Bevezetés

A fényvezetőszál-lézerek, röviden szál-lézerek [fiber lasers] a szilárdtest-lézerek egyik csoportjába tartoznak, ahol a fényerősítés egy optikai szálban történik. A lézerműködést biztosító aktív anyag általában a szálban található, az adalékanyag többnyire valamilyen ritkaföldfém, például erbium (Er) vagy itterbium (Yb). Gyakran a szál-lézerek közé sorolják a diódalézerből és fényvezető szálas rezonátorból álló lézereket is (lásd MOPA). A szál-lézereknél az aktív közeg egy optikai szál, amelynek hossza jellemzően 10 cm-től akár néhány száz méterig, az átmérője pedig néhány µm-től a néhány száz µm-ig terjedhet. A rendkívül nagy abszorpciója és erősítési hossza miatt hatékony pumpálás (lásd később) és nagy erősítés érhető el. A kis keresztmetszet és a nagy hossz miatt fellépő veszteséggel járó folyamatok és az optikai roncsolódás korlátozzák a maximális kijövő teljesítményt. A különböző optikai elemek optikai szálba való integrálásával a levegőben való nyalábvezetés akár teljesen kiküszöbölhető és nagy stabilitású, megbízhatóan működő, kompakt lézerek építhetők. A fényvezető szálban való lézererősítés elvének kidolgozása és az első szál-lézer megépítése Snitzer és munkatársai nevéhez fűződik, az 1960-as évek elején, nem sokkal az első lézer megépítése után. A szál-lézerek technológiája az 1980-as évek közepétől indult igazán gyors fejlődésnek. A fő hajtóerő az optikai kommunikáció volt. A telekommunikációs alkalmazások mellett az utóbbi 10-15 évben a fejlődés fő irányát az egyre nagyobb teljesítmények, illetve a rövid (ps-fs) impulzushosszak és egyre nagyobb teljesítmények elérése vette át, amelyek új alkalmazási területeket nyitottak meg. A nagy, akár 10 kW-ot is elérő teljesítményű, Yb aktív anyagú szál-lézerek kompakt, hatékonyabb, rugalmasabb nyalábvezetésű és gyakran olcsóbb alternatívát jelentenek a más lézerekkel szemben, ezért egyre szélesebb körben alkalmazzák anyagmegmunkálásra (fémek, műanyagok, kerámiák, üvegek hegesztése, vágása, fúrása, marása, stb.).

A lézerek működésének fizikai alapjai

A lézerekben is lejátszódik az a folyamat, amely minden fénykeletkezésnél: az anyagot alkotó elemi részecskék (atomok, molekulák, elektronok) gerjesztődnek, vagyis magasabb energiájú állapotba juttatnak; majd az energiadúsabb állapot visszatér az alapállapotba fénykibocsátás közben. Ezen kívül a lézerekben egy másik jelenség is található: a kényszerített fotonkibocsátással (indukált emisszióval) létrehozott fényerősítést. Az angol betűszó (LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) jelentése is ezt a folyamatot írja le: fényerősítés a sugárzás indukált kibocsátásával.

Egy gerjesztett részecske a következőképpen adhatja le energiáját fénykibocsátás közben: teljesen véletlenszerűen, mint ahogy az a hagyományos fényforrásokban történik (ezt nevezik spontán emissziónak), vagy egy külső hatás jelenlétére (ez az indukált emisszió). Ez utóbbi esetben a keletkező sugárzás az eredetivel azonos ütemben rezgő (azonos fázisú) lesz, tehát erősíti azt. Az indukált és spontán emisszió minden egyes sugárzási folyamatban jelen van, de általában a spontán emisszió dominál. Ahhoz, hogy az indukált emisszió is jelentős legyen, sok gerjesztett atomot kell létrehozni. Egy lézer beindításához azt az állapotot kell létrehozni, ahol sok a gerjesztett atom és kevés az alapállapotban lévő (populációinverzió). Az inverzió (megfordítás) kifejezés arra utal, hogy a környezetükkel hőmérsékleti egyensúlyban lévő atomi rendszerekben mindig jóval több az alapállapotú atom, mint a gerjesztett, s a lézerműködéshez épp ennek a természetes eloszlásnak a megfordítására, azaz inverziójára van szükség. Az inverziós állapotba juttatott közeg alkotja a lézer fényerősítő (aktív) anyagát, amely egyes esetekben már önmagában is elegendő erős, koherens, kis divergenciájú, monokromatikus sugárzás, azaz lézerfény előállítására. A veszteségek miatt azonban szükség van az erősítés hatásfokának növelésére. Ilyenkor visszacsatolásra van szükség, ahol a fotonok többször is áthaladnak az erősítő közegen tükrök közbeiktatásával. A két tükör között ide-oda haladó fény az aktív anyag fényerősítő hatására egyre erősebbé válik. Ha az egyik tükröt 100%-osnál kisebb visszaverő képességűre készítik, akkor a felerősödött fény egy része minden fordulóban kijuthat lézernyalábként. Ezt a módszert nevezik optikai kicsatolásnak. Ha a kicsatolás mértéke kicsiny, folytonos működés hozható létre. Ha egyszerre veszik ki a lézerben felhalmozott fényenergiát, jóval erősebb fény nyerhető, de a folyamatos fénykibocsátás egy időre megszűnik, ami szakaszos fényfelvillanásokat eredményez. Így működnek az impulzusüzemű lézerek, amelyekből a fény periodikusan egymást követő, különálló impulzusokban jut ki.

A lézerfény legfontosabb tulajdonságai

A lézernyalábot egyedülálló tulajdonságai teszik hasznossá és alkalmazhatóság szempontjából jóval sokszínűbb. A négy legfontosabb tulajdonság a monokromatikusság, a térbeli és időbeli koherencia, fényesség és irányítottság. A monokromatikusságnak, vagyis az egyszínűségnek köszönhető, hogy a lézerek adott hullámhosszon (egyszínű fény) tudjuk használni. Az irányítottságot a lézernyaláb divergenciájával jellemezzük. Ennek lehet egy minimális értéke. Kis divergenciájú nyalábok kisebb foltra fókuszálhatók. Ha a lézerek fényességéről, vagyis a teljesítményéről beszélünk, akkor határozottan meg kell különböztetnünk a folytonos üzemű és az impulzusüzemű lézereket.

A lézerfény lehet folytonos (CW) és impulzus üzemű. Ez utóbbi esetben a lézerimpulzus hosszát és ismétlődési frekvenciáját is ismernünk kell. A folytonos üzemű lézerek közül a kisnyomású gázlézerek (pl. He-Ne) teljesítménye gyakran a mW-ot sem éri el, a nagynyomású CO₂ lézerek és a Nd: YAG lézerek folytonos teljesítménye 10 kW is lehet. Az impulzusüzemű lézerek csúcsteljesítménye erősen függ az impulzusidők hosszától. Egy  adott átlagteljesítmény mellett a csúcsteljesítmény akkor nagyobb, ha az impulzusidő rövidebb. Egy ps (= 10^-12 s) impulzusidő esetén a csúcsteljesítmény akár a 10¹⁴ W-ot is elérheti.  A nagy teljesítmény és jól fókuszálhatóság együttesen különösen nagy teljesítménysűrűséget jelent. Ha például egy 1 kW-os lézernyalábot egy 10 µm²-es foltra fókuszálunk, akkor az 10¹⁴ W/m² teljesítménysűrűséget jelent, amely a Nap felszínén mérhető értéket hat nagyságrenddel meghaladja.

A lézersugár lehet polarizált (poláros) és polarizálatlan is. Az alkalmazások jelentős része poláros lézernyalábot követel meg.

Optikai szálak

Az optikai szálak legtöbbször hengerszimmetrikus testek, központi részük a mag (core). Az optikai szálak működése a teljes visszaverődésen alapulnak. A teljes visszaverődés jelenségének teljesüléséhez a mag törésmutatójának minden körülmény között nagyobbnak kell lennie, mint az őt körülvevő köpeny (cladding) törésmutatújának. A mag feladata a fény vezetése, a köpeny szerepe a fény kilépésének megakadályozása. A köpenyre lágy és szilárd burkolat is felvihető, annak megfelelően, hogy milyen körülmények között, milyen feladatra használjuk az optikai szálat. Az egyes részek átmérője az alkalmazástól függően változhat.

Szállézerek alapjai

A szál-lézerek felépítését vázlatosan a 2. ábra mutatja. Az aktív elem, ami az erősítést végzi egy adalékanyagot tartalmazó maggal rendelkező optikai szál.

Az adalékanyag a leggyakrabban valamilyen ritkaföldfém, pl. erbium (Er), neodímium (Nd), itterbium (Yb), holmium (Ho), túlium (Tm), vagy prazeodímium (Pr), amely meghatározza a lehetséges pumpálási és működési hullámhosszakat és egyéb paramétereket.

Adalékanyag	Hordozó közeg	Lézer hullámhossz (nm)	Pumpálási hullámhossz (nm)
Yb3+	kvarcüveg	1030-1100	900-980
Er3+	kvarc-, foszfát- és fluorid üveg	1500-1600, 2700	1480, 1980
Nd3+	kvarc-, foszfátüveg	1064-1088, 900-950, 1320-1350	808
Tm3+	kvarc-, germánium és fluorid üveg	1900-2100, 1450-1530, 480, 800	793
Pr3+	kvarc- és fluoridüveg	1300, 635, 600, 520	650
Ho3+	kvarc-és cirkónium- fluorid üveg	2100, 2900	1064

A pumpálást általában egy vagy több lézerdióda biztosítja. A legegyszerűbb esetben a pumpáló fényt az optikai szál magjába csatolják be a szál numerikus apertúrájához illesztett nyalábvezetéssel, amelyet egy lencse biztosít. A pumpáló fényt áthalad egy ún. dikroikus tükrön keresztül, ami áteresztő a pumpáló fény számára, de a lézerfényt reflektálja. Az optikai szál másik végén lévő tükör részben áteresztő, a kimenő lézernyaláb kicsatolása azon keresztül történik. A dikroikus és a kicsatoló tükör alkotják a lézer rezonátorát. A kicsatolt lézernyalábot lencse kollimálja, hogy a lézernyalábot alkalmazható legyen. Az optikai szál általában hajlékony, így azt feltekerve akár nagyobb rezonátorhossz is elhelyezhető igen kis helyen.

Nagyteljesítményű szállézerek

A nagy, akár 10 kW-ot is elérő, nagy teljesítményű szál-lézerek kifejlesztését több technológiai tényező tette lehetővé. Főleg az Yb aktív anyagú szál-lézerek alkalmasak nagy teljesítmények elérésére folytonos- és impulzusüzemben egyaránt. A megfelelő aktív anyagon kívül fontos tényezők a nagyteljesítményű pumpáló lézerdiódák, valamint az ún. kettős köpenyű optikai szálak [double-clad fiber] alkalmazása. Ez utóbbi tette lehetővé a köpenyen keresztül való pumpálást [cladding pumping], amellyel jelentősen megnövekedett az erősítés mértéke. ezáltal a kimenő teljesítmény.

MOPA

Nagy teljesítményű szállézerek eléréséhez a száloptikás MOPA elrendezés ajánlott. Ebben a konfigurációban található egy kis teljesítményű lézerforrás (seed laser), amelyet egy vagy több körben lehet erősíteni. Az erősítés az optikai szálban történik, oly módon, hogy a szálba több lézerdióda fényét vezetjük egy combiner segítségével. Ezt a folyamatot nevezzük pumpálásnak, a lézer diódákat pedig pumpa diódáknak.  A pumpa rész után az erősítő optikai szálban folyamatosan nő a teljesítmény a gerjesztés miatt. Ezt a folyamatot többször is el lehet végezni, akkor beszélünk több körös erősítésről / pumpálásról.

A forrást adó lézer, az aktív erősítő szál és a pumpa diódák paramétereinek választása, függ attól, hogy mekkora teljesítményt akarunk kinyerni a rendszerből, milyen hullámhosszal szeretnénk dolgozni. Ezeken kívül egyéb optikai eszközök is kerülnek a rendszerbe, melyek paraméterei szintén a kívánt végeredménytől függnek.