Cum funcționează un laser cu fibră. Laser cu fibră, avantajele sale
Studiul problemei tăierii cu laser a metalelor trebuie să înceapă cu luarea în considerare a fundamentelor fizice ale laserului. Deoarece în continuare în această lucrare toate studiile privind acuratețea tăierii cu laser a materialelor din foi subțiri vor fi efectuate pe un complex laser folosind un laser cu fibră de itterbiu, vom lua în considerare dispozitivul laserelor cu fibră.
Un laser este un dispozitiv care convertește energia pompei (luminoasă, electrică, termică, chimică etc.) în energia unui flux de radiație coerent, monocromatic, polarizat și direcționat îngust.
Laserele cu fibră au fost dezvoltate relativ recent, în anii 1980. În prezent se cunosc modele de lasere tehnologice cu fibră cu o putere de până la 20 kW. Compoziția lor spectrală este în intervalul de la 1 la 2 µm. Utilizarea unor astfel de lasere face posibilă furnizarea de diferite caracteristici temporale ale radiației.
Recent, laserele cu fibră au înlocuit în mod activ laserele tradiționale din domenii de aplicare a tehnologiei laser, cum ar fi, de exemplu, tăierea și sudarea cu laser a metalelor, marcarea și tratarea suprafețelor, imprimarea și imprimarea cu laser de mare viteză. Ele sunt utilizate în telemetre laser și locatoare 3D, echipamente de telecomunicații, dispozitive medicale etc.
Principalele tipuri de lasere cu fibră sunt laserele cw monomod, inclusiv cele cu polarizare unică și cele cu o singură frecvență; lasere cu fibră pulsată care funcționează în moduri Q-switched, modul blocat și modulație arbitrară; lasere cu fibre reglabile; lasere cu fibre superluminiscente; lasere cu fibră multimode cw de mare putere.
Principiul de funcționare al laserului se bazează pe transmiterea luminii de la o fotodiodă de-a lungul unei fibre lungi. Un laser cu fibră constă dintr-un modul de pompă (de obicei LED-uri de bandă largă sau diode laser), o fibră optică în care are loc generarea și un rezonator. Ghidul de lumină conține o substanță activă (o fibră optică dopată - un miez fără înveliș, spre deosebire de ghidurile de undă optice convenționale) și ghidurile de undă pompă. Designul rezonatorului este determinat de obicei de termenii de referință, dar pot fi distinse cele mai comune clase: rezonatoare Fabry-Perot și rezonatoare inelare. În instalațiile industriale, pentru a crește puterea de ieșire, mai multe lasere sunt uneori combinate într-o singură instalație. Pe fig. 1.2 prezintă o diagramă simplificată a unui dispozitiv laser cu fibră.
Orez. 1.2. Schema tipică a unui laser cu fibră.
1 - fibre active; 2 - oglinzi Bragg; 3 - unitate de pompare.
Materialul principal pentru fibra optică activă este cuarțul. Transparența ridicată a cuarțului este asigurată de stările saturate ale nivelurilor energetice ale atomilor. Impuritățile introduse prin dopaj transformă cuarțul într-un mediu absorbant. Prin reglarea puterii radiației pompei, într-un astfel de mediu este posibil să se creeze o stare inversă a populațiilor nivelurilor de energie (adică nivelurile de energie înaltă vor fi umplute mai mult decât cel principal). Pe baza cerințelor pentru frecvența de rezonanță (gama infraroșu pentru telecomunicații) și puterea de prag scăzută a pompei, de regulă, dopajul se efectuează cu elemente de pământuri rare din grupul lantanidelor. Unul dintre tipurile obișnuite de fibre este erbiul, utilizat în sistemele laser și de amplificare, al cărui domeniu de operare se află în intervalul de lungimi de undă de 1530-1565 nm. Datorită probabilității diferite de tranziții la nivelul solului de la subnivelurile nivelului metastabil, eficiența generării sau amplificării diferă pentru diferite lungimi de undă din domeniul de operare. Gradul de dopaj cu ioni de pământuri rare depinde de obicei de lungimea fibrei active care se produce. În intervalul de până la câteva zeci de metri, poate varia de la zeci la mii de ppm, iar în cazul lungimii de kilometri, 1 ppm sau mai puțin.
Oglinzile Bragg - un reflector Bragg distribuit - este o structură stratificată în care indicele de refracție al materialului se modifică periodic într-o direcție spațială (perpendiculară pe straturi).
Există diferite modele pentru pomparea ghidurilor de undă optice, dintre care modelele cu fibre pure sunt cele mai frecvent utilizate. O opțiune este plasarea fibrei active în interiorul mai multor învelișuri, dintre care cea exterioară este de protecție (așa-numita fibră dublu acoperită). Prima carcasă este realizată din cuarț pur cu un diametru de câteva sute de micrometri, iar a doua este realizată dintr-un material polimeric, al cărui indice de refracție este ales să fie semnificativ mai mic decât cel al cuarțului. Astfel, prima și a doua placare creează un ghid de undă multimodal cu o secțiune transversală mare și o deschidere numerică în care este lansată radiația pompei. Pe fig. Figura 1.3 prezintă pomparea unui laser bazat pe o fibră dublu acoperită.
Orez. 1.3. Schema de pompare a unui laser bazată pe o fibră dublu acoperită.
Avantajele laserelor cu fibră includ în mod tradițional un raport semnificativ dintre suprafața rezonatorului și volumul său, care oferă răcire de înaltă calitate, stabilitate termică a siliciului și dimensiuni mici ale dispozitivelor în clase similare de putere și cerințe de calitate. Fasciculul laser, de regulă, trebuie să fie condus într-o fibră optică pentru utilizarea ulterioară în tehnologie. Pentru laserele cu un design diferit, acest lucru necesită sisteme optice speciale de colimare și face ca dispozitivele să fie sensibile la vibrații. În laserele cu fibră, radiația este generată direct în fibră și are o calitate optică ridicată. Dezavantajele acestui tip de lasere sunt riscul unor efecte neliniare datorita densitatii mari de radiatii in fibra si energiei de iesire relativ scazuta pe impuls, datorita volumului mic al substantei active.
Laserele cu fibră pierd în fața laserelor cu stare solidă în aplicațiile în care este necesară o stabilitate ridicată a polarizării, iar utilizarea fibrei care menține polarizarea este dificilă din diverse motive. Laserele cu stare solidă nu pot fi înlocuite cu lasere cu fibră în intervalul spectral de 0,7-1,0 µm. Ele au, de asemenea, mai mult potențial de creștere a puterii de ieșire a impulsurilor în comparație cu fibra. Cu toate acestea, laserele cu fibră arată rezultate bune la lungimi de undă în care medii active sau oglinzi suficient de bune pentru laserele de alte modele nu există și permit implementarea unor scheme laser, cum ar fi conversia ascendentă, cu mai puțină complexitate.
Prin optimizarea unei fibre optice monomod pentru utilizarea în laserele cu fibră, a fost atinsă o putere de ieșire extrem de scalabilă de 4,3 kW și au fost identificate domenii cheie pentru cercetări ulterioare în dezvoltarea aplicațiilor pentru lasere ultrarapide.
Una dintre problemele urgente în dezvoltarea tehnologiilor laser este creșterea puterii laserelor cu fibră, care deja au „recuperat” cota de piață de la laserele cu CO 2 de mare putere, precum și laserele cu stare solidă în vrac. În prezent, marii producători de lasere cu fibră acordă o atenție deosebită dezvoltării de noi aplicații, având în vedere perspectiva unei pătrunderi în continuare pe piață. Dintre laserele de mare putere de pe piață, sistemele single-mode sunt echipate cu o serie de caracteristici care le fac cele mai căutate - au cea mai mare luminozitate de radiație, pot fi focalizate la câțiva microni, ceea ce le face mai potrivite. pentru prelucrarea materialului fără contact. Producția unor astfel de sisteme este destul de complexă. IPG Photonics (Oxford, MA) a propus dezvoltarea unui sistem monomod de 10 kW, dar informațiile despre caracteristicile fasciculului nu sunt disponibile și date, în special, despre orice posibile componente de radiație multimode care pot exista împreună cu un semnal monomod, de asemenea, nu sunt prezentate.
Oamenii de știință germani de la Universitatea Friedrich Schiller și Institutul Fraunhofer pentru Optică Aplicată și Inginerie de Precizie, cu sprijin financiar din partea guvernului german și în colaborare cu TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Institutul Leibniz pentru Tehnologia Fotonică, au analizat problemele de scalare ale astfel de lasere și au dezvoltat noi fibre pentru a depăși limitările de putere. Echipa a finalizat cu succes o serie de teste care demonstrează un semnal de ieșire monomod de 4,3 kW în care puterea de ieșire a laserului cu fibră a fost limitată doar de puterea semnalului pompei.
Factori care limitează puterea de ieșire a unui laser cu fibră monomod
Principalele sarcini care necesită un studiu atent includ următoarele: a) pompare îmbunătățită; b) dezvoltarea unei fibre active cu pierderi optice reduse, care funcționează numai într-un mod monomod; c) măsurarea mai precisă a radiaţiei primite. Să presupunem că problema pompei îmbunătățite poate fi rezolvată cu ajutorul diodelor laser superbright și a metodelor corespunzătoare de pompare și, prin urmare, în acest articol, le vom considera pe celelalte două mai detaliat.
Ca parte a proiectării fibrei active pentru funcționarea monomod de mare putere, au fost alese două seturi de parametri de optimizare: dopaj și geometrie. Toți parametrii trebuie să fie bine definiți pentru a obține cea mai mică pierdere, modul unic și câștig ridicat. Un amplificator ideal cu fibră ar trebui să ofere un raport de conversie ridicat de peste 90%, o calitate excelentă a fasciculului și o putere de ieșire limitată doar de puterea disponibilă a pompei. Cu toate acestea, modernizarea unui sistem monomod la puteri mai mari poate duce la o densitate de putere mai mare în miezul fibrei în sine, o sarcină termică crescută și o serie de efecte optice neliniare, cum ar fi împrăștierea Raman stimulată (SRS) și împrăștierea Brillouin stimulată. (SBS).
Modurile transversale pot fi amplificate în funcție de dimensiunea miezului fibrei. Cu cât secțiunea activă a fibrei este mai mică, cu atât este mai mic numărul de astfel de moduri - pentru un raport dat între secțiunile fibrei și înveliș. Cu toate acestea, un diametru mai mic determină și o densitate de putere mai mare, iar atunci când fibra este îndoită, de exemplu, se adaugă și pierderi pentru moduri mai mari. Cu toate acestea, cu un diametru mare al miezului fibrei și sub încărcare termică, pot apărea și alte moduri de radiație. Astfel de moduri sunt supuse interacțiunii între ele în timpul amplificării și, prin urmare, fără condiții optime de propagare, profilul radiației de ieșire poate deveni instabil spațial sau temporal.
Instabilitatea modului transversal
Fibrele dopate cu yterbiu (Yb) sunt mediul de lucru tipic pentru laserele cu fibră monomod de mare putere, dar dincolo de un anumit prag arată un efect complet nou, așa-numitul efect de instabilitate în mod transversal (TMI). La un anumit nivel de putere, pot apărea brusc moduri mai mari sau chiar moduri înveliș. Energia este redistribuită dinamic între ele, iar calitatea fasciculului se deteriorează. Apare o fluctuație a radiației de ieșire (fasciul începe să oscileze). Efectul TMI a fost observat într-o varietate de modele de fibre, de la fibre cu indice de refracție înclinate la fibre cu cristal fotonic. Valoarea sa de prag depinde de geometrie și dopaj, dar o estimare aproximativă indică faptul că acest efect apare la o putere de ieșire care depășește 1 kW. În timpul studiului, a fost dezvăluită dependența TMI de fotodimming, relația sa cu efectele termice din interiorul fibrei. Mai mult decât atât, susceptibilitatea laserelor cu fibră la TMI depinde și de conținutul modal al nucleului.
Geometria fibrei cu un indice de refracție a pasului oferă spațiu pentru optimizare. Pentru pompare, pot fi selectate următoarele: diametrul fibrei, dimensiunea învelișului fibrei pompei și alți indici de refracție ai fibrei și ai placajului. Toate aceste setări depind de concentrația de dopant, adică concentrația de ioni Yb poate fi utilizată pentru a controla lungimea regiunii de absorbție a pompei în fibra activă. Alți aditivi pot fi adăugați în fibră pentru a reduce efectele termice și pentru a controla indicele de refracție. Cu toate acestea, există unele contradicții. Pentru a reduce efectele neliniare, fibra trebuie să fie mai scurtă, iar pentru a reduce sarcina termică, fibra trebuie să fie mai lungă. Fotoîntunecarea este proporțională cu concentrația de dopanți, astfel încât fibrele mai lungi cu concentrație mai mică de dopanți vor fi cu siguranță mai bune. O idee despre unii parametri poate fi obținută în timpul experimentului. Comportamentul termic, de exemplu, poate fi modelat, dar destul de dificil de prezis, deoarece fotoobscurarea este mică prin definiție și nu poate fi măsurată fizic în testele accelerate. Prin urmare, măsurătorile directe ale comportamentului termic în fibre pot fi utile pentru planificarea experimentelor. Pentru o fibră activă tipică, sarcina termică măsurată (obținută din măsurători de temperatură distribuite simultan în interiorul amplificatorului cu fibre) și sarcina termică simulată sunt prezentate în comparație (Figura 1).
Figura 1. Sarcina termică măsurată a fibrei active în comparație cu sarcina simulată cu și fără pierderi suplimentare
Un alt parametru important pentru proiectarea fibrei este lungimea de undă de tăiere, adică cea mai mare lungime de undă care crește numărul de moduri din fibră. Peste această lungime de undă, modurile de nivel superior nu sunt acceptate.
Testarea noilor fibre pentru puterea de kilowați
În timpul experimentului, au fost studiate două tipuri de fibre dopate cu Yb. Fibră nr. 1 cu diametrul miezului de 30 microni cu aliaj suplimentar cu fosfor și aluminiu. Fibra nr. 2 cu un diametru mai mic - 23 um, a fost mai puțin dopată, dar conținea mai mult iterbiu pentru a obține un coeficient de profil mai mare în comparație cu fibra nr. 1 (Tabelul 1).
Tabelul 1. Parametrii fibrelor testate
Lungimea de undă de tăiere calculată este situată în jurul valorii de 1275 nm și 1100 nm pentru fibrele 1 și, respectiv, 2. Aceasta este mult mai aproape de radiația monomod decât o fibră tipică cu un diametru al miezului de 20 μm și o deschidere numerică (NA) de 0,06, care are o lungime de undă de tăiere de ~1450 nm. Ca rezultat, lungimea de undă a laserului amplificată a fost centrată la 1067 nm.
Ambele fibre au fost testate într-un circuit de pompă de mare putere (Fig. 2). Laserul cu diodă de pompă și semnalul inițial au fost conectate în spațiu liber într-o fibră cu capete și conectori sudate, care au fost spălate cu apă pentru răcire. Sursa de radiație a fost un laser cu diodă cu cavitate externă modulată în fază (ECDL), al cărui semnal a fost preamplificat pentru a obține o putere a semnalului de intrare de până la 10 W la o lungime de undă de 1067 nm și o lățime spectrală de 180 μm.
Figura 2. Configurație experimentală a amplificatorului de mare putere utilizată pentru testul amplificatorului cu fibră, unde fibra a fost pompată la 976 nm în direcția de contrapropagare
În timpul testării primei fibre, au fost observate fluctuații bruște la o scară de milisecunde la un prag de 2,8 kW, care pot fi atribuite TMI. A doua fibră, de 30 m lungime, la aceeași lungime de undă și lățime spectrală, a fost pompată la o putere de ieșire de 3,5 kW, limitată deja de SBS, și nu de TMI.
În al treilea experiment, spectrul emițătorului laser a fost modificat pentru a crește pragul SBS al fibrei prin lărgirea spectrului (mai mare decât în experimentul anterior). Pentru a face acest lucru, al doilea laser cu diodă cu o lungime de undă centrală de 300 μm a fost combinat cu primul. Această interferență a dus la fluctuații temporale, ceea ce a făcut posibilă creșterea puterii semnalului datorită modulării autofază. În același amplificator principal ca și înainte, s-au obținut valori foarte apropiate ale puterii de ieșire la o eficiență de 90%, dar acestea au putut fi crescute doar la 4,3 kW fără TMI (Tabelul 2).
Tabelul 2. Rezultatul testului de fibre
Sarcini de măsurare
Măsurarea tuturor parametrilor unui laser cu fibră de mare putere este una dintre sarcinile principale și necesită echipamente speciale pentru a le rezolva. Pentru a obține o caracterizare completă a fibrei, s-au determinat concentrația de dopant, profilele indicelui de refracție și atenuarea miezului fibrei. De exemplu, măsurarea pierderii miezului pentru diferite diametre de îndoire este un parametru important de corelat cu pragul TMI.
Figura 3. a) Urmărirea intensității fotodiodei la testarea semnalului de ieșire folosind fibra 1, sub și peste pragul TMI. b) Abaterea standard normalizată a urmelor fotodiodei la diferite puteri de ieșire
În timpul testării amplificatorului cu fibră, pragul TMI este determinat folosind o fotodiodă prin eliminarea unei mici fracțiuni din putere. Debutul fluctuațiilor de putere s-a dovedit a fi destul de ascuțit și semnificativ (Fig. 3), schimbarea semnalului a fost deosebit de semnificativă la testarea fibrei 1, dar nu a fost detectată la testarea fibrei 2 la un nivel de putere de 4,3 kW. Dependența corespunzătoare este prezentată în Figura 4a.
Figura 4. a) Panta eficienței Fibrei 2 până la o putere de ieșire de 4,3 kW. b) Spectru optic cu o putere de ieșire de 3,5 kW cu un raport de 75 dB de la semnalul de ieșire la ASE. Lățimea spectrală de 180 µm cu putere de ieșire de 4,3 kW extinsă la o lățime de bandă de 7 nm
Măsurătorile calității fasciculului reprezintă partea cea mai complexă a caracterizării laserului cu fibre și merită o discuție separată. Pe scurt, atenuarea fără căldură este esențială și poate fi realizată folosind reflexii Fresnel sau optici cu pierderi reduse. În experimentele prezentate în această recenzie, atenuarea a fost introdusă folosind plăci de tip pană și pompare în impulsuri pe o scară de timp care depășește timpul de debut al TMI.
Aplicații în știința cu creștere rapidă
După o pauză de zece ani, dezvoltarea unei noi generații de lasere cu fibră monomod de mare putere din clasa kilowați, cu o calitate excelentă a fasciculului, pare destul de realistă. O putere de ieșire de 4,3 kW, limitată doar de puterea pompei, a fost deja atinsă, au fost identificate principalele limitări pe calea dezvoltării ulterioare, iar modalitățile de depășire a acestora sunt clare.
O putere de aproape 1 kW a fost deja atinsă pe o singură fibră atunci când este amplificată cu impulsuri laser ultrarapide, așa că o creștere la 5 kW este destul de posibilă datorită unei combinații de metode. Datorită faptului că sistemele sunt dezvoltate pentru centrele de cercetare, de exemplu, pentru ELI (Praga, Republica Cehă) - pentru sisteme industriale, rămâne o sarcină dificilă dezvoltarea în continuare a unor mijloace fiabile de transmisie a semnalului optic.
Munca depusă a identificat o serie de perspective interesante. Pe de o parte, acesta este transferul rezultatelor către producție, în ciuda faptului că sunt încă necesare eforturi mari în această direcție, iar pe de altă parte, tehnologia este extrem de importantă pentru creșterea parametrilor altor sisteme laser cu fibră optică, de exemplu, pentru amplificatoarele cu fibre femtosecunde.
Sursă de la http://www.lightwaveonline.com
Studiul problemei tăierii cu laser a metalelor trebuie să înceapă cu luarea în considerare a fundamentelor fizice ale laserului. Deoarece în continuare în această lucrare toate studiile privind acuratețea tăierii cu laser a materialelor din foi subțiri vor fi efectuate pe un complex laser folosind un laser cu fibră de itterbiu, vom lua în considerare dispozitivul laserelor cu fibră.
Un laser este un dispozitiv care convertește energia pompei (luminoasă, electrică, termică, chimică etc.) în energia unui flux de radiație coerent, monocromatic, polarizat și direcționat îngust.
Laserele cu fibră au fost dezvoltate relativ recent, în anii 1980. În prezent se cunosc modele de lasere tehnologice cu fibră cu o putere de până la 20 kW. Compoziția lor spectrală este în intervalul de la 1 la 2 µm. Utilizarea unor astfel de lasere face posibilă furnizarea de diferite caracteristici temporale ale radiației.
Recent, laserele cu fibră au înlocuit în mod activ laserele tradiționale din domenii de aplicare a tehnologiei laser, cum ar fi, de exemplu, tăierea și sudarea cu laser a metalelor, marcarea și tratarea suprafețelor, imprimarea și imprimarea cu laser de mare viteză. Ele sunt utilizate în telemetre laser și locatoare 3D, echipamente de telecomunicații, dispozitive medicale etc.
Principalele tipuri de lasere cu fibră sunt laserele cw monomod, inclusiv cele cu polarizare unică și cele cu o singură frecvență; lasere cu fibră pulsată care funcționează în moduri Q-switched, modul blocat și modulație arbitrară; lasere cu fibre reglabile; lasere cu fibre superluminiscente; lasere cu fibră multimode cw de mare putere.
Principiul de funcționare al laserului se bazează pe transmiterea luminii de la o fotodiodă de-a lungul unei fibre lungi. Un laser cu fibră constă dintr-un modul de pompă (de obicei LED-uri de bandă largă sau diode laser), o fibră optică în care are loc generarea și un rezonator. Ghidul de lumină conține o substanță activă (o fibră optică dopată - un miez fără înveliș, spre deosebire de ghidurile de undă optice convenționale) și ghidurile de undă pompă. Designul rezonatorului este determinat de obicei de termenii de referință, dar pot fi distinse cele mai comune clase: rezonatoare Fabry-Perot și rezonatoare inelare. În instalațiile industriale, pentru a crește puterea de ieșire, mai multe lasere sunt uneori combinate într-o singură instalație. Pe fig. 1.2 prezintă o diagramă simplificată a unui dispozitiv laser cu fibră.
Orez. 1.2. Schema tipică a unui laser cu fibră.
1 - fibre active; 2 - oglinzi Bragg; 3 - unitate de pompare.
Materialul principal pentru fibra optică activă este cuarțul. Transparența ridicată a cuarțului este asigurată de stările saturate ale nivelurilor energetice ale atomilor. Impuritățile introduse prin dopaj transformă cuarțul într-un mediu absorbant. Prin reglarea puterii radiației pompei, într-un astfel de mediu este posibil să se creeze o stare inversă a populațiilor nivelurilor de energie (adică nivelurile de energie înaltă vor fi umplute mai mult decât cel principal). Pe baza cerințelor pentru frecvența de rezonanță (gama infraroșu pentru telecomunicații) și puterea de prag scăzută a pompei, de regulă, dopajul se efectuează cu elemente de pământuri rare din grupul lantanidelor. Unul dintre tipurile obișnuite de fibre este erbiul, utilizat în sistemele laser și de amplificare, al cărui domeniu de operare se află în intervalul de lungimi de undă de 1530-1565 nm. Datorită probabilității diferite de tranziții la nivelul solului de la subnivelurile nivelului metastabil, eficiența generării sau amplificării diferă pentru diferite lungimi de undă din domeniul de operare. Gradul de dopaj cu ioni de pământuri rare depinde de obicei de lungimea fibrei active care se produce. În intervalul de până la câteva zeci de metri, poate varia de la zeci la mii de ppm, iar în cazul lungimii de kilometri, 1 ppm sau mai puțin.
Oglinzile Bragg - un reflector Bragg distribuit - este o structură stratificată în care indicele de refracție al materialului se modifică periodic într-o direcție spațială (perpendiculară pe straturi).
Există diferite modele pentru pomparea ghidurilor de undă optice, dintre care modelele cu fibre pure sunt cele mai frecvent utilizate. O opțiune este plasarea fibrei active în interiorul mai multor învelișuri, dintre care cea exterioară este de protecție (așa-numita fibră dublu acoperită). Prima carcasă este realizată din cuarț pur cu un diametru de câteva sute de micrometri, iar a doua este realizată dintr-un material polimeric, al cărui indice de refracție este ales să fie semnificativ mai mic decât cel al cuarțului. Astfel, prima și a doua placare creează un ghid de undă multimodal cu o secțiune transversală mare și o deschidere numerică în care este lansată radiația pompei. Pe fig. Figura 1.3 prezintă pomparea unui laser bazat pe o fibră dublu acoperită.
Orez. 1.3. Schema de pompare a unui laser bazată pe o fibră dublu acoperită.
Avantajele laserelor cu fibră includ în mod tradițional un raport semnificativ dintre suprafața rezonatorului și volumul său, care oferă răcire de înaltă calitate, stabilitate termică a siliciului și dimensiuni mici ale dispozitivelor în clase similare de putere și cerințe de calitate. Fasciculul laser, de regulă, trebuie să fie condus într-o fibră optică pentru utilizarea ulterioară în tehnologie. Pentru laserele cu un design diferit, acest lucru necesită sisteme optice speciale de colimare și face ca dispozitivele să fie sensibile la vibrații. În laserele cu fibră, radiația este generată direct în fibră și are o calitate optică ridicată. Dezavantajele acestui tip de lasere sunt riscul unor efecte neliniare datorita densitatii mari de radiatii in fibra si energiei de iesire relativ scazuta pe impuls, datorita volumului mic al substantei active.
Laserele cu fibră pierd în fața laserelor cu stare solidă în aplicațiile în care este necesară o stabilitate ridicată a polarizării, iar utilizarea fibrei care menține polarizarea este dificilă din diverse motive. Laserele cu stare solidă nu pot fi înlocuite cu lasere cu fibră în intervalul spectral de 0,7-1,0 µm. Ele au, de asemenea, mai mult potențial de creștere a puterii de ieșire a impulsurilor în comparație cu fibra. Cu toate acestea, laserele cu fibră arată rezultate bune la lungimi de undă în care medii active sau oglinzi suficient de bune pentru laserele de alte modele nu există și permit implementarea unor scheme laser, cum ar fi conversia ascendentă, cu mai puțină complexitate.
THOMAS SCRIBER, ANDREAS TÜNNERMANN și ANDREAS THOMS
Prin identificarea provocărilor laserelor cu fibră de mare putere și optimizarea fibrei optice, a fost atinsă o putere monomod de 4,3 kW, cu posibilă scalabilitate viitoare și noi aplicații laser ultra-rapide în dezvoltare.
Dacă există o tendință evidentă în tehnologia laser, aceasta este creșterea laserelor cu fibră. Laserele cu fibră au preluat cota de piață de la laserele cu CO2 de mare putere, precum și de la laserele cu stare solidă în vrac pentru tăiere și sudare de mare putere. Principalii producători de lasere cu fibră se îndreaptă acum către o serie de aplicații noi pentru a captura și mai multe piețe.
Dintre laserele de mare putere, sistemele monomod oferă caracteristicile care le fac dezirabile: au cea mai mare luminozitate și pot fi focalizate până la câțiva microni și la cele mai mari intensități. Ele arată, de asemenea, cea mai mare profunzime de focalizare, făcându-le cele mai potrivite pentru procesarea de la distanță.
Cu toate acestea, sunt dificil de fabricat și numai liderul de piață PHG Photonics (Oxford, MA) oferă un sistem monomod de 10 kW (2009).
Din păcate, nu există date cu privire la aceste caracteristici ale fasciculului, în special orice componente posibile cu mai multe moduri care s-ar putea potrivi cu un fascicul cu un singur mod.
O echipă de cercetători din Germania a demonstrat o putere monomod de 4,3 kW de la un laser cu fibră în care producția era limitată doar de puterea de intrare a pompei.
Finanțat de guvernul german și în colaborare cu TRUMPF (Ditzingen, Germania), Active Fiber Systems, Jenoptik și Institutul Leibniz pentru Tehnologia Fotonică, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Friedrich Schiller și Institutul Fraunhofer pentru Optică Aplicată și Inginerie de Precizie (toate din Jena, Germania) au analizat problemele pentru scalarea unor astfel de lasere și apoi au dezvoltat noi fibre pentru a depăși limitările. Echipa a finalizat cu succes o serie de teste care arată o putere monomod de 4,3 kW, în care puterea laserului cu fibră a fost limitată doar de puterea de intrare a pompei.
Efecte de izolare pentru scalarea laser cu fibre monomod
Care sunt provocările pentru un laser cu fibră monomod atât de mare de putere? Acestea pot fi grupate în trei domenii: a) pompare îmbunătățită, b) dezvoltarea fibrei active cu pierderi reduse care funcționează numai în modul unic și c) măsurarea corectă a radiației rezultate.
În acest articol, vom presupune că a) este rezolvat cu diode laser de înaltă luminozitate și tehnici adecvate de decuplare și ne vom concentra pe celelalte două domenii.
Ca parte a dezvoltării unei fibre active pentru modul unic de mare putere, pentru optimizare sunt utilizate două seturi generale de parametri: dopaj și geometrie. Toți parametrii trebuie definiți pentru pierderea minimă, modul unic și, în final, câștig ridicat. Un amplificator ideal cu fibră va oferi rate de conversie ridicate de peste 90%, calitate excelentă a fasciculului și putere de ieșire limitată doar de puterea disponibilă a pompei.
Cu toate acestea, extinderea unui sistem monomod la puteri mai mari poate duce la o densitate mai mare de putere în interiorul nucleului, o sarcină termică crescută și o serie de efecte optice neliniare, cum ar fi împrăștierea Raman stimulată (SRS) și împrăștierea Brillouin stimulată (SBS) .
În funcție de dimensiunea miezului activ, mai multe moduri transversale pot fi excitate și amplificate. Pentru un anumit pas de index între miez și înveliș, cu cât secțiunea transversală activă a celulei active este mai mică, cu atât este mai mic numărul de astfel de moduri. Cu toate acestea, diametrul mai mic înseamnă și o densitate de putere mai mare. Câteva trucuri, cum ar fi îndoirea fibrelor, adaugă pierderi pentru moduri mai mari.
Cu toate acestea, pentru diametre mari de miez și sub stres termic, pot apărea și alte moduri. Aceste moduri sunt supuse interacțiunii în timpul amplificării - fără condiții optime de propagare, profilul de ieșire poate deveni instabil spațial sau temporal.
Instabilitatea modului transversal
Fibrele dopate cu yterbiu (Yb) sunt un mediu de lucru tipic pentru laserele cu fibre monomod de mare putere. Dar dincolo de un anumit prag, ele arată un efect complet nou - așa-numitele instabilități în modul transversal (TMI).
La un anumit nivel de putere apar brusc moduri mai mari sau chiar moduri de placare, energia este transferată dinamic între aceste moduri, iar calitatea fasciculului scade.
Fasciculul începe să oscileze la ieșire.
De când a fost descoperit TMI, a fost observat într-o varietate de modele de fibre, de la fibre cu indice de pas până la fibre de cristal fotonic. Doar valoarea sa de prag depinde de geometrie și dopaj, dar o estimare aproximativă sugerează că acest efect depășește puterea de ieșire de 1 kW.
Între timp, s-a descoperit că efectul este legat de efectele termice din fibră, cu o relație puternică cu efectele de fotoîntunecare. Mai mult decât atât, susceptibilitatea laserelor cu fibră la TMI pare să depindă de compoziția nucleului.
Geometria indicelui pasului conduce la o serie de parametri de optimizare. Diametrul miezului, dimensiunea căptușelii pompei și indicele diferenței de refracție dintre miezul pompei și carcasa pompei pot fi personalizate. Această setare depinde de concentrația de dopant, adică concentrația de ioni Yb poate fi utilizată pentru a controla lungimea de absorbție a radiației pompei în fibra activă. Alți aditivi pot fi adăugați pentru a reduce efectele termice și pentru a controla treapta indicelui de refracție.
Dar există câteva afirmații contradictorii. Pentru a reduce efectele neliniare, fibra trebuie să fie mai scurtă. Cu toate acestea, pentru a reduce sarcina termică, fibra trebuie să fie mai lungă. Foto-întunecarea crește odată cu pătratul concentrației de dopant, astfel încât fibrele mai lungi cu dopaj mai scăzut vor fi și ele mai bune.
Aplicații în știința ultrarapidă
După aproximativ un deceniu de stagnare în domeniul scalării laserelor cu fibră monomod de mare putere, acum pare că merită să se dezvolte o nouă generație de lasere cu fibră de clasă kilowați, cu o calitate excelentă a fasciculului.
Sunt afișate puteri de ieșire de 4,3 kW, limitate doar de puterea pompei.
Au fost identificate principalele limitări pentru scalarea ulterioară și au fost identificate modalități de depășire a acestor limitări.
De remarcat că a fost un studiu amănunțit al tuturor efectelor cunoscute și optimizarea ulterioară a parametrilor care au condus la progrese în proiectarea fibrelor și, în final, la noi recorduri în puterea de ieșire.
Scalarea ulterioară și adaptarea fibrelor pentru alte aplicații pare fezabilă și vor fi vizate în continuare.
Acest lucru deschide o serie de perspective interesante.
Pe de o parte, transferul rezultatelor în produse industriale este de dorit de către partenerii de proiect, dar va necesita eforturi suplimentare majore de dezvoltare.
Pe de altă parte, această tehnologie este foarte importantă pentru scalarea altor sisteme laser cu fibră, cum ar fi amplificatoarele cu fibră femtosecundă.
REFERINȚE
- F. Beier și colab., „Putere de ieșire de 4,3 kW single-mode de la un amplificator de fibră dopat Yb pompat direct cu diode”, care urmează să fie publicat în Opt. expres.
- T. Eidam şi colab., Opt. Lett., 35, 94–96 (2010).
- M. Müller şi colab., Opt. Lett., 41, 3439–3442 (2016).
Un laser cu fibră este un laser cu o implementare completă sau parțială cu fibră optică, unde mediul de amplificare și, în unele cazuri, rezonatorul sunt realizate dintr-o fibră optică.
Un laser cu fibră este un laser cu o implementare totală sau parțială de fibră optică, de unde fibra optica A se realizează un mediu de amplificare și, în unele cazuri, un rezonator. În funcție de gradul de implementare a fibrei, laserul poate fi din fibre (mediu activ și rezonator) sau fibră discretă (rezonator doar cu fibre sau alte elemente).
Laserele cu fibră pot funcționa atât în impulsuri continue, cât și în impulsuri de nano și femtosecunde.
Proiecta laser depinde de natura muncii lor. Rezonatorul poate fi un sistem Fabry-Perot sau un rezonator inel. În majoritatea modelelor, o fibră optică dopată cu ioni de elemente de pământuri rare - tuliu, erbiu, neodim, itterbiu, praseodim - este utilizată ca mediu activ. Laserul este pompat de una sau mai multe diode laser direct în miezul fibrei sau, în sistemele de mare putere, în placa interioară.
Laserele cu fibră sunt utilizate pe scară largă datorită unei game largi de parametri, a capacității de a regla pulsul într-o gamă largă de durată, frecvență și putere.
Puterea laserelor cu fibră este de la 1 W la 30 kW. Lungimea fibrei optice este de până la 20 m.
Aplicații ale laserelor cu fibră:
– tăiere metale și polimeri în producția industrială,
– taiere de precizie,
– microprelucrare metaleși polimeri
– Tratament de suprafață,
– lipire,
– tratament termic,
– etichetarea produselor,
– telecomunicații (linii de comunicații cu fibră optică),
– producție de electronice,
– producerea de dispozitive medicale,
– instrumentare științifică.
Avantajele laserelor cu fibră:
– laserele cu fibră sunt un instrument unic care deschide o nouă eră în prelucrarea materialelor,
– portabilitatea și alegerea lungimii de undă a laserelor cu fibră permit noi aplicații eficiente care nu sunt disponibile pentru alte tipuri de lasere existente în prezent,
– sunt superioare altor tipuri de lasere în aproape toți parametrii esențiali importanți din punctul de vedere al utilizării lor industriale,
– posibilitatea de a seta pulsul într-o gamă largă de durate, frecvențe și puteri,
- capacitatea de a seta o secvență de impulsuri scurte cu frecvența necesară și puterea de vârf mare, care este necesară, de exemplu, pentru gravarea cu laser;
– o gamă largă de opțiuni.
Comparația diferitelor tipuri de lasere:
Parametru | Necesar pentru uz industrial | CO2 | Lampă YAG-Nd pompată | Dioda YAG-Nd pompată | Laser cu diode | |
Putere de iesire, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
Lungime de undă, µm | cât mai puțin posibil | 10,6 | 1,064 | 1.064 sau 1.03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
Eficiență, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
Distanța de livrare a radiației prin fibră | 10…300 | dispărut | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
Stabilitatea puterii de ieșire | cât mai sus posibil | scăzut | scăzut | scăzut | înalt | foarte inalt |
Sensibilitate la reflexia spatelui | cât mai jos posibil | înalt | înalt | înalt | scăzut | scăzut |
Suprafata ocupata, mp | cât mai puțin posibil | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
Cost de instalare, rel. | cât mai puțin posibil | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
Costul operațiunii, rel.un. | cât mai puțin posibil | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
Costul serviciului, rel. | cât mai puțin posibil | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
Frecvența de înlocuire a lămpilor sau a diodelor laser, ore. | cat mai mult posibil | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus laser cu fibră de iterbiu pulsat 50w 100kw cumpărare producător
lasere cu fibră în stare solidă
placaj de tăiere a metalelor uimitor cernark gravare cu laser fibre moduri de gravare adâncă
dispozitiv laser cu fibră de iterbiu
mașină cu fibră vand laser
principiul de funcționare producția de fryazino 1,65 microni tehnologie itterbiu preț de cumpărare ipg hp 1 optic pentru tăierea metalului gravare în impulsuri principiul de funcționare mașină optică putere aplicație bricolaj dispozitiv schemă lungime de undă producător de sudare taie valurile
Rata cererii 902