Изследването на проблема с лазерното рязане на метали трябва да започне с разглеждане на физическите принципи на работа на лазера. Тъй като по-нататък в работата всички изследвания на точността на лазерното рязане на тънколистови материали ще се извършват върху лазерен комплекс с помощта на лазер с итербиеви влакна, ще разгледаме дизайна на влакнести лазери.
Лазерът е устройство, което преобразува енергията на помпата (светлинна, електрическа, топлинна, химическа и т.н.) в енергията на кохерентен, монохроматичен, поляризиран и силно насочен радиационен поток.
Влакнестите лазери са разработени сравнително наскоро, през 80-те години на миналия век. В момента са известни модели на фибротехнологични лазери с мощност до 20 kW. Техният спектрален състав варира от 1 до 2 μm. Използването на такива лазери позволява да се осигурят различни времеви характеристики на излъчването.
Напоследък влакнестите лазери активно заменят традиционните лазери в такива области на приложение на лазерната технология, като например лазерно рязане и заваряване на метали, маркиране и повърхностна обработка, печат и високоскоростен лазерен печат. Използват се в лазерни далекомери и триизмерни локатори, телекомуникационно оборудване, медицински инсталации и др.
Основните типове оптични лазери са едномодови лазери с непрекъсната вълна, включително лазери с една поляризация и едночестотни лазери; импулсни влакнести лазери, работещи в режими на Q-превключване, заключване на режима и произволна модулация; регулируеми оптични лазери; суперлуминесцентни лазери с влакна; високомощни непрекъснати многомодови оптични лазери.
Принципът на работа на лазера се основава на предаване на светлина от фотодиод през дълго влакно. Влакнестият лазер се състои от помпен модул (обикновено широколентови светодиоди или лазерни диоди), светлинен водач, в който възниква генерация, и резонатор. Световодът съдържа активно вещество (легирано оптично влакно - сърцевина без обвивка, за разлика от конвенционалните оптични вълноводи) и вълноводи на помпата. Дизайнът на резонатора обикновено се определя от техническите спецификации, но най-често срещаните класове могат да бъдат разграничени: резонатори тип Фабри-Перо и пръстеновидни резонатори. В индустриалните инсталации няколко лазера понякога се комбинират в една инсталация, за да се увеличи изходната мощност. На фиг. Фигура 1.2 показва опростена диаграма на оптично лазерно устройство.
Ориз. 1.2. Типична оптична лазерна верига.
1 - активно влакно; 2 - Браг огледала; 3 - помпен блок.
Основният материал за активното оптично влакно е кварцът. Високата прозрачност на кварца се осигурява от наситените състояния на енергийните нива на атомите. Примесите, въведени чрез допинг, превръщат кварца в абсорбираща среда. Чрез избиране на мощността на излъчване на помпата в такава среда е възможно да се създаде обратно състояние на популация на енергийни нива (тоест високоенергийните нива ще бъдат по-запълнени от нивото на земята). Въз основа на изискванията за резонансна честота (инфрачервен обхват за телекомуникации) и нископрагова мощност на помпата, като правило, допингът се извършва с редкоземни елементи от групата на лантаноидите. Един от често срещаните видове влакна е ербиевият, използван в лазерни и усилвателни системи, чийто работен обхват е в диапазона на дължината на вълната 1530-1565 nm. Поради различната вероятност за преминаване към основното ниво от поднивата на метастабилното ниво, ефективността на генериране или усилване е различна за различните дължини на вълните в работния диапазон. Степента на допиране с редкоземни йони обикновено зависи от дължината на активното влакно, което се произвежда. В диапазон до няколко десетки метра може да варира от десетки до хиляди ppm, а при километрични дължини - 1 ppm или по-малко.
Bragg огледала - разпределен Bragg рефлектор - е слоеста структура, в която индексът на пречупване на материала периодично се променя в една пространствена посока (перпендикулярна на слоевете).
Съществуват различни конструкции за изпомпване на оптични вълноводи, от които най-често срещаните са чисто влакнести конструкции. Единият вариант е активното влакно да се постави в няколко обвивки, от които външната е защитна (т.нар. влакно с двойно покритие). Първата обвивка е направена от чист кварц с диаметър няколкостотин микрометра, а втората е направена от полимерен материал, чийто индекс на пречупване е избран значително по-нисък от този на кварца. По този начин първата и втората обвивка създават многомодов вълновод с голямо напречно сечение и цифрова апертура, в която се изстрелва излъчването на помпата. На фиг. Фигура 1.3 показва диаграмата на изпомпване на лазер, базиран на влакно с двойно покритие.
Ориз. 1.3. Помпена верига за лазер, базиран на влакно с двойно покритие.
Предимствата на влакнестите лазери традиционно включват значително съотношение на площта на резонатора към неговия обем, което осигурява висококачествено охлаждане, термична стабилност на силиция и малки размери на устройства в подобни класове на мощност и изисквания за качество. Лазерен лъч, като правило, трябва да бъде вкаран в оптично влакно за последващо използване в технологиите. За лазери с други конструкции това изисква специални оптични колимационни системи и прави устройствата чувствителни към вибрации. Във влакнестите лазери радиацията се генерира директно във влакното и има високо оптично качество. Недостатъците на този тип лазер са рискът от нелинейни ефекти поради високата плътност на излъчване във влакното и относително ниската изходна енергия на импулс поради малкия обем на активното вещество.
Влакнестите лазери са по-лоши от твърдотелните лазери в приложения, където се изисква висока стабилност на поляризацията и използването на влакна, поддържащи поляризацията, е трудно по различни причини. Лазерите в твърдо състояние не могат да бъдат заменени от лазери с влакна в спектралния диапазон от 0,7-1,0 микрона. Те също имат по-голям потенциал за увеличаване на импулсната изходна мощност в сравнение с оптичните. Влакнестите лазери обаче се представят добре при дължини на вълните, където няма достатъчно добри активни среди или огледала за други лазерни дизайни, и позволяват някои лазерни дизайни като преобразуване нагоре да бъдат реализирани по-лесно.
Чрез оптимизиране на едномодовото оптично влакно за използване във влакнести лазери е постигната силно мащабируема изходна мощност от 4,3 kW и са идентифицирани по-нататъшни изследователски насоки за свръхбързи лазерни приложения.
Един от належащите проблеми в развитието на лазерните технологии е увеличаването на мощността на фибролазерите, които вече са „спечелили“ пазарен дял от мощните CO 2 лазери, както и обемните твърдотелни лазери. Понастоящем големите производители на оптични лазери обръщат голямо внимание на разработването на нови приложения, обмисляйки по-нататъшно завладяване на пазара в бъдеще. Сред високомощните лазери на пазара, едномодовите системи имат редица характеристики, които ги правят най-търсените - имат най-висока яркост и могат да бъдат фокусирани до няколко микрона, което ги прави по-подходящи за не- обработка на контактни материали. Производството на такива системи е доста сложно. IPG Photonics (Оксфорд, Масачузетс) предложи разработването на 10 kW едномодова система, но информацията за характеристиките на лъча не е налична и не са предоставени данни, по-специално за всички възможни многомодови компоненти, които могат да съществуват заедно с едномодовия сигнал .
Германски учени от университета „Фридрих Шилер“ и института „Фраунхофер“ за приложна оптика и прецизно инженерство, с финансовата подкрепа на германското правителство и в сътрудничество с TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Института за фотонни технологии „Лайбниц“, анализираха проблемите с мащабирането на такива лазери и разработени нови влакна за преодоляване на ограниченията на мощността. Екипът успешно завърши серия от тестове, демонстрирайки едномодов изход от 4,3 kW, при който изходната мощност на оптичния лазер беше ограничена само от мощността на сигнала на помпата.
Фактори, ограничаващи мощността на излъчване на едномодов оптичен лазер
Основните задачи, които изискват внимателно проучване, включват следното: а) подобрено изпомпване; б) разработване на активно влакно с ниски оптични загуби, работещо само в едномодов режим; в) по-точно измерване на полученото лъчение. Ако приемем, че проблемът с подобреното изпомпване може да бъде решен с помощта на ултра-ярки лазерни диоди и подходящи методи за захранване на помпата, ние ще разгледаме другите два по-подробно в тази статия.
Като част от разработването на активно влакно за едномодова работа с висока мощност бяха избрани два набора от параметри за оптимизация: допинг и геометрия. Всички параметри трябва да бъдат ясно определени, за да се постигнат минимални загуби, работа в един режим и мощно усилване. Идеалният оптичен усилвател трябва да осигурява висока ефективност на преобразуване от над 90%, отлично качество на лъча и изходна мощност, ограничена само от наличната мощност на помпата. Обаче надграждането на едномодова система до по-високи мощности може да доведе до по-висока плътност на мощността в сърцевината на самото влакно, повишен термичен товар и различни нелинейни оптични ефекти като стимулирано раманово разсейване (SRS) и стимулирано разсейване на Брилуен (SBS ).
Напречните режими могат да бъдат подобрени в зависимост от размера на активната зона на влакното. Колкото по-малко е активното напречно сечение на влакното, толкова по-малък е броят на тези моди - при дадено съотношение между напречните сечения на влакното и обшивката. По-малкият диаметър обаче определя и по-висока плътност на мощността, а при огъване на влакно например се добавят и загуби за по-високи модове. Въпреки това, при голям диаметър на сърцевината на влакното и топлинен стрес, могат да възникнат други режими на излъчване. Такива режими са обект на взаимодействие един с друг по време на усилване и следователно, без оптимални условия на разпространение, профилът на изходното излъчване може да стане пространствено или временно нестабилен.
Нестабилност на напречния режим
Допираните с итербий (Yb) влакна са типичната работна среда за високомощни едномодови влакнести лазери, но отвъд определен праг те проявяват напълно нов ефект - така нареченият ефект на нестабилност на напречния режим (TMI). При определено ниво на мощност могат внезапно да се появят по-високи режими или дори режими на черупка. Енергията се преразпределя динамично между тях и качеството на лъча се влошава. На изхода се появява флуктуация на радиация (лъчът започва да осцилира). Ефектът на TMI е наблюдаван в различни дизайни на влакна, от влакна със стъпков индекс до влакна с фотонни кристали. Неговата прагова стойност зависи от геометрията и допинга, но грубата оценка предполага, че този ефект възниква при изходни мощности, по-големи от 1 kW. По време на изследването беше разкрита зависимостта на TMI от фотозатъмняването и връзката му с топлинните ефекти във влакното. Освен това, чувствителността на оптични лазери към TMI също зависи от съдържанието на модалното ядро.
Геометрията на влакната с стъпков индекс позволява оптимизиране. За изпомпване може да се избере следното: диаметър на влакното, размер на обвивката на влакното на помпата и други индекси на пречупване на влакното и обвивката. Всички тези параметри за настройка зависят от концентрацията на добавка, тоест концентрацията на Yb йони може да се използва за контролиране на дължината на областта на абсорбция на радиация на помпата в активното влакно. Към влакното могат да се добавят други добавки за намаляване на топлинните ефекти и контрол на индекса на пречупване. Има обаче някои противоречия. За да се намалят нелинейните ефекти, влакното трябва да е по-късо, а за да се намали топлинното натоварване, влакното трябва да е по-дълго. Фотозатъмняването е пропорционално на концентрацията на добавката, така че по-дългите влакна с по-ниска концентрация на добавката определено ще бъдат по-добри. По време на експеримента може да се получи представа за някои параметри. Топлинното поведение, например, може да бъде моделирано, но е доста трудно за прогнозиране, тъй като фотозатъмняването е малко по дефиниция и не може да бъде физически измерено в ускорени тестове. Следователно директните измервания на топлинното поведение във влакната могат да бъдат полезни за експериментален дизайн. Показани в сравнение за типично активно влакно са измереното термично натоварване (получено от едновременно разпределени измервания на температурата във влакнестия усилвател) и симулираното термично натоварване (Фигура 1).
Фигура 1. Измерено термично натоварване на активно влакно в сравнение със симулирано натоварване със и без допълнителни загуби
Друг важен параметър за дизайна на влакното е дължината на вълната на прекъсване, която е най-дългата дължина на вълната, която увеличава броя на модовете във влакното. Режими от по-високо ниво извън тази дължина на вълната не се поддържат.
Тестване на нови влакна при киловатова мощност
По време на експеримента са изследвани два вида влакна, легирани с Yb. Влакно №1 с диаметър на сърцевината 30 микрона с допълнителен допинг с фосфор и алуминий. Влакно № 2, с по-малък диаметър от 23 микрона, е по-малко легирано, но съдържа повече итербий, за да се постигне по-висок коефициент на профил в сравнение с влакно № 1 (Таблица 1).
Таблица 1. Параметри на тестваните влакна
Изчислената гранична дължина на вълната се намира около 1275 nm и 1100 nm съответно за влакна 1 и 2. Това е много по-близко до едномодово излъчване, отколкото типично влакно с диаметър на сърцевината 20 µm, 0,06 цифрова апертура (NA), което има гранична дължина на вълната от ~1450 nm. Усилената дължина на лазерната вълна в крайна сметка беше центрирана на 1067 nm.
И двете влакна бяха тествани в помпена верига с висока мощност (фиг. 2). Помпеният диоден лазер и първоначалният сигнал бяха свързани в свободно пространство във влакно със заварени краища и конектори, измити с вода за охлаждане. Източникът на радиация беше фазово модулиран диоден лазер с външна кухина (ECDL), чийто сигнал беше предварително усилен, за да се постигне мощност на входния сигнал до 10 W при дължина на вълната 1067 nm и спектрална ширина 180 μm.
Фигура 2. Експериментална настройка на усилвател с висока мощност, използвана за теста на усилвателя с влакна, където влакното се изпомпва при 976 nm в посока на насрещното разпространение.
По време на тестването на първото влакно бяха наблюдавани внезапни флуктуации в мащаб на милисекунда при прага от 2,8 kW, което може да се припише на TMI. Второ влакно от 30 m, със същата дължина на вълната и спектрална ширина, беше изпомпвано до изходна мощност от 3,5 kW, ограничена от SBS, а не от TMI.
В третия експеримент спектърът на емитерния лазер беше модифициран, за да увеличи прага на SBS на влакното чрез разширяване на спектъра (по-висок от предишния експеримент). За целта с първия е комбиниран втори диоден лазер с централна дължина на вълната 300 μm. Тази намеса доведе до времеви флуктуации, които позволиха мощността на сигнала да се увеличи поради автофазова модулация. Използвайки същия главен усилвател, както преди, бяха получени много подобни стойности на изходна мощност при 90% ефективност, но те можеха да бъдат увеличени само до 4,3 kW без TMI (Таблица 2).
Таблица 2. Резултат от теста за влакна
Задачи за измерване
Измерването на всички параметри на мощен фибролазер е една от основните задачи и изисква специално оборудване за решаването им. За да се получи пълна характеристика на влакното, бяха определени концентрацията на добавката, профилите на индекса на пречупване и затихването на сърцевината на влакното. Например, измерването на загубата в сърцевината за различни диаметри на огъване е важен параметър за корелация с прага на TMI.
Фигура 3. a) Следа на интензитета на фотодиод при тестване на изходния сигнал с помощта на влакно 1, под и над прага на TMI. b) Нормализирано стандартно отклонение на фотодиодни следи при различни изходни мощности
По време на тестване на оптичен усилвател, прагът на TMI се определя с помощта на фотодиод чрез докосване на малка част от мощността. Началото на колебанията на мощността се оказа доста рязко и значително (фиг. 3), промяната на сигнала беше особено значима при тестване на влакно 1, но не беше открито при тестване на влакно 2 до ниво на мощност от 4,3 kW. Съответната връзка е показана на фигура 4а.
Фигура 4. a) Наклон на ефективността на Fiber 2 до 4,3 kW изходна мощност. b) Оптичен спектър с изходна мощност 3,5 kW със съотношение 75 dB от изход към ASE. 180 µm спектрална ширина с 4,3 kW изходна мощност, разширена до 7 nm честотна лента
Измерванията на качеството на лъча са най-предизвикателната част от характеризирането на фибролазера и заслужават отделно обсъждане. Накратко, затихването без термично затихване е ключово и може да се постигне с помощта на френелови отражения или оптика с ниски загуби. В експериментите, представени в този преглед, затихването беше въведено с помощта на клиновидни пластини и импулсно изпомпване във времева скала, надвишаваща времето за начало на TMI.
Приложения в бързо развиващата се наука
След десетгодишно затишие разработването на мощни едномодови оптични лазери от ново поколение в киловатовия клас с отлично качество на лъча изглежда напълно възможно. Вече е постигната изходна мощност от 4,3 kW, ограничена само от мощността на помпата, идентифицирани са основните ограничения по пътя на по-нататъшното развитие и са ясни начините за преодоляването им.
Мощности от почти 1 kW вече са постигнати на едно влакно, когато се усилват от свръхбързи лазерни импулси, така че увеличението до 5 kW е напълно възможно чрез комбинация от техники. Докато системите се разработват за изследователски центрове като ELI (Прага, Чешка република), по-нататъшното развитие на надеждни оптични системи за предаване на сигнал остава предизвикателство за индустриалните системи.
Извършената работа разкри редица интересни перспективи. От една страна, това е трансфер на резултатите в производството, въпреки факта, че все още са необходими много усилия в тази насока, а от друга страна, технологията е изключително важна за повишаване на параметрите на други оптични лазерни системи, например за усилватели с фемтосекундни влакна.
По материали от http://www.lightwaveonline.com
В предишни публикувани статии, тестващи технологичния потенциал, оптичният лазер беше анализиран за неговите най-ефективни технологични приложения, а именно рязане, заваряване, закаляване, перфориране и почистване на повърхности. Оптичен лазер може да направи всичко това.
Въпреки това е изключително важно за мениджърите и технолозите на промишлените предприятия да разберат, освен това, икономическите аспекти на внедряването на фибролазер в съвременните лазерни технологии. И така, нека обсъдим икономическите въпроси относно фибролазера, които възникват по време на оценката на проекти за техническо обновяване.
Веднага трябва да се отбележи: разликите са много важни, тъй като новият оптичен лазер има редица технически свойства и характеристики, поради които не е напълно правилно да се прехвърля опитът от използването на класически лазери на ново оборудване. Ето защо е препоръчително да започнем какво представлява фибролазерът, преди всичко, като очертаем тези характеристики и разлики.
Фибролазер:
Уникалният живот на съвременните излъчватели (повече от 100 000 часа с възможност за удължаване на живота при относително ниски разходи) и почти нулеви експлоатационни разходи. Задължително, като се вземе предвид действителното изключване на част от амортизацията чрез UST и ДДС в съществуващата данъчна система. Тъй като това може да бъде изключително важен икономически фактор (т.е. част от амортизацията остава директно на ваше разположение, защото не се използва).
Минимални разходи и време за подготовка на помещенията и въвеждане в експлоатация. По време на процеса на пускане в експлоатация фибролазерът се нарича „инсталация“.
Оптичен лазер, неговата невероятна гъвкавост като лазерен източник. По правило влакнестият лазер е пример за източник на „чиста“ енергия на лъча, така че в него практически няма технологична специфика, тоест по време на диверсификация или друго преструктуриране на производството, влакнестият лазер може да бъде преориентиран от една технологична процес на друг. Такъв източник дори може да се нарече, разбира се (с уговорки) - течен, в смисъл, че запазва ценност и стойност в себе си. Оттук започват да се развиват определени лазерни услуги за обмен и лизинг (по тези въпроси е най-добре да се свържете директно с производителя).
Оптичен лазер, неговите основни характеристики:
Вероятността му да увеличи мощността. Можете да закупите оптичен лазер с проектен марж, например, когато се доставя с мощност от 700 W, и след това просто да закупите специални помпени агрегати, като по този начин увеличите мощността, например до 2400 W. В същото време в производствена система (процесът на инсталиране на допълнителни блокове продължава не повече от 3 часа) практически няма нужда да променяте нищо. Това ви позволява значително да намалите първоначалните капиталови инвестиции, както и да увеличите производителността в момента, необходима за вашето производство.
Пренасянето на радиация директно през оптичен кабел, чиято дължина варира от 10 до 100 метра, значително опростява дизайна и оформлението на технологичните системи като цяло. Можете да използвате огромен набор от индустриална роботика. Струва си да се отбележи, че някои производствени задачи изискват само 3 компонента, а именно фибролазер/процесорна глава/промишлен робот. Разбира се, при липса на опит услугите на фирма интегратор все още ще са необходими, но общите разходи за организиране на конкретна производствена система ще бъдат значително намалени.
Фибролазерът е многофункционална и многофункционална технологична област за максимално натоварване на лазерния източник. Разбира се, това не е толкова лесно, колкото изглежда на пръв поглед, но е напълно възможно. И поради важността на тази вероятност, ще я обсъдим допълнително.
Въпрос към специалистите и персонала като цяло. Фибролазерът елиминира необходимостта фирмата да поддържа цял персонал от специалисти с познания по оптика, вакуумни системи и електрически разряди. Фибролазер, не се изисква нищо за работа, тъй като обучението на оператора отнема не повече от 1 седмица. Разбира се, това няма да освободи предприятието от необходимостта от компетентни технолози, но това е друг въпрос, който няма абсолютно нищо общо със самия лазер. Напълно възможно е да се оползотвори наличният персонал и в същото време да се постигне по-високо ниво на оперативна ефективност.
Фибролазер, неговите основни технологии:
Тези 7 точки сами по себе си могат да предизвикат висок интерес към ново модерно оборудване. За да се подобри ефектът, трябва да се изброят някои основни технологии:
- лазерно рязане на метали. Говорим не само за класическо рязане на листове, но и за много обемно рязане, например с помощта на индустриални роботи;
- лазерна перфорация (филтриращи елементи, мрежи);
- лазерно заваряване. На първо място, това е високоефективно челно заваряване на шев без използване на подготовка на ръбове и добавъчни материали. Но днес технолозите доста бързо развиват хибридни процеси, т.е. комбинирани схеми за заваряване, комбиниращи лазерен лъч и съответно електрическа дъга;
- лазерното закаляване (термична обработка) е процес, който осигурява локално закаляване на определени фрагменти от детайла без значителен топлинен ефект върху детайла;1;
- лазерното наваряване е аналог на действието на дъговото наваряване, характеризиращо се с висока локалност и точност;
- лазерно почистване на покрития и замърсявания. Най-екологичният метод за почистване и безконтактен, който има потенциал да се конкурира с масовите технологии, като пясъкоструене.
Преминавайки директно към икономическите аспекти, заслужава да се отбележи, че влакнестият лазер и неговата система в момента са с порядък по-скъпи от класическите CO2 лазери и следователно цената на самия лазер обикновено представлява значителна част от технологичната система като цяло .
Фибролазер, минималният му комплект включва: оборудване, предназначено за извършване на технологична операция с лазер включва:
- влакнестият лазер трябва да има определена цена от rub./kW;
- влакнестият лазер има специална лазерна обработваща глава, която генерира радиационен поток, както и потоци от други вещества директно в зоната на обработка;
- манипулатор (роботизиран) за преместване на продукта или лазерна глава, както и за общ и задълбочен контрол на процеса. Ако използвате готов и универсален лазер с влакна, тогава разходите ще зависят пряко от конфигурацията и, разбира се, от марката.
Фибролазер, минималният му набор за лазерна технологична система е следният: 1 – лазер, 2 – технологична глава, 3 – оптичен кабел, 4 – манипулатор.
По този начин, за технологична система с мощност от 1000 W, основният размер на капиталовите разходи ще бъде приблизително 6 милиона рубли. RF. Всъщност това не са всички разходи, тъй като е необходимо да се вземат предвид и разходите за софтуер, интеграция, подготовка на помещения и производство. Следователно, за по-лесно изчисление, би било най-разумно да се приеме, че цената на цялата инвестиция - фибролазер - ще бъде приблизително 2 цени. Подобно съотношение се наблюдава по-специално при лазерните машини, предназначени за рязане на метал. Фибролазерът е с мощност 2000 W. Цените варират от 12 до 14 милиона руски рубли. В същото време оборудването за лазерно рязане е доста голяма сложна система с големи размери. Въпреки това, благодарение на серийното производство и стандартната, добре изпитана технология, цената е значително намалена.
В други технологични процеси (например заваряване, закаляване) комплексът от такова оборудване може да бъде много по-опростен, но тук си струва да се има предвид, че на този етап такива технологии изобщо не са опаковани в стандартни серийни комплекси (т.е. в случай че ще има разходи за технология и инженеринг, при това много значителни). Следователно коефициентът x2 за широк клас употреби със средна степен на автоматизация (т.е. процесът на обработка е автоматичен, а товаренето и разтоварването е или полуавтоматично, или ръчно) може да бъде оправдан.
Икономика на лазерната технология чрез анализ на 2 пробни производствени проблеми
Нека разгледаме първия производствен проблем за фибролазер:
И така, като първа тестова задача, нека разгледаме масовото производство на детайли с цилиндрична геометрия, при което е необходимо да се заваряват 2 полутела в едно (твърдо) запечатано тяло. Това е стандартна задача при производството на различни видове филтри. Стоманата е с дебелина 0,5-1 мм, като средният диаметър на изделието е 60 мм. Целта на задачата е максимален обем на производство при минимална цена на продукта.
Самата производствена система се синтезира почти автоматично за тази задача. За бързо лазерно заваряване на такъв продукт се нуждаете от фибролазер с мощност приблизително 700 W (т.е. линейната скорост на заваряване е около 50 mm/sec), имате нужда от доста проста заваръчна глава, ротатор на продукта (автоматизиран) и, съответно, система за зареждане и разтоварване на детайли. За системата за зареждане е възможно да се използва обикновено захранващо устройство за тави. Оптичен лазер, предполага се, че продуктите, предназначени за заваряване, вече са били предварително сглобени от работници. Въпреки това, в зависимост от нивото на качество на самите детайли (калибриране на размера), може да е необходима система за коригиране на съединението на продуктите - позицията на заваръчната глава. Като цяло разходите за разработване и съответно производство на такава доста проста система възлизат на около 5 милиона рубли.
След представения текст можем да направим едно кратко заключение:
- Икономическите параметри на системата се влошават значително, тъй като нивото на натоварване на оборудването и, разбира се, персоналът намалява: когато се произвеждат например 10% от продуктите/частите от максималната цифра на производствения процес, разходите просто ще се увеличат 10 пъти. Така и в двата случая доста скъпата техника е недостатъчно използвана и съответно персоналът бездейства.
- От гледна точка на разходите, отказът от автоматизация също не води до нищо: преминаването към неавтоматизирани технологични процеси също ще увеличи цената на продуктите, и то рязко. Това ще се случи поради общо намаляване на производителността на труда.
- Използването на лазерна технология ви позволява да „спечелите“ само при максимално натоварване (или поне близо до максимума) на производствената система и е пряко полезно за условията на самото производство, при това за мащабно производство. Високото качество на процеса на лазерна обработка (т.е. възпроизводимост и стабилност) е изключително важно за такива производства.
Ясно е, че за широкомащабни приложения възвръщаемостта на лазерното заваряване на влакна може да бъде доста бърза поради рязкото увеличение на общата производителност.
Нека разгледаме втория производствен проблем, относно лазер с влакна:
По правило много реални предприятия се характеризират със значително по-ниско серийно производство, така че проблемът с натоварването на лазерния източник постоянно ще възниква.
Например, дадено предприятие произвежда сложен продукт, който се състои от цилиндрично тяло и към него трябва да се заварява капак с мощен закрепващ елемент, а 2 елемента също трябва да се заваряват директно към самия капак. Вътре в такъв продукт има и пръчка, която работи в режим на абразия, поради което изисква укрепване, както и филтър за течност, направен под формата на пръстен, към който е запоена метална мрежа. Очакваното серийно производство на такива продукти е 100 000 годишно.
В типичната основна технология за производство на продукти се използват следните технологични процеси:
- производство на изковки за глава с око;
- комплексна механизирана обработка на изковки;
- изрязване на отвори (няколко) в тялото чрез механичен метод;
- заваряване на необходимите части в отворите;
- заваряването на главата към основното тяло е ръчно дъгово; има голям процент дефекти, причината за които е, наред с други неща, нарушения на геометрията (т.е. изместване на оста на главата и оста на цилиндъра);
- обемно закаляване на пръта, хромиране и шлайфане;
- рязане на пръстеновидна мрежа;
- последващо запояване на мрежата по външния и вътрешния контур (доста труден за автоматизиране процес с високо ниво на дефекти).
Продуктът от тази тестова задача: 1 – корпус, 2 – капак, 3 – заварена част, 4 – пръстен с отвори, 5 – филтърна мрежа. Фибролазер:
Възможно ли е използването на фибролазер за извършване или опростяване на технологичния процес при производството на такъв продукт? Същността на идеята е следната: да се използва оптичен лазер директно в режим на разделяне на времето, като по този начин се зарежда ресурсът му с различни операции. От техническа гледна точка такава възможност съществува, но ще обсъдим техническите аспекти на това в края на историята.
Въз основа на параметрите на лазерната технология на фибролазера от базата данни, ние оценяваме, на първо място, че ще ни е необходим лазерен източник с мощност 1500 W. Това, разбира се, е минималната мощност, необходима за надеждно заваряване на елементите. Тъй като се планира многофункционално използване на лазера, цената на роботизираното оборудване по правило трябва да бъде по-висока.
Необходимо е също така да се спомене изключително важно интегрално предимство: повишаването на нивото на качеството на продукта е изключително важен и значим конкурентен фактор директно на пазара на продажби, което ни позволява да заемаме значителен дял от него.
Струва си да се подчертае, че оптичният лазер и неговата утилитарна приложимост на всички планирани технологични процеси при използването му вече са преминали съответните тестове и са налични предварителни експериментални данни за тези процеси.
И така: фибролазерът, неговото комплексно използване на набор от лазерни технологии може съвсем реалистично да даде доста голям общ ефект, но само при условие, че лазерното оборудване е напълно заредено!
Цената на опцията за лазерно производство се изчислява само с подценена цена на индустриално предприятие, но честното изчисление на цената на минута ясно показва, че маржът на рентабилност на такъв проект е толкова голям и очевиден, че е значително печеливш дори с високи режийни разходи - и това е факт!
Заслужава да се отбележи и лазерът с влакна: дизайнерът на лазерната система може да предложи разделяне на технологичната функционалност на 2 лазерни комплекса асиметрично (т.е. не еднакво) - първият лазерен комплекс извършва изключително рязане на отвори и заваръчни работи, а вторият изпълнява оставащи операции по производство на филтри и закаляване на пръти. Или може да остави само първия комплекс, който извършва операции по първите два фактора, поради основния им принос за рентабилността на проекта като цяло. Влакнест лазер, тези решения определено ще се определят по много начини от технически проблеми, а именно въпросите: „Как точно се реализира мултифункционалността?“ - „Това наистина ли е възможно да се приложи технически?“ - „До какви непосредствени проблеми може да доведе това?“ Нека разгледаме вариантите и възможностите.
Фибролазер и неговите приложения:
Използването на робот с поставена върху манипулатора му лазерна глава за предоставената тестова задача е напълно успешно решение. На първо място, роботът е в състояние автоматично да заварява пръстена към основния капак от всичките 4 страни с минимално време, изразходвано за преходи, и по време на производството на елементарен ротационен позиционер на продукта с отстраняване и ръчно инсталиране, загубата на време директно за товаренето и разтоварването също ще бъдат сведени до минимум. Което, разбира се, важи и за други операции по рязане и заваряване.
Използването на универсални роботи има предимството, че разходите за проектиране и след това производство на нестандартно технологично оборудване и инструментална екипировка са практически елиминирани. Тъй като основната тежест на производственото обучение пада именно върху подготовката на определени програми за робота, тоест неговата ефективност.
ИЗПОЛЗВАНЕ НА МНОГО САЙТОВЕ.
Това решение изисква разработването на отделна технологична станция за абсолютно всички технологични операции, която е оборудвана с високо функционален манипулатор. След завършване на определена операция, лазерната глава, свързана с оптичен кабел към лазера, се преинсталира в друга технологична станция и съответно се пренастройва за друга операция, изпълнявана върху същата или друга партида продукти.
След завършване на определена операция фибролазерът, неговата лазерна глава, свързана с оптичен кабел към лазера, се преинсталира на друга технологична станция, настройва се съответно за друга операция и се обработва друга операция, изпълнявана на същата или друга партида продукти.
Фибролазер За съжаление, все още не е възможно да имате персонални лазерни технологични глави на различни позиции. Тъй като разкачването от главата на оптичен кабел в цехова среда е строго забранено поради запрашеност, тъй като най-малката прашинка от оптично влакно, ако попадне върху оптичния изход, по правило води до необратимо разрушаване на този изход . Решението на този проблем се очаква с нетърпение от всички предприятия с подобно оборудване и може би в близко бъдеще все пак ще бъде намерено.
ПРИЛОЖЕНИЕ НА ОПТИЧНИТЕ МУЛТИПЛЕКСОРИ
Нова функция, която в момента се използва рядко. Основната му същност е следната: можете да закупите определен специален превключвател на лазерен лъч, свързан чрез входа си към лазера, а на отделни точки - чрез няколко изхода с технологични глави. Превключването на радиацията става доста бързо между станциите и такава система може да минимизира загубата на време за смяна на продукти и технологични преходи.
За да направите това, системата от най-високо ниво трябва да осигури функции за изпращане, както и да разпределя ресурсите на лазерния източник директно според заявките на тези технологични постове. Тъй като при изчисленията за формиране ние приехме, че времето за зареждане и разтоварване е най-малко равно на времето за работа, в този случай, при използване на такъв мултиплексор, само един лазер ще бъде достатъчен за изпълнение на тестова програма за производство на приблизително 100 000 продукти.
Цената на такъв мултиплексор е около 1-2 милиона рубли. Освен това трябва да се отбележи, че фибролазерът може да бъде поръчан с вграден мултиплексор, който има няколко изхода.
Може би единственият недостатък е, че мултиплексорът леко влошава качеството на излъчването (т.е. на изхода е необходимо да се използва влакно с много по-голямо напречно сечение), но това е критично само за лазерно рязане. Фибролазерът, неговата подобна система е най-оптималната и целесъобразна. За мултиплексора допълнителните капиталови разходи се компенсират многократно благодарение на нивото на натоварване на лазера.
И така: 1 – лазер, 2 – оптичен ключ, 3 – глави (технологични), 4 – технологични станции, 5 – централна система за управление.
Друг важен въпрос, свързан с многофункционалността на самите лазерни глави: Ако планирате да използвате промишлен робот или многостанционна зона, тогава лазерната глава трябва да има свойството на многофункционалност (т.е. да може да изпълнява различни технологични процеси) . Днес западните производители не произвеждат такива глави!
Но такова оборудване вече съществува: скоро ще започне масово производство - универсална регулируема глава, която може да изпълнява целия основен набор от технологични операции с помощта на лазерно лъчение с влакна (заваряване, рязане, закаляване, перфорация). Адаптирането на главата към всяка конкретна операция се извършва както чрез автоматично преобразуване на оптичната система, така и чрез сменяема технологична приставка (т.е. нейната подмяна), която се закрепва на принципа на добре познатото магнитно окачване.
Фибролазер, неговите предимства:
Оценките показват, че фибролазерът има значителен икономически потенциал.
- Високата рентабилност на проектите за лазерни влакна, базирани на съвременни лазери, се осигурява изключително при максимално натоварване на оборудването, тоест поради доста значителната надеждност и уникален ресурс на новите лазери, това е технически възможно.
- Многофункционалните технологични области, които споделят ресурса на лазерния източник, могат да имат доста значително бъдеще.
- Въпреки значителните капиталови инвестиции, изплащането на лазерно оборудване и лазерни технологични системи като цяло може да бъде много, много бързо, до 1-1,5 години.
Влакнестият лазер е лазер с изцяло или частично влакнесто-оптична реализация, където усилващата среда и, в някои случаи, резонаторът са направени от оптично влакно.
Фибролазерът е лазер с изцяло или частично фиброоптично изпълнение, където оптично влакноАсе изработва усилваща среда и в някои случаи резонатор. В зависимост от степента на изпълнение на влакното, лазерът може да бъде изцяло влакнен (активна среда и резонатор) или дискретно влакно (само влакнен резонатор или други елементи).
Влакнестите лазери могат да работят в непрекъсната вълна, както и в нано- и фемтосекундни импулсни импулси.
Дизайн лазерзависи от спецификата на работата им. Резонаторът може да бъде система на Фабри-Перо или пръстеновиден резонатор. В повечето конструкции като активна среда се използва оптично влакно, легирано с йони на редкоземни елементи - тулий, ербий, неодим, итербий, празеодим. Лазерът се изпомпва с помощта на един или повече лазерни диоди директно в сърцевината на влакното или, в системи с висока мощност, във вътрешната обвивка.
Фибролазерите са широко използвани поради широкия избор от параметри и възможността за персонализиране на импулса в широк диапазон от продължителности, честоти и мощности.
Мощността на фибролазерите е от 1 W до 30 kW. Дължина на оптичното влакно – до 20 m.
Приложения на фибролазерите:
– рязанеметали и полимери в промишленото производство,
– прецизно рязане,
– микрообработка металии полимери,
– повърхностна обработка,
– запояване,
– топлинна обработка,
– етикетиране на продукта,
– телекомуникации (оптични комуникационни линии),
– производство на електроника,
– производство на медицински изделия,
– научна апаратура.
Предимства на фибролазерите:
– фибролазерите са уникален инструмент, който отваря нова ера в обработката на материали,
– преносимостта и възможността за избор на дължина на вълната на фибро лазерите позволяват нови ефективни приложения, които не са достъпни за други типове съществуващи в момента лазери,
– превъзхождат другите типове лазери в почти всички значими параметри, важни от гледна точка на тяхната индустриална употреба,
– възможност за персонализиране на импулса в широк диапазон от продължителности, честоти и мощности,
– възможност за задаване на последователност от къси импулси с необходимата честота и висока пикова мощност, което е необходимо, например, за лазерно гравиране,
– богат избор от параметри.
Сравнение на различни видове лазери:
| Параметър | Изисква се за промишлена употреба | CO 2 | YAG-Nd лампово изпомпване | YAG-Nd с диодна помпа | Диодни лазери | |
| Изходна мощност, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Дължина на вълната, µm | възможно най-малко | 10,6 | 1,064 | 1,064 или 1,03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Ефективност, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Обхват на излъчване на влакна | 10…300 | отсъстващ | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Стабилност на изходната мощност | възможно най-високо | ниско | ниско | ниско | Високо | много високо |
| Чувствителност на обратно отражение | възможно най-ниско | Високо | Високо | Високо | ниско | ниско |
| Заемана площ, кв.м | възможно най-малко | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Цена на монтаж, относителни единици | възможно най-малко | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Експлоатационни разходи, отн.ед | възможно най-малко | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Разходи за поддръжка, отн.ед | възможно най-малко | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Честота на смяна на лампа или лазерен диод, час. | колкото се може повече | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus импулсен влакнен итербиев лазер 50w 100kw купете производител
влакнести твърдотелни лазери
шперплат за рязане на метал страхотно cernark гравиране режими на дълбоко гравиране с фибролазер
лазерно устройство с итербиево влакно
влакнеста машина продава лазер
принцип на работа производство Фрязино 1,65 микрона технология итербий цена за покупка ipg hp 1 оптичен за рязане на метал гравиране импулсен принцип на работа машина оптични приложения мощност Направи си сам Диаграма на устройството дължина на вълната заваряване производител реже на вълни
Фактор на търсенето 902
Влакнестите лазери се разбират като оптично изпомпвани твърдотелни лазери, чийто активен елемент е влакнест световод с добавки от лазерни активатори. Най-обещаващите за световодни системи са лазери, базирани на влакна, активирани от неодимови йони.Неодимовите йони имат две основни лазерни линии с централни дължини на вълната µm и µm, разположени в спектралния диапазон, където загубите и дисперсията на светлината в кварцовите влакна са минимални.
Ориз. 4.11. Зависимост на дължината на релейния участък от скоростта на предаване на информация за стъпаловидно влакно със затихване за микрони:
1 - за лазерен диод (характерният спад в секцията BC се дължи на междумодова дисперсия) 2 - за sbeto-излъчващ диод (характерният спад се дължи на широкия спектър на диода в секцията и в допълнение към спад на честотната характеристика в секцията)
Спектралните характеристики на усилването на неодим практически не зависят от външните условия; температурният дрейф на дължината на вълната, съответстващ на максималното усилване на неодимовите йони, е равен, докато за полупроводникови среди този параметър е Конструкцията на влакното на излъчвателя позволява използването на стандартни конектори за ефективно въвеждане на радиация във влакнести светлинни водачи, включително и едномодови.
Въпреки тези предимства и, както ще бъде показано по-долу, широката функционалност, фибролазерите все още не са напуснали етапа на изследване. Това се обяснява с факта, че при създаването на оптични системи много проблеми бяха решени с помощта на добре разработени полупроводникови излъчватели, особено в сравнително прости системи, които се внедряват на първо място, където едно от основните предимства на полупроводниковите източници играе решаваща роля - възможността за директна модулация на интензитета на излъчване от тока на помпата. В твърдотелни лазери, по-специално в лазери, базирани на активирана от неодим среда, високоскоростната модулация на интензитета на излъчване чрез промяна на мощността на помпата е фундаментално невъзможна поради относително дългото надлъжно време на релаксация. Невъзможността за бързо „включване“ на обърнатата популация ограничава директните модулационни честоти до стойности в Hz. Разработване на световодни системи, особено обещаващи системи от близкото бъдеще с кохерентно приемане и многоканален спектър
уплътняването стимулира развитието на влакнести лазери, които могат да се използват не само като генератори, но и като усилватели на светлина.
Съществуващите дизайни на влакнести лазери могат да бъдат разделени на три групи. Влакнестите лазери от първата група използват снопове от няколко дълги влакна и мощно изпомпване с импулсни газоразрядни лампи. Положителната обратна връзка в такива структури се формира поради отразяването на светлината от краищата на влакната и обратното разсейване при микроизвивки и нехомогенности.
Ориз. 4.12. Конструкции на влакнести лазери: а - с крайно изпомпване; b - с напречно изпомпване за влакна с малък диаметър, c - с директно полагане на влакна върху линийка - излъчваща платформа - лазерно резонаторно огледало, прозрачно за радиация, 13 - активно влакно, 5 - резонаторно огледало; 6 - оптично лепило, 8 - рефлектор, 9 - стъклен цилиндър, 10, 12 - радиатори; 11, 14 - LED линии
Тръбното изпомпване дава възможност за постигане на високи печалби в едно преминаване, но изисква използването на системи за принудително течно охлаждане и обемисти захранвания, което очевидно прави създаването на устройства с малък размер нереалистично. Определени перспективи в този смисъл могат да се крият в използването на газоразрядни микролампи. Предимствата на конструкциите с лампово изпомпване включват възможността за използването им като оптични усилватели с пътуваща вълна и регенеративни усилватели с доста високо (~30-40 dB) усилване.
Втората група дизайни на влакнести лазери използва къси дължини от монокристални и стъклени влакна, легирани с неодимови йони. Изпомпването се извършва през края на влакното с помощта на полупроводников лазер или светодиод. Достатъчно висока ефективност на помпата се постига чрез съпоставяне на емисионния спектър на полупроводников излъчвател, базиран на GaAlAs GVD, с една от интензивните абсорбционни линии на неодим с централна дължина на вълната около
0,81 µm. Конструкцията на влакнестите лазери от втората група е показана схематично на фиг. 4.12, а. Поради ниското усилване на активната среда се образува лазерната кухина
диелектрични огледала с висока отразяваща способност. Лазерите на базата на монокристални влакна, изработени от итриев алуминиев гранат с неодим и стъклени кварцови влакна с неодим, имат този дизайн. Има съобщения за генериране с крайно изпомпване от криптонов лазер в кристално влакно и с изпомпване от аргонов лазер в рубинено влакно.Най-добри резултати са получени при използване на кристал с геометрия на влакното, 0,5 cm дължина и 80 μm в диаметър. Външният резонатор (фиг. 4.12, а) се формира от огледала с диелектрично покритие, едното от които има отражение за лазерно лъчение с микрони и само за лъчение на помпата, второто огледало със същата висока отражателна способност за лазерно лъчение отразява помпата светлина доста добре Огледалата бяха разположени почти близо до краищата на влакното. Изпомпването се извършва от повърхностен светодиод с диаметър на излъчващата област от 85 μm. Праговата мощност на помпата беше
Основните предимства на фибролазерите с този дизайн са ниската консумация на енергия и габаритните размери. Основни недостатъци: крайната помпена верига не позволява използването на влакнести сегменти с дължина над 1 cm, което ограничава изходната мощност. В допълнение, технологията за производство и настройка на тези лазери е сложна и наличието на светодиод на помпата в един от краищата усложнява използването на лазера като усилвател на оптичен сигнал.
Многооборотни влакнести лазери с напречно изпомпване от LED ленти (Фиг. представлява дизайните на третата група. Няколко навивки от стъклени влакна са поставени върху LED лентата, чиято сърцевина се активира от неодимови йони. Дизайнът до известна степен съчетава предимствата на влакнестите лазери от първата и втората група и е лишен от повечето им недостатъци.Използването на полупроводникови излъчватели като източници на изпомпване прави такива системи доста малки по размер, използването на напречна схема на изпомпване и дълги участъци от влакна прави възможно е да се получи доста голямо усилване в едно преминаване.Поради малкия диаметър на влакнестите световоди в схема с напречно изпомпване, използването на стъклени влакна с висока концентрация на йони е ефективен неодим и, съответно, с висок коефициент на поглъщане на помпа светлина.Такива свойства притежават влакната, изработени от неодимови ултрафосфати.Полагането на многооборотни влакна върху LED ленти може да се извърши по различни начини. По този начин парче влакно се изтегля многократно през стъклен цилиндър с диаметър около 1 mm (фиг. 4.12, b), върху чиято външна повърхност е нанесено отразяващо покритие
повишаване на ефективността на използването на радиация на помпата. Този метод се предпочита за влакна с малък външен диаметър (µm). Влакна с по-голям диаметър могат да бъдат положени върху LED линията завой до завой (фиг. 4.12, c). И двата дизайна могат да се използват като оптични усилватели с пътуваща вълна, като единият край на световода е входът на усилвателя, а другият е изходът. Нанасянето на огледални покрития върху краищата на влакната позволява лазерно излъчване с влакнен резонатор на Фабри-Перо.
Характеристиките на лазерните процеси в активните оптични влакна се определят от наличието на специфична лазерна генерация при липса на положителна обратна връзка.
Ориз. 4.13. Оптичен световод: а - с активно ядро и пасивна обвивка; b - с пасивно ядро и активна обвивка (2)
Това е основната разлика между оптични лазери и лазери, базирани на обемни активни елементи. За да обясним същността на този процес, който е близък до режима на суперлуминесценция в полупроводниковите светодиоди, нека разгледаме някакъв елементарен участък от световода, в който се създава обърната популация (фиг. 4.13, а). Спонтанното излъчване възниква с еднаква вероятност във всички посоки, но радиацията, концентрирана в два конуса от ъгли, които имат обща ос с влакното и се определят от ъгъл на отваряне 20, не напуска сърцевината. Тук
където са съответно показателите на пречупване на сърцевината и обвивката.Това излъчване възбужда естествени трептения (модове) на влакното, които се усилват от стимулирано излъчване по време на разпространение по влакното надясно и наляво (фиг. 4.13, а). Същата картина се наблюдава за всеки друг елементарен участък от сърцевината на активното влакно. На изхода на такъв източник на светлина от влакна, дивергенцията на излъчване се определя приблизително от числовата апертура на влакното
Докато интензитетът на светлинните вълни, разпространяващи се една към друга в активен световод, е значително по-малък от стойността, която насища усилването, насрещно разпространяващите се вълни са независими, както и енергиите, пренесени от различни режими на световода. При тези условия процесът на усилване на спонтанното излъчване поради стимулирано излъчване се описва с добре познатите уравнения на лазерен усилвател без насищане и като се вземе предвид спонтанното излъчване. Спектралната плътност на мощността на излъчване в един режим на изхода на активната секция на дължината на влакното (фиг. 4.13, а) е равна на
Ето константата на Планк; - честота на светлинните вибрации; - населеност на горните и долните лазерни нива; - усилване на единица дължина, където е коефициентът на Айнщайн за принудителния преход; - нормализирана форма на линията на спектрално усилване; c е скоростта на светлината. Максималната генерирана мощност може да бъде ограничена или от дължината на влакното, или, както при лазерите с резонатори, от насищане. Естествено, по време на процеса на усилване, спектърът на генериране се стеснява в сравнение със спектъра на луминесценция поради факта, че спектралните компоненти в центъра на линията се усилват повече. Ширината на спектъра се определя от усилването и формата, а спектърът на излъчване е непрекъснат поради липсата на резонатор.
Конкретният разглеждан процес с фибролазер има три важни аспекта.
1. Световодът с активни влакна може да се използва като източник на светлина без оптичен резонатор.
2. При създаването на оптични лазери, използващи традиционен дизайн на кухина, е необходимо да се вземе предвид, че разглежданият процес може да доведе до насищане на усилването при едно преминаване, в резултат на което обратната връзка ще загуби смисъла си. В този случай стойностите на и трябва да бъдат избрани така, че да са далеч от стойността, която насища печалбата.
3. При оптичните усилватели генерирането на светлина в резултат на обсъждания процес е основният източник на шум. Спектралната плътност на мощността на шума в един режим, преизчислена към входа на усилвателя, както следва от формула (4.12), е равна на
В система с четири нива, като веригата за ниво на неодимов лазер, обикновено при високи печалби
В обемните усилватели шумът от усилено спонтанно излъчване отдавна се счита за фундаментално неотстраним (вижте например работа), но във влакнестите усилватели нивото му може да бъде значително намалено, когато се използва светлинният водач, показан на фиг. 4.13, 6. Едномодово влакно, чиято сърцевина е направена от кварцово стъкло с добавка, която увеличава индекса на пречупване, например има обвивка от стъкло, активирано от неодимови йони. Създаването на обратна популация в обвивката води до усилване на основния режим с ефективно усилване
къде е печалбата в черупката; - част от мощността на режима на ядрото, която се разпространява в обвивката; P е общата мощност, пренасяна от този режим. Съотношението се променя от 0,99 на 0,1, когато параметърът на влакното се променя от 0,6 на 2,4048. Когато ядрото започне ефективно да насочва основния режим чрез локализиране на полето си близо до себе си, вторият режим се възбужда. Формулата е получена по същия начин като израза за коефициента на затихване на влакно с обвивка, в която възникват радиационни загуби, които са по-ниски по качество от влакна. Значителни недостатъци на първия са температурната нестабилност на линията на усилване (за микрони), значителни загуби при свързване на едномодови влакнести световоди към планарния световод на усилвателя и високо ниво на шумова мощност - суперлуминесцентно излъчване.
Влакнестите лазери отварят възможността за създаване на нови видове FOD. Чувствителният елемент, който е влакнест световод, тук е част от влакнест пръстен или линеен лазерен резонатор.
Ориз. 4.14. Едночестотни оптични лазери с разпределена обратна връзка (а) и огледала на Брег (б): 1 - активно ядро; 2 - черупка с периодична структура
Промяната във фазата на светлинните трептения под въздействието на външни фактори води до промяна в честотите на генериране на различни режими в лазерите. Информацията за външните влияния се съдържа в промяната на честотата на междурежимните удари. На базата на влакнест лазер с пръстеновиден резонатор, който се реализира чрез заваряване на краищата на световода или чрез отделянето им, е доста лесно да се създаде лазерен влакнест жироскоп с малък размер.
Стабилните едночестотни влакнести лазери могат да бъдат реализирани като дизайн с разпределена обратна връзка или разпределен отражателен дизайн на Bragg. За да направите това, в определени участъци от влакното се създава отразяващ спектрален филтър с помощта на един от методите, които ще бъдат описани по-долу (вижте параграф 4.8) (фиг. 4.14). Такива източници могат да се използват във фазови водни диоди.
Използването на суперлуминесцентни влакнести лазери позволява да се опрости дизайна на пасивните влакнести жироскопи и да се повиши тяхната чувствителност чрез намаляване на нивото на шума, причинено от наличието на обемни елементи. В пръстеновидните интерферометри и жироскопи нивото на шума намалява с намаляване на дължината на кохерентност на източника на излъчване и броя на обемните елементи (вижте раздел 3.6). В източник на влакна е лесно да се гарантира, че кохерентната дължина на излъчването е по-голяма от разликата в пътя между насрещно разпространяващите се вълни на интерферометъра, поради въртене и нереципрочни ефекти. Суперлуминесцентните влакнести лазери имат nm ширина на спектъра и доста висока импулсна мощност.Такъв източник
се свързва към интерферометър с оптичен пръстен с помощта на стандартни съединители.
