A fémek lézeres vágási problémájának vizsgálatát a lézeres működés fizikai elveinek figyelembevételével kell kezdeni. Mivel a továbbiakban a munka során a vékonyrétegű anyagok lézeres vágásának pontosságára vonatkozó összes vizsgálatot egy lézerkomplexen végezzük, itterbiumszálas lézerrel, ezért fontolóra vesszük a szálas lézerek tervezését.
A lézer olyan eszköz, amely a szivattyú energiáját (fény, elektromos, termikus, kémiai stb.) koherens, monokromatikus, polarizált és erősen célzott sugárzási fluxus energiájává alakítja.
A szálas lézereket viszonylag nemrég, az 1980-as években fejlesztették ki. Jelenleg a szálas technológiai lézerek modelljei ismertek, amelyek teljesítménye legfeljebb 20 kW. Spektrális összetételük 1-2 μm között van. Az ilyen lézerek használata lehetővé teszi a sugárzás különböző időbeli jellemzőinek biztosítását.
Az utóbbi időben a szálas lézerek aktívan felváltják a hagyományos lézereket a lézertechnológia olyan alkalmazási területein, mint például a fémek lézeres vágása és hegesztése, jelölés és felületkezelés, nyomtatás és nagy sebességű lézernyomtatás. Használják lézeres távolságmérőkben és háromdimenziós lokátorokban, távközlési berendezésekben, orvosi berendezésekben stb.
A szálas lézerek fő típusai a folyamatos hullámú egymódusú lézerek, beleértve az egypolarizációs és az egyfrekvenciás lézereket; impulzusos szálas lézerek, amelyek Q-kapcsolási, üzemmódzárolási és véletlenszerű modulációs módban működnek; Hangolható szálas lézerek; szuperlumineszcens szálas lézerek; nagy teljesítményű folyamatos többmódusú szálas lézerek.
A lézer működési elve a fotodióda fényének hosszú szálon keresztül történő továbbításán alapul. A szálas lézer egy szivattyúmodulból (általában szélessávú LED-ekből vagy lézerdiódákból), egy fényvezetőből, amelyben lézerezés történik, és egy rezonátorból áll. A fényvezető aktív anyagot (adagolt optikai szálat – a hagyományos optikai hullámvezetőkkel ellentétben burkolat nélküli mag) és pumpás hullámvezetőket tartalmaz. A rezonátor kialakítását általában a műszaki előírások határozzák meg, de a leggyakoribb osztályok megkülönböztethetők: Fabry-Perot típusú rezonátorok és gyűrűrezonátorok. Az ipari létesítményekben néha több lézert kombinálnak egy telepítésben a kimeneti teljesítmény növelése érdekében. ábrán. Az 1.2. ábra egy szálas lézereszköz egyszerűsített diagramját mutatja.
Rizs. 1.2. Tipikus szálas lézer áramkör.
1 - aktív rost; 2 - Bragg tükrök; 3 - szivattyúblokk.
Az aktív optikai szál fő anyaga a kvarc. A kvarc nagy átlátszóságát az atomok energiaszintjének telített állapota biztosítja. Az adalékolással bevitt szennyeződések a kvarcot abszorbeáló közeggé alakítják. A szivattyú sugárzási teljesítményének megválasztásával ilyen környezetben lehetőség nyílik az energiaszintek inverz állapotának kialakítására (vagyis a magas energiaszintek jobban kitöltődnek, mint a talajszint). A rezonanciafrekvencia (távközlési infravörös tartomány) és az alacsony küszöbértékű szivattyúteljesítmény követelményei alapján a doppingolást általában a lantanid csoport ritkaföldfém elemeivel végzik. Az egyik elterjedt szálfajta a lézer- és erősítőrendszerekben használt erbium, amelynek működési tartománya az 1530-1565 nm hullámhossz-tartományba esik. A metastabil szint alszintjeiről a fő szintre való átmenet eltérő valószínűsége miatt a generálás vagy az erősítés hatékonysága a működési tartomány különböző hullámhosszain eltérő. A ritkaföldfém-ionokkal való adalékolás mértéke általában a gyártandó aktív szál hosszától függ. Akár több tíz méteres hatótávolságon belül tíztől több ezer ppm-ig terjedhet, kilométeres hosszúság esetén pedig 1 ppm vagy kevesebb is lehet.
A Bragg tükrök - elosztott Bragg reflektor - olyan réteges szerkezet, amelyben az anyag törésmutatója periodikusan változik egy térbeli irányban (a rétegekre merőlegesen).
Az optikai hullámvezetők pumpálására különféle kivitelek léteznek, amelyek közül a legelterjedtebb a tiszta szálas kivitel. Az egyik lehetőség, hogy az aktív szálat több burkolatba helyezzük, amelyek közül a külső védő (ún. dupla bevonatos szál). Az első héj több száz mikrométer átmérőjű tiszta kvarcból, a második polimer anyagból készül, amelynek törésmutatója lényegesen alacsonyabb, mint a kvarcé. Így az első és a második burkolat egy nagy keresztmetszetű és numerikus apertúrájú többmódusú hullámvezetőt hoz létre, amelybe a szivattyú sugárzását elindítják. ábrán. Az 1.3. ábra egy kettős bevonatú szálon alapuló lézer szivattyúzási diagramját mutatja.
Rizs. 1.3. Szivattyús áramkör kettős bevonatú szálon alapuló lézerhez.
A szálas lézerek előnyei hagyományosan a rezonátor területének jelentős aránya a térfogathoz képest, ami biztosítja a kiváló minőségű hűtést, a szilícium hőstabilitását és a kis méretű eszközöket, hasonló teljesítmény- és minőségi követelményekkel. A lézersugarat általában egy optikai szálba kell behelyezni a későbbi technológiai felhasználáshoz. Más kivitelű lézereknél ez speciális optikai kollimációs rendszert igényel, és rezgésre érzékennyé teszi az eszközöket. A szálas lézereknél a sugárzás közvetlenül a szálban keletkezik, és kiváló optikai minőséggel rendelkezik. Ennek a lézertípusnak a hátránya a nemlineáris hatások kockázata a szál nagy sugárzássűrűsége miatt, valamint a viszonylag alacsony impulzusonkénti kimenő energia a hatóanyag kis térfogata miatt.
A szálas lézerek rosszabbak a szilárdtestlézereknél azokban az alkalmazásokban, ahol nagy polarizációs stabilitásra van szükség, és a polarizációt fenntartó szálak használata különböző okok miatt nehézkes. A szilárdtestlézerek nem helyettesíthetők 0,7-1,0 mikronos spektrális tartományú szálas lézerekkel. Ezenkívül nagyobb potenciállal rendelkeznek az impulzuskimeneti teljesítmény növelésére, mint az optikai szálaknak. A szálas lézerek azonban jól teljesítenek azokon a hullámhosszokon, ahol nincs elég jó aktív adathordozó vagy tükör más lézeres kialakításokhoz, és lehetővé teszik bizonyos lézeres kialakítások, például a felfelé átalakítás egyszerűbb megvalósítását.
Az egymódusú optikai szálak szálas lézerekben való felhasználásra való optimalizálásával 4,3 kW-os nagymértékben skálázható kimeneti teljesítményt sikerült elérni, és további kutatási irányokat határoztak meg az ultragyors lézeres alkalmazásokhoz.
A lézertechnológiák fejlesztésének egyik sürgető problémája a szálas lézerek teljesítményének növekedése, amelyek már „nyerték” a piaci részesedést a nagy teljesítményű CO 2 lézerektől, valamint a volumetrikus szilárdtestlézerektől. Jelenleg a nagy szálas lézergyártók kiemelt figyelmet fordítanak az új alkalmazások fejlesztésére, a jövőbeni további piachódításokat fontolgatva. A piacon kapható nagyteljesítményű lézerek közül az egymódusú rendszerek számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek a legkeresettebbekké teszik őket – ezek a legmagasabb fényerővel rendelkeznek, és néhány mikronig is fókuszálhatók, így alkalmasabbak nem érintkező anyag feldolgozás. Az ilyen rendszerek előállítása meglehetősen bonyolult. Az IPG Photonics (Oxford, MA) egy 10 kW-os egymódusú rendszer kifejlesztését javasolta, de nem állnak rendelkezésre információk a sugár jellemzőiről, és nem állnak rendelkezésre adatok, különösen az egymódusú jel mellett esetlegesen létező többmódusú komponensekről. .
A Friedrich Schiller Egyetem és a Fraunhofer Alkalmazott Optikai és Precíziós Mérnöki Intézet német tudósai a német kormány pénzügyi támogatásával, valamint a TRUMPF-fel, az Active Fiber Systems-szel, a Jenoptik-kal, a Leibniz Fotonikus Technológiai Intézettel együttműködve elemezték a méretezési problémákat. ilyen lézereket és új szálakat fejlesztettek ki a teljesítménykorlátozások leküzdésére. A csapat sikeresen teljesített egy tesztsorozatot, bemutatva egy 4,3 kW-os egymódusú kimenetet, amelyben a szálas lézer kimeneti teljesítményét csak a szivattyú jelteljesítménye korlátozta.
Az egymódusú szálas lézer sugárzási teljesítményét korlátozó tényezők
A főbb gondos tanulmányozást igénylő feladatok a következők: a) jobb szivattyúzás; b) alacsony optikai veszteséggel rendelkező, csak egymódusú üzemmódban működő aktív szál fejlesztése; c) a kapott sugárzás pontosabb mérése. Feltételezve, hogy a jobb szivattyúzás problémája megoldható ultra-fényes lézerdiódák és megfelelő szivattyú szállítási módok segítségével, ezért ebben a cikkben a másik kettővel foglalkozunk részletesebben.
A nagy teljesítményű, egymódusú működéshez szükséges aktív szál fejlesztésének részeként két optimalizálási paramétert választottak ki: adalékolást és geometriát. Minden paramétert egyértelműen meg kell határozni a minimális veszteség, az egymódusú működés és az erőteljes nyereség elérése érdekében. Egy ideális szálas erősítőnek magas, 90 feletti konverziós hatásfokkal kell rendelkeznie, kiváló sugárminőséget kell biztosítania, és a kimeneti teljesítményt csak a rendelkezésre álló szivattyúteljesítmény korlátozza. Az egymódusú rendszer nagyobb teljesítményre való fejlesztése azonban nagyobb teljesítménysűrűséget eredményezhet magának a szál magjában, megnövekedett hőterhelést és számos nemlineáris optikai hatást, például stimulált Raman-szórást (SRS) és stimulált Brillouin-szórást (SBS) eredményezhet. ).
A keresztirányú módok a szál aktív zóna méretétől függően javíthatók. Minél kisebb a szál aktív keresztmetszete, annál kisebb az ilyen módok száma - a szál és a burkolat keresztmetszete adott aránya esetén. A kisebb átmérő azonban nagyobb teljesítménysűrűséget is meghatároz, és például egy szál hajlításánál a nagyobb üzemmódok veszteségei is hozzáadódnak. Nagy szálmagátmérő és termikus feszültség esetén azonban más kibocsátási módok is előfordulhatnak. Az ilyen módok kölcsönhatásnak vannak kitéve az erősítés során, ezért optimális terjedési feltételek nélkül a kimeneti sugárzási profil térben vagy időben instabillá válhat.
Keresztirányú üzemmód instabilitása
Az ytterbiummal (Yb) adalékolt szálak a nagy teljesítményű egymódusú szálas lézerek tipikus munkaközege, de egy bizonyos küszöbön túl teljesen új hatást – az úgynevezett transzverzális módusú instabilitási (TMI) effektust – mutatnak ki. Egy bizonyos teljesítményszinten hirtelen magasabb módok vagy akár shell módok jelenhetnek meg. Az energia dinamikusan újraoszlik közöttük, és a sugár minősége romlik. A kimeneten a sugárzás ingadozása jelenik meg (a nyaláb oszcillálni kezd). A TMI-hatást számos szálkialakításban figyelték meg, a lépcsős indexű szálaktól a fotonikus kristályszálakig. Küszöbértéke függ a geometriától és az adalékolástól, de durva becslések szerint ez a hatás 1 kW-nál nagyobb kimeneti teljesítménynél jelentkezik. A vizsgálat során feltárták a TMI fotosötétedéstől való függését és kapcsolatát a szálon belüli hőhatásokkal. Ezenkívül a szálas lézerek TMI-re való érzékenysége a modális magtartalomtól is függ.
A lépésindex szálgeometria lehetővé teszi az optimalizálást. A szivattyúzáshoz a következők választhatók: szálátmérő, szivattyúszálas burkolat mérete, valamint a szál és a burkolat egyéb törésmutatói. Mindezek a hangolási paraméterek az adalékanyag koncentrációjától függenek, vagyis az Yb ionkoncentráció segítségével szabályozható a pumpa sugárzáselnyelő tartományának hossza az aktív szálban. A szálhoz egyéb adalékanyagok is hozzáadhatók a hőhatások csökkentése és a törésmutató szabályozása érdekében. Van azonban néhány ellentmondás. A nemlineáris hatások csökkentése érdekében a szálnak rövidebbnek, a hőterhelés csökkentése érdekében pedig hosszabbnak kell lennie. A fotosötétedés arányos az adalékanyag-koncentrációval, így az alacsonyabb adalékanyag-koncentrációjú hosszabb rostok határozottan jobbak lesznek. Néhány paraméterről elképzelést kaphatunk a kísérlet során. A termikus viselkedés például modellezhető, de meglehetősen nehéz megjósolni, mivel a fénysötétedés definíció szerint kicsi, és nem mérhető fizikailag gyorsított tesztekkel. Ezért a szálak termikus viselkedésének közvetlen mérése hasznos lehet a kísérleti tervezésben. Egy tipikus aktív szál összehasonlításában a mért hőterhelés (amely a szálerősítőn belüli egyidejűleg elosztott hőmérsékletmérésekből származik) és a szimulált hőterhelés (1. ábra) látható.
1. ábra: A mért aktív szál hőterhelése a szimulált terheléshez képest járulékos veszteséggel és anélkül
A száltervezés másik fontos paramétere a vágási hullámhossz, amely a leghosszabb hullámhossz, amely növeli az üzemmódok számát a szálban. Az ezen a hullámhosszon túli magasabb szintű módok nem támogatottak.
Új szálak tesztelése kilowatt teljesítménnyel
A kísérlet során kétféle Yb-adalékolt szálat vizsgáltak. 1. számú szál, 30 mikron magátmérővel, további foszforral és alumíniummal adalékkal. A kisebb, 23 mikron átmérőjű 2. számú szál kevésbé adalékolt, de több itterbiumot tartalmazott, hogy az 1. számú szálhoz képest nagyobb profil együtthatót érjünk el (1. táblázat).
1. táblázat A vizsgált szálak paraméterei
A számított határhullámhossz 1275 nm, illetve 1100 nm körül van az 1. és 2. szálnál. Ez sokkal közelebb áll az egymódusú emisszióhoz, mint egy tipikus 20 µm-es magátmérőjű, 0,06 numerikus apertúrájú (NA) szál, amelynek vágási hullámhossza ~1450 nm. Az erősített lézer hullámhosszának középpontja végül 1067 nm volt.
Mindkét szálat nagy teljesítményű szivattyúkörben tesztelték (2. ábra). A szivattyú dióda lézert és a kiindulási jelet szabad térben egy hegesztett végekkel és csatlakozókkal ellátott szálba kapcsolták, amelyet hűtés céljából vízzel lemostak. A sugárforrás egy fázismodulált külső üreges dióda lézer (ECDL) volt, melynek jelét előre felerősítve 1067 nm hullámhosszon és 180 μm spektrumszélességen akár 10 W bemeneti jelteljesítményt is elérhettünk.
2. ábra: Nagy teljesítményű erősítő kísérleti elrendezése a szálerősítő teszthez, ahol a szálat 976 nm-en pumpálták az ellenterjedési irányban.
Az első szál tesztelése során a 2,8 kW-os küszöbértéknél ezredmásodperces skálán hirtelen ingadozásokat figyeltek meg, ami a TMI-nek tulajdonítható. Egy második, 30 méteres, azonos hullámhosszú és spektrális szélességű szálat szivattyúztak 3,5 kW kimeneti teljesítményre, amelyet SBS, nem pedig TMI korlátozott.
A harmadik kísérletben az emitter lézer spektrumát úgy módosították, hogy a spektrum szélesítésével (nagyobb, mint az előző kísérletben) növeljék a szál SBS küszöbértékét. Ebből a célból egy második, 300 μm központi hullámhosszú dióda lézert kombináltak az elsővel. Ez az interferencia időbeli ingadozásokat eredményezett, amelyek lehetővé tették a jelteljesítmény növekedését az autofázisú moduláció miatt. Ugyanazzal a főerősítővel, mint korábban, nagyon hasonló kimeneti teljesítmény értékeket kaptunk 90%-os hatásfokkal, de ezeket csak 4,3 kW-ra lehetett növelni TMI nélkül (2. táblázat).
2. táblázat: Rostvizsgálat eredménye
Mérési feladatok
A nagy teljesítményű szálas lézer összes paraméterének mérése az egyik fő feladat, és ezek megoldásához speciális berendezésekre van szükség. A szálak teljes jellemzéséhez meghatároztuk az adalékanyag-koncentrációt, a törésmutató-profilokat és a szálmag csillapítását. Például a magveszteség mérése különböző hajlítási átmérők esetén fontos paraméter a TMI küszöbértékkel való korreláció szempontjából.
3. ábra a) A fotodióda intenzitás nyomkövetése a kimeneti jel tesztelésekor az 1. szál használatával, a TMI küszöb alatt és felett. b) A fotodióda-nyomok normalizált szórása különböző kimeneti teljesítményeknél
A szálas erősítő tesztelése során a TMI küszöbértéket egy fotodióda segítségével határozzák meg a teljesítmény kis töredékének megérintésével. A teljesítmény-ingadozás kezdete meglehetősen élesnek és jelentősnek bizonyult (3. ábra), a jelváltozás különösen az 1-es szál tesztelésekor volt jelentős, de a 2-es szál tesztelésekor 4,3 kW teljesítményszintig nem volt kimutatható. A megfelelő összefüggés a 4a. ábrán látható.
4. ábra a) Fiber 2 hatásfok meredeksége 4,3 kW kimeneti teljesítményig. b) Optikai spektrum 3,5 kW kimenő teljesítménnyel, a kimenet és az ASE közötti 75 dB aránnyal. 180 µm spektrális szélesség 4,3 kW kimeneti teljesítménnyel 7 nm sávszélességre kiterjesztve
A sugárminőség mérése a szálas lézeres jellemzés legnagyobb kihívást jelentő része, és külön tárgyalást érdemel. Röviden, a hőmentes csillapítás kulcsfontosságú, és Fresnel-reflexiókkal vagy alacsony veszteségű optikával érhető el. Az ebben az áttekintésben bemutatott kísérletekben a csillapítást éklemezekkel és impulzusos pumpálással vezették be a TMI kezdeti idejét meghaladó időskálán.
Alkalmazások a felgyorsult tudományban
Tíz év szünet után teljesen lehetségesnek tűnik a kilowatt osztályú, új generációs egymódusú szálas lézerek kifejlesztése, kiváló sugárminőséggel. A 4,3 kW-os kimenő teljesítményt már elértük, amelyet csak a szivattyú teljesítménye korlátoz, a továbbfejlesztés útjában álló fő korlátokat azonosították, és ezek leküzdésének módjai világosak.
Egyetlen szálon már közel 1 kW teljesítményt értek el ultragyors lézerimpulzusokkal erősítve, így az 5 kW-ra való növelés a technikák kombinációjával teljes mértékben lehetséges. Miközben rendszereket fejlesztenek olyan kutatóközpontok számára, mint az ELI (Prága, Cseh Köztársaság), a megbízható optikai jelátviteli rendszerek továbbfejlesztése továbbra is kihívást jelent az ipari rendszerek számára.
Az elvégzett munka számos érdekes kilátást tárt fel. Ez egyrészt az eredmények gyártásba való átültetése, annak ellenére, hogy ebbe az irányba még sok erőfeszítésre van szükség, másrészt a technológia rendkívül fontos más száloptikai lézerrendszerek paramétereinek növeléséhez, például femtoszekundumos szálas erősítőkhöz.
A http://www.lightwaveonline.com webhelyről származó anyagok alapján
A korábban publikált, a technológiai potenciált tesztelő cikkekben a szálas lézer leghatékonyabb technológiai alkalmazásait, azaz a vágást, hegesztést, edzést, perforálást és felülettisztítást elemezték. Egy szál lézer képes mindezt megtenni.
Az ipari vállalkozások vezetőinek és technológusainak azonban rendkívül fontos, hogy ezen túlmenően megértsék a szálas lézer modern lézertechnológiákban történő megvalósításának gazdasági szempontjait. Tehát beszéljük meg a szálas lézerrel kapcsolatos gazdasági kérdéseket, amelyek a műszaki korszerűsítési projektek értékelése során merülnek fel.
Rögtön meg kell jegyezni: a különbségek nagyon fontosak, mivel az új szálas lézer számos műszaki tulajdonsággal és tulajdonsággal rendelkezik, amelyek miatt nem teljesen helyes a klasszikus lézerek használatának tapasztalatait új berendezésekre átvinni. Éppen ezért célszerű mindenekelőtt ezen jellemzők és különbségek felvázolásával kezdeni, hogy mi is az a szálas lézer.
Fiber lézer:
A modern kibocsátók egyedülálló élettartama (több mint 100 000 óra, viszonylag alacsony költségek mellett az élettartam meghosszabbításának lehetőségével) és szinte nulla üzemeltetési költség. Kötelező, figyelembe véve az értékcsökkenés egy részének tényleges kizárását az UST-on és ÁFA-n keresztül a meglévő adórendszerben. Mivel ez rendkívül fontos gazdasági tényező lehet (azaz az amortizáció egy része közvetlenül az Ön rendelkezésére áll, mert nem használja fel).
Minimális költség és idő a helyiség előkészítéséhez és az üzembe helyezéshez. Az üzembe helyezési folyamat során a szálas lézert „telepítésnek” nevezik.
Fiber lézer, hihetetlen sokoldalúsága lézerforrásként. A szálas lézer általában egy példa a „tiszta” sugárenergia forrására, így gyakorlatilag nincs benne technológiai sajátosság, vagyis a diverzifikáció vagy a termelés egyéb átalakítása során a szálas lézer átirányítható egy technológiai technológiából. folyamat egy másikra. Az ilyen forrást természetesen (fenntartásokkal) akár folyékonynak is nevezhetjük, abban az értelemben, hogy értéket és értéket is megtart önmagában. Innentől kezdődnek bizonyos lézercsere- és lízingszolgáltatások (ezekben a kérdésekben a legjobb közvetlenül a gyártóhoz fordulni).
Szállézer, főbb jellemzői:
A teljesítmény növekedésének valószínűsége. Vásárolhat szálas lézert tervezési tartalékkal, például 700 W teljesítménnyel, majd egyszerűen vásárolhat speciális szivattyúegységeket, ezáltal növelve a teljesítményt, például 2400 W-ra. Ugyanakkor egy termelési rendszerben (a további blokkok telepítésének folyamata legfeljebb 3 óra) gyakorlatilag nem kell semmit megváltoztatni. Ez lehetővé teszi a kezdeti tőkebefektetések jelentős csökkentését, valamint a termelékenység növelését a termeléshez szükséges pillanatban.
A sugárzás közvetlen továbbítása optikai kábelen keresztül, amelynek hossza 10-100 méter, nagyban leegyszerűsíti a technológiai rendszerek egészének tervezését és elrendezését. Az ipari robotika széles választékát használhatja. Érdemes megjegyezni, hogy egyes gyártási feladatokhoz csak 3 alkatrészre van szükség, nevezetesen egy szálas lézerre/feldolgozó fejre/ipari robotra. Természetesen tapasztalat hiányában továbbra is szükség lesz egy integrátor cég szolgáltatásaira, de egy adott termelési rendszer megszervezésének összköltsége jelentősen csökken.
A szálas lézer egy többfunkciós és többcélú technológiai terület a lézerforrás maximális terheléséhez. Természetesen ez nem olyan egyszerű, mint amilyennek első pillantásra tűnik, de nagyon is lehetséges. És ennek a valószínűségnek a fontossága miatt tovább fogunk beszélni róla.
Kérdés a szakemberekhez és általában a személyzethez. A szálas lézer segítségével nincs szükség arra, hogy a vállalatnak az optikával, a vákuumrendszerekkel és az elektromos kisülésekkel kapcsolatos ismeretekkel rendelkező szakemberekből álló teljes személyzete legyen. Szállézer, működéséhez semmi sem szükséges, hiszen a kezelői képzés nem tart tovább 1 hétnél. Természetesen ez nem mentesíti a vállalkozást a hozzáértő technológusok szükségessége alól, de ez egy másik kérdés, aminek semmi köze magához a lézerhez. A meglévő személyzet kihasználása és ezzel egyidejűleg magasabb szintű működési hatékonyság érhető el.
Szállézer, alapvető technológiái:
Ez a 7 pont önmagában is nagy érdeklődést válthat ki az új, modern berendezések iránt. A hatás fokozása érdekében fel kell sorolni néhány alapvető technológiát:
- fémek lézeres vágása. Nem csak klasszikus lapvágásról beszélünk, hanem nagyon volumetrikus vágásról is, például ipari robotok használatával;
- lézeres perforáció (szűrőelemek, hálók);
- lézeres hegesztés. Először is, ez egy nagy teljesítményű varrat tompahegesztés élelőkészítés és töltőanyagok használata nélkül. De manapság a technológusok meglehetősen gyorsan fejlesztik a hibrid folyamatokat, vagyis a kombinált hegesztési sémákat, amelyek kombinálják a lézersugarat és ennek megfelelően az elektromos ívet;
- a lézeres edzés (hőkezelés) olyan eljárás, amely az alkatrész bizonyos töredékeinek helyi keményítését biztosítja anélkül, hogy jelentős hőhatást gyakorolna az alkatrészre;1
- a lézeres felületkezelés az íves felületképzés hatásának analógja, amelyet nagy lokalitás és pontosság jellemez;
- bevonatok és szennyeződések lézeres tisztítása. A legkörnyezetbarátabb tisztítási módszer, és egy érintésmentes, amely képes felvenni a versenyt a tömegtechnológiákkal, például a homokfúvással.
Közvetlenül a gazdasági szempontokra áttérve érdemes megjegyezni, hogy a szálas lézer és rendszere jelenleg egy nagyságrenddel drágább, mint a klasszikus CO2 lézerek, ezért maga a lézer ára általában a technológiai rendszer egészének jelentős részét képezi. .
Fiber lézer, minimális készlete a következőket tartalmazza: lézeres technológiai művelet végrehajtására szolgáló berendezés tartalmazza:
- A szálas lézernek meghatározott költséggel kell rendelkeznie: dörzsölés/kW;
- a szálas lézer speciális lézeres feldolgozófejjel rendelkezik, amely sugárzási áramlást, valamint más anyagok áramlását generálja közvetlenül a feldolgozási zónában;
- manipulátor (robot) a termék vagy lézerfej mozgatásához, valamint a folyamat általános és alapos ellenőrzéséhez. Ha kész és univerzális szálas lézert használ, akkor a költségek közvetlenül a konfigurációtól és természetesen a márkától függenek.
Fiber lézer, minimális készlete lézer technológiai rendszerhez a következő: 1 – lézer, 2 – technológiai fej, 3 – optikai kábel, 4 – manipulátor.
Így egy 1000 W teljesítményű technológiai rendszer esetében a tőkeköltségek alapösszege körülbelül 6 millió rubel lesz. RF. Valójában ez nem minden költség, hiszen számításba kell venni a szoftver, az integráció, a helyiségek előkészítésének és a gyártás költségeit is. Ezért a számítások egyszerűsége érdekében a legésszerűbb azt feltételezni, hogy a teljes beruházás - egy szálas lézer - költsége körülbelül 2 ár lesz. Hasonló arány figyelhető meg különösen a fém vágására tervezett lézergépeknél. A szálas lézer teljesítménye 2000 W. Az árak 12-14 millió orosz rubel között mozognak. Ugyanakkor a lézervágó berendezések meglehetősen nagy, összetett rendszer, nagy méretekkel. A sorozatgyártásnak és a szabványos, jól tesztelt technológiának köszönhetően azonban az ár érezhetően csökken.
Más technológiai folyamatokban (például hegesztés, edzés) az ilyen berendezések komplexuma sokkal egyszerűbb lehet, de itt érdemes figyelembe venni, hogy ebben a szakaszban az ilyen technológiák egyáltalán nincsenek szabványos soros komplexekbe csomagolva (azaz ebben Ebben az esetben a technológia és a mérnöki költségek lesznek, mégpedig nagyon jelentősek). Ezért az x2 együttható széles felhasználási osztályra, átlagos automatizáltsági fok mellett (azaz a feldolgozási folyamat automatikus, a be- és kirakodás pedig félautomata vagy kézi) indokolt lehet.
A lézertechnológia gazdaságossága 2 próbagyártási probléma elemzésével
Nézzük az első gyártási problémát, a szálas lézerrel kapcsolatban:
Tehát első próbafeladatként tekintsük a hengergeometriájú alkatrészek tömeggyártását, amelyben 2 féltestet kell egyetlen (tömör) tömített testté hegeszteni. Ez a különféle típusú szűrők gyártásában szokásos feladat. Az acél 0,5-1 mm vastag, a termék átlagos átmérője 60 mm. A probléma célja a maximális termelési mennyiség a termék minimális költsége mellett.
Maga a termelési rendszer szinte automatikusan szintetizálódik erre a feladatra. Egy ilyen termék gyors lézeres hegesztéséhez körülbelül 700 W teljesítményű szálas lézerre van szükség (azaz a lineáris hegesztési sebesség kb. 50 mm/sec), egy meglehetősen egyszerű hegesztőfejre, egy termékforgatóra (automatizált) és ennek megfelelően a munkadarabokat be- és kirakodó rendszer. A betöltő rendszerhez egyszerű tálcás adagoló használható. Szállézer, feltételezzük, hogy a hegesztésre szánt termékeket a dolgozók már előre összeszerelték. Maguk a munkadarabok minőségi szintjétől függően (méretkalibráció) azonban szükség lehet a termékek illesztésének korrekciós rendszerére - a hegesztőfej helyzetére. Általában egy ilyen meglehetősen egyszerű rendszer fejlesztésének és ennek megfelelően gyártásának költsége körülbelül 5 millió rubel.
A bemutatott szöveg után egy kis következtetést vonhatunk le:
- A rendszer gazdaságossági paraméterei jelentősen romlanak a berendezések és természetesen a személyzet terhelési szintjének csökkenésével: ha például a maximális gyártási folyamat 10%-át állítják elő a termékek/alkatrészek, akkor a költségek egyszerűen 10-szeresére nőnek. Így mindkét esetben a meglehetősen drága berendezések kihasználatlanok, és ennek megfelelően a személyzet tétlenül ül.
- A költségeket tekintve az automatizálás feladása sem tesz semmit: a nem automatizált technológiai folyamatokra való átállás a termékek költségeit is megnöveli, méghozzá meredeken. Ez a munkatermelékenység általános csökkenése miatt következik be.
- A lézertechnológia alkalmazása csak a termelési rendszer maximális terhelésével (vagy legalábbis a maximumhoz közeli) „nyerést” tesz lehetővé, és közvetlenül előnyös magának a termelésnek, illetve a nagyüzemi termelésnek a feltételeire. A lézeres feldolgozási folyamat magas minősége (azaz a reprodukálhatóság és stabilitás) rendkívül fontos az ilyen gyártásoknál.
Nyilvánvaló, hogy a nagyméretű alkalmazásoknál a szállézeres hegesztés megtérülése meglehetősen gyors lehet az általános termelékenység meredek növekedése miatt.
Tekintsük a második gyártási problémát, a szálas lézerrel kapcsolatban:
Általában sok valódi vállalkozást lényegesen alacsonyabb sorozatgyártás jellemez, így a lézerforrás betöltésének problémája folyamatosan felmerül.
Például egy bizonyos vállalkozás egy összetett terméket gyárt, amely egy hengeres testből áll, és ehhez egy erős rögzítőelemmel ellátott fedelet kell hegeszteni, valamint 2 elemet közvetlenül magához a fedélhez kell hegeszteni. Egy ilyen termék belsejében van egy koptató üzemmódban működő rúd is, amely ezért megerősítést igényel, valamint egy folyadékszűrő, amely gyűrű formájában készül, amelyhez fémhálót forrasztanak. Az ilyen termékek becsült sorozatgyártása évi 100 000 darab.
A termékek gyártásának tipikus alaptechnológiájában a következő technológiai folyamatokat alkalmazzák:
- kovácsolt anyagok gyártása szemes fejhez;
- kovácsolt anyagok komplex gépesített feldolgozása;
- lyukak (több) kivágása a testben mechanikus módszerrel;
- a szükséges alkatrészek hegesztése a lyukakba;
- a fejnek a fő testhez való hegesztése kézi ív, nagy százalékban előfordulnak hibák, amelyek oka többek között a geometria megsértése (azaz a fej tengelyének és a henger tengelyének elmozdulása);
- a rúd térfogati keményítése, krómozás és köszörülés;
- gyűrűs hálóvágás;
- a háló utólagos forrasztása a külső és belső kontúrok mentén (meglehetősen nehezen automatizálható folyamat, magas szintű hibákkal).
A tesztfeladat terméke: 1 – test, 2 – burkolat, 3 – hegesztett rész, 4 – lyukakkal ellátott gyűrű, 5 – szűrőháló. Fiber lézer:
Lehet-e szálas lézert használni egy ilyen termék gyártásánál a technológiai folyamat végrehajtására vagy egyszerűsítésére? Az ötlet lényege a következő: a szálas lézert közvetlenül időosztásos módban használni, ezáltal különféle műveletekkel terhelni az erőforrását. Technikai szempontból van ilyen lehetőség, de ennek technikai vonatkozásait a történet végén tárgyaljuk.
Az adatbázisból a szálas lézer lézertechnológiai paraméterei alapján mindenekelőtt úgy becsüljük meg, hogy 1500 W teljesítményű lézerforrásra lesz szükségünk. Ez természetesen az elemek megbízható hegesztéséhez szükséges minimális teljesítmény. Mivel a lézer többfunkciós használatát tervezik, a robotberendezések árának általában magasabbnak kell lennie.
Meg kell említeni egy rendkívül fontos integrált előnyt is: a termékminőségi szint növekedése rendkívül fontos és jelentős versenytényező közvetlenül az értékesítési piacon, amely lehetővé teszi, hogy jelentős részt foglaljunk el.
Külön érdemes hangsúlyozni, hogy a szálas lézer és minden tervezett technológiai folyamat hasznosíthatósága a használat során már megfelelő tesztelésen esett át, és ezekről az eljárásokról előzetes kísérleti adatok állnak rendelkezésre.
Így: egy szálas lézer, a lézertechnológiák összességének komplex alkalmazása egészen reálisan tud elég nagy összhatást adni, de csak a lézerberendezés teljes terhelése mellett!
A lézeres gyártási lehetőség költségét csak egy ipari vállalkozás alulbecsült költségével számítják ki, de a percenkénti költség őszinte kiszámítása egyértelműen azt mutatja, hogy egy ilyen projekt jövedelmezőségi rátája olyan nagy és nyilvánvaló, hogy még akkor is jelentősen jövedelmező. magas rezsiköltséggel – és ez tény!
Érdemes megjegyezni a szálas lézert is: a lézerrendszer tervezője javasolhatja a technológiai funkcionalitás aszimmetrikusan (azaz nem egyenlően) 2 lézerkomplexumra való felosztását - az 1. lézerkomplexum kizárólag furatvágást és hegesztési munkát végez, a 2. pedig a fennmaradó műveletek a szűrők gyártásához és a rudak edzéséhez. Vagy csak az első komplexum maradhat meg, amely az első két tényezőn hajt végre műveleteket, mivel ezek főként hozzájárulnak a projekt egészének jövedelmezőségéhez. Fiber lézer, ezeket a döntéseket minden bizonnyal sok szempontból meghatározzák a technikai kérdések, nevezetesen a kérdések: „Hogyan valósul meg pontosan a multifunkcionalitás?” – Valóban megvalósítható ez technikailag? – Milyen azonnali problémákhoz vezethet ez? Tekintsük a lehetőségeket és lehetőségeket.
Szállézer és alkalmazásai:
Teljesen sikeres megoldás a manipulátorára helyezett lézerfejű robot használata a megadott tesztfeladathoz. Mindenekelőtt a robot képes mind a 4 oldalon automatikusan a gyűrűt a fő burkolathoz hegeszteni, minimális átmeneti idővel, és egy elemi forgó termékpozicionáló gyártása során, le- és kézi beszereléssel, közvetlenül az időveszteséggel. a be- és kirakodás is minimálisra csökken. Ami természetesen más vágási és hegesztési műveletekre is igaz.
Az univerzális robotok alkalmazásának az az előnye, hogy gyakorlatilag megszűnnek a nem szabványos technológiai berendezések, szerszámok tervezésének, majd gyártásának költségei. Mivel a gyártási képzés fő terhe éppen a robot egyes programjainak elkészítésére, vagyis a hatékonyságára hárul.
TÖBB OLDAL HASZNÁLATA.
Ehhez a megoldáshoz abszolút minden technológiai művelethez külön technológiai állomás kialakítása szükséges, amely egy rendkívül funkcionális manipulátorral van felszerelve. Egy bizonyos művelet elvégzése után a lézerfejet optikai kábellel csatlakoztatva a lézerhez egy másik technológiai állomáson újra felszerelik, és ennek megfelelően újra beállítják az ugyanazon vagy egy másik tétel terméken végzett másik művelethez.
Egy bizonyos művelet elvégzése után a szálas lézert, annak lézerfejét, optikai kábellel a lézerhez csatlakoztatva egy másik technológiai állomáson újratelepítik, egy másik művelethez igazítják, és egy másik műveletet dolgoznak fel, hajtanak végre ugyanazon vagy másikon. termékek tétele.
Fiber lézer Sajnos jelenleg még nem lehetséges a személyi lézer technológiai fejek különböző pozíciókban. Mivel műhelyi környezetben az optikai kábel fejéről való leválasztás szigorúan tilos a porosodás miatt, mivel az optikai szál legkisebb porszeme, amikor az optikai kimenethez ér, általában ennek a kimenetnek a visszafordíthatatlan tönkremeneteléhez vezet. Erre a problémára minden hasonló berendezéssel rendelkező vállalkozás izgatottan várja a megoldást, és talán a közeljövőben még meg is találják.
OPTIKAI MULTIPLEXEREK ALKALMAZÁSA
Egy új funkció, jelenleg ritkán használt. Lényege a következő: megvásárolható egy speciális lézersugár kapcsoló, amely bemenetén keresztül csatlakozik a lézerhez, illetve az egyes oszlopokon több, feldolgozófejes kimenettel. A sugárzás váltása meglehetősen gyorsan megy végbe az állomások között, és egy ilyen rendszerrel minimálisra csökkenthető a termékcsere és a technológiai átállás idővesztesége.
Ehhez a legfelső szintű rendszernek biztosítania kell a diszpécser funkciókat, valamint közvetlenül el kell osztani a lézerforrás erőforrásait ezen technológiai posztok kérésének megfelelően. Mivel a formázási számításoknál azt feltételeztük, hogy a be- és kirakodási idő legalább egyenlő a működési idővel, ebben az esetben egy ilyen multiplexer használatakor csak egy lézer elegendő egy körülbelül 100 000 darab előállítására alkalmas tesztprogram megvalósításához. Termékek.
Egy ilyen multiplexer költsége körülbelül 1-2 millió rubel. Ezen kívül meg kell jegyezni, hogy a szálas lézer beépített multiplexerrel rendelhető, amely több kimenettel rendelkezik.
Talán az egyetlen hátránya, hogy a multiplexer kis mértékben rontja a sugárzás minőségét (azaz a kimeneten sokkal nagyobb keresztmetszetű szálat kell használni), de ez csak a lézervágásnál kritikus. Szállézer, hasonló rendszere a legoptimálisabb és legcélravezetőbb. Egy multiplexer esetében a többlet tőkeköltségek sokszorosan kompenzálódnak a lézerterhelési szintnek köszönhetően.
Tehát: 1 – lézer, 2 – optikai kapcsoló, 3 – fejek (technológiai), 4 – technológiai állomások, 5 – központi vezérlőrendszer.
Egy másik fontos kérdés maguknak a lézerfejeknek a sokoldalúságához kapcsolódóan: Ha ipari robotot vagy többállomásos területet kíván használni, akkor a lézerfejnek rendelkeznie kell a sokoldalúság tulajdonságával (vagyis képesnek kell lennie különféle technológiai folyamatok végrehajtására). . Ma a nyugati gyártók nem gyártanak ilyen fejeket!
Ilyen berendezések azonban már léteznek: hamarosan megkezdődik a tömeggyártás - egy univerzális hangolható fej, amely a technológiai műveletek teljes alapvető skáláját képes elvégezni szálas lézersugárzással (hegesztés, vágás, edzés, perforálás). A fej bármilyen konkrét művelethez való igazítása az optikai rendszer automatikus átalakításával és egy cserélhető technológiai rögzítéssel (vagyis annak cseréjével) történik, amelyet a jól ismert mágneses felfüggesztés elve szerint rögzítenek.
Szállézer, előnyei:
A becslések azt mutatják, hogy a szálas lézer jelentős gazdasági potenciállal rendelkezik.
- A korszerű lézerekre épülő szálas lézerprojektek magas jövedelmezősége kizárólag maximális berendezésterhelés mellett biztosított, vagyis az új lézerek meglehetősen jelentős megbízhatósága és egyedi erőforrása miatt ez műszakilag lehetséges.
- A lézerforrás erőforrásait megosztó multifunkcionális technológiai területeknek meglehetősen jelentős jövője lehet.
- A jelentős tőkebefektetések ellenére a lézeres berendezések és általában a lézertechnológiai rendszerek megtérülése nagyon-nagyon gyors, akár 1-1,5 év is lehet.
A szálas lézer teljesen vagy részben száloptikai megvalósítású lézer, ahol az erősítő közeg és esetenként a rezonátor optikai szálból készül.
A szálas lézer teljesen vagy részben száloptikai megvalósítású lézer, ahol optikai szál A erősítő közeget és bizonyos esetekben rezonátort is készítenek. A szálas megvalósítás mértékétől függően a lézer lehet teljesen szálas (aktív közeg és rezonátor) vagy diszkrét szál (csak szálas rezonátor vagy egyéb elemek).
A szálas lézerek folyamatos hullámban, valamint nano- és femtoszekundumos impulzusimpulzusokban működhetnek.
Tervezés lézer munkájuk sajátosságaitól függ. A rezonátor lehet Fabry-Perot rendszer vagy gyűrűs rezonátor. A legtöbb kivitelben ritkaföldfém-elemek - tuliium, erbium, neodímium, itterbium, prazeodímium - ionokkal adalékolt optikai szálat használnak aktív közegként. A lézert egy vagy több lézerdióda segítségével közvetlenül a szálmagba, vagy nagy teljesítményű rendszerekben a belső burkolatba pumpálják.
A szálas lézereket széles körben használják a paraméterek széles választéka és az impulzus testreszabásának képessége miatt az időtartamok, frekvenciák és teljesítmények széles tartományában.
A szálas lézerek teljesítménye 1 W-tól 30 kW-ig terjed. Optikai szál hossza - akár 20 m.
A szálas lézerek alkalmazásai:
– vágás fémek és polimerek az ipari termelésben,
– precíziós vágás,
– mikrofeldolgozás fémekés polimerek,
– felületkezelés,
– forrasztás,
– hőkezelés,
– termék címkézése,
– távközlés (száloptikai kommunikációs vonalak),
– elektronikai gyártás,
– orvostechnikai eszközök gyártása,
– tudományos műszerezés.
A szálas lézerek előnyei:
– a szálas lézerek olyan egyedülálló eszközök, amelyek új korszakot nyitnak az anyagfeldolgozásban,
– a hordozhatóság és a szálas lézerek hullámhosszának megválasztása olyan új, hatékony alkalmazásokat tesz lehetővé, amelyek a jelenleg meglévő lézerek más típusaihoz nem állnak rendelkezésre,
– szinte minden ipari felhasználásuk szempontjából fontos paraméterben felülmúlják a többi lézertípust,
– az impulzus testreszabásának lehetősége az időtartamok, frekvenciák és teljesítmények széles tartományában,
- rövid impulzussorozat beállításának képessége a kívánt frekvenciával és nagy csúcsteljesítménnyel, amely például lézergravírozáshoz szükséges,
– paraméterek széles választéka.
Különböző típusú lézerek összehasonlítása:
| Paraméter | Ipari felhasználáshoz szükséges | CO 2 | YAG-Nd lámpa pumpás | Diódaszivattyús YAG-Nd | Dióda lézerek | |
| Kimeneti teljesítmény, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Hullámhossz, µm | minél kevesebbet | 10,6 | 1,064 | 1,064 vagy 1,03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Hatékonyság, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Fiber sugárzás szállítási tartomány | 10…300 | hiányzó | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Kimeneti teljesítmény stabilitása | a lehető legmagasabbra | alacsony | alacsony | alacsony | magas | nagyon magas |
| Visszatükrözési érzékenység | a lehető legalacsonyabbra | magas | magas | magas | alacsony | alacsony |
| Lakott terület, nm | minél kevesebbet | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Beépítési költség, relatív egység | minél kevesebbet | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Működési költség, rel | minél kevesebbet | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Karbantartási költség, rel | minél kevesebbet | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| A lámpák vagy lézerdiódák cseréjének gyakorisága, óra. | amennyire csak lehetséges | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus impulzusszálas ytterbium lézer 50w 100kw gyártó vásárlása
szilárdtestszálas lézerek
fémvágás rétegelt lemez félelmetes cernark gravírozás módok mélygravírozás szálas lézerrel
itterbium szál lézeres készülék
szálas gép eladó lézer
működési elve gyártás Fryazino 1,65 mikronos technológia ytterbium vételi ár ipg hp 1 optikai fém vágáshoz gravírozás impulzus működési elve gép optikai alkalmazások teljesítmény csináld magad eszköz diagram hullámhossz hegesztés gyártó hullámokat vág
Keresleti tényező 902
A szálas lézerek alatt optikailag pumpált szilárdtestlézereket értünk, amelyek aktív eleme egy szálas fényvezető lézeraktivátorok adalékaival. A fényvezető rendszerek számára a legígéretesebbek a neodímium ionokkal aktivált szálakon alapuló lézerek.
Rizs. 4.11. A relé szakasz hosszának függése az információátviteli sebességtől egy mikron csillapítású lépcsős szál esetén:
1 - lézerdiódához (a BC szakasz jellemző csökkenése az intermódusú diszperziónak köszönhető) 2 - sbeto-emitting diódához (a karakterisztikus csökkenés a szakaszban lévő dióda széles spektrumának köszönhető, valamint a frekvenciajellemző csökkenés a szakaszon)
A neodímium erősítésének spektrális jellemzői gyakorlatilag függetlenek a külső körülményektől a neodímium ionok maximális erősítésének megfelelő hullámhossz hőmérséklet-eltolódása egyenlő, míg a félvezető közegeknél ez a paraméter A emitter szálas kialakítása lehetővé teszi a szabványos csatlakozók használatát; hatékonyan juttatja be a sugárzást a szálas fényvezetőkbe, beleértve az egymódusúakat is.
Ezen előnyök és – amint az alább látható – széles körű funkcionalitás ellenére a szálas lézerek még nem hagyták el a kutatási szakaszt. Ez azzal magyarázható, hogy a száloptikai rendszerek létrehozásakor számos problémát sikerült megoldani a jól kifejlesztett félvezető emitterekkel, különösen a meglehetősen egyszerű, eleve megvalósuló rendszerekben, ahol a félvezető források egyik fő előnye döntő szerepet játszik. - a sugárzás intenzitásának közvetlen modulálása a szivattyú áramával. A szilárdtestlézereknél, különösen a neodímium-aktivált közeg alapú lézereknél a sugárzási intenzitás nagy sebességű modulálása a szivattyú teljesítményének változtatásával alapvetően lehetetlen a viszonylag hosszú longitudinális relaxációs idő miatt. Az invertált populáció gyors „bekapcsolásának” képtelensége a közvetlen modulációs frekvenciákat Hz-re korlátozza. Fényvezető rendszerek fejlesztése, különösen a közeljövő ígéretes rendszerei koherens vétellel és többcsatornás spektrummal
a tömörítés serkenti a szálas lézerek fejlődését, amelyek nem csak generátorként, hanem fényerősítőként is használhatók.
A meglévő szálas lézer-konstrukciók három csoportra oszthatók. Az első csoportba tartozó szálas lézerek több hosszú szálból álló kötegeket és erőteljes szivattyúzást használnak impulzusos gázkisüléses lámpákkal. Pozitív visszacsatolás az ilyen struktúrákban a szálak végeiről visszaverődő fény, valamint a mikrohajlítások és inhomogenitások visszaszórása miatt jön létre.
Rizs. 4.12. Szállézerek kivitelei: a - végpumpálással; b - keresztirányú pumpálással kis átmérőjű szálakhoz, c - szálak közvetlen vonalzóra fektetésével - kibocsátó platform - lézerrezonátor tükör, sugárzásnak átlátszó, 13 - aktív szál, 5 - rezonátor tükör; 6 - optikai ragasztó, 8 - reflektor, 9 - üveghenger, 10, 12 - radiátorok; 11, 14 - LED vonalak
A csőszivattyúzás lehetővé teszi, hogy egyetlen menetben nagy nyereséget érjenek el, de kényszerített folyadékhűtő rendszerek és terjedelmes tápegységek használatát igényli, ami láthatóan irreálissá teszi a kis méretű készülékek létrehozását. Ebben az értelemben bizonyos kilátások a gázkisüléses mikrolámpák használatában rejlenek. A lámpával pumpált kivitelek előnyei közé tartozik, hogy utazóhullámú optikai erősítőkként és regeneratív erősítőkként is használhatók, meglehetősen magas (~30-40 dB) erősítéssel.
A szálas lézertervek második csoportja rövid hosszúságú monokristályos és neodímium-ionokkal adalékolt üvegszálakat használ. A szivattyúzás a szál végén félvezető lézerrel vagy LED-del történik. Megfelelően magas szivattyú hatásfok érhető el, ha egy GaAlAs GVD-n alapuló félvezető emitter emissziós spektrumát a körülbelül kb.
0,81 µm. A második csoportba tartozó szálas lézerek kialakítása vázlatosan látható az 1. ábrán. 4.12, a. Az aktív közeg alacsony erősítésének köszönhetően kialakul a lézerüreg
nagy fényvisszaverő képességű dielektromos tükrök. Az ittrium-alumínium gránátból neodímiummal és üvegkvarcszálakkal neodímiummal készült monokristályos szálakon alapuló lézerek ilyen kialakításúak. Beszámoltak arról, hogy kristályos szálban kriptonlézerrel, rubinszálban pedig argonlézerrel pumpáltak. A legjobb eredményeket 0,5 cm hosszú és 80-as szálgeometriájú kristály használatakor érte el μm átmérőjű. A külső rezonátort (4.12. ábra, a) dielektromos bevonattal ellátott tükrök alkották, amelyek közül az egyik mikron lézersugárzásra és csak pumpás sugárzásra reflektált, a második lézersugárzásra ugyanolyan nagy reflexiós tükör visszaverte a pumpát. elég jól világít A tükrök szinte a szál végeihez közel helyezkedtek el. A szivattyúzást 85 μm kibocsátási felület átmérőjű felületi LED-del végeztük. A szivattyú teljesítményének küszöbértéke volt
Az ilyen kialakítású szálas lézerek fő előnyei az alacsony energiafogyasztás és az általános méretek. Főbb hátrányok: a végszivattyúkör nem teszi lehetővé az 1 cm-nél hosszabb szálszegmensek használatát, ami korlátozza a kimeneti teljesítményt. Ezen túlmenően ezeknek a lézereknek a gyártási és beállítási technológiája összetett, és az egyik végén található pumpás LED megnehezíti a lézer optikai jelerősítőként való használatát.
Többfordulatú szálas lézerek LED rudak keresztirányú pumpálásával (ábra a harmadik csoport terveit ábrázolja. A LED sávra több menetes üvegszál kerül, melynek magját neodímium ionok aktiválják. A kialakítás bizonyos mértékig kombinálja az első és a második csoportba tartozó szálas lézerek előnyeit, és hiányzik a legtöbb hátrányuk. A félvezető emitterek szivattyúforrásként való alkalmazása meglehetősen kicsivé teszi az ilyen rendszereket a keresztirányú szivattyúzási séma és a hosszú szálszakaszok alkalmazása Az optikai szálak kis átmérője miatt a keresztirányban pumpált sémában a nagy ionkoncentrációjú, és ennek megfelelően nagy abszorpciós együtthatójú üvegszálak alkalmazása hatékony szivattyú fény A neodímium-ultrafoszfátból készült szálak olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek a LED-vonalakon többféleképpen történhetnek. Így egy száldarabot ismételten áthúzunk egy körülbelül 1 mm átmérőjű üveghengeren (4.12. ábra, b), amelynek külső felületére fényvisszaverő bevonatot viszünk fel.
a szivattyú sugárzás felhasználásának hatékonyságának növelése. Ez a módszer előnyös kis külső átmérőjű (µm) szálak esetén. Nagyobb átmérőjű szálak fektethetők a LED-vonalra fordulatról fordulásra (4.12. ábra, c). Mindkét kivitel használható utazóhullámú optikai erősítőként, a fényvezető egyik vége az erősítő bemenete, a másik pedig a kimenet. A tükörbevonatok alkalmazása a szálak végén lehetővé teszi a lézerezést Fabry-Perot szálrezonátorral.
Az aktív optikai szálak lézeres folyamatainak jellemzőit a specifikus lézergeneráció jelenléte határozza meg pozitív visszacsatolás hiányában.
Rizs. 4.13. Szálas fényvezető: a - aktív maggal és passzív burkolattal; b - passzív maggal és aktív héjjal (2)
Ez a fő különbség a szálas lézerek és a térfogati aktív elemeken alapuló lézerek között. A félvezető LED-ekben a szuperlumineszcencia rendszerhez közel álló folyamat lényegének magyarázatához vegyük figyelembe a fényvezető néhány elemi szakaszát, amelyben fordított populáció jön létre (4.13. ábra, a). A spontán emisszió minden irányban azonos valószínűséggel megy végbe, de a sugárzás, amely két szögkúpban összpontosul, amelyeknek közös tengelye van a szállal, és amelyeket 20-os nyitási szög határoz meg, nem hagyja el a magot. Itt
hol vannak a mag és a burkolat törésmutatói Ez a sugárzás a szál természetes oszcillációit (módusait) gerjeszti, amelyeket a szál mentén jobbra és balra terjedő stimulált emisszió felerősít (4.13. ábra, a). Ugyanez a kép figyelhető meg az aktív rostmag bármely más elemi szakaszán. Egy ilyen szálas fényforrás kimeneténél a sugárzási divergenciát hozzávetőlegesen a szál numerikus apertúrája határozza meg
Amíg az aktív fényvezetőben egymás felé terjedő fényhullámok intenzitása lényegesen kisebb, mint az erősítést telítő érték, addig az ellenterjesztő hullámok függetlenek, valamint a fényvezető különböző módusai által átvitt energiák. Ilyen körülmények között a stimulált emisszió miatti spontán emisszió felerősödésének folyamatát a telítés nélküli és a spontán emissziót figyelembe vevő lézererősítő jól ismert egyenletei írják le. A sugárzás spektrális teljesítménysűrűsége egy üzemmódban egy szál hosszúságú aktív szakaszának kimenetén (4.13. ábra, a) egyenlő
Itt van Planck állandója; - fényrezgések frekvenciája; - a felső és alsó lézerszint populációi; - hosszegységenkénti nyereség, ahol a kényszerített átmenet Einstein-együtthatója; - a spektrális erősítési vonal normalizált alakja; c a fénysebesség. A maximális generált teljesítményt korlátozhatja vagy a fényvezető hossza, vagy – mint a rezonátoros lézereknél – a telítés. Természetesen az erősítési folyamat során a generálási spektrum szűkül a lumineszcencia spektrumhoz képest, amiatt, hogy a vonal közepén lévő spektrális komponensek jobban felerősödnek. A spektrum szélességét az erősítés és az alak határozza meg, az emissziós spektrum pedig folytonos a rezonátor hiánya miatt.
A vizsgált szálas lézeres eljárásnak három lényeges szempontja van.
1. Az aktív szálas fényvezető fényforrásként használható optikai rezonátor nélkül.
2. Hagyományos üregkialakítással szálas lézerek készítésekor figyelembe kell venni, hogy a vizsgált folyamat egy menetben telítettség szerzéshez vezethet, aminek következtében a visszacsatolás értelmét veszti. Ebben az esetben a és értékeit úgy kell megválasztani, hogy azok messze esjenek az erősítést telítő értéktől.
3. A száloptikai erősítőkben a tárgyalt folyamat eredményeként keletkező fény a fő zajforrás. A zajteljesítmény spektrális sűrűsége egy üzemmódban, az erősítő bemenetére újraszámítva, a (4.12) képlet szerint, egyenlő
Négyszintű rendszerben, például neodímium lézeres szintáramkörben, általában nagy erősítéssel
A volumetrikus erősítőkben a felerősített spontán emisszió zaját sokáig alapvetően eltávolíthatatlannak tartották (lásd pl. munka), azonban a szálerősítőkben a szintje jelentősen csökkenthető az ábrán látható fényvezető használatával. 4.13, 6. Az egymódusú szál, amelynek magja kvarcüvegből készül, törésmutatót növelő adalékanyaggal, például neodímium ionokkal aktivált üvegburkolattal rendelkezik. Az inverz populáció létrehozása a burkolatban a mag módus effektív erősítéssel történő erősítéséhez vezet
hol a nyereség a héjban; - a mag üzemmódú teljesítmény egy része, amely a burkolatban terjed; P az ennek az üzemmódnak a teljes teljesítménye. Az arány 0,99-ről 0,1-re változik, ha a szálparaméter 0,6-ról 2,4048-ra változik. Amikor a mag elkezdi hatékonyan irányítani a fő módot azáltal, hogy saját maga közelében lokalizálja a mezőjét, a második mód gerjesztődik. A képletet ugyanúgy kaptuk meg, mint egy olyan burkolatú szál csillapítási együtthatójának kifejezését, amelyben a sugárzási veszteségek rosszabbak, mint a szálaké. Az előbbiek jelentős hátrányai az erősítővezeték hőmérsékleti instabilitása (mikronokra), jelentős veszteségek az egymódusú szálas fényvezetőknek az erősítő sík fényvezetőjéhez való csatlakoztatásakor, valamint a zajteljesítmény magas szintje - szuperlumineszcencia sugárzás.
A szálas lézerek új típusú FOD-ok létrehozásának lehetőségét nyitják meg. Az érzékeny elem, amely egy szál fényvezető, itt egy szálgyűrű vagy lineáris lézerrezonátor része.
Rizs. 4.14. Egyfrekvenciás szálas lézerek elosztott visszacsatolással (a) és Bragg tükrökkel (b): 1 - aktív mag; 2 - periodikus szerkezetű héj
A fénylengés fázisának külső tényezők hatására bekövetkező változása a lézerek különböző üzemmódjainak generálási frekvenciájának megváltozásához vezet. A külső hatásokra vonatkozó információkat az intermode ütemek frekvenciájának változása tartalmazza. Gyűrűs rezonátorral ellátott szálas lézer alapján, amely a fényvezető végeinek hegesztésével vagy leválasztásával valósul meg, meglehetősen egyszerű kis méretű lézerszálas giroszkóp elkészítése.
A stabil egyfrekvenciás szálas lézerek megvalósíthatók elosztott visszacsatolásként vagy elosztott Bragg-reflexiós kialakításként. Ehhez a szál bizonyos szakaszaiban szálvisszaverő spektrális szűrőt kell létrehozni az alábbiakban ismertetett módszerek egyikével (lásd 4.8. bekezdés) (4.14. ábra). Az ilyen források fázisvíz diódákban használhatók.
A szuperlumineszcens szálas lézerek alkalmazása lehetővé teszi a passzív szálas giroszkópok tervezésének egyszerűsítését és érzékenységük növelését a térfogati elemek jelenléte okozta zajszint csökkentésével. Gyűrűs interferométerekben és giroszkópokban a zajszint a forrássugárzás koherenciahosszának és a térfogati elemek számának csökkenésével csökken (lásd 3.6. fejezet). Szálas forrásban könnyen biztosítható, hogy a sugárzás koherenciahossza nagyobb legyen, mint az interferométer ellenszaporodó hullámai közötti útkülönbség, a forgás és a nem-reciprok hatások miatt. A szuperlumineszcens szálas lézerek nm-es spektrumszélességgel és meglehetősen nagy impulzusteljesítménnyel rendelkeznek
szálgyűrűs interferométerhez csatlakozik szabványos csatolók segítségével.
