Metalų pjovimo lazeriu problemos tyrimas turi prasidėti atsižvelgiant į fizikinius lazerio veikimo principus. Kadangi tolimesniame darbe visi plonasluoksnių medžiagų pjovimo lazeriu tikslumo tyrimai bus atliekami lazerių komplekse naudojant iterbio pluošto lazerį, svarstysime pluoštinių lazerių konstrukciją.
Lazeris – tai prietaisas, kuris siurblio energiją (šviesos, elektros, šiluminę, cheminę ir kt.) paverčia koherentinio, monochromatinio, poliarizuoto ir labai tikslingo spinduliuotės srauto energija.
Skaiduliniai lazeriai buvo sukurti palyginti neseniai, devintajame dešimtmetyje. Šiuo metu žinomi iki 20 kW galios skaidulinių technologinių lazerių modeliai. Jų spektrinė sudėtis svyruoja nuo 1 iki 2 μm. Tokių lazerių naudojimas leidžia pateikti skirtingas laiko charakteristikas spinduliuotei.
Pastaruoju metu šviesolaidiniai lazeriai aktyviai keičia tradicinius lazerius tokiose lazerinių technologijų taikymo srityse, kaip, pavyzdžiui, metalų pjovimas ir suvirinimas lazeriu, ženklinimas ir paviršiaus apdorojimas, spausdinimas ir spartusis lazerinis spausdinimas. Jie naudojami lazeriniuose tolimačiuose ir trimačiuose lokatoriuose, telekomunikacijų įrangoje, medicinos įrenginiuose ir kt.
Pagrindiniai skaidulinių lazerių tipai yra nuolatinės bangos vienmodžiai lazeriai, įskaitant vienos poliarizacijos ir vieno dažnio lazerius; impulsiniai skaiduliniai lazeriai, veikiantys Q perjungimo, režimo fiksavimo ir atsitiktinės moduliacijos režimais; derinami skaiduliniai lazeriai; superliuminescenciniai pluošto lazeriai; didelės galios nuolatiniai daugiamodiai skaiduliniai lazeriai.
Lazerio veikimo principas pagrįstas šviesos perdavimu iš fotodiodo per ilgą pluoštą. Skaidulinį lazerį sudaro siurblio modulis (dažniausiai plačiajuosčio ryšio šviesos diodai arba lazeriniai diodai), šviesos kreiptuvas, kuriame vyksta lazeravimas, ir rezonatorius. Šviesolaidyje yra veikliosios medžiagos (legiruoto optinio pluošto – šerdies be apvalkalo, skirtingai nuo įprastų optinių bangolaidžių) ir siurblio bangolaidžių. Rezonatoriaus konstrukcija dažniausiai nustatoma pagal technines specifikacijas, tačiau galima išskirti dažniausiai pasitaikančias klases: Fabry-Perot tipo rezonatoriai ir žiediniai rezonatoriai. Pramoniniuose įrenginiuose keli lazeriai kartais sujungiami į vieną įrenginį, siekiant padidinti išėjimo galią. Fig. 1.2 paveiksle parodyta supaprastinta skaidulinio lazerio įrenginio schema.
Ryžiai. 1.2. Tipinė pluošto lazerio grandinė.
1 - aktyvus pluoštas; 2 - Bragg veidrodžiai; 3 - siurbimo blokas.
Pagrindinė aktyvaus optinio pluošto medžiaga yra kvarcas. Didelį kvarco skaidrumą užtikrina prisotintos atomų energijos lygių būsenos. Priemaišos, patekusios į dopingą, paverčia kvarcą sugeriančia terpe. Pasirinkus siurblio spinduliuotės galią, tokioje aplinkoje galima sukurti atvirkštinę energijos lygių populiacijos būseną (ty aukštų energijos lygiai bus labiau užpildyti nei žemės lygis). Remiantis rezonansinio dažnio (telekomunikacijų infraraudonųjų spindulių diapazono) ir žemos slenkstinės siurblio galios reikalavimais, dopingas paprastai atliekamas su lantanido grupės retųjų žemių elementais. Vienas iš įprastų skaidulų tipų yra erbis, naudojamas lazerinėse ir stiprintuvų sistemose, kurių veikimo diapazonas yra 1530-1565 nm bangos ilgių diapazone. Dėl skirtingos perėjimų į pagrindinį lygmenį tikimybės iš metastabiliojo lygio sublygių, generavimo ar stiprinimo efektyvumas skiriasi skirtingiems bangos ilgiams veikimo diapazone. Legiravimo retųjų žemių jonais laipsnis paprastai priklauso nuo gaminamo aktyviojo pluošto ilgio. Iki kelių dešimčių metrų diapazone jis gali svyruoti nuo dešimčių iki tūkstančių ppm, o kilometro ilgio atveju - 1 ppm ar mažiau.
Bragg veidrodžiai – paskirstytasis Bragg reflektorius – tai sluoksniuota struktūra, kurioje medžiagos lūžio rodiklis periodiškai keičiasi viena erdvine kryptimi (statmena sluoksniams).
Yra įvairių konstrukcijų, skirtų siurbti optinius bangolaidžius, iš kurių labiausiai paplitę yra gryno pluošto konstrukcijos. Vienas iš variantų – aktyvųjį pluoštą sudėti į kelis apvalkalus, iš kurių išorinis yra apsauginis (vadinamasis dvigubo padengimo pluoštas). Pirmasis apvalkalas pagamintas iš gryno kvarco, kurio skersmuo siekia kelis šimtus mikrometrų, o antrasis – iš polimerinės medžiagos, kurios lūžio rodiklis parinktas žymiai mažesnis nei kvarco. Taigi pirmasis ir antrasis apvalkalai sukuria daugiamodį bangolaidį su dideliu skerspjūviu ir skaitmenine diafragma, į kurią paleidžiama siurblio spinduliuotė. Fig. 1.3 paveiksle parodyta lazerio, pagrįsto dviguba danga, siurbimo schema.
Ryžiai. 1.3. Siurbimo grandinė lazeriui, kurio pagrindas yra dvigubai padengtas pluoštas.
Šviesolaidinių lazerių privalumai tradiciškai apima reikšmingą rezonatoriaus ploto ir jo tūrio santykį, užtikrinantį kokybišką aušinimą, silicio šiluminį stabilumą ir nedidelius panašių klasių galios ir kokybės reikalavimų įrenginius. Lazerio spindulys, kaip taisyklė, turi būti įterptas į optinį pluoštą, kad vėliau būtų naudojamas technologijoje. Kitų konstrukcijų lazeriams tam reikalingos specialios optinės kolimacijos sistemos ir prietaisai tampa jautrūs vibracijai. Šviesolaidiniuose lazeriuose spinduliuotė generuojama tiesiogiai pluošte ir pasižymi aukšta optine kokybe. Šio tipo lazerių trūkumai yra netiesinio poveikio rizika dėl didelio pluošto spinduliuotės tankio ir santykinai maža išėjimo energija vienam impulsui dėl mažo veikliosios medžiagos tūrio.
Skaiduliniai lazeriai yra prastesni už kietojo kūno lazerius tais atvejais, kai reikalingas didelis poliarizacijos stabilumas, o poliarizaciją palaikančio pluošto naudojimas yra sudėtingas dėl įvairių priežasčių. Kietojo kūno lazeriai negali būti pakeisti skaiduliniais lazeriais, kurių spektrinis diapazonas yra 0,7-1,0 mikronų. Jie taip pat turi didesnį potencialą padidinti impulsų išėjimo galią, palyginti su skaiduliniais. Tačiau šviesolaidiniai lazeriai gerai veikia esant bangos ilgiams, kuriuose nėra pakankamai geros aktyviosios terpės ar veidrodžių kitoms lazerinėms konstrukcijoms, ir leidžia lengviau įgyvendinti kai kurias lazerių konstrukcijas, pvz., konversiją aukštyn.
Optimizavus vienmodį optinį skaidulą, skirtą naudoti šviesolaidiniuose lazeriuose, buvo pasiekta labai keičiama 4,3 kW išėjimo galia ir nustatytos tolesnės itin greitų lazerių taikymo tyrimų kryptys.
Viena iš opiausių problemų kuriant lazerines technologijas – šviesolaidinių lazerių, kurie jau „iškovojo“ rinkos dalį iš didelės galios CO 2 lazerių, taip pat tūrinių kietojo kūno lazerių, galios didėjimas. Šiuo metu stambūs šviesolaidinių lazerių gamintojai didelį dėmesį skiria naujų programų kūrimui, svarsto galimybę ateityje užkariauti rinką. Tarp rinkoje esančių didelės galios lazerių vieno režimo sistemos turi daug funkcijų, dėl kurių jos yra paklausiausios – jos turi didžiausią ryškumą ir gali būti sufokusuotos iki kelių mikronų, todėl jos labiau tinka ne kontaktinės medžiagos apdorojimas. Tokių sistemų gamyba yra gana sudėtinga. IPG Photonics (Oxford, MA) pasiūlė sukurti 10 kW galios vienmodę sistemą, tačiau informacijos apie pluošto charakteristikas nėra, o duomenys, ypač apie bet kokius galimus daugiamodius komponentus, kurie gali egzistuoti greta vienmodio signalo, nepateikti. .
Vokiečių mokslininkai iš Friedricho Schillerio universiteto ir Fraunhoferio taikomosios optikos ir tiksliosios inžinerijos instituto, finansiškai remiant Vokietijos vyriausybei ir bendradarbiaudami su TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Leibnizo fotoninės technologijos institutu, išanalizavo mastelio keitimo problemas. tokius lazerius ir sukūrė naujus pluoštus, kad įveiktų galios apribojimus. Komanda sėkmingai atliko bandymų seriją, pademonstruodama 4,3 kW vieno režimo išvestį, kurioje skaidulinio lazerio išėjimo galią ribojo tik siurblio signalo galia.
Vienmodžio skaidulinio lazerio spinduliavimo galią ribojantys veiksniai
Pagrindinės užduotys, kurias reikia atidžiai išstudijuoti, yra šios: a) patobulintas siurbimas; b) aktyviosios skaidulos su mažais optiniais nuostoliais, veikiančios tik vienmodiu režimu, kūrimas; c) tikslesnis gaunamos spinduliuotės matavimas. Darant prielaidą, kad patobulinto siurbimo problema gali būti išspręsta naudojant itin ryškius lazerinius diodus ir tinkamus siurblio tiekimo būdus, todėl šiame straipsnyje išsamiau apsvarstysime kitus du.
Kuriant aktyvųjį skaidulą, skirtą didelės galios vieno režimo veikimui, buvo pasirinkti du optimizavimo parametrų rinkiniai: dopingas ir geometrija. Visi parametrai turi būti aiškiai apibrėžti, kad būtų pasiekti minimalūs nuostoliai, vieno režimo veikimas ir galingas padidėjimas. Idealus skaidulinis stiprintuvas turėtų užtikrinti aukštą konversijos efektyvumą, viršijantį 90%, puikią pluošto kokybę ir išėjimo galią, kurią riboja tik turima siurblio galia. Tačiau atnaujinus vieno režimo sistemą į didesnę galią, gali padidėti galios tankis pačiame pluošto šerdyje, padidėti šiluminė apkrova ir atsirasti įvairių netiesinių optinių efektų, tokių kaip stimuliuojama Ramano sklaida (SRS) ir stimuliuota Brillouino sklaida (SBS). ).
Skersiniai režimai gali būti sustiprinti priklausomai nuo pluošto aktyvios zonos dydžio. Kuo mažesnis aktyvusis pluošto skerspjūvis, tuo mažesnis tokių režimų skaičius – esant tam tikram pluošto ir apvalkalo skerspjūvių santykiui. Tačiau mažesnis skersmuo lemia ir didesnį galios tankį, o, pavyzdžiui, lenkiant pluoštą, dar pridedami didesnių režimų nuostoliai. Tačiau esant dideliam pluošto šerdies skersmeniui ir šiluminei įtampai, gali atsirasti kitų emisijos režimų. Tokie režimai stiprinimo metu sąveikauja vienas su kitu, todėl be optimalių sklidimo sąlygų išėjimo spinduliuotės profilis gali tapti nestabilus erdvėje arba laike.
Skersinio režimo nestabilumas
Iterbio (Yb) legiruotos skaidulos yra tipiška didelės galios vienmodžių skaidulinių lazerių darbo terpė, tačiau peržengus tam tikrą ribą jie pasižymi visiškai nauju efektu – vadinamuoju skersinio režimo nestabilumo (TMI) efektu. Esant tam tikram galios lygiui, staiga gali atsirasti aukštesni režimai ar net apvalkalo režimai. Energija tarp jų dinamiškai persiskirsto, prastėja spindulio kokybė. Išėjime atsiranda spinduliuotės svyravimas (spindulys pradeda svyruoti). TMI efektas buvo pastebėtas įvairiose skaidulų konstrukcijose, nuo pakopinio indekso skaidulų iki fotoninių kristalų pluoštų. Jo slenkstinė vertė priklauso nuo geometrijos ir dopingo, tačiau apytikslis įvertinimas rodo, kad šis poveikis pasireiškia esant didesnei nei 1 kW išėjimo galiai. Tyrimo metu buvo atskleista TMI priklausomybė nuo fototamsėjimo ir jos ryšys su terminiu poveikiu pluošto viduje. Be to, pluoštinių lazerių jautrumas TMI taip pat priklauso nuo modalinės šerdies turinio.
Žingsnio indekso pluošto geometrija leidžia optimizuoti. Siurbimui galima pasirinkti: pluošto skersmenį, siurblio pluošto apvalkalo dydį ir kitus pluošto ir apvalkalo lūžio rodiklius. Visi šie derinimo parametrai priklauso nuo priedo koncentracijos, tai yra, Yb jonų koncentracija gali būti naudojama norint kontroliuoti siurblio spinduliuotės sugerties srities ilgį aktyviajame pluošte. Į pluoštą galima dėti kitų priedų, siekiant sumažinti šiluminį poveikį ir kontroliuoti lūžio rodiklį. Tačiau yra tam tikrų prieštaravimų. Norint sumažinti netiesinį poveikį, pluoštas turi būti trumpesnis, o norint sumažinti šiluminę apkrovą, pluoštas turi būti ilgesnis. Fotopatamsėjimas yra proporcingas priedo koncentracijai, todėl ilgesni pluoštai su mažesne priedo koncentracija tikrai bus geresni. Kai kurių parametrų idėją galima gauti eksperimento metu. Pavyzdžiui, šiluminę elgseną galima modeliuoti, tačiau ją gana sunku nuspėti, nes šviesos patamsėjimas pagal apibrėžimą yra mažas ir jo negalima fiziškai išmatuoti atliekant pagreitintus bandymus. Todėl tiesioginiai pluoštų šiluminio elgesio matavimai gali būti naudingi eksperimentiniam projektavimui. Palyginus tipinį aktyvųjį pluoštą, parodyta išmatuota šiluminė apkrova (gauta iš vienu metu paskirstytų temperatūros matavimų pluošto stiprintuve) ir imituota šiluminė apkrova (1 pav.).
1 pav. Išmatuota aktyviosios skaidulos šiluminė apkrova, palyginti su imituota apkrova su papildomais nuostoliais ir be jų
Kitas svarbus pluošto dizaino parametras yra ribinis bangos ilgis, kuris yra ilgiausias bangos ilgis, padidinantis pluošto režimų skaičių. Aukštesnio lygio režimai, viršijantys šį bangos ilgį, nepalaikomi.
Naujų pluoštų bandymas esant kilovatų galiai
Eksperimento metu buvo tiriami dviejų tipų Yb legiruoti pluoštai. 1 pluoštas, kurio šerdies skersmuo 30 mikronų su papildomu dopingu su fosforu ir aliuminiu. Pluoštas Nr. 2, kurio skersmuo mažesnis – 23 mikronai, buvo mažiau legiruotas, tačiau jame buvo daugiau iterbio, kad būtų pasiektas didesnis profilio koeficientas, palyginti su pluoštu Nr. 1 (1 lentelė).
1 lentelė. Išbandytų pluoštų parametrai
Apskaičiuotas ribinis bangos ilgis yra atitinkamai apie 1275 nm ir 1100 nm 1 ir 2 pluoštams. Tai yra daug artimesnė vienmodei emisijai nei įprastas 20 µm šerdies skersmens, 0, 06 skaitmeninės diafragmos (NA) pluoštas, kurio ribinis bangos ilgis yra ~ 1450 nm. Sustiprinto lazerio bangos ilgis galiausiai buvo sutelktas ties 1067 nm.
Abu pluoštai buvo išbandyti didelės galios siurbimo grandinėje (2 pav.). Siurblio diodinis lazeris ir pradinis signalas buvo sujungti laisvoje erdvėje į pluoštą su suvirintais galais ir jungtimis, nuplauti vandeniu aušinimui. Spinduliuotės šaltinis buvo faziniu būdu moduliuotas išorinės ertmės diodinis lazeris (ECDL), kurio signalas buvo iš anksto sustiprintas, kad įvesties signalo galia būtų iki 10 W, esant 1067 nm bangos ilgiui ir 180 μm spektriniam plotiui.
2 pav. Didelės galios stiprintuvo eksperimentinė sąranka, naudojama skaidulinio stiprintuvo bandymui, kai pluoštas buvo pumpuojamas 976 nm priešpriešinio sklidimo kryptimi.
Bandant pirmąjį skaidulą, buvo stebimi staigūs svyravimai milisekundės skalėje prie 2,8 kW slenksčio, kuriuos galima priskirti TMI. Antrasis 30 m pluoštas, kurio bangos ilgis ir spektrinis plotis buvo siurbiamas iki 3,5 kW išėjimo galios, ribojamas SBS, o ne TMI.
Trečiajame eksperimente emiterio lazerio spektras buvo modifikuotas, siekiant padidinti pluošto SBS slenkstį, išplečiant spektrą (didesnis nei ankstesniame eksperimente). Šiuo tikslu antrasis diodinis lazeris, kurio centrinis bangos ilgis yra 300 μm, buvo sujungtas su pirmuoju. Dėl šių trukdžių atsirado laiko svyravimai, dėl kurių signalo galia padidėjo dėl autofazės moduliacijos. Naudojant tą patį pagrindinį stiprintuvą, kaip ir anksčiau, buvo gautos labai panašios išėjimo galios vertės esant 90% efektyvumui, tačiau jas buvo galima padidinti tik iki 4,3 kW be TMI (2 lentelė).
2 lentelė. Skaidulų tyrimo rezultatas
Matavimo užduotys
Visų didelės galios šviesolaidinio lazerio parametrų matavimas yra viena pagrindinių užduočių, kurioms išspręsti reikalinga speciali įranga. Norint gauti pilną pluošto apibūdinimą, buvo nustatyta priedo koncentracija, lūžio rodiklio profiliai ir pluošto šerdies slopinimas. Pavyzdžiui, skirtingų lenkimo skersmenų šerdies nuostolių matavimas yra svarbus parametras koreliacijai su TMI slenksčiu.
3 pav. a) Fotodiodo intensyvumo pėdsakas, kai tikrinamas išvesties signalas naudojant 1 skaidulą, žemiau ir viršijant TMI slenkstį. b) Normalizuotas standartinis fotodiodo pėdsakų nuokrypis esant skirtingoms išėjimo galioms
Bandant skaidulinį stiprintuvą, TMI slenkstis nustatomas naudojant fotodiodą, bakstelėjus nedidelę galios dalį. Galios svyravimų pradžia pasirodė gana staigi ir reikšminga (3 pav.), signalo pokytis buvo ypač reikšmingas tiriant 1 skaidulą, tačiau jis nebuvo aptiktas tiriant 2 skaidulą iki 4,3 kW galios lygio. Atitinkamas ryšys parodytas 4a paveiksle.
4 pav. a) 2 pluošto efektyvumo nuolydis iki 4,3 kW išėjimo galios. b) Optinis spektras, kurio išėjimo galia yra 3,5 kW, o išėjimo ir ASE santykis yra 75 dB. 180 µm spektrinis plotis su 4,3 kW išėjimo galia, išplėsta iki 7 nm dažnių juostos pločio
Spindulio kokybės matavimai yra sudėtingiausia skaidulinio lazerio apibūdinimo dalis ir nusipelno atskiros diskusijos. Trumpai tariant, neterminis slopinimas yra labai svarbus ir gali būti pasiektas naudojant Frenelio atspindžius arba mažo nuostolio optiką. Šioje apžvalgoje pateiktuose eksperimentuose slopinimas buvo įvestas naudojant pleištines plokštes ir impulsinį siurbimą laiko skale, viršijančia TMI pradžios laiką.
Taikymas sparčiai besivystančiame moksle
Po dešimties metų užliūliavimo atrodo visiškai įmanoma sukurti naujos kartos didelio galingumo vienmodžius skaidulinius lazerius kilovatų klasėje su puikia spindulio kokybe. Jau pasiekta 4,3 kW išėjimo galia, kurią riboja tik siurblio galia, nustatyti pagrindiniai apribojimai tolesnio vystymosi kelyje ir aiškūs būdai juos įveikti.
Vieno pluošto galia jau buvo pasiekta beveik 1 kW, kai ją sustiprina itin greiti lazerio impulsai, todėl padidinti iki 5 kW visiškai įmanoma derinant technologijas. Kol sistemos kuriamos tokiems tyrimų centrams kaip ELI (Praha, Čekija), tolesnė patikimų optinių signalų perdavimo sistemų kūrimas išlieka iššūkiu pramoninėms sistemoms.
Atliktas darbas atskleidė keletą įdomių perspektyvų. Viena vertus, tai yra rezultatų perkėlimas į gamybą, nepaisant to, kad šia kryptimi dar reikia daug pastangų, kita vertus, technologija yra nepaprastai svarbi kitų šviesolaidinių lazerinių sistemų parametrams didinti. pavyzdžiui, femtosekundiniams skaiduliniams stiprintuvams.
Remiantis medžiaga iš http://www.lightwaveonline.com
Anksčiau publikuotuose technologinį potencialą bandančiuose straipsniuose analizuojamas pluošto lazerio efektyviausias technologinis pritaikymas – pjovimas, suvirinimas, grūdinimas, perforavimas ir paviršiaus valymas. Skaidulinis lazeris gali visa tai padaryti.
Tačiau pramonės įmonių vadovams ir technologams itin svarbu, be to, suprasti ir ekonominius šviesolaidinio lazerio diegimo šiuolaikinėse lazerinėse technologijose aspektus. Taigi, aptarkime ekonominius šviesolaidinio lazerio klausimus, kylančius vertinant techninio atnaujinimo projektus.
Iš karto reikia pažymėti: skirtumai yra labai svarbūs, nes naujasis skaidulinis lazeris turi daugybę techninių savybių ir savybių, dėl kurių nėra visiškai teisinga klasikinių lazerių naudojimo patirtį perkelti į naują įrangą. Štai kodėl patartina pradėti, kas yra šviesolaidinis lazeris, pirmiausia nurodant šias savybes ir skirtumus.
Skaidulinis lazeris:
Unikalus šiuolaikinių emiterių tarnavimo laikas (daugiau nei 100 000 valandų su galimybe pratęsti tarnavimo laiką santykinai mažomis sąnaudomis) ir beveik nulinės eksploatacijos išlaidos. Privaloma, atsižvelgiant į faktinį nusidėvėjimo dalies per UST ir PVM neįtraukimą esamoje mokesčių sistemoje. Kadangi tai gali būti labai svarbus ekonominis veiksnys (t. y. dalis nusidėvėjimo lieka tiesiogiai jūsų žinioje, nes nenaudojama).
Minimalios išlaidos ir laikas patalpų paruošimui ir paleidimui. Eksploatacijos pradžios procese šviesolaidinis lazeris vadinamas „montavimu“.
Skaidulinis lazeris, jo neįtikėtinas universalumas kaip lazerio šaltinis. Paprastai šviesolaidinis lazeris yra „grynos“ pluošto energijos šaltinio pavyzdys, todėl jame praktiškai nėra technologinės specifikos, tai yra, diversifikuojant ar kitaip pertvarkant gamybą, skaidulinis lazeris gali būti perorientuotas iš vieno technologinio apdoroti kitam. Tokį šaltinį netgi galima pavadinti, žinoma (su išlygomis) – skystu ta prasme, kad jis išlaiko vertę ir vertę pats savaime. Nuo čia pradeda vystytis tam tikros lazerių mainų ir lizingo paslaugos (šiais klausimais geriausia kreiptis tiesiogiai į gamintoją).
Šviesolaidinis lazeris, pagrindinės jo savybės:
Tikimybė padidinti galią. Galite nusipirkti skaidulinį lazerį su projektine marža, pavyzdžiui, kai tiekiama 700 W galia, o tada tiesiog įsigyti specialius siurbimo įrenginius, taip padidindami galią, pavyzdžiui, iki 2400 W. Tuo pačiu metu gamybinėje sistemoje (papildomų blokų montavimo procesas trunka ne ilgiau kaip 3 valandas) praktiškai nieko keisti nereikia. Tai leidžia žymiai sumažinti pradines kapitalo investicijas, taip pat padidinti produktyvumą tuo momentu, kuris reikalingas jūsų gamybai.
Spinduliuotės perdavimas tiesiai per optinį kabelį, kurio ilgis svyruoja nuo 10 iki 100 metrų, labai supaprastina visų technologinių sistemų projektavimą ir išdėstymą. Galite naudoti daugybę pramoninių robotų. Verta paminėti, kad kai kurioms gamybos užduotims reikia tik 3 komponentų, būtent pluoštinio lazerio / proceso galvutės / pramoninio roboto. Žinoma, nesant patirties, integratoriaus įmonės paslaugos vis tiek bus reikalingos, tačiau bendros konkrečios gamybos sistemos organizavimo kaštai gerokai sumažės.
Šviesolaidinis lazeris yra daugiafunkcinė ir universali technologinė sritis, skirta maksimaliai apkrauti lazerio šaltinį. Natūralu, kad tai nėra taip paprasta, kaip gali pasirodyti iš pirmo žvilgsnio, bet tai visiškai įmanoma. Ir dėl šios tikimybės svarbos mes ją aptarsime toliau.
Klausimas specialistams ir personalui apskritai. Šviesolaidinis lazeris pašalina poreikį įmonei išlaikyti visą specialistų personalą, turintį žinių apie optiką, vakuumines sistemas ir elektros išlydžius. Šviesolaidinis lazeris, jo valdymui nieko nereikia, nes operatoriaus mokymas trunka ne ilgiau kaip 1 savaitę. Žinoma, tai neatleis įmonės nuo kompetentingų technologų poreikio, tačiau tai dar vienas klausimas, visiškai nesusijęs su pačiu lazeriu. Visai įmanoma išnaudoti esamą personalą ir tuo pačiu pasiekti aukštesnį veiklos efektyvumo lygį.
Šviesolaidinis lazeris, pagrindinės jo technologijos:
Šie 7 taškai patys savaime gali sukelti didelį susidomėjimą nauja modernia įranga. Norint sustiprinti efektą, reikėtų išvardyti keletą pagrindinių technologijų:
- metalų pjovimas lazeriu. Kalbame ne tik apie klasikinį lakštų pjovimą, bet ir labai tūrinį pjovimą, pavyzdžiui, naudojant pramoninius robotus;
- lazerinis perforavimas (filtrų elementai, tinkleliai);
- suvirinimas lazeriu. Visų pirma, tai yra didelio našumo siūlių sandūrinis suvirinimas, nenaudojant briaunų paruošimo ir užpildų. Tačiau šiandien technologai gana sparčiai kuria hibridinius procesus, tai yra kombinuotas suvirinimo schemas, sujungiančias lazerio spindulį ir atitinkamai elektros lanką;
- grūdinimas lazeriu (terminis apdorojimas) – tai procesas, kurio metu tam tikros detalės skeveldros vietiškai grūdinamos be žymesnio terminio poveikio detalei;1
- lazerinis paviršius yra lankinio dengimo veiksmo analogas, pasižymintis dideliu lokalumu ir tikslumu;
- dangų ir nešvarumų valymas lazeriu. Ekologiškiausias valymo būdas ir bekontaktis, galintis konkuruoti su masinėmis technologijomis, tokiomis kaip smėliavimas.
Kalbant tiesiai prie ekonominių aspektų, verta paminėti, kad šviesolaidinis lazeris ir jo sistema šiuo metu yra eilės tvarka brangesni už klasikinius CO2 lazerius, todėl paties lazerio kaina paprastai sudaro reikšmingą visos technologinės sistemos dalį. .
Šviesolaidinis lazeris, į jo minimalų komplektaciją įeina: įranga, skirta technologinei operacijai su lazeriu atlikti, apima:
- šviesolaidinis lazeris turi turėti nurodytą rub./kW kainą;
- šviesolaidinis lazeris turi specialią lazerinio apdorojimo galvutę, kuri generuoja spinduliuotės srautą, taip pat kitų medžiagų srautus tiesiai apdorojimo zonoje;
- manipuliatorius (robotas), skirtas gaminiui ar lazerio galvutei perkelti, taip pat bendrai ir nuodugniai proceso kontrolei. Jei naudojate paruoštą ir universalų pluošto lazerį, tada išlaidos tiesiogiai priklausys nuo konfigūracijos ir, žinoma, prekės ženklo.
Šviesolaidinis lazeris, jo minimalus rinkinys lazerinei technologinei sistemai yra toks: 1 – lazeris, 2 – technologinė galvutė, 3 – optinis kabelis, 4 – manipuliatorius.
Taigi technologinei sistemai, kurios galia yra 1000 W, pagrindinė kapitalo sąnaudų suma bus maždaug 6 milijonai rublių. RF. Tiesą sakant, tai dar ne visos išlaidos, nes reikia atsižvelgti ir į programinės įrangos, integravimo, patalpų paruošimo ir gamybos išlaidas. Todėl skaičiavimų paprastumo sumetimais būtų protingiausia manyti, kad visos investicijos – šviesolaidinio lazerio – kaina bus maždaug 2 kainos. Panaši proporcija ypač pastebima lazerinėse mašinose, skirtose metalui pjauti. Šviesolaidinio lazerio galia yra 2000 W. Kainos svyruoja nuo 12 iki 14 milijonų Rusijos rublių. Tuo pačiu metu pjovimo lazeriu įranga yra gana didelė sudėtinga sistema, turinti didelius matmenis. Tačiau dėl serijinės gamybos ir standartinės, gerai patikrintos technologijos kaina pastebimai sumažėja.
Kituose technologiniuose procesuose (pavyzdžiui, suvirinant, grūdinant) tokios įrangos kompleksas gali būti daug paprastesnis, tačiau čia verta manyti, kad šiame etape tokios technologijos visai nėra supakuotos į standartinius serijinius kompleksus (tai yra tuo atveju bus išlaidų technologijai ir inžinerijai, o tuo pačiu ir labai didelių). Todėl x2 koeficientas plačiai naudojamas naudojant vidutinį automatizavimo laipsnį (ty apdorojimo procesas yra automatinis, o pakrovimas ir iškrovimas yra pusiau automatinis arba rankinis).
Lazerinės technologijos ekonomika, analizuojant 2 bandomosios gamybos problemas
Panagrinėkime pirmąją gamybos problemą, susijusią su pluošto lazeriu:
Taigi, kaip pirmąją bandomąją užduotį, panagrinėkime masinę cilindrinės geometrijos detalių gamybą, kai reikia suvirinti 2 puskorpus į vieną (kietą) sandarų korpusą. Tai yra standartinė užduotis gaminant įvairių tipų filtrus. Plieno storis 0,5-1 mm, vidutinis gaminio skersmuo 60 mm. Problemos tikslas – maksimali gamybos apimtis minimaliomis produkto savikainomis.
Pati gamybos sistema šiai užduočiai sintezuojama beveik automatiškai. Greitam tokio gaminio suvirinimui lazeriu reikia maždaug 700 W galios šviesolaidžio lazerio (t.y. linijinis suvirinimo greitis apie 50 mm/sek.), reikia gana paprastos suvirinimo galvutės, gaminio rotatoriaus (automatinio) ir, atitinkamai, ruošinių pakrovimo ir iškrovimo sistema. Pakrovimo sistemai galima naudoti paprastą dėklų tiektuvą. Šviesolaidinis lazeris, daroma prielaida, kad gaminius, skirtus suvirinimui, darbuotojai jau iš anksto surinko. Tačiau, atsižvelgiant į pačių ruošinių kokybės lygį (dydžio kalibravimą), gali prireikti gaminių jungties koregavimo sistemos – suvirinimo galvutės padėties. Apskritai tokios gana paprastos sistemos kūrimo ir, atitinkamai, gamybos kaina siekia maždaug 5 milijonus rublių.
Po pateikto teksto galime padaryti nedidelę išvadą:
- Sistemos ekonominiai parametrai ženkliai pablogėja, kai mažėja įrangos ir, žinoma, personalo apkrovos lygis: gaminant, pavyzdžiui, 10% gaminių/detalių nuo maksimalaus gamybos proceso skaičiaus, savikaina tiesiog išaugs 10 kartų. Taigi, abiem atvejais gana brangi įranga yra nepakankamai išnaudojama ir atitinkamai personalas sėdi be darbo.
- Kalbant apie sąnaudas, automatizavimo atsisakymas taip pat nieko neduoda: perėjus prie neautomatizuotų technologinių procesų, produktai taip pat brangs, ir smarkiai. Taip atsitiks dėl bendro darbo našumo mažėjimo.
- Lazerinės technologijos panaudojimas leidžia „laimėti“ tik esant maksimaliai (ar bent jau arti maksimalaus) gamybos sistemos apkrovos ir yra tiesiogiai naudingas pačios gamybos, o tuo pačiu ir stambios gamybos sąlygoms. Tokiai produkcijai itin svarbi aukšta lazerinio apdorojimo proceso kokybė (t.y. atkuriamumas ir stabilumas).
Akivaizdu, kad naudojant didelio masto suvirinimo pluoštu lazeriu atsipirkimas gali būti gana greitas dėl staigaus bendro našumo padidėjimo.
Panagrinėkime antrąją gamybos problemą, susijusią su pluošto lazeriu:
Paprastai daugeliui realių įmonių būdinga žymiai mažesnė serijinė gamyba, todėl nuolat iškils lazerio šaltinio įkrovimo problema.
Pavyzdžiui, tam tikra įmonė gamina kompleksinį gaminį, kurį sudaro cilindrinis korpusas ir prie jo turi būti privirintas dangtis su galingu tvirtinimo elementu, o 2 elementai taip pat turi būti suvirinti tiesiai prie paties dangčio. Tokio gaminio viduje taip pat yra strypas, kuris veikia abrazyviniu režimu, todėl jį reikia sustiprinti, taip pat skysčio filtras, pagamintas žiedo pavidalu, prie kurio yra lituojamas metalinis tinklelis. Numatoma tokių gaminių serijinė gamyba – 100 000 per metus.
Įprastoje pagrindinėje produktų gamybos technologijoje naudojami šie technologiniai procesai:
- kaltinių, skirtų galvai su akimi, gamyba;
- sudėtingas mechanizuotas kaltinių apdirbimas;
- mechaniniu būdu iškirpti korpuse skyles (kelias);
- reikiamų dalių suvirinimas į skyles;
- galvutės suvirinimas prie pagrindinio korpuso yra rankinis lankas, yra didelis procentas defektų, kurių priežastis, be kita ko, yra geometrijos pažeidimai (t. y. galvos ašies ir cilindro ašies poslinkis);
- tūrinis strypo grūdinimas, chromavimas ir šlifavimas;
- žiedinio tinklo pjovimas;
- vėlesnis tinklelio litavimas išilgai išorinių ir vidinių kontūrų (gana sunkiai automatizuojamas procesas su dideliu defektų lygiu).
Šios bandymo užduoties produktas: 1 – korpusas, 2 – dangtis, 3 – suvirinta dalis, 4 – žiedas su skylutėmis, 5 – filtro tinklelis. Skaidulinis lazeris:
Ar tokio gaminio gamybos technologiniam procesui atlikti ar supaprastinti galima naudoti pluoštinį lazerį? Idėjos esmė tokia: šviesolaidinį lazerį naudoti tiesiogiai laiko padalijimo režimu, taip apkraunant jo išteklius įvairiomis operacijomis. Techniniu požiūriu tokia galimybė egzistuoja, tačiau pasakojimo pabaigoje aptarsime techninius jos aspektus.
Remdamiesi šviesolaidinio lazerio lazerinės technologijos parametrais iš duomenų bazės, visų pirma įvertiname, kad mums reikės 1500 W galios lazerio šaltinio. Tai, žinoma, yra minimali galia, reikalinga norint patikimai suvirinti elementus. Kadangi planuojamas daugiafunkcinis lazerio panaudojimas, robotizuotos įrangos kaina, kaip taisyklė, turėtų būti didesnė.
Taip pat būtina paminėti itin svarbų integralų pranašumą: produkcijos kokybės lygio kilimas yra itin svarbus ir reikšmingas konkurencijos veiksnys tiesiogiai pardavimo rinkoje, leidžiantis užimti nemažą jos dalį.
Ypatingai verta pabrėžti, kad šviesolaidinis lazeris ir jo visų suplanuotų technologinių procesų utilitarinis įgyvendinamumas jį naudojant jau yra tinkamai išbandytas ir yra preliminarūs šių procesų eksperimentiniai duomenys.
Taigi: šviesolaidinis lazeris, jo kompleksinis lazerinių technologijų rinkinio panaudojimas gana realiai gali duoti gana didelį bendrą efektą, tačiau tik su sąlyga, kad lazerinė įranga bus pilnai apkrauta!
Lazerio gamybos varianto savikaina skaičiuojama tik su neįvertintais pramonės įmonės kaštais, tačiau sąžiningas minutės sąnaudų apskaičiavimas aiškiai parodo, kad tokio projekto pelningumo marža yra tokia didelė ir akivaizdi, kad jis yra labai pelningas net ir su didelėmis pridėtinėmis išlaidomis – ir tai faktas!
Verta atkreipti dėmesį ir į šviesolaidinį lazerį: lazerinės sistemos projektuotojas gali pasiūlyti technologinį funkcionalumą skirstyti į 2 lazerių kompleksus asimetriškai (t.y. ne vienodai) – 1-ajame lazeriniame komplekse atliekami išskirtinai skylių pjovimo ir suvirinimo darbai, o 2-ajame – suvirinimo darbai. likusios filtrų gamybos ir strypų grūdinimo operacijos. Arba gali likti tik pirmasis kompleksas, kuris atlieka operacijas su pirmaisiais dviem veiksniais dėl jų pagrindinio indėlio į viso projekto pelningumą. Šviesolaidinis lazeris, šiuos sprendimus tikrai daugeliu atžvilgių lems techniniai klausimai, būtent klausimai: „Kaip tiksliai įgyvendinamas daugiafunkciškumas? – „Ar tai tikrai įmanoma techniškai įgyvendinti? – „Kokias neatidėliotinas problemas tai gali sukelti? Apsvarstykime galimybes ir galimybes.
Šviesolaidinis lazeris ir jo pritaikymai:
Naudoti robotą su lazerio galvute, uždėta ant jo manipuliatoriaus, numatytai bandomajai užduočiai atlikti yra visiškai sėkmingas sprendimas. Visų pirma, robotas gali automatiškai privirinti žiedą prie pagrindinio dangčio iš visų 4 pusių, sugaišdamas minimalų laiką perėjimui, o gaminant elementarų sukamąjį gaminio padėties nustatymo įtaisą su nuėmimu ir rankiniu montavimu, sugaištama tiesiogiai pakrovimas ir iškrovimas taip pat bus sumažintas. Tai, žinoma, galioja ir kitoms pjovimo bei suvirinimo operacijoms.
Universalių robotų panaudojimo pranašumas yra tai, kad praktiškai nebelieka nestandartinės technologinės įrangos ir įrankių projektavimo ir gamybos kaštai. Kadangi pagrindinė gamybos mokymo našta tenka būtent tam tikrų programų robotui paruošimui, tai yra jo efektyvumui.
KELIŲ SVETAINIŲ NAUDOJIMAS.
Šis sprendimas reikalauja sukurti atskirą technologinę stotį absoliučiai visoms technologinėms operacijoms, kurioje būtų įrengtas itin funkcionalus manipuliatorius. Atlikus tam tikrą operaciją, lazerio galvutė, optiniu kabeliu sujungta su lazeriu, permontuojama kitoje technologinėje stotyje ir atitinkamai sureguliuojama kitai operacijai, atliekamai su ta pačia ar kita gaminių partija.
Atlikus tam tikrą operaciją, šviesolaidinis lazeris, jo lazerio galvutė, optiniu kabeliu sujungta su lazeriu, permontuojama kitoje technologinėje stotyje, atitinkamai sureguliuojama kitai operacijai ir apdorojama kita operacija, atliekama ta pačia ar kita operacija. produktų partija.
Šviesolaidinis lazeris Deja, asmeninių lazerinių technologinių galvučių skirtingose padėtyse kol kas nėra galimybės. Kadangi atjungimas nuo optinio kabelio galvutės dirbtuvių aplinkoje yra griežtai draudžiamas dėl dulkėtumo, nes mažiausia dulkių dėmė iš optinio pluošto, patekusi į optinį išvestį, paprastai sukelia negrįžtamą šios išvesties sunaikinimą. Šios problemos sprendimo nekantriai laukia visos panašią įrangą turinčios įmonės ir galbūt artimiausiu metu jis vis tiek bus rastas.
OPTINIŲ MULTIPLEKSERIŲ TAIKYMAS
Nauja funkcija, šiuo metu naudojama retai. Pagrindinė jo esmė tokia: galima įsigyti tam tikrą specialų lazerio spindulio jungiklį, jo įvadu sujungtą su lazeriu, o atskiruose postuose – keliais išėjimais su technologinėmis galvutėmis. Spinduliuotės perjungimas tarp stočių vyksta gana greitai, o tokia sistema gali sumažinti laiko nuostolius gaminių keitimui ir technologiniams perėjimams.
Tam aukščiausio lygio sistema turi užtikrinti dispečerines funkcijas, taip pat tiesiogiai paskirstyti lazerio šaltinio išteklius pagal šių technologinių postų užklausas. Kadangi formavimo skaičiavimuose darėme prielaidą, kad pakrovimo ir iškrovimo laikas yra bent jau lygus veikimo laikui, tokiu atveju naudojant tokį multiplekserį pakaks tik vieno lazerio, kad būtų galima įgyvendinti bandymo programą maždaug 100 tūkst. Produktai.
Tokio multiplekserio kaina yra apie 1-2 milijonus rublių. Be to, reikia pažymėti, kad šviesolaidinį lazerį galima užsisakyti su įmontuotu multiplekseriu, kuris turi keletą išėjimų.
Galbūt vienintelis trūkumas yra tai, kad multiplekseris šiek tiek pablogina spinduliuotės kokybę (t. y. išėjime reikia naudoti daug didesnio skerspjūvio skaidulą), tačiau tai labai svarbu tik pjovimui lazeriu. Šviesolaidinis lazeris, jo analogiška sistema yra pati optimaliausia ir tikslingiausia. Multiplekseriui dėl lazerio apkrovos lygio daug kartų kompensuojamos papildomos kapitalo sąnaudos.
Taigi: 1 – lazeris, 2 – optinis jungiklis, 3 – galvutės (technologinės), 4 – technologinės stotys, 5 – centrinė valdymo sistema.
Kitas svarbus klausimas, susijęs su pačių lazerinių galvučių universalumu: Jeigu planuojate naudoti pramoninį robotą ar kelių stočių zoną, tai lazerio galvutė turi turėti universalumo savybę (tai yra gebėti atlikti įvairius technologinius procesus) . Šiandien Vakarų gamintojai tokių galvų negamina!
Tačiau tokia įranga jau yra: netrukus prasidės masinė gamyba – universali derinama galvutė, galinti atlikti visą bazinį technologinių operacijų spektrą naudojant skaidulinio lazerio spinduliuotę (suvirinimą, pjovimą, grūdinimą, perforavimą). Galvos pritaikymas bet kokiai konkrečiai operacijai atliekamas tiek automatiškai konvertuojant optinę sistemą, tiek per keičiamą technologinį tvirtinimą (t.y. jį pakeičiant), kuris tvirtinamas pagal gerai žinomos magnetinės pakabos principą.
Šviesolaidinis lazeris, jo privalumai:
Apskaičiavimai rodo, kad šviesolaidinis lazeris turi didelį ekonominį potencialą.
- Aukštas šiuolaikiniais lazeriais paremtų šviesolaidinių lazerių projektų pelningumas užtikrinamas išskirtinai su maksimalia įrangos apkrova, tai yra dėl gana didelio patikimumo ir unikalaus naujų lazerių resurso, tai techniškai įmanoma.
- Daugiafunkcinės technologinės sritys, kurios dalijasi lazerio šaltinio ištekliais, gali turėti gana reikšmingą ateitį.
- Nepaisant didelių kapitalo investicijų, lazerinės įrangos ir lazerinių technologinių sistemų atsipirkimas apskritai gali būti labai labai greitas, iki 1-1,5 metų.
Šviesolaidinis lazeris yra visiškai arba iš dalies šviesolaidinis lazeris, kai stiprinimo terpė ir kai kuriais atvejais rezonatorius yra pagaminti iš optinio pluošto.
Šviesolaidinis lazeris – tai visiškai arba iš dalies šviesolaidinis lazeris, kur optinio pluošto A daroma stiprinimo terpė ir kai kuriais atvejais rezonatorius. Priklausomai nuo pluošto įgyvendinimo laipsnio, lazeris gali būti visos skaidulos (aktyvioji terpė ir rezonatorius) arba diskrečioji skaidulos (tik skaidulinis rezonatorius ar kiti elementai).
Skaiduliniai lazeriai gali veikti nepertraukiamos bangos, taip pat nano ir femtosekundžių impulsų impulsais.
Dizainas lazeris priklauso nuo jų darbo specifikos. Rezonatorius gali būti Fabry-Perot sistema arba žiedinis rezonatorius. Daugumoje konstrukcijų kaip aktyvioji terpė naudojamas optinis pluoštas, legiruotas retųjų žemių elementų – tulio, erbio, neodimio, iterio, prazeodimio – jonais. Lazeris pumpuojamas naudojant vieną ar daugiau lazerinių diodų tiesiai į pluošto šerdį arba, didelės galios sistemose, į vidinį apvalkalą.
Skaiduliniai lazeriai yra plačiai naudojami dėl plataus parametrų pasirinkimo ir galimybės pritaikyti impulsą įvairiems trukmėms, dažniams ir galioms.
Šviesolaidinių lazerių galia nuo 1 W iki 30 kW. Šviesolaidžio ilgis – iki 20 m.
Skaidulinių lazerių pritaikymas:
– pjaustymas metalai ir polimerai pramoninėje gamyboje,
– tikslus pjovimas,
– mikro apdorojimas metalai ir polimerai,
– paviršiaus apdorojimas,
– litavimas,
– karščio gydymas,
– produktų ženklinimas,
– telekomunikacijos (šviesolaidžio ryšio linijos),
– elektronikos gamyba,
– medicinos prietaisų gamyba,
– moksliniai instrumentai.
Skaidulinių lazerių privalumai:
– pluoštiniai lazeriai yra unikalus įrankis, atveriantis naują medžiagų apdirbimo erą,
– perkeliamumas ir galimybė pasirinkti skaidulinių lazerių bangos ilgį leidžia taikyti naujas veiksmingas programas, kurių nėra kitų tipų šiuo metu esamiems lazeriams,
– pranašesnis už kitų tipų lazerius beveik visais reikšmingais parametrais, svarbiais jų pramoninio naudojimo požiūriu,
– galimybė pritaikyti pulsą įvairiais trukme, dažniais ir galiomis,
- galimybė nustatyti trumpų impulsų seką reikiamu dažniu ir didele didžiausia galia, kuri reikalinga, pavyzdžiui, graviruojant lazeriu,
– platus parametrų pasirinkimas.
Įvairių tipų lazerių palyginimas:
| Parametras | Reikalingas pramoniniam naudojimui | CO 2 | YAG-Nd lempa pumpuojama | Diodu siurbiamas YAG-Nd | Diodiniai lazeriai | |
| Išėjimo galia, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Bangos ilgis, µm | kuo mažiau | 10,6 | 1,064 | 1,064 arba 1,03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Efektyvumas, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Pluoštinės spinduliuotės perdavimo diapazonas | 10…300 | nėra | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Išėjimo galios stabilumas | kuo aukščiau | žemas | žemas | žemas | aukštas | labai aukštai |
| Jautrumas atgaliniam atspindžiui | kuo žemiau | aukštas | aukštas | aukštas | žemas | žemas |
| Užimtas plotas, kv.m | kuo mažiau | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Montavimo kaina, santykiniai vienetai | kuo mažiau | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Eksploatacijos kaina, rel | kuo mažiau | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Priežiūros kaina, san. vnt | kuo mažiau | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Lempos ar lazerinio diodo keitimo dažnis, valanda. | Kiek įmanoma daugiau | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus impulsinio pluošto iterbio lazeris 50w 100kw pirkti gamintoją
pluoštiniai kietojo kūno lazeriai
metalo pjovimo fanera nuostabus cernark graviravimas giluminio graviravimo skaiduliniu lazeriu režimai
iterbio pluošto lazerinis įrenginys
pluošto mašina parduoda lazerį
veikimo principas gamyba Fryazino 1,65 mikronų technologija iterbis pirkti kaina ipg AG 1 optika metalo pjovimui graviravimas impulsinis veikimo principas mašina optiniai pritaikymai galia pasidaryk pats įrenginio diagrama bangos ilgis suvirinimas gamintojas pjauna bangomis
Paklausos veiksnys 902
Skaiduliniai lazeriai suprantami kaip optiškai pumpuojami kietojo kūno lazeriai, kurių aktyvusis elementas yra šviesolaidinis šviesolaidis su lazerinių aktyvatorių priedais. Perspektyviausi šviesolaidžių sistemose yra neodimio jonų aktyvuotų pluoštų lazeriai, turintys dvi pagrindines lazerio linijas, kurių centrinis bangos ilgis yra µm ir µm, esančias spektro diapazone, kur šviesos nuostoliai ir dispersija kvarco pluoštuose yra minimalūs.
Ryžiai. 4.11. Relės sekcijos ilgio priklausomybė nuo informacijos perdavimo spartos laiptuotam pluoštui su mikronų slopinimu:
1 - lazeriniam diodui (būdingas BC sekcijos nuosmukis atsiranda dėl intermode dispersijos) 2 - sbeto spinduliuojančiam diodui (būdingas sumažėjimas atsiranda dėl plataus diodo spektro sekcijoje, be to, dažnio charakteristikos sumažėjimas skyriuje)
Neodimio stiprinimo spektrinės charakteristikos praktiškai nepriklauso nuo išorinių sąlygų bangos ilgio temperatūrinis poslinkis, atitinkantis maksimalų neodimio jonų stiprinimą, o puslaidininkinėms terpėms šis parametras yra Spinduliuotojo pluošto konstrukcija leidžia naudoti standartines jungtis; efektyviai įvesti spinduliuotę į šviesolaidžius, įskaitant ir vienmodžius.
Nepaisant šių privalumų ir, kaip bus parodyta toliau, plataus funkcionalumo, šviesolaidiniai lazeriai dar nepasitraukė iš tyrimų etapo. Tai paaiškinama tuo, kad kuriant šviesolaidines sistemas, daugelis problemų buvo išspręstos naudojant gerai išvystytus puslaidininkinius emiterius, ypač gana paprastose sistemose, kurios pirmiausia diegiamos, kur vienas pagrindinių puslaidininkinių šaltinių privalumų vaidina lemiamą vaidmenį. - galimybė tiesiogiai moduliuoti spinduliuotės intensyvumą siurblio srove. Kietojo kūno lazeriuose, ypač neodimiu aktyvintos terpės pagrindu veikiančiuose lazeriuose, didelės spartos spinduliuotės intensyvumo moduliavimas keičiant siurblio galią iš esmės neįmanomas dėl santykinai ilgo išilginio atsipalaidavimo laiko. Nesugebėjimas greitai „įjungti“ apverstos populiacijos riboja tiesioginio moduliavimo dažnius iki Hz verčių. Šviesolaidžių sistemų, ypač perspektyvių artimiausios ateities sistemų su nuosekliu priėmimu ir daugiakanaliu spektru kūrimas
tankinimas skatina skaidulinių lazerių kūrimąsi, kurie gali būti naudojami ne tik kaip generatoriai, bet ir kaip šviesos stiprintuvai.
Esamos skaidulinių lazerių konstrukcijos gali būti suskirstytos į tris grupes. Pirmosios grupės šviesolaidiniai lazeriai naudoja kelių ilgų pluoštų pluoštus ir galingą siurbimą su impulsinėmis dujų išlydžio lempomis. Teigiamas grįžtamasis ryšys tokiose struktūrose susidaro dėl šviesos atspindėjimo nuo skaidulų galų ir atgalinės sklaidos ties mikrolinkiais ir nehomogeniškumu.
Ryžiai. 4.12. Skaidulinių lazerių konstrukcijos: a - su galiniu siurbimu; b - su skersiniu pumpavimu mažo skersmens skaiduloms, c - su tiesioginiu pluoštų klojimu ant liniuotės - spinduliavimo platforma - lazerio rezonatoriaus veidrodis, skaidrus spinduliuotei, 13 - aktyvus pluoštas, 5 - rezonatoriaus veidrodis; 6 - optiniai klijai, 8 - reflektorius, 9 - stiklo cilindras, 10, 12 - radiatoriai; 11, 14 - LED linijos
Vamzdžių siurbimas leidžia pasiekti didelį pelną vienu praėjimu, tačiau reikia naudoti priverstinio aušinimo skysčiu sistemas ir didelių gabaritų maitinimo šaltinius, todėl mažo dydžio prietaisų kūrimas yra nerealus. Tam tikros perspektyvos šiuo požiūriu gali slypėti naudojant dujų išlydžio mikrolampas. Lempos pumpuojamų konstrukcijų pranašumai apima galimybę juos naudoti kaip slenkančios bangos optinius stiprintuvus ir regeneracinius stiprintuvus su gana dideliu (~30-40 dB) stiprėjimu.
Antroje pluoštinių lazerių konstrukcijų grupėje naudojami trumpi monokristaliniai ir stiklo pluoštai, legiruoti neodimio jonais. Siurbimas atliekamas per pluošto galą puslaidininkiniu lazeriu arba šviesos diodu. Pakankamai aukštas siurblio efektyvumas pasiekiamas suderinus puslaidininkinio emiterio, pagrįsto GaAlAs GVD, emisijos spektrą su viena iš intensyvios neodimio sugerties linijų, kurios centrinis bangos ilgis yra maždaug
0,81 µm. Antrosios grupės skaidulinių lazerių konstrukcija schematiškai parodyta fig. 4.12, a. Dėl mažo aktyviosios terpės stiprinimo susidaro lazerio ertmė
dielektriniai veidrodžiai su dideliu atspindžiu. Lazeriai, kurių pagrindą sudaro monokristaliniai pluoštai, pagaminti iš itrio aliuminio granato su neodimiu ir stiklo kvarco pluošto su neodimiu, turi tokią konstrukciją. Yra pranešimų apie generavimą su galiniu pumpavimu kriptono lazeriu kristaliniame pluošte ir pumpuojant argono lazeriu rubino pluošte. Geriausi rezultatai buvo gauti naudojant 0,5 cm ilgio ir 80 pluošto geometriją μm skersmens. Išorinis rezonatorius (4.12 pav., a) buvo suformuotas veidrodžiais su dielektrine danga, kurių vienas turėjo atspindžio koeficientą lazerio spinduliuotei su mikronais ir tik siurblio spinduliuote, antrasis veidrodis su tokiu pat dideliu atspindžio koeficientu lazerio spinduliuotei atspindėjo siurblį. gana gerai apšviečia Veidrodžiai buvo išdėstyti beveik arti pluošto galų. Siurbimas buvo atliktas paviršiaus šviesos diodu, kurio spinduliavimo srities skersmuo buvo 85 μm. Slenkstinė siurblio galia buvo
Pagrindiniai šios konstrukcijos šviesolaidinių lazerių privalumai – mažos energijos sąnaudos ir bendri matmenys. Pagrindiniai trūkumai: galinė siurbimo grandinė neleidžia naudoti pluošto segmentų, kurių ilgis didesnis nei 1 cm, o tai riboja išėjimo galią. Be to, šių lazerių gamybos ir derinimo technologija yra sudėtinga, o pompos šviesos diodas viename iš galų apsunkina lazerio, kaip optinio signalo stiprintuvo, naudojimą.
Daugiapakopiai skaiduliniai lazeriai su skersiniu pumpavimu LED strypais (pav. pavaizduoti trečios grupės dizainai. Ant LED juostos dedami keli stiklo pluošto posūkiai, kurių šerdį aktyvuoja neodimio jonai. Konstrukcija tam tikru mastu sujungia pirmosios ir antrosios grupės šviesolaidinių lazerių privalumus ir neturi daugumos jų trūkumų. Naudojant puslaidininkinius emiterius, kaip siurblio šaltinius, tokios sistemos yra gana mažos dėl skersinės siurbimo schemos ir ilgų pluoštų sekcijų Galima gauti gana didelį padidėjimą vienu praėjimu Dėl mažo optinių skaidulų skersmens, naudojant aukštą jonų koncentraciją ir, atitinkamai, su dideliu absorbcijos koeficientu siurblys, pagamintas iš neodimio ultrafosfatų, turi tokias savybes. Taigi pluošto gabalas pakartotinai traukiamas per maždaug 1 mm skersmens stiklinį cilindrą (4.12 pav., b), kurio išorinis paviršius padengiamas atspindinčia danga.
siurblio spinduliuotės panaudojimo efektyvumo didinimas. Šis metodas yra tinkamas pluoštams, kurių išorinis skersmuo yra mažas (µm). Ant LED linijos posūkio į posūkį galima kloti didesnio skersmens pluoštus (4.12 pav., c). Abi konstrukcijos gali būti naudojamos kaip slenkančios bangos optiniai stiprintuvai, kurių vienas šviesos kreiptuvo galas yra stiprintuvo įvestis, o kitas – išėjimas. Veidrodinės dangos padengimas skaidulų galuose leidžia lazeruoti naudojant Fabry-Perot pluošto rezonatorių.
Lazerinių procesų aktyviosiose optinėse skaidulose ypatybes lemia specifinės lazerio generacijos buvimas, kai nėra teigiamo grįžtamojo ryšio.
Ryžiai. 4.13. Šviesolaidis: a - su aktyvia šerdimi ir pasyviu apvalkalu; b - su pasyvia šerdimi ir aktyviu apvalkalu (2)
Tai yra pagrindinis skirtumas tarp skaidulinių lazerių ir lazerių, pagrįstų tūriniais aktyviaisiais elementais. Norėdami paaiškinti šio proceso, artimo superliuminescencijos režimui puslaidininkiniuose šviesos dioduose, esmę, panagrinėkime kokią nors elementarią šviesos kreiptuvo atkarpą, kurioje sukuriama apversta populiacija (4.13 pav., a). Savaiminė emisija įvyksta vienoda tikimybe visomis kryptimis, tačiau spinduliuotė, susitelkusi į du kampų kūgius, turinčius bendrą ašį su pluoštu ir nulemtus 20 laipsnių atsidarymo kampu, nepalieka šerdies. Čia
kur atitinkamai šerdies ir apvalkalo lūžio rodikliai Ši spinduliuotė sužadina natūralius pluošto svyravimus (režimus), kuriuos sustiprina stimuliuojama emisija sklindant pluoštu į dešinę ir į kairę (4.13 pav., a). Tas pats vaizdas stebimas bet kurioje kitoje aktyviojo pluošto šerdies elementinėje dalyje. Tokio pluošto šviesos šaltinio išėjimo spinduliuotės divergenciją apytiksliai lemia pluošto skaitmeninė apertūra
Kol viena kitos link sklindančių šviesos bangų intensyvumas aktyviajame šviesos vadove yra žymiai mažesnis už vertę, kuri prisotina stiprinimą, tol priešpriešinės bangos yra nepriklausomos, taip pat energijos, perduodamos skirtingais šviesos vadovo režimais. Esant tokioms sąlygoms, spontaniškos emisijos stiprinimo procesas dėl stimuliuojamos emisijos aprašomas gerai žinomomis lazerinio stiprintuvo lygtimis be prisotinimo ir atsižvelgiant į spontanišką emisiją. Spinduliuotės spektrinis galios tankis vienu režimu pluošto ilgio aktyviosios atkarpos išėjime (4.13 pav., a) lygus
Čia yra Plancko konstanta; - šviesos virpesių dažnis; - viršutinio ir apatinio lazerio lygių populiacijos; - stiprinimas ilgio vienetui, kur yra priverstinio perėjimo Einšteino koeficientas; - normalizuota spektrinio stiprinimo linijos forma; c yra šviesos greitis. Didžiausią generuojamą galią gali apriboti pluošto ilgis arba, kaip lazeriuose su rezonatoriais, prisotinimas. Natūralu, kad stiprinimo proceso metu generacijos spektras susiaurėja lyginant su liuminescencijos spektru dėl to, kad linijos centre esantys spektriniai komponentai sustiprinami labiau. Spektro plotį lemia stiprinimas ir forma, o emisijos spektras yra ištisinis, nes nėra rezonatoriaus.
Nagrinėjamas specifinis pluoštinio lazerio procesas turi tris svarbius aspektus.
1. Aktyvus pluošto šviesos kreiptuvas gali būti naudojamas kaip šviesos šaltinis be optinio rezonatoriaus.
2. Kuriant šviesolaidinius lazerius, naudojant tradicinę ertmės konstrukciją, būtina atsižvelgti į tai, kad svarstomas procesas vienu praėjimu gali sukelti prisotinimą, dėl ko grįžtamasis ryšys praras savo prasmę. Šiuo atveju ir reikšmės turi būti parinktos taip, kad jos būtų toli nuo vertės, kuri prisotina padidėjimą.
3. Šviesolaidiniuose stiprintuvuose pagrindinis triukšmo šaltinis yra šviesos generavimas, atsirandantis dėl aptarto proceso. Triukšmo galios spektrinis tankis vienu režimu, perskaičiuotas į stiprintuvo įvestį pagal (4.12) formulę, yra lygus
Keturių lygių sistemoje, pavyzdžiui, neodimio lazerio nivelyro grandinėje, paprastai esant dideliam padidėjimui
Tūriniuose stiprintuvuose sustiprintos spontaninės emisijos triukšmas ilgą laiką buvo laikomas iš esmės nepašalinamu (žr., Pavyzdžiui, darbą), tačiau skaiduliniuose stiprintuvuose jo lygis gali būti žymiai sumažintas naudojant šviesos kreiptuvą, parodytą Fig. 4.13, 6. Vienmodis pluoštas, kurio šerdis pagamintas iš kvarcinio stiklo su priedu, didinančiu lūžio rodiklį, pavyzdžiui, turi neodimio jonais aktyvuojamą stiklo apvalkalą. Atvirkštinės populiacijos sukūrimas apvalkale sustiprina pagrindinį režimą su efektyviu padidėjimu
kur yra apvalkalo pelnas; - dalis šerdies režimo galios, kuri sklinda apvalkalu; P yra bendra šio režimo galia. Santykis keičiasi nuo 0,99 iki 0,1, kai pluošto parametras pasikeičia nuo 0,6 iki 2,4048. Kai šerdis pradeda efektyviai nukreipti pagrindinį režimą, lokalizuodama savo lauką šalia savęs, antrasis režimas sužadinamas. Formulė buvo gauta taip pat, kaip ir pluošto su apvalkalu, kuriame atsiranda prastesnės kokybės spinduliuotės nuostoliai nei pluošto, slopinimo koeficiento išraiška. Reikšmingi pirmųjų trūkumai yra stiprinimo linijos temperatūros nestabilumas (mikronams), dideli nuostoliai jungiant vienmodės skaidulos šviesos kreiptuvus prie plokštuminio stiprintuvo šviesos kreiptuvo ir didelis triukšmo galios lygis – superliuminescencinė spinduliuotė.
Skaiduliniai lazeriai atveria galimybę sukurti naujų tipų FOD. Jautrus elementas, kuris yra pluošto šviesos kreiptuvas, čia yra pluošto žiedo arba linijinio lazerio rezonatoriaus dalis.
Ryžiai. 4.14. Vieno dažnio skaiduliniai lazeriai su paskirstytu grįžtamuoju ryšiu (a) ir Bragg veidrodžiais (b): 1 - aktyvioji šerdis; 2 - apvalkalas su periodine struktūra
Šviesos svyravimų fazės pasikeitimas veikiant išoriniams veiksniams lemia įvairių lazerių režimų generavimo dažnių pasikeitimą. Informacija apie išorinį poveikį yra intermode dūžių dažnio pokytyje. Remiantis šviesolaidiniu lazeriu su žiediniu rezonatoriumi, kuris realizuojamas suvirinant šviesos kreiptuvo galus arba juos atjungiant, sukurti nedidelio dydžio lazerinio pluošto giroskopą yra gana paprasta.
Stabilūs vieno dažnio pluošto lazeriai gali būti įgyvendinami kaip paskirstytas grįžtamasis ryšys arba paskirstytas Bragg atspindžio dizainas. Tam tam tikrose pluošto atkarpose sukuriamas pluoštą atspindintis spektrinis filtras, naudojant vieną iš būdų, kurie bus aprašyti toliau (žr. 4.8 pastraipą) (4.14 pav.). Tokie šaltiniai gali būti naudojami faziniuose vandens dioduose.
Superliuminescencinių skaidulinių lazerių naudojimas leidžia supaprastinti pasyviųjų skaidulų giroskopų konstrukciją ir padidinti jų jautrumą sumažinant triukšmo lygį, kurį sukelia tūrinių elementų buvimas. Žiediniuose interferometruose ir giroskopuose triukšmo lygis mažėja mažėjant šaltinio spinduliuotės koherentiniam ilgiui ir tūrinių elementų skaičiui (žr. 3.6 skyrių). Skaiduliniame šaltinyje nesunku užtikrinti, kad spinduliuotės koherentinis ilgis būtų didesnis už kelio skirtumą tarp interferometro priešpriešinio sklidimo bangų dėl sukimosi ir ne abipusio poveikio. Superliuminescenciniai pluošto lazeriai turi nm spektro plotį ir gana didelę impulsų galią
jungiasi prie šviesolaidžio interferometro naudojant standartines jungtis.
