Волоконный лазер – это лазер с полностью или частично оптоволоконной реализацией, где из оптического волокна выполнены усиливающая среда и, в отдельных случаях, резонатор.
Волоконный лазер – это лазер с полностью или частично оптоволоконной реализацией, где из оптического волокн а выполнены усиливающая среда и, в отдельных случаях, резонатор. В зависимости от степени волоконной реализации лазер может быть цельноволоконным (активная среда и резонатор) или волоконно-дискретным (волоконный только резонатор или другие элементы ).
Волоконные лазеры могут работать в непрерывной, а также в нано- и фемтосекундной импульсной пульсации.
Конструкция лазера зависит от специфики их работы. Резонатором может быть система Фабри-Перо или резонатор кольцевой. В большинстве конструкций в качестве активной среды используется оптоволокно, допированное ионами редкоземельных элементов – тулий, эрбий, неодим, иттербий, празеодимий. Накачка лазера осуществляется с помощью одного или нескольких лазерных диодов непосредственно в сердцевину волокна или, в мощных системах, во внутреннюю оболочку.
Волоконные лазеры получили широкое применение благодаря широкому выбору параметров, возможности настройки импульса в широком диапазоне длительности, частот и мощностей.
Мощность волоконных лазеров – от 1 Вт до 30 кВт. Длина оптического волокна – до 20 м.
Применение волоконных лазеров:
– резка металлов и полимеров в промышленном производстве,
– прецизионная резка,
– микрообработка металлов и полимеров,
– обработка поверхностей,
– пайка,
– термообработка,
– маркировка продукции,
– телекоммуникация (оптоволоконные линии связи),
– производство электроники,
– производство медицинских приборов,
– научное приборостроение.
Преимущества волоконных лазеров:
– волоконные лазеры являются уникальным инструментом, открывающим новую эру в обработке материалов,
– портативность и возможность выбора длины волны волоконных лазеров позволяют реализовать новые эффективные применения недоступные для других типов ныне существующих лазеров,
– превосходят другие типы лазеров практически по всем существенным параметрам, важным с точки зрения их промышленного использования,
– возможности настройки импульса в широком диапазоне длительности, частот и мощностей,
– возможность задания последовательности коротких импульсов с требуемой частотой и высокой пиковой мощностью , что необходимо, к примеру, для лазерной гравировки,
– широкий выбор параметров.
Сравнение лазеров различных типов:
| Параметр | Требуется для использования в промышленности | СО 2 | YAG-Nd с ламповой накачкой | YAG-Nd с диодной накачкой | Диодные лазеры | |
| Выходная мощность, кВт | 1…30 | 1…30 | 1…5 | 1…4 | 1…4 | 1…30 |
| Длина волны, мкм | как можно меньше | 10,6 | 1,064 | 1,064 или 1,03 | 0,8…0,98 | 1,07 |
| BPP, мм х мрад | < 10 | 3…6 | 22 | 22 | > 200 | 1,3…14 |
| КПД, % | > 20 | 8…10 | 2…3 | 4…6 | 25…30 | 20…25 |
| Дальность доставки излучения волокном | 10…300 | отсутствует | 20…40 | 20…40 | 10…50 | 10..300 |
| Стабильность выходной мощности | как можно выше | низкая | низкая | низкая | высокая | очень высокая |
| Чувствительность к обратному отражению | как можно ниже | высокая | высокая | высокая | низкая | низкая |
| Занимаемая площадь, кв.м | как можно меньше | 10…20 | 11 | 9 | 4 | 0,5 |
| Стоимость монтажа, отн.ед. | как можно меньше | 1 | 1 | 0,8 | 0,2 | < 0,05 |
| Стоимость эксплуатации, отн.ед. | как можно меньше | 0,5 | 1 | 0,6 | 0,2 | 0,13 |
| Стоимость обслуживания, отн.ед. | как можно меньше | 1…1,5 | 1 | 4…12 | 4…10 | 0,1 |
| Периодичность замены ламп или лазерных диодов, час. | как можно больше | – | 300…500 | 2000…5000 | 2000…5000 | > 50 000 |
2000w cw оптико raycus импульсный волоконный иттербиевый лазер 50 вт 100 квт купить производитель
волоконные твердотельные лазеры
резка металлов фанеры обалденная cernark гравировка режимы глубокой гравировки волоконным лазером
устройство иттербиевого волоконного лазера
волоконная машина продаю лазер
принцип работы производство фрязино 1.65 мкм технология иттербиевый купить цена ipg лс 1 оптический для резки металла гравировка импульсный принцип работы станок оптико применения мощность своими руками устройство схема длина волны сварка производитель режет волнами
Коэффициент востребованности 902
ТОМАС ШРИБЕР, АНДРЕАС ТЮННЕРМАН и АНДРЕАС ТОМС
Благодаря идентификации проблем мощных волоконных лазеров и оптимизации оптического волокна, была достигнута одномодовая мощность 4,3 кВт с будущим возможным масштабированием и новыми сверхбыстрыми лазерными приложениями в разработке.
Если есть одна очевидная тенденция в лазерной технологии, то это рост волоконных лазеров. Волоконные лазеры взяли на себя долю рынка от мощных CO2-лазеров, а также от объемных твердотельных лазеров при мощной резке и сварке. Крупные производители волоконных лазеров в настоящее время обращаются к ряду новых приложений, чтобы завоевать еще больше рынков.
Среди мощных лазеров одномодовые системы предлагают функции, которые делают их желательными: они обладают самой высокой яркостью, и их можно сфокусировать до нескольких микрон и до самых высоких интенсивностей. Они также демонстрируют наибольшую глубину фокуса, что делает их наиболее подходящими для дистанционной обработки.
Тем не менее, их сложно изготовить, и только лидирующая на рынке лидирующая компания PHG Photonics (Oxford, MA) предлагает систему мощностью 10 кВт с одномодовым излучением (2009).
К сожалению, нет данных на эти характеристики луча, в частности, о любых возможных многомодовых компонентах, которые могут соответствовать одномодовому лучу.
Команда исследователей в Германии продемонстрировала одномодовую мощность 4,3 кВт от волоконного лазера, в которой выход был ограничен только мощностью входной накачки.
Финансируется правительством Германии и в сотрудничестве с TRUMPF (Ditzingen, Germany), Active Fiber Systems, Jenoptik и Лейбницским институтом фотонных технологий, группой ученых из Университета Фридриха Шиллера и Института прикладной оптики и точной инженерии Фраунгофера (все В Йене, Германия) проанализировали проблемы для масштабирования таких лазеров, а затем разработали новые волокна для преодоления ограничений. Команда успешно завершила серию испытаний, показывающих одномодовый выход 4,3 кВт, в которых выход волоконного лазера ограничивался только мощностью входной накачки.
Эффекты сдерживания для одномодового волоконного лазерного масштабирования
Каковы проблемы для такого одномодового мощного волоконного лазера? Они могут быть сгруппированы в три поля: a) улучшенная накачка, b) разработка активного волокна с низкими оптическими потерями, работающими только в одномодовом режиме, и c) правильное измерение результирующего излучения.
В этой статье мы будем предполагать, что а) решается с помощью высокоярких лазерных диодов и соответствующих методов развязки, и сосредоточимся на двух других областях.
В рамках разработки активного волокна для высокомощного одномодового режима для оптимизации используются два общих набора параметров: легирование и геометрия. Все параметры должны быть определены для минимальных потерь, одномодового режима и, наконец, мощного усиления. Идеальный волоконный усилитель обеспечит высокую скорость преобразования более 90%, отличное качество луча и выходную мощность, ограниченную только доступной мощностью накачки.
Однако повышение масштаба одномодовой системы до более высоких мощностей может привести к большей плотности мощности внутри активной активной зоны, увеличению тепловой нагрузки и ряду нелинейных оптических эффектов, таких как вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS) ,
В зависимости от размера активной сердцевины можно возбуждать и усиливать несколько поперечных мод. Для заданного шага индекса между ядром и оболочкой, чем меньше активное сечение активной ячейки, тем меньше число таких режимов. Однако меньший диаметр также означает более высокую плотность мощности. Несколько трюков, таких как сгибание волокна, добавляют потери для более высоких режимов.
Тем не менее, для больших диаметров сердечника и при тепловой нагрузке могут возникать другие режимы. Эти режимы подвержены взаимодействию во время усиления — без оптимальных условий распространения, выходной профиль может стать пространственно или временно неустойчивым.
Нестабильности поперечных мод
Иттербий (Yb) -допированные волокна являются типичной рабочей средой для мощных одномодовых волоконных лазеров. Но за пределами определенного порога они показывают совершенно новый эффект — так называемые неустойчивости поперечной моды (TMI).
При определенном уровне мощности внезапно появляются более высокие режимы или даже моды оболочки, энергия динамически передается между этими режимами, а качество луча уменьшается.
Пучок начинает колебаться на выходе.
Поскольку TMI была обнаружена, она наблюдалась в различных конструкциях волокон от волокон с шаговым индексом до волокон фотонного кристалла. Только его пороговое значение зависит от геометрии и легирования, но грубая оценка говорит о том, что этот эффект превышает выходную мощность 1 кВт.
Тем временем было обнаружено, что эффект связан с тепловыми эффектами внутри волокна с сильным отношением к эффектам фотопотемнения. Более того, восприимчивость волоконных лазеров к TMI, по-видимому, зависит от состава ядра.
Геометрия шагового индекса приводит к ряду параметров для оптимизации. Диаметр сердечника, размер облицовки насоса и индекс разности преломления между сердечником и оболочкой насоса могут быть настроены. Эта настройка зависит от концентрации легирующей примеси, т. е. концентрация ионов Yb может быть использована для управления длиной поглощения излучения накачки в активном волокне. Другие добавки могут быть добавлены для снижения тепловых эффектов и управления этапом показателя преломления.
Но есть некоторые противоположные требования. Чтобы уменьшить нелинейные эффекты, волокно должно быть короче. Однако для снижения тепловой нагрузки волокно должно быть длиннее. Фото-потемнение растет с квадратом концентрации легирующей примеси, поэтому более длинные волокна с более низким допингом также будут лучше.
Приложения в ультрабыстрой науке
После примерно десятилетия стагнации в области масштабирования мощных одномодовых волоконных лазеров теперь представляется целесообразным разработать новое поколение волоконных лазеров с киловаттным классом с отличным качеством луча.
Показаны выходные мощности 4,3 кВт, ограниченные только мощностью накачки.
Определены основные ограничения для дальнейшего масштабирования, и были определены пути преодоления этих ограничений.
Следует отметить, что это было тщательное исследование всех известных эффектов и последующая оптимизация параметров, которые привели к успехам в дизайне волокон и, наконец, к новым рекордам в выходной мощности.
Дальнейшее масштабирование и адаптация волокна для других приложений кажутся выполнимыми и будут нацелены дальше.
Это открывает ряд интересных перспектив.
С одной стороны, передача результатов в промышленные продукты желательна партнерами по проекту, но потребует дополнительных крупных усилий в области развития.
С другой стороны, эта технология очень важна для масштабирования других волоконно-оптических лазерных систем, таких как фемтосекундные волоконные усилители.
REFERENCES
- F. Beier et al., «Single-mode 4.3 kW output power from a directly diode-pumped Yb-doped fiber amplifier,» to be published in Opt. Express.
- T. Eidam et al., Opt. Lett., 35, 94–96 (2010).
- M. Müller et al., Opt. Lett., 41, 3439–3442 (2016).
Волоконные лазеры компактны и прочны, точно наводятся и легко рассеивают тепловую энергию. Они бывают разных видов и, имея много общего с оптическими квантовыми генераторами других типов, обладают собственными уникальными преимуществами.
Волоконные лазеры: принцип работы
Устройства этого типа представляют собой вариацию стандартного твердотельного источника когерентного излучения с рабочим телом из оптоволокна, а не стержня, пластины или диска. Свет генерируется легирующей примесью в центральной части волокна. Основная структура может варьироваться от простой до довольно сложной. Устройство иттербиевого волоконного лазера таково, что волокно имеет большое отношение поверхности к объему, поэтому тепло может быть относительно легко рассеяно.
Волоконные лазеры накачиваются оптически, чаще всего с помощью диодных квантовых генераторов, но в некоторых случаях - такими же источниками. Оптика, используемая в этих системах, как правило, представляет собой волоконные компоненты, причем большинство или все они соединены друг с другом. В некоторых случаях используется объемная оптика, а иногда внутренняя оптоволоконная система сочетается с внешней объемной оптикой.
Источником диодной накачки может служить диод, матрица, или множество отдельных диодов, каждый из которых связан с соединителем волоконно-оптическим световодом. Легированное волокно на каждом конце имеет зеркало объемного резонатора - на практике в волокне делают решетки Брэгга. На концах объемной оптики нет, если только выходной луч не переходит в нечто иное, чем волокно. Световод может скручиваться, так что при желании лазерный резонатор может иметь длину в несколько метров.
Двухъядерная структура
Структура волокна, используемого в волоконных лазерах, имеет важное значение. Наиболее распространенной геометрией является двухъядерная структура. Нелегированное внешнее ядро (иногда называемое внутренней оболочкой) собирает накачиваемый свет и направляет его вдоль волокна. Вынужденное излучение, генерируемое в волокне, проходит через внутреннее ядро, которое часто является одномодовым. Внутреннее ядро содержит присадку иттербия, стимулируемую световым пучком накачки. Существует множество некруговых форм внешнего ядра, в числе которых - гексагональная, D-образная и прямоугольная, уменьшающих вероятность непопадания светового пучка в центральное ядро.
Волоконный лазер может иметь торцевую или боковую накачку. В первом случае свет от одного или нескольких источников поступает в торец волокна. При боковой накачке свет подается в разветвитель, который подает его во внешнее ядро. Это отличается от стержневого лазера, где свет поступает перпендикулярно к оси.
Для такого решения требуется много конструктивных разработок. Значительное внимание уделяется подведению света накачки в активную зону, чтобы произвести инверсию заселенности, ведущую к вынужденному излучению во внутреннем ядре. Сердцевина лазера может иметь различную степень усиления в зависимости от легирования волокна, а также от его длины. Эти факторы настраиваются инженером-конструктором для получения необходимых параметров.
Могут возникнуть ограничения мощности, в частности, при работе в пределах одномодового волокна. Такой сердечник имеет очень малую площадь поперечного сечения, и в результате через него проходит свет очень высокой интенсивности. При этом становится все более ощутимым нелинейное рассеяние Бриллюэна, которое ограничивает выходную мощность несколькими тысячами ватт. Если выходной сигнал является достаточно высоким, торец волокна может быть поврежден.
Особенности волоконных лазеров
Использование волокна в качестве рабочей среды дает большую длину взаимодействия, которая хорошо работает при диодной накачке. Эта геометрия приводит к высокой эффективности преобразования фотонов, а также надежной и компактной конструкции, в которой отсутствует дискретная оптика, требующая настройки или выравнивания.
Волоконный лазер, устройство которого позволяет ему хорошо адаптироваться, может быть приспособлен как для сварки толстых листов металла, так и для получения фемтосекундных импульсов. Световолоконные усилители обеспечивают однопроходное усиление и используются в сфере телекоммуникаций, поскольку способны усиливать многие длины волн одновременно. Такое же усиление применяется в усилителях мощности с задающим генератором. В некоторых случаях усилитель может работать с лазером непрерывного излучения.
Другим примером являются источники спонтанного излучения с волоконным усилением, в которых вынужденное излучение подавляется. Еще одним примером может служить рамановский волоконный лазер с усилением комбинированного рассеивания, существенно сдвигающим длину волны. Он нашел применение в научных исследованиях, где для комбинационной генерации и усиления используется фторидное стекловолокно, а не стандартные кварцевые волокна.
Тем не менее, как правило, волокна изготавливают из с редкоземельной легирующей примесью в ядре. Основными добавками являются иттербий и эрбий. Иттербий имеет длины волн от 1030 до 1080 нм и может излучать в более широком диапазоне. Использование 940-нм диодной накачки значительно сокращает дефицит фотонов. Иттербий не обладает ни одним из эффектов самогашения, которые есть у неодима при высоких плотностях, поэтому последний используется в объемных лазерах, а иттербий - в волоконных (они оба обеспечивают примерно одинаковую длину волны).
Эрбий излучает в диапазоне 1530-1620 нм, безопасном для глаз. Частоту можно удвоить для генерации света при 780 нм, что недоступно для волоконных лазеров других типов. Наконец, иттербий можно добавить к эрбию таким образом, что элемент будет поглощать излучение накачки и передавать эту энергию эрбию. Тулий - еще одна легирующая присадка со свечением в ближней инфракрасной области, которая, таким образом, является безопасным для глаз материалом.
Высокая эффективность
Волоконный лазер представляет собой квази-трехуровневую систему. Фотон накачки возбуждает переход от основного состояния на верхний уровень. Лазерный переход является переходом с самой нижней части верхнего уровня в одно из расщепленных основных состояний. Это очень эффективно: например, иттербий с 940-нм фотоном накачки излучает фотон с длиной волны 1030 нм и квантовым дефектом (потерей энергии) всего около 9 %.
В противоположность этому неодим, накачиваемый при 808 нм, теряет около 24 % энергии. Таким образом, иттербий по своей природе обладает более высокой эффективностью, хотя и не вся она достижима из-за потери некоторых фотонов. Yb может быть накачан в ряде полос частот, а эрбий - длиной волны 1480 или 980 нм. Более высокая частота не так эффективна, с точки зрения дефекта фотонов, но полезна даже в этом случае, потому что при 980 нм доступны лучшие источники.
В целом эффективность волоконного лазера является результатом двухступенчатого процесса. Во-первых, это КПД диода накачки. Полупроводниковые источники когерентного излучения очень эффективны, с 50 % КПД преобразования электрического сигнала в оптический. Результаты лабораторных исследований говорят о том, что можно достичь значения в 70 % и больше. При точном соответствии выходного излучения линии поглощения волоконного лазера и достигается высокий КПД накачки.
Во-вторых, это оптико-оптическая эффективность преобразования. При небольшом дефекте фотонов можно достичь высокой степени возбуждения и эффективности экстракции с оптико-оптической эффективностью преобразования в 60-70 %. Результирующий КПД находится в диапазоне 25-35 %.
Различные конфигурации
Оптоволоконные квантовые генераторы непрерывного излучения могут быть одно- или многомодовыми (для поперечных мод). Одномодовые производят высококачественный пучок для материалов, работающих или посылающих луч через атмосферу, а многомодовые промышленные волоконные лазеры могут генерировать большую мощность. Это используется для резки и сварки, и, в частности, для термообработки, где освещается большая площадь.
Длинноимпульсный волоконный лазер является, по существу, квазинепрерывным устройством, как правило, производящим импульсы миллисекундного типа. Обычно его рабочий цикл составляет 10 %. Это приводит к более высокой пиковой мощности, чем в непрерывном режиме (как правило, в десять раз больше), что используется, например, для импульсного сверления. Частота может достигать 500 Гц, в зависимости от длительности.
Модуляция добротности в волоконных лазерах действует также, как и в объемных. Типичная длительность импульса находится в диапазоне от наносекунды до микросекунды. Чем длиннее волокно, тем больше времени требуется для Q-переключения выходного излучения, что ведет к более продолжительному импульсу.
Свойства волокна накладывают некоторые ограничения на модуляцию добротности. Нелинейность волоконного лазера более значительна из-за малой площади поперечного сечения сердечника, так что пиковая мощность должна быть несколько ограничена. Можно использовать либо объемные переключатели добротности, которые дают более высокую производительность, или волоконные модуляторы, которые подсоединяются к концам активной части.
Импульсы с модуляцией добротности могут быть усилены в волокне или в объемном резонаторе. Пример последнего можно найти в Национальном комплексе имитации ядерных испытаний (NIF, Ливермор, Калифорния), где иттербиевый волоконный лазер является задающим генератором для 192 пучков. Малые импульсы в больших плитах из легированного стекла усиливаются до мегаджоулей.
У волоконных лазеров с синхронизацией частота повторения зависит от длины усиливающего материала, как и в других схемах синхронизации мод, а длительность импульса зависит от пропускной способности усиления. Самые короткие находятся в пределах 50 фс, а наиболее типичные - в диапазоне 100 фс.
Между эрбиевыми и иттербиевыми волокнами существует важное различие, в результате чего они работают в различных режимах дисперсии. Легированные эрбием волокна излучают при 1550 нм в области аномальной дисперсии. Это позволяет производить солитоны. Иттербиевые волокна находятся в области положительной или нормальной дисперсии; в результате они порождают импульсы с выраженной линейной частотой модуляции. В результате для сжатия длины импульса может понадобится брэгговская решетка.
Есть несколько способов изменения волоконно-лазерных импульсов, в частности, для сверхбыстрых пикосекундных исследований. Фотонно-кристаллические волокна могут быть изготовлены с очень малыми ядрами для получения сильных нелинейных эффектов, например, для генерации суперконтинуума. В противоположность этому фотонные кристаллы также могут быть изготовлены с очень большими одномодовыми сердечниками для избежания нелинейных эффектов при больших мощностях.
Гибкие фотонно-кристаллические волокна с большим сердечником создаются для применений, требующих высокой мощности. Одним из приемов состоит в намеренном изгибе такого волокна для устранения любых нежелательных мод высшего порядка с сохранением лишь основной поперечной моды. Нелинейность создает гармоники; с помощью вычитания и складывания частот можно создавать более короткие и более длинные волны. Нелинейные эффекты могут также производить сжатие импульсов, что приводит к появлению частотных гребенок.
В качестве источника суперконтинуума очень короткие импульсы производят широкий непрерывный спектр с помощью фазовой самомодуляции. Например, из начальных 6 пс импульсов при 1050 нм, которые создает иттербиевый волоконный лазер, получается спектр в диапазоне от ультрафиолета до более 1600 нм. Другой ИК-источник суперконтинуума накачивается эрбиевым источником на длине волны 1550 нм.
Большая мощность
Промышленность в настоящее время является крупнейшим потребителем волоконных лазеров. Большим спросом сейчас пользуется мощность порядка киловатта, применяемая в автомобилестроении. Автомобильная промышленность движется к выпуску автомобилей из высокопрочной стали, чтобы они отвечали требованиям долговечности и были относительно легкими для большей экономии топлива. Обычным станкам очень трудно, например, пробивать отверстия в этом виде стали, а источники когерентного излучения делают это легко.
Резка металлов волоконным лазером, по сравнению с квантовыми генераторами других типов, обладает рядом преимуществ. Например, ближний инфракрасный диапазон волн хорошо поглощается металлами. Луч может быть доставлен по волокну, что позволяет роботу легко перемещать фокус при резке и сверлении.
Оптоволокно удовлетворяет самым высоким требованиям к мощности. Оружие ВМФ США, испытанное в 2014 г., состоит из 6-волоконных 5,5-кВт лазеров, объединенных в один пучок и излучающих через формирующую оптическую систему. 33 кВт установка была использована для поражения Хотя луч не является одномодовым, система представляет интерес, так как позволяет создать волоконный лазер своими руками из стандартных, легкодоступных компонентов.
Самая высокая мощность одномодового источника когерентного излучения компании IPG Photonics составляет 10 кВт. Задающий генератор производит киловатт оптической мощности, которая подается в каскад усилителя с накачкой при 1018 нм со светом от других волоконных лазеров. Вся система имеет размер двух холодильников.
Применение волоконных лазеров распространилось также на высокомощную резку и сварку. Например, они заменили контактную сварку листовой стали, решая проблему деформации материала. Управление мощностью и другими параметрами позволяет очень точно резать кривые, особенно углы.
Самый мощный многомодовый волоконный лазер - установка для резки металлов того же производителя - достигает 100 кВт. Система основана на комбинации некогерентного пучка, так что это не луч сверхвысокого качества. Такая стойкость делает волоконные лазеры привлекательными для промышленности.
Бурение бетона
Многомодовый волоконный лазер мощностью 4 кВт может использоваться для резки и бурения бетона. Зачем это нужно? Когда инженеры пытаются достичь сейсмостойкости существующих зданий, нужно быть очень осторожным с бетоном. При установке в нем, например, стальной арматуры обычное ударное бурение может привести к появлению трещин и ослабить бетон, но волоконные лазеры режут его без дробления.
Квантовые генераторы с модулированной добротностью волокна используются, например, для маркировки или при производстве полупроводниковой электроники. Также они используются в дальномерах: модули размером с руку содержат безопасные для глаз волоконные лазеры, мощность которых составляет 4 кВт, частота 50 кГц и длительность импульса 5-15 нс.
Обработка поверхностей
Существует большой интерес в небольших волоконных лазерах для микро- и нанообработки. При снятии поверхностного слоя, если длительность импульса короче 35 пс, отсутствует разбрызгивание материала. Это исключает образование углублений и других нежелательных артефактов. Импульсы в фемтосекундном режиме производят нелинейные эффекты, которые не чувствительны к длине волны и не нагревают окружающее пространство, что позволяет работать без существенного повреждения или ослабления окружающих участков. Кроме того, отверстия могут быть разрезаны с большим отношением глубины к ширине - например, быстро (в течение нескольких миллисекунд) проделать небольшие отверстия в 1-мм нержавеющей стали с помощью 800-фс импульсов с частотой 1 МГц.
Можно также производить поверхностную обработку прозрачных материалов, например, глаза человека. Чтобы вырезать лоскут при микрохирургии глаза, фемтосекундные импульсы плотно фокусируются высокоапертурным объективом в точке ниже поверхности глаза, не вызывая никаких повреждений на поверхности, но разрушая материал глаза на контролируемой глубине. Гладкая поверхность роговицы, которая имеет важное значение для зрения, остается целой и невредимой. Лоскут, отделенный снизу, затем может быть подтянут для поверхностного эксимер-лазерного формирования линзы. Другие медицинские применения включают хирургию неглубокого проникновения в дерматологии, а также использование в некоторых видах оптической когерентной томографии.
Фемтосекундные лазеры
Фемтосекундные квантовые генераторы в науке используют для спектроскопии возбуждения с лазерным пробоем, флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением, а также для общего исследования материалов. Кроме того, они нужны для производства фемтосекундных частотных гребенок, необходимых в метрологии и общих исследованиях. Одним из реальных применений в краткосрочной перспективе станут атомные часы для спутников GPS нового поколения, что позволит увеличить точность позиционирования.
Одночастотный волоконный лазер производится с шириной спектральной линии менее 1 кГц. Это впечатляюще небольшое устройство с выходом излучения мощностью от 10 мВт до 1 Вт. Находит применение в области связи, метрологии (например, в волоконных гироскопах) и спектроскопии.
Что дальше?
Что касается других научно-исследовательских применений, то еще многие из них изучаются. Например, военная разработка, которую можно применять и в других областях, заключающаяся в комбинировании волоконно-лазерных пучков для получения одного высококачественного луча с помощью когерентной или спектральной комбинации. В результате в одномодовом луче достигается большая мощность.
Производство волоконных лазеров быстро растет, особенно для нужд автомобилестроения. Также происходит замена неволоконных устройств волоконными. Помимо общих улучшений в стоимости и производительности, появляются все более практичные фемтосекундные квантовые генераторы и источники суперконтинуума. Волоконные лазеры занимают все больше ниш и становятся источником улучшения для лазеров других типов.
Изучение проблемы лазерной резки металлов необходимо начать с рассмотрения физических основ работы лазера. Поскольку далее в работе все исследования точности лазерной резки тонколистовых материалов будут проводиться на лазерном комплексе, использующем иттербиевый волоконный лазер, рассмотрим устройство волоконных лазеров.
Лазер – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Волоконные лазеры были разработаны сравнительно недавно, в 1980-х годах. В настоящее время известны модели волоконных технологических лазеров мощностью до 20 кВт. Их спектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм. Использование таких лазеров позволяет обеспечить различные временные характеристики излучения.
В последнее время волоконные лазеры активно вытесняют традиционные лазеры из таких областей применения лазерной техники, как, например, лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать. Их используют в лазерных дальномера и трехмерных локаторах, аппаратуре для телекоммуникаций, в медицинских установках и т.д.
Основными типами волоконных лазеров являются непрерывные одномодовые лазеры, в том числе однополяризационные и одночастотные; импульсные волоконные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а также в произвольном режиме модуляции; перенастраиваемые волоконные лазеры; сверхлюминисцентные волоконные лазеры; мощные непрерывные многомодовые волоконные лазеры.
Принцип работы лазера основан на пропускании света фотодиода по волокну большой протяженности. Волоконный лазер состоит из модуля накачки (как правило, широкополосные светодиоды или лазерные диоды), световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированнное оптическое волокно - сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки. Конструкция резонатора обычно определяется техническим заданием, но можно выделить наиболее распространенные классы: резонаторы типа Фабри - Перо и кольцевые резонаторы. В промышленных установках для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке. На рис. 1.2 показана упрощенная схема устройства волоконного лазера.
Рис. 1.2. Типичная схема волоконного лазера.
1 - активное волокно; 2 - брэгговские зеркала; 3 - блок накачки.
Основной материал для активного оптического волокна – кварц. Высокая прозрачность кварца обеспечивается насыщенными состояниями энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые легированием, превращают кварц в поглощающую среду. Подобрав мощность излучения накачки, в такой среде можно создать инверсное состояние заселённостей энергетических уровней (то есть, высокоэнергетические уровни будут заполнены больше, чем основной). Исходя из требований на резонансную частоту (инфракрасный диапазон для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространённых типов волокон являетсяэрбиевое, используемое в лазерных и усилительных системах, рабочий диапазон которых лежит в интервале длин волн 1530-1565 нм. Вследствие различной вероятности переходов на основной уровень с подуровней метастабильного уровня, эффективность генерации или усиления отличается для различных длин волн в рабочем диапазоне. Степень легирования редкоземельными ионами обычно зависит от длины изготовляемого активного волокна. В пределах до нескольких десятков метров она может составлять от десятков до тысяч ppm, а в случае километровых длин - 1 ppm и менее.
Брэгговские зеркала – распределённый брэгговский отражатель - это слоистая структура, в которой коэффициент преломленияматериала периодически изменяется в одном пространственном направлении (перпендикулярно слоям).
Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной (так называемое волокно с двойным покрытием). Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая - из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом, первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. На рис. 1.3 показана схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.
Рис. 1.3. Схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.
К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров являются опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.
Волоконные лазеры проигрывают твердотельным в сферах применения, где требуется высокая стабильность поляризации, а использование сохраняющего поляризацию волокна затруднено по различным причинам. Твердотельные лазеры не могут быть заменены волоконными в спектральном диапазоне 0,7-1,0 мкм. Они также имеют больший потенциал для наращивания выходной мощности импульса по сравнению с волоконными. Однако волоконные лазеры показывают хорошие результаты на длинах волн, где не существует достаточно хороших активных сред или зеркал для лазеров иных конструкций, и позволяют с меньшими сложностями реализовывать некоторые лазерные схемы наподобие up-конверсии.
Диодные лазерные модули Диодные лазерные модули серии ДЛМ выпускаются с выходной мощностью до 100 Вт. Эти лазеры отличает компактный дизайн, высокая надежность и экономичность. Они работают на длине волны около 970 нм, имеют КПД «от розетки» 40-45%, рассчитаны на кондуктивное или принудительное воздушное охлаждение, не требуют замены каких-либо элементов в течение всего срока эксплуатации. Вывод излучения осуществляется по гибкому оптическому волокну диаметром 0,1…0,3 мм, защищенному металлическим кожухом. Для удобства эксплуатации модулей к невидимому рабочему излучению может быть добавлено маломощное излучение пилот-лазера красного или зеленого диапазонов.
В схеме управления лазерного модуля предусмотрены функции включения/выключения выходного излучения, управления выходной мощностью, контроля параметров модуля, управления пилот-лазером. Допустимые частоты модуляции выходного излучения – до 50 кГц. Питание модулей осуществляется от низковольных источников постоянного тока.
Основные преимущества
- Компактный дизайн
- Волоконная доставка излучения
- КПД до 45%
- Кондуктивное или воздушное охлаждение
- Модуляция излучения с частотами до 50 кГц
- Высокая надежность и большой ресурс работы
- Не требуют обслуживания
Области применения
- Пайка
- Сварка пластиков
- Термообработка
- Очистка поверхностей
- Медицинские приборы
- Лазерная накачка
- Научные исследования
Опции
- Зеленый / красный пилот-лазер
Типовая спецификация
| Параметры | ДЛМ-5 | ДЛМ-10 | ДЛМ-15 | ДЛМ-30 | ДЛМ-50 | ДЛМ-75 | ДЛМ-100 |
| Режим работы | Непрерывный, с возможностью модуляции до 50 кГц | ||||||
| Максимальная выходная мощность | 5 | 10 | 15 | 30 | 50 | 75 | 100 |
| Длина волны излучения | 970 | ||||||
| Характеристики волокна | |||||||
| Оптический выход | Волокно с незащищенным торцем / защищенный торец / оптический разъем | Защищенный торец / оптический разъем | |||||
| Длина волокна, м | до 20 м | ||||||
| Режимы работы | |||||||
| Температурные условия, °С | 0…+40 | ||||||
| Габариты | |||||||
| Размер, мм | 130 х 230 х 36,5 | 252 х 220 х 75 | |||||
| Вес, кг | 3 | 3 | 3 | 5 | 5 | 7 | 8 |
Непрерывные иттербиевые лазеры
Серия иттербиевых непрерывных лазеров ИЛМ разработана для интеграции в конечное оборудование пользователя для различных областей применения и рассчитана на жесткие условия эксплуатации – при высоких уровнях вибрации и загрязнений, влажности до 90%, большом перепаде температур. Компактные, не требующие обслуживания иттербиевые волоконные лазеры с диодной накачкой генерируют излучение в спектральном диапазоне 1030-1080 нм, которое при помощи одномодового волокна в защитном металлорукаве доставляется непосредственно к зоне воздействия. На конце волокна по желанию заказчика может быть установлена коллимирующая линза или оптический разъем.
Низкое энергопотребление (КПД «от розетки» более 25-30%), компактный дизайн, отсутствие юстируемых элементов, воздушное охлаждение, высокая надежность и большой ресурс на предельных режимах работы обеспечивают принципиальные преимущества иттербиевых волоконных лазеров по сравнению с лазерами других типов для данной спектральной области. Выходная мощность излучения может быть промодулирована по амплитуде с частотой до 5 кГц. Питание лазеров серии ИЛМ осуществляется от сети постоянного тока с напряжением 24 В.
Основные преимущества
- Выходная мощность до 120 Вт
- Качество пучка М2
Опции
- Линейная поляризация
- Длина волокна до 20 м
Области применения
- Пайка
- Микросварка
- Термообработка
- Гравировка
- Медицинские приборы
- Научное приборостроение
Типовая спецификация
| Параметры | ИЛМ-1 | ИЛМ-5 | ИЛМ-10 | ИЛМ-20 | ИЛМ-50 | ИЛМ-100 |
| Режим работы | Непрерывный, с возможностью модуляции до 5 кГц | |||||
| Максимальная выходная мощность, Вт | 1 | 5 | 10 | 20 | 50 | 100 |
| Длина волны излучения, нм | 1030 – 1080 (уточняется при заказе) | |||||
| Поляризация | Случайная | |||||
| Качество пучка, М 2 | 1,05 | |||||
| Режимы работы | ||||||
| Температурные условия, °С | 0…+40 | |||||
| Потребляемая мощность, Вт | 25 | 60 | 90 | 125 | 150 | 240 |
| Характеристики волокна | ||||||
| Оптический выход | Коллиматор | |||||
| Длина волокна, м | 2 – 20 м | |||||
| Габариты | ||||||
| Размер, мм | 165 х 70 х 230 | 252 х 75 х 220 | ||||
| Вес, кг | 3 | 3 | 5 | 7 | 8 | 8 |
Непрерывные эрбиевые лазеры
Для 1,5 мкм спектрального диапазона НТО «ИРЭ-Полюс» предлагает широкий спектр оборудования для различных областей применения лазерной техники – от телекоммуникаций до медицины. В усилителях и лазерах этого спектрального диапазона используются кварцевые волокна, легированные эрбием, и высокоресурсные лазерные диоды накачки.Эрбиевые волоконные лазеры серии ЭЛМ – уникальные инструменты, обладающие всеми достоинствами волоконных лазеров и работающие в безопасном для глаз спектральном диапазоне (1530-1620 нм). Эти лазеры, благодаря широкому диапазону выходной мощности, большой эффективности, высокой надежности и широкому набору опций, являются лучшим решением для разнообразных задач по обработке материалов, в телекоммуникации, медицине, научном приборостроении. Управление приборами осуществляется через интерфейс, что позволяет использовать ЭЛМ как часть технологической установки, медицинского или научного комплексов.
Основные преимущества
- Длина волны излучения от 1530 до 1620 нм
- КПД от розетки более 10%
- Отличное качество пучка
- Воздушное или водяное охлаждение
Опции
- Модуляция мощности
- Линейная поляризация
- Длина выходного волокна до 20 м
Области применения
- Обработка материалов
- Телекоммуникации
- Медицинские приборы
- Экологический мониторинг
- Научное приборостроение
Типовая спецификация
| Параметры | ЭЛМ-5 | ЭЛМ-10 | ЭЛМ-20 | ЭЛМ-30 | ЭЛМ-50 |
| Режим работы | Непрерывный | ||||
| Мощность, Вт | 5 | 10 | 20 | 30 | 50 |
| Длина волны излучения, нм | 1550 – 1570 | ||||
| Поляризация | Случайная | ||||
| Качество пучка, М 2 | 1,05 | 1,05 | 1,05 | 1,05 | 1,05 |
| Режимы работы | |||||
| Температурные условия, °С | 0…+40 | ||||
| Потребляемая мощность, Вт | 50 | 90 | 160 | 240 | 330 |
| Характеристики волокна | |||||
| Оптический выход | Коллиматор | ||||
| Длина волокна, м | 2 | ||||
| Габариты | |||||
| Размер, мм | 130 х 230 х 70 | 252 х 220 х 75 | |||
| Вес, кг | 5 | 5 | 8 | 8 | 10 |
Непрерывные тулиевые лазеры
Лазерные системы на тулий-активированном волокне созданы компанией НТО «ИРЭ-Полюс» специально для удовлетворения возросшей потребности в высокомощных, компактных, одномодовых источниках излучения в спектральном диапазоне 1800-2100 нм в таких областях применения, как обработка материалов и медицина. Эти системы имеют кардинальные преимущества по сравнению с традиционными твердотельными лазерами, так как обеспечивают высокую мощность и качество выходного излучения, обладают высоким КПД (более 5% «от розетки»), компактны, не требуют юстировок и обслуживания. Доставка излучения осуществляется при помощи одномодового волокна, защищенного металлическим кожухом. Лазеры серии ТЛМ легко интегрируются в различные комплексы и системы заказчика.Тулиевые волоконные лазеры серии ТЛМ работают в непрерывном режиме на низшей поперечной моде (М2
Основные преимущества
- Одномодовый режим работы (М2
Опции
- Линейная поляризация
- Длина выходного волокна до 20 м
Области применения
- Обработка материалов
- Медицинские приборы
- Накачка твердотельных лазеров среднего ИК-диапазона и оптических параметрических генераторов
- Экологический мониторинг
- Научное приборостроение
Типовая спецификация
| Параметры | ТЛМ-5 | ТЛМ-10 | ТЛМ-30 |
| Режим работы | Непрерывный | ||
| Мощность, Вт | 5 | 10 | 30 |
| Длина волны излучения, нм | 1800-2100 | ||
| Поляризация | Случайная | ||
| Характеристики волокна | |||
| Оптический выход | Коллиматор | ||
| Длина волокна, м | 2 — 20 | ||
| Режимы работы | |||
| Температурные условия, °С | 0…+40 | ||
| Потребляемая мощность, Вт | 60 | 120 | 350 |
| Габариты | |||
| Размер, мм | 130 х 230 х 36,5 | 215 х 95 х 286 | |
| Вес, кг | 5 | 8 | 10 |
Импульсные иттербиевые лазеры
Импульсные волоконные лазеры серии ИЛИ обеспечивает импульсное излучение со средней мощностью до 50 Вт и длительностью импульса от 80 до 120 нс. Рабочие частоты модуляции лежат в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц. Излучение выводится через оптического волоконный кабель длиной до 6 метров. Выходной коллиматор снабжен оптическим изолятором, обеспечивающим защиту от обратного отражения. Центральная линия генерации лежит в диапазоне 1060-1070 нм. Лазеры серии ИЛИ снабжаются маломощным красным пилот-лазером.Импульсные лазеры серии ИЛИ характеризуются низким потреблением от сети постоянного тока напряжением 24 В, имеют воздушное охлаждение с помощью встроенных вентиляторов.
Основная область применения лазеров серии ИЛИ – лазерная маркировка и гравировка. Они также используются для прецизионной резки, микрообработки, лазерного фрезерования.
Основные преимущества:
- Выходная мощность до 50 Вт
- Качество пучка М2
Области применения:
- Гравировка
- Маркировка
- Микрообработка
- Прецизионная резка
- Научное приборостроение
Типовая спецификация
| Параметры | ИЛИ-0,5-10 | ИЛИ-1-20 | ИЛИ-1-50 |
| Режим работы | Импульсный | ||
| Энергия в импульсе, мДж | 0,5 | 1 | 1 |
| Длина волны излучения, нм | 1062 | ||
| Поляризация | Случайная | ||
| Средняя выходная мощность, Вт | 10 | 20 | 50 |
| Длительность импульса, нс | 90 — 120 | ||
| Качество пучка, М 2 | 1,4 | 1,8 | 1,8 |
| Режимы работы | |||
| Температурные условия, °С | 0…+40 | ||
| Потребляемая мощность, Вт | 120 | 150 | 240 |
| Характеристики волокна | |||
| Оптический выход | Коллиматор со встроенным изолятором | ||
| Длина волокна, м | 3 | ||
| Габариты | |||
| Размер, мм | 215 х 95 х 286 | ||
| Вес, кг | 8 | 9 | 12 |