Badanie problemu laserowego cięcia metali należy rozpocząć od rozważenia fizycznych zasad działania lasera. Ponieważ w dalszej części pracy wszystkie badania dokładności cięcia laserowego materiałów cienkowarstwowych będą prowadzone na kompleksie laserowym przy użyciu lasera iterbowego, rozważymy projektowanie laserów światłowodowych.
Laser to urządzenie, które przekształca energię pompy (świetlną, elektryczną, cieplną, chemiczną itp.) w energię spójnego, monochromatycznego, spolaryzowanego i wysoce ukierunkowanego strumienia promieniowania.
Lasery światłowodowe zostały opracowane stosunkowo niedawno, bo w latach 80. XX wieku. Obecnie znane są modele światłowodowych laserów technologicznych o mocy do 20 kW. Ich skład widmowy waha się od 1 do 2 μm. Zastosowanie takich laserów pozwala na zapewnienie różnych czasowych charakterystyk promieniowania.
W ostatnim czasie lasery światłowodowe aktywnie zastępują tradycyjne lasery w takich obszarach zastosowań technologii laserowej jak np. cięcie i spawanie laserowe metali, znakowanie i obróbka powierzchni, druk i szybki druk laserowy. Znajdują zastosowanie w dalmierzach laserowych i lokalizatorach trójwymiarowych, sprzęcie telekomunikacyjnym, instalacjach medycznych itp.
Głównymi typami laserów światłowodowych są lasery jednomodowe o fali ciągłej, w tym lasery o pojedynczej polaryzacji i lasery o pojedynczej częstotliwości; impulsowe lasery światłowodowe pracujące w trybach Q-switch, mode-locking i modulacji losowej; przestrajalne lasery światłowodowe; superluminescencyjne lasery światłowodowe; lasery światłowodowe ciągłe wielomodowe o dużej mocy.
Zasada działania lasera opiera się na przepuszczaniu światła z fotodiody przez długi włókno. Laser światłowodowy składa się z modułu pompy (najczęściej szerokopasmowych diod LED lub diod laserowych), światłowodu, w którym zachodzi zjawisko laserowania, oraz rezonatora. Światłowód zawiera substancję czynną (światłowód domieszkowany – rdzeń bez płaszcza, w odróżnieniu od konwencjonalnych światłowodów) oraz falowody pompowe. Konstrukcja rezonatora jest zwykle określona przez specyfikacje techniczne, ale można wyróżnić najczęściej spotykane klasy: rezonatory typu Fabry-Perot i rezonatory pierścieniowe. W instalacjach przemysłowych czasami łączy się kilka laserów w jedną instalację w celu zwiększenia mocy wyjściowej. Na ryc. Rysunek 1.2 przedstawia uproszczony schemat urządzenia z laserem światłowodowym.
Ryż. 1.2. Typowy obwód lasera światłowodowego.
1 - włókno aktywne; 2 - Lustra Bragga; 3 - blok pompujący.
Głównym materiałem aktywnego światłowodu jest kwarc. Wysoką przezroczystość kwarcu zapewniają nasycone stany poziomów energetycznych atomów. Wprowadzone przez domieszkę zanieczyszczenia przekształcają kwarc w ośrodek absorbujący. Dobierając moc promieniowania pompy, w takim środowisku możliwe jest utworzenie odwrotnego stanu populacji poziomów energetycznych (tzn. poziomy o wysokiej energii będą bardziej wypełnione niż poziom gruntu). W oparciu o wymagania dotyczące częstotliwości rezonansowej (zakres podczerwieni dla telekomunikacji) i niskoprogową moc pompy, z reguły domieszkowanie przeprowadza się pierwiastkami ziem rzadkich z grupy lantanowców. Jednym z powszechnych rodzajów włókien jest erb, stosowany w układach laserowych i wzmacniaczach, którego zakres działania mieści się w zakresie długości fal 1530-1565 nm. Ze względu na różne prawdopodobieństwo przejść do poziomu głównego z podpoziomów poziomu metastabilnego, efektywność generacji lub wzmocnienia jest różna dla różnych długości fal w zakresie roboczym. Stopień domieszkowania jonami ziem rzadkich zależy zwykle od długości produkowanego włókna aktywnego. W zakresie do kilkudziesięciu metrów może wynosić od kilkudziesięciu do tysięcy ppm, a w przypadku długości kilometrowych - 1 ppm lub mniej.
Zwierciadła Bragga – rozproszony reflektor Bragga – to struktura warstwowa, w której współczynnik załamania światła materiału zmienia się okresowo w jednym kierunku przestrzennym (prostopadle do warstw).
Istnieją różne konstrukcje pompowania falowodów optycznych, z których najczęstsze są konstrukcje z czystych włókien. Jedną z możliwości jest umieszczenie włókna aktywnego w kilku osłonach, z których zewnętrzna ma charakter ochronny (tzw. włókno podwójnie powlekane). Pierwsza skorupa wykonana jest z czystego kwarcu o średnicy kilkuset mikrometrów, a druga z materiału polimerowego, którego współczynnik załamania światła dobiera się tak, aby był znacznie niższy niż kwarcu. Zatem pierwszy i drugi płaszcz tworzą wielomodowy falowód o dużym przekroju poprzecznym i aperturze numerycznej, do którego wprowadzane jest promieniowanie pompy. Na ryc. Rysunek 1.3 przedstawia schemat pompowania lasera opartego na włóknie podwójnie powlekanym.
Ryż. 1.3. Układ pompujący do lasera bazującego na włóknie podwójnie powlekanym.
Do zalet laserów światłowodowych zalicza się tradycyjnie znaczny stosunek powierzchni rezonatora do jego objętości, co zapewnia wysoką jakość chłodzenia, stabilność termiczną krzemu oraz niewielkie rozmiary urządzeń o podobnych klasach mocy i wymaganiach jakościowych. Wiązkę lasera z reguły należy wprowadzić do światłowodu w celu późniejszego wykorzystania w technologii. W przypadku laserów innych konstrukcji wymaga to specjalnych systemów kolimacji optycznej i sprawia, że urządzenia są wrażliwe na wibracje. W laserach światłowodowych promieniowanie generowane jest bezpośrednio we włóknie i charakteryzuje się wysoką jakością optyczną. Wadą tego typu lasera jest ryzyko wystąpienia efektów nieliniowych ze względu na dużą gęstość promieniowania we włóknie oraz stosunkowo niską energię wyjściową na impuls ze względu na małą objętość substancji czynnej.
Lasery światłowodowe są gorsze od laserów na ciele stałym w zastosowaniach, w których wymagana jest wysoka stabilność polaryzacji, a zastosowanie światłowodu utrzymującego polaryzację jest z różnych powodów trudne. Laserów na ciele stałym nie można zastąpić laserami światłowodowymi w zakresie widma 0,7-1,0 mikrona. Mają także większy potencjał zwiększania mocy wyjściowej impulsu w porównaniu do światłowodów. Jednakże lasery światłowodowe działają dobrze na długościach fal, na których nie ma wystarczająco dobrych ośrodków aktywnych ani zwierciadeł dla innych konstrukcji laserów, i umożliwiają łatwiejsze wdrożenie niektórych projektów laserów, takich jak konwersja w górę.
Optymalizując światłowód jednomodowy do zastosowania w laserach światłowodowych, uzyskano wysoce skalowalną moc wyjściową na poziomie 4,3 kW oraz zidentyfikowano dalsze kierunki badań nad ultraszybkimi zastosowaniami laserów.
Jednym z palących problemów w rozwoju technologii laserowych jest wzrost mocy laserów światłowodowych, które „wygrały” już udziały w rynku od laserów CO 2 dużej mocy, a także wolumetrycznych laserów na ciele stałym. Obecnie duzi producenci laserów światłowodowych zwracają szczególną uwagę na rozwój nowych zastosowań, rozważając w przyszłości dalszy podbój rynku. Wśród laserów dużej mocy dostępnych na rynku, systemy jednomodowe posiadają szereg cech, które czynią je najbardziej poszukiwanymi – charakteryzują się najwyższą jasnością i możliwością ogniskowania do kilku mikronów, co czyni je bardziej odpowiednimi dla nie- obróbka materiału kontaktowego. Produkcja takich systemów jest dość złożona. Firma IPG Photonics (Oxford, MA) zaproponowała opracowanie systemu jednomodowego o mocy 10 kW, ale informacje na temat charakterystyki wiązki nie są dostępne, a w szczególności dane na temat ewentualnych komponentów wielomodowych, które mogą występować obok sygnału jednomodowego .
Niemieccy naukowcy z Uniwersytetu Friedricha Schillera i Instytutu Optyki Stosowanej i Inżynierii Precyzyjnej Fraunhofera, przy wsparciu finansowym rządu niemieckiego i we współpracy z TRUMPF, Active Fibre Systems, Jenoptik, Instytutem Technologii Fotonicznej Leibniza, przeanalizowali problemy skalowania takich laserów i opracowali nowe włókna, aby pokonać ograniczenia mocy. Zespół pomyślnie przeprowadził serię testów, wykazując moc wyjściową jednomodową o mocy 4,3 kW, w której moc wyjściowa lasera światłowodowego była ograniczona jedynie mocą sygnału pompy.
Czynniki ograniczające moc promieniowania lasera światłowodowego jednomodowego
Do głównych zadań wymagających dokładnego przestudiowania należą: a) ulepszone pompowanie; b) rozwój światłowodu aktywnego o niskich stratach optycznych, pracującego wyłącznie w trybie jednomodowym; c) dokładniejszy pomiar odbieranego promieniowania. Zakładając, że problem usprawnienia pompowania da się rozwiązać za pomocą ultrajasnych diod laserowych i odpowiednich metod podawania pompy, w tym artykule omówimy zatem bardziej szczegółowo pozostałe dwa.
W ramach rozwoju światłowodu aktywnego do pracy jednomodowej dużych mocy wybrano dwa zestawy parametrów optymalizacyjnych: domieszkowanie i geometrię. Wszystkie parametry muszą być jasno określone, aby osiągnąć minimalne straty, pracę w jednym trybie i duże wzmocnienie. Idealny wzmacniacz światłowodowy powinien zapewniać wysoką sprawność konwersji przekraczającą 90%, doskonałą jakość wiązki i moc wyjściową ograniczoną jedynie dostępną mocą pompy. Jednak modernizacja systemu jednomodowego do wyższych mocy może skutkować wyższą gęstością mocy w samym rdzeniu światłowodu, zwiększonym obciążeniem termicznym i szeregiem nieliniowych efektów optycznych, takich jak stymulowane rozpraszanie Ramana (SRS) i stymulowane rozpraszanie Brillouina (SBS). ).
Mody poprzeczne można ulepszyć w zależności od wielkości strefy aktywnej światłowodu. Im mniejszy przekrój czynny włókna, tym mniejsza jest liczba takich modów – dla danego stosunku przekrojów światłowodu do płaszcza. Jednak mniejsza średnica determinuje również większą gęstość mocy, a przy zginaniu włókna np. dodawane są również straty dla wyższych modów. Jednakże przy dużej średnicy rdzenia włókna i naprężeniu termicznym mogą wystąpić inne mody emisji. Mody te podlegają wzajemnym oddziaływaniom podczas wzmacniania i dlatego bez optymalnych warunków propagacji profil promieniowania wyjściowego może stać się niestabilny przestrzennie lub czasowo.
Niestabilność trybu poprzecznego
Włókna domieszkowane iterbem (Yb) są typowym ośrodkiem roboczym jednomodowych laserów światłowodowych dużej mocy, jednak powyżej pewnego progu wykazują zupełnie nowy efekt – tzw. efekt niestabilności trybu poprzecznego (TMI). Przy pewnym poziomie mocy mogą nagle pojawić się wyższe tryby, a nawet tryby powłoki. Energia ulega dynamicznej redystrybucji pomiędzy nimi, a jakość wiązki ulega pogorszeniu. Na wyjściu pojawia się fluktuacja promieniowania (wiązka zaczyna oscylować). Efekt TMI zaobserwowano w różnych konstrukcjach włókien, od włókien o indeksie skokowym po włókna z kryształu fotonicznego. Jego wartość progowa zależy od geometrii i domieszkowania, ale przybliżone szacunki sugerują, że efekt ten występuje przy mocach wyjściowych większych niż 1 kW. W trakcie badań wykazano zależność TMI od fotociemnienia i jego związek z efektami termicznymi wewnątrz światłowodu. Ponadto podatność laserów światłowodowych na TMI zależy również od zawartości rdzenia modalnego.
Geometria włókna o indeksie schodkowym pozwala na optymalizację. Do pompowania można wybrać: średnicę włókna, rozmiar płaszcza włókna pompy i inne współczynniki załamania światła włókna i płaszcza. Wszystkie te parametry strojenia zależą od stężenia domieszki, co oznacza, że stężenie jonów Yb można wykorzystać do kontrolowania długości obszaru absorpcji promieniowania pompy w aktywnym włóknie. Do włókna można dodać inne dodatki w celu zmniejszenia efektów termicznych i kontrolowania współczynnika załamania światła. Istnieją jednak pewne sprzeczności. Aby zmniejszyć efekty nieliniowe, włókno musi być krótsze, a aby zmniejszyć obciążenie termiczne, włókno musi być dłuższe. Fotociemnienie jest proporcjonalne do stężenia domieszki, zatem dłuższe włókna z niższym stężeniem domieszki będą zdecydowanie lepsze. Podczas eksperymentu można uzyskać wyobrażenie o niektórych parametrach. Można na przykład modelować zachowanie termiczne, ale jest ono dość trudne do przewidzenia, ponieważ fotociemnienie z definicji jest niewielkie i nie można go fizycznie zmierzyć w przyspieszonych testach. Dlatego bezpośrednie pomiary zachowania termicznego włókien mogą być przydatne w projektowaniu eksperymentów. Dla porównania dla typowego światłowodu aktywnego pokazano zmierzone obciążenie cieplne (pochodzące z jednocześnie rozproszonych pomiarów temperatury we wzmacniaczu światłowodowym) i symulowane obciążenie termiczne (rysunek 1).
Rysunek 1. Zmierzone obciążenie termiczne włókna aktywnego w porównaniu z obciążeniem symulowanym z dodatkowymi stratami i bez nich
Innym ważnym parametrem przy projektowaniu światłowodu jest długość fali odcięcia, która jest najdłuższą długością fali, która zwiększa liczbę modów we włóknie. Tryby wyższego poziomu wykraczające poza tę długość fali nie są obsługiwane.
Testowanie nowych włókien przy mocy kilowatowej
W trakcie eksperymentu zbadano dwa rodzaje włókien domieszkowanych Yb. Włókno nr 1 o średnicy rdzenia 30 mikronów z dodatkowym domieszką fosforu i aluminium. Włókno nr 2, o mniejszej średnicy 23 mikronów, było mniej domieszkowane, ale zawierało więcej iterbu, aby uzyskać wyższy współczynnik profilu w porównaniu z włóknem nr 1 (tab. 1).
Tabela 1. Parametry badanych włókien
Obliczona długość fali odcięcia wynosi około 1275 nm i 1100 nm, odpowiednio dla włókien 1 i 2. Jest to znacznie bliższe emisji jednomodowej niż typowe włókno o średnicy rdzenia 20 µm i aperturze numerycznej 0,06 (NA) o długości fali odcięcia ~1450 nm. Wzmocniona długość fali lasera została ostatecznie wyśrodkowana przy 1067 nm.
Obydwa włókna badano w obwodzie pompującym dużej mocy (rys. 2). Pompujący laser diodowy i sygnał początkowy sprzęgano w wolnej przestrzeni we włókno ze spawanymi końcami i złączami, przemywane wodą w celu ochłodzenia. Źródłem promieniowania był laser diodowy z zewnętrzną wnęką z modulacją fazową (ECDL), którego sygnał został wstępnie wzmocniony w celu uzyskania mocy sygnału wejściowego do 10 W przy długości fali 1067 nm i szerokości widmowej 180 μm.
Rysunek 2. Układ eksperymentalny wzmacniacza dużej mocy zastosowany w teście wzmacniacza światłowodowego, w którym włókno było pompowane przy długości fali 976 nm w kierunku przeciwnym do propagacji.
Podczas testów pierwszego światłowodu zaobserwowano nagłe wahania w skali milisekundowej przy progu 2,8 kW, co można przypisać TMI. Drugie 30 m włókno o tej samej długości fali i szerokości widma zostało pompowane do mocy wyjściowej 3,5 kW, ograniczonej raczej przez SBS niż TMI.
W trzecim eksperymencie zmodyfikowano widmo lasera emiterowego, zwiększając próg SBS światłowodu poprzez poszerzenie widma (wyżej niż w poprzednim eksperymencie). W tym celu z pierwszym połączono drugi laser diodowy o środkowej długości fali 300 µm. Zakłócenia te skutkowały wahaniami czasowymi, które umożliwiły wzrost mocy sygnału w wyniku modulacji autofazowej. Stosując ten sam wzmacniacz główny co poprzednio, uzyskano bardzo podobne wartości mocy wyjściowej przy sprawności 90%, jednak bez TMI można je było zwiększyć jedynie do 4,3 kW (tabela 2).
Tabela 2. Wynik testu włókna
Zadania pomiarowe
Pomiar wszystkich parametrów lasera światłowodowego dużej mocy jest jednym z głównych zadań i do ich rozwiązania wymaga specjalnego sprzętu. Aby uzyskać pełną charakterystykę włókna, określono stężenie domieszki, profile współczynnika załamania światła i tłumienie rdzenia włókna. Na przykład pomiar strat w rdzeniu dla różnych średnic zgięcia jest ważnym parametrem korelacji z progiem TMI.
Rysunek 3. a) Wykres natężenia fotodiody podczas testowania sygnału wyjściowego za pomocą światłowodu 1, poniżej i powyżej progu TMI. b) Znormalizowane odchylenie standardowe śladów fotodiod przy różnych mocach wyjściowych
Podczas testowania wzmacniacza światłowodowego próg TMI wyznaczany jest za pomocą fotodiody poprzez pobór niewielkiej części mocy. Początek wahań mocy okazał się dość ostry i znaczący (rys. 3), zmiana sygnału była szczególnie znacząca przy badaniu światłowodu 1, natomiast nie została wykryta przy badaniu światłowodu 2 do poziomu mocy 4,3 kW. Odpowiednią zależność pokazano na rysunku 4a.
Rysunek 4. a) Nachylenie wydajności światłowodu 2 dla mocy wyjściowej do 4,3 kW. b) Widmo optyczne o mocy wyjściowej 3,5 kW przy stosunku sygnału wyjściowego do ASE 75 dB. Szerokość widmowa 180 µm przy mocy wyjściowej 4,3 kW rozszerzonej do szerokości pasma 7 nm
Pomiary jakości wiązki stanowią najtrudniejszą część charakteryzacji lasera światłowodowego i zasługują na osobną dyskusję. Krótko mówiąc, kluczowe jest tłumienie wolne od ciepła, które można osiągnąć za pomocą odbić Fresnela lub optyki o niskich stratach. W eksperymentach przedstawionych w tym przeglądzie wprowadzono tłumienie za pomocą płytek klinowych i pompowania pulsacyjnego w skali czasu przekraczającej czas rozpoczęcia TMI.
Zastosowania w szybko rozwijającej się nauce
Po dziesięcioletnim zastoju opracowanie wydajnych jednomodowych laserów światłowodowych nowej generacji w klasie kilowatowej o doskonałej jakości wiązki wydaje się całkiem możliwe. Osiągnięto już moc wyjściową na poziomie 4,3 kW, ograniczoną jedynie mocą pompy, zidentyfikowano główne ograniczenia na ścieżce dalszego rozwoju i jasne są sposoby ich pokonania.
Moc prawie 1 kW została już osiągnięta na pojedynczym włóknie po wzmocnieniu ultraszybkimi impulsami laserowymi, więc zwiększenie mocy do 5 kW jest całkowicie możliwe dzięki połączeniu technik. Podczas gdy systemy są opracowywane dla ośrodków badawczych takich jak ELI (Praga, Czechy), dalszy rozwój niezawodnych systemów transmisji sygnału optycznego pozostaje wyzwaniem dla systemów przemysłowych.
Wykonane prace pozwoliły zidentyfikować wiele interesujących perspektyw. Z jednej strony jest to przeniesienie wyników na produkcję, mimo że w tym kierunku potrzeba jeszcze wiele wysiłku, a z drugiej strony technologia jest niezwykle istotna dla podniesienia parametrów innych światłowodowych systemów laserowych, na przykład w przypadku femtosekundowych wzmacniaczy światłowodowych.
Na podstawie materiałów ze strony http://www.lightwaveonline.com
W opublikowanych wcześniej artykułach badających potencjał technologiczny lasera światłowodowego analizowano pod kątem jego najbardziej efektywnych zastosowań technologicznych, a mianowicie cięcia, spawania, hartowania, perforowania i czyszczenia powierzchni. Wszystko to może zrobić laser światłowodowy.
Jednak niezwykle ważne jest, aby menedżerowie i technolodzy przedsiębiorstw przemysłowych rozumieli oprócz tego ekonomiczne aspekty wdrażania lasera światłowodowego w nowoczesnych technologiach laserowych. Omówmy zatem kwestie ekonomiczne dotyczące lasera światłowodowego, które pojawiają się podczas oceny projektów modernizacji technicznej.
Należy od razu zauważyć: różnice są bardzo istotne, ponieważ nowy laser światłowodowy ma szereg właściwości i cech technicznych, przez co nie do końca słuszne jest przenoszenie doświadczeń związanych ze stosowaniem klasycznych laserów na nowy sprzęt. Dlatego wskazane jest zacząć od tego, czym jest laser światłowodowy, od przedstawienia tych cech i różnic.
Laser światłowodowy:
Wyjątkowa żywotność nowoczesnych emiterów (ponad 100 000 godzin z możliwością wydłużenia żywotności przy stosunkowo niskich kosztach) i niemal zerowe koszty eksploatacji. Obowiązkowe, biorąc pod uwagę faktyczne wyłączenie części amortyzacji poprzez UST i VAT w istniejącym systemie podatkowym. Ponieważ może to być niezwykle ważny czynnik ekonomiczny (tj. Część amortyzacji pozostaje bezpośrednio do Twojej dyspozycji, ponieważ nie jest wykorzystywana).
Minimalne koszty i czas przygotowania lokalu i uruchomienia. Podczas procesu uruchamiania laser światłowodowy nazywany jest „instalacją”.
Laser światłowodowy, jego niesamowita wszechstronność jako źródła lasera. Z reguły laser światłowodowy jest przykładem źródła „czystej” energii wiązki, więc praktycznie nie ma w nim specyfiki technologicznej, to znaczy podczas dywersyfikacji lub innej restrukturyzacji produkcji laser światłowodowy można przeorientować z jednego technologicznego proces do innego. Takie źródło można nawet nazwać (z zastrzeżeniami) nawet płynem, w tym sensie, że zachowuje wartość i wartość samą w sobie. Od tego momentu zaczynają się rozwijać niektóre usługi wymiany i leasingu laserów (w tej sprawie najlepiej kontaktować się bezpośrednio z producentem).
Laser światłowodowy, jego główne cechy:
Prawdopodobieństwo wzrostu mocy. Możesz kupić laser światłowodowy z marginesem projektowym, na przykład, gdy jest dostarczany o mocy 700 W, a następnie po prostu kupić specjalne jednostki pompujące, zwiększając w ten sposób moc na przykład do 2400 W. Jednocześnie w systemie produkcyjnym (proces instalowania dodatkowych bloków trwa nie dłużej niż 3 godziny) praktycznie nie ma potrzeby niczego zmieniać. Pozwala to znacznie zmniejszyć początkowe inwestycje kapitałowe, a także zwiększyć produktywność w momencie niezbędnym dla Twojej produkcji.
Transport promieniowania bezpośrednio kablem optycznym o długości od 10 do 100 metrów znacznie upraszcza projektowanie i rozmieszczenie układów technologicznych jako całości. Można zastosować ogromną gamę robotyki przemysłowej. Warto zaznaczyć, że do niektórych zadań produkcyjnych potrzebne są jedynie 3 komponenty, czyli laser światłowodowy/głowica procesowa/robot przemysłowy. Oczywiście w przypadku braku doświadczenia nadal będą potrzebne usługi firmy integratorskiej, ale całkowite koszty organizacji konkretnego systemu produkcyjnego zostaną znacznie obniżone.
Laser światłowodowy to wielofunkcyjny i wielozadaniowy obszar technologiczny pozwalający na maksymalne obciążenie źródła lasera. Oczywiście nie jest to tak proste, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, ale jest całkiem możliwe. Ze względu na znaczenie tego prawdopodobieństwa omówimy je dalej.
Pytanie do specjalistów i personelu w ogóle. Laser światłowodowy eliminuje konieczność utrzymywania przez firmę całej kadry specjalistów posiadających wiedzę z zakresu optyki, układów próżniowych i wyładowań elektrycznych. Do obsługi lasera światłowodowego nie potrzeba nic, gdyż szkolenie operatora trwa nie dłużej niż 1 tydzień. Oczywiście nie zwolni to przedsiębiorstwa z zapotrzebowania na kompetentnych technologów, ale to kolejna kwestia, która nie ma absolutnie nic wspólnego z samym laserem. Całkiem możliwe jest wykorzystanie istniejącej kadry i jednocześnie osiągnięcie wyższego poziomu efektywności operacyjnej.
Laser światłowodowy, jego podstawowe technologie:
Te 7 punktów same w sobie mogą wzbudzić duże zainteresowanie nowym, nowoczesnym sprzętem. Aby wzmocnić efekt, należy wymienić kilka podstawowych technologii:
- cięcie laserowe metali. Mówimy tu nie tylko o klasycznym cięciu blach, ale także o bardzo wolumetrycznym cięciu np. z wykorzystaniem robotów przemysłowych;
- perforacja laserowa (elementy filtracyjne, siatki);
- spawanie laserowe. Przede wszystkim jest to wysokowydajne zgrzewanie doczołowe bez stosowania preparatów krawędziowych i materiałów wypełniających. Ale dzisiaj technolodzy dość szybko opracowują procesy hybrydowe, czyli połączone schematy spawania łączące wiązkę lasera i odpowiednio łuk elektryczny;
- hartowanie laserowe (obróbka cieplna) to proces, który zapewnia miejscowe utwardzanie określonych fragmentów części bez znaczącego efektu termicznego na część;1
- napawanie laserowe jest analogiem działania napawania łukowego, charakteryzującym się dużą lokalnością i dokładnością;
- laserowe czyszczenie powłok i zabrudzeń. Najbardziej ekologiczna metoda czyszczenia, a jednocześnie bezdotykowa, mogąca konkurować z technologiami masowymi, takimi jak piaskowanie.
Przechodząc od razu do aspektów ekonomicznych warto zaznaczyć, że laser światłowodowy i jego układ są obecnie o rząd wielkości droższe od klasycznych laserów CO2 i dlatego cena samego lasera stanowi zazwyczaj znaczną część całego systemu technologicznego .
Laser światłowodowy, w jego minimalnym zestawie znajdują się: sprzęt przeznaczony do wykonywania operacji technologicznej z użyciem lasera obejmuje:
- laser światłowodowy musi mieć określony koszt rub./kW;
- laser światłowodowy posiada specjalną głowicę do obróbki laserowej, która generuje strumień promieniowania, a także przepływy innych substancji bezpośrednio w strefie obróbki;
- manipulator (robot) do przesuwania produktu lub głowicy lasera, a także do ogólnej i dokładnej kontroli procesu. Jeśli użyjesz gotowego i uniwersalnego lasera światłowodowego, koszty będą bezpośrednio zależeć od konfiguracji i oczywiście marki.
Laser światłowodowy, jego minimalny zestaw dla laserowego układu technologicznego to: 1 – laser, 2 – głowica technologiczna, 3 – kabel optyczny, 4 – manipulator.
Zatem dla układu technologicznego o mocy 1000 W podstawowa kwota kosztów kapitałowych wyniesie około 6 milionów rubli. RF. Tak naprawdę to nie wszystkie koszty, gdyż trzeba wziąć pod uwagę także koszty oprogramowania, integracji, przygotowania lokalu i produkcji. Dlatego dla uproszczenia obliczeń najrozsądniej byłoby przyjąć, że koszt całej inwestycji - lasera światłowodowego - wyniesie w przybliżeniu 2 ceny. Podobny udział obserwuje się zwłaszcza w przypadku maszyn laserowych przeznaczonych do cięcia metalu. Laser światłowodowy ma moc 2000 W. Ceny wahają się od 12 do 14 milionów rubli rosyjskich. Jednocześnie sprzęt do cięcia laserowego jest dość dużym złożonym systemem o dużych wymiarach. Jednak dzięki seryjnej produkcji i standardowej, sprawdzonej technologii cena jest zauważalnie obniżona.
W innych procesach technologicznych (na przykład spawanie, hartowanie) kompleks takiego sprzętu może być znacznie prostszy, ale tutaj warto wziąć pod uwagę, że na tym etapie takie technologie wcale nie są pakowane w standardowe kompleksy seryjne (to znaczy w tym przypadku będą koszty technologii i inżynierii, i to bardzo znaczące). Dlatego też współczynnik x2 dla szerokiej klasy zastosowań o średnim stopniu automatyzacji (tj. proces przetwarzania jest automatyczny, a załadunek i rozładunek półautomatyczny lub ręczny) może być uzasadniony.
Ekonomika technologii laserowej poprzez analizę 2 testowych problemów produkcyjnych
Rozważmy pierwszy problem produkcyjny dotyczący lasera światłowodowego:
Zatem jako pierwsze zadanie testowe rozważmy masową produkcję części o geometrii cylindrycznej, w której konieczne jest zespawanie 2 półczęści w jeden (solidny) uszczelniony korpus. Jest to standardowe zadanie przy produkcji różnego rodzaju filtrów. Stal ma grubość 0,5-1 mm, a średnia średnica produktu wynosi 60 mm. Celem problemu jest maksymalna wielkość produkcji przy minimalnych kosztach produktu.
Sam system produkcyjny jest syntetyzowany niemal automatycznie do tego zadania. Do szybkiego spawania laserowego takiego produktu potrzebny jest laser światłowodowy o mocy około 700 W (czyli prędkość spawania liniowego wynosi około 50 mm/s), potrzebna jest w miarę prosta głowica spawalnicza, rotator produktu (automatyczny) i odpowiednio system załadunku i rozładunku detali. Do systemu załadunku można zastosować prosty podajnik tackowy. W przypadku lasera światłowodowego zakłada się, że produkty przeznaczone do spawania zostały już wstępnie zmontowane przez pracowników. Jednakże, w zależności od poziomu jakości samych detali (kalibracja wielkości), może być konieczny system korekcji połączenia produktów - położenie głowicy spawalniczej. Ogólnie rzecz biorąc, koszt opracowania i odpowiednio wyprodukowania tak dość prostego systemu wynosi około 5 milionów rubli.
Po przedstawionym tekście możemy wyciągnąć mały wniosek:
- Parametry ekonomiczne systemu znacznie się pogarszają wraz ze spadkiem poziomu obciążenia sprzętu i oczywiście personelu: w przypadku wyprodukowania na przykład 10% produktów/części z maksymalnego procesu produkcyjnego, koszt wzrośnie po prostu 10-krotnie. Zatem w obu przypadkach dość drogi sprzęt jest niewykorzystany, w związku z czym personel pozostaje bezczynny.
- Pod względem kosztów rezygnacja z automatyzacji również nic nie daje: przejście na niezautomatyzowane procesy technologiczne również spowoduje wzrost kosztów produktów, i to gwałtownie. Stanie się tak na skutek ogólnego spadku wydajności pracy.
- Zastosowanie technologii laserowej pozwala „wygrać” jedynie przy maksymalnym (lub przynajmniej zbliżonym do maksymalnego) obciążeniu systemu produkcyjnego i jest bezpośrednio korzystne dla warunków samej produkcji, i to na dużą skalę. Przy tego typu produkcjach niezwykle istotna jest wysoka jakość procesu obróbki laserowej (tj. powtarzalność i stabilność).
Oczywiste jest, że w przypadku zastosowań na dużą skalę zwrot kosztów spawania laserem światłowodowym może być dość szybki ze względu na gwałtowny wzrost ogólnej produktywności.
Rozważmy drugi problem produkcyjny dotyczący lasera światłowodowego:
Z reguły wiele realnych przedsiębiorstw charakteryzuje się znacznie niższą produkcją seryjną, dlatego problem ładowania źródła lasera będzie stale pojawiał się.
Na przykład pewne przedsiębiorstwo wytwarza złożony produkt, który składa się z cylindrycznego korpusu i należy do niego przyspawać pokrywę z mocnym elementem mocującym, a także 2 elementy muszą być przyspawane bezpośrednio do samej pokrywy. Wewnątrz takiego produktu znajduje się również pręt pracujący w trybie ścieralnym, dlatego wymagający wzmocnienia, a także filtr cieczy, wykonany w formie pierścienia, do którego przylutowana jest metalowa siatka. Szacunkowa produkcja seryjna tego typu wyrobów to 100 000 sztuk rocznie.
W typowej podstawowej technologii wytwarzania wyrobów stosuje się następujące procesy technologiczne:
- produkcja odkuwek przeznaczonych na głowę z okiem;
- kompleksowa zmechanizowana obróbka odkuwek;
- wycinanie otworów (kilka) w korpusie metodą mechaniczną;
- spawanie niezbędnych części w otworach;
- spawanie głowicy do korpusu jest łukiem ręcznym; występuje duży odsetek defektów, których przyczyną są między innymi naruszenia geometrii (tj. przesunięcie osi głowicy i osi cylindra);
- hartowanie objętościowe pręta, chromowanie i szlifowanie;
- cięcie siatki pierścieniowej;
- późniejsze lutowanie siatki wzdłuż konturów zewnętrznych i wewnętrznych (proces dość trudny do zautomatyzowania i charakteryzujący się dużą liczbą defektów).
Produkt tego zadania badawczego: 1 – korpus, 2 – pokrywa, 3 – część spawana, 4 – pierścień z otworami, 5 – siatka filtracyjna. Laser światłowodowy:
Czy istnieje możliwość wykorzystania lasera światłowodowego do wykonania lub uproszczenia procesu technologicznego przy wytwarzaniu takiego produktu? Istota pomysłu jest następująca: wykorzystać laser światłowodowy bezpośrednio w trybie podziału czasu, ładując w ten sposób jego zasoby różnymi operacjami. Z technicznego punktu widzenia taka możliwość istnieje, ale techniczne aspekty tego omówimy pod koniec historii.
Na podstawie parametrów technologii laserowej lasera światłowodowego z bazy szacujemy przede wszystkim, że będziemy potrzebować źródła lasera o mocy 1500 W. Jest to oczywiście minimalna moc potrzebna do niezawodnego zespawania elementów. Ponieważ planowane jest wielofunkcyjne zastosowanie lasera, cena sprzętu robotycznego z reguły powinna być wyższa.
Należy także wspomnieć o niezwykle ważnej integralnej przewadze: wzrost poziomu jakości produktów jest niezwykle ważnym i znaczącym czynnikiem konkurencyjnym bezpośrednio na rynku sprzedaży, co pozwala nam zajmować jego znaczną część.
Na szczególne podkreślenie zasługuje fakt, że laser światłowodowy i jego użyteczność wszystkich planowanych procesów technologicznych przy jego zastosowaniu zostały już poddane odpowiednim badaniom i dostępne są wstępne dane eksperymentalne dotyczące tych procesów.
Zatem: laser światłowodowy, jego kompleksowe wykorzystanie zestawu technologii laserowych może całkiem realistycznie dać dość duży efekt ogólny, ale tylko pod warunkiem, że sprzęt laserowy jest w pełni obciążony!
Koszt opcji produkcji laserowej jest obliczany tylko przy niedoszacowanym koszcie przedsiębiorstwa przemysłowego, ale uczciwe obliczenie kosztu minuty wyraźnie pokazuje, że margines rentowności takiego projektu jest tak duży i oczywisty, że jest on znacznie opłacalny nawet z wysokimi kosztami ogólnymi - i to jest fakt!
Na uwagę zasługuje także laser światłowodowy: projektant układu laserowego może zaproponować podzielenie funkcjonalności technologicznej na 2 zespoły laserowe asymetrycznie (czyli nie po równo) – pierwszy kompleks laserowy wykonuje wyłącznie wycinanie otworów i prace spawalnicze, natomiast drugi wykonuje pozostałe operacje wytwarzania filtrów i hartowania prętów. Lub może pozostawić tylko pierwszy kompleks, który wykonuje operacje na dwóch pierwszych czynnikach, ze względu na ich główny wkład w rentowność projektu jako całości. Laser światłowodowy, decyzje te z pewnością będą pod wieloma względami determinowane kwestiami technicznymi, a mianowicie pytaniami: „Jak dokładnie realizowana jest wielofunkcyjność?” - „Czy to naprawdę jest technicznie możliwe do wdrożenia?” - „Do jakich bezpośrednich problemów może to prowadzić?” Rozważmy opcje i możliwości.
Laser światłowodowy i jego zastosowania:
Wykorzystanie do powierzonego zadania testowego robota z głowicą laserową umieszczoną na manipulatorze jest rozwiązaniem w pełni udanym. Przede wszystkim robot jest w stanie automatycznie przyspawać pierścień do pokrywy głównej ze wszystkich 4 stron przy minimalnym czasie spędzonym na przejściach, a podczas produkcji elementarnego pozycjonera obrotowego produktu z demontażem i ręcznym montażem, strata czasu bezpośrednio na załadunek i rozładunek również zostaną zminimalizowane. Dotyczy to oczywiście również innych operacji cięcia i spawania.
Zastosowanie robotów uniwersalnych ma tę zaletę, że praktycznie eliminuje koszty projektowania, a następnie wytwarzania niestandardowych urządzeń i oprzyrządowania technologicznego. Ponieważ główny ciężar szkolenia produkcyjnego spada właśnie na przygotowanie określonych programów dla robota, czyli jego wydajność.
KORZYSTANIE Z WIELU STRON.
Rozwiązanie to wymaga opracowania osobnego stanowiska technologicznego dla absolutnie wszystkich operacji technologicznych, które wyposażone jest w wysoce funkcjonalny manipulator. Po zakończeniu danej operacji głowica laserowa połączona kablem optycznym z laserem jest ponownie instalowana na innym stanowisku technologicznym i odpowiednio dostosowywana do kolejnej operacji wykonywanej na tej samej lub innej partii produktów.
Po zakończeniu danej operacji laser światłowodowy, którego głowica laserowa połączona kablem optycznym z laserem, zostaje ponownie zainstalowana na innym stanowisku technologicznym, dostosowanym do innej operacji i poddawana jest innej operacji, wykonywanej na tym samym lub innym partia produktów.
Laser światłowodowy Niestety nie jest jeszcze możliwe posiadanie osobistych głowic technologicznych lasera w różnych pozycjach. Ponieważ odłączanie od głowicy kabla optycznego w warunkach warsztatowych jest surowo zabronione ze względu na zapylenie, ponieważ najmniejsza cząstka kurzu ze światłowodu, gdy dotrze do wyjścia optycznego, z reguły prowadzi do nieodwracalnego zniszczenia tego wyjścia. Rozwiązanie tego problemu z niecierpliwością czekają wszystkie przedsiębiorstwa dysponujące podobnym sprzętem i być może w najbliższej przyszłości uda się je znaleźć.
ZASTOSOWANIE MULTIPLEKSERÓW OPTYCZNYCH
Nowa funkcja, obecnie rzadko używana. Jego główna istota jest następująca: można zakupić pewien specjalny wyłącznik wiązki laserowej, który swoim wejściem łączy się z laserem, a na poszczególnych stanowiskach kilkoma wyjściami z głowicami procesowymi. Przełączanie promieniowania pomiędzy stacjami następuje dość szybko, a taki system może zminimalizować straty czasu na zmianę produktów i przejścia technologiczne.
Aby to zrobić, system najwyższego poziomu musi zapewniać funkcje dyspozytorskie, a także dystrybuować zasoby źródła laserowego bezpośrednio zgodnie z żądaniami tych stanowisk technologicznych. Ponieważ w obliczeniach formacji założyliśmy, że czas załadunku i rozładunku jest co najmniej równy czasowi operacji, w tym przypadku przy zastosowaniu takiego multipleksera wystarczy tylko jeden laser, aby zrealizować program testowy dla produkcji około 100 000 sztuk produkty.
Koszt takiego multipleksera wynosi około 1-2 miliony rubli. Dodatkowo należy zaznaczyć, że laser światłowodowy można zamówić z wbudowanym multiplekserem posiadającym kilka wyjść.
Być może jedyną wadą jest to, że multiplekser nieznacznie pogarsza jakość promieniowania (tzn. na wyjściu trzeba zastosować włókno o znacznie większym przekroju), ale ma to krytyczne znaczenie tylko przy cięciu laserem. Laser światłowodowy, jego podobny system jest najbardziej optymalny i celowy. W przypadku multipleksera dodatkowe koszty inwestycyjne są wielokrotnie rekompensowane dzięki poziomowi obciążenia lasera.
A więc: 1 – laser, 2 – przełącznik optyczny, 3 – głowice (technologiczne), 4 – stanowiska technologiczne, 5 – centralny układ sterowania.
Kolejna ważna kwestia związana z uniwersalnością samych głowic laserowych: Jeśli planujesz zastosować robota przemysłowego lub obszar wielostanowiskowy, to głowica laserowa musi posiadać cechę uniwersalności (czyli móc wykonywać różne procesy technologiczne) . Dziś zachodni producenci nie produkują takich głów!
Jednak taki sprzęt już istnieje: wkrótce rozpocznie się masowa produkcja - uniwersalnej głowicy przestrajalnej, która może wykonać cały podstawowy zakres operacji technologicznych z wykorzystaniem promieniowania lasera światłowodowego (spawanie, cięcie, hartowanie, perforowanie). Dostosowanie głowicy do określonej pracy odbywa się zarówno poprzez automatyczną konwersję układu optycznego, jak i poprzez wymienną końcówkę technologiczną (czyli jej wymianę), która mocowana jest na zasadzie znanego zawieszenia magnetycznego.
Laser światłowodowy, jego zalety:
Szacunki wskazują, że laser światłowodowy ma znaczny potencjał ekonomiczny.
- Wysoka rentowność projektów laserów światłowodowych opartych na nowoczesnych laserach jest zapewniona wyłącznie przy maksymalnym obciążeniu sprzętu, czyli ze względu na dość dużą niezawodność i unikalne zasoby nowych laserów, jest to technicznie możliwe.
- Wielofunkcyjne obszary technologiczne korzystające z zasobu źródła laserowego mogą mieć całkiem znaczącą przyszłość.
- Pomimo znacznych inwestycji kapitałowych, zwrot nakładów na sprzęt laserowy i ogólnie na laserowe systemy technologiczne może być bardzo, bardzo szybki, nawet do 1-1,5 roku.
Laser światłowodowy to laser o całkowicie lub częściowo światłowodowej konstrukcji, w którym ośrodek wzmacniający i, w niektórych przypadkach, rezonator są wykonane ze światłowodu.
Laser światłowodowy to laser z całkowicie lub częściowo światłowodową implementacją, gdzie światłowód A medium wzmacniające i, w niektórych przypadkach, rezonator. W zależności od stopnia wykorzystania światłowodu, laser może być całkowicie włóknisty (ośrodek aktywny i rezonator) lub dyskretny (rezonator tylko włókno lub inne elementy).
Lasery światłowodowe mogą pracować w trybie fali ciągłej, a także impulsów impulsowych nano- i femtosekundowych.
Projekt laser zależy od specyfiki ich pracy. Rezonatorem może być układ Fabry-Perot lub rezonator pierścieniowy. W większości konstrukcji jako ośrodek aktywny wykorzystuje się światłowód domieszkowany jonami pierwiastków ziem rzadkich – tulu, erbu, neodymu, iterbu, prazeodymu. Laser jest pompowany za pomocą jednej lub więcej diod laserowych bezpośrednio do rdzenia światłowodu lub, w systemach dużej mocy, do wewnętrznego płaszcza.
Lasery światłowodowe są szeroko stosowane ze względu na szeroki dobór parametrów i możliwość dostosowania impulsu w szerokim zakresie czasu trwania, częstotliwości i mocy.
Moc laserów światłowodowych wynosi od 1 W do 30 kW. Długość światłowodu – do 20 m.
Zastosowania laserów światłowodowych:
– ciąć metale i polimery w produkcji przemysłowej,
– precyzyjne cięcie,
– mikroprzetwarzanie metale i polimery,
– obróbka powierzchniowa,
– lutowanie,
– obróbka cieplna,
– etykietowanie produktów,
– telekomunikacja (światłowodowe linie komunikacyjne),
– produkcja elektroniki,
– produkcja wyrobów medycznych,
– instrumentarium naukowe.
Zalety laserów światłowodowych:
– lasery światłowodowe to unikalne narzędzie, które otwiera nową erę w obróbce materiałów,
– przenośność i możliwość doboru długości fali laserów światłowodowych pozwalają na nowe efektywne zastosowania, niedostępne dla innych typów obecnie istniejących laserów,
– przewyższają inne typy laserów niemal wszystkimi istotnymi parametrami istotnymi z punktu widzenia ich przemysłowego zastosowania,
– możliwość dostosowania impulsu w szerokim zakresie czasu trwania, częstotliwości i mocy,
– możliwość ustawienia sekwencji krótkich impulsów o wymaganej częstotliwości i dużej mocy szczytowej, która jest niezbędna np. przy grawerowaniu laserowym,
– szeroki wybór parametrów.
Porównanie różnych typów laserów:
| Parametr | Wymagane do zastosowań przemysłowych | CO2 | Pompowane lampą YAG-Nd | Pompowany diodą YAG-Nd | Lasery diodowe | |
| Moc wyjściowa, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Długość fali, µm | jak najmniej | 10,6 | 1,064 | 1.064 lub 1.03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Efektywność, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Zakres dostarczania promieniowania światłowodowego | 10…300 | nieobecny | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Stabilność mocy wyjściowej | tak wysoko, jak to możliwe | Niski | Niski | Niski | wysoki | bardzo wysoko |
| Czułość odbicia wstecznego | tak nisko, jak to możliwe | wysoki | wysoki | wysoki | Niski | Niski |
| Zajmowana powierzchnia, mkw | jak najmniej | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Koszt instalacji, jednostki względne | jak najmniej | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Koszt eksploatacji, jednostki rel | jak najmniej | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Koszt utrzymania, jednostki rel | jak najmniej | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Częstotliwość wymiany lamp lub diod laserowych, godz. | tak dużo jak to możliwe | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
Laser iterbowy 2000w cw opto raycus pulsacyjny laser iterbowy 50w 100kw kup producenta
lasery światłowodowe na ciele stałym
sklejka do cięcia metalu niesamowite tryby grawerowania Cernark głębokiego grawerowania za pomocą lasera światłowodowego
urządzenie laserowe z włóknem iterbowym
maszyna światłowodowa sprzedaje laser
zasada działania produkcja Fryazino 1,65 mikrona technologia iterb cena zakupu ipg hp 1 optyka do cięcia metalu grawerowanie impuls zasada działania maszyna optyka zastosowania moc zrób to sam schemat urządzenia długość fali spawanie producent tnie falami
Czynnik popytu 902
Przez lasery światłowodowe rozumie się optycznie pompowane lasery na ciele stałym, których elementem aktywnym jest światłowodowy światłowód z dodatkami aktywatorów laserowych. Najbardziej obiecujące dla systemów światłowodowych są lasery oparte na włóknach aktywowanych jonami neodymu, posiadające dwie główne linie laserowe o środkowych długościach fal µm i µm, leżące w zakresie widmowym, w którym straty i rozproszenie światła we włóknach kwarcowych są minimalne.
Ryż. 4.11. Zależność długości sekcji przekaźnika od szybkości transmisji informacji dla światłowodu schodkowego z tłumieniem dla mikronów:
1 - dla diody laserowej (charakterystyczny spadek przekroju BC wynika z dyspersji międzymodowej) 2 - dla diody sbeto-emisyjnej (charakterystyczny spadek wynika z szerokiego widma diody w przekroju, a dodatkowo spadek charakterystyki częstotliwościowej w przekroju)
Charakterystyki widmowe wzmocnienia neodymu są praktycznie niezależne od warunków zewnętrznych; dryft temperaturowy długości fali odpowiadającej maksymalnemu wzmocnieniu jonów neodymu jest równy, natomiast dla mediów półprzewodnikowych parametr ten wynosi. Konstrukcja światłowodu emitera pozwala na zastosowanie standardowych złączy do skutecznie wprowadzają promieniowanie do światłowodów, w tym i jednomodowych.
Pomimo tych zalet i, jak zostanie pokazane poniżej, szerokiej funkcjonalności, lasery światłowodowe nie wyszły jeszcze z etapu badań. Wyjaśnia to fakt, że przy tworzeniu systemów światłowodowych wiele problemów rozwiązano za pomocą dobrze opracowanych emiterów półprzewodnikowych, zwłaszcza w wdrażanych w pierwszej kolejności dość prostych układach, w których decydującą rolę odgrywa jedna z głównych zalet źródeł półprzewodnikowych - możliwość bezpośredniej modulacji natężenia promieniowania prądem pompy. W laserach na ciele stałym, zwłaszcza w laserach opartych na ośrodkach aktywowanych neodymem, szybka modulacja natężenia promieniowania poprzez zmianę mocy pompy jest zasadniczo niemożliwa ze względu na stosunkowo długi czas relaksacji wzdłużnej. Brak możliwości szybkiego „włączenia” odwróconej populacji ogranicza częstotliwości modulacji bezpośredniej do wartości Hz. Rozwój systemów światłowodowych, szczególnie obiecujących systemów najbliższej przyszłości o spójnym odbiorze i wielokanałowym widmie
zagęszczanie stymuluje rozwój laserów światłowodowych, które można wykorzystać nie tylko jako generatory, ale także jako wzmacniacze światła.
Istniejące konstrukcje laserów światłowodowych można podzielić na trzy grupy. Lasery światłowodowe pierwszej grupy wykorzystują wiązki kilku długich włókien i mocne pompowanie za pomocą pulsacyjnych lamp wyładowczych. Dodatnie sprzężenie zwrotne w takich strukturach powstaje w wyniku odbicia światła od końców włókien i rozproszenia wstecznego na mikrozagięciach i niejednorodnościach.
Ryż. 4.12. Konstrukcje laserów światłowodowych: a - z pompowaniem końcowym; b - z poprzecznym pompowaniem dla włókien o małej średnicy, c - z bezpośrednim układaniem włókien na linijce - platforma emitująca - zwierciadło rezonatora laserowego, przezroczyste dla promieniowania, 13 - włókno aktywne, 5 - zwierciadło rezonatora; 6 - klej optyczny, 8 - reflektor, 9 - cylinder szklany, 10, 12 - grzejniki; 11, 14 - Linie LED
Pompowanie rurowe umożliwia osiągnięcie wysokich zysków w jednym przebiegu, wymaga jednak stosowania wymuszonych układów chłodzenia cieczą i nieporęcznych zasilaczy, co najwyraźniej sprawia, że tworzenie urządzeń o małych rozmiarach jest nierealne. Pewne perspektywy w tym sensie może wiązać się z zastosowaniem mikrolamp wyładowczych. Do zalet konstrukcji zasilanych lampami należy możliwość wykorzystania ich jako wzmacniaczy optycznych fali bieżącej i wzmacniaczy regeneracyjnych o dość dużym wzmocnieniu (~30-40 dB).
Druga grupa konstrukcji laserów światłowodowych wykorzystuje krótkie odcinki włókien monokrystalicznych i szklanych domieszkowanych jonami neodymu. Pompowanie odbywa się przez końcówkę światłowodu za pomocą lasera półprzewodnikowego lub diody LED. Wystarczająco wysoką wydajność pompy uzyskuje się poprzez dopasowanie widma emisyjnego emitera półprzewodnikowego na bazie GaAlAs GVD z jedną z intensywnych linii absorpcyjnych neodymu o środkowej długości fali około
0,81 µm. Konstrukcję laserów światłowodowych drugiej grupy pokazano schematycznie na ryc. 4.12, o. Ze względu na małe wzmocnienie ośrodka aktywnego powstaje wnęka lasera
lustra dielektryczne o wysokim współczynniku odbicia. Taką konstrukcję posiadają lasery bazujące na włóknach monokrystalicznych z granatu itrowo-aluminiowego z neodymem i włóknach kwarcu szklanego z neodymem. Istnieją doniesienia o generacji z pompowaniem końcowym laserem kryptonowym we włóknie krystalicznym oraz z pompowaniem laserem argonowym we włóknie rubinowym. Najlepsze wyniki uzyskano przy zastosowaniu kryształu o geometrii włókna o długości 0,5 cm i 80 μm średnicy. Rezonator zewnętrzny (ryc. 4.12, a) został utworzony przez lustra z powłoką dielektryczną, z których jedno miało współczynnik odbicia promieniowania laserowego w mikronach i tylko dla promieniowania pompy, drugie lustro o tym samym wysokim współczynniku odbicia promieniowania laserowego odbijało pompę świeciło całkiem dobrze. Zwierciadła znajdowały się niemal blisko końcówek światłowodu. Pompowanie odbywało się za pomocą powierzchniowej diody LED o średnicy obszaru emitującego 85 µm. Moc progowa pompy wynosiła
Głównymi zaletami laserów światłowodowych tej konstrukcji jest niski pobór mocy i gabaryty. Główne wady: końcowy obwód pompujący nie pozwala na użycie segmentów światłowodowych o długości większej niż 1 cm, co ogranicza moc wyjściową. Ponadto technologia produkcji i ustawiania tych laserów jest złożona, a obecność diody LED pompy na jednym z końców komplikuje wykorzystanie lasera jako wzmacniacza sygnału optycznego.
Wieloobrotowe lasery światłowodowe z poprzecznym pompowaniem za pomocą prętów LED (ryc. przedstawia konstrukcje z trzeciej grupy. Na pasku LED znajduje się kilka zwojów włókna szklanego, którego rdzeń jest aktywowany jonami neodymu. Konstrukcja w pewnym stopniu łączy w sobie zalety laserów światłowodowych pierwszej i drugiej grupy i jest pozbawiony większości ich wad. Zastosowanie emiterów półprzewodnikowych jako źródeł pomp sprawia, że takie systemy są dość małe, dzięki zastosowaniu poprzecznego schematu pompowania i długich odcinków włókien możliwe jest uzyskanie dość dużego wzmocnienia w jednym przejściu. Ze względu na małą średnicę włókien optycznych w układzie pompowanym poprzecznie, skuteczne jest zastosowanie włókien szklanych o wysokim stężeniu jonów, a co za tym idzie, o wysokim współczynniku absorpcji Takie właściwości mają włókna wykonane z ultrafosforanów neodymu. Wieloobrotowe umieszczanie włókien na liniach LED można przeprowadzić na różne sposoby. W ten sposób kawałek włókna jest wielokrotnie przeciągany przez szklany cylinder o średnicy około 1 mm (ryc. 4.12, b), na którego zewnętrznej powierzchni nałożona jest powłoka odblaskowa
zwiększenie efektywności wykorzystania promieniowania pompy. Metoda ta jest preferowana w przypadku włókien o małej średnicy zewnętrznej (µm). Włókna o większej średnicy można układać na linii LED zakręt po zakręcie (ryc. 4.12, c). Obie konstrukcje mogą być używane jako wzmacniacze optyczne z falą bieżącą, przy czym jeden koniec światłowodu stanowi wejście wzmacniacza, a drugi wyjście. Nałożenie powłok lustrzanych na końcówki włókien umożliwia laserowanie rezonatorem światłowodowym Fabry-Perot.
O cechach procesów laserowych w aktywnych światłowodach decyduje obecność specyficznej generacji lasera przy braku dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Ryż. 4.13. Światłowód światłowodowy: a - z rdzeniem aktywnym i płaszczem pasywnym; b - z rdzeniem pasywnym i powłoką aktywną (2)
Na tym polega główna różnica między laserami światłowodowymi a laserami opartymi na wolumetrycznych elementach aktywnych. Aby wyjaśnić istotę tego procesu, który jest zbliżony do reżimu superluminescencji w półprzewodnikowych diodach LED, rozważmy elementarną sekcję światłowodu, w której tworzona jest odwrócona populacja (ryc. 4.13, a). Emisja spontaniczna zachodzi z równym prawdopodobieństwem we wszystkich kierunkach, ale promieniowanie skupione w dwóch stożkach kątów mających wspólną z włóknem oś i określonych przez kąt otwarcia równy 20° nie opuszcza rdzenia. Tutaj
gdzie są odpowiednio współczynniki załamania rdzenia i płaszcza Promieniowanie to wzbudza naturalne oscylacje (mody) światłowodu, które są wzmacniane przez emisję wymuszoną podczas propagacji wzdłuż włókna w prawo i w lewo (ryc. 4.13, a). Ten sam obraz można zaobserwować dla każdego innego elementarnego odcinka aktywnego rdzenia światłowodowego. Na wyjściu takiego światłowodowego źródła światła rozbieżność promieniowania jest w przybliżeniu określona przez aperturę numeryczną światłowodu
Dopóki natężenie fal świetlnych propagujących ku sobie w aktywnym światłowodzie jest znacznie mniejsze od wartości nasycającej wzmocnienie, to przeciwbieżne fale, podobnie jak energie przenoszone przez różne mody światłowodu, są niezależne. W tych warunkach proces wzmacniania emisji spontanicznej na skutek emisji wymuszonej opisuje się znanymi równaniami wzmacniacza laserowego bez nasycenia i uwzględniającymi emisję spontaniczną. Widmowa gęstość mocy promieniowania w jednym trybie na wyjściu aktywnego odcinka długości światłowodu (ryc. 4.13, a) jest równa
Oto stała Plancka; - częstotliwość drgań świetlnych; - populacje górnego i dolnego poziomu lasera; - zysk na jednostkę długości, gdzie jest współczynnikiem Einsteina dla wymuszonego przejścia; - znormalizowany kształt linii wzmocnienia widmowego; c jest prędkością światła. Maksymalna generowana moc może być ograniczona albo długością światłowodu, albo – jak w przypadku laserów z rezonatorami – nasyceniem. Naturalnie podczas procesu wzmacniania widmo generacji zawęża się w porównaniu do widma luminescencji ze względu na większe wzmocnienie składowych widmowych w środku linii. Szerokość widma zależy od wzmocnienia i kształtu, a widmo emisji jest ciągłe ze względu na brak rezonatora.
Konkretny rozważany proces lasera światłowodowego ma trzy istotne aspekty.
1. Światłowód z włókna aktywnego może służyć jako źródło światła bez rezonatora optycznego.
2. Tworząc lasery światłowodowe z wykorzystaniem tradycyjnej konstrukcji wnękowej należy wziąć pod uwagę, że rozważany proces może doprowadzić do uzyskania nasycenia w jednym przejściu, w wyniku czego sprzężenie zwrotne straci swoje znaczenie. W takim przypadku wartości i należy dobrać tak, aby były dalekie od wartości nasycającej wzmocnienie.
3. We wzmacniaczach światłowodowych głównym źródłem szumu jest powstawanie światła w wyniku omawianego procesu. Gęstość widmowa mocy szumów w jednym trybie, przeliczona na wejście wzmacniacza, zgodnie ze wzorem (4.12), jest równa
W systemie czteropoziomowym, takim jak obwód poziomu lasera neodymowego, zwykle przy dużych wzmocnieniach
We wzmacniaczach wolumetrycznych szum wzmocnionej emisji spontanicznej od dawna uważany jest za zasadniczo nieusuwalny (patrz np. Praca), jednak we wzmacniaczach światłowodowych jego poziom można znacznie zmniejszyć, stosując światłowód pokazany na ryc. 4.13, 6. Światłowód jednomodowy, którego rdzeń wykonany jest np. ze szkła kwarcowego z dodatkiem zwiększającym współczynnik załamania światła, posiada płaszcz ze szkła aktywowanego jonami neodymu. Utworzenie odwrotnej populacji w płaszczu prowadzi do wzmocnienia trybu rdzenia z efektywnym wzmocnieniem
gdzie jest zysk w powłoce; - część mocy trybu rdzenia, która rozchodzi się w płaszczu; P to całkowita moc przenoszona w tym trybie. Stosunek zmienia się z 0,99 na 0,1, gdy parametr światłowodu zmienia się z 0,6 na 2,4048. Kiedy rdzeń zaczyna skutecznie kierować modem głównym, lokalizując swoje pole blisko siebie, następuje wzbudzenie drugiego modu. Wzór otrzymano analogicznie jak wyrażenie na współczynnik tłumienia światłowodu z płaszczem, w którym występują straty promieniowania gorszej jakości od włókien. Istotnymi wadami tego pierwszego są niestabilność temperaturowa linii wzmacniającej (dla mikronów), znaczne straty przy łączeniu światłowodów jednomodowych z planarnym światłowodem wzmacniacza oraz wysoki poziom mocy szumowej - promieniowanie superluminescencyjne.
Lasery światłowodowe otwierają możliwość tworzenia nowych typów FOD. Element czuły, jakim jest światłowód światłowodowy, stanowi tutaj część pierścienia światłowodowego lub liniowego rezonatora laserowego.
Ryż. 4.14. Lasery światłowodowe o pojedynczej częstotliwości z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (a) i zwierciadłami Bragga (b): 1 - rdzeń aktywny; 2 - powłoka o strukturze okresowej
Zmiana fazy oscylacji światła pod wpływem czynników zewnętrznych prowadzi do zmiany częstotliwości generacji różnych modów w laserach. Informacja o wpływach zewnętrznych zawarta jest w zmianie częstotliwości uderzeń międzymodowych. W oparciu o laser światłowodowy z rezonatorem pierścieniowym, który realizowany jest poprzez zespawanie końcówek światłowodu lub ich odłączenie, dość łatwo jest stworzyć laserowy żyroskop światłowodowy o niewielkich rozmiarach.
Stabilne lasery światłowodowe o pojedynczej częstotliwości można wdrożyć w formie rozproszonego sprzężenia zwrotnego lub rozproszonego odbicia Bragga. Aby to zrobić, w niektórych sekcjach światłowodu tworzony jest filtr widmowy odblaskowy, stosując jedną z metod, które zostaną opisane poniżej (patrz paragraf 4.8) (ryc. 4.14). Źródła takie można zastosować w diodach z wodą fazową.
Zastosowanie superluminescencyjnych laserów światłowodowych pozwala uprościć konstrukcję pasywnych żyroskopów światłowodowych i zwiększyć ich czułość poprzez zmniejszenie poziomu szumu spowodowanego obecnością elementów objętościowych. W interferometrach pierścieniowych i żyroskopach poziom szumu maleje wraz ze zmniejszaniem się długości koherencji źródła promieniowania i liczby elementów objętościowych (patrz rozdział 3.6). W źródle światłowodowym łatwo jest zapewnić, że długość koherencji promieniowania będzie większa niż różnica dróg między przeciwbieżnymi falami interferometru, ze względu na rotację i efekty niewzajemne. Superluminescencyjne lasery światłowodowe mają szerokość widma nm i dość dużą moc impulsu
łączy się z interferometrem pierścieniowym za pomocą standardowych łączników.
