Metallerin lazerle kesilmesi sorununun incelenmesi, lazer işleminin fiziksel prensiplerinin dikkate alınmasıyla başlamalıdır. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında ince tabakalı malzemelerin lazerle kesilmesinin doğruluğuna ilişkin tüm çalışmalar, iterbiyum fiber lazer kullanılarak bir lazer kompleksi üzerinde gerçekleştirileceğinden, fiber lazerlerin tasarımını ele alacağız.
Lazer, pompa enerjisini (ışık, elektrik, termal, kimyasal vb.) tutarlı, tek renkli, polarize ve yüksek oranda hedeflenmiş radyasyon akışının enerjisine dönüştüren bir cihazdır.
Fiber lazerler nispeten yakın zamanda, 1980'lerde geliştirildi. Şu anda 20 kW'a kadar güce sahip fiber teknolojik lazer modelleri bilinmektedir. Spektral bileşimleri 1 ila 2 μm arasında değişir. Bu tür lazerlerin kullanılması, radyasyonun farklı zamansal özelliklerinin sağlanmasını mümkün kılar.
Son zamanlarda fiber lazerler, örneğin metallerin lazerle kesilmesi ve kaynaklanması, markalama ve yüzey işleme, baskı ve yüksek hızlı lazer baskı gibi lazer teknolojisinin uygulama alanlarında aktif olarak geleneksel lazerlerin yerini almaktadır. Lazer telemetrelerde ve üç boyutlu konum belirleyicilerde, telekomünikasyon ekipmanlarında, tıbbi tesislerde vb. kullanılırlar.
Fiber lazerlerin ana türleri, tek polarizasyonlu ve tek frekanslı lazerler dahil olmak üzere sürekli dalga tek modlu lazerlerdir; Q-anahtarlama, mod kilitleme ve rastgele modülasyon modlarında çalışan darbeli fiber lazerler; ayarlanabilir fiber lazerler; süper parlak fiber lazerler; yüksek güçlü sürekli çok modlu fiber lazerler.
Lazerin çalışma prensibi, bir fotodiyottan gelen ışığın uzun bir fiber aracılığıyla iletilmesi esasına dayanır. Bir fiber lazer, bir pompa modülünden (genellikle geniş bant LED'ler veya lazer diyotlar), lazerin gerçekleştiği bir ışık kılavuzundan ve bir rezonatörden oluşur. Işık kılavuzu aktif bir madde (katkılı optik fiber - geleneksel optik dalga kılavuzlarının aksine kaplamasız bir çekirdek) ve pompa dalga kılavuzları içerir. Rezonatörün tasarımı genellikle teknik spesifikasyonlara göre belirlenir, ancak en yaygın sınıflar ayırt edilebilir: Fabry-Perot tipi rezonatörler ve halka rezonatörler. Endüstriyel kurulumlarda, çıkış gücünü artırmak için bazen birkaç lazer tek bir kurulumda birleştirilir. İncirde. Şekil 1.2, bir fiber lazer cihazının basitleştirilmiş bir diyagramını göstermektedir.
Pirinç. 1.2. Tipik fiber lazer devresi.
1 - aktif lif; 2 - Bragg aynaları; 3 - pompalama bloğu.
Aktif optik fiberin ana malzemesi kuvarstır. Kuvarsın yüksek şeffaflığı, atomların enerji seviyelerinin doymuş durumları tarafından sağlanır. Katkılamayla ortaya çıkan safsızlıklar kuvarsı emici bir ortama dönüştürür. Pompa radyasyon gücünü seçerek, böyle bir ortamda enerji seviyelerinin ters durumunu oluşturmak mümkündür (yani, yüksek enerji seviyeleri yer seviyesinden daha fazla dolu olacaktır). Rezonans frekansı (telekomünikasyon için kızılötesi aralık) ve düşük eşik pompa gücü gereksinimlerine dayanarak, kural olarak, lantanit grubunun nadir toprak elementleri ile katkılama gerçekleştirilir. Yaygın fiber türlerinden biri, lazer ve amplifikatör sistemlerinde kullanılan, çalışma aralığı 1530-1565 nm dalga boyu aralığında yer alan erbiyumdur. Yarı kararlı seviyenin alt seviyelerinden ana seviyeye geçiş olasılıklarının farklı olması nedeniyle, üretim veya amplifikasyon verimliliği, çalışma aralığındaki farklı dalga boyları için farklılık gösterir. Nadir toprak iyonları ile katkının derecesi genellikle üretilen aktif fiberin uzunluğuna bağlıdır. Onlarca metreye kadar olan aralıkta, onlarca ila binlerce ppm arasında değişebilir ve kilometre uzunlukları durumunda - 1 ppm veya daha az.
Bragg aynaları - dağıtılmış bir Bragg reflektörü - malzemenin kırılma indeksinin periyodik olarak tek bir uzamsal yönde (katmanlara dik) değiştiği katmanlı bir yapıdır.
Optik dalga kılavuzlarını pompalamak için çeşitli tasarımlar vardır; bunlardan en yaygın olanı saf fiber tasarımlarıdır. Bir seçenek, aktif fiberi, dış kısmı koruyucu olan (çift kaplamalı fiber olarak adlandırılan) birkaç kılıfın içine yerleştirmektir. İlk kabuk, birkaç yüz mikrometre çapında saf kuvarstan, ikincisi ise kırılma indisi kuvarsınkinden önemli ölçüde daha düşük olacak şekilde seçilen bir polimer malzemeden yapılmıştır. Böylece, birinci ve ikinci kaplamalar geniş bir kesite ve içine pompa radyasyonunun gönderildiği sayısal açıklığa sahip çok modlu bir dalga kılavuzu oluşturur. İncirde. Şekil 1.3 çift kaplamalı fiber bazlı bir lazerin pompalama diyagramını göstermektedir.
Pirinç. 1.3. Çift kaplamalı fiber bazlı bir lazer için pompalama devresi.
Fiber lazerlerin avantajları geleneksel olarak rezonatör alanının hacmine önemli bir oranını içerir; bu, yüksek kalitede soğutma, silikonun termal stabilitesini ve benzer güç ve kalite gereksinimleri sınıflarındaki küçük boyutlu cihazları sağlar. Kural olarak bir lazer ışınının, teknolojide daha sonra kullanılmak üzere bir optik fibere yerleştirilmesi gerekir. Diğer tasarımlardaki lazerler için bu, özel optik yönlendirme sistemleri gerektirir ve cihazları titreşimlere karşı duyarlı hale getirir. Fiber lazerlerde radyasyon doğrudan fiberde üretilir ve yüksek optik kaliteye sahiptir. Bu tip lazerin dezavantajları, fiberdeki yüksek radyasyon yoğunluğu nedeniyle doğrusal olmayan etki riski ve aktif maddenin küçük hacmi nedeniyle darbe başına nispeten düşük çıkış enerjisidir.
Fiber lazerler, yüksek polarizasyon stabilitesinin gerekli olduğu uygulamalarda katı hal lazerlerden daha düşüktür ve polarizasyonu koruyan fiber kullanımının çeşitli nedenlerden dolayı zor olduğu uygulamalarda. Katı hal lazerlerinin yerini 0,7-1,0 mikron spektral aralığındaki fiber lazerler alamaz. Ayrıca fiber olanlarla karşılaştırıldığında darbe çıkış gücünü artırma konusunda daha büyük potansiyele sahiptirler. Ancak fiber lazerler, diğer lazer tasarımları için yeterince iyi aktif ortamın veya aynaların olmadığı dalga boylarında iyi performans gösterir ve yukarı dönüşüm gibi bazı lazer tasarımlarının daha kolay uygulanmasına olanak tanır.
Tek modlu optik fiberin fiber lazerlerde kullanım için optimize edilmesiyle, 4,3 kW'lık oldukça ölçeklenebilir bir çıkış gücü elde edildi ve ultra hızlı lazer uygulamaları için daha fazla araştırma yönü belirlendi.
Lazer teknolojilerinin geliştirilmesindeki acil sorunlardan biri, halihazırda yüksek güçlü CO2 lazerlerin yanı sıra hacimsel katı hal lazerlerinden pazar payını "kazanan" fiber lazerlerin gücündeki artıştır. Şu anda büyük fiber lazer üreticileri, gelecekte daha fazla pazar fethetmeyi göz önünde bulundurarak yeni uygulamaların geliştirilmesine büyük önem veriyorlar. Piyasadaki yüksek güçlü lazerler arasında, tek modlu sistemler onları en çok aranan yapan bir dizi özelliğe sahiptir; en yüksek parlaklığa sahiptirler ve birkaç mikrona kadar odaklanabilirler, bu da onları lazer olmayan lazerler için daha uygun hale getirir. temas malzemesi işleme. Bu tür sistemlerin üretimi oldukça karmaşıktır. IPG Photonics (Oxford, MA), 10 kW'lık tek modlu bir sistemin geliştirilmesini önerdi, ancak ışın özellikleri hakkında bilgi mevcut değil ve özellikle tek modlu sinyalin yanında mevcut olabilecek olası çok modlu bileşenlere ilişkin veriler sağlanmıyor. .
Friedrich Schiller Üniversitesi ve Fraunhofer Uygulamalı Optik ve Hassas Mühendislik Enstitüsü'nden Alman bilim insanları, Alman hükümetinin mali desteğiyle ve TRUMPF, Aktif Fiber Sistemler, Jenoptik ve Leibniz Fotonik Teknoloji Enstitüsü ile işbirliği içinde, ölçeklendirme sorunlarını analiz etti. Bu tür lazerler ve güç sınırlamalarının üstesinden gelmek için yeni fiberler geliştirildi. Ekip, fiber lazer çıkış gücünün yalnızca pompa sinyal gücüyle sınırlandığı 4,3 kW'lık tek modlu çıkışı gösteren bir dizi testi başarıyla tamamladı.
Tek modlu fiber lazerin radyasyon gücünü sınırlayan faktörler
Dikkatli çalışma gerektiren ana görevler şunlardır: a) pompalamanın iyileştirilmesi; b) yalnızca tek modlu modda çalışan, düşük optik kayıplara sahip aktif fiberin geliştirilmesi; c) alınan radyasyonun daha doğru ölçümü. Gelişmiş pompalama sorununun ultra parlak lazer diyotlar ve uygun pompa dağıtım yöntemleri kullanılarak çözülebileceğini varsayarak, bu makalede diğer ikisini daha ayrıntılı olarak ele alacağız.
Yüksek güçlü tek modlu operasyon için aktif fiberin geliştirilmesinin bir parçası olarak iki grup optimizasyon parametresi seçildi: katkılama ve geometri. Minimum kayıp, tek modlu çalışma ve güçlü kazanç elde etmek için tüm parametreler açıkça tanımlanmalıdır. İdeal bir fiber amplifikatör, %90'ın üzerinde yüksek bir dönüşüm verimliliği, mükemmel ışın kalitesi ve yalnızca mevcut pompa gücüyle sınırlı bir çıkış gücü sağlamalıdır. Bununla birlikte, tek modlu bir sistemi daha yüksek güçlere yükseltmek, fiberin çekirdeğinde daha yüksek güç yoğunluklarına, artan termal yüke ve uyarılmış Raman saçılımı (SRS) ve uyarılmış Brillouin saçılımı (SBS) gibi çeşitli doğrusal olmayan optik etkilere neden olabilir. ).
Enine modlar, fiber aktif bölgenin boyutuna bağlı olarak geliştirilebilir. Fiberin aktif kesiti ne kadar küçük olursa, fiber ve kaplamanın kesitleri arasındaki belirli bir oran için bu tür modların sayısı da o kadar az olur. Bununla birlikte, daha küçük bir çap aynı zamanda daha yüksek bir güç yoğunluğunu da belirler ve örneğin bir fiber büküldüğünde daha yüksek modlara yönelik kayıplar da eklenir. Bununla birlikte, büyük fiber çekirdek çapı ve termal stres ile diğer emisyon modları meydana gelebilir. Bu tür modlar amplifikasyon sırasında birbirleriyle etkileşime tabidir ve bu nedenle optimal yayılma koşulları olmadan çıkış radyasyon profili uzaysal veya zamansal olarak kararsız hale gelebilir.
Enine mod kararsızlığı
Ytterbium (Yb) katkılı fiberler, yüksek güçlü tek modlu fiber lazerler için tipik çalışma ortamıdır, ancak belirli bir eşiğin ötesinde, enine mod kararsızlığı (TMI) etkisi olarak adlandırılan tamamen yeni bir etki sergilerler. Belirli bir güç seviyesinde aniden daha yüksek modlar, hatta kabuk modları ortaya çıkabilir. Enerji aralarında dinamik olarak yeniden dağıtılır ve ışının kalitesi bozulur. Çıkışta bir radyasyon dalgalanması belirir (ışın salınmaya başlar). TMI etkisi, adım indeksli fiberlerden fotonik kristal fiberlere kadar çeşitli fiber tasarımlarında gözlemlenmiştir. Eşik değeri geometriye ve katkıya bağlıdır, ancak kaba bir tahmin bu etkinin 1 kW'tan büyük çıkış güçlerinde meydana geldiğini göstermektedir. Çalışma sırasında TMI'nin ışıkla kararmaya bağımlılığı ve fiber içindeki termal etkilerle bağlantısı ortaya çıkarıldı. Ayrıca fiber lazerlerin TMI'ya duyarlılığı modal çekirdek içeriğine de bağlıdır.
Adım indeksi fiber geometrisi optimizasyona izin verir. Pompalama için aşağıdakiler seçilebilir: fiber çapı, pompa fiber kaplama boyutu ve fiber ve kaplamanın diğer kırılma indeksleri. Bu ayarlama parametrelerinin tümü katkı konsantrasyonuna bağlıdır; yani Yb iyon konsantrasyonu, aktif fiberdeki pompa radyasyon emme bölgesinin uzunluğunu kontrol etmek için kullanılabilir. Termal etkileri azaltmak ve kırılma indeksini kontrol etmek için elyafa başka katkı maddeleri de eklenebilir. Ancak bazı çelişkiler de var. Doğrusal olmayan etkileri azaltmak için fiberin daha kısa olması, termal yükü azaltmak için ise fiberin daha uzun olması gerekir. Işıkla kararma katkı maddesi konsantrasyonuyla orantılıdır, bu nedenle daha düşük katkı konsantrasyonuna sahip daha uzun lifler kesinlikle daha iyi olacaktır. Deney sırasında bazı parametreler hakkında fikir edinilebilir. Örneğin termal davranış modellenebilir ancak ışıkla kararmanın tanımı gereği küçük olması ve hızlandırılmış testlerle fiziksel olarak ölçülememesi nedeniyle tahmin edilmesi oldukça zordur. Bu nedenle fiberlerdeki termal davranışın doğrudan ölçümü deneysel tasarım için faydalı olabilir. Tipik bir aktif fiber ile karşılaştırmalı olarak ölçülen termal yük (fiber amplifikatör içinde eşzamanlı olarak dağıtılan sıcaklık ölçümlerinden türetilmiştir) ve simüle edilen termal yük gösterilmektedir (Şekil 1).
Şekil 1. Ek kayıplı ve kayıpsız simüle edilmiş yük ile karşılaştırıldığında ölçülen aktif fiber termal yükü
Fiber tasarımı için bir diğer önemli parametre ise fiberdeki mod sayısını artıran en uzun dalga boyu olan kesme dalga boyudur. Bu dalga boyunun ötesindeki daha yüksek seviyeli modlar desteklenmez.
Yeni fiberlerin kilovat gücünde test edilmesi
Deney sırasında iki tip Yb katkılı fiber üzerinde çalışıldı. Fosfor ve alüminyum ile ilave katkılı, 30 mikron çekirdek çapına sahip 1 No'lu Fiber. 23 mikronluk daha küçük bir çapa sahip olan Fiber No. 2, daha az katkılıydı ancak fiber No. 1 ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir profil katsayısı elde etmek için daha fazla iterbiyum içeriyordu (Tablo 1).
Tablo 1. Test edilen elyafların parametreleri
Hesaplanan kesme dalga boyu, fiber 1 ve 2 için sırasıyla 1275 nm ve 1100 nm civarındadır. Bu, ~1450 nm kesme dalga boyuna sahip tipik 20 µm çekirdek çapında, 0,06 sayısal açıklıklı (NA) fiberden tek modlu emisyona çok daha yakındır. Güçlendirilmiş lazer dalga boyu sonuçta 1067 nm'de ortalandı.
Her iki fiber de yüksek güçlü bir pompalama devresinde test edildi (Şekil 2). Pompa diyot lazeri ve ilk sinyal, boş alanda kaynaklı uçlara ve konektörlere sahip bir fibere bağlandı ve soğutma için suyla yıkandı. Radyasyon kaynağı, 1067 nm dalga boyunda ve 180 μm spektral genişlikte 10 W'a kadar bir giriş sinyali gücü elde etmek için sinyali önceden yükseltilen, faz modülasyonlu bir harici boşluk diyot lazeriydi (ECDL).
Şekil 2. Fiberin ters yayılım yönünde 976 nm'de pompalandığı fiber amplifikatör testi için kullanılan yüksek güçlü amplifikatör deney düzeneği.
İlk fiberin testi sırasında 2,8 kW eşiğinde milisaniye ölçeğinde ani dalgalanmalar gözlemlendi ve bu durum TMI'ya atfedilebilir. Aynı dalga boyunda ve spektral genişlikte ikinci bir 30 m fiber, TMI yerine SBS ile sınırlandırılan 3,5 kW'lık bir çıkış gücüne pompalandı.
Üçüncü deneyde, yayıcı lazer spektrumu, spektrumu genişleterek fiber SBS eşiğini artıracak şekilde değiştirildi (önceki deneyden daha yüksek). Bu amaçla merkezi dalga boyu 300 μm olan ikinci bir diyot lazer birinciyle birleştirildi. Bu girişim, otofaz modülasyonu nedeniyle sinyal gücünün artmasına izin veren zamansal dalgalanmalara neden oldu. Daha önce olduğu gibi aynı ana amplifikatör kullanılarak %90 verimlilikte çok benzer çıkış gücü değerleri elde edildi ancak bunlar TMI olmadan yalnızca 4,3 kW'a yükseltilebildi (Tablo 2).
Tablo 2. Fiber testi sonucu
Ölçüm görevleri
Yüksek güçlü bir fiber lazerin tüm parametrelerinin ölçülmesi ana görevlerden biridir ve bunları çözmek için özel ekipman gerektirir. Tam fiber karakterizasyonu elde etmek için katkı konsantrasyonu, kırılma indisi profilleri ve fiber çekirdek zayıflaması belirlendi. Örneğin, farklı bükülme çapları için çekirdek kayıplarının ölçülmesi, TMI eşiğiyle korelasyon açısından önemli bir parametredir.
Şekil 3. a) TMI eşiğinin altında ve üstünde fiber 1 kullanılarak çıkış sinyalini test ederken fotodiyot yoğunluk izi. b) Farklı çıkış güçlerinde fotodiyot izlerinin normalleştirilmiş standart sapması
Bir fiber amplifikatörün testi sırasında, TMI eşiği, gücün küçük bir kısmına dokunarak bir fotodiyot kullanılarak belirlenir. Güç dalgalanmalarının başlangıcının oldukça keskin ve anlamlı olduğu ortaya çıktı (Şekil 3), sinyal değişikliği özellikle fiber 1'i test ederken anlamlıydı, ancak fiber 2'yi 4,3 kW güç seviyesine kadar test ederken tespit edilmedi. Karşılık gelen ilişki Şekil 4a'da gösterilmektedir.
Şekil 4. a) 4,3 kW çıkış gücüne kadar Fiber 2 verim eğimi. b) Çıkıştan ASE'ye 75 dB oranlı, 3,5 kW çıkış gücüne sahip optik spektrum. 7 nm bant genişliğine genişletilmiş 4,3 kW çıkış gücüyle 180 µm spektral genişlik
Işın kalitesi ölçümleri fiber lazer karakterizasyonunun en zorlu kısmıdır ve ayrı bir tartışmayı hak eder. Kısacası, termal olmayan zayıflama çok önemlidir ve Fresnel yansımaları veya düşük kayıplı optikler kullanılarak elde edilebilir. Bu incelemede sunulan deneylerde, TMI başlangıç süresini aşan bir zaman ölçeğinde kama plakaları ve darbeli pompalama kullanılarak zayıflama uygulandı.
Hızlı ilerleyen bilimdeki uygulamalar
On yıllık bir aradan sonra, kilowatt sınıfında mükemmel ışın kalitesine sahip yeni nesil yüksek güçlü tek modlu fiber lazerlerin geliştirilmesi oldukça mümkün görünüyor. Yalnızca pompa gücüyle sınırlı olan 4,3 kW'lık bir çıkış gücüne halihazırda ulaşıldı, daha fazla gelişme yolundaki ana sınırlamalar belirlendi ve bunların üstesinden gelmenin yolları açık.
Ultra hızlı lazer darbeleri ile güçlendirildiğinde tek bir fiberde neredeyse 1 kW'lık güç elde edilmiştir; dolayısıyla, tekniklerin bir kombinasyonuyla 5 kW'a kadar bir artış tamamen mümkündür. ELI (Prag, Çek Cumhuriyeti) gibi araştırma merkezleri için sistemler geliştirilirken, güvenilir optik sinyal iletim sistemlerinin daha da geliştirilmesi endüstriyel sistemler için bir zorluk olmaya devam etmektedir.
Yapılan çalışma bir dizi ilginç beklentiyi ortaya çıkardı. Bu, bir yandan bu yönde hala çok fazla çaba gösterilmesine rağmen sonuçların üretime aktarılması, diğer yandan diğer fiber optik lazer sistemlerinin parametrelerinin arttırılması için teknoloji son derece önemlidir, örneğin femtosaniye fiber amplifikatörler için.
http://www.lightwaveonline.com adresindeki materyallere dayanmaktadır.
Teknolojik potansiyeli test eden daha önce yayınlanmış makalelerde fiber lazer, kesme, kaynaklama, sertleştirme, delme ve yüzey temizleme gibi en etkili teknolojik uygulamaları açısından analiz edildi. Bir fiber lazer tüm bunları yapabilir.
Bununla birlikte, endüstriyel işletmelerin yöneticilerinin ve teknoloji uzmanlarının, buna ek olarak, modern lazer teknolojilerinde fiber lazer uygulamasının ekonomik yönlerini de anlamaları son derece önemlidir. Öyleyse, teknik yükseltme projelerinin değerlendirilmesi sırasında ortaya çıkan fiber lazerle ilgili ekonomik sorunları tartışalım.
Hemen belirtilmelidir: Yeni fiber lazerin bir dizi teknik özelliği ve özelliği olduğundan, farklılıklar çok önemlidir, bu nedenle klasik lazerleri kullanma deneyimini yeni ekipmana aktarmak tamamen doğru değildir. Bu nedenle fiber lazerin ne olduğuna öncelikle bu özelliklerin ve farklılıkların ana hatlarını çizerek başlamanız tavsiye edilir.
Fiber lazer:
Modern emitörlerin benzersiz ömrü (nispeten düşük maliyetlerle ömrü uzatma olanağıyla 100.000 saatten fazla) ve neredeyse sıfır işletme maliyeti. Mevcut vergi sisteminde UST ve KDV yoluyla amortismanın bir kısmının fiilen hariç tutulması dikkate alındığında zorunludur. Bu son derece önemli bir ekonomik faktör olabileceğinden (yani amortismanın bir kısmı kullanılmadığı için doğrudan sizin emrinizde kalır).
Tesisin hazırlanması ve işletmeye alınması için minimum maliyet ve süre. Devreye alma işlemi sırasında fiber lazere “kurulum” adı verilir.
Fiber lazer, bir lazer kaynağı olarak inanılmaz çok yönlülüğe sahiptir. Kural olarak, bir fiber lazer "saf" ışın enerjisi kaynağının bir örneğidir, bu nedenle pratikte hiçbir teknolojik özelliği yoktur, yani üretimin çeşitlendirilmesi veya başka bir şekilde yeniden yapılandırılması sırasında, bir fiber lazer tek bir teknolojik özellikten yeniden yönlendirilebilir. diğerine işlem. Böyle bir kaynağa, elbette (çekincelerle) - değeri ve değeri kendi içinde tutması anlamında sıvı olarak bile adlandırılabilir. Buradan belirli lazer değişimi ve kiralama hizmetleri gelişmeye başlar (bu konularda doğrudan üreticiyle iletişime geçmek en iyisidir).
Fiber lazerin ana özellikleri:
Gücünü artırma olasılığı. Örneğin 700 W'lık bir güçle beslendiğinde tasarım marjına sahip bir fiber lazer satın alabilir ve ardından özel pompalama üniteleri satın alarak gücü örneğin 2400 W'a kadar artırabilirsiniz. Aynı zamanda üretim sisteminde (ek blokların kurulum işlemi 3 saatten fazla sürmez) pratikte hiçbir şeyi değiştirmeye gerek yoktur. Bu, ilk sermaye yatırımlarını önemli ölçüde azaltmanıza ve üretiminiz için gerekli olan anda verimliliği artırmanıza olanak tanır.
Radyasyonun, uzunluğu 10 ila 100 metre arasında değişen bir optik kablo aracılığıyla doğrudan taşınması, teknolojik sistemlerin tasarımını ve yerleşimini bir bütün olarak büyük ölçüde basitleştirir. Çok çeşitli endüstriyel robotikleri kullanabilirsiniz. Bazı üretim görevlerinin sadece 3 bileşen gerektirdiğini, yani fiber lazer/proses kafası/endüstriyel robotun gerekli olduğunu belirtmekte fayda var. Elbette deneyim eksikliği durumunda, bir entegratör şirketin hizmetlerine hala ihtiyaç duyulacak, ancak belirli bir üretim sistemini organize etmenin toplam maliyeti önemli ölçüde azalacak.
Fiber lazer, lazer kaynağının maksimum yüklenmesi için çok işlevli ve çok amaçlı bir teknolojik alandır. Elbette bu ilk bakışta göründüğü kadar kolay değil ama oldukça mümkün. Ve bu olasılığın önemi nedeniyle bunu daha ayrıntılı olarak tartışacağız.
Genel olarak uzmanlara ve personele yönelik bir soru. Fiber lazer, bir şirketin optik, vakum sistemleri ve elektriksel deşarjlar konusunda bilgi sahibi uzmanlardan oluşan bir kadroya sahip olma ihtiyacını ortadan kaldırır. Fiber lazeri çalıştırmak için hiçbir şeye gerek yoktur, çünkü operatör eğitimi 1 haftadan fazla sürmez. Elbette bu, işletmeyi yetkin teknoloji uzmanlarına olan ihtiyaçtan kurtarmayacak, ancak bu, lazerin kendisiyle kesinlikle hiçbir ilgisi olmayan başka bir sorudur. Mevcut personelden faydalanmak ve aynı zamanda daha yüksek düzeyde operasyonel verimlilik elde etmek oldukça mümkündür.
Fiber lazer, temel teknolojileri:
Bu 7 nokta başlı başına yeni modern ekipmanlara büyük ilgi uyandırabilir. Etkiyi arttırmak için bazı temel teknolojiler listelenmelidir:
- metallerin lazerle kesilmesi. Sadece klasik sac kesiminden değil, aynı zamanda örneğin endüstriyel robotların kullanımıyla çok hacimli kesimden de bahsediyoruz;
- lazer perforasyonu (filtre elemanları, ağlar);
- Lazer kaynak. Her şeyden önce bu, kenar hazırlıkları ve dolgu malzemeleri kullanılmadan yüksek performanslı dikiş alın kaynağıdır. Ancak bugün teknoloji uzmanları oldukça hızlı bir şekilde hibrit süreçler geliştiriyorlar, yani bir lazer ışınını ve buna bağlı olarak bir elektrik arkını birleştiren birleşik kaynak şemaları;
- lazerle sertleştirme (ısıl işlem), parça üzerinde önemli bir termal etki olmaksızın bir parçanın belirli parçalarının lokal olarak sertleştirilmesini sağlayan bir işlemdir;1
- lazer yüzey kaplama, yüksek lokalite ve doğruluk ile karakterize edilen ark yüzey kaplama eyleminin bir analogudur;
- Kaplamaların ve kirlerin lazerle temizlenmesi. Kumlama gibi kitle teknolojileriyle rekabet edebilecek potansiyele sahip, temassız ve en çevre dostu temizleme yöntemi.
Doğrudan ekonomik yönlere dönersek, fiber lazerin ve sisteminin şu anda klasik CO2 lazerlerden çok daha pahalı olduğunu ve bu nedenle lazerin fiyatının genellikle bir bütün olarak teknolojik sistemin önemli bir bölümünü oluşturduğunu belirtmekte fayda var. .
Fiber lazer, minimum seti şunları içerir: Lazerle teknolojik bir işlem gerçekleştirmeye yönelik ekipman şunları içerir:
- fiber lazerin belirli bir sürtünme/kW maliyeti olmalıdır;
- bir fiber lazer, bir radyasyon akışının yanı sıra doğrudan işleme bölgesinde diğer maddelerin akışlarını üreten özel bir lazer işleme kafasına sahiptir;
- Ürünü veya lazer kafasını hareket ettirmek ve ayrıca sürecin genel ve kapsamlı kontrolünü sağlamak için manipülatör (robotik). Hazır ve evrensel bir fiber lazer kullanıyorsanız, maliyetler doğrudan konfigürasyona ve elbette markaya bağlı olacaktır.
Fiber lazer, bir lazer teknolojik sistemi için minimum seti şu şekildedir: 1 – lazer, 2 – teknolojik kafa, 3 – optik kablo, 4 – manipülatör.
Böylece 1000 W gücünde bir teknolojik sistem için temel sermaye maliyeti tutarı yaklaşık 6 milyon ruble olacaktır. RF. Aslında tüm maliyetler bu değildir, çünkü yazılım, entegrasyon, tesis hazırlığı ve üretim maliyetlerini de hesaba katmak gerekir. Bu nedenle, hesaplamaların basitliği adına, genel yatırımın (fiber lazer) maliyetinin yaklaşık 2 fiyat olacağını varsaymak en mantıklısı olacaktır. Benzer bir oran özellikle metal kesmek için tasarlanmış lazer makinelerinde de görülmektedir. Fiber lazerin gücü 2000 W'tır. Fiyatlar 12 ila 14 milyon Rus rublesi arasında değişmektedir. Aynı zamanda lazer kesim ekipmanı büyük boyutları olan oldukça büyük ve karmaşık bir sistemdir. Ancak seri üretim ve standart, iyi test edilmiş teknoloji sayesinde fiyat gözle görülür şekilde düşüyor.
Diğer teknolojik süreçlerde (örneğin kaynak, sertleştirme), bu tür ekipmanların kompleksi çok daha basit olabilir, ancak burada bu aşamada bu tür teknolojilerin hiç de standart seri kompleksler halinde paketlenmediğini düşünmeye değer (yani bu durumda). Bu durumda teknoloji ve mühendislik maliyetleri olacaktır, hem de oldukça önemli maliyetler). Bu nedenle, ortalama otomasyon derecesine sahip geniş bir kullanım sınıfı için (yani işleme süreci otomatiktir ve yükleme ve boşaltma yarı otomatik veya manueldir) x2 katsayısı haklı gösterilebilir.
2 test üretim problemini analiz ederek lazer teknolojisinin ekonomisi
Fiber lazerle ilgili ilk üretim problemini ele alalım:
Bu nedenle, ilk test görevi olarak, 2 yarım gövdenin tek bir (katı) sızdırmaz gövdeye kaynaklanmasının gerekli olduğu silindirik geometriye sahip parçaların seri üretimini ele alalım. Bu, çeşitli filtre türlerinin üretiminde standart bir görevdir. Çelik 0,5-1 mm kalınlığında olup, ürünün ortalama çapı 60 mm'dir. Problemin amacı minimum ürün maliyetiyle maksimum üretim hacmini sağlamaktır.
Üretim sisteminin kendisi bu görev için neredeyse otomatik olarak sentezlenir. Böyle bir ürünün hızlı lazer kaynağı için, yaklaşık 700 W gücünde bir fiber lazere ihtiyacınız vardır (yani doğrusal kaynak hızı yaklaşık 50 mm/sn'dir), oldukça basit bir kaynak kafasına, bir ürün döndürücüye (otomatik) ihtiyacınız vardır. ve buna göre iş parçalarını yükleme ve boşaltma sistemi. Yükleme sistemi için basit bir tepsi besleyici kullanmak mümkündür. Fiber lazerde, kaynak yapılması amaçlanan ürünlerin işçiler tarafından önceden monte edildiği varsayılmaktadır. Bununla birlikte, iş parçalarının kalite düzeyine (boyut kalibrasyonu) bağlı olarak, ürünlerin birleşim yeri - kaynak kafasının konumu - için bir düzeltme sistemi pekala gerekli olabilir. Genel olarak, bu kadar basit bir sistemi geliştirmenin ve buna bağlı olarak üretmenin maliyeti yaklaşık 5 milyon ruble'dir.
Sunulan metinden sonra küçük bir sonuç çıkarabiliriz:
- Ekipmanın ve elbette personelin yük seviyesi azaldıkça sistemin ekonomik parametreleri önemli ölçüde kötüleşir: örneğin maksimum üretim süreci rakamının %10'unu ürün/parça üretirken, maliyet basitçe 10 kat artacaktır. Dolayısıyla her iki durumda da oldukça pahalı olan ekipman yeterince kullanılamıyor ve dolayısıyla personel boşta kalıyor.
- Maliyet açısından otomasyondan vazgeçmenin de hiçbir faydası yok: Otomatik olmayan teknolojik süreçlere geçiş, ürünlerin maliyetini de keskin bir şekilde artıracaktır. Bu, emek verimliliğindeki genel bir düşüş nedeniyle gerçekleşecek.
- Lazer teknolojisinin kullanılması, yalnızca üretim sisteminin maksimum yüküyle (veya en azından maksimuma yakın) "kazanmanıza" olanak tanır ve üretim koşulları ve dolayısıyla büyük ölçekli üretim için doğrudan faydalıdır. Lazer işleme sürecinin yüksek kalitesi (yani tekrarlanabilirlik ve stabilite) bu tür üretimler için son derece önemlidir.
Büyük ölçekli uygulamalarda, genel üretkenlikteki keskin artış nedeniyle fiber lazer kaynağının geri ödemesinin oldukça hızlı olabileceği açıktır.
Fiber lazerle ilgili ikinci üretim problemini ele alalım:
Kural olarak, birçok gerçek işletme önemli ölçüde daha düşük seri üretimle karakterize edilir, bu nedenle lazer kaynağını yükleme sorunu sürekli olarak ortaya çıkacaktır.
Örneğin, belirli bir işletme, silindirik bir gövdeden ve buna güçlü bir sabitleme elemanına sahip bir kapağın kaynaklanması gereken ve ayrıca 2 elemanın da doğrudan kapağın kendisine kaynaklanması gereken karmaşık bir ürün üretmektedir. Böyle bir ürünün içinde ayrıca aşınma modunda çalışan, bu nedenle güçlendirilmesi gereken bir çubuğun yanı sıra metal bir ağın lehimlendiği bir halka şeklinde yapılmış bir sıvı filtresi de vardır. Bu tür ürünlerin tahmini seri üretimi yılda 100.000 adettir.
Ürünlerin imalatına yönelik tipik bir temel teknolojide aşağıdaki teknolojik süreçler kullanılır:
- gözlü bir kafaya yönelik dövme parçaların üretimi;
- dövmelerin karmaşık mekanize işlenmesi;
- mekanik bir yöntem kullanarak gövdede (birkaç) delik açmak;
- gerekli parçaların deliklere kaynaklanması;
- kafanın ana gövdeye kaynaklanması manuel arktır; nedeni diğer şeylerin yanı sıra geometri ihlalleri (yani kafa ekseninin ve silindir ekseninin yer değiştirmesi) olan büyük miktarda kusur vardır;
- çubuğun hacimsel sertleştirilmesi, krom kaplama ve taşlama;
- halka ağ kesimi;
- ağın dış ve iç konturlar boyunca daha sonra lehimlenmesi (yüksek düzeyde kusurlarla otomatikleştirilmesi oldukça zor bir süreç).
Bu test görevinin ürünü: 1 – gövde, 2 – kapak, 3 – kaynaklı parça, 4 – delikli halka, 5 – filtre ağı. Fiber lazer:
Böyle bir ürünün üretiminde teknolojik süreci gerçekleştirmek veya basitleştirmek için fiber lazer kullanmak mümkün müdür? Fikrin özü şu şekildedir: Bir fiber lazeri doğrudan zaman bölme modunda kullanmak, böylece kaynağını çeşitli işlemlerle yüklemek. Teknik açıdan bakıldığında böyle bir ihtimal var ama bunun teknik yönüne hikayenin sonunda değineceğiz.
Veritabanındaki fiber lazerin lazer teknolojisi parametrelerine dayanarak öncelikle 1500 W gücünde bir lazer kaynağına ihtiyacımız olacağını tahmin ediyoruz. Bu elbette elemanları güvenilir bir şekilde kaynaklamak için gereken minimum güçtür. Lazerin çok işlevli kullanımı planlandığından robotik ekipmanın fiyatının kural olarak daha yüksek olması gerekir.
Aynı zamanda son derece önemli bir bütünsel avantajdan da bahsetmek gerekiyor: Ürün kalitesi seviyesindeki artış, doğrudan satış pazarında son derece önemli ve önemli bir rekabet faktörüdür ve bu da önemli bir paya sahip olmamızı sağlar.
Fiber lazerin ve onu kullanırken planlanan tüm teknolojik süreçlerin faydacı fizibilitesinin zaten uygun testlerden geçmiş olduğunu ve bu süreçlere ilişkin ön deneysel verilerin mevcut olduğunu özellikle vurgulamakta fayda var.
Bu nedenle: bir fiber lazer, bir dizi lazer teknolojisinin karmaşık kullanımı oldukça gerçekçi bir şekilde oldukça büyük bir genel etki sağlayabilir, ancak yalnızca lazer ekipmanının tamamen yüklü olması koşuluyla!
Lazer üretim seçeneğinin maliyeti yalnızca bir sanayi kuruluşunun hafife alınan maliyetiyle hesaplanır, ancak dakika başına maliyetin dürüst bir şekilde hesaplanması, böyle bir projenin karlılık marjının o kadar büyük ve açık olduğunu, hatta önemli ölçüde karlı olduğunu açıkça göstermektedir. yüksek genel giderlerle - ve bu bir gerçek!
Fiber lazeri de belirtmekte fayda var: lazer sisteminin tasarımcısı, teknolojik işlevselliği asimetrik olarak (yani eşit olmayan) 2 lazer kompleksine bölmeyi önerebilir - 1. lazer kompleksi yalnızca delik kesme ve kaynak işi gerçekleştirir ve 2. lazer kompleksi, Filtre üretimi ve çubukların sertleştirilmesi için kalan işlemler. Veya bir bütün olarak projenin karlılığına ana katkıları nedeniyle yalnızca ilk iki faktör üzerinde faaliyet gösteren ilk kompleksi bırakabilir. Fiber lazer, bu kararlar kesinlikle birçok açıdan teknik konularla, yani şu sorularla belirlenecektir: "Çok işlevlilik tam olarak nasıl uygulanır?" - “Bunun teknik olarak uygulanması gerçekten mümkün mü?” - “Bu hangi acil sorunlara yol açabilir?” Seçenekleri ve olasılıkları düşünelim.
Fiber lazer ve uygulamaları:
Sağlanan test görevi için manipülatörüne lazer kafası yerleştirilmiş bir robotun kullanılması tamamen başarılı bir çözümdür. Her şeyden önce, robot, geçişler için harcanan minimum süre ile halkayı ana kapağa 4 taraftan da otomatik olarak kaynaklama yeteneğine sahiptir ve sökme ve manuel kurulum ile temel döner ürün konumlayıcının imalatı sırasında doğrudan zaman kaybı yaşanır. Yükleme ve boşaltma da en aza indirilecektir. Bu elbette diğer kesme ve kaynak işlemleri için de geçerlidir.
Üniversal robotların kullanımı, standart dışı teknolojik ekipman ve takımların tasarlanması ve ardından üretilmesine ilişkin maliyetlerin pratikte ortadan kaldırılması avantajına sahiptir. Üretim eğitiminin asıl yükü tam olarak robot için belirli programların hazırlanmasına, yani verimliliğine düştüğü için.
BİRDEN FAZLA SİTENİN KULLANIMI.
Bu çözüm, kesinlikle tüm teknolojik işlemler için oldukça işlevsel bir manipülatörle donatılmış ayrı bir teknolojik istasyonun geliştirilmesini gerektirir. Belirli bir işlemin tamamlanmasının ardından, optik bir kabloyla lazere bağlanan lazer kafası başka bir teknolojik istasyona yeniden kurulur ve buna göre aynı veya başka bir ürün grubu üzerinde gerçekleştirilen başka bir işlem için yeniden ayarlanır.
Belirli bir işlemin tamamlanmasının ardından, lazere optik kablo ile bağlanan fiber lazer, lazer kafası, başka bir teknolojik istasyona yeniden kurulur, başka bir işleme göre ayarlanır ve aynı veya başka bir işlem üzerinde başka bir işlem işlenir. ürün grubu.
Fiber lazer Kişisel lazer teknolojik kafalarının farklı konumlarda olması maalesef henüz mümkün değil. Bir atölye ortamında optik kablonun başından çıkarılması, tozluluk nedeniyle kesinlikle yasaktır, çünkü optik fiberden gelen en ufak bir toz zerresi, optik çıkışa çarptığında, kural olarak, bu çıkışın geri dönüşü olmayan bir şekilde tahrip olmasına yol açar. Bu soruna bir çözüm, benzer ekipmanlara sahip tüm işletmeler tarafından merakla bekleniyor ve belki de yakın gelecekte hala bulunacak.
OPTİK ÇOKLAYICILARIN UYGULANMASI
Şu anda nadiren kullanılan yeni bir özellik. Ana özü şudur: lazere girişiyle ve bireysel direklerde teknolojik kafalara sahip çeşitli çıkışlarla bağlanan belirli bir özel lazer ışını anahtarını satın alabilirsiniz. Radyasyonun istasyonlar arasında değişimi oldukça hızlı gerçekleşir ve böyle bir sistem, ürün değişimi ve teknolojik geçişlerde zaman kaybını en aza indirebilir.
Bunu yapabilmek için üst düzey sistemin sevk fonksiyonlarını sağlamasının yanı sıra, lazer kaynağının kaynaklarını doğrudan bu teknolojik direklerin taleplerine göre dağıtması gerekir. Formasyon hesaplamalarında yükleme ve boşaltma süresinin en azından çalışma süresine eşit olduğunu varsaydığımızdan, bu durumda böyle bir çoklayıcı kullanıldığında yaklaşık 100.000 adet üretim için bir test programının uygulanması için yalnızca bir lazer yeterli olacaktır. ürünler.
Böyle bir çoklayıcının maliyeti yaklaşık 1-2 milyon ruble. Ek olarak, fiber lazerin birden fazla çıkışa sahip yerleşik bir çoklayıcı ile sipariş edilebileceğine dikkat edilmelidir.
Belki de tek dezavantaj, çoklayıcının radyasyonun kalitesini biraz düşürmesidir (yani, çıktıda çok daha büyük kesitli bir fiber kullanılması gerekir), ancak bu yalnızca lazer kesim için kritiktir. Fiber lazer, benzer sistemi en uygun ve en uygun olanıdır. Bir çoklayıcı için, lazer yük seviyesi sayesinde ek sermaye maliyetleri birçok kez telafi edilir.
Yani: 1 – lazer, 2 – optik anahtar, 3 – kafalar (teknolojik), 4 – teknolojik istasyonlar, 5 – merkezi kontrol sistemi.
Lazer kafalarının çok yönlülüğü ile ilgili bir diğer önemli konu: Endüstriyel bir robot veya çok istasyonlu bir alan kullanmayı planlıyorsanız, lazer kafasının çok yönlülük özelliğine sahip olması (yani çeşitli teknolojik işlemleri gerçekleştirebilmesi) gerekir. . Bugün Batılı üreticiler bu tür kafalar üretmiyor!
Bununla birlikte, bu tür ekipmanlar zaten mevcut: seri üretim yakında başlayacak - fiber lazer radyasyonu (kaynak, kesme, sertleştirme, delme) kullanarak tüm temel teknolojik operasyonları gerçekleştirebilen evrensel, ayarlanabilir bir kafa. Kafanın herhangi bir özel işleme uyarlanması, hem optik sistemin otomatik olarak dönüştürülmesi hem de iyi bilinen manyetik süspansiyon prensibine göre takılan değiştirilebilir bir teknolojik ataşman (yani değiştirilmesi) yoluyla gerçekleştirilir.
Fiber lazer, avantajları:
Tahminler fiber lazerin önemli bir ekonomik potansiyele sahip olduğunu gösteriyor.
- Modern lazerlere dayanan fiber lazer projelerinin yüksek karlılığı, yalnızca maksimum ekipman yüküyle sağlanır, yani yeni lazerlerin oldukça önemli güvenilirliği ve benzersiz kaynağı nedeniyle teknik olarak mümkündür.
- Lazer kaynağının kaynağını paylaşan çok işlevli teknolojik alanlar oldukça önemli bir geleceğe sahip olabilir.
- Önemli sermaye yatırımlarına rağmen, lazer ekipmanlarının ve genel olarak lazer teknolojik sistemlerinin geri dönüşü çok çok hızlı olabilir, 1-1,5 yıla kadar çıkabilir.
Bir fiber lazer, kazanç ortamının ve bazı durumlarda rezonatörün optik fiberden yapıldığı, tamamen veya kısmen fiber optik uygulamaya sahip bir lazerdir.
Bir fiber lazer, tamamen veya kısmen fiber optik uygulamaya sahip bir lazerdir; Optik lif A bir kazanç ortamı ve bazı durumlarda bir rezonatör yapılır. Fiber uygulamasının derecesine bağlı olarak, bir lazer tamamen fiber (aktif ortam ve rezonatör) veya ayrı fiber (sadece fiber rezonatör veya diğer elemanlar) olabilir.
Fiber lazerler sürekli dalganın yanı sıra nano ve femtosaniye darbeli darbelerde de çalışabilir.
Tasarım lazer yaptıkları işin özelliklerine bağlıdır. Rezonatör bir Fabry-Perot sistemi veya bir halka rezonatörü olabilir. Çoğu tasarımda, aktif ortam olarak nadir toprak elementlerinin (tülyum, erbiyum, neodimyum, itterbiyum, praseodimyum) iyonlarıyla katkılı bir optik fiber kullanılır. Lazer, bir veya daha fazla lazer diyot kullanılarak doğrudan fiber çekirdeğe veya yüksek güçlü sistemlerde iç kaplamaya pompalanır.
Fiber lazerler, geniş parametre seçimi ve darbeyi geniş bir süre, frekans ve güç aralığında kişiselleştirme yeteneği nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır.
Fiber lazerlerin gücü 1 W ila 30 kW arasındadır. Optik fiber uzunluğu – 20 m'ye kadar.
Fiber lazerlerin uygulamaları:
– kesme endüstriyel üretimde metaller ve polimerler,
– hassas kesim,
– mikroişlem metaller ve polimerler,
– yüzey işleme,
– lehimleme,
– ısı tedavisi,
– ürün etiketleme,
– telekomünikasyon (fiber optik iletişim hatları),
– elektronik üretimi,
– tıbbi cihaz üretimi,
– bilimsel enstrümantasyon.
Fiber lazerlerin avantajları:
– fiber lazerler malzeme işlemede yeni bir çağ açan benzersiz bir araçtır,
– Taşınabilirlik ve fiber lazerlerin dalga boyunu seçebilme yeteneği, halihazırda mevcut diğer lazer türleri için mevcut olmayan yeni etkili uygulamalara olanak tanır,
– endüstriyel kullanım açısından önemli olan hemen hemen tüm önemli parametrelerde diğer lazer türlerinden üstün,
– Darbeyi geniş bir süre, frekans ve güç aralığında kişiselleştirme imkanı,
– örneğin lazer gravür için gerekli olan, gerekli frekans ve yüksek tepe gücüne sahip bir dizi kısa darbeyi ayarlama yeteneği,
– geniş parametre seçimi.
Farklı lazer türlerinin karşılaştırılması:
| Parametre | Endüstriyel kullanım için gereklidir | CO2 | YAG-Nd lamba pompalı | Diyot pompalı YAG-Nd | Diyot lazerler | |
| Çıkış gücü, kW | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Dalga boyu, µm | mümkün olduğu kadar az | 10,6 | 1,064 | 1.064 veya 1.03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, mm x mrad | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| Yeterlik, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Fiber radyasyon dağıtım aralığı | 10…300 | mevcut olmayan | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Çıkış gücü kararlılığı | mümkün olduğu kadar yüksek | Düşük | Düşük | Düşük | yüksek | çok yüksek |
| Geri yansıma hassasiyeti | Mümkün olduğunca düşük | yüksek | yüksek | yüksek | Düşük | Düşük |
| İşgal edilen alan, m² | mümkün olduğu kadar az | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Kurulum maliyeti, ilgili birimler | mümkün olduğu kadar az | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| İşletme maliyeti, göreceli. | mümkün olduğu kadar az | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Bakım maliyeti, göreceli. | mümkün olduğu kadar az | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Lamba veya lazer diyot değiştirme sıklığı, saat. | mümkün olduğu kadar | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw opto raycus darbeli fiber iterbiyum lazer 50w 100kw üretici satın al
fiber katı hal lazerleri
metal kesme kontrplak fiber lazerle harika cernark gravür derin gravür modları
iterbiyum fiber lazer cihazı
fiber makine lazer satmak
çalışma prensibi üretim Fryazino 1.65 mikron teknolojisi iterbiyum satın alma fiyatı ipg hp 1 optik metal kesmek için gravür darbe çalışma prensibi makine optik uygulamaları güç kendin yap cihaz diyagramı dalga boyu kaynak üreticisi dalgalar halinde keser
Talep faktörü 902
Fiber lazerler, aktif elemanı lazer aktivatör katkı maddeleri içeren bir fiber ışık kılavuzu olan, optik olarak pompalanan katı hal lazerleri olarak anlaşılmaktadır. Işık kılavuzu sistemleri için en umut verici olanı, neodimyum iyonları tarafından etkinleştirilen fiberlere dayanan lazerlerdir ve kuvars fiberlerdeki ışık kayıplarının ve dağılımının minimum olduğu spektral aralıkta yer alan, merkezi dalga boyları µm ve µm olan iki ana lazer çizgisine sahiptir.
Pirinç. 4.11. Mikron zayıflamalı kademeli fiber için röle bölümünün uzunluğunun bilgi iletim hızına bağımlılığı:
1 - bir lazer diyot için (BC bölümündeki karakteristik düşüş, modlar arası dağılımdan kaynaklanmaktadır) 2 - bir sbeto yayan diyot için (karakteristik düşüş, bölümdeki diyotun geniş spektrumundan kaynaklanmaktadır ve ek olarak bölümdeki frekans karakteristiği düşüşü)
Neodimyum amplifikasyonunun spektral özellikleri pratik olarak dış koşullardan bağımsızdır; neodimyum iyonlarının maksimum amplifikasyonuna karşılık gelen dalga boyunun sıcaklık kayması eşittir, yarı iletken ortamlar için bu parametre Tek mod dahil olmak üzere fiber ışık kılavuzlarına radyasyonu etkili bir şekilde sokar.
Bu avantajlarına ve aşağıda da görüleceği gibi geniş işlevselliklerine rağmen fiber lazerler henüz araştırma aşamasından çıkmamıştır. Bu, fiber optik sistemler oluştururken, özellikle yarı iletken kaynakların temel avantajlarından birinin belirleyici bir rol oynadığı, özellikle ilk etapta uygulanan oldukça basit sistemlerde, iyi geliştirilmiş yarı iletken yayıcılar kullanılarak birçok sorunun çözüldüğü gerçeğiyle açıklanmaktadır. - Radyasyon yoğunluğunun pompa akımıyla doğrudan modüle edilmesi olasılığı. Katı hal lazerlerinde, özellikle neodimyumla aktifleştirilen ortama dayalı lazerlerde, nispeten uzun boylamasına gevşeme süresi nedeniyle, pompa gücünü değiştirerek radyasyon yoğunluğunun yüksek hızlı modülasyonu temelde imkansızdır. Ters çevrilmiş popülasyonun hızlı bir şekilde "açılamaması", doğrudan modülasyon frekanslarını Hz değerlerine sınırlar. Işık kılavuzu sistemlerinin geliştirilmesi, özellikle tutarlı alım ve çok kanallı spektral ile yakın geleceğin umut verici sistemleri
sıkıştırma, yalnızca jeneratör olarak değil aynı zamanda ışık amplifikatörleri olarak da kullanılabilen fiber lazerlerin gelişimini teşvik eder.
Mevcut fiber lazer tasarımları üç gruba ayrılabilir. Birinci grubun fiber lazerleri, birkaç uzun fiber demetini ve darbeli gaz deşarj lambalarıyla güçlü pompalamayı kullanır. Bu tür yapılarda pozitif geri besleme, ışığın liflerin uçlarından yansıması ve mikro bükülmelerde ve homojensizliklerde geri saçılması nedeniyle oluşur.
Pirinç. 4.12. Fiber lazerlerin tasarımları: a - uç pompalamalı; b - küçük çaplı fiberler için enine pompalama ile, c - fiberlerin bir cetvel üzerine doğrudan döşenmesiyle - yayan platform - lazer rezonatör aynası, radyasyona karşı şeffaf, 13 - aktif fiber, 5 - rezonatör aynası; 6 - optik yapıştırıcı, 8 - reflektör, 9 - cam silindir, 10, 12 - radyatörler; 11, 14 - LED hatları
Tüp pompalama, tek geçişte yüksek kazanç elde etmeyi mümkün kılar, ancak cebri sıvı soğutma sistemlerinin ve hacimli güç kaynaklarının kullanımını gerektirir, bu da görünüşe göre küçük boyutlu cihazların oluşturulmasını gerçekçi olmaktan çıkarır. Bu anlamda bazı beklentiler, gaz deşarjlı mikro lambaların kullanılmasında yatıyor olabilir. Lamba pompalı tasarımların avantajları arasında, bunları oldukça yüksek (~ 30-40 dB) kazançlı, hareketli dalga optik amplifikatörleri ve rejeneratif amplifikatörler olarak kullanma olasılığı yer alır.
İkinci grup fiber lazer tasarımları, neodim iyonları katkılı kısa uzunluklarda monokristalin ve cam elyafları kullanır. Pompalama, fiberin ucundan yarı iletken bir lazer veya LED ile gerçekleştirilir. Yeterince yüksek bir pompa verimliliği, GaAlAs GVD'ye dayalı bir yarı iletken yayıcının emisyon spektrumunun, yaklaşık merkezi dalga boyuna sahip neodimyumun yoğun absorpsiyon hatlarından biriyle eşleştirilmesiyle elde edilir.
0,81 mikron. İkinci gruptaki fiber lazerlerin tasarımı şematik olarak Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.12, a. Aktif ortamın kazancının düşük olması nedeniyle lazer boşluğu oluşur
Yüksek yansıtıcılığa sahip dielektrik aynalar. Neodimyumlu itriyum alüminyum garnet ve neodimyumlu cam kuvars elyaflarından yapılmış monokristalin fiberlere dayalı lazerler bu tasarıma sahiptir. Kristal fiberde kripton lazerle uç pompalama ve yakut fiberde argon lazerle pompalama ile üretim raporları vardır. En iyi sonuçlar, 0,5 cm uzunluğunda ve 80 cm fiber geometrisine sahip bir kristal kullanıldığında elde edildi. μm çapındadır. Harici rezonatör (Şekil 4.12, a), biri mikronlu lazer radyasyonu için yansımaya sahip olan ve sadece pompa radyasyonu için dielektrik kaplamalı aynalardan oluşturulmuştur; lazer radyasyonu için aynı yüksek yansıtıcılığa sahip ikinci ayna, pompayı yansıtmaktadır. ışık oldukça iyi Aynalar neredeyse fiberin uçlarına yakın konumlandırılmıştı. Pompalama, yayma alanı çapı 85 μm olan bir yüzey LED'i ile gerçekleştirildi. Eşik pompa gücü
Bu tasarımdaki fiber lazerlerin ana avantajları düşük güç tüketimi ve genel boyutlarıdır. Ana dezavantajlar: Son pompalama devresi, çıkış gücünü sınırlayan, uzunluğu 1 cm'den fazla olan fiber bölümlerinin kullanılmasına izin vermez. Ek olarak, bu lazerlerin üretim ve hizalama teknolojisi karmaşıktır ve uçlardan birinde bir pompa LED'inin varlığı, lazerin optik sinyal amplifikatörü olarak kullanımını zorlaştırır.
LED çubuklarla enine pompalamalı çok turlu fiber lazerler (Şekil üçüncü grubun tasarımlarını temsil eder. Çekirdeği neodim iyonları tarafından etkinleştirilen LED çubuğun üzerine birkaç tur cam elyafı yerleştirilir. Tasarım bir dereceye kadar birinci ve ikinci gruptaki fiber lazerlerin avantajlarını birleştirir ve dezavantajlarının çoğundan yoksundur. Yarı iletken yayıcıların pompa kaynakları olarak kullanılması, bu tür sistemlerin boyutunu oldukça küçük hale getirir ve uzun fiber bölümlerinin kullanılması onu sağlar; Tek geçişte oldukça büyük bir kazanç elde etmek mümkündür. Enine pompalanan şemada optik fiberlerin küçük çapı nedeniyle, yüksek iyon konsantrasyonuna sahip ve buna bağlı olarak yüksek emme katsayısına sahip cam elyafların kullanımı etkilidir. Neodimyum ultrafosfatlardan yapılan fiberler bu tür özelliklere sahiptir. LED hatlarına çok turlu fiber yerleşimi farklı şekillerde yapılabilir. Böylece, bir parça elyaf, dış yüzeyine yansıtıcı bir kaplamanın uygulandığı yaklaşık 1 mm çapındaki bir cam silindirden tekrar tekrar çekilir (Şekil 4.12, b).
pompa radyasyonu kullanma verimliliğini arttırmak. Bu yöntem dış çapı (μm) küçük olan lifler için tercih edilir. LED hattının üzerine daha büyük çaplı fiberler yerleştirilebilir (Şekil 4.12, c). Her iki tasarım da yürüyen dalga optik amplifikatörleri olarak kullanılabilir; ışık kılavuzunun bir ucu amplifikatör girişi ve diğer ucu çıkıştır. Fiberlerin uçlarına ayna kaplamaların uygulanması, Fabry-Perot fiber rezonatörüyle lazerlemeye olanak tanır.
Aktif optik fiberlerdeki lazer işlemlerinin özellikleri, pozitif geri beslemenin yokluğunda spesifik lazer üretiminin varlığıyla belirlenir.
Pirinç. 4.13. Fiber ışık kılavuzu: a - aktif çekirdekli ve pasif kaplamalı; b - pasif çekirdekli ve aktif kabuklu (2)
Fiber lazerler ile hacimsel aktif elementlere dayalı lazerler arasındaki temel fark budur. Yarı iletken LED'lerdeki süperlüminesans rejimine yakın olan bu sürecin özünü açıklamak için, ters çevrilmiş bir popülasyonun oluşturulduğu ışık kılavuzunun bazı temel bölümlerini ele alalım (Şekil 4.13, a). Kendiliğinden emisyon tüm yönlerde eşit olasılıkla meydana gelir, ancak fiber ile ortak bir eksene sahip olan ve 20'lik bir açılma açısı ile belirlenen iki açı konisinde yoğunlaşan radyasyon çekirdeği terk etmez. Burada
sırasıyla çekirdeğin ve kaplamanın kırılma endeksleri nerededir? Bu radyasyon, fiber boyunca sağa ve sola doğru yayılma sırasında uyarılmış emisyonla güçlendirilen fiberin doğal salınımlarını (modlarını) uyarır (Şekil 4.13, a). Aynı tablo aktif fiber çekirdeğin diğer temel bölümleri için de gözlenmektedir. Böyle bir fiber ışık kaynağının çıkışında radyasyon sapması yaklaşık olarak fiberin sayısal açıklığı ile belirlenir.
Aktif bir ışık kılavuzunda birbirine doğru yayılan ışık dalgalarının yoğunluğu, kazancı doyuran değerden önemli ölçüde az olduğu sürece, karşı yayılan dalgalar ve ışık kılavuzunun farklı modları tarafından aktarılan enerjiler bağımsızdır. Bu koşullar altında, uyarılmış emisyon nedeniyle spontan emisyonun amplifikasyonu süreci, doygunluk olmadan ve spontan emisyon dikkate alınarak bir lazer amplifikatörün iyi bilinen denklemleriyle açıklanmaktadır. Bir fiber uzunluğunun aktif bölümünün çıkışındaki bir moddaki radyasyonun spektral güç yoğunluğu (Şekil 4.13, a) şuna eşittir:
İşte Planck sabiti; - ışık titreşimlerinin frekansı; - üst ve alt lazer seviyelerinin popülasyonları; - birim uzunluk başına kazanç; burada zorunlu geçiş için Einstein katsayısı; - spektral kazanç çizgisinin normalleştirilmiş şekli; c ışık hızıdır. Üretilen maksimum güç, fiberin uzunluğuyla veya rezonatörlü lazerlerde olduğu gibi doygunlukla sınırlanabilir. Doğal olarak amplifikasyon işlemi sırasında hattın merkezindeki spektral bileşenlerin daha fazla amplifiye edilmesi nedeniyle üretim spektrumu lüminesans spektrumuna göre daralır. Spektrumun genişliği kazanç ve şekle göre belirlenir ve emisyon spektrumu bir rezonatörün yokluğundan dolayı süreklidir.
Söz konusu spesifik fiber lazer işleminin üç önemli yönü vardır.
1. Aktif fiber ışık kılavuzu, optik rezonatör olmadan ışık kaynağı olarak kullanılabilir.
2. Geleneksel bir boşluk tasarımı kullanarak fiber lazerler oluştururken, dikkate alınan sürecin tek geçişte doygunluk kazanmasına yol açabileceği ve bunun sonucunda geri bildirimin anlamını kaybedeceği dikkate alınmalıdır. Bu durumda ve değerleri, kazancı doyuran değerden uzak olacak şekilde seçilmelidir.
3. Fiber optik amplifikatörlerde, tartışılan işlem sonucunda ortaya çıkan ışık, gürültünün ana kaynağıdır. Formül (4.12)'den aşağıdaki gibi amplifikatör girişine yeniden hesaplanan bir moddaki gürültü gücü spektral yoğunluğu şuna eşittir:
Neodimyum lazer seviye devresi gibi dört seviyeli bir sistemde, genellikle yüksek kazançlarda
Hacimsel amplifikatörlerde, güçlendirilmiş spontan emisyonun gürültüsü uzun süredir temelde giderilemez olarak kabul edilmiştir (örneğin işe bakın), ancak fiber amplifikatörlerde, Şekil 2'de gösterilen ışık kılavuzu kullanıldığında seviyesi önemli ölçüde azaltılabilir. 4.13, 6. Çekirdeği, kırılma indeksini artıran bir katkı maddesi içeren kuvars camdan yapılmış tek modlu fiber, örneğin neodim iyonları tarafından etkinleştirilen bir cam kaplamaya sahiptir. Kaplamada ters bir popülasyonun oluşturulması, çekirdek modun etkili bir kazançla güçlendirilmesine yol açar
kabuktaki kazanç nerede; - kaplamada yayılan çekirdek mod gücünün bir kısmı; P bu mod tarafından taşınan toplam güçtür. Lif parametresi 0,6'dan 2,4048'e değiştiğinde oran 0,99'dan 0,1'e değişmektedir. Çekirdek, alanını kendisine yakın konumlandırarak ana modu etkili bir şekilde yönlendirmeye başladığında ikinci mod uyarılır. Formül, fiberden daha düşük kalitede radyasyon kayıplarının meydana geldiği bir kaplamaya sahip bir fiberin zayıflama katsayısı ifadesiyle aynı şekilde elde edildi. Birincisinin önemli dezavantajları, amplifikasyon hattının (mikronlar için) sıcaklık dengesizliği, tek modlu fiber ışık kılavuzlarını amplifikatörün düzlemsel ışık kılavuzuna bağlarken önemli kayıplar ve yüksek düzeyde gürültü gücü - süperlüminesans radyasyonudur.
Fiber lazerler yeni tip FOD'lar yaratma olasılığının önünü açıyor. Bir fiber ışık kılavuzu olan hassas eleman burada bir fiber halkanın veya doğrusal lazer rezonatörün bir parçasıdır.
Pirinç. 4.14. Dağıtılmış geri beslemeli (a) ve Bragg aynalı (b) tek frekanslı fiber lazerler: 1 - aktif çekirdek; 2 - periyodik yapıya sahip kabuk
Dış faktörlerin etkisi altında ışık salınımlarının fazındaki bir değişiklik, lazerlerdeki çeşitli modların üretim frekanslarında bir değişikliğe yol açar. Dış etkilerle ilgili bilgi, modlar arası atımların frekansındaki değişiklikte bulunur. Işık kılavuzunun uçlarının kaynaklanması veya sökülmesiyle gerçekleştirilen, halka rezonatörlü bir fiber lazere dayanarak, küçük boyutlu bir lazer fiber jiroskop oluşturmak oldukça basittir.
Kararlı tek frekanslı fiber lazerler, dağıtılmış geri bildirim veya dağıtılmış Bragg yansıma tasarımı olarak uygulanabilir. Bunu yapmak için, aşağıda anlatılacak yöntemlerden biri kullanılarak fiberin belirli bölümlerinde bir fiber yansıtıcı spektral filtre oluşturulur (bkz. paragraf 4.8) (Şekil 4.14). Bu tür kaynaklar faz su diyotlarında kullanılabilir.
Süper parlak fiber lazerlerin kullanılması, pasif fiber jiroskopların tasarımını basitleştirmeyi ve hacimsel elemanların varlığından kaynaklanan gürültü seviyesini azaltarak hassasiyetlerini arttırmayı mümkün kılar. Halka interferometrelerde ve jiroskoplarda, kaynak radyasyonunun tutarlılık uzunluğunun ve hacimsel elemanların sayısının azalmasıyla gürültü seviyesi azalır (bkz. bölüm 3.6). Bir fiber kaynağında, radyasyonun tutarlılık uzunluğunun, dönme ve karşılıklı olmayan etkilerden dolayı, interferometrenin karşı yayılan dalgaları arasındaki yol farkından daha büyük olmasını sağlamak kolaydır. Süperlüminesan fiber lazerler nm spektrum genişliğine ve oldukça yüksek bir darbe gücüne sahiptir.
standart kuplörler kullanılarak bir fiber halka interferometresine bağlanır.
