Система накачки и оптический резонатор

Принцип работы лазера основан на пропускании света диода по волокну большой протяженности. Использование диодной накачки позволяет повысить эффективность лазерной системы за счет накачки активной среды в определенную полосу поглощения, что позволяет снизить тепловую нагрузку на активную среду и повысить пространственные параметры излучения. Диодными лазерами можно добиться идеального согласования лазерных спектров.

Существует несколько схем оптических резонаторов для световодных лазеров, например схема, в которой зеркала резонатора наносятся непосредственно на отполированные торцы световода, или схема, в которой в качестве отражателей используются обычные диэлектрические зеркала, согласованные со световодом с помощью микрообъективов. Однако наиболее эффективным оказалось применение брэгговских зеркал (брэгговских решеток), "записываемых" непосредственно внутри световода и имеющих высокие коэффициенты отражения на фиксированных длинах волн. Сначала, локальный участок волокна выдерживается в водороде под давлением порядка 200 атм., а затем решетка создается голографическим способом при поперечном освещении волокна сквозь оболочку двумя когерентными УФ - пучками, формируя в сердцевине интерференционную картину.

 

1-Одномодовый фотодиод

2-Линза

3-Сфокусированное излучение

4-Активированное кварцевое волокно

5-Защита волокна

6-Оптическое кварцевое волокно

7-Лазерное излучение

Рис. 43 Одномодовый волоконный лазер.

 

1-Светодиоды

2-Фокусирующая линза

3-Оптическое кварцевое волокно

4-ктивированное волокно

5-Торцевое зеркало

6-Защита волокна

7-Лазерное излучение

Рис. 44 Волоконный лазер с активированной боковой накачкой.

 

Используем накачку через пассивный световод:

1- Активный световод (диаметр сердцевины 8 мкм, диаметр первой оболочки 125 мкм)

2- Пассивный световод для ввода накачки (диаметр - 125 мкм)

3- Излучение накачки от лазерных диодов

4- Световод GTWave

5- Брегговская решетка с R=99%

6- Брегговская решетка с R=10%

7- Выходное лазерное излучение

8- Отражающая полимерная оболочка

9- Защитная оболочка

Рис. 45 Оптическая схема активного волокна.

 

Разработка активного модуля

Так как наш разрабатываемый излучатель имеет большую мощность, то нам необходимо спроектировать лишь один активный модуль, который выдает 400 Вт средней мощности, и, путем установки в корпус излучателя и объединения 10 таких модулей, мы наберем нужную нам мощность.

Так как на инверсию идет 70% мощности лазерного диода, то мы можем подобрать и рассчитать количество диодов для накачки. Изучив рынок лазерных диодов, мы выбираем лазерные диоды фирмы JDSU 6398-L4t Series. Характеристики диодов представлены ниже. [18]

 

Характеристика	Единица измерения	Значение
Характеристики диода
Непрерывная выходная мощность	Вт
Числовая апертура		0,22
Длина волны	нм
Эффективность	%
Пороговый ток	мА
Рабочий ток диода	А	11,8
Рабочее напряжение диода	В	1,81
Сопротивление	Ом	0,04
Рекомендуемая рабочая температура	˚С
Характеристики волокна
Диаметр сердцевины	мкм
Числовая апертура		0,22
Диаметр оболочки	мкм
Диаметр защитной оболочки	мкм
Длина выходного волокна	м

 

Таким образом, чтобы получить 400 Вт средней мощности, нам необходимо:

 

P_нак = Р / η = 400 / 0,7 = 571,56 Вт

 

Количество выбранных нами диодов:

 

N = P_нак / Р_диода = 572/10 = 57.2 шт.

 

Получаем, что для накачки активного волокна нам необходимо 58 лазерных диодов.

В качестве активной среды мы используем активное волокно, легированное Yb³⁺. Согласно данным о волокне (информация НТО "ИРЭ-Полюс"), с 1 см³ активной среды можно получить 500 кВт средней мощности. Диаметр легированной сердцевины составляет 8 мкм. Из этих данных можно вычислить необходимую длину активного волокна, чтобы с него снять 400 Вт. Таким образом, находим, что длина волокна для накачки составляет 15.9 м.

С целью повышения мощности введенной накачки используем световоды типа GTWave. Такие световоды представляют собой два или более световода на основе плавленого кварца, помещенные в одну отражающую оболочку из полимера с низким показателем преломления. Один из световодов является активным, имеющий легированную иттербием сердцевину. Остальные волокна (пассивные) из плавленого кварца, находятся по всей длине в оптическом контакте с активным и служат для ввода излучения накачки в активный световод.

В качестве зеркал резонатора будем использовать брэгговские решетки. Решетки будем записывать на концах активного световода. Первая решетка (глухое зеркало) будет иметь коэффициент отражения ~0,998, а вторая (выходное зеркало) ~0,1. Схема резонатора представлена ниже:

 

 

Рис. 46 Схема мощного волоконного лазера.

1-волоконные лазеры мощностью 400Вт (10шт)

2-мощный волоконный лазер

3-волокно, передающее суммарное излучение

4-фокусирующая система

5-обрабатываемая деталь

 

Активный модуль изготавливаем из алюминия для уменьшения массы конструкции и повышения коррозионной стойкости, а также для хорошего теплоотвода. Внутри фрезеруются каналы под змеевик охлаждения, по которому будет протекать дистиллят, что позволяет нам уносить тепло (до 2 кВт) и не создавать побочных локальных тепловых дефектов. Лазерные диоды, при креплении к основанию активного модуля укладываются на термопасту, что дает нам эффективный теплообмен.

Активный модуль также имеет свой интерфейс управления, по которому сигналы с компьютера оператора по кабелю Ethernet идут на промышленный компьютер, интегрированный в корпус излучателя, и далее по распределению на выбранный активный модуль или на все модуля (по выбору оператора). Также, в каждом активном модуле находится блок питания диодов накачки, таким образом, мы с компьютера можем управлять силой тока накачки, соответственно и мощностью излучения, каждого модуля в отдельности или всех сразу.