Устройство и принцип работы волоконных лазеров

Волоконные лазеры были разработаны сравнительно недавно, в 1980-х годах прошлого столетия. В настоящее время известны модели волоконных технологических лазеров мощностью до 20 кВт. Их спектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм. Использование таких лазеров позволяет обеспечить различные временные характеристики излучения. Проводятся работы по созданию на их основе эффективных источников излучения видимого диапазона.

В последнее время волоконные лазеры активно вытесняют традиционные лазеры из таких областей применения лазерной техники, как, например, лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать. Их используют в лазерных дальномерах и трехмерных локаторах, аппаратуре для телекоммуникаций, в медицинских установках и т. д.

Основными типами волоконных лазеров являются непрерывные одномодовые лазеры, в том числе однополяризационные и одночастотные; импульсные волоконные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а также в произвольном режиме модуляции; перестраиваемые волоконные лазеры; сверхлюминесцентные волоконные лазеры; мощные непрерывные многомодовые волоконные лазеры.

Принцип работы лазера основан на пропускании света фотодиода по волокну большой протяженности. В первых моделях лазеров накачку проводили с торца волокна (рис. 1.14) и усиление осуществлялось за счет многократного переотражения света в волокне большой длины (около 50 м). В качестве волокна был использован кварц, активированный добавками редкоземельных элементов. Накачку проводили диодами с одномодовым излучением. Порог генерации таких лазеров составляет 10 мкВт, КПД достигает 50 %. При их использовании не требуется юстировка и практически нет необходимости в обслуживании.

Для увеличения мощности волоконных лазеров используют многомодовую активированную накачку и резонатор, представляющий собой зеркала на торцах волокна длиной до 100 м, скрученного в бухту. Схема такого лазера показана на рис. 1.15.

Для мощных лазеров используют трехслойное стеклянное волокно, активированное редкоземельными элементами.

Мощность волоконного лазера, применяемого для технологических целей, должна составлять от 100 Вт до 4...6 кВт. Излучение такой мощности получают сочетанием многокаскадного усиления в волокнах с набором мощности излучения от нескольких лазеров с меньшей мощностью. Волоконный лазер со ступенчатым усилением показан на рис. 1.16.

С помощью такого лазера можно получить мощность излучения до 100 Вт. При этом КПД лазера составляет до 23 %. В этом случае наблюдается весьма малое тепловыделение (около 8... 10 Вт). Это дает возможность использовать воздушное охлаждение и исключить применение сложных систем водяного охлаждения, что присуще другим типам технологических лазеров. Для волоконных лазеров практически не требуется такое техническое обслуживание, как настройка, юстировка, чистка и т. д. Срок службы лазеров без ремонта достигает 15000...20000 ч. Кроме того, их конструкция допускает размещение в обычных рабочих помещениях цехов без учета специальных требований, что крайне важно при проведении технологических процессов.

Для получения мощностей 2, 4, 6 и 10 кВт создают блочные системы, в которых излучение отдельных одномодовых волоконных лазеров мощностью 100 Вт собирается в одном волокне (рис. 1.17).

Набор одномодовых излучений обеспечивает суммированное излучение, близкое к одномодовому. Особенностью волоконных лазеров является то, что они работают только в непрерывном режиме, так как волокно не может выдерживать гигантские импульсы излучения. При длине волны 1,07 мкм такое излучение весьма эффективно при обработке различных материалов и в совокупности с простотой и надежностью волоконного лазера делает всю систему наиболее целесообразной для технологического применения.

Компаниями IPG Laser GmbH (Германия), IPG Photonics Согр. (США) и НТО «ИРЭ-Полюс» (Россия) освоен выпуск волоконных технологических лазеров серии PYL мощностью 10...20 Вт и непрерывных иттербиевых волоконных лазеров серии YLR мощностью от 1 до 20 кВт. Диаметр сердцевины оптического волокна кабеля доставки для модели YLR-1000 мощностью 1 кВт составляет 50... 100 мкм, а для модели YLR-10000 мощностью 10 кВт — 200...400 мкм. Срок службы диодов накачки — более 50 000 ч. Длина волоконного кабеля доставки достигает 200 м. Полный КПД лазеров превышает 25 %.