Green Laser System száloptikás lézereinek működési alapjai

Green Laser System száloptikás lézereinek működési alapjai

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.

1. ábra Optikai szál felépítése

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.

2. ábra Egyszerű szállézer vázlatos rajza

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.

AdalékanyagHordozó közegLézer hullámhossz (nm)Pumpálási hullámhossz (nm)
Yb3+kvarcüveg1030-1100900-980
Er3+kvarc-, foszfát- és fluorid üveg1500-1600, 27001480, 1980
Nd3+kvarc-, foszfátüveg1064-1088, 900-950, 1320-1350808
Tm3+kvarc-, germánium és fluorid üveg1900-2100, 1450-1530, 480, 800793
Pr3+kvarc- és fluoridüveg1300, 635, 600, 520650
Ho3+kvarc-és cirkónium- fluorid üveg2100, 29001064

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.

3. ábra Optikai szál gerjesztése pumpa lézerdiódákkal a teljesítménynövelés érdekében
4. ábra Köpenyen keresztül való pumpálás

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.

5. ábra Egyszerű nagy teljesítményű száloptikás MOPA elrendezés

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.