Оптоволоконные лазеры: принципы работы, применение и многое другое

Лазеры существуют уже долгое время, но их активное использование в коммерческих целях началось относительно недавно. Инженерам потребовалось немало времени, чтобы довести возможности лазеров до уровня, на котором они могли бы конкурировать с традиционными методами производства по стоимости, скорости и простоте использования.

Технология оптоволоконных лазеров, например, была впервые разработана ещё в 1960-х годах. В то время она находилась на самой начальной стадии своего развития и только к 1990-м годам стала пригодной для коммерческого использования. С тех пор оптоволоконные лазеры значительно эволюционировали как в плане расширения сфер применения, так и в вопросах повышения эффективности. В 1960-х годах удавалось получить лишь несколько десятков милливатт, а сегодня мы имеем лазеры, способные генерировать более 80 000 ватт с высокой стабильностью параметров.

Что такое оптоволоконный лазер?

Оптоволоконные лазеры представляют собой тип твердотельных лазеров, которые используют оптоволокно в качестве активной среды усиления. В таких лазерах волокно, изготовленное из силикатного или фосфатного стекла, поглощает свет, испускаемый накачивающими лазерными диодами, и преобразует его в лазерный луч с заданной длиной волны.

Для достижения этого оптоволокно легируется. Легирование заключается во введении в состав волокна редкоземельных элементов. Использование различных легирующих элементов позволяет создавать лазерные лучи с широким диапазоном длин волны. Некоторые из распространённых легирующих элементов, в порядке увеличения длины испускаемой волны, включают неодим (780-1100 нм), иттрий (1000-1100 нм), празеодим (1300 нм), эрбий (1460-1640 нм), туллий (1900-2500 нм), гольмий (2025-2200 нм) и диспрозий (2600-3400 нм).

Благодаря такому широкому диапазону создаваемых длин волны оптоволоконные лазеры идеально подходят для множества приложений, таких как лазерная резка, текстурирование, очистка, гравировка, сверление, маркировка и сварка. Это также позволяет использовать оптоволоконные лазеры в различных отраслях, таких как медицина, оборона, телекоммуникации, автомобилестроение, спектроскопия, электротехника, производство и транспорт.

Как работает оптоволоконный лазер?

Оптоволоконный лазер назван так из-за своего активного элемента усиления, которым является оптоволокно. Любая установка с оптоволоконным лазером, способная генерировать хорошо коллимированный мощный лазерный луч, проходит через пять основных этапов работы:

1. Создание накачивающего света. Накачивающие лазерные диоды генерируют свет, который используется для возбуждения атомов в активной среде.
2. Сбор и ввод накачивающего света в оптоволокно. Свет направляется в оптоволокно, где он распространяется и взаимодействует с легирующими элементами.
3. Прохождение накачивающего света через оптоволокно. В процессе прохождения свет поглощается активной средой, усиливая уровень энергии атомов.
4. Стимулированное излучение в лазерной резонаторной камере. Атомы, достигшие высокого уровня энергии, начинают излучать свет, что и приводит к генерации когерентного излучения.
5. Усиление исходного лазерного света в лазерный луч. Исходный лазерный свет многократно усиливается, проходя через волокно, и в результате образуется мощный лазерный луч.

Создание накачивающего света

На этом этапе начинается процесс генерации энергии для лазерного луча. В оптоволоконных лазерах в качестве источника энергии используется электричество. Лазерные диоды, называемые накачивающими, преобразуют электрическую энергию в световую. Этот процесс преобразования в высококачественных диодах отличается надёжностью и эффективностью, при этом генерируется световая энергия со строго заданной длиной волны, что позволяет оптимально использовать энергию и минимизировать потери.

Стоит отметить, что низкокачественные лазерные диоды долгое время были основным препятствием в развитии лазерных технологий. В течение примерно трёх десятилетий они существенно сдерживали прогресс, так как не могли обеспечить достаточную стабильность и эффективность преобразования энергии.

На практике накачивающий свет часто создаётся несколькими лазерными диодами, после чего он объединяется и вводится в оптоволоконный кабель. Например, существуют 20-ваттные лазерные установки, в которых накачивающий свет генерируется 11 диодами и затем вводится в волокно. Такая схема позволяет достичь высокой мощности и надёжности лазерного излучения, что крайне важно для промышленных применений, требующих стабильной и предсказуемой работы лазера.