Metallide laserlõikamise probleemi uurimine peab algama laseri töö füüsikaliste põhimõtete arvestamisega. Kuna edasises töös viiakse kõik õhukeste lehtedega materjalide laserlõikamise täpsuse uuringud läbi laserkompleksil, kasutades ytterbium fiiberlaserit, siis kaalume fiiberlaserite disaini.
Laser on seade, mis muundab pumba energia (valgus-, elektri-, soojus-, keemilise jne) koherentse, monokromaatilise, polariseeritud ja kõrgelt sihitud kiirgusvoo energiaks.
Kiudlaserid töötati välja suhteliselt hiljuti, 1980. aastatel. Praegu on teada kiudtehnoloogiliste laserite mudelid võimsusega kuni 20 kW. Nende spektraalne koostis on vahemikus 1 kuni 2 μm. Selliste laserite kasutamine võimaldab pakkuda erinevaid kiirguse ajalisi omadusi.
Viimasel ajal on kiudlaserid hakanud aktiivselt asendama traditsioonilisi lasereid lasertehnoloogia kasutusvaldkondades nagu näiteks metallide laserlõikamine ja keevitamine, markeerimine ja pinnatöötlus, trükkimine ja kiirlasertrükk. Neid kasutatakse laserkaugusmõõturites ja kolmemõõtmelistes lokaatorites, telekommunikatsiooniseadmetes, meditsiiniseadmetes jne.
Kiudlaserite peamised tüübid on pidevlaine ühemoodilised laserid, sealhulgas ühe polarisatsiooni ja ühe sagedusega laserid; impulsskiudlaserid, mis töötavad Q-lülitus-, režiimiluku- ja juhusliku modulatsiooni režiimides; timmitavad kiudlaserid; superluminestseeruvad kiudlaserid; suure võimsusega pidevad mitmemoodilised kiudlaserid.
Laseri tööpõhimõte põhineb valguse edastamisel fotodioodilt läbi pika kiu. Kiudlaser koosneb pumbamoodulist (tavaliselt lairiba LED-idest või laserdioodidest), valgusjuhist, milles toimub laseri tekitamine, ja resonaatorist. Valgusjuht sisaldab toimeainet (leegitud optiline kiud – erinevalt tavapärastest optilistest lainejuhtidest ilma katteta südamik) ja pumbalainejuhte. Resonaatori konstruktsioon määratakse tavaliselt tehniliste näitajatega, kuid eristada saab enamlevinud klasse: Fabry-Perot tüüpi resonaatorid ja ringresonaatorid. Tööstusseadmetes kombineeritakse väljundvõimsuse suurendamiseks mõnikord mitu laserit ühte paigaldusse. Joonisel fig. Joonisel 1.2 on näidatud kiudlaserseadme lihtsustatud skeem.
Riis. 1.2. Tüüpiline kiudlaseri ahel.
1 - aktiivne kiudaine; 2 - Braggi peeglid; 3 - pumpamisplokk.
Aktiivse optilise kiu peamine materjal on kvarts. Kvartsi suure läbipaistvuse tagavad aatomite energiatasemete küllastunud olekud. Dopinguga sisestatud lisandid muudavad kvartsi absorbeerivaks keskkonnaks. Valides pumba kiirgusvõimsust, on sellises keskkonnas võimalik luua energiatasemete populatsiooni pöördseisund (st kõrge energiatasemega on rohkem täidetud kui maapinnal). Lähtudes resonantssageduse (telekommunikatsiooni infrapuna vahemiku) ja madala läve pumbavõimsuse nõuetest, tehakse doping reeglina lantaniidrühma haruldaste muldmetallide elementidega. Üks levinumaid kiudude liike on laser- ja võimendisüsteemides kasutatav erbium, mille tööpiirkond jääb lainepikkuste vahemikku 1530-1565 nm. Metastabiilse tasandi alamtasanditelt põhitasemele üleminekute erineva tõenäosuse tõttu on genereerimise või võimendamise efektiivsus tööpiirkonna erinevatel lainepikkustel erinev. Haruldaste muldmetallide ioonidega dopingu määr sõltub tavaliselt toodetava aktiivkiu pikkusest. Kuni mitmekümne meetri ulatuses võib see ulatuda kümnetest kuni tuhandete ppm-ni ja kilomeetrite pikkuste puhul 1 ppm või vähem.
Braggi peeglid – hajutatud Braggi reflektor – on kihiline struktuur, milles materjali murdumisnäitaja muutub perioodiliselt ühes ruumilises suunas (kihtidega risti).
Optiliste lainejuhtide pumpamiseks on erinevaid konstruktsioone, millest levinumad on puhaskiudkonstruktsioonid. Üks võimalus on paigutada aktiivkiud mitme ümbrise sisse, millest välimine on kaitsev (nn topeltkattega kiud). Esimene kest on valmistatud mitmesajamikromeetrise läbimõõduga puhtast kvartsist ja teine polümeermaterjalist, mille murdumisnäitaja on valitud oluliselt madalamaks kui kvartsil. Seega loovad esimene ja teine kattekiht suure ristlõikega ja numbrilise avaga mitmemoodilise lainejuhi, millesse pumba kiirgus käivitatakse. Joonisel fig. Joonisel 1.3 on kujutatud topeltkattega kiududel põhineva laseri pumpamise diagramm.
Riis. 1.3. Topeltkattega kiududel põhineva laseri pumpamisahel.
Kiudlaserite eelisteks on traditsiooniliselt oluline resonaatori pindala ja selle ruumala suhe, mis tagab kvaliteetse jahutuse, räni termilise stabiilsuse ning sarnaste võimsus- ja kvaliteedinõuete klasside seadmete väikesed mõõtmed. Laserikiir tuleb reeglina sisestada optilisse kiudu, et seda hiljem tehnoloogias kasutada. Muu konstruktsiooniga laserite puhul nõuab see spetsiaalseid optilisi kollimatsioonisüsteeme ja muudab seadmed vibratsioonitundlikuks. Kiudlaserites tekib kiirgus otse kius ja sellel on kõrge optiline kvaliteet. Seda tüüpi laseri miinusteks on mittelineaarsete efektide oht, mis on tingitud kiu suurest kiirgustihedusest ja suhteliselt madal väljundenergia impulsi kohta, mis on tingitud toimeaine väikesest mahust.
Kiudlaserid on halvemad kui pooljuhtlaserid rakendustes, kus on vaja suurt polarisatsiooni stabiilsust ja polarisatsiooni säilitavate kiudude kasutamine on erinevatel põhjustel keeruline. Tahkislasereid ei saa asendada kiudlaseritega spektrivahemikus 0,7-1,0 mikronit. Neil on ka suurem potentsiaal impulsi väljundvõimsuse suurendamiseks võrreldes kiudoptilistega. Kuid kiudlaserid toimivad hästi lainepikkustel, kus ei ole piisavalt häid aktiivseid kandjaid ega peegleid muude laserikujunduste jaoks, ja võimaldavad mõningaid laserikujundusi, näiteks üles teisendamist, hõlpsamini rakendada.
Optimeerides ühemoodilise optilise kiu kiudlaserites kasutamiseks, on saavutatud väga skaleeritav väljundvõimsus 4,3 kW ja välja selgitatud edasised uurimissuunad ülikiirete laserrakenduste jaoks.
Lasertehnoloogiate arendamise üheks pakilisemaks probleemiks on fiiberlaserite võimsuse kasv, mis on juba “võitnud” turuosa suure võimsusega CO 2 laseritelt, aga ka mahuliste tahkislaserite käest. Praegu pööravad suured kiudlaserite tootjad suurt tähelepanu uute rakenduste väljatöötamisele, kaaludes tulevikus turu edasist vallutamist. Turul olevatest suure võimsusega laseritest on üherežiimilistel süsteemidel mitmeid funktsioone, mis muudavad need kõige nõutumaks – neil on kõrgeim heledus ja neid saab teravustada kuni mõne mikronini, muutes need sobivamaks mitte- kontaktmaterjali töötlemine. Selliste süsteemide tootmine on üsna keeruline. IPG Photonics (Oxford, MA) on teinud ettepaneku 10 kW ühemoodilise süsteemi väljatöötamiseks, kuid teave kiirte omaduste kohta ei ole kättesaadav ja andmeid, eriti mis tahes võimalike mitmerežiimiliste komponentide kohta, mis võivad eksisteerida ühemoodilise signaaliga, pole esitatud. .
Saksa teadlased Friedrich Schilleri ülikoolist ja Fraunhoferi rakendusoptika ja täppistehnika instituudist analüüsisid Saksamaa valitsuse rahalisel toel ning koostöös TRUMPF-i, Active Fiber Systemsi ja Jenoptikuga, Leibnizi fotoonilise tehnoloogia instituudiga, mastaabiprobleeme. selliseid lasereid ja töötati välja uued kiud, et ületada võimsuspiirangud. Meeskond lõpetas edukalt katseseeria, näidates 4,3 kW ühemoodilist väljundit, mille puhul kiudlaseri väljundvõimsust piiras ainult pumba signaali võimsus.
Ühemoodilise kiudlaseri kiirgusvõimsust piiravad tegurid
Peamised ülesanded, mis nõuavad hoolikat uurimist, on järgmised: a) täiustatud pumpamine; b) väikeste optiliste kadudega aktiivkiu arendamine, mis töötab ainult ühemoodilises režiimis; c) vastuvõetud kiirguse täpsem mõõtmine. Eeldades, et täiustatud pumpamise probleemi saab lahendada ülierksate laserdioodide ja sobivate pumba toitemeetodite abil, käsitleme seetõttu käesolevas artiklis üksikasjalikumalt kahte teist.
Suure võimsusega ühemoodilise töö jaoks mõeldud aktiivkiu väljatöötamise osana valiti kaks optimeerimisparameetrite komplekti: doping ja geomeetria. Kõik parameetrid peavad olema selgelt määratletud, et saavutada minimaalne kadu, üherežiimiline töö ja võimas võimendus. Ideaalne kiudvõimendi peaks tagama kõrge, üle 90-protsendilise konversiooniefektiivsuse, suurepärase kiire kvaliteedi ja väljundvõimsuse, mida piirab ainult saadaolev pumba võimsus. Ühemoodilise süsteemi täiendamine suurema võimsusega võib aga kaasa tuua suurema võimsustiheduse kiu enda südamikus, suurema termilise koormuse ja mitmesuguseid mittelineaarseid optilisi efekte, nagu stimuleeritud Ramani hajumine (SRS) ja stimuleeritud Brillouini hajumine (SBS). ).
Põikrežiime saab täiustada sõltuvalt kiu aktiivse tsooni suurusest. Mida väiksem on kiu aktiivne ristlõige, seda väiksem on selliste režiimide arv – antud kiu ja katte ristlõigete suhte korral. Väiksem läbimõõt määrab aga ka suurema võimsustiheduse ning näiteks kiu painutamisel lisanduvad ka kaod suuremate režiimide puhul. Kuid suure kiu südamiku läbimõõdu ja termilise pinge korral võivad ilmneda muud emissioonirežiimid. Sellised režiimid on võimenduse ajal üksteisega vastasmõjus ja seetõttu võib optimaalsete levimistingimusteta väljundkiirguse profiil muutuda ruumiliselt või ajaliselt ebastabiilseks.
Põikrežiimi ebastabiilsus
Ytterbium (Yb) legeeritud kiud on tüüpiline töökeskkond suure võimsusega ühemoodiliste kiudlaserite jaoks, kuid teatud läve ületamisel on neil täiesti uus efekt - nn põikrežiimi ebastabiilsuse (TMI) efekt. Teatud võimsustasemel võivad ootamatult ilmuda kõrgemad režiimid või isegi kestarežiimid. Energia jaotub nende vahel dünaamiliselt ümber ja kiire kvaliteet halveneb. Väljundis ilmneb kiirguse kõikumine (kiir hakkab võnkuma). TMI-efekti on täheldatud mitmesuguste kiudude puhul, alates astmeindeksitest kuni fotooniliste kristallkiududeni. Selle läviväärtus sõltub geomeetriast ja dopingust, kuid ligikaudne hinnang viitab sellele, et see mõju ilmneb väljundvõimsustel, mis on suuremad kui 1 kW. Uuringu käigus selgus TMI sõltuvus fototumenemisest ja selle seos kiu sees olevate termiliste mõjudega. Veelgi enam, kiudlaserite vastuvõtlikkus TMI-le sõltub ka modaalsest südamiku sisaldusest.
Sammuindeksi kiudude geomeetria võimaldab optimeerimist. Pumpamiseks saab valida: kiu läbimõõt, pumba kiudkatte suurus ja muud kiu ja katte murdumisnäitajad. Kõik need häälestusparameetrid sõltuvad lisandi kontsentratsioonist, st Yb ioonide kontsentratsiooni saab kasutada pumba kiirguse neeldumispiirkonna pikkuse reguleerimiseks aktiivses kius. Termoefektide vähendamiseks ja murdumisnäitaja kontrollimiseks võib kiule lisada muid lisaaineid. Siiski on mõningaid vastuolusid. Mittelineaarsete mõjude vähendamiseks peab kiud olema lühem ja termilise koormuse vähendamiseks pikem. Fototumenemine on proportsionaalne lisandi kontsentratsiooniga, seega on pikemad kiud, mille lisandi kontsentratsioon on madalam, kindlasti paremad. Eksperimendi käigus saab aimu mõnest parameetrist. Näiteks termilist käitumist saab modelleerida, kuid seda on üsna raske ennustada, kuna fototumenemine on definitsiooni järgi väike ja seda ei saa kiirendatud testides füüsiliselt mõõta. Seetõttu võivad kiudude termilise käitumise otsesed mõõtmised olla eksperimentaalseks kavandamiseks kasulikud. Tüüpilise aktiivkiu võrdluseks on näidatud mõõdetud soojuskoormus (tuletatud kiudvõimendis samaaegselt jaotatud temperatuurimõõtmistest) ja simuleeritud soojuskoormus (joonis 1).
Joonis 1. Mõõdetud aktiivkiu termiline koormus võrreldes simuleeritud koormusega koos lisakadudega ja ilma
Teine oluline kiu disaini parameeter on piirlainepikkus, mis on pikim lainepikkus, mis suurendab kiu režiimide arvu. Sellest lainepikkusest kõrgemaid režiime ei toetata.
Uute kiudude katsetamine kilovativõimsusel
Katse käigus uuriti kahte tüüpi Yb-legeeritud kiude. Kiud nr 1 südamiku läbimõõduga 30 mikronit koos täiendava fosfori ja alumiiniumiga dopinguga. Kiud nr 2, väiksema läbimõõduga 23 mikronit, oli vähem legeeritud, kuid sisaldas rohkem ütterbiumi, et saavutada suurem profiilikoefitsient võrreldes kiuga nr 1 (tabel 1).
Tabel 1. Testitud kiudude parameetrid
Arvutatud piirlainepikkus on vastavalt kiudude 1 ja 2 puhul ligikaudu 1275 nm ja 1100 nm. See on palju lähemal ühemoodilisele emissioonile kui tüüpiline 20 µm südamiku läbimõõduga 0, 06 numbrilise apertuuriga (NA) kiud, mille lainepikkus on ~ 1450 nm. Võimendatud laseri lainepikkuse keskpunkt oli lõpuks 1067 nm.
Mõlemat kiudu testiti suure võimsusega pumpamisahelas (joonis 2). Pumba dioodlaser ja algsignaal ühendati vabas ruumis keevitatud otste ja pistikutega kiuks, mida pesti jahutamiseks veega. Kiirgusallikaks oli faasimoduleeritud välisõõnesdioodlaser (ECDL), mille signaali eelvõimendusega saavutati kuni 10 W sisendsignaali võimsus lainepikkusel 1067 nm ja spektraallaius 180 μm.
Joonis 2. Suure võimsusega võimendi eksperimentaalne seadistus, mida kasutati kiudvõimendi testis, kus kiudu pumbati lainepikkusel 976 nm vastulevi suunas.
Esimese kiu testimise ajal täheldati äkilisi kõikumisi millisekundi skaalal 2,8 kW läve juures, mida võib seostada TMI-ga. Teine 30 m kiud, sama lainepikkuse ja spektraallaiusega, pumbati väljundvõimsusele 3,5 kW, mida piiras pigem SBS kui TMI.
Kolmandas katses muudeti emitteri laseri spektrit, et suurendada kiudude SBS läve, laiendades spektrit (kõrgem kui eelmises katses). Sel eesmärgil ühendati esimesega teine dioodlaser, mille kesklainepikkus oli 300 μm. See häire põhjustas ajalisi kõikumisi, mis võimaldasid signaali võimsust autofaasi modulatsiooni tõttu suurendada. Kasutades sama peavõimendit nagu varem, saadi 90% efektiivsuse juures väga sarnased väljundvõimsuse väärtused, kuid ilma TMIta sai neid tõsta vaid 4,3 kW-ni (tabel 2).
Tabel 2. Kiudainete testi tulemus
Mõõtmisülesanded
Suure võimsusega kiudlaseri kõigi parameetrite mõõtmine on üks peamisi ülesandeid ja nende lahendamiseks on vaja spetsiaalseid seadmeid. Kiudude täieliku iseloomustuse saamiseks määrati lisandi kontsentratsioon, murdumisnäitaja profiilid ja kiudude südamiku sumbumine. Näiteks südamiku kadude mõõtmine erinevate paindediameetrite korral on oluline parameeter korrelatsiooniks TMI lävega.
Joonis 3. a) Fotodioodi intensiivsuse jälg väljundsignaali testimisel kiu 1 abil, TMI läve all ja üle selle. b) Fotodioodi jälgede normaliseeritud standardhälve erinevatel väljundvõimsustel
Kiudvõimendi testimise ajal määratakse TMI lävi fotodioodi abil, puudutades väikest osa võimsusest. Võimsuse kõikumiste algus osutus üsna teravaks ja oluliseks (joonis 3), signaalimuutus oli eriti oluline fiiber 1 testimisel, kuid kiu 2 testimisel kuni võimsustasemeni 4,3 kW seda ei tuvastatud. Vastav seos on näidatud joonisel 4a.
Joonis 4. a) Fiber 2 kasuteguri kalle kuni 4,3 kW väljundvõimsuseni. b) Optiline spekter väljundvõimsusega 3,5 kW, väljundi ja ASE suhtega 75 dB. 180 µm spektraallaius 4,3 kW väljundvõimsusega laiendatud 7 nm ribalaiusele
Kiirte kvaliteedi mõõtmine on kiudlaseriga iseloomustamise kõige keerulisem osa ja väärib eraldi arutelu. Lühidalt öeldes on mittetermiline sumbumine võtmetähtsusega ja seda saab saavutada Fresneli peegelduste või väikese kadudega optika abil. Selles ülevaates esitatud katsetes viidi sumbumine sisse, kasutades kiilplaate ja impulsspumpamist ajaskaalal, mis ületas TMI algusaega.
Rakendused kiires tempos teaduses
Kümneaastase tuulevaikuse järel tundub uue põlvkonna suure võimsusega ühemoodiliste kiudlaserite arendamine suurepärase kiire kvaliteediga kilovatt-klassis täiesti võimalik. Juba on saavutatud 4,3 kW väljundvõimsus, mida piirab ainult pumba võimsus, peamised piirangud edasisel arenguteel on välja selgitatud ja võimalused nende ületamiseks on selged.
Ühe kiu puhul on ülikiirete laserimpulssidega võimendatud võimsused juba saavutatud peaaegu 1 kW, seega on võimsuse suurendamine 5 kW-ni täiesti võimalik tehnikate kombinatsiooni abil. Samal ajal kui süsteeme arendatakse sellistele uurimiskeskustele nagu ELI (Praha, Tšehhi Vabariik), on usaldusväärsete optiliste signaalide edastussüsteemide edasiarendamine tööstussüsteemide jaoks endiselt väljakutseks.
Tehtud töö on toonud esile mitmeid huvitavaid väljavaateid. Ühest küljest on see tulemuste ülekandmine tootmisse, hoolimata asjaolust, et selles suunas on vaja veel palju pingutada, ja teisest küljest on tehnoloogia äärmiselt oluline teiste fiiberoptiliste lasersüsteemide parameetrite suurendamiseks, näiteks femtosekundiliste kiudvõimendite jaoks.
Põhineb saidi http://www.lightwaveonline.com materjalidel
Varem avaldatud tehnoloogilist potentsiaali testivates artiklites analüüsiti kiudlaserit selle kõige tõhusamate tehnoloogiliste rakenduste osas, milleks on lõikamine, keevitamine, karastamine, perforeerimine ja pindade puhastamine. Seda kõike saab teha kiudlaser.
Tööstusettevõtete juhtidel ja tehnoloogidel on aga äärmiselt oluline mõista lisaks sellele ka kiudlaseri rakendamise majanduslikke aspekte tänapäevastes lasertehnoloogiates. Niisiis, arutleme tehniliste uuendusprojektide hindamisel tekkivate fiiberoptlaserite majandusküsimuste üle.
Tuleb kohe märkida: erinevused on väga olulised, kuna uuel kiudlaseril on mitmeid tehnilisi omadusi ja omadusi, mille tõttu ei ole täiesti õige klassikaliste laserite kasutamise kogemust uutele seadmetele üle kanda. Seetõttu on soovitatav alustada kiudlaseriga esmalt nende omaduste ja erinevuste väljatoomisest.
Kiudlaser:
Kaasaegsete emitterite ainulaadne eluiga (rohkem kui 100 000 tundi koos võimalusega pikendada eluiga suhteliselt madalate kuludega) ja peaaegu null kasutuskulud. Kohustuslik, võttes arvesse UST ja käibemaksu kaudu osa amortisatsiooni tegelikku välistamist olemasolevas maksusüsteemis. Kuna see võib olla äärmiselt oluline majanduslik tegur (st osa amortisatsioonist jääb otse teie käsutusse, kuna seda ei kasutata).
Minimaalsed kulud ja aeg ruumide ettevalmistamiseks ja kasutuselevõtuks. Kasutuselevõtu käigus nimetatakse kiudlaserit "paigaldamiseks".
Kiudlaser, selle uskumatu mitmekülgsus laserallikana. Reeglina on kiudlaser näide "puhta" kiire energia allikast, seega pole selles praktiliselt mingit tehnoloogilist spetsiifilisust, see tähendab, et tootmise mitmekesistamise või muul viisil ümberkorraldamise ajal saab kiudlaserit ühelt tehnoloogiliselt ümber suunata. protsessi teisele. Sellist allikat võib isegi nimetada muidugi (reservatsioonidega) - likviidseks, selles mõttes, et see säilitab väärtuse ja väärtuse iseeneses. Siit hakkavad arenema teatud laservahetus- ja liisinguteenused (nende küsimustega on kõige parem pöörduda otse tootja poole).
Kiudlaser, selle peamised omadused:
Selle võimsuse suurendamise tõenäosus. Saate osta näiteks 700 W võimsusega kiudlaseri, mille konstruktsioonimarginaal on, ja seejärel osta lihtsalt spetsiaalsed pumpamisseadmed, suurendades sellega võimsust näiteks kuni 2400 W. Samal ajal pole tootmissüsteemis (lisaplokkide paigaldamise protsess ei kesta kauem kui 3 tundi) praktiliselt midagi muuta. See võimaldab oluliselt vähendada esialgseid kapitaliinvesteeringuid, samuti tõsta tootlikkust oma tootmiseks vajalikul hetkel.
Kiirguse edastamine otse läbi optilise kaabli, mille pikkus jääb vahemikku 10–100 meetrit, lihtsustab oluliselt tehnoloogiliste süsteemide kui terviku projekteerimist ja paigutust. Saate kasutada tohutut valikut tööstusrobootikat. Väärib märkimist, et mõnede tootmisülesannete jaoks on vaja ainult 3 komponenti, nimelt fiiberlaserit/protsessipead/tööstusrobotit. Loomulikult on kogemuste puudumisel endiselt vaja integraatorettevõtte teenuseid, kuid konkreetse tootmissüsteemi korraldamise kogukulud vähenevad oluliselt.
Kiudlaser on multifunktsionaalne ja mitmeotstarbeline tehnoloogiline ala laserallika maksimaalseks koormamiseks. Loomulikult pole see nii lihtne, kui esmapilgul võib tunduda, kuid see on täiesti võimalik. Ja selle tõenäosuse tähtsuse tõttu arutame seda edasi.
Küsimus spetsialistidele ja personalile üldiselt. Kiudlaser välistab ettevõtte vajaduse säilitada optika, vaakumsüsteemide ja elektrilahenduste alaste teadmistega spetsialiste. Kiudlaser, selle kasutamiseks pole midagi vaja, kuna operaatori koolitus ei kesta kauem kui 1 nädal. Loomulikult ei vabasta see ettevõtet vajadusest pädevate tehnoloogide järele, kuid see on veel üks küsimus, millel pole laseri endaga absoluutselt mingit pistmist. On täiesti võimalik ära kasutada olemasolevat personali ja samal ajal saavutada kõrgem tegevusefektiivsus.
Kiudlaser, selle põhitehnoloogiad:
Need 7 punkti iseenesest võivad äratada suurt huvi uute kaasaegsete seadmete vastu. Efekti suurendamiseks tuleks loetleda mõned põhitehnoloogiad:
- metallide laserlõikus. Me ei räägi ainult klassikalisest lehtede lõikamisest, vaid ka väga mahulisest lõikamisest, näiteks tööstuslike robotite kasutamisega;
- laserperforatsioon (filtrielemendid, võrgud);
- laserkeevitus. Esiteks on see suure jõudlusega õmbluse põkkkeevitus ilma servade ettevalmistusi ja täitematerjale kasutamata. Kuid tänapäeval arendavad tehnoloogid üsna kiiresti hübriidprotsesse, see tähendab kombineeritud keevitusskeeme, mis ühendavad laserkiire ja vastavalt elektrikaare;
- laserkarastamine (kuumtöötlemine) on protsess, mis tagab detaili teatud fragmentide lokaalse kõvenemise ilma olulise termilise mõjuta detailile;1
- laserpindamine on kaarepinna toimingu analoog, mida iseloomustab kõrge lokaalsus ja täpsus;
- katete ja mustuse laserpuhastus. Kõige keskkonnasõbralikum ja mittekontaktne puhastusmeetod, millel on potentsiaali konkureerida masstehnoloogiatega, näiteks liivapritsiga.
Otse majanduslike aspektide juurde liikudes väärib märkimist, et fiiberlaser ja selle süsteem on praegu klassikalistest CO2 laseritest suurusjärgu võrra kallimad ja seetõttu moodustab laseri enda hind reeglina olulise osa tehnoloogilisest süsteemist tervikuna. .
Kiudlaser, selle minimaalne komplekt sisaldab: laseriga tehnoloogilise operatsiooni teostamiseks mõeldud seadmed sisaldab:
- kiudlaseri maksumus peab olema rub./kW;
- kiudlaseril on spetsiaalne lasertöötluspea, mis tekitab kiirgusvoo, aga ka muude ainete voogusid otse töötlemistsoonis;
- manipulaator (robootiline) toote või laserpea liigutamiseks, samuti protsessi üldiseks ja põhjalikuks juhtimiseks. Kui kasutate valmis ja universaalset kiudlaserit, sõltuvad kulud otseselt konfiguratsioonist ja loomulikult kaubamärgist.
Fiiberlaser, selle minimaalne komplekt lasertehnoloogilise süsteemi jaoks on järgmine: 1 – laser, 2 – tehnopea, 3 – valguskaabel, 4 – manipulaator.
Seega on 1000 W võimsusega tehnoloogilise süsteemi puhul kapitalikulude põhisumma ligikaudu 6 miljonit rubla. RF. Tegelikult pole see veel kõik kulud, kuna arvestada tuleb ka tarkvara, integratsiooni, ruumide ettevalmistamise ja tootmise kuludega. Seetõttu oleks arvutuste lihtsuse huvides kõige mõistlikum eeldada, et kogu investeeringu - fiiberoplaser - maksumus on ligikaudu 2 hinda. Sarnast osakaalu täheldatakse eelkõige metalli lõikamiseks mõeldud lasermasinate puhul. Kiudlaseri võimsus on 2000 W. Hinnad jäävad vahemikku 12-14 miljonit Vene rubla. Samal ajal on laserlõikusseadmed üsna suur ja suurte mõõtmetega keerukas süsteem. Kuid tänu seeriatootmisele ja standardsele, hästi testitud tehnoloogiale langeb hind märgatavalt.
Teistes tehnoloogilistes protsessides (näiteks keevitamine, karastamine) võib selliste seadmete kompleks olla palju lihtsam, kuid siin tasub arvestada, et praeguses etapis ei ole sellised tehnoloogiad üldse pakitud standardsetesse jadakompleksidesse (st selles Kui sellega kaasnevad kulud tehnoloogiale ja inseneritegevusele, ja seejuures väga märkimisväärsed). Seetõttu võib x2 koefitsient laia kasutusklassi jaoks, millel on keskmine automatiseeritus (st töötlemisprotsess on automaatne ning peale- ja mahalaadimine kas poolautomaatne või käsitsi) õigustatud.
Lasertehnoloogia ökonoomika 2 katsetootmise probleemi analüüsimise teel
Vaatleme esimest tootmisprobleemi kiudlaseriga:
Seega vaatleme esimese katseülesandena silindrilise geomeetriaga detailide masstootmist, mille puhul on vaja keevitada 2 poolkeha üheks (tahkeks) suletud korpuseks. See on standardne ülesanne erinevat tüüpi filtrite valmistamisel. Terase paksus on 0,5-1 mm, toote keskmine läbimõõt on 60 mm. Probleemi eesmärk on maksimaalne tootmismaht toote minimaalse maksumusega.
Tootmissüsteem ise sünteesitakse selle ülesande jaoks peaaegu automaatselt. Sellise toote kiireks laserkeevitamiseks on vaja umbes 700 W võimsusega kiudlaserit (st lineaarkeevituskiirus on umbes 50 mm/sek), vaja on üsna lihtsat keevituspead, toote rotaatorit (automaatne) ja vastavalt sellele toorikute peale- ja mahalaadimissüsteem. Laadimissüsteemi jaoks on võimalik kasutada lihtsat salvesööturit. Kiudlaser, eeldatakse, et keevitamiseks mõeldud tooted on töötajate poolt juba eelnevalt kokku pandud. Sõltuvalt toorikute endi kvaliteeditasemest (suuruse kalibreerimine) võib aga olla vajalik toodete ühenduskoha – keevituspea asendi – korrigeerimissüsteem. Üldiselt on sellise üsna lihtsa süsteemi väljatöötamise ja vastavalt ka tootmise maksumus ligikaudu 5 miljonit rubla.
Pärast esitatud teksti saame teha väikese järelduse:
- Süsteemi majanduslikud parameetrid halvenevad oluliselt, kui väheneb seadmete ja loomulikult ka personali koormustase: toota näiteks 10% tooteid/detaile maksimaalsest tootmisprotsessi näitajast, tõuseb kulu lihtsalt 10 korda. Seega on mõlemal juhul üsna kallis varustus alakasutatud ja vastavalt sellele istub personal jõude.
- Ka kulude osas ei anna automatiseerimisest loobumine midagi: üleminek automatiseerimata tehnoloogilistele protsessidele tõstab ka toodete omahinda ja seda järsult. See juhtub tööviljakuse üldise languse tõttu.
- Lasertehnoloogia kasutamine võimaldab “võita” ainult tootmissüsteemi maksimaalse koormusega (või vähemalt maksimumi lähedasel) ning on otseselt kasulik nii tootmistingimustele endale kui ka suuremahulisele tootmisele. Lasertöötlusprotsessi kõrge kvaliteet (s.o reprodutseeritavus ja stabiilsus) on selliste lavastuste puhul äärmiselt oluline.
On selge, et suuremahuliste rakenduste puhul võib kiudlaserkeevituse tasuvus olla üldise tootlikkuse järsu tõusu tõttu üsna kiire.
Vaatleme teist tootmisprobleemi kiudlaseriga:
Reeglina iseloomustab paljusid reaalseid ettevõtteid oluliselt madalam seeriatootmine, mistõttu tekib laserallika laadimise probleem pidevalt.
Näiteks valmistab teatud ettevõte komplekstoodet, mis koosneb silindrilisest korpusest ja sellele tuleb keevitada võimsa kinnituselemendiga kaas ning 2 elementi tuleb keevitada ka otse kaane enda külge. Sellise toote sees on ka varras, mis töötab abrasiivrežiimis ja vajab seetõttu tugevdamist, samuti vedelikufilter, mis on valmistatud rõnga kujul, mille külge on joodetud metallvõrk. Selliste toodete hinnanguline seeriatoodang on 100 000 aastas.
Tüüpilises toodete valmistamise põhitehnoloogias kasutatakse järgmisi tehnoloogilisi protsesse:
- silmaga pea jaoks mõeldud sepiste tootmine;
- sepistamise kompleksne mehhaniseeritud töötlemine;
- aukude lõikamine (mitu) korpusesse mehaanilisel meetodil;
- vajalike osade keevitamine aukudesse;
- pea keevitamine põhikorpuse külge on suur protsent defekte, mille põhjuseks on muuhulgas geomeetria rikkumised (st pea telje ja silindri telje nihkumine);
- varda mahuline karastamine, kroomimine ja lihvimine;
- rõngasvõrgu lõikamine;
- järgnev võrgu jootmine piki välis- ja sisekontuure (üsna raskesti automatiseeritav protsess, millel on palju defekte).
Selle katseülesande toode: 1 – korpus, 2 – kate, 3 – keevitatud osa, 4 – aukudega rõngas, 5 – filtrivõrk. Kiudlaser:
Kas sellise toote valmistamisel on võimalik kasutada kiudlaserit, et teostada või lihtsustada tehnoloogilist protsessi? Idee olemus on järgmine: kasutada kiudlaserit otse ajajaotusrežiimis, koormates seeläbi selle ressurssi erinevate toimingutega. Tehnilisest küljest on selline võimalus olemas, kuid selle tehnilisi aspekte käsitleme loo lõpus.
Andmebaasist pärit fiiberopseri lasertehnoloogia parameetrite põhjal hindame ennekõike, et vajame laserallikat võimsusega 1500 W. See on loomulikult minimaalne võimsus, mis on vajalik elementide usaldusväärseks keevitamiseks. Kuna plaanis on laseri multifunktsionaalne kasutamine, peaks robotseadmete hind reeglina olema kõrgem.
Samuti tuleb mainida üliolulist lahutamatut eelist: tootekvaliteedi taseme tõus on äärmiselt oluline ja oluline konkurentsitegur otse müügiturul, mis võimaldab hõivata sellest olulise osa.
Eraldi tasub rõhutada, et kiudlaser ja selle kasutamisel kõigi kavandatavate tehnoloogiliste protsesside utilitaarne teostatavus on juba läbinud vastava testimise ning nende protsesside kohta on olemas esialgsed katseandmed.
Seega: kiudlaser, selle lasertehnoloogiate komplekti kompleksne kasutamine võib üsna realistlikult anda üsna suure üldefekti, kuid ainult tingimusel, et laserseadmed on täielikult laetud!
Laseri tootmisvõimaluse maksumus arvutatakse ainult tööstusettevõtte alahinnatud kuludega, kuid aus minuti maksumuse arvutamine näitab selgelt, et sellise projekti kasumlikkuse marginaal on nii suur ja ilmne, et see on märkimisväärselt kasumlik isegi suurte üldkuludega – ja see on fakt!
Märkimist väärib ka fiiberlaser: lasersüsteemi projekteerija võib soovitada tehnoloogilise funktsionaalsuse jagada asümmeetriliselt (st mitte võrdselt) 2 laserkompleksiks - 1. laserkompleks teeb eranditult aukude lõikamise ja keevitustööd ning 2. järelejäänud toimingud filtrite valmistamiseks ja varraste karastamine. Või võib see jätta ainult esimese kompleksi, mis teeb toiminguid kahe esimese teguriga, kuna need panustavad kogu projekti kasumlikkusse. Fiiberlaser, need otsused määravad kindlasti paljuski tehnilised probleemid, nimelt küsimused: "Kuidas täpselt multifunktsionaalsust rakendatakse?" - "Kas seda on tõesti võimalik tehniliselt rakendada?" - "Milliseid otseseid probleeme võib see kaasa tuua?" Vaatleme võimalusi ja võimalusi.
Kiudlaser ja selle rakendused:
Manipulaatorile asetatud laserpeaga roboti kasutamine antud testülesande täitmiseks on täiesti õnnestunud lahendus. Esiteks on robot võimeline automaatselt keevitama rõnga põhikaane külge kõigist neljast küljest, kulutades üleminekutele minimaalselt aega ning eemaldamise ja käsitsi paigaldamisega elementaarse pöörleva toote positsioneerija valmistamisel kulub aega otse peale- ja mahalaadimine minimeeritakse. Mis muidugi kehtib ka muude lõikamis- ja keevitusoperatsioonide kohta.
Universaalrobotite kasutamise eeliseks on see, et praktiliselt jäävad ära mittestandardsete tehnoloogiliste seadmete ja tööriistade projekteerimise ja seejärel valmistamise kulud. Kuna tootmiskoolituse põhikoormus langeb just robotile teatud programmide ettevalmistamisele ehk selle efektiivsusele.
MITME SAIDI KASUTAMINE.
See lahendus eeldab absoluutselt kõikide tehnoloogiliste operatsioonide jaoks eraldi tehnoloogilise jaama väljatöötamist, mis on varustatud ülifunktsionaalse manipulaatoriga. Teatud toimingu sooritamise järel paigaldatakse optilise kaabliga laseriga ühendatud laserpea teise tehnoloogilise jaama juurde ja reguleeritakse vastavalt uuesti sama või mõne teise tootepartiiga tehtava toimingu jaoks.
Teatud toimingu sooritamise järel paigaldatakse kiudlaser, selle laserpea, mis on optilise kaabliga laseriga ühendatud, teise tehnojaama tagasi, kohandatakse vastavalt teisele toimingule ja töödeldakse teist operatsiooni, tehakse samal või teisel. toodete partii.
Fiiberlaser Kahjuks ei ole veel võimalik eri asendites isiklikke lasertehnoloogilisi päid olla. Kuna töökoja keskkonnas on optilise kaabli pea küljest lahtiühendamine tolmususe tõttu rangelt keelatud, kuna optilise väljundi tabamisel põhjustab optilise väljundi väikseimgi tolmukübe reeglina selle väljundi pöördumatu hävimise. Lahendust sellele probleemile ootavad kõik sarnase seadmestikuga ettevõtted pikisilmi ja võib-olla lähitulevikus see siiski leitakse.
OPTILISTE MULTIPLEKSERI KASUTAMINE
Uus funktsioon, mida praegu kasutatakse harva. Selle põhiolemus on järgmine: saate osta teatud spetsiaalse laserkiire lüliti, mis on ühendatud selle sisendiga laseriga ja üksikute postide juures mitme tehnoloogilise peaga väljundiga. Kiirguse ümberlülitumine toimub jaamade vahel üsna kiiresti ning selline süsteem võib minimeerida ajakadu toodete vahetamiseks ja tehnoloogilisteks üleminekuteks.
Selleks peab tipptasemel süsteem pakkuma dispetšerfunktsioone, samuti jaotama laserallika ressursse otse vastavalt nende tehnoloogiliste postituste nõudmistele. Kuna moodustamise arvutustes eeldasime, et laadimis- ja mahalaadimisaeg on vähemalt võrdne tööajaga, siis sellisel juhul piisab sellise multiplekseri kasutamisel ainult ühest laserist, et teostada testprogramm ligikaudu 100 000 ühiku tootmiseks. tooted.
Sellise multiplekseri maksumus on umbes 1-2 miljonit rubla. Lisaks tuleb tähele panna, et kiudlaserit saab tellida koos sisseehitatud multiplekseriga, millel on mitu väljundit.
Võib-olla on ainsaks puuduseks see, et multiplekser halvendab veidi kiirguse kvaliteeti (st väljundis on vaja kasutada palju suurema ristlõikega kiudu), kuid see on kriitiline ainult laserlõikamisel. Kiudlaser, selle sarnane süsteem on kõige optimaalsem ja otstarbekam. Multiplekseri puhul kompenseeritakse täiendavad kapitalikulud mitmekordselt tänu laseri koormustasemele.
Niisiis: 1 – laser, 2 – optiline lüliti, 3 – pead (tehnoloogilised), 4 – tehnoloogilised jaamad, 5 – keskjuhtimissüsteem.
Veel üks oluline küsimus, mis on seotud laserpeade enda mitmekülgsusega: Kui plaanite kasutada tööstusrobotit või mitme jaamaga ala, siis peab laserpea omama mitmekülgsuse omadust (st suutma läbi viia erinevaid tehnoloogilisi protsesse) . Tänapäeval lääne tootjad selliseid päid ei tooda!
Sellised seadmed on aga juba olemas: peagi algab masstootmine – universaalne häälestatav pea, mis suudab teha kiudlaserkiirgust kasutades kogu põhilist tehnoloogilist operatsiooni (keevitus, lõikamine, karastamine, perforeerimine). Pea kohandamine mis tahes konkreetseks toiminguks toimub nii optilise süsteemi automaatse teisendamise kui ka vahetatava tehnoloogilise kinnituse (st selle asendamise) kaudu, mis kinnitatakse vastavalt tuntud magnetvedrustuse põhimõttele.
Kiudlaser, selle eelised:
Hinnangud näitavad, et kiudlaseril on märkimisväärne majanduslik potentsiaal.
- Kaasaegsetel laseritel põhinevate fiiberlaserite projektide kõrge tasuvus on tagatud eranditult maksimaalse seadmekoormusega ehk tänu uute laserite küllaltki olulisele töökindlusele ja ainulaadsele ressursile on see tehniliselt võimalik.
- Multifunktsionaalsetel tehnoloogilistel valdkondadel, mis jagavad laserallika ressurssi, võib olla üsna märkimisväärne tulevik.
- Vaatamata märkimisväärsetele kapitaliinvesteeringutele võib laserseadmete ja lasertehnoloogiliste süsteemide tasuvus üldiselt olla väga-väga kiire, kuni 1-1,5 aastat.
Kiudlaser on täielikult või osaliselt fiiberoptilise teostusega laser, kus võimenduskeskkond ja mõnel juhul ka resonaator on valmistatud valguskiust.
Kiudlaser on täielikult või osaliselt fiiberoptilise teostusega laser, kus optiline kiud A tehakse võimenduskeskkond ja mõnel juhul ka resonaator. Sõltuvalt kiu rakendamise astmest võib laser olla täiskiud (aktiivne meedium ja resonaator) või diskreetkiud (ainult kiudresonaator või muud elemendid).
Kiudlaserid võivad töötada nii pidevlaines kui ka nano- ja femtosekundilistes impulssimpulssides.
Disain laser oleneb nende töö spetsiifikast. Resonaatoriks võib olla Fabry-Perot süsteem või ringresonaator. Enamikus konstruktsioonides kasutatakse aktiivse keskkonnana haruldaste muldmetallide ioonidega legeeritud optilist kiudu - tulium, erbium, neodüüm, ütterbium, praseodüüm. Laser pumbatakse ühe või mitme laserdioodi abil otse fiibersüdamikusse või suure võimsusega süsteemides sisekattesse.
Kiudlasereid kasutatakse laialdaselt tänu laiale parameetrite valikule ja võimalusele kohandada impulssi laias pikkuses, sagedustes ja võimsustes.
Kiudlaserite võimsus on 1 W kuni 30 kW. Optilise kiu pikkus – kuni 20 m.
Kiudlaserite rakendused:
– lõikamine metallid ja polümeerid tööstuslikus tootmises,
– täppis lõikamine,
– mikrotöötlus metallid ja polümeerid,
– Pinnatöötlus,
– jootmine,
– kuumtöötlus,
– toote märgistus,
– telekommunikatsioon (kiudoptilised sideliinid),
– elektroonika tootmine,
– meditsiiniseadmete tootmine,
– teaduslik aparatuur.
Kiudlaserite eelised:
– kiudlaserid on ainulaadne tööriist, mis avab materjalitöötluses uue ajastu,
– kaasaskantavus ja võimalus valida kiudlaserite lainepikkust võimaldavad uusi tõhusaid rakendusi, mis pole saadaval muud tüüpi praegu olemasolevate laserite jaoks,
- parem kui muud tüüpi laserid peaaegu kõigi oluliste parameetrite poolest, mis on nende tööstusliku kasutamise seisukohast olulised,
– võimalus kohandada impulssi laias pikkuses, sageduses ja võimsuses,
– võimalus seadistada vajaliku sagedusega ja suure tippvõimsusega lühikeste impulsside jada, mis on vajalik näiteks lasergraveerimiseks,
– lai valik parameetreid.
Erinevat tüüpi laserite võrdlus:
| Parameeter | Nõutav tööstuslikuks kasutamiseks | CO 2 | YAG-Nd lambipumbaga | Dioodpumbaga YAG-Nd | Dioodlaserid | |
| Väljundvõimsus, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Lainepikkus, µm | nii vähem kui võimalik | 10,6 | 1,064 | 1,064 või 1,03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Tõhusus, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Kiudkiirguse edastamise ulatus | 10…300 | puudub | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Väljundvõimsuse stabiilsus | nii kõrgele kui võimalik | madal | madal | madal | kõrge | väga kõrge |
| Tagasipeegelduse tundlikkus | nii madalale kui võimalik | kõrge | kõrge | kõrge | madal | madal |
| Hõivatud pind, ruutmeetrit | nii vähem kui võimalik | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Paigaldusmaksumus, suhtelised ühikud | nii vähem kui võimalik | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Operatsiooni maksumus, rel | nii vähem kui võimalik | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Hoolduskulu, rel | nii vähem kui võimalik | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Lambi või laserdioodi vahetamise sagedus, tund. | nii palju kui võimalik | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus impulsskiud ytterbium laser 50w 100kw osta tootja
fiiber-tahkelaserid
metalli lõikamine vineer fantastiline cernark graveerimine režiimid sügav graveerimine kiudlaseriga
ytterbium kiudlaserseade
fiibermasin müüa laserit
tööpõhimõte tootmine Fryazino 1,65 mikronit tehnoloogia ytterbium osta hind ipg hj 1 optika metalli lõikamiseks graveerimine impulss tööpõhimõte masin optilised rakendused võimsus tee ise seadme diagramm lainepikkus keevitamine tootja lõikab lainetena
Nõudluse tegur 902
Kiudlaserite all mõistetakse optiliselt pumbatavaid pooljuhtlasereid, mille aktiivseks elemendiks on laseraktivaatorite lisanditega fiibervalgusjuht. Valgusjuhtsüsteemide jaoks on kõige lootustandvamad laserid, mis põhinevad neodüümiioonide poolt aktiveeritud kiududel. Neodüümioonidel on kaks peamist laserijoont, mille lainepikkus on µm ja µm, mis asuvad spektrivahemikus, kus valguse kaod ja hajumine kvartskiududes on minimaalne.
Riis. 4.11. Relee sektsiooni pikkuse sõltuvus infoedastuskiirusest astmelise kiu puhul, mille sumbumine on mikronites:
1 - laserdioodi jaoks (iseloomulik langus BC sektsioonis on tingitud intermode dispersioonist) 2 - sbeto-emitting dioodi jaoks (iseloomulik langus on tingitud dioodi laiast spektrist sektsioonis ja lisaks sageduskarakteristiku langus sektsioonis)
Neodüümi võimenduse spektraalkarakteristikud on praktiliselt sõltumatud välistingimustest, neodüümiioonide maksimaalsele võimendusele vastava lainepikkuse temperatuuritriiv on võrdne, samas kui pooljuhtkandjate puhul on see parameeter Emitteri kiudkonstruktsioon võimaldab kasutada standardseid pistikuid; tõhusalt viia kiirgust kiudvalgusjuhikutesse, sealhulgas ja üherežiimilistesse.
Vaatamata nendele eelistele ja, nagu allpool näidatud, laiale funktsionaalsusele, ei ole kiudlaserid veel uurimisetapist väljunud. Seda seletatakse asjaoluga, et fiiberoptiliste süsteemide loomisel lahendati palju probleeme hästiarenenud pooljuhtemitterite abil, eriti esmajärjekorras üsna lihtsates süsteemides, kus pooljuhtallikate üks peamisi eeliseid mängib otsustavat rolli. - kiirguse intensiivsuse otsese moduleerimise võimalus pumba vooluga. Tahkislaserites, eriti neodüümiga aktiveeritud kandjatel põhinevates laserites, on kiirguse intensiivsuse kiire moduleerimine pumba võimsust muutes suhteliselt pika pikisuunalise lõõgastusaja tõttu põhimõtteliselt võimatu. Suutmatus kiiresti "sisse lülitada" ümberpööratud populatsiooni piirab otsese modulatsiooni sagedusi Hz väärtustega. Valgusjuhtsüsteemide arendamine, eriti lähituleviku paljutõotavad sidusa vastuvõtu ja mitme kanaliga spektrisüsteemid
tihendamine stimuleerib kiudlaserite väljatöötamist, mida saab kasutada mitte ainult generaatoritena, vaid ka valgusvõimenditena.
Olemasolevad kiudlaseri kujundused võib jagada kolme rühma. Esimese rühma kiudlaserid kasutavad mitmetest pikkadest kiududest koosnevaid kimpe ja võimsat pumpamist impulssgaaslahenduslampidega. Positiivne tagasiside sellistes struktuurides tekib tänu valguse peegeldumisele kiudude otstest ning tagasihajumisest mikrokõveruste ja ebahomogeensuste korral.
Riis. 4.12. Kiudlaserite konstruktsioonid: a - otsapumpamisega; b - väikese läbimõõduga kiudude jaoks põikipumpamisega, c - kiudude otsese asetamisega joonlauale - kiirgav platvorm - laserresonaatori peegel, kiirgusele läbipaistev, 13 - aktiivkiud, 5 - resonaatorpeegel; 6 - optiline liim, 8 - reflektor, 9 - klaassilinder, 10, 12 - radiaatorid; 11, 14 - LED-liinid
Torupumpamine võimaldab saavutada suure kasu ühe läbimisega, kuid nõuab sundvedeliku jahutussüsteemide ja mahukate toiteallikate kasutamist, mis ilmselt muudab väikeste seadmete loomise ebareaalseks. Selles mõttes võivad teatud väljavaated peituda gaaslahendusega mikrolampide kasutamises. Lambipumbaga konstruktsioonide eeliste hulka kuulub võimalus kasutada neid liikuvate lainete optiliste võimenditena ja üsna kõrge (~30-40 dB) võimendusega regeneratiivvõimenditena.
Teises kiudlaserite disainirühmas kasutatakse lühikesi monokristallilisi ja neodüümioonidega legeeritud klaaskiude. Pumpamine toimub pooljuhtlaseriga või LED-iga läbi kiu otsa. Piisavalt kõrge pumba efektiivsus saavutatakse GaAlAs GVD-l põhineva pooljuhtemitteri emissioonispektri sobitamisel ühe neodüümi intensiivse neodüümi joonega, mille kesklainepikkus on umbes
0,81 µm. Teise rühma kiudlaserite konstruktsioon on skemaatiliselt näidatud joonisel fig. 4.12, a. Aktiivse keskkonna väikese võimenduse tõttu moodustub laserõõnsus
suure peegeldusvõimega dielektrilised peeglid. Sellise konstruktsiooniga on laserid, mis põhinevad monokristallilistel kiududel, mis on valmistatud neodüümiga ütriumalumiiniumgranaadist ja neodüümiga klaaskvartskiududest. On teateid genereerimisest krüptoonlaseriga otsapumpamisega kristallilises kius ja argoonlaseriga pumpamisega rubiinkius. Parimad tulemused saadi 0,5 cm pikkuse ja 80 kiu geomeetriaga kristalli kasutamisel μm läbimõõduga. Välisresonaatori (joon. 4.12, a) moodustasid dielektrilise kattega peeglid, millest ühel oli laserkiirguse peegeldusvõime mikronitega ja ainult pumba kiirguse jaoks, teine peegeldus sama suure peegeldusvõimega laserkiirgusele peegeldas pumpa. valgus üsna hästi Peeglid asusid peaaegu kiu otste lähedal. Pumpamine viidi läbi pinna-LED-iga, mille kiirgusala läbimõõt oli 85 μm. Lävi pumba võimsus oli
Sellise disainiga fiiberoplaserite peamised eelised on madal energiatarve ja üldmõõtmed. Peamised puudused: otsapumpamisahel ei võimalda kasutada kiudude segmente pikkusega üle 1 cm, mis piirab väljundvõimsust. Lisaks on nende laserite tootmis- ja joondustehnoloogia keeruline ning pumba LED-i olemasolu ühes otsas raskendab laseri kasutamist optilise signaali võimendina.
Mitme pöördega kiudlaserid põiki pumpamisega LED-varraste abil (joonis kujutab kolmanda rühma kujundusi. LED-ribale on asetatud mitu keerdu klaaskiudu, mille südamik aktiveerub neodüümiioonide poolt. Disain teatud määral ühendab esimese ja teise rühma kiudlaserite eelised ja puudub enamik nende puudustest. Pooljuhtemitterite kasutamine pumba allikatena muudab sellised süsteemid üsna väikeseks, kuna see muudab selle ristsuunalise pumpamise skeemiks Võimalik saada ühe läbimisega üsna suur võimendus tänu optiliste kiudude väikesele läbimõõdule ristsuunas pumbatavas skeemis on kõrge ioonikontsentratsiooniga klaaskiudude kasutamine ja seega ka kõrge neodüümi koefitsient pumba valgus Neodüüm-ultrafosfaatidest valmistatud kiududel on sellised omadused. Nii tõmmatakse kiutükk korduvalt läbi ca 1 mm läbimõõduga klaassilindri (joon. 4.12, b), mille välispinnale kantakse peegeldav kate.
pumba kiirguse kasutamise efektiivsuse suurendamine. Seda meetodit eelistatakse väikese välisläbimõõduga (µm) kiudude puhul. LED-liinile saab asetada suurema läbimõõduga kiudusid pöörd-pöördeks (joon. 4.12, c). Mõlemat konstruktsiooni saab kasutada liikuvate lainete optiliste võimenditena, kusjuures valgusjuhi üks ots on võimendi sisend ja teine väljund. Peegelkatete kandmine kiudude otstele võimaldab laserit Fabry-Perot fiiberresonaatoriga.
Laserprotsesside omadused aktiivsetes optilistes kiududes määratakse konkreetse laseri genereerimise olemasoluga positiivse tagasiside puudumisel.
Riis. 4.13. Kiudvalgusjuht: a - aktiivse südamiku ja passiivse kattega; b - passiivse südamiku ja aktiivse kestaga (2)
See on peamine erinevus kiudlaserite ja mahulistel aktiivelementidel põhinevate laserite vahel. Selle pooljuht-LED-de superluminestsentsrežiimile lähedase protsessi olemuse selgitamiseks vaatleme mõnda valgusjuhi elementaarset lõiku, milles tekib ümberpööratud populatsioon (joonis 4.13, a). Spontaanne emissioon toimub kõigis suundades võrdse tõenäosusega, kuid kiirgus, mis on koondunud kahte nurgakoonusse, millel on kiuga ühine telg ja mis on määratud avanemisnurgaga 20, ei lahku südamikust. Siin
kus on vastavalt südamiku ja katte murdumisnäitajad See kiirgus ergastab kiu loomulikke võnkumisi (režiime), mida võimendab stimuleeritud emissioon piki kiudu paremale ja vasakule (joonis 4.13, a). Sama pilt on täheldatud kõigi teiste aktiivse kiu südamiku elementaarsete osade puhul. Sellise kiudvalgusallika väljundis määrab kiirguse lahknemise ligikaudu kiu numbriline ava
Kuni aktiivses valgusjuhis üksteise poole levivate valguslainete intensiivsus on oluliselt väiksem kui võimendust küllastav väärtus, on vastulevivad lained sõltumatud, samuti valgusjuhi erinevate režiimide poolt ülekantavad energiad. Nendes tingimustes kirjeldatakse stimuleeritud emissioonist tingitud spontaanse emissiooni võimendamise protsessi hästi tuntud laservõimendi võrranditega ilma küllastuseta ja spontaanset emissiooni arvesse võttes. Kiirguse spektraalne võimsustihedus ühes režiimis kiu pikkuse aktiivse lõigu väljundis (joon. 4.13, a) on võrdne
Siin on Plancki konstant; - valguse vibratsiooni sagedus; - laseri ülemise ja alumise taseme populatsioonid; - võimendus pikkuseühiku kohta, kus on sunnitud ülemineku Einsteini koefitsient; - spektraalse võimendusjoone normaliseeritud kuju; c on valguse kiirus. Maksimaalset genereeritud võimsust saab piirata kas kiu pikkusega või, nagu resonaatoritega laserite puhul, küllastusega. Loomulikult kitseneb võimendusprotsessi käigus generatsioonispekter võrreldes luminestsentsspektriga, kuna joone keskel olevad spektrikomponendid võimenduvad rohkem. Spektri laiuse määrab võimendus ja kuju ning emissioonispekter on pidev resonaatori puudumise tõttu.
Vaadeldaval konkreetsel kiudlaserprotsessil on kolm olulist aspekti.
1. Aktiivkiudvalgusjuhti saab kasutada valgusallikana ilma optilise resonaatorita.
2. Traditsioonilise õõnsusdisaini abil fiiberlaserite loomisel tuleb arvestada, et vaadeldav protsess võib viia ühe läbimisega küllastuse saavutamiseni, mille tulemusena kaotab tagasiside tähenduse. Sel juhul tuleb ja väärtused valida nii, et need oleksid kaugel võimenduse küllastavast väärtusest.
3. Fiiberoptilistes võimendites on käsitletava protsessi tulemusena tekkiv valgus peamine müraallikas. Müra võimsuse spektraalne tihedus ühes režiimis, mis arvutatakse ümber võimendi sisendile, nagu tuleneb valemist (4.12), on võrdne
Neljatasemelises süsteemis, näiteks neodüümlaseri nivooahelas, tavaliselt suure võimendusega
Volumeetrilistes võimendites on võimendatud spontaanse emissiooni müra pikka aega peetud põhimõtteliselt eemaldamatuks (vt näiteks tööd), kuid kiudvõimendites saab selle taset oluliselt vähendada, kui kasutada joonisel fig. 4.13, 6. Ühemoodiline kiud, mille südamik on valmistatud kvartsklaasist koos murdumisnäitajat tõstva lisandiga, on näiteks neodüümioonide poolt aktiveeritud klaasist kattekihiga. Pöördpopulatsiooni loomine ümbrises viib põhirežiimi võimendamiseni tõhusa võimendusega
kus on kasu kestas; - osa tuumrežiimi võimsusest, mis levib kattes; P on selle režiimi koguvõimsus. Suhe muutub 0,99-lt 0,1-le, kui kiu parameeter muutub 0,6-lt 2,4048-le. Kui tuum hakkab põhirežiimi tõhusalt suunama, lokaliseerides oma välja enda lähedale, ergastab teine režiim. Valem saadi samamoodi nagu kiudude sumbumiskoefitsiendi avaldis kattekihiga, mille kiirguskaod on madalama kvaliteediga kui kiududel. Esimeste olulisteks puudusteks on võimendusliini temperatuuri ebastabiilsus (mikronite puhul), olulised kaod ühemoodiliste kiudvalgusjuhtide ühendamisel võimendi tasapinnalise valgusjuhiga ja kõrge müravõimsus - superluminestsentskiirgus.
Kiudlaserid avavad võimaluse luua uut tüüpi FOD-sid. Tundlik element, mis on kiudvalgusjuht, on siin osa kiudrõngast või lineaarsest laserresonaatorist.
Riis. 4.14. Ühe sagedusega kiudlaserid hajutatud tagasisidega (a) ja Braggi peeglitega (b): 1 - aktiivne südamik; 2 - perioodilise struktuuriga kest
Valguse võnkumiste faasi muutumine välistegurite mõjul toob kaasa laserite erinevate režiimide genereerimissageduste muutumise. Teave välismõjude kohta sisaldub intermode löökide sageduse muutumises. Rõngasresonaatoriga fiiberlaseri baasil, mis realiseeritakse valgusjuhi otste keevitamise või lahtivõtmise teel, on väikese suurusega laserkiudgüroskoobi loomine üsna lihtne.
Stabiilseid ühesageduslikke kiudlasereid saab rakendada hajutatud tagasiside või hajutatud Braggi peegelduskujundusena. Selleks luuakse kiu teatud osadesse kiudu peegeldav spektraalfilter, kasutades ühte allpool kirjeldatud meetoditest (vt punkt 4.8) (joonis 4.14). Selliseid allikaid saab kasutada faasivee dioodides.
Superluminestseeruvate kiudlaserite kasutamine võimaldab lihtsustada passiivkiudgüroskoopide disaini ja suurendada nende tundlikkust, vähendades mahuliste elementide olemasolust tingitud mürataset. Rõngaste interferomeetrites ja güroskoopides müratase väheneb koos lähtekiirguse koherentsuse pikkuse ja mahuelementide arvu vähenemisega (vt punkt 3.6). Kiudallika puhul on pöörlemise ja mittevastastikuse mõju tõttu lihtne tagada, et kiirguse koherentsuspikkus on suurem kui interferomeetri vastassuunaliste lainete vahe. Superluminestseeruvad kiudlaserid on nm spektri laiusega ja üsna suure impulsi võimsusega
ühendub standardsete sidurite abil kiudrõnga interferomeetriga.
