Proučavanje problematike laserskog rezanja metala mora započeti razmatranjem fizikalnih principa rada lasera. Budući da će se dalje u radu sve studije točnosti laserskog rezanja tankih limova provoditi na laserskom kompleksu pomoću lasera s iterbijevim vlaknima, razmotrit ćemo dizajn lasera s vlaknima.
Laser je uređaj koji pretvara energiju pumpe (svjetlosnu, električnu, toplinsku, kemijsku itd.) u energiju koherentnog, monokromatskog, polariziranog i visoko ciljanog toka zračenja.
Svjetlovodni laseri razvijeni su relativno nedavno, 1980-ih. Trenutno su poznati modeli optičkih tehnoloških lasera snage do 20 kW. Njihov spektralni sastav kreće se od 1 do 2 μm. Korištenje takvih lasera omogućuje postizanje različitih vremenskih karakteristika zračenja.
U posljednje vrijeme vlaknasti laseri aktivno zamjenjuju tradicionalne lasere u područjima primjene laserske tehnologije kao što su, na primjer, lasersko rezanje i zavarivanje metala, označavanje i površinska obrada, ispis i laserski ispis velike brzine. Koriste se u laserskim daljinomjerima i trodimenzionalnim lokatorima, telekomunikacijskoj opremi, medicinskim instalacijama itd.
Glavne vrste vlaknastih lasera su jednomodni laseri s kontinuiranim valom, uključujući jednopolarizacijske i jednofrekventne lasere; pulsirajući vlaknasti laseri koji rade u načinima Q-sklopke, zaključavanja načina i slučajne modulacije; podesivi vlaknasti laseri; superluminiscentni vlaknasti laseri; kontinuirani multimodni vlaknasti laseri velike snage.
Princip rada lasera temelji se na prijenosu svjetlosti iz fotodiode kroz dugo vlakno. Svjetlovodni laser sastoji se od modula pumpe (obično širokopojasne LED diode ili laserske diode), svjetlovoda u kojem dolazi do lasera i rezonatora. Svjetlovod sadrži aktivnu tvar (dopirano optičko vlakno - jezgra bez omotača, za razliku od konvencionalnih optičkih valovoda) i valovode pumpe. Dizajn rezonatora obično je određen tehničkim specifikacijama, ali se mogu razlikovati najčešće klase: rezonatori tipa Fabry-Perot i prstenasti rezonatori. U industrijskim postrojenjima, nekoliko lasera se ponekad kombinira u jednoj instalaciji kako bi se povećala izlazna snaga. Na sl. Na slici 1.2 prikazana je pojednostavljena shema fiber laserskog uređaja.
Riža. 1.2. Tipični krug vlaknastog lasera.
1 - aktivno vlakno; 2 - Braggova zrcala; 3 - pumpni blok.
Glavni materijal za aktivno optičko vlakno je kvarc. Visoku prozirnost kvarca osiguravaju zasićena stanja energetskih razina atoma. Nečistoće unesene dopiranjem pretvaraju kvarc u apsorbirajući medij. Odabirom snage zračenja pumpe, u takvom okruženju moguće je stvoriti inverzno stanje naseljenosti energetskih razina (odnosno, visokoenergetske razine bit će ispunjenije od razine tla). Na temelju zahtjeva za rezonantnom frekvencijom (infracrveno područje za telekomunikacije) i niskim pragom snage pumpe, u pravilu se dopiranje izvodi elementima rijetkih zemalja lantanoidne skupine. Jedna od uobičajenih vrsta vlakana je erbijeva, koja se koristi u laserskim sustavima i sustavima pojačala, čiji radni raspon leži u rasponu valne duljine 1530-1565 nm. Zbog različite vjerojatnosti prijelaza na glavnu razinu s podrazina metastabilne razine, učinkovitost generiranja ili pojačanja razlikuje se za različite valne duljine u radnom području. Stupanj dopiranja ionima rijetkih zemalja obično ovisi o duljini aktivnog vlakna koje se proizvodi. U rasponu do nekoliko desetaka metara može se kretati od desetaka do tisuća ppm, au slučaju kilometarskih duljina - 1 ppm ili manje.
Braggova zrcala - raspodijeljeni Braggov reflektor - je slojevita struktura u kojoj se indeks loma materijala periodički mijenja u jednom prostornom smjeru (okomito na slojeve).
Postoje različiti dizajni za pumpanje optičkih valovoda, od kojih su najčešći dizajni s čistim vlaknima. Jedna od opcija je da se aktivno vlakno smjesti unutar nekoliko omotača od kojih je vanjski zaštitni (tzv. dvostruko presvučeno vlakno). Prva ljuska je izrađena od čistog kvarca promjera nekoliko stotina mikrometara, a druga je izrađena od polimernog materijala, čiji je indeks loma odabran da bude znatno niži od kvarca. Dakle, prva i druga obloga stvaraju višemodni valovod velikog presjeka i numeričke aperture u koji se lansira zračenje pumpe. Na sl. Na slici 1.3 prikazan je dijagram pumpanja lasera koji se temelji na vlaknu s dvostrukom presvlakom.
Riža. 1.3. Pumpni krug za laser temeljen na vlaknu s dvostrukom presvlakom.
Prednosti vlaknastih lasera tradicionalno uključuju značajan omjer površine rezonatora i njegovog volumena, što osigurava visokokvalitetno hlađenje, toplinsku stabilnost silicija i male veličine uređaja u sličnim klasama zahtjeva snage i kvalitete. Laserska zraka, u pravilu, mora biti umetnuta u optičko vlakno za kasniju upotrebu u tehnologiji. Za lasere drugih dizajna, to zahtijeva posebne optičke kolimacijske sustave i čini uređaje osjetljivima na vibracije. U fiber laserima, zračenje se stvara izravno u vlaknu i ima visoku optičku kvalitetu. Nedostaci ove vrste lasera su rizik od nelinearnih učinaka zbog velike gustoće zračenja u vlaknu i relativno niska izlazna energija po impulsu zbog malog volumena aktivne tvari.
Vlaknasti laseri su inferiorni u odnosu na krute lasere u primjenama gdje je potrebna visoka polarizacijska stabilnost, a uporaba vlakana koja održavaju polarizaciju teška je iz različitih razloga. Solid-state laseri se ne mogu zamijeniti vlaknastim laserima u spektralnom području od 0,7-1,0 mikrona. Oni također imaju veći potencijal za povećanje izlazne snage impulsa u usporedbi s optičkim. Međutim, vlaknasti laseri rade dobro na valnim duljinama gdje nema dovoljno dobrih aktivnih medija ili zrcala za druge dizajne lasera i omogućuju lakšu implementaciju nekih dizajna lasera kao što je konverzija naviše.
Optimiziranjem jednomodnog optičkog vlakna za upotrebu u optičkim laserima, postignuta je visoko skalabilna izlazna snaga od 4,3 kW, a identificirani su daljnji pravci istraživanja za ultrabrze laserske primjene.
Jedan od gorućih problema u razvoju laserskih tehnologija je povećanje snage fiber lasera, koji su već “osvojili” tržišni udio od CO 2 lasera velike snage, kao i volumetrijskih solid-state lasera. Trenutačno veliki proizvođači fiber lasera veliku pozornost posvećuju razvoju novih aplikacija, razmišljajući o daljnjem osvajanju tržišta u budućnosti. Među laserima velike snage na tržištu, jednomodni sustavi imaju niz značajki koje ih čine najtraženijima - imaju najveću svjetlinu i mogu se fokusirati do nekoliko mikrona, što ih čini prikladnijima za ne- obrada kontaktnog materijala. Proizvodnja takvih sustava prilično je složena. IPG Photonics (Oxford, MA) predložio je razvoj jednomodnog sustava od 10 kW, ali informacije o karakteristikama snopa nisu dostupne, a posebno podaci o svim mogućim višemodnim komponentama koje bi mogle postojati uz jednomodni signal .
Njemački znanstvenici sa Sveučilišta Friedrich Schiller i Fraunhofer instituta za primijenjenu optiku i precizno inženjerstvo, uz financijsku potporu njemačke vlade, te u suradnji s TRUMPF-om, Active Fiber Systems, Jenoptik, Leibniz institutom za fotoničku tehnologiju, analizirali su probleme skaliranja takve lasere i razvili nova vlakna za prevladavanje ograničenja snage. Tim je uspješno dovršio niz testova, demonstrirajući 4,3 kW single-mode izlaz u kojem je izlazna snaga optičkog lasera bila ograničena samo snagom signala pumpe.
Čimbenici koji ograničavaju snagu zračenja jednomodnog vlaknastog lasera
Glavni zadaci koji zahtijevaju pažljivo proučavanje uključuju sljedeće: a) poboljšano pumpanje; b) razvoj aktivnog vlakna s malim optičkim gubicima, koji radi samo u jednomodnom načinu rada; c) točnije mjerenje primljenog zračenja. Uz pretpostavku da se problem poboljšanog pumpanja može riješiti korištenjem ultra-svijetlih laserskih dioda i odgovarajućih metoda isporuke pumpe, stoga ćemo u ovom članku detaljnije razmotriti druga dva.
U sklopu razvoja aktivnog vlakna za jednomodni rad velike snage odabrana su dva skupa optimizacijskih parametara: dopiranje i geometrija. Svi parametri moraju biti jasno definirani kako bi se postigli minimalni gubici, jednomodni rad i snažno pojačanje. Idealno optičko pojačalo trebalo bi osigurati visoku učinkovitost pretvorbe od preko 90%, izvrsnu kvalitetu snopa i izlaznu snagu ograničenu samo dostupnom snagom pumpe. Međutim, nadogradnja jednomodnog sustava na veće snage može rezultirati većom gustoćom snage unutar same jezgre vlakna, povećanim toplinskim opterećenjem i nizom nelinearnih optičkih učinaka kao što su stimulirano Ramanovo raspršenje (SRS) i stimulirano Brillouinovo raspršenje (SBS ).
Poprečni modovi mogu se poboljšati ovisno o veličini aktivne zone vlakana. Što je manji aktivni presjek vlakna, to je manji broj takvih modova - za određeni omjer između presjeka vlakna i obloge. Međutim, manji promjer također određuje veću gustoću snage, a pri savijanju vlakna, na primjer, dodaju se i gubici za veće modove. Međutim, s velikim promjerom jezgre vlakna i toplinskim naprezanjem, mogu se pojaviti drugi načini emisije. Takvi načini su podložni međusobnoj interakciji tijekom pojačanja, pa stoga, bez optimalnih uvjeta širenja, profil izlaznog zračenja može postati prostorno ili vremenski nestabilan.
Transverzalna nestabilnost moda
Vlakna dopirana iterbijem (Yb) tipični su radni medij za jednomodne vlaknaste lasere velike snage, ali iznad određenog praga pokazuju potpuno novi učinak - takozvani efekt transverzalne nestabilnosti moda (TMI). Na određenoj razini snage mogu se iznenada pojaviti viši modovi ili čak shell modovi. Energija se dinamički redistribuira između njih, a kvaliteta zrake se pogoršava. Na izlazu se pojavljuje fluktuacija zračenja (zraka počinje oscilirati). Učinak TMI primijećen je u različitim dizajnima vlakana, od vlakana sa stepenastim indeksom do vlakana s fotonskim kristalima. Njegova vrijednost praga ovisi o geometriji i dopingu, ali gruba procjena sugerira da se ovaj učinak pojavljuje pri izlaznim snagama većim od 1 kW. Tijekom istraživanja otkrivena je ovisnost TMI-a o fototamnjenju i njegova povezanost s toplinskim učincima unutar vlakna. Štoviše, osjetljivost vlaknastih lasera na TMI također ovisi o sadržaju modalne jezgre.
Geometrija vlakana indeksa koraka omogućuje optimizaciju. Za pumpanje se može odabrati sljedeće: promjer vlakna, veličina omota vlakna pumpe i drugi indeksi loma vlakna i omotača. Svi ovi parametri podešavanja ovise o koncentraciji dopanta, to jest, koncentracija iona Yb može se koristiti za kontrolu duljine područja apsorpcije zračenja pumpe u aktivnom vlaknu. Vlaknu se mogu dodati i drugi aditivi kako bi se smanjili toplinski učinci i kontrolirao indeks loma. Međutim, postoje neke kontradikcije. Da bi se smanjili nelinearni učinci, vlakno mora biti kraće, a da bi se smanjilo toplinsko opterećenje, vlakno mora biti duže. Fototamnjenje je proporcionalno koncentraciji dopanta, tako da će dulja vlakna s nižom koncentracijom dopanta svakako biti bolja. Ideja o nekim parametrima može se dobiti tijekom eksperimenta. Toplinsko ponašanje, na primjer, može se modelirati, ali ga je prilično teško predvidjeti budući da je fototamnjenje prema definiciji malo i ne može se fizički mjeriti u ubrzanim testovima. Stoga izravna mjerenja toplinskog ponašanja u vlaknima mogu biti korisna za eksperimentalni dizajn. U usporedbi s tipičnim aktivnim vlaknom prikazano je izmjereno toplinsko opterećenje (izvedeno iz simultano distribuiranih mjerenja temperature unutar vlaknastog pojačala) i simulirano toplinsko opterećenje (Slika 1).
Slika 1. Izmjereno toplinsko opterećenje aktivnog vlakna u usporedbi sa simuliranim opterećenjem sa i bez dodatnih gubitaka
Drugi važan parametar za dizajn vlakna je granična valna duljina, što je najduža valna duljina koja povećava broj modova u vlaknu. Načini više razine izvan ove valne duljine nisu podržani.
Ispitivanje novih vlakana na kilovatnu snagu
Tijekom eksperimenta proučavane su dvije vrste vlakana dopiranih Yb. Vlakno br. 1 s promjerom jezgre od 30 mikrona s dodatnim dopiranjem fosforom i aluminijem. Vlakno br. 2, manjeg promjera od 23 mikrona, bilo je manje dopirano, ali je sadržavalo više iterbija kako bi se postigao veći koeficijent profila u odnosu na vlakno br. 1 (tablica 1).
Tablica 1. Parametri ispitivanih vlakana
Izračunata granična valna duljina nalazi se oko 1275 nm, odnosno 1100 nm za vlakna 1 i 2. Ovo je mnogo bliže monomodnoj emisiji od tipičnog vlakna promjera jezgre od 20 µm, numeričkog otvora 0,06 (NA) koje ima graničnu valnu duljinu od ~1450 nm. Pojačana laserska valna duljina na kraju je bila centrirana na 1067 nm.
Oba su vlakna ispitana u pumpnom krugu velike snage (slika 2). Diodni laser pumpe i početni signal spojeni su u slobodnom prostoru u vlakno sa zavarenim krajevima i konektorima, isprano vodom radi hlađenja. Izvor zračenja bio je diodni laser s fazno moduliranom vanjskom šupljinom (ECDL), čiji je signal prethodno pojačan za postizanje snage ulaznog signala do 10 W pri valnoj duljini od 1067 nm i spektralnoj širini od 180 μm.
Slika 2. Eksperimentalna postavka pojačala velike snage korištena za ispitivanje vlaknastog pojačala gdje je vlakno pumpano na 976 nm u suprotnom smjeru širenja.
Tijekom testiranja prvog vlakna uočene su iznenadne fluktuacije na skali milisekundi na pragu od 2,8 kW, što se može pripisati TMI-ju. Drugo vlakno od 30 m, na istoj valnoj duljini i spektralnoj širini, pumpano je na izlaznu snagu od 3,5 kW, ograničenu SBS-om, a ne TMI-jem.
U trećem eksperimentu, spektar emiterskog lasera je modificiran kako bi se povećao prag SBS vlakna širenjem spektra (više nego u prethodnom eksperimentu). U tu je svrhu s prvim kombiniran drugi diodni laser središnje valne duljine 300 μm. Ova smetnja rezultirala je vremenskim fluktuacijama koje su omogućile povećanje snage signala zbog autofazne modulacije. Korištenjem istog glavnog pojačala kao i prije, dobivene su vrlo slične vrijednosti izlazne snage pri 90% učinkovitosti, ali su se mogle povećati samo na 4,3 kW bez TMI-ja (Tablica 2).
Tablica 2. Rezultat testa vlakana
Zadaci mjerenja
Mjerenje svih parametara fiber lasera velike snage jedan je od glavnih zadataka i zahtijeva posebnu opremu za njihovo rješavanje. Kako bi se dobila potpuna karakterizacija vlakna, određena je koncentracija dopanta, profili indeksa loma i prigušenje jezgre vlakna. Na primjer, mjerenje gubitaka u jezgri za različite promjere savijanja važan je parametar za korelaciju s TMI pragom.
Slika 3. a) Trag intenziteta fotodiode pri testiranju izlaznog signala pomoću vlakna 1, ispod i iznad TMI praga. b) Normalizirano standardno odstupanje tragova fotodiode pri različitim izlaznim snagama
Tijekom testiranja optičkog pojačala, TMI prag se određuje pomoću fotodiode oduzimanjem malog dijela snage. Početak fluktuacija snage pokazao se prilično oštrim i značajnim (slika 3), promjena signala bila je posebno značajna pri testiranju vlakna 1, ali nije otkrivena pri testiranju vlakna 2 do razine snage od 4,3 kW. Odgovarajući odnos prikazan je na slici 4a.
Slika 4. a) Nagib učinkovitosti vlakana 2 do izlazne snage od 4,3 kW. b) Optički spektar s izlaznom snagom od 3,5 kW s omjerom od 75 dB od izlaza do ASE. Spektralna širina od 180 µm s izlaznom snagom od 4,3 kW proširenom na širinu pojasa od 7 nm
Mjerenja kvalitete snopa najizazovniji su dio karakterizacije optičkog lasera i zaslužuju posebnu raspravu. Ukratko, prigušenje bez topline je ključno i može se postići korištenjem Fresnelove refleksije ili optike s malim gubicima. U eksperimentima predstavljenim u ovom pregledu, prigušenje je uvedeno pomoću klinastih ploča i pulsnog pumpanja na vremenskoj skali koja je premašivala vrijeme početka TMI.
Primjene u brzoj znanosti
Nakon desetogodišnjeg zatišja razvoj moćnih jednomodnih svjetlovodnih lasera nove generacije u kilovatnoj klasi s izvrsnom kvalitetom snopa čini se sasvim mogućim. Već je postignuta izlazna snaga od 4,3 kW, ograničena samo snagom pumpe, identificirana su glavna ograničenja na putu daljnjeg razvoja i jasni su načini njihovog prevladavanja.
Snage od gotovo 1 kW već su postignute na jednom vlaknu kada se pojača ultrabrzim laserskim impulsima, tako da je povećanje na 5 kW potpuno moguće kombinacijom tehnika. Dok se sustavi razvijaju za istraživačke centre kao što je ELI (Prag, Češka Republika), daljnji razvoj pouzdanog optičkog prijenosa signala ostaje izazov za industrijske sustave.
Obavljeni rad identificirao je niz zanimljivih perspektiva. S jedne strane, to je prijenos rezultata u proizvodnju, iako je potrebno još mnogo truda u tom smjeru, as druge strane, tehnologija je izuzetno važna za povećanje parametara drugih svjetlovodno-laserskih sustava, na primjer, za femtosekundna optička pojačala.
Na temelju materijala s http://www.lightwaveonline.com
U prethodno objavljenim člancima koji testiraju tehnološki potencijal, fiber laser je analiziran za njegove najučinkovitije tehnološke primjene, naime rezanje, zavarivanje, kaljenje, perforiranje i čišćenje površina. Fiber laser može sve to.
No, za menadžere i tehnologe industrijskih poduzeća iznimno je važno razumjeti, osim toga, i ekonomske aspekte implementacije fiber lasera u moderne laserske tehnologije. Dakle, raspravimo o ekonomskim problemima u vezi s fiber laserom koji se javljaju tijekom evaluacije projekata tehničke nadogradnje.
Treba odmah napomenuti: razlike su vrlo važne, budući da novi fiber laser ima niz tehničkih svojstava i značajki, zbog kojih nije sasvim ispravno prenijeti iskustvo korištenja klasičnih lasera na novu opremu. Zato je preporučljivo započeti što je fiber laser prije svega ocrtavanjem ovih značajki i razlika.
Fiber laser:
Jedinstven životni vijek modernih emitera (više od 100.000 sati s mogućnošću produženja vijeka uz relativno niske troškove) i gotovo nula operativnih troškova. Obavezno, uzimajući u obzir stvarno isključenje dijela amortizacije kroz UST i PDV u postojećem poreznom sustavu. Budući da to može biti iznimno važan ekonomski čimbenik (tj. dio amortizacije ostaje izravno na raspolaganju jer se ne koristi).
Minimalni troškovi i vrijeme za pripremu prostora i puštanje u rad. Tijekom procesa puštanja u rad, fiber laser se naziva "instalacija".
Fiber laser, njegova nevjerojatna svestranost kao laserskog izvora. Fiber laser je u pravilu primjer izvora "čiste" energije snopa, tako da u njemu praktički nema tehnološke specifičnosti, odnosno tijekom diverzifikacije ili drugog restrukturiranja proizvodnje, fiber laser se može preorijentirati s jednog tehnološkog procesuirati drugome. Takav se izvor čak može nazvati, naravno (uz rezervu) – tekućim, u smislu da u sebi zadržava vrijednost i vrijednost. Odavde se počinju razvijati određene usluge razmjene i leasinga lasera (po ovim pitanjima najbolje je kontaktirati izravno proizvođača).
Fiber laser, njegove glavne karakteristike:
Njegova vjerojatnost povećanja snage. Možete kupiti fiber laser s dizajnerskom marginom, na primjer, kada se isporučuje sa snagom od 700 W, a zatim jednostavno kupiti posebne crpne jedinice, čime se povećava snaga, na primjer, do 2400 W. Istodobno, u proizvodnom sustavu (proces ugradnje dodatnih blokova traje ne više od 3 sata) praktički nema potrebe ništa mijenjati. To vam omogućuje značajno smanjenje početnih kapitalnih ulaganja, kao i povećanje produktivnosti u trenutku koji je potreban za vašu proizvodnju.
Izravni prijenos zračenja optičkim kabelom duljine od 10 do 100 metara uvelike pojednostavljuje dizajn i raspored tehnoloških sustava u cjelini. Možete koristiti veliki izbor industrijske robotike. Vrijedno je napomenuti da neki proizvodni zadaci zahtijevaju samo 3 komponente, odnosno fiber laser/procesnu glavu/industrijski robot. Naravno, u nedostatku iskustva i dalje će biti potrebne usluge tvrtke integratora, ali će ukupni troškovi organizacije određenog proizvodnog sustava biti značajno smanjeni.
Fiber laser je multifunkcionalno i višenamjensko tehnološko područje za maksimalno opterećenje laserskog izvora. Naravno, to nije tako jednostavno kao što se na prvi pogled čini, ali je sasvim moguće. A zbog važnosti ove vjerojatnosti, o njoj ćemo dalje raspravljati.
Pitanje za stručnjake i osoblje općenito. Svjetlovodni laser eliminira potrebu tvrtke da održava cijelo osoblje stručnjaka sa znanjem o optici, vakuumskim sustavima i električnim pražnjenjima. Fiber laser, ništa nije potrebno za rad, budući da obuka operatera ne traje više od 1 tjedna. Naravno, to neće osloboditi poduzeće potrebe za kompetentnim tehnolozima, ali ovo je drugo pitanje koje nema apsolutno nikakve veze sa samim laserom. Sasvim je moguće iskoristiti postojeći kadar i pritom postići višu razinu operativne učinkovitosti.
Fiber laser, njegove osnovne tehnologije:
Ovih 7 točaka same po sebi mogu pobuditi veliko zanimanje za novu modernu opremu. Kako bi se poboljšao učinak, treba navesti neke osnovne tehnologije:
- lasersko rezanje metala. Ne govorimo samo o klasičnom rezanju limova, već io vrlo volumetrijskom rezanju, na primjer, uz korištenje industrijskih robota;
- laserska perforacija (elementi filtera, mrežice);
- lasersko zavarivanje. Prije svega, ovo je visokoučinkovito sučeono zavarivanje bez upotrebe rubnih priprema i dodatnih materijala. Ali danas tehnolozi prilično brzo razvijaju hibridne procese, odnosno kombinirane sheme zavarivanja koje kombiniraju lasersku zraku i, sukladno tome, električni luk;
- lasersko kaljenje (toplinska obrada) je postupak koji omogućuje lokalno kaljenje određenih fragmenata dijela bez značajnijeg toplinskog učinka na dio;1
- lasersko navarivanje analogno je djelovanju lučnog navarivanja, karakterizirano visokom lokalnošću i preciznošću;
- lasersko čišćenje premaza i nečistoća. Ekološki najprihvatljivija metoda čišćenja i beskontaktna koja ima potencijal konkurirati masovnim tehnologijama, poput pjeskarenja.
Prelazeći izravno na ekonomske aspekte, vrijedi napomenuti da su fiber laser i njegov sustav trenutno za red veličine skuplji od klasičnih CO2 lasera te stoga cijena samog lasera obično čini značajan dio tehnološkog sustava u cjelini. .
Fiber laser, njegov minimalni set uključuje: oprema namijenjena za izvođenje tehnološke operacije s laserom uključuje:
- vlaknasti laser mora imati navedenu cijenu od rub./kW;
- vlaknasti laser ima posebnu lasersku glavu za obradu, koja stvara tok zračenja, kao i tokove drugih tvari izravno u zoni obrade;
- manipulator (robotski) za pomicanje proizvoda ili laserske glave, kao i za opću i temeljitu kontrolu procesa. Ako koristite gotov i univerzalni laser s vlaknima, tada će troškovi izravno ovisiti o konfiguraciji i, naravno, marki.
Fiber laser, njegov minimalni set za laserski tehnološki sustav je sljedeći: 1 – laser, 2 – tehnološka glava, 3 – optički kabel, 4 – manipulator.
Dakle, za tehnološki sustav snage 1000 W, osnovni iznos kapitalnih troškova bit će približno 6 milijuna rubalja. RF. Zapravo, to nisu svi troškovi, jer je potrebno uzeti u obzir i troškove softvera, integracije, pripreme prostora i proizvodnje. Stoga bi, radi jednostavnosti izračuna, bilo najrazumnije pretpostaviti da će cijena ukupne investicije - fiber lasera - biti otprilike 2 cijene. Sličan omjer se posebno opaža kod laserskih strojeva dizajniranih za rezanje metala. Fiber laser ima snagu od 2000 W. Cijene se kreću od 12 do 14 milijuna ruskih rubalja. U isto vrijeme, oprema za lasersko rezanje prilično je velik složen sustav velikih dimenzija. No, zahvaljujući serijskoj proizvodnji i standardnoj, dobro provjerenoj tehnologiji, cijena je osjetno smanjena.
U drugim tehnološkim procesima (na primjer, zavarivanje, kaljenje), kompleks takve opreme može biti mnogo jednostavniji, ali ovdje vrijedi uzeti u obzir da u ovoj fazi takve tehnologije uopće nisu upakirane u standardne serijske komplekse (tj. u slučaju da će biti troškova za tehnologiju i inženjering, i to vrlo značajnih). Stoga, koeficijent x2 za široku klasu namjena s prosječnim stupnjem automatizacije (tj. proces obrade je automatski, a utovar i istovar poluautomatski ili ručni) može biti opravdan.
Ekonomika laserske tehnologije analizom 2 probna proizvodna problema
Razmotrimo prvi problem proizvodnje, o fiber laseru:
Dakle, kao prvi ispitni zadatak, razmotrimo masovnu proizvodnju dijelova cilindrične geometrije, u kojoj je potrebno zavariti 2 polutijela u jedno (čvrsto) zatvoreno tijelo. Ovo je standardni zadatak u proizvodnji raznih vrsta filtera. Čelik je debljine 0,5-1 mm, s prosječnim promjerom proizvoda od 60 mm. Cilj problema je maksimalni obujam proizvodnje uz minimalnu cijenu proizvoda.
Sam proizvodni sustav sintetiziran je gotovo automatski za ovaj zadatak. Za brzo lasersko zavarivanje takvog proizvoda potreban vam je fiber laser snage cca 700 W (tj. linearna brzina zavarivanja je oko 50 mm/s), potrebna vam je prilično jednostavna glava za zavarivanje, rotator proizvoda (automatski) i, sukladno tome, sustav za utovar i istovar obradaka. Za sustav punjenja moguće je koristiti jednostavnu hranilicu za pladanj. Fiber laser, pretpostavlja se da su proizvodi namijenjeni zavarivanju već prethodno montirani od strane radnika. Međutim, ovisno o razini kvalitete samih izradaka (kalibracija veličine), sustav korekcije za spoj proizvoda - položaj glave za zavarivanje - može biti potreban. Općenito, trošak razvoja i, sukladno tome, proizvodnje takvog prilično jednostavnog sustava iznosi oko 5 milijuna rubalja.
Nakon iznesenog teksta možemo izvući mali zaključak:
- Ekonomski parametri sustava značajno se pogoršavaju kako se smanjuje razina opterećenja opreme i, naravno, osoblja: pri proizvodnji, na primjer, 10% proizvoda/dijelova od maksimalne brojke proizvodnog procesa, trošak će se jednostavno povećati 10 puta. Dakle, u oba slučaja, prilično skupa oprema je nedovoljno iskorištena i, shodno tome, osoblje ostaje besposleno.
- Što se tiče troškova, odustajanje od automatizacije također ne čini ništa: prijelaz na neautomatizirane tehnološke procese također će povećati troškove proizvoda, i to oštro. To će se dogoditi zbog općeg pada produktivnosti rada.
- Korištenje laserske tehnologije omogućuje “pobijedu” samo uz maksimalno opterećenje (ili barem blizu maksimalnog) proizvodnog sustava i izravno je pogodno za uvjete same proizvodnje, i to velike proizvodnje. Iznimno važna za takvu proizvodnju je visoka kvaliteta procesa laserske obrade (tj. ponovljivost i stabilnost).
Jasno je da za velike primjene, povrat zavarivanja vlaknastim laserom može biti prilično brz zbog naglog povećanja ukupne produktivnosti.
Razmotrimo drugi proizvodni problem, o fiber laseru:
U pravilu, mnoga stvarna poduzeća karakterizira znatno niža serijska proizvodnja, pa će se stalno javljati problem punjenja laserskog izvora.
Na primjer, određeno poduzeće proizvodi složeni proizvod koji se sastoji od cilindričnog tijela i na njega se mora zavariti poklopac sa snažnim pričvrsnim elementom, a 2 elementa također moraju biti zavarena izravno na sam poklopac. Unutar takvog proizvoda nalazi se i šipka koja radi u abrazijskom načinu rada, stoga je potrebno ojačati, kao i filtar za tekućinu, izrađen u obliku prstena na koji je zalemljena metalna mreža. Procijenjena serijska proizvodnja takvih proizvoda je 100.000 godišnje.
U tipičnoj osnovnoj tehnologiji proizvodnje proizvoda koriste se sljedeći tehnološki procesi:
- izrada otkivaka za glavu s okom;
- složena mehanizirana obrada otkovaka;
- izrezivanje rupa (nekoliko) u tijelu mehaničkom metodom;
- zavarivanje potrebnih dijelova u rupe;
- zavarivanje glave na glavno tijelo je ručni luk; postoji veliki postotak nedostataka, čiji je uzrok, između ostalog, kršenje geometrije (tj. pomicanje osi glave i osi cilindra);
- volumetrijsko kaljenje šipke, kromiranje i brušenje;
- rezanje prstenaste mreže;
- naknadno lemljenje mreže duž vanjskih i unutarnjih kontura (prilično teško automatizirati proces s visokom razinom nedostataka).
Proizvod ovog ispitnog zadatka: 1 – tijelo, 2 – poklopac, 3 – zavareni dio, 4 – prsten s rupama, 5 – filterska mrežica. Fiber laser:
Je li moguće koristiti fiber laser za izvođenje ili pojednostavljenje tehnološkog procesa u proizvodnji takvog proizvoda? Suština ideje je sljedeća: koristiti fiber laser izravno u vremenskom režimu, čime se opterećuje njegov resurs raznim operacijama. Tehnički gledano, takva mogućnost postoji, no o tehničkim aspektima toga ćemo govoriti na kraju priče.
Na temelju laserskih tehnoloških parametara fiber lasera iz baze podataka procjenjujemo, prije svega, da će nam trebati laserski izvor snage 1500 W. To je, naravno, minimalna snaga potrebna za pouzdano zavarivanje elemenata. Budući da se planira višenamjenska uporaba lasera, cijena robotske opreme u pravilu bi trebala biti veća.
Također je potrebno spomenuti izuzetno važnu integralnu prednost: povećanje razine kvalitete proizvoda iznimno je bitan i značajan konkurentski čimbenik neposredno na prodajnom tržištu, što nam omogućuje zauzimanje značajnog udjela na njemu.
Posebno valja istaknuti da je fiber laser i njegova utilitarna izvedivost svih planiranih tehnoloških procesa pri njegovoj uporabi već podvrgnuta odgovarajućim ispitivanjima te da postoje preliminarni eksperimentalni podaci o tim procesima.
Dakle: fiber laser, njegova kompleksna upotreba skupa laserskih tehnologija može sasvim realno dati prilično veliki ukupni učinak, ali samo pod uvjetom da je laserska oprema potpuno opterećena!
Trošak opcije laserske proizvodnje izračunava se samo s podcijenjenim troškom industrijskog poduzeća, ali pošteni izračun cijene po minuti jasno pokazuje da je marža profitabilnosti takvog projekta toliko velika i očigledna da je značajno isplativ čak i s visokim režijskim troškovima - i to je činjenica!
Također vrijedi spomenuti fiber laser: dizajner laserskog sustava može predložiti podjelu tehnološke funkcionalnosti u 2 laserska kompleksa asimetrično (tj. nejednako) - prvi laserski kompleks izvodi isključivo rezanje rupa i zavarivanje, a drugi izvodi preostale operacije za izradu filtera i kaljenje šipki. Ili može ostaviti samo prvi kompleks, koji obavlja operacije na prva dva faktora, zbog njihovog glavnog doprinosa profitabilnosti projekta u cjelini. Fiber laser, te će odluke definitivno biti određene tehničkim pitanjima, odnosno pitanjima: "Kako se točno implementira multifunkcionalnost?" - "Je li to stvarno moguće tehnički provesti?" - "Do kakvih neposrednih problema to može dovesti?" Razmotrimo opcije i mogućnosti.
Fiber laser i njegove primjene:
Korištenje robota s laserskom glavom postavljenom na manipulator za zadani ispitni zadatak potpuno je uspješno rješenje. Prije svega, robot je sposoban automatski zavariti prsten na glavni poklopac sa sve 4 strane uz minimalno vrijeme utrošeno na prijelaze, a tijekom izrade elementarnog rotacijskog pozicionera proizvoda s uklanjanjem i ručnom ugradnjom, gubitak vremena izravno za utovar i istovar također će biti minimiziran. Što, naravno, vrijedi i za druge operacije rezanja i zavarivanja.
Korištenje univerzalnih robota ima prednost u tome što su troškovi projektiranja, a potom i proizvodnje nestandardne tehnološke opreme i alata praktički eliminirani. Budući da glavni teret proizvodnog osposobljavanja pada upravo na pripremu određenih programa za robota, odnosno njegovu učinkovitost.
KORIŠTENJE VIŠE MJESTA.
Ovo rješenje zahtijeva razvoj posebne tehnološke stanice za apsolutno sve tehnološke operacije, koja je opremljena visokofunkcionalnim manipulatorom. Nakon završetka određene operacije, laserska glava, spojena optičkim kabelom na laser, ponovno se postavlja na drugu tehnološku stanicu, te se prema tome prilagođava za drugu operaciju koja se izvodi na istoj ili drugoj seriji proizvoda.
Nakon završetka određene operacije fiber laser, njegova laserska glava, spojena optičkim kabelom na laser, ponovno se postavlja na drugu tehnološku stanicu, prilagođava se drugoj operaciji, te se druga operacija obrađuje, izvodi na istom ili drugom serija proizvoda.
Fiber laser Nažalost, još nije moguće imati osobne laserske tehnološke glave na različitim pozicijama. Budući da je odvajanje od glave optičkog kabela u radioničkom okruženju strogo zabranjeno zbog prašine, jer i najmanja mrvica prašine s optičkog vlakna, kada udari u optički izlaz, u pravilu dovodi do nepovratnog uništenja ovog izlaza. Rješenje ovog problema željno iščekuju sva poduzeća sa sličnom opremom, a možda će se u skoroj budućnosti ipak pronaći.
PRIMJENA OPTIČKIH MULTIPLEKSORA
Nova značajka, trenutno se rijetko koristi. Njegova glavna suština je sljedeća: možete kupiti poseban prekidač laserske zrake, povezan svojim ulazom s laserom, a na pojedinim mjestima s nekoliko izlaza s procesnim glavama. Prebacivanje zračenja događa se prilično brzo između stanica, a takav sustav može minimizirati gubitak vremena za promjenu proizvoda i tehnološke prijelaze.
Da bi to učinio, sustav najviše razine mora osigurati dispečerske funkcije, kao i distribuirati resurse laserskog izvora izravno prema zahtjevima ovih tehnoloških mjesta. Budući da smo u izračunima za formiranje pretpostavili da je vrijeme utovara i pražnjenja najmanje jednako vremenu rada, u ovom slučaju, pri korištenju takvog multipleksera, samo jedan laser bit će dovoljan za provedbu testnog programa za proizvodnju približno 100.000 proizvoda.
Trošak takvog multipleksera je oko 1-2 milijuna rubalja. Uz to treba napomenuti da se fiber laser može naručiti s ugrađenim multiplekserom koji ima nekoliko izlaza.
Možda je jedini nedostatak taj što multiplekser malo degradira kvalitetu zračenja (tj. Na izlazu je potrebno koristiti vlakno mnogo većeg presjeka), ali to je kritično samo za lasersko rezanje. Fiber laser, njegov sličan sustav je najoptimalniji i svrsishodniji. Za multiplekser, dodatni kapitalni troškovi se višestruko kompenziraju zahvaljujući razini opterećenja lasera.
Dakle: 1 – laser, 2 – optički prekidač, 3 – glave (tehnološke), 4 – tehnološke stanice, 5 – centralni upravljački sustav.
Još jedno važno pitanje vezano uz svestranost samih laserskih glava: ako planirate koristiti industrijskog robota ili prostor s više stanica, tada laserska glava mora imati svojstvo svestranosti (to jest, biti u stanju izvoditi različite tehnološke procese) . Danas zapadni proizvođači ne proizvode takve glave!
Međutim, takva oprema već postoji: uskoro će započeti masovna proizvodnja - univerzalna podesiva glava koja može izvesti cijeli osnovni niz tehnoloških operacija pomoću zračenja vlaknastog lasera (zavarivanje, rezanje, kaljenje, perforacija). Prilagodba glave bilo kojoj specifičnoj operaciji provodi se kako automatskom pretvorbom optičkog sustava, tako i zamjenjivim tehnološkim dodatkom (tj. njegovom zamjenom), koji je pričvršćen prema principu dobro poznatog magnetskog ovjesa.
Fiber laser, njegove prednosti:
Procjene pokazuju da fiber laser ima značajan ekonomski potencijal.
- Visoka isplativost projekata optičkih lasera koji se temelje na modernim laserima osigurava se isključivo uz maksimalno opterećenje opreme, odnosno zbog prilično značajne pouzdanosti i jedinstvenog resursa novih lasera, to je tehnički moguće.
- Višenamjenska tehnološka područja koja dijele resurs laserskog izvora mogu imati prilično značajnu budućnost.
- Unatoč značajnim kapitalnim ulaganjima, povrat laserske opreme i općenito laserskih tehnoloških sustava može biti vrlo, vrlo brz, do 1-1,5 godina.
Svjetlovodni laser je laser s potpunom ili djelomičnom izvedbom s optičkim vlaknima, gdje su medij pojačanja i, u nekim slučajevima, rezonator izrađeni od optičkih vlakana.
Fiber laser je laser s potpunom ili djelomičnom implementacijom optičkih vlakana, gdje optičko vlakno A izrađuje se medij pojačanja, a u nekim slučajevima i rezonator. Ovisno o stupnju implementacije vlakna, laser može biti vlaknasti (aktivni medij i rezonator) ili diskretni (samo vlakno rezonator ili drugi elementi).
Vlaknasti laseri mogu raditi u kontinuiranom valu, kao iu nano- i femtosekundnim pulsnim impulsima.
Oblikovati laser ovisi o specifičnostima njihova rada. Rezonator može biti Fabry-Perot sustav ili prstenasti rezonator. U većini dizajna kao aktivni medij koristi se optičko vlakno dopirano ionima elemenata rijetke zemlje - tulij, erbij, neodim, iterbij, praseodim. Laser se pumpa pomoću jedne ili više laserskih dioda izravno u jezgru vlakna ili, u sustavima velike snage, u unutarnju oblogu.
Fiber laseri imaju široku primjenu zbog širokog izbora parametara i mogućnosti prilagodbe pulsa u širokom rasponu trajanja, frekvencija i snaga.
Snaga fiber lasera je od 1 W do 30 kW. Duljina optičkog vlakna – do 20 m.
Primjene fiber lasera:
– rezanje metali i polimeri u industrijskoj proizvodnji,
– precizno rezanje,
– mikroprocesiranje metali i polimeri,
– obrada površina,
– lemljenje,
– toplinska obrada,
– označavanje proizvoda,
– telekomunikacije (svjetlovodne komunikacijske linije),
– proizvodnja elektronike,
– proizvodnja medicinskih proizvoda,
– znanstvena instrumentacija.
Prednosti fiber lasera:
– fiber laseri su jedinstven alat koji otvara novu eru u obradi materijala,
– prenosivost i mogućnost odabira valne duljine fiber lasera omogućuju nove učinkovite primjene koje nisu dostupne za druge vrste trenutno postojećih lasera,
– superioran u odnosu na druge vrste lasera u gotovo svim značajnim parametrima važnim sa stajališta njihove industrijske uporabe,
– mogućnost prilagodbe pulsa u širokom rasponu trajanja, frekvencija i snaga,
– mogućnost postavljanja niza kratkih impulsa potrebne frekvencije i velike vršne snage, što je potrebno npr. za lasersko graviranje,
– širok izbor parametara.
Usporedba različitih vrsta lasera:
| Parametar | Potreban za industrijsku upotrebu | CO 2 | Pumpano YAG-Nd lampom | Diodno pumpan YAG-Nd | Diodni laseri | |
| Izlazna snaga, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Valna duljina, µm | što manje | 10,6 | 1,064 | 1.064 ili 1.03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Učinkovitost, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Raspon isporuke zračenja vlakana | 10…300 | odsutan | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Stabilnost izlazne snage | što je više moguće | nizak | nizak | nizak | visoka | vrlo visoko |
| Osjetljivost na povratnu refleksiju | što je moguće niže | visoka | visoka | visoka | nizak | nizak |
| Zauzeta površina, m2 | što manje | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Trošak instalacije, relativne jedinice | što manje | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Troškovi rada, rel | što manje | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Troškovi održavanja, rel | što manje | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Učestalost zamjene lampi ili laserskih dioda, sat. | koliko je god moguće | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus pulsirajući iterbijev laser 50w 100kw kupi proizvođač
fiber solid-state laseri
rezanje metala šperploča fantastično cernark graviranje načini dubokog graviranja s fiber laserom
laserski uređaj s iterbijevim vlaknima
fiber stroj prodati laser
princip rada proizvodnja Fryazino 1,65 mikrona tehnologija iterbij kupovna cijena ipg hp 1 optički za rezanje metala graviranje puls princip rada stroj optičke aplikacije snaga uradi sam dijagram uređaja valna duljina zavarivanje proizvođač reže u valovima
Faktor potražnje 902
Svjetlovodni laseri podrazumijevaju optički pumpane krute lasere, čiji je aktivni element svjetlovodni vlakno s dodacima laserskih aktivatora. Najperspektivniji za svjetlovodne sustave su laseri koji se temelje na vlaknima aktiviranim ionima neodija i imaju dvije glavne laserske linije sa središnjim valnim duljinama µm i µm, koje leže u spektralnom području gdje su gubici i disperzija svjetlosti u kvarcnim vlaknima minimalni.
Riža. 4.11. Ovisnost duljine dionice releja o brzini prijenosa informacija za stepenasto vlakno s prigušenjem za mikrone:
1 - za lasersku diodu (karakteristično opadanje u BC odsječku je zbog međumodne disperzije) 2 - za sbeto-emitirajuću diodu (karakteristično opadanje je zbog širokog spektra diode u odsječku, a osim pad frekvencijske karakteristike u sekciji)
Spektralne karakteristike pojačanja neodimija praktički su neovisne o vanjskim uvjetima; temperaturni pomak valne duljine koji odgovara maksimalnom pojačanju iona neodija je jednak, dok je za poluvodičke medije ovaj parametar vlaknasti dizajn emitera omogućuje korištenje standardnih konektora učinkovito uvode zračenje u svjetlovodne vlakna, uključujući i jednomodne.
Unatoč ovim prednostima i, kao što će biti prikazano u nastavku, širokoj funkcionalnosti, vlaknasti laseri još nisu izašli iz faze istraživanja. To se objašnjava činjenicom da su pri stvaranju optičkih sustava mnogi problemi riješeni korištenjem dobro razvijenih poluvodičkih emitera, posebno u prilično jednostavnim sustavima koji su se implementirali na prvom mjestu, gdje jedna od glavnih prednosti poluvodičkih izvora igra odlučujuću ulogu - mogućnost izravne modulacije intenziteta zračenja strujom pumpe. U laserima u čvrstom stanju, posebno u laserima koji se temelje na medijima aktiviranim neodimijem, brza modulacija intenziteta zračenja promjenom snage pumpe je fundamentalno nemoguća zbog relativno dugog vremena uzdužne relaksacije. Nemogućnost brzog "uključivanja" invertirane populacije ograničava izravne modulacijske frekvencije na Hz vrijednosti. Razvoj svjetlovodnih sustava, posebno obećavajućih sustava bliske budućnosti s koherentnim prijemom i višekanalnim spektralnim
zbijanje potiče razvoj vlaknastih lasera, koji se mogu koristiti ne samo kao generatori, već i kao pojačivači svjetlosti.
Postojeće izvedbe fiber lasera mogu se podijeliti u tri skupine. Vlaknasti laseri prve skupine koriste snopove od nekoliko dugih vlakana i snažno pumpanje s pulsirajućim žaruljama s izbojem u plinu. Pozitivna povratna sprega u takvim strukturama nastaje zbog refleksije svjetlosti od krajeva vlakana i povratnog raspršenja na mikrosavijanjima i nehomogenostima.
Riža. 4.12. Dizajni vlaknastih lasera: a - s krajnjim pumpanjem; b - s poprečnim pumpanjem za vlakna malog promjera, c - s izravnim polaganjem vlakana na ravnalo - emitirajuća platforma - zrcalo laserskog rezonatora, prozirno za zračenje, 13 - aktivno vlakno, 5 - zrcalo rezonatora; 6 - optičko ljepilo, 8 - reflektor, 9 - stakleni cilindar, 10, 12 - radijatori; 11, 14 - LED linije
Cijevno pumpanje omogućuje postizanje visokih dobitaka u jednom prolazu, ali zahtijeva upotrebu prisilnih sustava tekućeg hlađenja i glomaznih izvora napajanja, što očito čini stvaranje uređaja male veličine nerealnim. Određene perspektive u tom smislu mogu ležati u korištenju mikrolampa s izbojem u plinu. Prednosti konstrukcija koje pumpa lampa uključuju mogućnost njihove upotrebe kao optičkih pojačala s putujućim valom i regenerativnih pojačala s prilično visokim (~30-40 dB) pojačanjem.
Druga skupina dizajna lasera s vlaknima koristi kratke duljine monokristalnih i staklenih vlakana dopiranih ionima neodija. Pumpanje se provodi kroz kraj vlakna pomoću poluvodičkog lasera ili LED-a. Dovoljno visoka učinkovitost pumpe postiže se usklađivanjem emisijskog spektra poluvodičkog emitera temeljenog na GaAlAs GVD s jednom od intenzivnih apsorpcijskih linija neodija sa središnjom valnom duljinom od oko
0,81 µm. Dizajn vlaknastih lasera druge skupine shematski je prikazan na sl. 4.12, a. Zbog malog pojačanja aktivnog medija nastaje laserska šupljina
dielektrična zrcala s visokom refleksijom. Laseri temeljeni na monokristalnim vlaknima od itrijevog aluminijskog granata s neodimijem i staklenih kvarcnih vlakana s neodimijem imaju ovaj dizajn. Postoje izvješća o generiranju s krajnjim pumpanjem kriptonskim laserom u kristalnom vlaknu i s pumpanjem argonskim laserom u rubinskom vlaknu. Najbolji rezultati dobiveni su pri korištenju kristala s geometrijom vlakana, duljine 0,5 cm i 80 μm u promjeru. Vanjski rezonator (slika 4.12, a) formiran je od zrcala s dielektričnim premazom, od kojih je jedno imalo refleksiju za lasersko zračenje s mikronima i samo za zračenje pumpe, drugo zrcalo s istom visokom refleksijom za lasersko zračenje reflektiralo je pumpu svjetlo dosta dobro Zrcala su bila smještena gotovo blizu krajeva vlakna. Pumpanje je provedeno površinskom LED-om s promjerom emitirajućeg područja od 85 μm. Prag snage pumpe bio je
Glavne prednosti fiber lasera ovog dizajna su mala potrošnja energije i ukupne dimenzije. Glavni nedostaci: krajnji crpni krug ne dopušta upotrebu segmenata vlakana duljine veće od 1 cm, što ograničava izlaznu snagu. Osim toga, tehnologija proizvodnje i usmjeravanja ovih lasera je složena, a prisutnost LED pumpe na jednom od krajeva komplicira upotrebu lasera kao optičkog pojačala signala.
Laseri s vlaknima s više zavoja s poprečnim pumpanjem pomoću LED šipki (Sl. predstavlja dizajne treće skupine. Nekoliko zavoja staklenih vlakana postavljeno je na LED šipku čiju jezgru aktiviraju ioni neodimija. Dizajn u određenoj mjeri kombinira prednosti vlaknastih lasera prve i druge skupine i lišen je većine njihovih nedostataka kao izvora pumpe, što čini takve sustave prilično malima; korištenje poprečne sheme pumpanja i dugih vlakana Zbog malog promjera optičkih vlakana u poprečno pumpanoj shemi moguće je dobiti prilično veliko pojačanje neodima i, shodno tome, s visokim koeficijentom apsorpcije Vlakna izrađena od neodimskih ultrafosfata imaju takva svojstva. Postavljanje vlakana s više zavoja na LED vodove može se izvesti na različite načine. Tako se komad vlakna više puta provlači kroz stakleni cilindar promjera oko 1 mm (slika 4.12, b), na čijoj se vanjskoj površini nanosi reflektirajući premaz
povećanje učinkovitosti korištenja zračenja pumpe. Ova metoda je poželjna za vlakna s malim vanjskim promjerom (µm). Vlakna većeg promjera mogu se položiti na LED liniju zavoj do zavoja (Sl. 4.12, c). Oba dizajna mogu se koristiti kao optička pojačala s putujućim valom, pri čemu je jedan kraj svjetlovoda ulaz pojačala, a drugi izlaz. Primjena zrcalnih premaza na krajeve vlakana omogućuje laseriranje s Fabry-Perot vlaknastim rezonatorom.
Značajke laserskih procesa u aktivnim optičkim vlaknima određene su prisutnošću specifične laserske generacije u nedostatku pozitivne povratne sprege.
Riža. 4.13. Vlaknasti svjetlovod: a - s aktivnom jezgrom i pasivnom oblogom; b - s pasivnom jezgrom i aktivnom ljuskom (2)
Ovo je glavna razlika između fiber lasera i lasera baziranih na volumetrijskim aktivnim elementima. Da bismo objasnili bit ovog procesa, koji je blizak režimu superluminiscencije u poluvodičkim LED diodama, razmotrimo neki elementarni dio svjetlosnog vodiča u kojem se stvara invertirana populacija (slika 4.13, a). Spontana emisija događa se s jednakom vjerojatnošću u svim smjerovima, ali zračenje, koncentrirano u dva stošca kutova koji imaju zajedničku os s vlaknom i određeni su kutom otvaranja od 20, ne napušta jezgru. Ovdje
gdje su indeksi loma jezgre i omotača. Ovo zračenje pobuđuje prirodne oscilacije (modove) vlakna, koje se pojačavaju stimuliranom emisijom tijekom širenja duž vlakna udesno i ulijevo (slika 4.13, a). Ista se slika opaža za bilo koji drugi elementarni dio jezgre aktivnog vlakna. Na izlazu takvog svjetlovodnog izvora svjetlosti, divergencija zračenja približno je određena numeričkom aperturom vlakna
Sve dok je intenzitet svjetlosnih valova koji se šire jedni prema drugima u aktivnom svjetlovodu značajno manji od vrijednosti koja zasićuje pojačanje, protupropagirajući valovi su neovisni, kao i energije koje prenose različiti modovi svjetlovoda. U tim uvjetima, proces pojačanja spontane emisije uslijed stimulirane emisije opisan je dobro poznatim jednadžbama laserskog pojačala bez zasićenja i uzimajući u obzir spontanu emisiju. Spektralna gustoća snage zračenja u jednom modu na izlazu aktivnog dijela duljine vlakna (Sl. 4.13, a) jednaka je
Ovdje je Planckova konstanta; - frekvencija svjetlosnih vibracija; - naseljenost gornje i donje laserske razine; - dobitak po jedinici duljine, gdje je Einsteinov koeficijent za prisilni prijelaz; - normalizirani oblik linije spektralnog pojačanja; c je brzina svjetlosti. Maksimalna generirana snaga može se ograničiti ili duljinom vlakna ili, kao u laserima s rezonatorima, zasićenjem. Naravno, tijekom procesa pojačanja, spektar generiranja se sužava u odnosu na spektar luminiscencije zbog činjenice da su spektralne komponente u središtu linije jače pojačane. Širina spektra određena je pojačanjem i oblikom, a spektar emisije je kontinuiran zbog nepostojanja rezonatora.
Specifični postupak lasera s vlaknima koji se razmatra ima tri značajna aspekta.
1. Aktivni svjetlovod može se koristiti kao izvor svjetlosti bez optičkog rezonatora.
2. Prilikom izrade vlaknastih lasera s tradicionalnim dizajnom šupljine, potrebno je uzeti u obzir da razmatrani proces može dovesti do zasićenja pojačanja u jednom prolazu, zbog čega će povratna veza izgubiti svoje značenje. U ovom slučaju, vrijednosti i moraju biti odabrane tako da su daleko od vrijednosti koja zasićuje dobitak.
3. U optičkim pojačalima, generiranje svjetla kao rezultat razmatranog procesa glavni je izvor šuma. Spektralna gustoća snage šuma u jednom modu, preračunata na ulaz pojačala, kako slijedi iz formule (4.12), jednaka je
U sustavu s četiri razine, kao što je krug neodimijskog lasera za razinu, obično s visokim pojačanjima
U volumetrijskim pojačalima, buka pojačane spontane emisije dugo se smatrala fundamentalno neuklonjivom (vidi, na primjer, rad), međutim, u pojačalima s vlaknima, njegova se razina može značajno smanjiti korištenjem svjetlosnog vodiča prikazanog na slici. 4.13, 6. Jednomodno vlakno, čija je jezgra izrađena od kvarcnog stakla s dodatkom koji povećava indeks loma, na primjer, ima omotač od stakla aktiviranog ionima neodimija. Stvaranje inverzne naseljenosti u ovojnici dovodi do pojačanja moda jezgre s efektivnim pojačanjem
gdje je dobitak u ljusci; - dio snage moda jezgre koji se širi u ovojnici; P je ukupna snaga koju nosi ovaj način rada. Omjer se mijenja s 0,99 na 0,1 kada se parametar vlakana promijeni s 0,6 na 2,4048. Kada jezgra počne učinkovito usmjeravati glavni mod lokalizirajući svoje polje blizu sebe, drugi mod se pobuđuje. Formula je dobivena na isti način kao i izraz za koeficijent prigušenja vlakna s omotačem u kojem dolazi do gubitaka zračenjem slabije kvalitete od vlakana. Značajni nedostaci prvog su temperaturna nestabilnost linije pojačanja (za mikrone), značajni gubici pri spajanju jednomodnih svjetlovodnih vlakana na planarni svjetlovod pojačala i visoka razina snage šuma - superluminiscencijsko zračenje.
Vlaknasti laseri otvaraju mogućnost stvaranja novih vrsta FOD-ova. Osjetljivi element, koji je vlaknasti svjetlovod, ovdje je dio vlaknastog prstena ili linearnog laserskog rezonatora.
Riža. 4.14. Jednofrekventni vlaknasti laseri s raspodijeljenom povratnom spregom (a) i Braggovim zrcalima (b): 1 - aktivna jezgra; 2 - ljuska s periodičnom strukturom
Promjena faze svjetlosnih oscilacija pod utjecajem vanjskih čimbenika dovodi do promjene frekvencija generiranja različitih modova u laserima. Informacije o vanjskim utjecajima sadržane su u promjeni frekvencije intermodnih otkucaja. Na temelju vlaknastog lasera s prstenastim rezonatorom, koji se realizira zavarivanjem krajeva svjetlovoda ili njihovim odvajanjem, prilično je jednostavno izraditi laserski vlaknasti žiroskop malih dimenzija.
Stabilni jednofrekventni vlaknasti laseri mogu se implementirati kao dizajn distribuirane povratne sprege ili distribuirane Braggove refleksije. Da biste to učinili, reflektirajući spektralni filtar vlakna stvara se u određenim dijelovima vlakna pomoću jedne od metoda koje će biti opisane u nastavku (vidi paragraf 4.8) (Slika 4.14). Takvi izvori mogu se koristiti u faznim vodenim diodama.
Korištenje lasera s superluminiscentnim vlaknima omogućuje pojednostavljenje dizajna žiroskopa s pasivnim vlaknima i povećanje njihove osjetljivosti smanjenjem razine buke uzrokovane prisutnošću volumetrijskih elemenata. U prstenastim interferometrima i žiroskopima, razina šuma opada sa smanjenjem duljine koherencije izvora zračenja i broja volumetrijskih elemenata (vidi odjeljak 3.6). U izvoru s vlaknima lako je osigurati da je duljina koherencije zračenja veća od razlike putanje između valova interferometra koji se šire suprotno, zbog rotacije i nerecipročnih učinaka. Superluminiscentni vlaknasti laseri imaju nm širinu spektra i prilično veliku snagu impulsa
spaja se na interferometar s optičkim prstenom pomoću standardnih spojnica.
