Ang pag-aaral ng problema ng pagputol ng laser ng mga metal ay dapat magsimula sa pagsasaalang-alang sa mga pisikal na prinsipyo ng operasyon ng laser. Dahil sa karagdagang sa trabaho ang lahat ng mga pag-aaral ng katumpakan ng pagputol ng laser ng mga materyal na manipis na sheet ay isasagawa sa isang laser complex gamit ang isang ytterbium fiber laser, isasaalang-alang namin ang disenyo ng mga fiber laser.
Ang laser ay isang device na nagko-convert ng pump energy (light, electrical, thermal, chemical, atbp.) sa enerhiya ng coherent, monochromatic, polarized at highly targeted radiation flux.
Ang mga fiber laser ay binuo kamakailan, noong 1980s. Sa kasalukuyan, kilala ang mga modelo ng fiber technological lasers na may lakas na hanggang 20 kW. Ang kanilang spectral na komposisyon ay mula 1 hanggang 2 μm. Ang paggamit ng naturang mga laser ay ginagawang posible na magbigay ng iba't ibang temporal na katangian ng radiation.
Kamakailan lamang, ang mga fiber laser ay aktibong pinapalitan ang mga tradisyonal na laser sa mga lugar ng aplikasyon ng teknolohiya ng laser tulad ng, halimbawa, laser cutting at welding ng mga metal, pagmamarka at paggamot sa ibabaw, pag-print at high-speed laser printing. Ginagamit ang mga ito sa mga laser rangefinder at three-dimensional na tagahanap, kagamitan sa telekomunikasyon, mga medikal na instalasyon, atbp.
Ang mga pangunahing uri ng fiber lasers ay tuloy-tuloy na wave single-mode lasers, kabilang ang single-polarization at single-frequency lasers; pulsed fiber laser na tumatakbo sa Q-switching, mode-locking, at random modulation mode; mahimig na fiber laser; superluminescent fiber lasers; high-power na tuloy-tuloy na multimode fiber laser.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng laser ay batay sa pagpapadala ng liwanag mula sa isang photodiode sa pamamagitan ng isang mahabang hibla. Ang fiber laser ay binubuo ng isang pump module (karaniwan ay broadband LEDs o laser diodes), isang light guide kung saan nangyayari ang lasing, at isang resonator. Ang light guide ay naglalaman ng aktibong substance (doped optical fiber - isang core na walang cladding, hindi tulad ng conventional optical waveguides) at pump waveguides. Ang disenyo ng resonator ay karaniwang tinutukoy ng mga teknikal na pagtutukoy, ngunit ang pinakakaraniwang mga klase ay maaaring makilala: Fabry-Perot type resonators at ring resonator. Sa mga pang-industriya na pag-install, kung minsan ang ilang mga laser ay pinagsama sa isang pag-install upang mapataas ang lakas ng output. Sa Fig. Ang Figure 1.2 ay nagpapakita ng isang pinasimple na diagram ng isang fiber laser device.
kanin. 1.2. Karaniwang fiber laser circuit.
1 - aktibong hibla; 2 - Mga salamin ng Bragg; 3 - pumping block.
Ang pangunahing materyal para sa aktibong optical fiber ay kuwarts. Ang mataas na transparency ng quartz ay sinisiguro ng mga puspos na estado ng mga antas ng enerhiya ng mga atomo. Ang mga impurities na ipinakilala sa pamamagitan ng doping ay binabago ang quartz sa isang absorbing medium. Sa pamamagitan ng pagpili ng kapangyarihan ng radiation ng bomba, sa ganitong kapaligiran posible na lumikha ng isang kabaligtaran na estado ng populasyon ng mga antas ng enerhiya (iyon ay, ang mga antas ng mataas na enerhiya ay mas mapupuno kaysa sa antas ng lupa). Batay sa mga kinakailangan para sa resonant frequency (infrared range para sa telekomunikasyon) at mababang threshold pump power, bilang panuntunan, ang doping ay isinasagawa gamit ang mga bihirang elemento ng lupa ng lanthanide group. Ang isa sa mga karaniwang uri ng mga hibla ay ang erbium, na ginagamit sa mga sistema ng laser at amplifier, ang hanay ng pagpapatakbo na kung saan ay nasa hanay ng wavelength na 1530-1565 nm. Dahil sa iba't ibang posibilidad ng paglipat sa pangunahing antas mula sa mga sublevel ng metastable na antas, ang kahusayan ng pagbuo o amplification ay naiiba para sa iba't ibang wavelength sa operating range. Ang antas ng doping na may mga rare earth ions ay kadalasang nakadepende sa haba ng aktibong fiber na ginagawa. Sa loob ng hanay na hanggang ilang sampu-sampung metro maaari itong mula sa sampu hanggang libu-libong ppm, at sa kaso ng haba ng kilometro - 1 ppm o mas mababa.
Ang mga salamin ng Bragg - isang ipinamamahaging Bragg reflector - ay isang layered na istraktura kung saan ang refractive index ng materyal ay pana-panahong nagbabago sa isang spatial na direksyon (patayo sa mga layer).
Mayroong iba't ibang mga disenyo para sa pumping optical waveguides, kung saan ang pinakakaraniwan ay mga purong disenyo ng hibla. Ang isang pagpipilian ay ilagay ang aktibong hibla sa loob ng ilang mga kaluban, kung saan ang panlabas ay proteksiyon (ang tinatawag na double-coated fiber). Ang unang shell ay gawa sa purong kuwarts na may diameter na ilang daang micrometer, at ang pangalawa ay gawa sa isang polymer na materyal, ang refractive index na kung saan ay pinili upang maging makabuluhang mas mababa kaysa sa quartz. Kaya, ang una at pangalawang cladding ay lumikha ng isang multimode waveguide na may malaking cross-section at numerical aperture kung saan inilunsad ang pump radiation. Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 1.3 ang pumping diagram ng isang laser batay sa isang double-coated fiber.
kanin. 1.3. Pumping circuit para sa isang laser batay sa isang double-coated fiber.
Ang mga bentahe ng fiber laser ay tradisyonal na kinabibilangan ng isang makabuluhang ratio ng lugar ng resonator sa dami nito, na nagsisiguro ng mataas na kalidad na paglamig, thermal stability ng silikon at maliliit na laki ng mga device sa magkatulad na klase ng kapangyarihan at mga kinakailangan sa kalidad. Ang isang laser beam, bilang panuntunan, ay dapat na ipasok sa isang optical fiber para sa kasunod na paggamit sa teknolohiya. Para sa mga laser ng iba pang mga disenyo, nangangailangan ito ng mga espesyal na optical collimation system at ginagawang sensitibo ang mga device sa mga vibrations. Sa fiber lasers, ang radiation ay direktang nabuo sa fiber, at mayroon itong mataas na optical na kalidad. Ang mga kawalan ng ganitong uri ng laser ay ang panganib ng mga nonlinear na epekto dahil sa mataas na density ng radiation sa fiber at ang medyo mababang output ng enerhiya sa bawat pulso dahil sa maliit na volume ng aktibong sangkap.
Ang mga fiber laser ay mas mababa kaysa sa solid-state na mga laser sa mga application kung saan kinakailangan ang mataas na polarization stability, at ang paggamit ng polarization-maintaining fiber ay mahirap para sa iba't ibang dahilan. Ang mga solid-state na laser ay hindi mapapalitan ng fiber lasers sa spectral range na 0.7-1.0 microns. Mayroon din silang mas malaking potensyal para sa pagtaas ng lakas ng output ng pulso kumpara sa mga fiber. Gayunpaman, mahusay na gumaganap ang mga fiber laser sa mga wavelength kung saan walang sapat na sapat na aktibong media o salamin para sa iba pang disenyo ng laser, at pinapayagan ang ilang disenyo ng laser tulad ng up-conversion na mas madaling maipatupad.
Sa pamamagitan ng pag-optimize ng single-mode optical fiber para sa paggamit sa fiber lasers, ang isang mataas na scalable na output power na 4.3 kW ay nakamit, at ang karagdagang mga direksyon sa pananaliksik para sa ultrafast laser application ay natukoy.
Ang isa sa mga pagpindot sa mga problema sa pag-unlad ng mga teknolohiya ng laser ay ang pagtaas ng lakas ng fiber lasers, na "nanalo" na sa market share mula sa high-power CO 2 lasers, pati na rin ang volumetric solid-state lasers. Sa kasalukuyan, ang mga malalaking tagagawa ng fiber laser ay binibigyang pansin ang pagbuo ng mga bagong aplikasyon, na isinasaalang-alang ang karagdagang pagsakop sa merkado sa hinaharap. Kabilang sa mga high-power laser na nasa merkado, ang mga single-mode system ay may ilang mga feature na ginagawa silang pinaka-hinahangad - mayroon silang pinakamataas na liwanag at maaaring ituon hanggang sa ilang microns, na ginagawang mas angkop ang mga ito para sa hindi- pagpoproseso ng materyal ng contact. Ang paggawa ng naturang mga sistema ay medyo kumplikado. Ang IPG Photonics (Oxford, MA) ay nagmungkahi ng pagbuo ng isang 10 kW single-mode system, ngunit ang impormasyon sa mga katangian ng beam ay hindi magagamit at ang data, sa partikular, sa anumang posibleng multimode na bahagi na maaaring umiral sa tabi ng single-mode signal ay hindi ibinigay. .
Sinuri ng mga German scientist mula sa Friedrich Schiller University at Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering, na may suportang pinansyal mula sa gobyerno ng Germany, at sa pakikipagtulungan ng TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Leibniz Institute for Photonic Technology, ang mga problema sa scaling ng tulad ng mga laser at nakabuo ng mga bagong hibla upang madaig ang mga limitasyon ng kapangyarihan. Matagumpay na nakumpleto ng koponan ang isang serye ng mga pagsubok, na nagpapakita ng 4.3 kW single-mode na output kung saan ang lakas ng output ng fiber laser ay limitado lamang ng lakas ng signal ng bomba.
Mga salik na naglilimita sa kapangyarihan ng radiation ng isang single-mode fiber laser
Ang mga pangunahing gawain na nangangailangan ng maingat na pag-aaral ay kinabibilangan ng mga sumusunod: a) pinahusay na pumping; b) pagbuo ng aktibong hibla na may mababang optical na pagkalugi, na tumatakbo lamang sa single-mode mode; c) mas tumpak na pagsukat ng natanggap na radiation. Ipagpalagay na ang problema ng pinabuting pumping ay maaaring malutas gamit ang ultra-bright laser diodes at naaangkop na mga paraan ng paghahatid ng pump, samakatuwid ay isasaalang-alang namin ang iba pang dalawa nang mas detalyado sa artikulong ito.
Bilang bahagi ng pagbuo ng aktibong hibla para sa high-power single-mode na operasyon, dalawang set ng mga parameter ng pag-optimize ang napili: doping at geometry. Ang lahat ng mga parameter ay dapat na malinaw na tinukoy upang makamit ang kaunting pagkalugi, single-mode na operasyon at malakas na pakinabang. Ang perpektong fiber amplifier ay dapat magbigay ng mataas na conversion na kahusayan na higit sa 90%, mahusay na kalidad ng beam, at isang output power na limitado lamang sa magagamit na pump power. Gayunpaman, ang pag-upgrade ng single-mode system sa mas matataas na kapangyarihan ay maaaring magresulta sa mas mataas na densidad ng kapangyarihan sa loob ng core ng fiber mismo, tumaas na thermal load, at ilang nonlinear optical effect gaya ng stimulated Raman scattering (SRS) at stimulated Brillouin scattering (SBS). ).
Maaaring pahusayin ang mga transverse mode depende sa laki ng fiber active zone. Kung mas maliit ang aktibong cross-section ng fiber, mas maliit ang bilang ng mga naturang mode - para sa isang partikular na ratio sa pagitan ng mga cross-section ng fiber at ng cladding. Gayunpaman, ang isang mas maliit na diameter ay tumutukoy din sa isang mas mataas na density ng kapangyarihan, at kapag baluktot ang isang hibla, halimbawa, ang mga pagkalugi para sa mas mataas na mga mode ay idinagdag din. Gayunpaman, na may malaking diameter ng fiber core at thermal stress, maaaring mangyari ang iba pang mga emission mode. Ang ganitong mga mode ay napapailalim sa pakikipag-ugnayan sa isa't isa sa panahon ng amplification, at samakatuwid, nang walang pinakamainam na mga kondisyon ng pagpapalaganap, ang output radiation profile ay maaaring maging spatially o pansamantalang hindi matatag.
Transverse mode instability
Ang Ytterbium (Yb) doped fibers ay ang karaniwang gumaganang medium para sa high-power single-mode fiber lasers, ngunit lampas sa isang tiyak na threshold ay nagpapakita sila ng ganap na bagong epekto - ang tinatawag na transverse mode instability (TMI) effect. Sa isang partikular na antas ng kapangyarihan, ang mga mas matataas na mode o kahit na mga shell mode ay maaaring biglang lumitaw. Ang enerhiya ay dynamic na muling ipinamamahagi sa pagitan ng mga ito, at ang kalidad ng sinag ay lumalala. Lumilitaw ang pagbabagu-bago ng radiation sa output (nagsisimulang mag-oscillate ang sinag). Ang epekto ng TMI ay naobserbahan sa iba't ibang disenyo ng fiber, mula sa mga step-index fibers hanggang sa mga photonic crystal fibers. Ang halaga ng threshold nito ay nakasalalay sa geometry at doping, ngunit ang isang magaspang na pagtatantya ay nagmumungkahi na ang epektong ito ay nangyayari sa mga kapangyarihan ng output na higit sa 1 kW. Sa panahon ng pag-aaral, ang pag-asa ng TMI sa photodarkening at ang koneksyon nito sa mga thermal effect sa loob ng fiber ay ipinahayag. Bukod dito, ang pagkamaramdamin ng mga fiber laser sa TMI ay nakasalalay din sa nilalaman ng modal core.
Ang step index fiber geometry ay nagbibigay-daan para sa pag-optimize. Para sa pumping, maaaring piliin ang mga sumusunod: fiber diameter, pump fiber cladding size, at iba pang refractive index ng fiber at cladding. Ang lahat ng mga parameter ng pag-tune na ito ay nakasalalay sa konsentrasyon ng dopant, iyon ay, ang konsentrasyon ng Yb ion ay maaaring gamitin upang kontrolin ang haba ng rehiyon ng pagsipsip ng radiation ng bomba sa aktibong hibla. Ang iba pang mga additives ay maaaring idagdag sa fiber upang mabawasan ang mga thermal effect at kontrolin ang refractive index. Gayunpaman, may ilang mga kontradiksyon. Upang mabawasan ang mga nonlinear na epekto, ang hibla ay dapat na mas maikli, at upang mabawasan ang thermal load, ang hibla ay dapat na mas mahaba. Ang photodarkening ay proporsyonal sa dopant concentration, kaya ang mas mahabang fibers na may mas mababang dopant concentration ay tiyak na magiging mas mahusay. Ang isang ideya ng ilang mga parameter ay maaaring makuha sa panahon ng eksperimento. Ang thermal behavior, halimbawa, ay maaaring imodelo ngunit medyo mahirap hulaan dahil ang photodarkening ay maliit sa kahulugan at hindi pisikal na masusukat sa mga pinabilis na pagsubok. Samakatuwid, ang mga direktang pagsukat ng thermal na pag-uugali sa mga hibla ay maaaring maging kapaki-pakinabang para sa eksperimentong disenyo. Ipinapakita sa paghahambing para sa isang tipikal na aktibong fiber ay ang sinusukat na thermal load (nagmula sa sabay-sabay na ipinamahagi na mga sukat ng temperatura sa loob ng fiber amplifier) at ang simulate na thermal load (Figure 1).
Figure 1. Sinusukat ang aktibong fiber thermal load kumpara sa simulate load na may at walang karagdagang pagkawala
Ang isa pang mahalagang parameter para sa disenyo ng fiber ay ang cutoff wavelength, na siyang pinakamahabang wavelength na nagpapataas ng bilang ng mga mode sa fiber. Ang mga mode ng mas mataas na antas na lampas sa wavelength na ito ay hindi suportado.
Pagsubok ng mga bagong fibers sa kilowatt power
Sa panahon ng eksperimento, dalawang uri ng Yb-doped fibers ang pinag-aralan. Fiber No. 1 na may core diameter na 30 microns na may karagdagang doping na may phosphorus at aluminum. Ang Fiber No. 2, na may mas maliit na diameter na 23 microns, ay hindi gaanong doped, ngunit naglalaman ng mas maraming ytterbium upang makamit ang isang mas mataas na profile coefficient kumpara sa fiber No. 1 (Talahanayan 1).
Talahanayan 1. Mga parameter ng nasubok na mga hibla
Ang kinakalkula na cutoff wavelength ay matatagpuan sa paligid ng 1275 nm at 1100 nm para sa mga fibers 1 at 2, ayon sa pagkakabanggit. Ito ay mas malapit sa single-mode emission kaysa sa karaniwang 20 µm core diameter, 0.06 numerical aperture (NA) fiber na may cutoff wavelength na ~1450 nm. Ang amplified laser wavelength ay sa huli ay nakasentro sa 1067 nm.
Ang parehong mga hibla ay sinubukan sa isang high-power pumping circuit (Larawan 2). Ang pump diode laser at ang paunang signal ay pinagsama sa libreng espasyo sa isang hibla na may mga welded na dulo at mga konektor, na hinugasan ng tubig para sa paglamig. Ang pinagmulan ng radiation ay isang phase-modulated external cavity diode laser (ECDL), ang signal na kung saan ay pre-amplified upang makamit ang input signal power na hanggang 10 W sa wavelength na 1067 nm at isang spectral na lapad na 180 μm.
Figure 2. High power amplifier experimental setup na ginagamit para sa fiber amplifier test kung saan ang fiber ay nabomba sa 976 nm sa counter propagation na direksyon.
Sa panahon ng pagsubok ng unang hibla, ang mga biglaang pagbabagu-bago ay naobserbahan sa isang millisecond scale sa 2.8 kW threshold, na maaaring maiugnay sa TMI. Ang pangalawang 30 m fiber, sa parehong wavelength at spectral width, ay na-pump sa isang output power na 3.5 kW, na limitado ng SBS kaysa sa TMI.
Sa ikatlong eksperimento, ang emitter laser spectrum ay binago upang mapataas ang fiber SBS threshold sa pamamagitan ng pagpapalawak ng spectrum (mas mataas kaysa sa nakaraang eksperimento). Para sa layuning ito, ang pangalawang diode laser na may gitnang wavelength na 300 μm ay pinagsama sa una. Ang interference na ito ay nagresulta sa temporal fluctuation na nagpapahintulot sa signal power na tumaas dahil sa autophase modulation. Gamit ang parehong pangunahing amplifier tulad ng dati, ang halos kaparehong mga halaga ng kapangyarihan ng output ay nakuha sa 90% na kahusayan, ngunit maaari lamang silang tumaas sa 4.3 kW nang walang TMI (Talahanayan 2).
Talahanayan 2. Resulta ng fiber test
Mga gawain sa pagsukat
Ang pagsukat sa lahat ng mga parameter ng isang high-power fiber laser ay isa sa mga pangunahing gawain at nangangailangan ng espesyal na kagamitan upang malutas ang mga ito. Upang makakuha ng kumpletong pagkilala sa hibla, natukoy ang konsentrasyon ng dopant, mga profile ng refractive index, at pagpapalambing ng fiber core. Halimbawa, ang pagsukat sa pagkawala ng core para sa iba't ibang diameter ng baluktot ay isang mahalagang parameter para sa ugnayan sa threshold ng TMI.
Figure 3. a) Photodiode intensity trace kapag sinusubukan ang output signal gamit ang fiber 1, sa ibaba at sa itaas ng TMI threshold. b) Normalized standard deviation ng photodiode traces sa iba't ibang output powers
Sa panahon ng pagsubok ng isang fiber amplifier, ang TMI threshold ay tinutukoy gamit ang isang photodiode sa pamamagitan ng pag-tap sa isang maliit na bahagi ng kapangyarihan. Ang simula ng pagbabagu-bago ng kapangyarihan ay naging medyo matalim at makabuluhan (Larawan 3), ang pagbabago ng signal ay lalong makabuluhan kapag sinusubukan ang fiber 1, ngunit hindi ito napansin kapag sinusubukan ang fiber 2 hanggang sa antas ng kapangyarihan na 4.3 kW. Ang kaukulang relasyon ay ipinapakita sa Figure 4a.
Figure 4. a) Fiber 2 efficiency slope hanggang 4.3 kW output power. b) Optical spectrum na may output power na 3.5 kW na may ratio na 75 dB mula sa output hanggang ASE. 180 µm spectral width na may 4.3 kW output power na pinalawig sa 7 nm bandwidth
Ang mga pagsukat ng kalidad ng beam ay ang pinakamahirap na bahagi ng fiber laser characterization at nararapat sa hiwalay na talakayan. Sa madaling salita, ang thermal-free attenuation ay susi at maaaring makamit gamit ang Fresnel reflections o low-loss optics. Sa mga eksperimento na ipinakita sa pagsusuri na ito, ang pagpapalambing ay ipinakilala gamit ang mga wedge plate at pulsed pumping sa isang sukat ng oras na lumampas sa oras ng pagsisimula ng TMI.
Mga aplikasyon sa mabilis na agham
Pagkatapos ng sampung taon na paghina, ang pagbuo ng makapangyarihang single-mode fiber laser ng isang bagong henerasyon sa kilowatt class na may mahusay na kalidad ng beam ay tila posible. Ang isang output power na 4.3 kW ay nakamit na, limitado lamang sa pamamagitan ng pump power, ang mga pangunahing limitasyon sa landas ng karagdagang pag-unlad ay natukoy at ang mga paraan upang malampasan ang mga ito ay malinaw.
Ang mga kapangyarihan na halos 1 kW ay nakamit na sa isang hibla kapag pinalakas ng ultrafast laser pulses, kaya ang pagtaas sa 5 kW ay ganap na posible sa pamamagitan ng kumbinasyon ng mga diskarte. Habang ang mga sistema ay binuo para sa mga sentro ng pananaliksik tulad ng ELI (Prague, Czech Republic), ang karagdagang pag-unlad ng maaasahang optical signal transmission system ay nananatiling isang hamon para sa mga sistemang pang-industriya.
Ang gawaing ginawa ay nakilala ang isang bilang ng mga kagiliw-giliw na mga prospect. Sa isang banda, ito ang paglilipat ng mga resulta sa produksyon, sa kabila ng katotohanan na kailangan pa rin ng maraming pagsisikap sa direksyon na ito, at sa kabilang banda, ang teknolohiya ay napakahalaga para sa pagtaas ng mga parameter ng iba pang mga fiber-optic laser system, halimbawa, para sa femtosecond fiber amplifier.
Batay sa mga materyales mula sa http://www.lightwaveonline.com
Sa mga naunang nai-publish na mga artikulo na sumusubok sa teknolohikal na potensyal, ang fiber laser ay nasuri para sa pinakaepektibong teknolohikal na aplikasyon nito, katulad ng pagputol, hinang, pagpapatigas, pagbubutas at paglilinis ng ibabaw. Ang isang fiber laser ay maaaring gawin ang lahat ng ito.
Gayunpaman, napakahalaga para sa mga tagapamahala at technologist ng mga pang-industriyang negosyo na maunawaan, bilang karagdagan dito, ang mga pang-ekonomiyang aspeto ng pagpapatupad ng fiber laser sa mga modernong teknolohiya ng laser. Kaya, pag-usapan natin ang mga isyu sa ekonomiya tungkol sa fiber laser na lumitaw sa panahon ng pagsusuri ng mga teknikal na proyekto sa pag-upgrade.
Dapat itong pansinin kaagad: ang mga pagkakaiba ay napakahalaga, dahil ang bagong fiber laser ay may isang bilang ng mga teknikal na katangian at tampok, dahil sa kung saan ito ay hindi ganap na tama upang ilipat ang karanasan ng paggamit ng mga klasikal na laser sa bagong kagamitan. Iyon ang dahilan kung bakit ipinapayong simulan kung ano ang fiber laser, una sa lahat, sa pamamagitan ng pagbalangkas sa mga tampok at pagkakaibang ito.
Fiber laser:
Ang natatanging habang-buhay ng mga modernong naglalabas (higit sa 100,000 oras na may posibilidad na pahabain ang habang-buhay sa medyo mababang gastos) at halos walang gastos sa pagpapatakbo. Mandatory, isinasaalang-alang ang aktwal na pagbubukod ng bahagi ng depreciation sa pamamagitan ng UST at VAT sa umiiral na sistema ng buwis. Dahil ito ay maaaring maging isang napakahalagang salik sa ekonomiya (ibig sabihin, ang bahagi ng pamumura ay nananatiling direkta sa iyong pagtatapon dahil hindi ito ginagamit).
Pinakamababang gastos at oras para sa paghahanda ng mga lugar at pag-commissioning. Sa panahon ng proseso ng pag-commissioning, ang fiber laser ay tinatawag na "installation".
Fiber laser, ang hindi kapani-paniwalang versatility bilang isang laser source. Bilang isang patakaran, ang isang fiber laser ay isang halimbawa ng isang mapagkukunan ng "purong" beam energy, kaya halos walang teknolohikal na pagtitiyak dito, iyon ay, sa panahon ng sari-saring uri o iba pang muling pagsasaayos ng produksyon, ang isang fiber laser ay maaaring muling i-reorient mula sa isang teknolohikal. proseso sa iba. Ang nasabing mapagkukunan ay maaari ring tawaging, siyempre (na may mga reserbasyon) - likido, sa kahulugan na ito ay nagpapanatili ng halaga at halaga sa sarili nito. Mula dito, ang ilang mga serbisyo ng laser exchange at pagpapaupa ay nagsisimulang bumuo (sa mga isyung ito, pinakamahusay na direktang makipag-ugnay sa tagagawa).
Fiber laser, ang mga pangunahing katangian nito:
Ang posibilidad na tumaas ang kapangyarihan nito. Maaari kang bumili ng fiber laser na may margin ng disenyo, halimbawa, kapag ibinibigay sa lakas na 700 W, at pagkatapos ay bumili lamang ng mga espesyal na pumping unit, at sa gayon ay tumataas ang kapangyarihan, halimbawa, hanggang 2400 W. Kasabay nito, sa isang sistema ng produksyon (ang proseso ng pag-install ng mga karagdagang bloke ay tumatagal ng hindi hihigit sa 3 oras) halos hindi na kailangang baguhin ang anuman. Nagbibigay-daan ito sa iyo na makabuluhang bawasan ang mga paunang pamumuhunan sa kapital, pati na rin pataasin ang pagiging produktibo sa sandaling kinakailangan para sa iyong produksyon.
Ang direktang pagdadala ng radiation sa pamamagitan ng optical cable, ang haba nito ay mula 10 hanggang 100 metro, ay lubos na nagpapadali sa disenyo at layout ng mga teknolohikal na sistema sa kabuuan. Maaari kang gumamit ng malaking hanay ng pang-industriyang robotics. Ito ay nagkakahalaga ng pagpuna na ang ilang mga gawain sa produksyon ay nangangailangan lamang ng 3 bahagi, katulad ng isang fiber laser/process head/industrial robot. Siyempre, sa kawalan ng karanasan, ang mga serbisyo ng isang kumpanya ng integrator ay kakailanganin pa rin, ngunit ang kabuuang mga gastos sa pag-aayos ng isang tiyak na sistema ng produksyon ay makabuluhang mababawasan.
Ang fiber laser ay isang multifunctional at multi-purpose teknolohikal na lugar para sa maximum na paglo-load ng laser source. Naturally, ito ay hindi kasing-dali ng maaaring tila sa unang tingin, ngunit ito ay lubos na posible. At dahil sa kahalagahan ng posibilidad na ito, tatalakayin pa natin ito.
Isang tanong para sa mga espesyalista at tauhan sa pangkalahatan. Tinatanggal ng fiber laser ang pangangailangan para sa isang kumpanya na mapanatili ang isang buong kawani ng mga espesyalista na may kaalaman sa optika, mga sistema ng vacuum at mga paglabas ng kuryente. Isang fiber laser, walang kailangan para patakbuhin ito, dahil ang pagsasanay sa operator ay tumatagal ng hindi hihigit sa 1 linggo. Siyempre, hindi nito mapawi ang negosyo ng pangangailangan para sa mga karampatang technologist, ngunit ito ay isa pang tanong na talagang walang kinalaman sa laser mismo. Ito ay lubos na posible na gamitin ang mga umiiral na kawani at sa parehong oras makamit ang isang mas mataas na antas ng kahusayan sa pagpapatakbo.
Fiber laser, ang mga pangunahing teknolohiya nito:
Ang 7 puntos sa kanilang sarili ay maaaring pukawin ang mataas na interes sa mga bagong modernong kagamitan. Upang mapahusay ang epekto, dapat na nakalista ang ilang pangunahing teknolohiya:
- laser cutting ng mga metal. Pinag-uusapan natin hindi lamang ang tungkol sa klasikong pagputol ng mga sheet, kundi pati na rin ang napaka-volumetric na pagputol, halimbawa, sa paggamit ng mga pang-industriyang robot;
- laser perforation (mga elemento ng filter, meshes);
- laser welding. Una sa lahat, ito ay high-performance seam butt welding nang hindi gumagamit ng mga paghahanda sa gilid at mga filler na materyales. Ngunit ngayon, ang mga technologist ay medyo mabilis na bumubuo ng mga hybrid na proseso, iyon ay, pinagsamang mga scheme ng welding na pinagsasama ang isang laser beam at, nang naaayon, isang electric arc;
- Ang laser hardening (heat treatment) ay isang proseso na nagbibigay ng lokal na hardening ng ilang mga fragment ng isang bahagi na walang makabuluhang thermal effect sa bahagi;1
- Ang laser surfacing ay isang analogue ng pagkilos ng arc surfacing, na nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na lokalidad at katumpakan;
- paglilinis ng laser ng mga coatings at dumi. Ang pinaka-friendly na paraan ng paglilinis, at isang hindi nakikipag-ugnayan na may potensyal na makipagkumpitensya sa mga teknolohiya ng masa, tulad ng sandblasting.
Direktang lumipat sa mga aspeto ng ekonomiya, nararapat na tandaan na ang fiber laser at ang sistema nito ay kasalukuyang isang order ng magnitude na mas mahal kaysa sa mga klasikal na CO2 laser at samakatuwid ang presyo ng laser mismo ay karaniwang bumubuo ng isang makabuluhang bahagi ng teknolohikal na sistema sa kabuuan. .
Fiber laser, ang pinakamababang hanay nito ay kinabibilangan ng: kagamitan na nilayon para sa pagsasagawa ng teknolohikal na operasyon na may laser ay kinabibilangan ng:
- ang fiber laser ay dapat may tinukoy na halaga ng rub./kW;
- ang isang fiber laser ay may isang espesyal na ulo ng pagproseso ng laser, na bumubuo ng isang daloy ng radiation, pati na rin ang mga daloy ng iba pang mga sangkap nang direkta sa processing zone;
- manipulator (robotic) para sa paglipat ng produkto o laser head, pati na rin para sa pangkalahatan at masusing kontrol sa proseso. Kung gumagamit ka ng isang yari at unibersal na fiber laser, ang mga gastos ay direktang nakasalalay sa pagsasaayos at, siyempre, ang tatak.
Fiber laser, ang pinakamababang set nito para sa isang laser technological system ay ang mga sumusunod: 1 – laser, 2 – teknolohikal na ulo, 3 – optical cable, 4 – manipulator.
Kaya, para sa isang teknolohikal na sistema na may kapangyarihan na 1000 W, ang pangunahing halaga ng mga gastos sa kapital ay humigit-kumulang 6 na milyong rubles. RF. Sa katunayan, hindi ito ang lahat ng mga gastos, dahil kinakailangan ding isaalang-alang ang mga gastos ng software, pagsasama, paghahanda ng mga lugar at produksyon. Samakatuwid, para sa kapakanan ng pagiging simple ng mga kalkulasyon, magiging pinaka-makatwirang ipagpalagay na ang halaga ng kabuuang pamumuhunan - isang fiber laser - ay humigit-kumulang 2 presyo. Ang isang katulad na proporsyon ay sinusunod sa partikular para sa mga laser machine na idinisenyo para sa pagputol ng metal. Ang fiber laser ay may kapangyarihan na 2000 W. Ang mga presyo ay mula 12 hanggang 14 milyong Russian rubles. Kasabay nito, ang mga kagamitan sa pagputol ng laser ay isang medyo malaking kumplikadong sistema na may malalaking sukat. Gayunpaman, salamat sa serial production at standard, well-tested na teknolohiya, ang presyo ay kapansin-pansing nabawasan.
Sa iba pang mga teknolohikal na proseso (halimbawa, welding, hardening), ang kumplikado ng naturang kagamitan ay maaaring maging mas simple, ngunit narito ito ay nagkakahalaga ng pagsasaalang-alang na sa yugtong ito ang mga teknolohiyang ito ay hindi nakabalot sa karaniwang mga serial complex (iyon ay, sa ito kaso magkakaroon ng mga gastos para sa teknolohiya at inhinyeriya, at napakahalaga sa mga iyon). Samakatuwid, ang x2 coefficient para sa isang malawak na klase ng mga gamit na may average na antas ng automation (ibig sabihin, ang proseso ng pagpoproseso ay awtomatiko, at ang paglo-load at pagbabawas ay alinman sa semi-awtomatiko o manu-mano) ay maaaring makatwiran.
Economics ng teknolohiya ng laser sa pamamagitan ng pagsusuri ng 2 problema sa produksyon ng pagsubok
Isaalang-alang natin ang unang problema sa produksyon, tungkol sa isang fiber laser:
Kaya, bilang unang gawain sa pagsubok, isaalang-alang natin ang mass production ng mga bahagi na may cylindrical geometry, kung saan kinakailangan na magwelding ng 2 kalahating katawan sa isang solong (solid) na selyadong katawan. Ito ay isang karaniwang gawain sa paggawa ng iba't ibang uri ng mga filter. Ang bakal ay 0.5-1 mm ang kapal, na ang average na diameter ng produkto ay 60 mm. Ang layunin ng problema ay ang pinakamataas na dami ng produksyon sa pinakamababang halaga ng produkto.
Ang sistema ng produksyon mismo ay halos awtomatikong na-synthesize para sa gawaing ito. Para sa mabilis na laser welding ng naturang produkto, kailangan mo ng fiber laser na may lakas na humigit-kumulang 700 W (i.e., ang linear welding speed ay halos 50 mm/sec), kailangan mo ng medyo simpleng welding head, isang product rotator (automated) at, nang naaayon, isang sistema sa paglo-load at pagbabawas ng mga workpiece. Para sa loading system, posibleng gumamit ng simpleng tray feeder. Fiber laser, ipinapalagay na ang mga produktong inilaan para sa hinang ay na-pre-assembled na ng mga manggagawa. Gayunpaman, depende sa antas ng kalidad ng mga workpiece mismo (pag-calibrate ng laki), isang sistema ng pagwawasto para sa pinagsamang mga produkto - ang posisyon ng ulo ng hinang - ay maaaring kailanganin. Sa pangkalahatan, ang gastos ng pagbuo at, nang naaayon, ang paggawa ng tulad ng isang medyo simpleng sistema ay humigit-kumulang 5 milyong rubles.
Maaari tayong gumawa ng isang maliit na konklusyon pagkatapos ng teksto na ipinakita:
- Ang mga pang-ekonomiyang parameter ng system ay lumala nang malaki habang ang antas ng pagkarga ng kagamitan at, siyempre, bumababa ang mga tauhan: kapag gumagawa, halimbawa, 10% ng mga produkto/bahagi mula sa pinakamataas na pigura ng proseso ng produksyon, ang gastos ay tataas lamang ng 10 beses. Kaya, sa parehong mga kaso, ang medyo mahal na kagamitan ay hindi gaanong ginagamit at, nang naaayon, ang mga tauhan ay nakaupo nang walang ginagawa.
- Sa mga tuntunin ng gastos, ang pagsuko sa automation ay wala ring nagagawa: ang paglipat sa mga di-automated na teknolohikal na proseso ay tataas din ang halaga ng mga produkto, at matalas. Mangyayari ito dahil sa pangkalahatang pagbaba sa produktibidad ng paggawa.
- Ang paggamit ng teknolohiya ng laser ay nagpapahintulot sa iyo na "manalo" lamang sa pinakamataas na pag-load (o hindi bababa sa malapit sa maximum) ng sistema ng produksyon at direktang kapaki-pakinabang para sa mga kondisyon ng produksyon mismo, at malakihang produksyon sa gayon. Ang mataas na kalidad ng proseso ng pagpoproseso ng laser (i.e. reproducibility at stability) ay lubhang mahalaga para sa mga naturang produksyon.
Ito ay malinaw na para sa malakihang mga aplikasyon, ang payback sa fiber laser welding ay maaaring masyadong mabilis dahil sa isang matalim na pagtaas sa pangkalahatang produktibidad.
Isaalang-alang natin ang pangalawang problema sa produksyon, tungkol sa isang fiber laser:
Bilang isang patakaran, maraming mga tunay na negosyo ang nailalarawan sa pamamagitan ng makabuluhang mas mababang serial production, kaya ang problema sa paglo-load ng laser source ay patuloy na babangon.
Halimbawa, ang isang partikular na negosyo ay gumagawa ng isang kumplikadong produkto na binubuo ng isang cylindrical na katawan at isang takip na may isang malakas na elemento ng pangkabit ay dapat na welded dito, at 2 elemento ay dapat ding direktang hinangin sa takip mismo. Sa loob ng naturang produkto ay mayroon ding isang baras na nagpapatakbo sa abrasion mode, samakatuwid ay nangangailangan ng pagpapalakas, pati na rin ang isang filter para sa likido, na ginawa sa anyo ng isang singsing kung saan ang isang metal mesh ay ibinebenta. Ang tinatayang serial production ng naturang mga produkto ay 100,000 kada taon.
Sa isang tipikal na pangunahing teknolohiya para sa pagmamanupaktura ng mga produkto, ang mga sumusunod na teknolohikal na proseso ay ginagamit:
- paggawa ng mga forging na inilaan para sa isang ulo na may mata;
- kumplikadong mekanisadong pagproseso ng mga forging;
- pagputol ng mga butas (ilang) sa katawan gamit ang isang mekanikal na pamamaraan;
- hinang ang mga kinakailangang bahagi sa mga butas;
- ang hinang ng ulo sa pangunahing katawan ay manu-manong arko;
- volumetric hardening ng baras, chrome plating at paggiling;
- pagputol ng mesh ng singsing;
- kasunod na paghihinang ng mesh kasama ang panlabas at panloob na mga contour (isang medyo mahirap i-automate ang proseso na may mataas na antas ng mga depekto).
Ang produkto ng gawaing pagsubok na ito: 1 - katawan, 2 - takip, 3 - hinangin na bahagi, 4 - singsing na may mga butas, 5 - filter mesh. Fiber laser:
Posible bang gumamit ng fiber laser upang maisagawa o gawing simple ang teknolohikal na proseso sa paggawa ng naturang produkto? Ang kakanyahan ng ideya ay ang mga sumusunod: upang gumamit ng fiber laser nang direkta sa mode ng time division, sa gayon ay naglo-load ng mapagkukunan nito sa iba't ibang mga operasyon. Mula sa teknikal na pananaw, umiiral ang gayong posibilidad, ngunit tatalakayin natin ang mga teknikal na aspeto nito sa dulo ng kuwento.
Batay sa mga parameter ng teknolohiya ng laser ng fiber laser mula sa database, tinatantya namin, una sa lahat, na kakailanganin namin ng laser source na may lakas na 1500 W. Ito ay, siyempre, ang pinakamababang lakas na kinakailangan upang mapagkakatiwalaan na hinangin ang mga elemento. Dahil ang multifunctional na paggamit ng laser ay pinlano, ang presyo ng robotic equipment, bilang panuntunan, ay dapat na mas mataas.
Kinakailangan din na banggitin ang isang napakahalagang mahalagang kalamangan: ang pagtaas sa antas ng kalidad ng produkto ay isang napakahalaga at makabuluhang mapagkumpitensyang kadahilanan nang direkta sa merkado ng pagbebenta, na nagpapahintulot sa amin na sakupin ang isang makabuluhang bahagi nito.
Ito ay nagkakahalaga lalo na ang pagbibigay-diin na ang fiber laser at ang utilitarian na pagiging posible nito sa lahat ng nakaplanong teknolohikal na proseso kapag ginagamit ito ay sumailalim na sa naaangkop na pagsubok at ang paunang pang-eksperimentong data sa mga prosesong ito ay magagamit.
Kaya: isang fiber laser, ang kumplikadong paggamit nito ng isang hanay ng mga teknolohiya ng laser ay maaaring makatotohanang magbigay ng isang medyo malaking pangkalahatang epekto, ngunit sa kondisyon lamang na ang kagamitan ng laser ay ganap na na-load!
Ang gastos ng opsyon sa produksyon ng laser ay kinakalkula lamang sa isang underestimated na gastos ng isang pang-industriya na negosyo, ngunit ang isang matapat na pagkalkula ng gastos bawat minuto ay malinaw na nagpapakita na ang margin ng kakayahang kumita ng naturang proyekto ay napakalaki at halata na ito ay makabuluhang kumikita kahit na. na may mataas na gastos sa overhead - at ito ay isang katotohanan!
Kapansin-pansin din ang fiber laser: ang taga-disenyo ng laser system ay maaaring magmungkahi na hatiin ang teknolohikal na pag-andar sa 2 laser complex nang walang simetrya (i.e., hindi pantay-pantay) - ang 1st laser complex ay gumaganap ng eksklusibong pagputol ng mga butas at welding work, at ang 2nd ay gumaganap ng natitirang mga operasyon para sa pagmamanupaktura ng mga filter at pagpapatigas ng mga baras. O maaari itong iwanan lamang ang unang kumplikado, na nagsasagawa ng mga operasyon sa unang dalawang kadahilanan, dahil sa kanilang pangunahing kontribusyon sa kakayahang kumita ng proyekto sa kabuuan. Fiber laser, ang mga desisyong ito ay tiyak na matutukoy sa maraming paraan sa pamamagitan ng mga teknikal na isyu, katulad ng mga tanong na: "Paano eksaktong ipinatupad ang multifunctionality?" - "Posible ba talaga itong ipatupad sa teknikal?" - "Anong mga agarang problema ang maaaring humantong dito?" Isaalang-alang natin ang mga opsyon at posibilidad.
Fiber laser at mga aplikasyon nito:
Ang paggamit ng robot na may laser head na nakalagay sa manipulator nito para sa ibinigay na gawain sa pagsubok ay isang ganap na matagumpay na solusyon. Una sa lahat, ang robot ay may kakayahang awtomatikong hinang ang singsing sa pangunahing takip sa lahat ng 4 na panig na may kaunting oras na ginugol sa mga transition, at sa panahon ng paggawa ng isang elementary rotary product positioner na may pag-alis at manu-manong pag-install, ang pagkawala ng oras nang direkta para sa ang paglo-load at pagbabawas ay mababawasan din. Na, siyempre, ay totoo din para sa iba pang mga operasyon ng pagputol at hinang.
Ang paggamit ng mga unibersal na robot ay may kalamangan na ang mga gastos sa pagdidisenyo at pagkatapos ay pagmamanupaktura ng hindi karaniwang teknolohikal na kagamitan at tooling ay halos maalis. Dahil ang pangunahing pasanin ng pagsasanay sa produksyon ay nahuhulog nang tumpak sa paghahanda ng ilang mga programa para sa robot, iyon ay, ang kahusayan nito.
PAGGAMIT NG MARAMING SITE.
Ang solusyon na ito ay nangangailangan ng pagbuo ng isang hiwalay na teknolohikal na istasyon para sa ganap na lahat ng mga teknolohikal na operasyon, na nilagyan ng isang highly functional na manipulator. Kasunod ng pagkumpleto ng isang tiyak na operasyon, ang laser head, na konektado sa pamamagitan ng isang optical cable sa laser, ay muling na-install sa isa pang teknolohikal na istasyon, at naaayon ay muling inaayos para sa isa pang operasyon na isinagawa sa pareho o ibang batch ng mga produkto.
Kasunod ng pagkumpleto ng isang tiyak na operasyon, ang fiber laser, ang laser head nito, na konektado sa pamamagitan ng isang optical cable sa laser, ay muling na-install sa isa pang teknolohikal na istasyon, naaayon sa isa pang operasyon, at isa pang operasyon ay naproseso, na isinasagawa sa pareho o iba pa. batch ng mga produkto.
Fiber laser Sa kasamaang palad, hindi pa posible na magkaroon ng personal na laser technological head sa iba't ibang posisyon. Dahil ang pag-undock mula sa ulo ng isang optical cable sa isang workshop na kapaligiran ay mahigpit na ipinagbabawal dahil sa dustiness, dahil ang pinakamaliit na speck ng alikabok mula sa isang optical fiber, kapag ito ay tumama sa isang optical output, bilang isang panuntunan, ay humahantong sa hindi maibabalik na pagkasira ng output na ito. Ang isang solusyon sa problemang ito ay sabik na hinihintay ng lahat ng mga negosyo na may katulad na kagamitan, at marahil sa malapit na hinaharap ay matatagpuan pa rin ito.
APLIKASYON NG OPTICAL MULTIPLEXERS
Isang bagong feature, na kasalukuyang bihirang ginagamit. Ang pangunahing kakanyahan nito ay ang mga sumusunod: maaari kang bumili ng isang partikular na espesyal na switch ng laser beam, na konektado sa pamamagitan ng input nito sa laser, at sa mga indibidwal na post sa pamamagitan ng ilang mga output na may mga ulo ng proseso. Ang paglipat ng radiation ay nangyayari nang mabilis sa pagitan ng mga istasyon, at ang ganitong sistema ay maaaring mabawasan ang pagkawala ng oras para sa pagpapalit ng mga produkto at mga teknolohikal na paglipat.
Upang gawin ito, ang top-level system ay dapat magbigay ng mga function ng pagpapadala, gayundin ang direktang ipamahagi ang mga mapagkukunan ng laser source ayon sa mga kahilingan ng mga teknolohikal na post na ito. Dahil sa mga kalkulasyon para sa pagbuo, ipinapalagay namin na ang oras ng paglo-load at pagbabawas ay hindi bababa sa katumbas ng oras ng pagpapatakbo, sa kasong ito, kapag gumagamit ng tulad ng isang multiplexer, isang laser lamang ang sapat upang maipatupad ang isang programa ng pagsubok para sa paggawa ng humigit-kumulang 100,000 mga produkto.
Ang halaga ng naturang multiplexer ay mga 1-2 milyong rubles. Bilang karagdagan, dapat tandaan na ang fiber laser ay maaaring i-order gamit ang isang built-in na multiplexer na may ilang mga output.
Marahil ang tanging disbentaha ay ang multiplexer ay bahagyang nagpapababa sa kalidad ng radiation (i.e., sa output kinakailangan na gumamit ng isang hibla ng isang mas malaking cross-section), ngunit ito ay kritikal lamang para sa pagputol ng laser. Fiber laser, ang katulad na sistema nito ay ang pinaka-optimal at kapaki-pakinabang. Para sa isang multiplexer, ang mga karagdagang gastos sa kapital ay binabayaran nang maraming beses salamat sa antas ng pag-load ng laser.
Kaya: 1 - laser, 2 - optical switch, 3 - ulo (teknolohiya), 4 - teknolohikal na istasyon, 5 - central control system.
Ang isa pang mahalagang isyu na may kaugnayan sa versatility ng mga laser head mismo: Kung plano mong gumamit ng isang pang-industriya na robot o isang multi-station area, kung gayon ang laser head ay dapat magkaroon ng ari-arian ng versatility (iyon ay, magagawang magsagawa ng iba't ibang mga teknolohikal na proseso) . Ngayon, ang mga tagagawa ng Kanluran ay hindi gumagawa ng gayong mga ulo!
Gayunpaman, umiiral na ang naturang kagamitan: malapit nang magsimula ang mass production - isang unibersal na tunable na ulo na maaaring magsagawa ng buong pangunahing hanay ng mga teknolohikal na operasyon gamit ang fiber laser radiation (welding, cutting, hardening, perforation). Ang pagbagay ng ulo sa anumang partikular na operasyon ay isinasagawa kapwa sa pamamagitan ng awtomatikong pag-convert ng optical system at sa pamamagitan ng isang maaaring palitan na teknolohikal na attachment (i.e., ang kapalit nito), na naka-attach ayon sa prinsipyo ng kilalang magnetic suspension.
Fiber laser, ang mga pakinabang nito:
Ang mga pagtatantya ay nagpapakita na ang fiber laser ay may malaking potensyal na pang-ekonomiya.
- Ang mataas na kakayahang kumita ng mga proyekto ng fiber laser batay sa mga modernong laser ay sinisiguro na eksklusibo sa maximum na load ng kagamitan, iyon ay, dahil sa medyo makabuluhang pagiging maaasahan at natatanging mapagkukunan ng mga bagong laser, posible ito sa teknikal.
- Ang mga multifunctional teknolohikal na lugar na nagbabahagi ng mapagkukunan ng laser source ay maaaring magkaroon ng isang makabuluhang hinaharap.
- Sa kabila ng makabuluhang pamumuhunan sa kapital, ang pagbabayad sa kagamitan ng laser at mga teknolohikal na sistema ng laser sa pangkalahatan ay maaaring napakabilis, hanggang 1-1.5 taon.
Ang fiber laser ay isang laser na may ganap o bahagyang fiber-optic na pagpapatupad, kung saan ang gain medium at, sa ilang mga kaso, ang resonator ay gawa sa optical fiber.
Ang fiber laser ay isang laser na may ganap o bahagyang fiber optic na pagpapatupad, kung saan optical fiber A isang gain medium at, sa ilang mga kaso, isang resonator ang ginawa. Depende sa antas ng pagpapatupad ng fiber, ang isang laser ay maaaring all-fiber (aktibong medium at resonator) o discrete fiber (fiber only resonator o iba pang elemento).
Ang mga fiber laser ay maaaring gumana sa tuluy-tuloy na alon pati na rin ang nano- at femtosecond pulsed pulses.
Disenyo laser depende sa mga detalye ng kanilang trabaho. Ang resonator ay maaaring isang Fabry-Perot system o isang ring resonator. Sa karamihan ng mga disenyo, isang optical fiber doped na may mga ions ng rare earth elements - thulium, erbium, neodymium, ytterbium, praseodymium - ay ginagamit bilang aktibong medium. Ang laser ay pumped gamit ang isa o higit pang mga laser diodes direkta sa fiber core o, sa mga high-power system, sa panloob na cladding.
Ang mga fiber laser ay malawakang ginagamit dahil sa isang malawak na seleksyon ng mga parameter at ang kakayahang i-customize ang pulso sa isang malawak na hanay ng mga tagal, frequency at kapangyarihan.
Ang kapangyarihan ng fiber lasers ay mula 1 W hanggang 30 kW. Haba ng optical fiber - hanggang 20 m.
Mga aplikasyon ng fiber laser:
– pagputol mga metal at polimer sa pang-industriyang produksyon,
– katumpakan pagputol,
– microprocessing mga metal at polimer,
– paggamot sa ibabaw,
– paghihinang,
– paggamot sa init,
– pag-label ng produkto,
– telekomunikasyon (mga linya ng komunikasyon sa fiber optic),
– produksyon ng electronics,
– paggawa ng mga medikal na kagamitan,
– instrumentong pang-agham.
Mga kalamangan ng fiber laser:
– Ang fiber lasers ay isang natatanging tool na nagbubukas ng bagong panahon sa pagproseso ng mga materyales,
– portability at ang kakayahang piliin ang wavelength ng fiber lasers ay nagbibigay-daan para sa mga bagong epektibong application na hindi magagamit para sa iba pang mga uri ng kasalukuyang umiiral na mga laser,
– higit na mataas sa iba pang mga uri ng laser sa halos lahat ng mahahalagang parameter na mahalaga mula sa punto ng view ng kanilang pang-industriyang paggamit,
– posibilidad na i-customize ang pulso sa isang malawak na hanay ng mga tagal, frequency at kapangyarihan,
– ang kakayahang magtakda ng pagkakasunud-sunod ng mga maikling pulso na may kinakailangang dalas at mataas na lakas ng rurok, na kinakailangan, halimbawa, para sa pag-ukit ng laser,
– malawak na pagpipilian ng mga parameter.
Paghahambing ng iba't ibang uri ng laser:
| Parameter | Kinakailangan para sa pang-industriyang paggamit | CO 2 | YAG-Nd lamp-pumped | Diode-pumped YAG-Nd | Mga laser ng diode | |
| Output power, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Haba ng daluyong, µm | bilang mas mababa hangga't maaari | 10,6 | 1,064 | 1.064 o 1.03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Kahusayan, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Hanay ng paghahatid ng fiber radiation | 10…300 | wala | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Katatagan ng kapangyarihan ng output | bilang mataas hangga't maaari | mababa | mababa | mababa | mataas | napakataas |
| Sensitibo ng back-reflection | bilang mababang hangga't maaari | mataas | mataas | mataas | mababa | mababa |
| Okupado na lugar, sq.m | bilang mas mababa hangga't maaari | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Gastos sa pag-install, mga kamag-anak na yunit | bilang mas mababa hangga't maaari | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Gastos ng operasyon, rel | bilang mas mababa hangga't maaari | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Gastos ng pagpapanatili, rel | bilang mas mababa hangga't maaari | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Dalas ng pagpapalit ng mga lamp o laser diodes, oras. | hangga't maaari | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus pulsed fiber ytterbium laser 50w 100kw bumili ng tagagawa
solid state fiber lasers
metal cutting playwud kahanga-hangang cernark engraving mode ng malalim na ukit na may fiber laser
ytterbium fiber laser device
fiber machine nagbebenta ng laser
prinsipyo ng operasyon produksyon Fryazino 1.65 microns teknolohiya ytterbium bumili ng presyo ipg hp 1 optical para sa pagputol ng metal ukit pulse prinsipyo ng operasyon machine optical application kapangyarihan gawin ito sa iyong sarili device diagram wavelength welding tagagawa cuts sa waves
Demand factor 902
Ang mga fiber laser ay nauunawaan bilang optically pumped solid-state lasers, ang aktibong elemento nito ay isang fiber light guide na may mga additives ng laser activators. Ang pinaka-promising para sa mga light-guide system ay ang mga laser batay sa mga fibers na na-activate ng neodymium ions na may dalawang pangunahing linya ng laser na may gitnang wavelength na µm at µm, na nasa spectral range kung saan ang pagkawala at dispersion ng liwanag sa mga quartz fibers ay minimal.
kanin. 4.11. Depende sa haba ng seksyon ng relay sa rate ng paghahatid ng impormasyon para sa isang stepped fiber na may attenuation para sa microns:
1 - para sa isang laser diode (ang katangian ng pagtanggi sa seksyon ng BC ay dahil sa intermode dispersion) 2 - para sa isang sbeto-emitting diode (ang katangian ng pagtanggi ay dahil sa malawak na spectrum ng diode sa seksyon, at bilang karagdagan sa dalas ng pagbaba ng katangian sa seksyon)
Ang mga spectral na katangian ng amplification ng neodymium ay halos independiyente sa mga panlabas na kondisyon ang temperatura drift ng wavelength na tumutugma sa maximum na amplification ng neodymium ions ay pantay, habang para sa semiconductor media ang parameter na ito ay Ang disenyo ng hibla ng emitter ay nagbibigay-daan sa paggamit ng mga karaniwang konektor sa epektibong ipinapasok ang radiation sa fiber light guides, kabilang ang at single-mode.
Sa kabila ng mga pakinabang na ito at, tulad ng ipapakita sa ibaba, malawak na pag-andar, ang mga fiber laser ay hindi pa umalis sa yugto ng pananaliksik. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na kapag lumilikha ng mga fiber-optic system, maraming mga problema ang nalutas gamit ang mahusay na binuo na mga semiconductor emitters, lalo na sa medyo simpleng mga sistema na ipinatupad sa unang lugar, kung saan ang isa sa mga pangunahing bentahe ng mga mapagkukunan ng semiconductor ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel. - ang posibilidad ng direktang modulasyon ng intensity ng radiation ng kasalukuyang pump. Sa solid-state lasers, lalo na sa mga laser batay sa neodymium-activated media, ang high-speed modulation ng radiation intensity sa pamamagitan ng pagbabago ng pump power ay sa panimula imposible dahil sa medyo mahabang longitudinal relaxation time. Ang kawalan ng kakayahang mabilis na "i-on" ang baligtad na populasyon ay naglilimita sa direktang mga frequency ng modulasyon sa mga halaga ng Hz. Pag-unlad ng mga light-guide system, lalo na ang mga promising system sa malapit na hinaharap na may magkakaugnay na pagtanggap at multi-channel spectral
Pinasisigla ng compaction ang pagbuo ng mga fiber laser, na maaaring magamit hindi lamang bilang mga generator, kundi pati na rin bilang mga light amplifier.
Ang mga kasalukuyang disenyo ng fiber laser ay maaaring nahahati sa tatlong grupo. Ang mga fiber laser ng unang grupo ay gumagamit ng mga bundle ng ilang mahabang fibers at malakas na pumping na may pulsed gas-discharge lamp. Ang positibong feedback sa naturang mga istraktura ay nabuo dahil sa pagmuni-muni ng liwanag mula sa mga dulo ng mga hibla at backscattering sa microbends at inhomogeneities.
kanin. 4.12. Mga disenyo ng fiber laser: a - may end pumping; b - na may transverse pumping para sa maliit na diameter na mga hibla, c - na may direktang pagtula ng mga hibla sa isang ruler - nagpapalabas ng platform - laser resonator mirror, transparent sa radiation, 13 - aktibong hibla, 5 - resonator mirror; 6 - optical glue, 8 - reflector, 9 - glass cylinder, 10, 12 - radiators; 11, 14 - Mga linya ng LED
Ginagawang posible ng tube pumping na makamit ang matataas na pakinabang sa isang solong pass, ngunit nangangailangan ng paggamit ng mga forced liquid cooling system at malalaking power supply, na tila hindi makatotohanan ang paglikha ng mga maliliit na device. Ang ilang mga prospect sa ganitong kahulugan ay maaaring nasa paggamit ng gas-discharge microlamp. Kabilang sa mga bentahe ng mga disenyong may lamp-pumped ang posibilidad na gamitin ang mga ito bilang mga optical amplifiers ng paglalakbay at regenerative amplifiers na may medyo mataas (~30-40 dB) na nakuha.
Ang pangalawang grupo ng mga disenyo ng fiber laser ay gumagamit ng maiikling haba ng monocrystalline at mga glass fiber na doped na may mga neodymium ions. Ang pumping ay isinasagawa sa dulo ng fiber na may semiconductor laser o LED. Ang isang sapat na mataas na kahusayan ng bomba ay nakakamit sa pamamagitan ng pagtutugma ng emission spectrum ng isang semiconductor emitter batay sa isang GaAlAs GVD na may isa sa mga matinding absorption lines ng neodymium na may gitnang wavelength na humigit-kumulang
0.81 µm. Ang disenyo ng fiber lasers ng pangalawang pangkat ay ipinapakita sa eskematiko sa Fig. 4.12, a. Dahil sa mababang pakinabang ng aktibong daluyan, nabuo ang lukab ng laser
dielectric mirror na may mataas na reflectivity. Ang mga laser na batay sa monocrystalline fibers na gawa sa yttrium aluminum garnet na may neodymium at glass quartz fibers na may neodymium ay may ganitong disenyo. May mga ulat ng henerasyon na may end-pumping ng isang krypton laser sa isang mala-kristal na hibla at may pumping ng isang argon laser sa isang ruby fiber Ang pinakamahusay na mga resulta ay nakuha kapag gumagamit ng isang kristal na may isang hibla na geometry, 0.5 cm ang haba at 80 μm ang lapad. Ang panlabas na resonator (Larawan 4.12, a) ay nabuo ng mga salamin na may dielectric coating, na ang isa ay may reflectance para sa laser radiation na may microns at para lamang sa pump radiation, ang pangalawang salamin na may parehong mataas na reflectivity para sa laser radiation ay sumasalamin sa pump. ilaw nang maayos Ang mga salamin ay matatagpuan halos malapit sa mga dulo ng hibla. Ang pumping ay isinagawa ng isang ibabaw na LED na may diameter ng emitting area na 85 μm. Ang threshold pump power ay
Ang pangunahing bentahe ng fiber lasers ng disenyo na ito ay ang mababang paggamit ng kuryente at pangkalahatang sukat. Pangunahing disadvantages: ang end pumping circuit ay hindi pinapayagan ang paggamit ng mga fiber segment na may haba na higit sa 1 cm, na naglilimita sa output power. Bilang karagdagan, ang teknolohiya ng pagmamanupaktura at pag-align ng mga laser na ito ay kumplikado, at ang pagkakaroon ng isang pump LED sa isa sa mga dulo ay kumplikado sa paggamit ng laser bilang isang optical signal amplifier.
Multi-turn fiber lasers na may transverse pumping sa pamamagitan ng LED bars (Fig. ay kumakatawan sa mga disenyo ng ikatlong grupo. Ilang mga liko ng glass fiber ang inilalagay sa LED bar, ang core nito ay isinaaktibo ng neodymium ions. Ang disenyo sa isang tiyak na lawak pinagsasama ang mga pakinabang ng mga fiber laser ng una at pangalawang grupo at wala sa karamihan ng kanilang mga disadvantages Ang paggamit ng mga semiconductor emitters bilang mga pinagmumulan ng pump ay ginagawang medyo maliit ang laki ng paggamit ng isang transverse pumping scheme at ang mga seksyon ng mahabang hibla posible na makakuha ng isang medyo malaking pakinabang sa isang pass Dahil sa maliit na diameter ng optical fibers sa isang transversely pumped scheme, ang paggamit ng mga glass fiber na may mataas na konsentrasyon ng ion ay epektibo at, nang naaayon, na may mataas na koepisyent ng pagsipsip Ang ilaw ng bomba. Kaya, ang isang piraso ng hibla ay paulit-ulit na hinila sa pamamagitan ng isang glass cylinder na may diameter na mga 1 mm (Larawan 4.12, b), sa panlabas na ibabaw kung saan ang isang reflective coating ay inilalapat sa
pagtaas ng kahusayan ng paggamit ng radiation ng bomba. Ang pamamaraang ito ay ginustong para sa mga hibla na may maliit na panlabas na lapad (µm). Ang mga hibla ng mas malaking diameter ay maaaring ilagay sa LED line turn to turn (Fig. 4.12, c). Ang parehong mga disenyo ay maaaring gamitin bilang naglalakbay-wave optical amplifier, na ang isang dulo ng light guide ay ang amplifier input at ang isa ay ang output. Ang paglalagay ng mirror coatings sa mga dulo ng fibers ay nagbibigay-daan sa lasing gamit ang Fabry-Perot fiber resonator.
Ang mga tampok ng mga proseso ng laser sa aktibong optical fibers ay tinutukoy ng pagkakaroon ng tiyak na henerasyon ng laser sa kawalan ng positibong feedback.
kanin. 4.13. Fiber light guide: a - may aktibong core at passive cladding; b - may passive core at aktibong shell (2)
Ito ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng fiber lasers at lasers batay sa volumetric active elements. Upang ipaliwanag ang kakanyahan ng prosesong ito, na malapit sa superluminescence na rehimen sa mga semiconductor LED, isaalang-alang natin ang ilang elementarya na seksyon ng light guide kung saan nilikha ang isang baligtad na populasyon (Fig. 4.13, a). Ang kusang paglabas ay nangyayari na may pantay na posibilidad sa lahat ng direksyon, ngunit ang radiation, na puro sa dalawang cone ng mga anggulo na may isang karaniwang axis sa fiber at tinutukoy ng isang pambungad na anggulo ng 20, ay hindi umaalis sa core. Dito
kung saan ang mga repraktibo na indeks ng core at cladding, ayon sa pagkakabanggit, ang radiation na ito ay nagpapasigla sa mga natural na oscillations (modes) ng fiber, na pinalalakas ng stimulated emission sa panahon ng pagpapalaganap kasama ang fiber sa kanan at kaliwa (Fig. 4.13, a). Ang parehong larawan ay sinusunod para sa anumang iba pang elementarya na seksyon ng aktibong fiber core. Sa output ng naturang fiber light source, ang radiation divergence ay tinatayang tinutukoy ng numerical aperture ng fiber.
Hangga't ang intensity ng light waves na nagpapalaganap patungo sa isa't isa sa isang aktibong light guide ay makabuluhang mas mababa kaysa sa halaga na saturates ang gain, ang mga counterpropagating wave ay independyente, pati na rin ang mga enerhiya na inililipat ng iba't ibang mga mode ng light guide. Sa ilalim ng mga kundisyong ito, ang proseso ng pagpapalakas ng kusang paglabas dahil sa stimulated na paglabas ay inilarawan ng mga kilalang equation ng isang laser amplifier na walang saturation at isinasaalang-alang ang spontaneous emission. Ang spectral power density ng radiation sa isang mode sa output ng aktibong seksyon ng haba ng fiber (Fig. 4.13, a) ay katumbas ng
Narito ang pare-pareho ni Planck; - dalas ng mga light vibrations; - populasyon ng itaas at mas mababang antas ng laser; - makakuha ng bawat yunit ng haba, kung saan ang Einstein coefficient para sa sapilitang paglipat; - normalized na hugis ng parang multo makakuha ng linya; c ay ang bilis ng liwanag. Ang maximum na nabuong kapangyarihan ay maaaring limitado alinman sa haba ng light guide o, tulad ng sa mga laser na may resonator, sa pamamagitan ng saturation. Naturally, sa panahon ng proseso ng amplification, ang generation spectrum ay lumiliit kumpara sa luminescence spectrum dahil sa ang katunayan na ang spectral na bahagi sa gitna ng linya ay mas pinalakas. Ang lapad ng spectrum ay tinutukoy ng nakuha at hugis, at ang emission spectrum ay tuloy-tuloy dahil sa kawalan ng resonator.
Ang tiyak na proseso ng fiber laser sa ilalim ng pagsasaalang-alang ay may tatlong makabuluhang aspeto.
1. Maaaring gamitin ang active fiber light guide bilang light source na walang optical resonator.
2. Kapag lumilikha ng mga fiber laser gamit ang isang tradisyonal na disenyo ng lukab, kinakailangang isaalang-alang na ang isinasaalang-alang na proseso ay maaaring humantong upang makakuha ng saturation sa isang pass, bilang isang resulta kung saan ang feedback ay mawawala ang kahulugan nito. Sa kasong ito, ang mga halaga ng at dapat piliin upang sila ay malayo sa halaga na saturates ang pakinabang.
3. Sa fiber optical amplifier, ang pagbuo ng liwanag bilang resulta ng prosesong tinalakay ay ang pangunahing pinagmumulan ng ingay. Ang noise power spectral density sa isang mode, na muling kinalkula sa amplifier input, tulad ng sumusunod mula sa formula (4.12), ay katumbas ng
Sa isang apat na antas na sistema, tulad ng neodymium laser level circuit, kadalasan sa mataas na mga nadagdag
Sa mga volumetric amplifiers, ang ingay ng amplified spontaneous emission ay matagal nang itinuturing na pangunahing hindi naaalis (tingnan, halimbawa, trabaho), gayunpaman, sa mga fiber amplifier, ang antas nito ay maaaring makabuluhang bawasan kapag ginagamit ang light guide na ipinakita sa Fig. 4.13, 6. Single-mode fiber, ang core nito ay gawa sa quartz glass na may additive na nagpapataas ng refractive index, halimbawa, ay may cladding ng salamin na na-activate ng neodymium ions. Ang paglikha ng isang baligtad na populasyon sa cladding ay humahantong sa pagpapalakas ng pangunahing mode na may isang epektibong pakinabang
nasaan ang pakinabang sa shell; - bahagi ng kapangyarihan ng core mode na nagpapalaganap sa cladding; Ang P ay ang kabuuang kapangyarihan na dala ng mode na ito. Nagbabago ang ratio mula 0.99 hanggang 0.1 kapag nagbabago ang parameter ng hibla mula 0.6 hanggang 2.4048. Kapag ang core ay nagsimulang epektibong idirekta ang pangunahing mode sa pamamagitan ng pag-localize ng field nito malapit sa sarili nito, ang pangalawang mode ay nasasabik. Ang formula ay nakuha sa parehong paraan tulad ng expression para sa attenuation coefficient ng isang hibla na may cladding kung saan ang mga pagkawala ng radiation ay nangyayari na mas mababa sa kalidad kaysa sa mga hibla. Ang mga makabuluhang disadvantages ng dating ay ang kawalang-tatag ng temperatura ng linya ng amplification (para sa mga micron), makabuluhang pagkalugi kapag kumokonekta sa single-mode fiber light guide sa planar light guide ng amplifier, at isang mataas na antas ng lakas ng ingay - superluminescence radiation.
Ang mga fiber laser ay nagbubukas ng posibilidad na lumikha ng mga bagong uri ng FOD. Ang sensitibong elemento, na isang fiber light guide, ay bahagi ng fiber ring o linear laser resonator.
kanin. 4.14. Single-frequency fiber lasers na may distributed feedback (a) at Bragg mirrors (b): 1 - active core; 2 - shell na may pana-panahong istraktura
Ang isang pagbabago sa yugto ng mga light oscillations sa ilalim ng impluwensya ng mga panlabas na kadahilanan ay humahantong sa isang pagbabago sa mga frequency ng henerasyon ng iba't ibang mga mode sa mga laser. Ang impormasyon tungkol sa mga panlabas na impluwensya ay nakapaloob sa pagbabago sa dalas ng mga intermode beats. Batay sa isang fiber laser na may ring resonator, na natanto sa pamamagitan ng pag-welding sa mga dulo ng light guide o sa pamamagitan ng pagtanggal sa kanila, medyo simple na lumikha ng isang maliit na laki ng laser fiber gyroscope.
Ang mga matatag na single-frequency fiber laser ay maaaring ipatupad bilang isang distributed feedback o distributed Bragg reflection design. Upang gawin ito, ang isang fiber reflective spectral filter ay nilikha sa ilang mga seksyon ng fiber gamit ang isa sa mga pamamaraan na ilalarawan sa ibaba (tingnan ang talata 4.8) (Fig. 4.14). Ang ganitong mga mapagkukunan ay maaaring gamitin sa phase water diodes.
Ang paggamit ng mga superluminescent fiber laser ay ginagawang posible na gawing simple ang disenyo ng mga passive fiber gyroscope at dagdagan ang kanilang sensitivity sa pamamagitan ng pagbabawas ng antas ng ingay na dulot ng pagkakaroon ng mga volumetric na elemento. Sa mga ring interferometer at gyroscope, bumababa ang antas ng ingay na may pagbaba sa haba ng pagkakaugnay ng pinagmulan ng radiation at ang bilang ng mga volumetric na elemento (tingnan ang seksyon 3.6). Sa isang pinagmumulan ng hibla, madaling matiyak na ang haba ng pagkakaugnay ng radiation ay mas malaki kaysa sa pagkakaiba ng landas sa pagitan ng mga counterpropagating na alon ng interferometer, dahil sa pag-ikot at mga hindi katumbas na epekto. Ang mga superluminescent fiber laser ay may lapad ng nm spectrum at medyo mataas na kapangyarihan ng pulso
kumokonekta sa isang fiber ring interferometer gamit ang mga karaniwang coupler.
