Štúdium problému laserového rezania kovov musí začať úvahou o fyzikálnych princípoch laserovej prevádzky. Keďže ďalej v práci budú všetky štúdie presnosti laserového rezania tenkovrstvových materiálov vykonávané na laserovom komplexe s použitím ytterbiového vláknového lasera, zvážime návrh vláknových laserov.
Laser je zariadenie, ktoré premieňa energiu čerpadla (svetelnú, elektrickú, tepelnú, chemickú atď.) na energiu koherentného, monochromatického, polarizovaného a vysoko cieleného toku žiarenia.
Vláknové lasery boli vyvinuté relatívne nedávno, v 80. rokoch minulého storočia. V súčasnosti sú známe modely vláknových technologických laserov s výkonom do 20 kW. Ich spektrálne zloženie sa pohybuje od 1 do 2 μm. Použitie takýchto laserov umožňuje poskytnúť rôzne časové charakteristiky žiarenia.
Vláknové lasery v poslednej dobe aktívne nahrádzajú tradičné lasery v takých oblastiach použitia laserovej technológie, ako je napríklad laserové rezanie a zváranie kovov, značenie a povrchová úprava, tlač a vysokorýchlostná laserová tlač. Používajú sa v laserových diaľkomeroch a trojrozmerných lokátoroch, telekomunikačných zariadeniach, zdravotníckych zariadeniach atď.
Hlavnými typmi vláknových laserov sú kontinuálne vlnové jednovidové lasery, vrátane jednopolarizačných a jednofrekvenčných laserov; pulzné vláknové lasery pracujúce v režime Q-spínania, blokovania režimu a náhodnej modulácie; laditeľné vláknové lasery; superluminiscenčné vláknové lasery; vysokovýkonné kontinuálne multimódové vláknové lasery.
Princíp činnosti lasera je založený na prenose svetla z fotodiódy cez dlhé vlákno. Vláknový laser sa skladá z modulu pumpy (zvyčajne širokopásmových LED alebo laserových diód), svetelného vodiča, v ktorom dochádza k laserovému žiareniu, a rezonátora. Svetlovod obsahuje aktívnu látku (dopované optické vlákno - jadro bez plášťa na rozdiel od bežných optických vlnovodov) a pumpové vlnovody. Konštrukcia rezonátora je zvyčajne určená technickými špecifikáciami, ale možno rozlíšiť najbežnejšie triedy: rezonátory typu Fabry-Perot a prstencové rezonátory. V priemyselných inštaláciách sa niekedy kombinuje niekoľko laserov v jednej inštalácii, aby sa zvýšil výstupný výkon. Na obr. Obrázok 1.2 zobrazuje zjednodušenú schému vláknového laserového zariadenia.
Ryža. 1.2. Typický vláknový laserový obvod.
1 - aktívne vlákno; 2 - Braggove zrkadlá; 3 - čerpací blok.
Hlavným materiálom pre aktívne optické vlákno je kremeň. Vysoká priehľadnosť kremeňa je zabezpečená nasýtenými stavmi energetických hladín atómov. Nečistoty zavedené dopingom premieňajú kremeň na absorbujúce médium. Voľbou výkonu žiarenia čerpadla je možné v takomto prostredí vytvoriť inverzný stav populácie energetických hladín (to znamená, že vysokoenergetické hladiny budú viac naplnené ako úroveň terénu). Na základe požiadaviek na rezonančnú frekvenciu (infračervený rozsah pre telekomunikácie) a nízkoprahový výkon čerpadla sa spravidla dopuje prvkami vzácnych zemín zo skupiny lantanoidov. Jedným z bežných typov vlákien je erbium, používané v laserových a zosilňovacích systémoch, ktorých pracovný rozsah leží v rozsahu vlnových dĺžok 1530-1565 nm. V dôsledku rozdielnej pravdepodobnosti prechodov na hlavnú úroveň z podúrovní metastabilnej úrovne sa účinnosť generovania alebo zosilnenia líši pre rôzne vlnové dĺžky v prevádzkovom rozsahu. Stupeň dopovania iónmi vzácnych zemín zvyčajne závisí od dĺžky vyrábaného aktívneho vlákna. V rozsahu do niekoľkých desiatok metrov sa môže pohybovať v desiatkach až tisícoch ppm av prípade kilometrových dĺžok - 1 ppm alebo menej.
Braggove zrkadlá - distribuovaný Braggov reflektor - je vrstvená štruktúra, v ktorej sa index lomu materiálu periodicky mení v jednom priestorovom smere (kolmo na vrstvy).
Existujú rôzne konštrukcie na čerpanie optických vlnovodov, z ktorých najbežnejšie sú čisto vláknové konštrukcie. Jednou z možností je umiestniť aktívne vlákno do niekoľkých plášťov, z ktorých vonkajší je ochranný (tzv. dvojito potiahnuté vlákno). Prvý plášť je vyrobený z čistého kremeňa s priemerom niekoľko stoviek mikrometrov a druhý je vyrobený z polymérneho materiálu, ktorého index lomu je zvolený výrazne nižší ako index lomu kremeňa. Prvý a druhý plášť tak vytvárajú multimódový vlnovod s veľkým prierezom a numerickou apertúrou, do ktorej je vyžarované čerpadlové žiarenie. Na obr. Obrázok 1.3 znázorňuje čerpaciu schému lasera založeného na dvojitom obalenom vlákne.
Ryža. 1.3. Čerpací obvod pre laser na báze dvojvrstvového vlákna.
Medzi výhody vláknových laserov patrí už tradične výrazný pomer plochy rezonátora k jeho objemu, čo zabezpečuje kvalitné chladenie, tepelnú stabilitu kremíka a malé rozmery zariadení v podobných triedach výkonových a kvalitatívnych požiadaviek. Laserový lúč musí byť spravidla vložený do optického vlákna pre následné využitie v technológii. Pre lasery iných konštrukcií to vyžaduje špeciálne optické kolimačné systémy a zariadenia sú citlivé na vibrácie. Vo vláknových laseroch sa žiarenie generuje priamo vo vlákne a má vysokú optickú kvalitu. Nevýhodou tohto typu lasera je riziko nelineárnych efektov v dôsledku vysokej hustoty žiarenia vo vlákne a relatívne nízka výstupná energia na jeden impulz v dôsledku malého objemu účinnej látky.
Vláknové lasery sú horšie ako pevnolátkové lasery v aplikáciách, kde sa vyžaduje vysoká polarizačná stabilita a použitie vlákna udržujúceho polarizáciu je z rôznych dôvodov ťažké. Pevné lasery nie je možné nahradiť vláknovými lasermi v spektrálnom rozsahu 0,7-1,0 mikrónu. Majú tiež väčší potenciál na zvýšenie impulzného výstupného výkonu v porovnaní s vláknami. Vláknové lasery však fungujú dobre pri vlnových dĺžkach, kde neexistujú dostatočne dobré aktívne médiá alebo zrkadlá pre iné konštrukcie laserov, a umožňujú jednoduchšie implementovať niektoré konštrukcie laserov, ako je konverzia smerom hore.
Optimalizáciou jednovidového optického vlákna na použitie vo vláknových laseroch sa dosiahol vysoko škálovateľný výstupný výkon 4,3 kW a boli identifikované ďalšie smery výskumu pre ultrarýchle laserové aplikácie.
Jedným z naliehavých problémov vo vývoji laserových technológií je zvyšovanie výkonu vláknových laserov, ktoré si už „vybojovali“ podiel na trhu od vysokovýkonných CO 2 laserov, ako aj objemových pevnolátkových laserov. V súčasnosti veľkí výrobcovia vláknových laserov venujú veľkú pozornosť vývoju nových aplikácií a zvažujú ďalšie dobytie trhu v budúcnosti. Spomedzi vysokovýkonných laserov na trhu majú jednorežimové systémy množstvo funkcií, vďaka ktorým sú najvyhľadávanejšie – majú najvyšší jas a možno ich zaostriť až na niekoľko mikrónov, vďaka čomu sú vhodnejšie pre ne kontaktné spracovanie materiálu. Výroba takýchto systémov je pomerne zložitá. Spoločnosť IPG Photonics (Oxford, MA) navrhla vývoj jednorežimového systému s výkonom 10 kW, ale informácie o charakteristikách lúča nie sú k dispozícii a nie sú k dispozícii údaje, najmä o akýchkoľvek možných multimódových komponentoch, ktoré môžu existovať popri jednorežimovom signáli. .
Nemeckí vedci z Univerzity Friedricha Schillera a Fraunhoferovho inštitútu pre aplikovanú optiku a presné inžinierstvo s finančnou podporou nemeckej vlády a v spolupráci s TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Leibniz Institute for Photonic Technology, analyzovali problémy s mierkou takéto lasery a vyvinuli nové vlákna na prekonanie energetických obmedzení. Tím úspešne dokončil sériu testov, ktoré preukázali výkon 4,3 kW v jednom režime, v ktorom bol výstupný výkon vláknového lasera obmedzený iba výkonom signálu pumpy.
Faktory obmedzujúce výkon žiarenia jednovidového vláknového lasera
Medzi hlavné úlohy, ktoré si vyžadujú starostlivé štúdium, patria: a) zlepšené čerpanie; b) vývoj aktívneho vlákna s nízkymi optickými stratami, fungujúceho len v single-mode; c) presnejšie meranie prijímaného žiarenia. Za predpokladu, že problém zlepšeného čerpania možno vyriešiť pomocou ultrajasných laserových diód a vhodných spôsobov podávania čerpadiel, budeme sa preto v tomto článku podrobnejšie zaoberať ďalšími dvoma.
V rámci vývoja aktívneho vlákna pre vysokovýkonnú jednorežimovú prevádzku boli vybrané dve sady optimalizačných parametrov: doping a geometria. Všetky parametre musia byť jasne definované, aby sa dosiahli minimálne straty, prevádzka v jednom režime a silný zisk. Ideálny vláknový zosilňovač by mal poskytovať vysokú účinnosť konverzie nad 90 %, vynikajúcu kvalitu lúča a výstupný výkon obmedzený iba dostupným výkonom čerpadla. Aktualizácia jednorežimového systému na vyššie výkony však môže viesť k vyšším hustotám výkonu v jadre samotného vlákna, zvýšenému tepelnému zaťaženiu a rôznym nelineárnym optickým efektom, ako je stimulovaný Ramanov rozptyl (SRS) a stimulovaný Brillouinov rozptyl (SBS). ).
Priečne režimy môžu byť vylepšené v závislosti od veľkosti aktívnej zóny vlákna. Čím menší je aktívny prierez vlákna, tým menší je počet takýchto režimov - pre daný pomer medzi prierezmi vlákna a plášťa. Menší priemer však určuje aj vyššiu hustotu výkonu a pri ohýbaní vlákna sa napríklad pripočítavajú aj straty pre vyššie režimy. Avšak s veľkým priemerom jadra vlákna a tepelným namáhaním sa môžu vyskytnúť iné emisné režimy. Takéto módy podliehajú vzájomnej interakcii počas zosilňovania, a preto bez optimálnych podmienok šírenia sa výstupný profil žiarenia môže stať priestorovo alebo časovo nestabilným.
Nestabilita priečneho režimu
Vlákna dopované ytterbiom (Yb) sú typickým pracovným médiom pre vysokovýkonné jednovidové vláknové lasery, no za určitým prahom vykazujú úplne nový efekt - takzvaný efekt transverzálnej nestability (TMI). Pri určitej úrovni výkonu sa zrazu môžu objaviť vyššie režimy alebo dokonca režimy shell. Energia sa medzi nimi dynamicky prerozdeľuje a kvalita lúča sa zhoršuje. Na výstupe sa objaví kolísanie žiarenia (lúč začne oscilovať). Efekt TMI bol pozorovaný v rôznych dizajnoch vlákien, od vlákien so stupňovitým indexom až po vlákna fotonických kryštálov. Jeho prahová hodnota závisí od geometrie a dopingu, ale hrubý odhad naznačuje, že tento efekt nastáva pri výstupnom výkone vyššom ako 1 kW. Počas štúdie bola odhalená závislosť TMI od fotostmavnutia a jeho súvislosť s tepelnými účinkami vo vnútri vlákna. Okrem toho citlivosť vláknových laserov na TMI tiež závisí od obsahu modálneho jadra.
Geometria vlákna so stupňovitým indexom umožňuje optimalizáciu. Pre čerpanie je možné zvoliť nasledovné: priemer vlákna, veľkosť plášťa vlákna čerpadla a iné indexy lomu vlákna a plášťa. Všetky tieto parametre ladenia závisia od koncentrácie dopantu, to znamená, že koncentrácia iónov Yb sa môže použiť na riadenie dĺžky oblasti absorpcie žiarenia pumpy v aktívnom vlákne. Do vlákna možno pridať ďalšie prísady na zníženie tepelných účinkov a kontrolu indexu lomu. Existujú však určité rozpory. Na zníženie nelineárnych efektov musí byť vlákno kratšie a na zníženie tepelného zaťaženia musí byť vlákno dlhšie. Fototmavnutie je úmerné koncentrácii dopantu, takže dlhšie vlákna s nižšou koncentráciou dopantu budú určite lepšie. Počas experimentu je možné získať predstavu o niektorých parametroch. Napríklad tepelné správanie je možné modelovať, ale je dosť ťažké ho predpovedať, pretože stmavnutie je podľa definície malé a nemožno ho fyzicky merať v zrýchlených testoch. Preto môžu byť priame merania tepelného správania vo vláknach užitočné pre experimentálny dizajn. V porovnaní s typickým aktívnym vláknom sú zobrazené namerané tepelné zaťaženie (odvodené zo súčasne distribuovaných meraní teploty v zosilňovači vlákna) a simulované tepelné zaťaženie (obrázok 1).
Obrázok 1. Namerané tepelné zaťaženie aktívneho vlákna v porovnaní so simulovaným zaťažením s dodatočnou stratou a bez nej
Ďalším dôležitým parametrom pre návrh vlákna je medzná vlnová dĺžka, čo je najdlhšia vlnová dĺžka, ktorá zvyšuje počet módov vo vlákne. Režimy vyššej úrovne nad touto vlnovou dĺžkou nie sú podporované.
Testovanie nových vlákien pri výkone kilowattov
Počas experimentu boli študované dva typy Yb-dopovaných vlákien. Vlákno č.1 s priemerom jadra 30 mikrónov s dodatočným dopovaním fosforom a hliníkom. Vlákno č. 2 s menším priemerom 23 mikrónov bolo menej dopované, ale obsahovalo viac yterbia, aby sa dosiahol vyšší profilový koeficient v porovnaní s vláknom č. 1 (tabuľka 1).
Tabuľka 1. Parametre testovaných vlákien
Vypočítaná medzná vlnová dĺžka sa nachádza okolo 1275 nm a 1100 nm pre vlákna 1 a 2, v tomto poradí. Toto je oveľa bližšie k emisii v jednom režime ako typické vlákno s priemerom jadra 20 µm, 0,06 numerickej apertúry (NA) s medznou vlnovou dĺžkou ~1450 nm. Vlnová dĺžka zosilneného lasera bola nakoniec vycentrovaná na 1067 nm.
Obe vlákna boli testované vo vysokovýkonnom čerpacom okruhu (obr. 2). Pumpový diódový laser a počiatočný signál boli vo voľnom priestore spojené do vlákna so zvarenými koncami a konektormi, premyté vodou na chladenie. Zdrojom žiarenia bol fázovo modulovaný diódový laser s externou dutinou (ECDL), ktorého signál bol predzosilnený na dosiahnutie výkonu vstupného signálu až 10 W pri vlnovej dĺžke 1067 nm a šírke spektra 180 μm.
Obrázok 2. Experimentálna zostava vysokovýkonného zosilňovača použitá na test vláknového zosilňovača, kde vlákno bolo čerpané pri 976 nm v protismere šírenia.
Počas testovania prvého vlákna boli na hranici 2,8 kW pozorované náhle výkyvy na milisekundovej stupnici, ktoré možno pripísať TMI. Druhé 30 m vlákno s rovnakou vlnovou dĺžkou a spektrálnou šírkou bolo čerpané na výstupný výkon 3,5 kW, obmedzený skôr SBS ako TMI.
V treťom experimente bolo spektrum emitorového lasera upravené tak, aby sa zvýšil prah vlákna SBS rozšírením spektra (vyššie ako v predchádzajúcom experimente). Na tento účel bol skombinovaný druhý diódový laser s centrálnou vlnovou dĺžkou 300 μm s prvým. Toto rušenie viedlo k časovým výkyvom, ktoré umožnili zvýšenie výkonu signálu v dôsledku modulácie autofázy. Použitím rovnakého hlavného zosilňovača ako predtým sa získali veľmi podobné hodnoty výstupného výkonu pri 90% účinnosti, ale bez TMI sa dali zvýšiť iba na 4,3 kW (tabuľka 2).
Tabuľka 2. Výsledok testu vlákien
Úlohy merania
Meranie všetkých parametrov vysokovýkonného vláknového lasera je jednou z hlavných úloh a na ich riešenie si vyžaduje špeciálne vybavenie. Na získanie úplnej charakterizácie vlákna sa stanovila koncentrácia dopantu, profily indexu lomu a zoslabenie jadra vlákna. Napríklad meranie strát v jadre pre rôzne priemery ohybu je dôležitým parametrom pre koreláciu s prahom TMI.
Obrázok 3. a) Priebeh intenzity fotodiódy pri testovaní výstupného signálu pomocou vlákna 1, pod a nad prahom TMI. b) Normalizovaná štandardná odchýlka stôp fotodiódy pri rôznych výstupných výkonoch
Počas testovania vláknového zosilňovača sa prah TMI určuje pomocou fotodiódy poklepaním na malú časť výkonu. Nástup kolísania výkonu sa ukázal byť dosť prudký a výrazný (obr. 3), zmena signálu bola výrazná najmä pri testovaní vlákna 1, ale pri testovaní vlákna 2 do úrovne výkonu 4,3 kW nebola zistená. Zodpovedajúci vzťah je znázornený na obrázku 4a.
Obrázok 4. a) Sklon účinnosti vlákna 2 až do výstupného výkonu 4,3 kW. b) Optické spektrum s výstupným výkonom 3,5 kW s pomerom 75 dB od výstupu k ASE. 180 µm spektrálna šírka s výstupným výkonom 4,3 kW rozšíreným na šírku pásma 7 nm
Merania kvality lúča sú najnáročnejšou časťou charakterizácie vláknovým laserom a zaslúžia si samostatnú diskusiu. Stručne povedané, tepelný útlm je kľúčový a dá sa dosiahnuť pomocou Fresnelových odrazov alebo nízkostratovej optiky. V experimentoch prezentovaných v tomto prehľade sa zaviedol útlm pomocou klinových platní a pulzného čerpania v časovom rozsahu presahujúcom čas začiatku TMI.
Aplikácie v rýchlo sa rozvíjajúcej vede
Po desaťročnej prestávke sa vývoj výkonných jednorežimových vláknových laserov novej generácie v kilowattovej triede s vynikajúcou kvalitou lúča javí ako celkom možný. Už bol dosiahnutý výstupný výkon 4,3 kW, limitovaný iba výkonom čerpadla, hlavné obmedzenia na ceste ďalšieho vývoja boli identifikované a spôsoby ich prekonania sú jasné.
Výkony takmer 1 kW už boli dosiahnuté na jedinom vlákne po zosilnení ultrarýchlymi laserovými impulzmi, takže zvýšenie na 5 kW je úplne možné kombináciou techník. Zatiaľ čo sa systémy vyvíjajú pre výskumné centrá ako ELI (Praha, Česká republika), ďalší rozvoj spoľahlivého prenosu optického signálu zostáva výzvou pre priemyselné systémy.
Vykonaná práca odhalila množstvo zaujímavých perspektív. Na jednej strane ide o prenos výsledkov do výroby, napriek tomu, že v tomto smere je stále potrebné vynaložiť veľké úsilie, a na druhej strane je technológia mimoriadne dôležitá pre zvyšovanie parametrov ostatných optických laserových systémov, napríklad pre femtosekundové vláknové zosilňovače.
Na základe materiálov z http://www.lightwaveonline.com
V predtým publikovaných článkoch testujúcich technologický potenciál bol vláknový laser analyzovaný pre jeho najefektívnejšie technologické aplikácie, a to rezanie, zváranie, kalenie, perforovanie a čistenie povrchov. Toto všetko dokáže vláknový laser.
Pre manažérov a technológov priemyselných podnikov je však mimoriadne dôležité, aby okrem toho pochopili aj ekonomické aspekty implementácie vláknového lasera do moderných laserových technológií. Poďme teda diskutovať o ekonomických otázkach týkajúcich sa vláknového lasera, ktoré vznikajú počas hodnotenia projektov technickej modernizácie.
Hneď je potrebné poznamenať: rozdiely sú veľmi dôležité, pretože nový vláknový laser má množstvo technických vlastností a vlastností, kvôli ktorým nie je úplne správne prenášať skúsenosti s používaním klasických laserov na nové zariadenia. Preto je vhodné začať tým, čo je vláknový laser, v prvom rade načrtnutím týchto vlastností a rozdielov.
Vláknový laser:
Jedinečná životnosť moderných žiaričov (viac ako 100 000 hodín s možnosťou predĺženia životnosti pri relatívne nízkych nákladoch) a takmer nulové prevádzkové náklady. Povinné, berúc do úvahy skutočné vylúčenie časti odpisov prostredníctvom UST a DPH v existujúcom daňovom systéme. Keďže to môže byť mimoriadne dôležitý ekonomický faktor (t. j. časť odpisov vám zostáva priamo k dispozícii, pretože sa nepoužíva).
Minimálne náklady a čas na prípravu priestorov a uvedenie do prevádzky. Počas procesu uvádzania do prevádzky sa vláknový laser nazýva „inštalácia“.
Vláknový laser, jeho neuveriteľná všestrannosť ako zdroja lasera. Vláknový laser je spravidla príkladom zdroja „čistej“ energie lúča, takže v ňom nie je prakticky žiadna technologická špecifickosť, to znamená, že pri diverzifikácii alebo inej reštrukturalizácii výroby je možné vláknový laser preorientovať z jedného technologického proces na inú. Takýto zdroj možno dokonca nazvať, samozrejme (s výhradami) - likvidný, v tom zmysle, že si v sebe zachováva hodnotu a hodnotu. Odtiaľ sa začínajú rozvíjať určité služby výmeny laserov a leasingu (v týchto otázkach je najlepšie kontaktovať priamo výrobcu).
Vláknový laser, jeho hlavné vlastnosti:
Jeho pravdepodobnosť zvýšenia výkonu. Vláknový laser s konštrukčnou rezervou si môžete kúpiť napríklad pri výkone 700 W a potom jednoducho dokúpiť špeciálne čerpacie jednotky, čím sa výkon zvýši napríklad až na 2400 W. Zároveň vo výrobnom systéme (proces inštalácie ďalších blokov netrvá dlhšie ako 3 hodiny) prakticky nie je potrebné nič meniť. To vám umožní výrazne znížiť počiatočné kapitálové investície, ako aj zvýšiť produktivitu v momente, ktorý je potrebný pre vašu výrobu.
Prenos žiarenia priamo cez optický kábel, ktorého dĺžka sa pohybuje od 10 do 100 metrov, výrazne zjednodušuje návrh a usporiadanie technologických systémov ako celku. Môžete využiť širokú škálu priemyselnej robotiky. Stojí za zmienku, že niektoré výrobné úlohy vyžadujú iba 3 komponenty, a to vláknový laser/procesná hlava/priemyselný robot. Samozrejme, pri absencii skúseností budú stále potrebné služby integračnej spoločnosti, ale celkové náklady na organizáciu konkrétneho výrobného systému sa výrazne znížia.
Vláknový laser je multifunkčná a viacúčelová technologická plocha pre maximálne zaťaženie laserového zdroja. Prirodzene, nie je to také jednoduché, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať, ale je to celkom možné. A kvôli dôležitosti tejto pravdepodobnosti si ju rozoberieme ďalej.
Otázka pre odborníkov a personál vo všeobecnosti. Vláknový laser eliminuje potrebu spoločnosti udržiavať celý tím špecialistov so znalosťami optiky, vákuových systémov a elektrických výbojov. Vláknový laser, na jeho obsluhu nie je potrebné nič, pretože zaškolenie operátora netrvá dlhšie ako 1 týždeň. To samozrejme nezbaví podnik potreby kompetentných technológov, ale toto je ďalšia otázka, ktorá nemá absolútne nič spoločné so samotným laserom. Je celkom možné využiť existujúci personál a zároveň dosiahnuť vyššiu úroveň prevádzkovej efektívnosti.
Vláknový laser, jeho základné technológie:
Týchto 7 bodov samo o sebe môže vzbudiť vysoký záujem o nové moderné vybavenie. Na zvýšenie účinku by sa mali uviesť niektoré základné technológie:
- laserové rezanie kovov. Hovoríme nielen o klasickom rezaní plechov, ale aj veľmi objemovom rezaní, napríklad s využitím priemyselných robotov;
- laserová perforácia (filtračné prvky, sieťky);
- laserové zváranie. V prvom rade ide o vysokovýkonné švové zváranie na tupo bez použitia okrajových prípravkov a prídavných materiálov. Ale dnes technológovia pomerne rýchlo vyvíjajú hybridné procesy, to znamená kombinované schémy zvárania kombinujúce laserový lúč a podľa toho aj elektrický oblúk;
- laserové kalenie (tepelné spracovanie) je proces, ktorý zabezpečuje lokálne kalenie určitých úlomkov súčiastky bez výrazného tepelného vplyvu na súčiastku;1
- laserové naváranie je analógom pôsobenia oblúkového navárania, ktoré sa vyznačuje vysokou lokalitou a presnosťou;
- laserové čistenie náterov a nečistôt. Najekologickejšia metóda čistenia a bezkontaktná, ktorá má potenciál konkurovať masovým technológiám, ako je pieskovanie.
Ak prejdeme priamo k ekonomickým aspektom, stojí za zmienku, že vláknový laser a jeho systém sú v súčasnosti rádovo drahšie ako klasické CO2 lasery, a preto cena samotného lasera zvyčajne tvorí významnú časť technologického systému ako celku. .
Vláknový laser, jeho minimálna sada obsahuje: zariadenie určené na vykonávanie technologickej operácie s laserom zahŕňa:
- vláknový laser musí mať špecifikovanú cenu rub./kW;
- vláknový laser má špeciálnu laserovú spracovaciu hlavu, ktorá generuje tok žiarenia, ako aj toky iných látok priamo v zóne spracovania;
- manipulátor (robotický) na pohyb produktu alebo laserovej hlavy, ako aj na všeobecnú a dôkladnú kontrolu procesu. Ak používate hotový a univerzálny vláknový laser, náklady budú priamo závisieť od konfigurácie a samozrejme značky.
Vláknový laser, jeho minimálna zostava pre laserový technologický systém je nasledovná: 1 – laser, 2 – technologická hlavica, 3 – optický kábel, 4 – manipulátor.
Takže pre technologický systém s výkonom 1 000 W bude základná výška kapitálových nákladov približne 6 miliónov rubľov. RF. V skutočnosti to nie sú všetky náklady, keďže je potrebné počítať aj s nákladmi na softvér, integráciu, prípravu priestorov a výrobu. Z dôvodu jednoduchosti výpočtov by preto bolo najrozumnejšie predpokladať, že náklady na celkovú investíciu - vláknový laser - budú približne 2 ceny. Podobný pomer je pozorovaný najmä pri laserových strojoch určených na rezanie kovov. Vláknový laser má výkon 2000 W. Ceny sa pohybujú od 12 do 14 miliónov ruských rubľov. Laserové rezacie zariadenie je zároveň pomerne rozsiahly komplexný systém s veľkými rozmermi. Vďaka sériovej výrobe a štandardnej, osvedčenej technike sa však cena citeľne znižuje.
V iných technologických procesoch (napríklad zváranie, kalenie) môže byť komplex takýchto zariadení oveľa jednoduchší, ale tu stojí za zváženie, že v tomto štádiu takéto technológie nie sú vôbec zabalené do štandardných sériových komplexov (tj v tomto v prípade budú náklady na technológiu a inžinierstvo, a to veľmi významné). Preto môže byť opodstatnený koeficient x2 pre širokú triedu použití s priemerným stupňom automatizácie (t. j. proces spracovania je automatický a nakladanie a vykladanie je buď poloautomatické alebo manuálne).
Ekonomika laserovej technológie analýzou 2 testovacích výrobných problémov
Uvažujme o prvom výrobnom probléme o vláknovom laseri:
Takže ako prvú testovaciu úlohu uvažujme sériovú výrobu dielov s valcovou geometriou, pri ktorej je potrebné zvariť 2 polovičné telá do jedného (pevného) utesneného telesa. Ide o štandardnú úlohu pri výrobe rôznych typov filtrov. Oceľ má hrúbku 0,5 až 1 mm, pričom priemerný priemer výrobku je 60 mm. Cieľom problému je maximálny objem výroby pri minimálnych nákladoch na produkt.
Samotný produkčný systém je pre túto úlohu syntetizovaný takmer automaticky. Na rýchle laserové zváranie takéhoto výrobku potrebujete vláknový laser s výkonom cca 700 W (t.j. rýchlosť lineárneho zvárania je cca 50 mm/s), potrebujete pomerne jednoduchú zváraciu hlavu, rotátor produktu (automatizovaný) a podľa toho systém nakladania a vykladania obrobkov. Pre nakladací systém je možné použiť jednoduchý zásobníkový podávač. Vláknový laser, predpokladá sa, že výrobky určené na zváranie už boli pracovníkmi vopred zmontované. Avšak v závislosti od úrovne kvality samotných obrobkov (kalibrácia veľkosti) môže byť potrebný korekčný systém pre spoj výrobkov - polohu zváracej hlavy. Vo všeobecnosti náklady na vývoj, a teda aj výrobu takéhoto pomerne jednoduchého systému, dosahujú približne 5 miliónov rubľov.
Po predloženom texte môžeme urobiť malý záver:
- Ekonomické parametre systému sa výrazne zhoršujú s klesajúcou záťažou zariadení a samozrejme aj personálu: pri výrobe napríklad 10 % výrobkov/dielov z maximálnej hodnoty výrobného procesu sa náklady jednoducho zvýšia 10-krát. V oboch prípadoch je teda dosť drahé zariadenie nedostatočne využívané, a preto personál nečinne sedí.
- Pokiaľ ide o náklady, vzdanie sa automatizácie tiež nič neprináša: prechod na neautomatizované technologické procesy tiež zvýši cenu produktov, a to výrazne. Stane sa tak v dôsledku všeobecného poklesu produktivity práce.
- Využitie laserovej technológie umožňuje „vyhrať“ len s maximálnym zaťažením (alebo aspoň blízkym maximu) výrobného systému a je priamo prospešné pre podmienky samotnej výroby, a ešte k tomu veľkosériovej výroby. Pre takúto výrobu je mimoriadne dôležitá vysoká kvalita procesu laserového spracovania (t.j. reprodukovateľnosť a stabilita).
Je zrejmé, že pri rozsiahlych aplikáciách môže byť návratnosť pri zváraní vláknovým laserom pomerne rýchla v dôsledku prudkého nárastu celkovej produktivity.
Pozrime sa na druhý výrobný problém, o vláknovom laseri:
Spravidla sa mnoho skutočných podnikov vyznačuje výrazne nižšou sériovou výrobou, takže problém nabitia laserového zdroja bude neustále nastať.
Napríklad istý podnik vyrába zložitý výrobok, ktorý pozostáva z valcového telesa a musí byť k nemu privarené veko s výkonným upevňovacím prvkom a 2 prvky musia byť tiež privarené priamo k samotnému veku. Vo vnútri takého výrobku je tiež tyč, ktorá pracuje v režime obrusovania, a preto vyžaduje spevnenie, ako aj filter na kvapalinu, vyrobený vo forme krúžku, ku ktorému je prispájkovaná kovová sieť. Odhadovaná sériová produkcia takýchto produktov je 100 000 ročne.
V typickej základnej technológii výroby produktov sa používajú tieto technologické procesy:
- výroba výkovkov určených pre hlavu s okom;
- komplexné mechanizované spracovanie výkovkov;
- rezanie otvorov (niekoľko) v tele pomocou mechanickej metódy;
- zváranie potrebných častí do otvorov;
- privarenie hlavy k hlavnému telu je ručné oblúkové, existuje veľké percento defektov, ktorých príčinou je okrem iného porušenie geometrie (t.j. posunutie osi hlavy a osi valca);
- objemové kalenie tyče, chrómovanie a brúsenie;
- rezanie kruhového pletiva;
- následné spájkovanie siete pozdĺž vonkajších a vnútorných obrysov (pomerne ťažko automatizovateľný proces s vysokou mierou defektov).
Produkt tejto testovacej úlohy: 1 – telo, 2 – kryt, 3 – zváraný diel, 4 – krúžok s otvormi, 5 – sieťka filtra. Vláknový laser:
Je možné použiť vláknový laser na vykonanie alebo zjednodušenie technologického postupu pri výrobe takéhoto produktu? Podstata myšlienky je nasledovná: použiť vláknový laser priamo v režime delenia času, a tým zaťažiť jeho zdroj rôznymi operáciami. Z technického hľadiska takáto možnosť existuje, no technické aspekty si rozoberieme na konci príbehu.
Na základe parametrov laserovej technológie vláknového lasera z databázy v prvom rade odhadujeme, že budeme potrebovať laserový zdroj s výkonom 1500 W. To je samozrejme minimálny výkon potrebný na spoľahlivé zváranie prvkov. Keďže sa plánuje multifunkčné využitie lasera, cena robotických zariadení by mala byť spravidla vyššia.
Je potrebné spomenúť aj mimoriadne dôležitú integrálnu výhodu: zvýšenie úrovne kvality produktov je mimoriadne dôležitým a významným konkurenčným faktorom priamo na odbytovom trhu, čo nám umožňuje obsadiť jeho významný podiel.
Zvlášť je potrebné zdôrazniť, že vláknový laser a jeho utilitárna realizovateľnosť všetkých plánovaných technologických procesov pri jeho použití už prešla príslušným testovaním a sú k dispozícii predbežné experimentálne údaje o týchto procesoch.
Takže: vláknový laser, jeho komplexné využitie súboru laserových technológií môže celkom reálne poskytnúť pomerne veľký celkový efekt, ale len za predpokladu, že laserové zariadenie je plne zaťažené!
Náklady na možnosť výroby lasera sa počítajú iba s podhodnotenými nákladmi priemyselného podniku, ale poctivý výpočet nákladov za minútu jasne ukazuje, že miera ziskovosti takéhoto projektu je taká veľká a zrejmá, že je dokonca výrazne zisková. s vysokými režijnými nákladmi – a to je fakt!
Za zmienku stojí aj vláknový laser: konštruktér laserového systému môže navrhnúť rozdelenie technologickej funkčnosti na 2 laserové komplexy asymetricky (t.j. nie rovnako) - 1. laserový komplex vykonáva výlučne rezanie otvorov a zváranie a 2. zostávajúce operácie na výrobu filtrov a kalenie tyčí. Alebo môže ponechať iba prvý komplex, ktorý vykonáva operácie na prvých dvoch faktoroch, vzhľadom na ich hlavný prínos k ziskovosti projektu ako celku. Vláknový laser, tieto rozhodnutia budú určite v mnohých smeroch ovplyvnené technickými problémami, konkrétne otázkami: „Ako presne sa implementuje multifunkčnosť? - "Je to naozaj možné technicky implementovať?" - "K akým okamžitým problémom to môže viesť?" Zvážme možnosti a možnosti.
Vláknový laser a jeho aplikácie:
Využitie robota s laserovou hlavou umiestnenou na jeho manipulátore na zadanú testovaciu úlohu je úplne úspešné riešenie. V prvom rade je robot schopný automaticky privariť krúžok k hlavnému krytu na všetkých 4 stranách s minimálnym časom stráveným prechodmi a pri výrobe elementárneho rotačného polohovadla produktov s odstránením a manuálnou inštaláciou stratu času priamo na minimalizuje sa aj nakladanie a vykladanie. Čo samozrejme platí aj pre iné rezacie a zváracie operácie.
Použitie univerzálnych robotov má tú výhodu, že prakticky odpadajú náklady na návrh a následnú výrobu neštandardných technologických zariadení a nástrojov. Keďže hlavná záťaž výrobného školenia padá práve na prípravu určitých programov pre robota, teda jeho efektivitu.
POUŽÍVANIE VIACERÝCH STRÁNOK.
Toto riešenie si vyžaduje vývoj samostatnej technologickej stanice pre absolútne všetky technologické operácie, ktorá je vybavená vysoko funkčným manipulátorom. Po ukončení určitej operácie sa laserová hlava, pripojená optickým káblom k laseru, preinštaluje na inú technologickú stanicu a podľa toho sa prestaví na ďalšiu operáciu vykonanú na tej istej alebo inej šarži výrobkov.
Po ukončení určitej operácie sa vláknový laser, jeho laserová hlava, prepojená optickým káblom s laserom, preinštaluje na inú technologickú stanicu, prispôsobí sa inej operácii a spracuje sa ďalšia operácia vykonaná na tej istej alebo inej šarže produktov.
Vláknový laser Nanešťastie zatiaľ nie je možné mať osobné laserové technologické hlavy na rôznych pozíciách. Keďže odpájanie z hlavy optického kábla v dielenskom prostredí je prísne zakázané z dôvodu prašnosti, pretože najmenšie zrnko prachu z optického vlákna pri dopade na optický výstup spravidla vedie k nenávratnému zničeniu tohto výstupu. Riešenie tohto problému netrpezlivo očakávajú všetky podniky s podobným vybavením a možno sa v blízkej budúcnosti ešte nájde.
APLIKÁCIA OPTICKÝCH MULTIPLEXÉROV
Nová funkcia, v súčasnosti málo používaná. Jeho hlavná podstata je nasledovná: môžete si zakúpiť určitý špeciálny spínač laserového lúča, ktorý je svojim vstupom spojený s laserom a na jednotlivých postoch niekoľkými výstupmi s procesnými hlavami. K prepínaniu žiarenia medzi stanicami dochádza pomerne rýchlo a takýto systém môže minimalizovať stratu času na zmenu produktov a technologických prechodov.
K tomu musí špičkový systém zabezpečovať dispečerské funkcie, ako aj distribuovať zdroje laserového zdroja priamo podľa požiadaviek týchto technologických miest. Keďže pri výpočtoch na formovanie sme predpokladali, že čas nakladania a vykladania sa rovná minimálne dobe prevádzky, v tomto prípade pri použití takéhoto multiplexora bude stačiť iba jeden laser na realizáciu skúšobného programu na výrobu približne 100 000 Produkty.
Náklady na takýto multiplexer sú asi 1-2 milióny rubľov. Okrem toho je potrebné poznamenať, že vláknový laser je možné objednať so vstavaným multiplexerom, ktorý má niekoľko výstupov.
Snáď jedinou nevýhodou je, že multiplexor mierne zhoršuje kvalitu žiarenia (t.j. na výstupe je nutné použiť vlákno s oveľa väčším prierezom), čo je však kritické len pre rezanie laserom. Vláknový laser, jeho podobný systém je najoptimálnejší a najvýhodnejší. V prípade multiplexora sú dodatočné investičné náklady mnohonásobne kompenzované vďaka úrovni laserového zaťaženia.
Takže: 1 – laser, 2 – optický spínač, 3 – hlavice (technologické), 4 – technologické stanice, 5 – centrálny riadiaci systém.
Ďalšia dôležitá otázka týkajúca sa všestrannosti samotných laserových hláv: Ak plánujete použiť priemyselný robot alebo oblasť s viacerými stanicami, potom musí mať laserová hlava vlastnosť všestrannosti (to znamená, že musí byť schopná vykonávať rôzne technologické procesy) . Dnes už západní výrobcovia takéto hlavy nevyrábajú!
Takéto zariadenie však už existuje: čoskoro sa začne sériová výroba - univerzálna laditeľná hlava, ktorá dokáže vykonávať celý základný rozsah technologických operácií pomocou vláknového laserového žiarenia (zváranie, rezanie, kalenie, perforácia). Prispôsobenie hlavice na akúkoľvek špecifickú operáciu prebieha jednak automatickou prestavbou optického systému, jednak výmenným technologickým nástavcom (t.j. jeho výmenou), ktorý je pripevnený na princípe známeho magnetického zavesenia.
Vláknový laser, jeho výhody:
Odhady ukazujú, že vláknový laser má významný ekonomický potenciál.
- Vysoká ziskovosť projektov vláknových laserov založených na moderných laseroch je zabezpečená výlučne pri maximálnom zaťažení zariadení, čo je vzhľadom na pomerne značnú spoľahlivosť a jedinečné zdroje nových laserov technicky možné.
- Multifunkčné technologické oblasti, ktoré zdieľajú zdroje laserového zdroja, môžu mať pomerne významnú budúcnosť.
- Napriek značným kapitálovým investíciám môže byť návratnosť laserových zariadení a laserových technologických systémov všeobecne veľmi, veľmi rýchla, až 1-1,5 roka.
Vláknový laser je laser s plne alebo čiastočne vláknovou optikou, kde zosilňovacie médium a v niektorých prípadoch aj rezonátor sú vyrobené z optického vlákna.
Vláknový laser je laser s plne alebo čiastočne vláknovou optikou, kde optické vlákno A vyrobí sa zosilňovacie médium a v niektorých prípadoch aj rezonátor. V závislosti od stupňa implementácie vlákna môže byť laser celovláknový (aktívne médium a rezonátor) alebo diskrétny vláknový (len vláknový rezonátor alebo iné prvky).
Vláknové lasery môžu pracovať v kontinuálnej vlne, ako aj v nano- a femtosekundových pulzných impulzoch.
Dizajn laser závisí od špecifík ich práce. Rezonátorom môže byť Fabryho-Perotov systém alebo prstencový rezonátor. Vo väčšine návrhov je ako aktívne médium použité optické vlákno dopované iónmi prvkov vzácnych zemín - thulium, erbium, neodym, ytterbium, prazeodym. Laser je pumpovaný pomocou jednej alebo viacerých laserových diód priamo do jadra vlákna alebo vo vysokovýkonných systémoch do vnútorného plášťa.
Vláknové lasery sú široko používané vďaka širokému výberu parametrov a schopnosti prispôsobiť pulz v širokom rozsahu trvania, frekvencií a výkonov.
Výkon vláknových laserov je od 1 W do 30 kW. Dĺžka optického vlákna – do 20 m.
Aplikácia vláknových laserov:
– rezanie kovy a polyméry v priemyselnej výrobe,
– presné rezanie,
– mikrospracovanie kovy a polyméry,
– povrchová úprava,
– spájkovanie,
– tepelné spracovanie,
– označovanie produktov,
– telekomunikácie (komunikačné linky z optických vlákien),
– výroba elektroniky,
– výroba zdravotníckych pomôcok,
– vedecké prístrojové vybavenie.
Výhody vláknových laserov:
– vláknové lasery sú jedinečným nástrojom, ktorý otvára novú éru v spracovaní materiálov,
– prenosnosť a možnosť výberu vlnovej dĺžky vláknových laserov umožňujú nové efektívne aplikácie, ktoré nie sú dostupné pre iné typy v súčasnosti existujúcich laserov,
– takmer vo všetkých podstatných parametroch dôležitých z hľadiska ich priemyselného využitia predčí ostatné typy laserov,
– možnosť prispôsobenia pulzu v širokom rozsahu trvania, frekvencií a výkonov,
- možnosť nastaviť sekvenciu krátkych impulzov s požadovanou frekvenciou a vysokým špičkovým výkonom, čo je potrebné napríklad pri laserovom gravírovaní,
– široký výber parametrov.
Porovnanie rôznych typov laserov:
| Parameter | Vyžaduje sa na priemyselné použitie | CO 2 | YAG-Nd lampa čerpaná | Diódou čerpané YAG-Nd | Diódové lasery | |
| Výstupný výkon, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Vlnová dĺžka, um | čo najmenej | 10,6 | 1,064 | 1,064 alebo 1,03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Účinnosť, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Rozsah dodávky žiarenia vlákna | 10…300 | neprítomný | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Stabilita výstupného výkonu | čo najvyššie | nízka | nízka | nízka | vysoká | veľmi vysoko |
| Citlivosť spätného odrazu | čo najnižšie | vysoká | vysoká | vysoká | nízka | nízka |
| Zastavaná plocha, m2 | čo najmenej | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Náklady na inštaláciu, relatívne jednotky | čo najmenej | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Náklady na prevádzku, rel | čo najmenej | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Náklady na údržbu, rel | čo najmenej | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Frekvencia výmeny lámp alebo laserových diód, hod. | koľko to len pôjde | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw optoraycus pulzné vlákno ytterbium laser 50w 100kw kúpiť výrobcu
vláknové pevnolátkové lasery
kov rezanie preglejky úžasné cernark gravírovanie režimy hlbokého gravírovania vláknovým laserom
laserové zariadenie z ytterbiových vlákien
vláknový stroj predám laser
princíp činnosti výroba Fryazino 1,65 mikrónov technológia ytterbium nákupná cena ipg hp 1 optické na rezanie kovov gravírovanie pulzný princíp činnosti stroja optické aplikácie výkon urob si sám schéma zariadenia vlnová dĺžka zváranie výrobca rezy vo vlnách
Faktor dopytu 902
Vláknovými lasermi sa rozumejú opticky pumpované pevnolátkové lasery, ktorých aktívnym prvkom je vláknový svetlovod s prísadami laserových aktivátorov. Najsľubnejšie pre svetlovodné systémy sú lasery na báze vlákien aktivovaných neodýmovými iónmi. Neodymové ióny majú dve hlavné laserové línie s centrálnymi vlnovými dĺžkami µm a µm, ležiace v spektrálnej oblasti, kde sú straty a rozptyl svetla v kremenných vláknach minimálne.
Ryža. 4.11. Závislosť dĺžky úseku relé od rýchlosti prenosu informácií pre stupňovité vlákno s útlmom pre mikróny:
1 - pre laserovú diódu (charakteristický pokles v sekcii BC je spôsobený intermodovou disperziou) 2 - pre sbeto-vyžarujúcu diódu (charakteristický pokles je spôsobený širokým spektrom diódy v sekcii a okrem pokles frekvenčnej charakteristiky v úseku)
Spektrálne charakteristiky zosilnenia neodýmu sú prakticky nezávislé od vonkajších podmienok, teplotný drift vlnovej dĺžky zodpovedajúci maximálnemu zosilneniu neodýmových iónov je rovnaký, pričom pre polovodičové médiá je tento parameter Konštrukcia vlákna emitora umožňuje použitie štandardných konektorov na efektívne zaviesť žiarenie do vláknových svetlovodov, vrátane a single-mode.
Napriek týmto výhodám a, ako bude uvedené nižšie, širokej funkčnosti, vláknové lasery ešte neopustili štádium výskumu. Vysvetľuje to skutočnosť, že pri vytváraní optických systémov bolo veľa problémov vyriešených pomocou dobre vyvinutých polovodičových žiaričov, najmä v pomerne jednoduchých systémoch, ktoré sa implementujú v prvom rade, kde zohráva rozhodujúcu úlohu jedna z hlavných výhod polovodičových zdrojov. - možnosť priamej modulácie intenzity žiarenia prúdom čerpadla. V pevnolátkových laseroch, najmä v laseroch na báze neodýmom aktivovaných médií, je vysokorýchlostná modulácia intenzity žiarenia zmenou výkonu pumpy v podstate nemožná z dôvodu relatívne dlhej doby pozdĺžnej relaxácie. Neschopnosť rýchlo „zapnúť“ invertovanú populáciu obmedzuje frekvencie priamej modulácie na hodnoty Hz. Vývoj svetlovodných systémov, najmä perspektívnych systémov blízkej budúcnosti s koherentným príjmom a viackanálovým spektrom
zhutňovanie stimuluje vývoj vláknových laserov, ktoré možno použiť nielen ako generátory, ale aj ako zosilňovače svetla.
Existujúce konštrukcie vláknových laserov možno rozdeliť do troch skupín. Vláknové lasery prvej skupiny využívajú zväzky niekoľkých dlhých vlákien a výkonné čerpanie pulznými plynovými výbojkami. Pozitívna spätná väzba v takýchto štruktúrach sa vytvára v dôsledku odrazu svetla od koncov vlákien a spätného rozptylu v mikroohyboch a nehomogenitách.
Ryža. 4.12. Konštrukcie vláknových laserov: a - s koncovým čerpaním; b - s priečnym čerpaním pre vlákna malého priemeru, c - s priamym ukladaním vlákien na pravítko - emitujúca platforma - zrkadlo laserového rezonátora, priepustné pre žiarenie, 13 - aktívne vlákno, 5 - zrkadlo rezonátora; 6 - optické lepidlo, 8 - reflektor, 9 - sklenený valec, 10, 12 - žiariče; 11, 14 - LED riadky
Rúrkové čerpanie umožňuje dosiahnuť vysoké zisky pri jedinom prechode, ale vyžaduje použitie nútených kvapalinových chladiacich systémov a objemných napájacích zdrojov, čo zjavne robí vytváranie malých zariadení nereálnym. Určité vyhliadky v tomto zmysle môžu spočívať v použití plynových výbojkových mikrolámp. Medzi výhody konštrukcií s výbojkami patrí možnosť ich použitia ako optických zosilňovačov s postupnou vlnou a regeneračných zosilňovačov s pomerne vysokým (~30-40 dB) ziskom.
Druhá skupina dizajnov vláknových laserov využíva krátke dĺžky monokryštalických a sklenených vlákien dopovaných iónmi neodýmu. Čerpanie sa vykonáva cez koniec vlákna polovodičovým laserom alebo LED. Dostatočne vysoká účinnosť čerpadla sa dosiahne prispôsobením emisného spektra polovodičového žiariča na báze GaAlAs GVD s jednou z intenzívnych absorpčných línií neodýmu s centrálnou vlnovou dĺžkou cca.
0,81 um. Konštrukcia vláknových laserov druhej skupiny je schematicky znázornená na obr. 4.12, a. V dôsledku nízkeho zisku aktívneho média sa vytvorí dutina lasera
dielektrické zrkadlá s vysokou odrazivosťou. Tento dizajn majú lasery na báze monokryštalických vlákien z ytria hliníkového granátu s neodýmom a sklených kremenných vlákien s neodýmom. Existujú správy o generovaní s koncovým čerpaním kryptónovým laserom v kryštalickom vlákne a s čerpaním argónovým laserom v rubínovom vlákne Najlepšie výsledky boli dosiahnuté pri použití kryštálu s geometriou vlákna, 0,5 cm dlhého a 80 μm v priemere. Vonkajší rezonátor (obr. 4.12, a) bol tvorený zrkadlami s dielektrickým povlakom, z ktorých jedno malo odrazivosť pre laserové žiarenie s mikrónmi a len pre žiarenie pumpy, druhé zrkadlo s rovnako vysokou odrazivosťou pre laserové žiarenie odrážalo pumpu svetlo celkom dobre Zrkadlá boli umiestnené takmer blízko koncov vlákna. Čerpanie sa uskutočňovalo povrchovou LED s priemerom vyžarovacej plochy 85 μm. Prahový výkon čerpadla bol
Hlavnými výhodami vláknových laserov tejto konštrukcie sú nízka spotreba energie a celkové rozmery. Hlavné nevýhody: koncový čerpací okruh neumožňuje použitie vláknových segmentov s dĺžkou nad 1 cm, čo obmedzuje výstupný výkon. Navyše technológia výroby a nastavenia týchto laserov je zložitá a prítomnosť LED pumpy na jednom z koncov komplikuje použitie lasera ako zosilňovača optického signálu.
Viacotáčkové vláknové lasery s priečnym čerpaním LED lištami (obr. predstavuje prevedenia tretej skupiny. Na LED lište je umiestnených niekoľko závitov skleneného vlákna, ktorého jadro je aktivované neodýmovými iónmi. Konštrukcia do určitej miery kombinuje výhody vláknových laserov prvej a druhej skupiny a je zbavený väčšiny ich nevýhod možné získať pomerne veľký zisk v jednom priechode Vďaka malému priemeru optických vlákien v priečne čerpanej schéme je efektívne použitie sklenených vlákien s vysokou koncentráciou iónov, a teda s vysokým absorpčným koeficientom Vlákna vyrobené z neodýmových ultrafosfátov majú takéto vlastnosti viacotáčkové umiestnenie vlákna na LED vedeniach. Kúsok vlákna sa tak opakovane preťahuje cez sklenený valec s priemerom asi 1 mm (obr. 4.12, b), na ktorého vonkajšom povrchu je nanesená reflexná vrstva.
zvýšenie účinnosti využitia žiarenia čerpadla. Táto metóda je výhodná pre vlákna s malým vonkajším priemerom (µm). Vlákna s väčším priemerom je možné položiť na LED linku otočením k otočeniu (obr. 4.12, c). Obidve konštrukcie možno použiť ako optické zosilňovače s postupnou vlnou, pričom jeden koniec svetlovodu je vstupom zosilňovača a druhým výstupom. Aplikácia zrkadlových povlakov na konce vlákien umožňuje lasovanie pomocou vláknového rezonátora Fabry-Perot.
Vlastnosti laserových procesov v aktívnych optických vláknach sú určené prítomnosťou špecifickej generácie lasera pri absencii pozitívnej spätnej väzby.
Ryža. 4.13. Vláknový svetlovod: a - s aktívnym jadrom a pasívnym plášťom; b - s pasívnym jadrom a aktívnym plášťom (2)
Toto je hlavný rozdiel medzi vláknovými lasermi a lasermi založenými na objemových aktívnych prvkoch. Aby sme vysvetlili podstatu tohto procesu, ktorý je blízky superluminiscenčnému režimu v polovodičových LED diódach, uvažujme o niektorom elementárnom úseku svetlovodu, v ktorom sa vytvára obrátená populácia (obr. 4.13, a). Spontánna emisia sa vyskytuje s rovnakou pravdepodobnosťou vo všetkých smeroch, ale žiarenie sústredené do dvoch kužeľov uhlov, ktoré majú spoločnú os s vláknom a sú určené uhlom otvorenia 20, neopúšťa jadro. Tu
kde sú indexy lomu jadra a plášťa, toto žiarenie budí prirodzené kmity (módy) vlákna, ktoré sa zosilňujú stimulovanou emisiou počas šírenia pozdĺž vlákna doprava a doľava (obr. 4.13, a). Rovnaký obraz možno pozorovať pre akúkoľvek inú elementárnu časť aktívneho vláknitého jadra. Na výstupe takéhoto svetelného zdroja vlákna je divergencia žiarenia približne určená číselnou apertúrou vlákna
Pokiaľ je intenzita svetelných vĺn šíriacich sa smerom k sebe v aktívnom svetlovode výrazne menšia ako hodnota, ktorá saturuje zisk, protišíriace sa vlny sú nezávislé, rovnako ako aj energie prenášané rôznymi režimami svetlovodu. Za týchto podmienok je proces zosilnenia spontánnej emisie v dôsledku stimulovanej emisie opísaný známymi rovnicami laserového zosilňovača bez saturácie as prihliadnutím na spontánnu emisiu. Spektrálna hustota výkonu žiarenia v jednom móde na výstupe aktívneho úseku dĺžky vlákna (obr. 4.13, a) sa rovná
Tu je Planckova konštanta; - frekvencia svetelných vibrácií; - populácia hornej a dolnej hladiny lasera; - zisk na jednotku dĺžky, kde je Einsteinov koeficient pre nútený prechod; - normalizovaný tvar spektrálnej zosilňovacej čiary; c je rýchlosť svetla. Maximálny generovaný výkon môže byť obmedzený buď dĺžkou vlákna alebo, ako pri laseroch s rezonátormi, saturáciou. Prirodzene, počas procesu zosilnenia sa generačné spektrum v porovnaní s luminiscenčným spektrom zužuje v dôsledku skutočnosti, že spektrálne zložky v strede čiary sú viac zosilnené. Šírka spektra je určená zosilnením a tvarom a emisné spektrum je spojité kvôli absencii rezonátora.
Uvažovaný špecifický vláknový laserový proces má tri významné aspekty.
1. Aktívny vláknový svetlovod možno použiť ako zdroj svetla bez optického rezonátora.
2. Pri vytváraní vláknových laserov s použitím tradičného dutinového dizajnu je potrebné vziať do úvahy, že uvažovaný proces môže viesť k získaniu saturácie v jednom priechode, v dôsledku čoho spätná väzba stratí zmysel. V tomto prípade musia byť hodnoty a musia byť zvolené tak, aby boli ďaleko od hodnoty, ktorá saturuje zisk.
3. Vo vláknových optických zosilňovačoch je hlavným zdrojom šumu generovanie svetla ako výsledok diskutovaného procesu. Spektrálna hustota výkonu šumu v jednom režime, prepočítaná na vstup zosilňovača, ako vyplýva zo vzorca (4.12), sa rovná
V štvorúrovňovom systéme, ako je napríklad neodymový laserový obvod, zvyčajne s vysokým ziskom
V volumetrických zosilňovačoch sa hluk zosilnenej spontánnej emisie dlho považoval za zásadne neodstrániteľný (pozri napr. prácu), avšak vo vláknových zosilňovačoch možno jeho úroveň výrazne znížiť pri použití svetlovodu znázorneného na obr. 4.13, 6. Jednovidové vlákno, ktorého jadro je vyrobené z kremenného skla s prísadou zvyšujúcou index lomu, má napríklad plášť zo skla aktivovaného iónmi neodýmu. Vytvorenie inverznej populácie v plášti vedie k zosilneniu režimu jadra s efektívnym ziskom
kde je zisk v škrupine; - časť výkonu v režime jadra, ktorá sa šíri v plášti; P je celkový výkon prenášaný týmto režimom. Pomer sa zmení z 0,99 na 0,1, keď sa parameter vlákna zmení z 0,6 na 2,4048. Keď jadro začne efektívne riadiť hlavný režim lokalizáciou svojho poľa blízko seba, druhý režim je vzrušený. Vzorec bol získaný rovnakým spôsobom ako výraz pre koeficient útlmu vlákna s plášťom, v ktorom dochádza k stratám žiarenia, ktoré sú kvalitatívne horšie ako vlákna. Významnými nevýhodami prvého sú teplotná nestabilita zosilňovacieho vedenia (pre mikróny), značné straty pri pripojení jednovidových vláknových svetlovodov k plošnému svetlovodu zosilňovača a vysoká úroveň šumového výkonu - superluminiscenčného žiarenia.
Vláknové lasery otvárajú možnosť vytvárania nových typov FOD. Citlivý prvok, ktorým je vláknový svetlovod, je tu súčasťou vláknitého prstenca alebo lineárneho laserového rezonátora.
Ryža. 4.14. Jednofrekvenčné vláknové lasery s distribuovanou spätnou väzbou (a) a Braggovými zrkadlami (b): 1 - aktívne jadro; 2 - škrupina s periodickou štruktúrou
Zmena fázy oscilácií svetla pod vplyvom vonkajších faktorov vedie k zmene frekvencií generovania rôznych režimov v laseroch. Informácie o vonkajších vplyvoch sú obsiahnuté v zmene frekvencie intermodálnych úderov. Na základe vláknového lasera s prstencovým rezonátorom, ktorý je realizovaný zváraním koncov svetlovodu alebo ich oddelením, je celkom jednoduché vytvoriť laserový vláknový gyroskop malých rozmerov.
Stabilné jednofrekvenčné vláknové lasery môžu byť implementované ako distribuovaná spätná väzba alebo distribuovaný Braggov odraz. Na tento účel je v určitých častiach vlákna vytvorený spektrálny filter s vláknom pomocou jednej z metód, ktoré budú popísané nižšie (pozri odsek 4.8) (obr. 4.14). Takéto zdroje môžu byť použité vo fázových vodných diódach.
Použitie superluminiscenčných vláknových laserov umožňuje zjednodušiť konštrukciu pasívnych vláknových gyroskopov a zvýšiť ich citlivosť znížením hladiny hluku spôsobenej prítomnosťou volumetrických prvkov. V prstencových interferometroch a gyroskopoch hladina šumu klesá so znižovaním koherentnej dĺžky zdroja žiarenia a počtu objemových prvkov (pozri časť 3.6). Vo vláknovom zdroji je ľahké zabezpečiť, aby koherentná dĺžka žiarenia bola väčšia ako dráhový rozdiel medzi protibežnými vlnami interferometra v dôsledku rotácie a nerecipročných účinkov. Superluminiscenčné vláknové lasery majú šírku spektra nm a pomerne vysoký impulzný výkon
sa pripája k vláknovému prstencovému interferometru pomocou štandardných spojok.
