Was ist ein Faserlaser: Alles, was Sie wissen müssen

Die optische Faser, auch Lichtwellenleiter genannt, ist ein zylindrischer Wellenleiter, der zur Übertragung von Licht verwendet wird. Er nutzt das Prinzip der internen Totalreflexion, um die Lichtwelle im Faserkern einzuschließen und sie entlang der Faserachse zu leiten. Die Ersetzung von Kupferdrähten durch Glasfasern hat die Welt verändert. Als Medium für Licht [...]

Was ist ein Faserlaser?

Inhaltsverzeichnis

Die optische Faser, auch Lichtwellenleiter genannt, ist ein zylindrischer Wellenleiter, der zur Übertragung von Licht verwendet wird. Er nutzt das Prinzip der internen Totalreflexion, um die Lichtwelle im Faserkern einzuschließen und sie entlang der Faserachse zu leiten.

Die Ersetzung von Kupferkabeln durch Glasfaserkabel hat die Welt verändert. Als Medium für die Lichtübertragung hat sich die Glasfaser seit ihrem Vorschlag von Gao Kun im Jahr 1966 aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wie hohe Kapazität, starke Anti-Interferenz-Fähigkeiten, geringer Übertragungsverlust, lange Übertragungsdistanz, ausgezeichnete Sicherheit, starke Anpassungsfähigkeit, kompakte Größe, geringes Gewicht und reichliche Rohstoffressourcen durchgesetzt.

Gao Kun, der weithin als "Vater der Glasfaser" gilt, wurde 2009 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Die Telekommunikationsbranche hat sich durch die kontinuierliche Verbesserung und die praktischen Anwendungen von Glasfasern verändert. Die Glasfaser hat den Kupferdraht weitgehend ersetzt und ist heute ein wesentlicher Bestandteil der modernen Kommunikation.

Das Lichtwellenleiter-Kommunikationssystem ist eine Art von Kommunikationssystem, das Licht als Informationsträger und Lichtwellenleiter als Wellenleitermedium verwendet. Bei der Übertragung von Informationen wird das elektrische Signal in ein optisches Signal umgewandelt und innerhalb der Glasfaser übertragen.

Als neue Form der Kommunikationstechnologie hat die Glasfaserkommunikation von Anfang an unvergleichliche Vorteile gezeigt und großes Interesse und Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Der weit verbreitete Einsatz von Glasfasern in der Kommunikation hat auch die schnelle Entwicklung von Faserverstärkern und Faserlasern vorangetrieben. Neben dem Bereich der Kommunikation werden Glasfasersysteme auch häufig in der Medizin, der Sensorik und anderen Bereichen eingesetzt.

Optische Faser

Die aktive Faser dient als Verstärkungsmedium in Faserlasern. Aufgrund ihrer Struktur kann sie in Singlemode-Fasern, Doppelmantelfasern und photonische Kristallfasern unterteilt werden.

Singlemode-Fasern bestehen aus einem Kern, einem Mantel und einer Beschichtung. Der Brechungsindex (N1) des Kernmaterials ist höher als der des Mantelmaterials (N2). Wenn der Einfallswinkel des einfallenden Lichts größer als der kritische Winkel ist, wird der Strahl vollständig im Kern emittiert, so dass die Glasfaser den Strahl auf den Kern beschränken und ihn übertragen kann.

Der innere Mantel der Singlemode-Faser kann jedoch kein Multimode-Pumplicht einschließen, und der Kern hat eine geringe numerische Apertur. Daher kann die Laserleistung nur durch Einkopplung von Singlemode-Pumplicht in den Kern erzielt werden.

Frühe Faserlaser verwendeten Singlemode-Fasern, die eine geringe Kopplungseffizienz aufwiesen und nur Milliwatt Ausgangsleistung erzeugten.

Übertragung von Licht in optischen Fasern

Übertragung von Licht in optischen Fasern

Doppelt ummantelte Faser

In dem Bestreben, die Beschränkungen herkömmlicher einmodiger Ytterbium-dotierter (Yb3+) Fasern in Bezug auf Umwandlungseffizienz und Ausgangsleistung zu überwinden, schlug R. Maurer 1974 erstmals das Konzept der Doppelmantel-Faser vor. Doch erst als E. Snitzer und andere 1988 die Technologie des Mantelpumpens vorschlugen, erlebte die Technologie der Ytterbium-dotierten Hochleistungsfaserlaser/Verstärker eine rasante Entwicklung.

Doppelmantel-Lichtwellenleiter sind Lichtwellenleiter mit einer einzigartigen Struktur. Im Vergleich zu herkömmlichen Glasfasern hat sie einen inneren Mantel, der aus einer Ummantelungsschicht, einem inneren Mantel, einem äußeren Mantel und einem dotierten Kern besteht.

Die Mantelpumptechnologie basiert auf einer doppelwandigen Faser und zielt darauf ab, Multimode-Pumplicht in den inneren Mantel und Laserlicht in den Faserkern zu übertragen, wodurch die Pumpkonversionseffizienz und die Ausgangsleistung des Faserlasers erheblich verbessert werden.

Die Struktur der Doppelmantel-Faser, die Form des Innenmantels und der Einkopplungsmodus des Pumplichts sind für diese Technologie entscheidend.

Die Faserspule der Doppelmantelfaser besteht aus Siliziumdioxid (SiO2), das mit Seltenen Erden dotiert ist. In Faserlasern dient sie sowohl als Lasermedium als auch als Übertragungskanal für das Lasersignal.

Um sicherzustellen, dass es sich bei der Ausgangsanregung um die transversale Grundmode handelt, wird der Parameter V für die entsprechende Arbeitswellenlänge reduziert, indem die numerische Apertur und der Kerndurchmesser festgelegt werden.

Die Querabmessungen der inneren Ummantelung (zehnmal größer als der herkömmliche Kerndurchmesser) und die numerische Apertur sind viel größer als die des Kerns, und ihr Brechungsindex ist niedriger als der des Kerns, was die vollständige Ausbreitung des Lasers im Kern einschränkt.

Dadurch entsteht ein Lichtwellenleiter mit einem großen Querschnitt und einer großen numerischen Apertur zwischen dem Kern und dem äußeren Mantel, so dass leistungsstarkes Pumplicht mit großer numerischer Apertur, großem Querschnitt und Multimode in die Glasfaser eingekoppelt und ohne Streuung auf die Übertragung innerhalb des inneren Mantels beschränkt werden kann. Dies trägt zur Aufrechterhaltung einer hohen Leistungsdichte beim optischen Pumpen bei.

Der äußere Mantel der Doppelmantel-Faser besteht aus Polymermaterialien mit einem niedrigeren Brechungsindex als der des inneren Mantels. Die äußerste Schicht ist eine Schutzschicht aus organischen Materialien.

Die Kopplungsfläche der Doppelmantel-Faser zum Pumplicht wird durch die Größe des inneren Mantels bestimmt, im Gegensatz zur herkömmlichen Singlemode-Faser, die nur durch den Kern bestimmt wird.

Dadurch entsteht eine zweischichtige Wellenleiterstruktur für die doppelummantelte Faser.

Einerseits wird die Effizienz der Leistungskopplung des Faserlasers verbessert, so dass das Pumplicht die dotierten Ionen anregen und das Laserlicht mehrfach durch den Faserkern emittieren kann, wenn es in den inneren Mantel geleitet wird.

Andererseits wird die Qualität des Ausgangsstrahls durch die Beschaffenheit des Faserkerns bestimmt, und die Einführung der inneren Ummantelung hat keine negativen Auswirkungen auf die Qualität des Ausgangsstrahls des Faserlasers.

Strukturdiagramm einer achteckigen doppelt ummantelten Faser

Strukturdiagramm einer achteckigen doppelt ummantelten Faser

Schematische Darstellung verschiedener Innenverkleidungsstrukturen

Schematische Darstellung verschiedener Innenverkleidungsstrukturen

Die speziell entwickelte innere Ummantelung des Doppelmantel-Faserlasers kann die Effizienz der Nutzung des Pumplichts erheblich verbessern.

Ursprünglich war die innere Mantelstruktur der doppelummantelten Faser zylindersymmetrisch, was ihren Herstellungsprozess relativ einfach machte und die Kopplung mit der Endfaser der Pumplaserdiode (LD) erleichterte.

Seine perfekte Symmetrie führte jedoch zu einer großen Anzahl von Spiralstrahlen im Pumplicht innerhalb der inneren Ummantelung, die auch nach mehrfachen Reflexionen niemals den Kernbereich erreichen würden.

Infolgedessen konnten diese Strahlen nicht vom Faserkern absorbiert werden, was zu Lichtverlusten führte und eine Verbesserung der Umwandlungseffizienz erschwerte, selbst bei Verwendung längerer Fasern.

Daher muss die zylindrische Symmetrie der inneren Hüllstruktur unterbrochen werden.

Photonische Kristallfaser

Bei herkömmlichen doppelwandigen Fasern wird die Ausgangslaserleistung durch die Größe des Faserkerns bestimmt, und die numerische Apertur bestimmt die Qualität des Ausgangslaserstrahls.

Aufgrund physikalischer Mechanismen wie nichtlinearer Effekte und optischer Schäden in Glasfasern ist es jedoch unmöglich, die Anforderungen an den Singlemode-Betrieb von Doppelmantelfasern mit großem Modenfeld und hoher Ausgangsleistung allein durch eine Vergrößerung des Kerndurchmessers zu erfüllen.

Das Aufkommen spezieller optischer Fasern, wie der photonischen Kristallfaser (PCF), bietet eine effektive Lösung für dieses Problem.

Das Konzept der photonischen Kristalle wurde erstmals 1987 von E. Yablonovitch vorgeschlagen. Dabei geht es um dielektrische Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, die eine periodische Struktur in der Größenordnung der Lichtwellenlänge im ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum bilden. Dadurch entstehen photonische Leitbänder, die die Lichtausbreitung ermöglichen, und photonische Bandlücken (PBG), die die Lichtausbreitung verhindern.

Durch Veränderung der Anordnung und der Verteilungsperiode verschiedener Medien lassen sich zahlreiche Veränderungen der Eigenschaften photonischer Kristalle erzielen, die spezifische Funktionen ermöglichen.

Die photonische Kristallfaser (PCF) ist ein zweidimensionaler photonischer Kristall, der auch als Mikrostrukturfaser oder poröse Faser bezeichnet wird.

Im Jahr 1996 entwickelten J.C. Knight und andere die erste PCF, deren Lichtleitmechanismus dem der Totalreflexion in herkömmlichen Glasfasern ähnelt.

Der erste PCF, der auf dem Prinzip der photonischen Bandlücke basiert, wurde 1998 erfunden.

Nach 2005 wurden das Design und die Präparationsmethoden für PCF mit großem Modenfeld vielfältiger, und es entstanden verschiedene geformte Strukturen, darunter PCF mit undichtem Kanal, PCF mit Stab, PCF mit großem Abstand und PCF mit mehreren Kernen.

Auch die Modenfeldfläche von Glasfasern hat sich vergrößert.

Mikrostruktur von verschiedenen photonischen Kristallfasern

Mikrostruktur von verschiedenen photonischen Kristallfasern

Photonische Kristallfasern (PCF) ähneln herkömmlichen Monomode-Fasern, weisen aber auf der Mikrostrukturebene eine komplexe Lochanordnung auf.

Diese strukturellen Merkmale verleihen PCF viele einzigartige Vorteile, die herkömmliche Glasfasern nicht bieten können, wie z. B. eine nicht abgeschnittene Singlemode-Übertragung, einen großen Modenfeldbereich, eine einstellbare Dispersion und einen geringen Grenzverlust, wodurch zahlreiche Probleme herkömmlicher Laser überwunden werden.

So kann PCF beispielsweise einen Monomode-Betrieb mit einer großen Modenfeldfläche erreichen, wodurch die Laserleistungsdichte in der Glasfaser, die Minimierung des nichtlinearen Effekts in der Glasfaser und die Verbesserung der Zerstörungsschwelle der Glasfaser unter Beibehaltung der Strahlqualität.

Außerdem ermöglicht sie eine große numerische Apertur, was zu einer besseren Kopplung des Pumplichts und einer höheren Laserleistung führt.

Diese Vorteile der PCF haben zu einem weltweiten Forschungsschub geführt, der sie zu einem neuen Forschungsschwerpunkt bei Faserlasern gemacht hat und bei Hochleistungs-Faserlaseranwendungen eine immer wichtigere Rolle spielt.

Erfindung des Faserlasers

Ein Laser mit einer optischen Faser als Verstärkungsmedium wird als Faserlaser bezeichnet.

Wie andere Lasertypen besteht er aus einem Verstärkungsmedium, einer Pumpquelle und einem Resonator.

Die Faserlaser-Anwendungen die aktive Faser, die im Kern mit Seltenen Erden dotiert ist, als Verstärkungsmedium.

In der Regel dienen Halbleiterlaser als Pumpquelle, während der Resonator aus Spiegeln, Faserendflächen, Faserringspiegeln oder Fasergittern besteht.

Basierend auf den Eigenschaften im Zeitbereich können Faserlaser in kontinuierliche und gepulste Faserlaser unterteilt werden.

Je nach Resonatorstruktur lassen sie sich in Faserlaser mit linearem Resonator, Faserlaser mit verteilter Rückkopplung und Faserlaser mit Ringresonator unterteilen.

Basierend auf der unterschiedlichen Verstärkungsfaser und dem Pumpmodus können sie in Einmantel-Faserlaser (Kern-Pumpen) und Doppelmantel-Faserlaser (Mantel-Pumpen) unterteilt werden.

Strukturprinzip des Faserlasers mit linearem Resonator

Strukturprinzip des Faserlasers mit linearem Resonator

Im Jahr 1961 entdeckte Snitzer Laserstrahlung in Nd-dotierten Glaswellenleitern.

1966 untersuchte Gao Kun gründlich die Hauptursachen der optischen Dämpfung in Glasfasern und wies auf die wichtigsten technischen Probleme hin, die für die praktische Anwendung von Glasfasern in der Kommunikation gelöst werden müssen.

Im Jahr 1970 entwickelte die Firma Corning in den USA Glasfasern mit einer Dämpfung von weniger als 20 dB/km und legte damit den Grundstein für die Entwicklung der optischen Kommunikation und der optoelektronischen Technologie.

Dieser technologische Durchbruch hat auch die Entwicklung von Faserlasern erheblich erleichtert.

In den 1970er und 1980er Jahren, als die Halbleiterlasertechnologie ausgereift und kommerziell verfügbar war, wurden zuverlässige und vielfältige Pumpquellen für die Entwicklung von Faserlasern bereitgestellt.

Gleichzeitig wurde durch die Weiterentwicklung der chemischen Gasphasenabscheidung der Übertragungsverlust von Glasfasern verringert.

Faserlaser haben sich rasch diversifiziert. Verschiedene Seltenerdelemente wie Erbium (Er3+), Ytterbium (Yb3+), Neodym (Nd3+), Samarium (Sm3+), Thulium (Tm3+), Holmium (Ho3+), Praseodym (Pr3+), Dysprosium (Dy3+) und Wismut (Bi3+) werden in die Faser dotiert, um eine Laserleistung mit unterschiedlichen Wellenlängen zu erzielen und so verschiedenen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Bereich des Emissionsspektrums einer mit Seltenen Erden dotierten Quarzfaser

Bereich des Emissionsspektrums einer mit Seltenen Erden dotierten Quarzfaser

Merkmale von Hochleistungs-Faserlasern

Die Vorteile des Hochleistungs-Faserlasers sind folgende.

(1) Gute Strahlqualität.

Die Wellenleiterstruktur des Faserlasers erleichtert die Erzeugung von Single-Transversal-Mode-Leistung und wird nicht wesentlich durch äußere Faktoren beeinflusst, was zu einer hohen Helligkeit der Laserleistung führt.

(2) Hohe Effizienz.

Faserlaser können durch die Verwendung eines Halbleiterlasers, dessen Emissionswellenlänge mit den Absorptionseigenschaften dotierter Seltenerdelemente übereinstimmt, als Pumpquelle eine hohe optisch-optische Umwandlungseffizienz erreichen.

Für Ytterbium-dotierte Hochleistungs-Faserlaser werden in der Regel Halbleiterlaser mit 915 nm oder 975 nm gewählt.

Die einfache Energieniveaustruktur von Yb3+ führt zu wenigen Phänomenen wie Aufwärtskonversion, Absorption des angeregten Zustands und Konzentrationslöschung sowie zu einer langen Fluoreszenzlebensdauer, so dass es sich gut für die Energiespeicherung und den Betrieb mit hoher Leistung eignet.

Der elektro-optische Gesamtwirkungsgrad kommerzieller Faserlaser kann bis zu 25% betragen, was zur Kostensenkung, Energieeinsparung und zum Umweltschutz beiträgt.

(3) Gute Wärmeableitungseigenschaften.

Bei Faserlasern wird eine schlanke, mit seltenen Erden dotierte Faser als Verstärkungsmedium verwendet, die ein großes Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen aufweist. Dieses ist etwa 1000-mal größer als das von Festkörper-Blocklasern und bietet inhärente Vorteile in Bezug auf die Wärmeableitung.

Für Anwendungen mit geringer bis mittlerer Leistung ist eine spezielle Kühlung der optischen Faser nicht erforderlich. Bei hohen Leistungen kann die Wasserkühlung die durch thermische Effekte bei Festkörperlasern verursachte Verschlechterung der Strahlqualität und Effizienz wirksam abmildern.

(4) Kompakte Struktur und hohe Zuverlässigkeit.

Da der Faserlaser eine kleine und flexible Faser als Verstärkungsmedium verwendet, eignet er sich ideal zur Volumen- und Kostenreduzierung. Die Pumpquelle, ein Halbleiterlaser, hat ebenfalls eine kompakte Größe und lässt sich leicht modularisieren. Die meisten kommerziellen Produkte können mit einer Endlosfaser ausgegeben werden.

Durch die Integration von faseroptischen Bauteilen, wie z. B. Bragg-Gittern, kann durch die Verschmelzung dieser Bauteile ein rein optisches Fasersystem erreicht werden. Dies führt zu einer hohen Unempfindlichkeit gegenüber Umweltstörungen, einer hohen Stabilität und einer Verringerung der Wartungszeiten und -kosten.

Faserlaser mit hoher Leistung haben auch unüberwindbare Nachteile:

Erstens wird sie leicht durch nichtlineare Effekte eingeschränkt.

Die Wellenleiterstruktur des Faserlasers verleiht ihm eine große effektive Länge, was zu einer niedrigen Schwelle für verschiedene nichtlineare Effekte führt. Schädliche nichtlineare Effekte wie stimulierte Raman-Streuung (SRS) und Selbstphasenmodulation (SPM) können jedoch zu Phasenschwankungen, Energietransfer im Spektrum und sogar zur Beschädigung des Lasersystems führen, was die Weiterentwicklung von Hochleistungs-Faserlasern behindert.

Der zweite ist der Photonenverdunkelungseffekt.

Die hohe Dotierungskonzentration von Seltenen Erden in Faserlasern führt zu einem allmählichen und irreversiblen Rückgang der Leistungsumwandlungseffizienz aufgrund des Photonenverdunkelungseffekts bei längerer Pumpzeit. Dies schränkt die Langzeitstabilität und Lebensdauer von Hochleistungs-Faserlasern ein, insbesondere im Fall von Ytterbium-dotierten Hochleistungs-Faserlasern.

Die Fortschritte bei fasergekoppelten Halbleiterlasern mit hoher Helligkeit und der Doppelmantel-Fasertechnologie haben jedoch die Ausgangsleistung, die optische Umwandlungseffizienz und die Strahlqualität von Hochleistungs-Faserlasern erheblich verbessert.

Die enorme Nachfrage nach Hochleistungs-Faserlasern für die industrielle Verarbeitung, für gerichtete Energiewaffen, für die Telemetrie über große Entfernungen, für Lidar und andere Bereiche hat die Forschungsanstrengungen von Unternehmen wie IPG Photonics, Nufern, NLight und der Trumpf-Gruppe vorangetrieben und zur Entwicklung von Hochleistungs-Faserlasern mit kontinuierlicher Welle und Pulswelle und einer vielfältigen Produktpalette geführt.

Akademische Einrichtungen wie die Tsinghua University, die University of National Defense Science and Technology, das Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery, die Chinese Academy of Sciences und das Fourth Research Institute of China Aerospace Science and Industry Group haben ebenfalls interessante Ergebnisse auf diesem Gebiet erzielt.

Technologie zur Leistungssteigerung von Faserlasern

Die Beschränkungen durch nichtlineare Effekte, thermische Effekte und Materialschädigungsschwellen in Faserlasern führen zu einer begrenzten Ausgangsleistung für Einkanal-Faserlaser, wobei die Strahlqualität mit steigender Leistung abnimmt.

Um die Strahlqualität zu verbessern, ist es notwendig, die Modensteuerungstechnik einzusetzen und neue Fasern mit speziellen Strukturen zu entwickeln. J.W. Dawson und Kollegen führten eine theoretische Analyse der Leistungsgrenze einer einzelnen Faser durch. Die Berechnungen zeigen, dass ein breitbandiger Faserlaser eine Laserleistung nahe der Beugungsgrenze mit einer maximalen Leistung von 36 kW erreichen kann, während ein Faserlaser mit enger Linienbreite eine maximale Leistung von 2 kW erreichen kann.

Um die Ausgangsleistung von Faserlasern und Verstärkern weiter zu erhöhen, ist die Leistungssynthese von Mehrkanal-Faserlasern durch kohärente Synthesetechnologie eine effektive Methode. Dies ist in den letzten Jahren zu einem weithin erforschten Thema geworden.

Kohärentes Synthesesystem für Faserlaser

Kohärentes Synthesesystem für Faserlaser

Die Beschränkungen durch nichtlineare Effekte, thermische Effekte und Materialschädigungsschwellen in Faserlasern begrenzen die Ausgangsleistung von Einkanal-Faserlasern und führen zu einer Abnahme der Strahlqualität mit zunehmender Leistung.

Um die Strahlqualität zu verbessern, müssen die Modensteuerungstechnik und die Konstruktion spezieller Faserstrukturen eingesetzt werden. J.W. Dawson und seine Kollegen führten eine theoretische Analyse der Ausgangsleistungsgrenze einer einzelnen Faser durch. Die Ergebnisse zeigen, dass ein breitbandiger Faserlaser eine Laserleistung nahe der Beugungsgrenze mit einer maximalen Leistung von 36 kW erzeugen kann, während ein Faserlaser mit enger Linienbreite eine maximale Leistung von 2 kW erreichen kann.

Die Technologie der kohärenten Synthese, die eine Leistungssynthese mehrerer Faserlaser beinhaltet, ist eine effektive Methode zur Erhöhung der Ausgangsleistung von Faserlasern und -verstärkern. Dieser Ansatz ist in den letzten Jahren zu einem Thema von großem Forschungsinteresse geworden.

Neben den einzigartigen Vorteilen von Faserlasern und der Nachfrage nach 100-Kilowatt-Systemen haben verschiedene unterstützende Geräte wie faserverschweißte Konuskoppler, Multicore-Fasern, Phasenmodulatoren mit Pigtails und akustooptische Frequenzverschieber eine entscheidende Rolle bei der Kommerzialisierung der Glasfaserkommunikation gespielt.

Der faserverschweißte Konuskoppler und die Multicore-Fasern machen die passive Phasenkontrolle durch Kopplung der Laserenergieinjektion und evaneszente Wellenkopplung viel handhabbarer.

Der Phasenmodulator mit Pigtails und akusto-optischen Frequenzschiebern ermöglicht eine aktive Phasenkontrolle mit einer Regelbandbreite im Megahertz-Bereich, wodurch Phasenschwankungen unter Hochleistungsbedingungen kontrolliert und ein phasenstarrer Ausgang erreicht werden kann.

Forscher haben zahlreiche verschiedene kohärente Syntheseschemata vorgeschlagen, darunter die spektrale Synthesetechnologie, eine inkohärente Synthesetechnologie, bei der ein oder mehrere Beugungsgitter verwendet werden, um mehrere Teilstrahlen in dieselbe Apertur zu beugen und so eine einzige Apertur zu erhalten und die Strahlqualität zu verbessern.

Die spektrale Synthese von Faserlasern nutzt die große Verstärkungsbandbreite von Ytterbium-dotierten Faserlasern, um die Beschränkungen der Ausgangsleistung einzelner Faserlaser zu überwinden, was zu einer hohen Leistung und einem hohen Strahlvolumen führt. Qualitätslaser Ausgang. Dies ist eine der wichtigsten technischen Möglichkeiten für Hochleistungs-Faserlaser in der Zukunft.

Spektrales Kunstfaser-Lasersystem

Spektrales Kunstfaser-Lasersystem

Das Shanghai Institute of Optics and Mechanics hat in den letzten Jahren umfangreiche Forschungsarbeiten zu Hochleistungs-Faserlasern und zur Spektralsynthese durchgeführt und dabei bedeutende Durchbrüche bei der Gerätevorbereitung, den Schlüsseltechnologien und den Spektralsynthesesystemen erzielt.

Im Bereich der Faserverstärker mit geringer Linienbreite und hoher Leistung setzte das Institut 2016 selbst entwickelte Kernkomponenten wie Faser-Bragg-Gitter, Hochleistungs-Faserkombinatoren und optische Mantel-Filter ein. Die Grundlage dafür bildeten Schlüsseltechnologien wie die Kaskadenfilterung von Faser-Bragg-Gittern, die Kontrolle der Linienbreite, die Kontrolle der Parameter der Verstärkungsstufe und die Kontrolle der Fasermoden.

Mit diesem Durchbruch wurde die von der Forschergruppe an der Universität Jena (Deutschland) gemeldete Grenze für die Ausgangsleistung von Single-Mode-Lasern mit einer Linienbreite von weniger als 50 GHz überschritten. Das Institut konnte eine Faserlaserleistung nahe der Beugungsgrenze mit einer Leistung von 2,5 kW, einer Linienbreite von 0,18 nm (50 GHz) und einer Zentralwellenlänge von 1064,1 nm erzielen.

Der Laser verfügt über einen kompakten und stabilen optischen Faserkern und eine dreistufige Verstärkungsstruktur, was ihn sehr robust macht. Der Hauptverstärker nutzt eine nicht polarisationserhaltende 20 μm/400 μm-Faser, und eine Erhöhung der verfügbaren Pumpleistung könnte die Laserausgangsleistung weiter verbessern.

Was die Spektralsynthese anbelangt, so haben reflektierende Metallfilm-Beugungsgitter eine niedrige Zerstörungsschwelle und sind nicht in der Lage, der Bestrahlung mit Hochleistungslasern standzuhalten, was es schwierig macht, eine Hochleistungsspektralsynthese zu erreichen. Im August 2016 realisierte das Institut jedoch eine Spektralsynthese von 11,27 kW mit hoher Strahlqualität unter Verwendung von 7 Faserlasern mit schmaler Linienbreite und unkorrelierter Polarisationspolarisation (MLDG) mit hoher Zerstörschwelle und erzielte damit einen bedeutenden Fortschritt bei der Spektralsynthese von Hochleistungs-Faserlasern.

Typische Anwendungen von Hochleistungs-Faserlasern

Aufgrund ihrer guten Strahlqualität, ihrer hohen elektrooptischen Effizienz, ihrer kompakten Struktur und ihrer Zuverlässigkeit sind Faserlaser in einer Vielzahl von Bereichen wie der industriellen Verarbeitung, der medizinischen Behandlung, der Fernerkundung, der Sicherheit und der wissenschaftlichen Forschung hervorragend einsetzbar.

Im industriellen Bereich können Faserlaser anhand ihrer Ausgangsleistung in drei Kategorien eingeteilt werden:

Faserlaser mit geringer Leistung (< 50 Watt) werden hauptsächlich für die Mikrostrukturbearbeitung, die Laserbeschriftung, die Widerstandseinstellung und die Präzisionsbearbeitung eingesetzt. BohrenMetallgravur, usw.

Faserlaser mit mittlerer Leistung (50 bis 500 Watt) werden hauptsächlich zum Bohren, Schweißen, Schneiden und Oberflächenbehandlung aus dünnen Metallplatten.

Hochleistungs-Faserlaser (> 1000 Watt) werden hauptsächlich zum Schneiden dicker Metallplatten, zur Beschichtung von Metalloberflächen und zur dreidimensionalen Bearbeitung von Spezialplatten eingesetzt.

Faserlaser sind aufgrund ihrer guten Strahlqualität, hohen elektrooptischen Effizienz, kompakten Bauweise und Zuverlässigkeit in verschiedenen Bereichen wie der industriellen Verarbeitung, medizinischen Behandlung, Fernerkundung, Sicherheit und wissenschaftlichen Forschung hervorragend geeignet.

Im industriellen Bereich können Faserlaser anhand ihrer Ausgangsleistung in drei Kategorien eingeteilt werden:

Faserlaser mit geringer Leistung (< 50 Watt) werden hauptsächlich für die Mikrostrukturbearbeitung, die Lasermarkierung, die Widerstandseinstellung, das Präzisionsbohren, die Metallgravur usw. eingesetzt.

Faserlaser mittlerer Leistung (50 bis 500 Watt) werden vor allem zum Bohren, Schweißen, Schneiden und zur Oberflächenbehandlung dünner Metallplatten eingesetzt.

Hochleistungs-Faserlaser (> 1000 Watt) werden vor allem zum Schneiden von dicken Metallplatten, zur Oberflächenbeschichtung von Metallen und zur dreidimensionalen Bearbeitung von Spezialplatten eingesetzt, neben anderen Anwendungen.

Faserlaser sind aufgrund ihrer guten Strahlqualität, hohen elektrooptischen Effizienz, kompakten Bauweise und Zuverlässigkeit in verschiedenen Bereichen wie der industriellen Verarbeitung, medizinischen Behandlung, Fernerkundung, Sicherheit und wissenschaftlichen Forschung außerordentlich leistungsfähig.

Im industriellen Bereich können Faserlaser anhand ihrer Ausgangsleistung in drei Kategorien eingeteilt werden:

Faserlaser mit geringer Leistung (< 50 Watt) werden hauptsächlich für die Mikrostrukturbearbeitung, die Lasermarkierung, die Widerstandseinstellung, das Präzisionsbohren, die Metallgravur usw. eingesetzt.

Faserlaser mittlerer Leistung (50 bis 500 Watt) werden vor allem zum Bohren, Schweißen, Schneiden und zur Oberflächenbehandlung dünner Metallplatten eingesetzt.

Hochleistungs-Faserlaser (> 1000 Watt) werden vor allem zum Schneiden von dicken Metallplatten, zur Beschichtung von Metalloberflächen und zur dreidimensionalen Bearbeitung von Spezialplatten eingesetzt, neben anderen Anwendungen.

Im Vergleich zu anderen Lichtquellen trägt das geringere Volumen von Faserlasern zu einer hohen Mobilität auf Startplattformen bei und verbessert so die Anpassungsfähigkeit und Überlebensfähigkeit auf dem Schlachtfeld.

In Afghanistan wurde das Laser-Minenräumgerät "Zeus" der Firma Spata zur Minenräumung eingesetzt.

Seit 2009 setzt die US-Marine erfolgreich faseroptische Lasersysteme zur Zerstörung von UAVs, Granaten und kleinen Schiffen ein. Im Jahr 2014 wurde das System auf Kriegsschiffen installiert.

Im Jahr 2012 brachte der deutsche Rüstungskonzern Rheinmetall ein 50-kW-Doppelrohr-Lasersystem auf den Markt, das in einem Demonstrationsversuch erfolgreich Drohnen, Granaten und andere Ziele abfing und zerstörte.

Laser-Waffe

Die Laserwaffe ist ein sich rasch entwickelndes neues Waffenkonzept.

Er sendet hochenergetische Laser mit Lichtgeschwindigkeit auf die Oberfläche des Ziels und beschädigt dabei wichtige Geräte wie fotoelektrische Erkennung, Navigation und Lenkung oder macht das Ziel "blind und taub", brennt die Hülle des beweglichen Objekts durch, um es abzuschießen, oder bringt den Treibstoff zur Explosion, um es in der Luft zur Explosion zu bringen, und erfüllt damit die Aufgabe, in kurzer Zeit Schaden zu verursachen.

Die Vorteile liegen in der Energiekonzentration, der schnellen Übertragungsgeschwindigkeit und der wiederholbaren Anwendung sowie in der hohen Kosteneffizienz, der schnellen Feuerübertragung und der Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen.

Seit ihren Anfängen hat die Entwicklung von Laserwaffen einige Höhen und Tiefen erlebt. Allerdings ist die Reife der Festkörperlaser Technologien, wie z. B. Faserlaser, hat die Entwicklung von Laserwaffen neu belebt und ist zum Forschungsschwerpunkt der großen Militärmächte geworden.

Derzeit haben Länder wie die Vereinigten Staaten, Großbritannien, Russland, Deutschland und Indien mit der Entwicklung von Laserwaffen begonnen und entsprechende Tests durchgeführt.

Der Einsatz von Laserwaffen auf dem Schlachtfeld steht kurz bevor.

Um asymmetrische Bedrohungen wie UAVs und Tarnkappen-Angriffsboote zu bekämpfen und die Nahverteidigungsfähigkeiten der Schiffe zu verbessern, begann die US-Marine 2010 offiziell mit der Entwicklung des "Laser Weapon System" (LAWS). Das System wurde im September 2014 auf dem amphibischen Docktransportschiff "Ponce" für eine einjährige operative Erprobung und Bewertung eingesetzt.

LAWS wird von Raytheon geleitet, wobei Boeing und Lockheed Martin an bestimmten Aspekten der Arbeit beteiligt sind. Das System nutzt so weit wie möglich bestehende kommerzielle Technologien und Komponenten, um die Kosten für Forschung und Entwicklung sowie für die Beschaffung zu minimieren.

Der LAWS-Prototyp besteht aus sechs industriellen Faserlasern, die, wenn sie in Betrieb sind, ihre Laserstrahlen zu einem 30 kW-Laserstrahl kombinieren. Die Kosten für den Einsatz des Laserwaffensystems sind gering: Ein einziger Schuss kostet schätzungsweise nur $1, ganz im Gegensatz zu den Zehntausenden oder Hunderttausenden von Dollar pro Rakete.

Im Jahr 2016 begann das US Naval Research Bureau mit der Entwicklung eines neuen schiffsgestützten Hochenergie-Laserwaffensystems mit einer Ausgangsleistung von 150 kW, das fünfmal leistungsfähiger war als der zuvor getestete Prototyp des Rechtssystems. Das Projekt dauerte 12 Monate und kostete $53 Mio. USD für die Entwicklung des "Prototyps eines Laserwaffensystems zu Demonstrationszwecken" in drei Phasen: die erste Phase war der ursprüngliche Entwurf, die zweite Phase die Erprobung am Boden und die dritte Phase die Erprobung auf einem Testschiff der Marine zur Selbstverteidigung.

Im Jahr 2014 entwickelten die Chinesische Akademie für Technische Physik und das Shanghaier Institut für Optik und Mechanik gemeinsam das System "Low Altitude Guard". Im Rahmen des Demonstrations- und Verifikationsexperiments wurden mehr als 30 Kleinflugzeuge, darunter Starrflügler, Multirotoren und Hubschrauber, mit einer Erfolgsquote von 100% erfolgreich abgeschossen. Das System hatte eine Abschussleistung von fast 10.000 Watt und einen effektiven Schutzbereich von 12 Quadratkilometern für niedrige Flughöhen. Es konnte eine Vielzahl von Flugzeugen, einschließlich Starrflüglern, innerhalb eines 2-Kilometer-Radius und eines 360-Grad-Luftraums bis auf 5 Meter genau abfangen. Das System war schnell, präzise und frei von Kollateralschäden.

Im Jahr 2015 setzte Lockheed Martin eine 30-kW-Laserwaffe namens Athena ein, um einen Lastwagen aus einer Entfernung von einer Meile zu zerstören. Im März 2017 gab das Unternehmen den Abschluss seiner Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an einem 60-kW-Laserwaffensystem und dessen Lieferung an die Kommandozentrale der US-Armee in Alaska bekannt. Der Cheftechnologe des Unternehmens erklärte, dass die erfolgreichen Tests uns der Entwicklung tragbarer Laserwaffensysteme näher bringen, die auf Militärflugzeugen, Hubschraubern, Schiffen und Lastwagen eingesetzt werden können. Die Forschung hat gezeigt, dass der Hochenergie-Richtlaser jetzt kompakt, leicht und zuverlässig genug ist, um zur Verteidigung auf Boden-, See- und Luftplattformen eingesetzt zu werden.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung der Lasertechnologie zeigt, dass die Faserlasertechnologie die zukünftige Richtung für Hochleistungslaser mit hoher Helligkeit ist. Die Kombination von Wellenleiter-Fasertechnologie und Halbleiterlaser-Pumptechnologie führt zur Entwicklung von Hochleistungs-Faserlasern, die den dringenden Bedarf an leistungsstarken und hocheffizienten Lasern in der modernen Laserfertigung und der militärischen Verteidigung decken können.

Diese Technologie ist von großer strategischer Bedeutung sowohl für die Volkswirtschaft als auch für die Sicherheit. Darüber hinaus haben Hochleistungs-Faserlaser ein immenses Anwendungspotenzial in verschiedenen Bereichen wie der Energieforschung, wissenschaftlichen Großgeräten, Weltraumforschung, Umweltwissenschaften und mehr. Sie werden den Menschen als mächtiges Werkzeug dienen, um die Welt zu verstehen und zu gestalten.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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