Fiber lazer

Fiber lazer, içerisinde doğada nadir bulunan iterbiyum, neodimyum, disprozyum, praseodim ve tulyum gibi elementler barındıran lazer türüdür. Bu elementler devamlı olmayarak ışık yükseltmeyi sağlayan katkılı fiber yükselticilerle alakalıdırlar. Raman saçması veya dört dalga karışımı da bu şekilde fiber lazere güç sağlamaktadırlar. == Kolaylıklar ve Uygulamalar == Fiber lazerin avantajları şunlardır : * Işık, esnek bir fiberin üzerinde katlanır: Işık her zaman fiberin üzerindedir ve fiber, ışığın kolaylıkla odaktaki elemente taşınmasını sağlar. Bu özellik metalleri veya polimerleri kesmede, katlamada ve kaynatmada önemli bir role sahiptir. * Yüksek üretim gücü: Fiber lazerler kilometreler boyunca aktif olma yeteneğine sahiptirler ve bu da optiksel açıdan büyük ölçüde güç sağlar. Ayrıca bu lazerler fiberin yüzey alanının hacmine oranından kilowatt düzeyinde devamlı çıkış gücü sağlarlar bu da etkili bir soğutmayı meydana getirir. * Yüksek optik kalitesi: Fiberin dalga kılavuzu ışığın yolundaki termal bozulmayı yüksek enerjili optin ışını oluşturarak azaltır veya tamamen uzaklaştırır. *Kompakt boyutları: Fiber lazerler, katıhal lazerleriyle veya gaz lazerleriyle kıyaslanır çünkü fiber lazerler katlanıp bükülme özelliğiyle daha fazla yer kaplama özelliğine sahiptir. * Güvenilirlik: Fiber lazerler yüksek titreşim kararlılığı gösterirler, uzatılmış ömürleri vardır ve bakım gerektirmezler. * Zirve gücü ve nanosaniye titreşimleri etkili işlem özelliği katar. * İlave gücü ve daha iyi ışın kalitesi hızlı kesme özelliği ve daha şekilli kesme özelliği sağlar. * Düşük maliyetlidir. * Fiber lazerler yüksek enerjili yüzey akustik dalgası (SAW) cihazları yapımında kullanılıyor. * Fiber lazerler, eskiden kullanılan katı hal lazerlerine oranla daha düşük maliyet ve daha fazla verim sağlamaktadırlar. Bunun yanı sıra fiber lazerler, içerisinde fiber yankılayıcı bulunduran makineler olarak da tanımlanabilirler. Fiber lazer uygulamalarının bir diğerleri ise malzeme işleme, iletişim, spektroskobi, sağlık ve enerjili silahlardır. ==Tasarım ve Üretimi == Diğer lazer türlerinden hariç olarak, fiber lazerlerdeki lazer boşluğu fiber lazerlerin füzyon birleşmesinden monolitik olarak meydana gelmiştir ; fiber Bragg ızgaraları konveksiyonel dielektrik aynaları optiksel bilgi akışı sağlaması için değiştirmiştir. Tek boylamasına çalışan çok dar dağılmış geri bildirim lazerleri Bragg ızgaralarında güç kazancı sağlarlar.Fiber lazerler yarı iletken lazer diyotlardan ve diğer fiber lazerler tarafından pompalanırlar.Q-değişim atımlı fiber lazerler Nd:YAG teknolojisine kompakt, elektriksel etkili alternatif sağlar. ===Çift Sarmallı Fiberler === Birçok yüksek enerjili fiber lazerler çift sarmallı yapıdadırlar. İki katmanla örtülü çekirdek, fiber kazanç sağlamaktadır. Sürekli modu çekirdek içinde güç üretirken çok modlu ışın pompası içini kaplayan tabakada enerji üretir. [[Dosya:RectaDFC.png|küçükresim|Çift=== Sarmallı Fiber: Dışarı kaplaması ise bu pompaya ışığı hapseder. Bu düzenleme öncesine göre çekirdeği pompalanması yönünden yüksek enerjiye maruz bırakır, diğer türlü bu işlem içerisinde gerçekleşirdi ve ışık pompasını düşük parlaklıkla yüksek sinyalli parlaklığa dönüştürür. Sonuç olarak fiber lazerler ve yükselticiler ara sıra parlaklık dönüştürücüleri olarak da tanımlanırlar. Ayrıca çift sarmallı fiberler hakkında bir soru vardır ; dairesel simetrili fiber kötü bir dizayna sahiptir.[3][4][5][6][7][8] Bu dizayn birkaç modu destekleyen (yahut en fazla bir) çekirdeği yeterince küçük tutmak için yapılmalıdır. Bu, çekirdeği yeterince sınırlamak için ve optiksel pompa kesimi, fiberin küçük bir kısmının üzerindedir. === Güç Yükseltimi === Fiber lazer teknolojisindeki son yenilikler hızlı ve geniş yükselen bir sınırlı kırılımlı ışın güçlerini, diot pompolı katıhal lazerlerinden üretmeyi başardı. Yüksek enerji ve yüksek parlaklık diotlarında olduğu gibi geniş mod alanlı (LMA) fiberlerin başlangıcından dolayı devamlı dalga ve tek enine modlu güçler 100W ' dan 20 kW' a arttı. Profesyonel tek modlu hazerler 10 kW'a CW gücünde ulaştı. 2014'te birleşik ışınlı fiber lazerler 30 kW'a örnek gösterildi. === Mod Kilitleme === Ana konu : Mode-Locking ==== Pasif Mod Kilitleme ==== ==== Doğrusal Olmayan Polarizasyon Rotasyonu ==== Doğrusal polarizeli ışık, çift kesişimli fibere zayıf bir şekilde bağlandığı zaman ışığın kutuplaşması fiberin içinde genellikle eliptik bir şekil alır. Işık kutuplaşmasının yönü ve eliptik şekli fiberin şeklinden ve çift kesişimli olmasından açıklanır. Fakat, eğer ışığın yoğunluğu yüksekse, doğrusal olmayan optiksel ve ışık kutuplaşmasında fazla şans açığa çıkaran Kerr etkisi fiberim içinde göz önüne alınmak zorundadır. Işık yoğunluğuna bağlı olan optiksel Kerr etkisi polarizasyonu değiştirdiğinde, eğer kutuplaştırıcı fiberin arkasındaysa,polarlaştırıcı boyunca olan ışık yoğunluğunu bağımsız hale getirir.Uygun olarak seçilmiş polarlaştırıcının yönelimi boyunca ve fiberin uzunluğunca, yapay doyurucu soğurucu etkisi ışığın yüksek yoğunluğuyla daha az soğurarak daha kısa bir sürece cevap vermektedir. === Yarıiletken Doyurulabilir Soğurma Gösteren Aynalar (SESAM) === Yarıiletken doyurulabilir soğurucular 1974'ten önce (p-type germenyum CO2 kilitleyici lazer olarak kullanılırken) mod kilitleyici lazer olarak kullanılırlardı. Modern SESAM III-V yarıiletken tek kuantum kuyusu (SQW) ya da çoklu kuantum kuyuları dağıtılmış Bragg yansıtıcılarının içinde büyümüştür. (DBRs)Bunlar ilk olarak Rezonans titreşim Mod kilitleyici şeması olarak (RPM) mekanizmanın başında KLM'yi hız doyurucu soğurucu olarak Ti:Safir lazerler için kullanılmıştır.RPM ise çift yarık diye bilinen mod kilitleme tekniğidir. Rezonan özelliğine sahip olmayan Kerr-type evresine yetki veren APM lazerlerinden farklı olarak, RPM büyük doğrusal olmayarak rezonans bandının yarıiletkenleri doldurduğu etkilerle çalışır.SESAM'lar çukur içinde bulunan doyurulabilir soğurucu cihazlardır çünkü kendinde bu cihazla birlikte sadelik bulunur. Bundan dolayı, SESAM'ların kullanımı titreşim zamanlarında, ortalama güçte, titreşim enerjisinde, çok hızlı katıhal lazerlerinin tekrarlama oranlarında birkaç büyüklüğe yükseltilmiştir.Ortalama güç olarak 60 W ve tekrarlama derecesi olarak da 160 GHz saptanmıştı. SESAM destekli KLM kullanarak, sub-6fs titreşimli, Ti:Safir 'den oluşan osilatör üretilmiştir. Diğer doyurulabilir soğurucu teknikli SESAM'ların en büyük avantajı ise soğurma parametreleri geniş bir türde olsa da kolaylıkla kontrol altına alınabilir. Örnek verecek olursak ; hafifletme derinliği ve kurtulma zamanı soğurucu katmanlar için düşük sıcaklık koşulları tarafından ve doyurma akıcılığı baş reflektörün çeşitlerinden dolayı kontrol altına alınabilir. Bu dizaynın özgürlüğü SESAM'ların fiber lazerlerin mod kilitleme içinde ömrünü artırmaktadır. Fiber lazerler yaklaşık ~ 1 µm ve 1.5 µm de başarılı olarak çalışırlar. ==== Karbon Nanotüpü Doymalı Soğurucular ==== ====Grafen Doymalı Soğurucular ==== Grafen tek atom kalınlığı düzeyinde sp2 düzeyinde yoğun miktarda petek şeklinde kristal kafeste paketlenmiştir. Grafen tarafından optiksel soğurma, ışık giriş yoğunluğu eşik değerinin üstünde olduğu zamanlarda doyma miktarında olabilir.Bu doğrusal olmayan ışık davranışı, doymalı soğurma ve eşik değeri, doyma akıcılığı olarak tanımlanır. Grafen, görünür bölge ışığında, kolaylıkla güçlü çıkış ortamında ; sıfır bant boşluğu ve evrensel optiksel soğurma seviyesinde soğurulabilir. Bu, fiber lazerlerin mod kilitlemesiyle bant genişliği tonlanabilirliğinin grafen tarafından doyurulabilir soğurucu olarak kullanıldığı yerlerle alakalıdır. Özel durumundan dolayı, grafen ultrahızlı foton biliminde geniş uygulama alanına sahiptir.[19][20][21] Buna ek olarak, SWCNT'lerle kıyaslarsak, grafenin iki boyutlu yapıya sahip olmasından, doyurulmama kaybı daha az ve eşik değeri daha fazladır. Kendi kendine başlayan mod kilitleyici ve yüksek enerjiyle birlikte sabit titreşim emisyonu, grafen doymalı soğuruculu erbium katkılı içinde gerçekleştirilebilir. .[22][23][24] Atomik grafen katmanı, dalga hassassızlığı ve full-band olarak kullanılan ultra hızlı doyma hassassızlığına sahiptir.Erbium katkılı dağıtıcı solitan fiber lazer, birkaç katmanda mod kilitleyicidir, deneysel olarak da dağıtıcı solitonların sabit dalga boyu tonunda 30 nm (1570-1600 nm) olarak saptandığı kanıtlanmıştır. ====Aktif Mod Kilitleme==== Aktif mod kilitleme normal olarak lazer boşluğunun kaybından (veya kazancından), boşluk frekansına eşit olan derecede düzenlenmesiyle ya da harmonik nedenle düzenlenmesiyle gerçekleştirilir. Pratikte, modülatör,sesli- ışıksal veya elektro-ışıksal, Mach-Zehnder bütünleştirmeli optik modülatörler, ya da yarı iletken elektro-soğuruculudur. (EAM) Aktif mod kilitlemenin prensibi sinüs biçimli düzenleyiciyle birliktedir.Bu durumda, optiksel titreşimler, modülatörden oluşabilecek kaybı en aza getirirler.Titreşimin zirve noktası otomatik olarak , modülatörden oluşabilecek eş zamanlı kaybı düzenlemektedir. Sinüs biçimli düzenlemenin yavaş olmasından dolayı, ultra kısa darbeleri (< 1ps) üretmek bu metodu kullanarak pek kolay değildir.Sabit operasyonlarda titreşim uzunluğu kesinlikle modülatör sinyaliyle ya da onun birkaç katıyla eşleşmelidir. Bunu çözmek için en güçlü çözüm yöntemi canlandırılabilir mod kilitlemedir. Örnek olarak, dış sinyalin mod kilitlemiş parçalarından biri belirlenirse ; tur frekansı dedektör tarafından filtrelenerek lazer boşlığunda kaybı düzenleyen yükselticiye gönderilir. Bu prosedür, eğer boşluk uzunluğu akustik titremelerden veya termal patlamadan dolayı dalgalanma sağlıyorsa senkronize olmaya zorlar. Bu metodu kullanarak, yüksek stabil mod kilitleyiciler gerçekleştirilmiştir. Aktif mod kilitlemenin en büyük avantajı harici radyo frekans kaynağına(RF) mod kilitleyici lazeri senkronize etmesidir. Senkronizasyonun normal olarak optiksel sinyalle elektronik kontrol sinyali arasında gerekli olduğu yerlerde bu çok kullanışlıdır. Ayrıca, aktif mod kilitleyen fiber, pasif mod kilitleyenden daha çok tekrarlama oranı sağlayabilir.Şu anda, fiber lazerler ve yarı iletken diyot lazerler mod kilitlemenin kullanıldığı alanlardan en önemli iki lazer türüdür. ====Koyu Soliton Fiber Lazerler==== Mod kilitlemeyen özellikte, koyu soliton fiber lazer tüm normal erbiyum katkılı dağılan fiber lazerler içinde başarıyla gerçekleştirilen ilk türdür.Deneysel olarak parlak titreşim emisyonundan hariç olarak bulunan, uygun koşullar altında, fiber lazer tekli veya çoklu koyu titreşimleri atar.Sayısal verilere dayanarak, kotu titreşim biçimini lazerdeki koyu soliton şeklinin sonucu olarak açıklayabiliriz. ====Çoklu Dalgaboylu Fiber Lazerler==== Son zamanlarda, çok dalgaboylu dağıtıcı solitonlar tüm normal fiber lazer dağıtımlarında SESAM'la birlikte pasif olarak mod kilitlemişlerdir. Boşluk çift kırılmasına dayanarak, sabit tek-, çift- ve üçlü dalgaboyu dağıtıcı soliton lazerde oluşturulduğu bulunmuştur.Jenerasyon mekanizması, dağıtıcı solitonun doğasını takip etmektedir. ====Fiber Disk Lazerler==== küçükresim|Fiber lazer diskler Bir diğer fiber lazer türü ise fiber disk lazerlerdir. Bu lazerlerde, pompa fiberin kaplayan kısmının içinde birleşmemiştir fakat pompa yerine, ışık çekirdeğe dağıtılmıştır çünkü çekirdek ip gibi kendi üstüne sarılmıştır.Bu düzenleme güç artırma için pompaların çok olduğu yerde bobinin dış sınır çevresinde kullanılır.[27][28][29][30]Fiber disk lazerler geleneksel lazerlerle kıyaslanacak olursa geri yansıtmalara karşı istisnai bir korumaya sahiptir. Fiber disk lazerler kaynak için ve kesme işlemi için 1000 watt güç gerektiren yerlerde kullanılabilirler. ==Ayrıca bakınız== Figür-8 Lazer ==Kaynakça== A. Liu; K. Ueda (1996). "The absorption characteristics of circular, offset, and rectangular double-clad fibers". Optics Communications 132 (5–6): 511–518. Popov, S. (2009). "7: Fiber laser overview and medical applications". In Duarte, F. J. Tunable Laser Applications (2nd ed.). New York: CRC.S. Bedo; W. Luthy; H. P. Weber (1993). "The effective absorption coefficient in double-clad fibers". Optics Communications 99 (5–6): 331–335. Patel, A.; Lincoln, B.; Stone, D. (April 1, 2013). "Specialty Fiber: Fiber lasers lower cost of making SAW's". Laser Focus World 49 (4): 59. Retrieved June 18, 2013.Kouznetsov, D.; Moloney, J.V. (2003). "Efficiency of pump absorption in double-clad fiber amplifiers. 2: Broken circular symmetry". JOSAB 39 (6): 1259–1263.Kouznetsov, D.; Moloney, J.V. (2003). "Efficiency of pump absorption in double-clad fiber amplifiers.3:Calculation of modes". JOSAB 19 (6): 1304–1309. Bibcode:2002JOSAB..19.1304K. doi:10.1364/JOSAB.19.001304. Leproux, P.; S. Fevrier; V. Doya; P. Roy; D. Pagnoux (2003). "Modeling and optimization of double-clad fiber amplifiers using chaotic propagation of pump". Optical Fiber Technology 7 (4): 324–339. Bibcode:2001OptFT...7..324L. doi:10.1006/ofte.2001.0361.D.Kouznetsov; J.Moloney (2004). "Boundary behaviour of modes of a Dirichlet Laplacian". Journal of Modern Optics 51 (13): 1362–3044. Bibcode:2004JMOp...51.1955K. doi:10.1080/09500340408232504."IPG Photonics offers world's first 10 kW single-mode production laser". June 17, 2009. Retrieved March 4, 2012."Many lasers become one in Lockheed Martin's 30 kW fiber laser". Gizmag.com. Retrieved 2014-02-04.H. Zhang et al, “Induced solitons formed by cross polarization coupling in a birefringent cavity fiber laser”, Opt. Lett., 33, 2317–2319.(2008).D.Y. Tang et al, “Observation of high-order polarization-locked vector solitons in a fiber laser”, Physical Review Letters, 101, 153904 (2008)."BATOP GmbH - Welcome". Batop.com. 2013-05-25. Retrieved 2014-02-04.H. Zhang et al, “Coherent energy exchange between components of a vector soliton in fiber lasers”, Optics Express, 16,12618–12623 (2008).H. Zhang et al, “Multi-wavelength dissipative soliton operation of an erbium-doped fiber laser”, Optics Express, Vol. 17, Issue 2, pp.12692-12697L.M. Zhao et al, “Polarization rotation locking of vector solitons in a fiber ring laser”, Optics Express, 16,10053–10058 (2008).Z. Sun, T. Hasan, F. Torrisi, D. Popa, G. Privitera, F. Wang, F. Bonaccorso, D. M. Basko and A. C. Ferrari, ACS Nano,"Graphene Mode-Locked Ultrafast Laser" doi:10.1021/nn901703eZ. Sun, D. Popa, T. Hasan, F. Torrisi, F. Wang, E. Kelleher, J. Travers, V. Nicolosi and A. Ferrari, Nano Research,"A stable, wideband tunable, near transform-limited, graphene-mode-locked, ultrafast laser" doi:10.1007/s12274-010-0026-4Qiaoliang Bao, Han Zhang, Yu Wang, Zhenhua Ni, Yongli Yan, Ze Xiang Shen, Kian Ping Loh,and Ding Yuan Tang, Advanced Functional Materials,"Atomic layer graphene as saturable absorber for ultrafast pulsed lasers"H. Zhang, D. Y. Tang, L. M. Zhao, Q. L. Bao, K. P. Loh. "Large energy mode locking of an erbium-doped fiber laser with atomic layer graphene" (PDF). Optics Express 17: P17630. arXiv:0909.5536. Bibcode:2009OExpr..1717630Z. doi:10.1364/OE.17.017630.F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan and A. C. Ferrari, Nature Photonics,"Graphene photonics and optoelectronics" doi:10.1038/nphoton.2010.186Han Zhang,Qiaoliang Bao,Dingyuan Tang,Luming Zhao,and Kianping Loh. "Large energy soliton erbium-doped ﬁber laser with a graphene-polymer composite mode locker" (PDF). Applied Physics Letters 95: P141103. arXiv:0909.5540. Bibcode:2009ApPhL..95n1103Z. doi:10.1063/1.3244206."Nanotechnology Spotlight Articles – Category , page 1". Nanowerk. Retrieved 2014-02-04.Zhang, H. et al., (2010). "Graphene mode locked, wavelength-tunable, dissipative soliton fiber laser" (PDF). Applied Physics Letters 96 (11): 111112. arXiv:1003.0154. Bibcode:2010ApPhL..96k1112Z. doi:10.1063/1.3367743.Han Zhang, Dingyuan Tang, Luming Zhao and Wu Xuan,“Dark pulse emission of a fiber laser" PHYSICAL REVIEW A 80, 045803 2009K. Ueda (1999). "Scaling physics of disk-type fiber lasers for kW output" (PDF). Lasers and Electro-Optics Society 2: 788–789. doi:10.1109/leos.1999.811970.Ueda; Sekiguchi H.; Matsuoka Y.; Miyajima H.; H.Kan (1999). "Conceptual design of kW-class fiber-embedded disk and tube lasers". Lasers and Electro-Optics Society 1999 12th Annual Meeting. LEOS '99. IEEE 2: 217–218. doi:10.1109/CLEOPR.1999.811381. ISBN 0-7803-5661-6.Hamamatsu Photonics K.K. Laser group (2006). "The Fiber Disk Laser explained". Nature Photonics. sample: 14–15. doi:10.1038/nphoton.2006.6. Lazer Kategori:Lazer türleri