber lazerlerin daha pratik hale getirilmesi.
Endüstriyel Uygulamalar: Fiberin en dikkate değer uygulaması endüstri̇de lazerler malzeme işlemedir. Sürekli artan gücü ile fiber lazerler endüstriyel kesim için büyük ölçekte kullanılmaya başlanmıştır.
Fiber lazerler hem metalik hem de metal olmayan malzemelerin kesilmesi, işlenmesi ve taşınması için idealdir. metalik olmayan malzemeler. Lazer ürün kalibrasyonu, hassas kesim, lazer kazıma için kullanılabilirler, lazer kaynağıhassas delme, lazer algılama, mikro bükme, lazer ölçümü ve diğer teknik yönler.
Telekomünikasyon Uygulamaları: Yüksek kapasiteli iletişim için mevcut gereksinimleri karşılamak için, fiber lazerlerin uygulanması iletişimde gelişmekte olan bir teknoloji haline gelmiştir.
Geleceğin iletişim teknolojisi kademeli olarak elektriksel iletişimden optik iletişime geçecektir. Fiber lazerler sadece sürekli lazer çıkışı üretmekle kalmaz, aynı zamanda pikosaniye (ps) ve hatta femtosaniye (fs) ultra kısa lazer darbeleri de üretebilir.
Fiber lazerler eşik değerlerinin düşürülmesi, dalga boyu aralıklarının genişletilmesi ve ayarlanabilir dalga boyu özelliklerinde büyük ilerlemeler kaydetmiştir. Pratik bir teknoloji olan soliton iletişimi, milyonlarca kilometre iletim mesafesine, 20Gb/s iletim hızına ve 10-13'ten daha düşük bit hata oranına ulaşarak yüksek hızlı ve yüksek kaliteli sinyal iletimi sağlayabilir.
Askeri Uygulamalar: Fiber lazerlerin gücündeki sürekli artışla birlikte, ordudaki uygulamaları giderek daha yaygın hale gelmektedir.
Yönlendirilmiş enerji silahlarının amacına ulaşmak için, birkaç fiber lazer, fiber lazerlerin gücünü artırabilen uyumlu bir dizi yapısında birleştirilir.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı'nda şu anda askeri uygulama hedeflerini karşılamak için 100kW fiber lazerler üzerinde araştırmalar yürütülmektedir.
MachineMFG'nin kurucusu olarak, kariyerimin on yıldan fazlasını metal işleme sektörüne adadım. Kapsamlı deneyimim, sac metal imalatı, talaşlı imalat, makine mühendisliği ve metaller için takım tezgahları alanlarında uzman olmamı sağladı. Bu konular hakkında sürekli düşünüyor, okuyor ve yazıyorum, sürekli olarak alanımın ön saflarında kalmaya çalışıyorum. Bilgi ve uzmanlığımın işiniz için bir değer olmasına izin verin.
TR 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO