Laser światłowodowy. Lasery światłowodowe jednomodowe dużej mocy. Zastosowanie obszarów wielosłupowych
THOMAS SCRIEBER, ANDREAS TUNNERMANN i ANDREAS THOMS
Identyfikując problemy z laserami światłowodowymi dużej mocy i optymalizując światłowód, uzyskano moc jednomodową wynoszącą 4,3 kW, z możliwością przyszłego skalowania i nowymi, ultraszybkimi zastosowaniami lasera.
Jeśli istnieje jeden wyraźny trend w technologii laserowej, jest nim rozwój laserów światłowodowych. Lasery światłowodowe odeszły w rynek od laserów CO2 dużej mocy, a także wolumetrycznych laserów na ciele stałym do cięcia i spawania o dużej mocy. Główni producenci laserów światłowodowych sięgają obecnie po szereg nowych zastosowań, aby zdobyć jeszcze więcej rynków.
Wśród laserów dużej mocy systemy jednomodowe oferują cechy, które czynią je pożądanymi: mają najwyższą jasność i mogą być ogniskowane do kilku mikronów oraz do najwyższych intensywności. Charakteryzują się także największą głębią ostrości, dzięki czemu najlepiej nadają się do zdalnego przetwarzania.
Są jednak trudne w produkcji i jedynie lider rynku, firma PHG Photonics (Oxford, MA) oferuje system jednomodowy o mocy 10 kW (2009).
Niestety nie ma dostępnych danych na temat charakterystyki tych wiązek, w szczególności na temat ewentualnych komponentów wielomodowych, które mogłyby odpowiadać wiązce jednomodowej.
Zespół badaczy w Niemczech zademonstrował moc jednomodową lasera światłowodowego o mocy 4,3 kW, której moc wyjściowa była ograniczona jedynie mocą wejściową pompy.
Finansowany przez rząd niemiecki i we współpracy z TRUMPF (Ditzingen, Niemcy), Active Fibre Systems, Jenoptik i Instytutem Technologii Fotonicznej Leibniza, zespół naukowców z Uniwersytetu Friedricha Schillera i Instytutu Optyki Stosowanej i Inżynierii Precyzyjnej Fraunhofera (wszyscy w Jenie w Niemczech) przeanalizował wyzwania związane ze skalowaniem takich laserów, a następnie opracował nowe włókna, aby pokonać te ograniczenia. Zespół pomyślnie przeprowadził serię testów, wykazując moc jednomodową wynoszącą 4,3 kW, w której moc lasera światłowodowego była ograniczona jedynie mocą wejściową pompy.
Efekty ograniczające dla skalowania laserem światłowodowym jednomodowym
Jakie wyzwania stoją przed takim jednomodowym laserem światłowodowym dużej mocy? Można je pogrupować w trzy obszary: a) ulepszone pompowanie, b) rozwój aktywnego światłowodu o niskich stratach optycznych, pracującego wyłącznie w trybie pojedynczym, oraz c) prawidłowy pomiar powstałe promieniowanie.
W tym artykule założymy, że a) zostanie rozwiązany przy użyciu diod laserowych o dużej jasności i odpowiednich technik odsprzęgania, i skupimy się na dwóch pozostałych obszarach.
Podczas opracowywania światłowodu aktywnego do zastosowań jednomodowych dużej mocy do optymalizacji wykorzystywane są dwa ogólne zestawy parametrów: domieszkowanie i geometria. Wszystkie parametry muszą zostać określone pod kątem minimalnych strat, pracy w trybie jednomodowym i wreszcie dużego wzmocnienia mocy. Idealny wzmacniacz światłowodowy zapewni wysokie współczynniki konwersji przekraczające 90%, doskonałą jakość wiązki i moc wyjściową ograniczoną jedynie dostępną mocą pompy.
Jednak skalowanie systemu jednomodowego do wyższych mocy może skutkować wyższą gęstością mocy w aktywnym rdzeniu, zwiększonym obciążeniem termicznym i szeregiem nieliniowych efektów optycznych, takich jak stymulowane rozpraszanie Ramana (SRS) i stymulowane rozpraszanie Brillouina (SBS).
W zależności od wielkości aktywnego rdzenia można wzbudzić i wzmocnić kilka modów poprzecznych. Dla danego skoku indeksowego pomiędzy rdzeniem a powłoką, im mniejszy aktywny przekrój aktywnej komórki, tym mniejsza liczba takie reżimy. Jednak mniejsza średnica oznacza również większą gęstość mocy. Kilka sztuczek, takich jak zginanie włókien, zwiększa straty dla wyższych modów.
Jednakże w przypadku większych średnic rdzenia i obciążeń termicznych może wystąpić inne zachowanie. Tryby te podlegają interakcji podczas wzmacniania – bez optymalne warunki propagacji, profil wyjściowy może stać się niestabilny przestrzennie lub czasowo.
Niestabilności trybu poprzecznego
Włókna domieszkowane iterbem (Yb) są typowym medium roboczym dla jednomodowych laserów światłowodowych dużej mocy. Jednak powyżej pewnego progu wykazują zupełnie nowy efekt – tzw. niestabilności trybu poprzecznego (TMI).
Przy pewnym poziomie mocy nagle pojawiają się wyższe mody lub nawet tryby płaszczowe, energia jest dynamicznie przenoszona pomiędzy tymi modami, a jakość wiązki ulega pogorszeniu.
Wiązka zaczyna oscylować na wyjściu.
Od czasu odkrycia TMI zaobserwowano je w różnych konstrukcjach włókien, od włókien o wskaźniku skoku po włókna z kryształu fotonicznego. Tylko jego wartość progowa zależy od geometrii i domieszkowania, ale przybliżone szacunki sugerują, że efekt ten przekracza 1 kW mocy wyjściowej.
Tymczasem stwierdzono, że efekt ten wynika z efektów termicznych zachodzących we włóknie, z silnym powiązaniem z efektami fotociemnienia. Co więcej, podatność laserów światłowodowych na TMI wydaje się zależeć od składu rdzenia.
Geometria indeksu stopniowego prowadzi do szeregu parametrów optymalizacji. Można dostosować średnicę rdzenia, rozmiar płaszcza pompy i różnicę współczynnika załamania światła między rdzeniem a płaszczem pompy. Ustawienie to zależy od stężenia domieszki, tzn. stężenie jonów Yb można wykorzystać do kontrolowania długości absorpcji promieniowania pompy w aktywnym włóknie. Można dodać inne dodatki w celu zmniejszenia efektów termicznych i kontrolowania stopnia współczynnika załamania światła.
Istnieją jednak pewne przeciwne wymagania. Aby zredukować efekty nieliniowe, włókno musi być krótsze. Aby jednak zmniejszyć obciążenie termiczne, włókno musi być dłuższe. Fotociemnienie wzrasta wraz z kwadratem stężenia domieszki, zatem dłuższe włókna z mniejszym domieszkowaniem również będą lepsze.
Zastosowania w ultraszybkiej nauce
Po około dziesięciu latach stagnacji w skalowaniu jednomodowych laserów światłowodowych dużej mocy, obecnie wydaje się możliwe opracowanie nowej generacji laserów światłowodowych klasy kilowatowej o doskonałej jakości wiązki.
Pokazano moce wyjściowe 4,3 kW, ograniczone jedynie mocą pompy.
Zidentyfikowano główne ograniczenia dalszego skalowania i sposoby ich pokonania.
Należy zauważyć, że to dokładne zbadanie wszystkich znanych efektów i późniejsza optymalizacja parametrów doprowadziła do postępu w projektowaniu włókien i ostatecznie do nowych rekordów mocy wyjściowej.
Dalsze skalowanie i dostosowywanie światłowodu do innych zastosowań wydaje się wykonalne i będzie kontynuowane.
Otwiera to wiele ciekawych perspektyw.
Z jednej strony przeniesienie wyników na produkty przemysłowe jest pożądane przez partnerów projektu, ale będzie wymagało dodatkowych, poważnych wysiłków rozwojowych.
Z drugiej strony technologia ta jest bardzo ważna przy skalowaniu innych systemów laserów światłowodowych, takich jak wzmacniacze światłowodowe femtosekundowe.
REFERENCJE
- F. Beier i in., „Moc wyjściowa jednomodowa 4,3 kW ze wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego Yb bezpośrednio pompowanego diodą”, która zostanie opublikowana w Opt. Wyrazić.
- T. Eidam i in., Opt. Lett., 35, 94–96 (2010).
- M. Müller i in., Opt. Lett., 41, 3439–3442 (2016).
Nadpobudliwy rozwój współczesnego przemysłu często stymuluje powstawanie nowych podejść technologicznych opartych na zaawansowanych technologiach rozwój naukowy mające na celu poszerzenie asortymentu i ilości produktów. Udanym przykładem takiej symbiozy wymagań produkcyjnych z osiągnięciami naukowymi jest dziedzina technologii laserowej. Wiele zalet przy minimum wad stało się powodem powszechnego wprowadzenia w dziedzinie znakowania części, zespołów i produktów urządzeń opartych na technologiach laserowych.
Branża znakowania laserowego wykorzystuje szeroką gamę sprzęt laserowy (KATALOG) w oparciu o aplikację różne typy emitery laserowe. Jakość promieniowania, duża żywotność i stabilność generowanego strumienia świetlnego zdecydowały o najszerszym zastosowaniu urządzeń znakujących bazujących na laserach na ciele stałym. Przemysłowa maszyna znakująca oparta na laserze na ciele stałym jest produkowana w różnych wersjach i w zależności od wymagań produkcyjnych może być kompaktowa do elastycznego zastosowania w obszarze produkcyjnym lub stacjonarna z dodatkowym wyposażeniem do znakowania partii seryjnych.
Lasery światłowodowe, które są aktywnie wykorzystywane w wielu systemach znakowania laserowego, należą do grupy laserów na ciele stałym, działają na długości fali 1,064 mikrona i pozwalają na osiągnięcie dużej mocy wiązki na wyjściu. Laser światłowodowy generuje energię poprzez diodowe pompowanie ośrodka aktywnego, jakim jest wbudowany światłowód.
Typowy obwód takiego urządzenia składa się z trzech głównych elementów:
- Moduł pompujący. Jako źródło pompy dla falowodów optycznych stosowane są szerokopasmowe diody LED lub diody laserowe z promieniowaniem jednomodowym, zapewniające wysoką jasność i długą żywotność wyjściową;
- Aktywne środowisko. Składa się z aktywnego światłowodu i falowodu pompy. Stosowane są światłowody domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich lub bizmutem. Gęstość domieszkowania zależy od długości produkowanego światłowodu. Głównym materiałem światłowodu jest ultraczysta topiona krzemionka, która charakteryzuje się minimalnymi stratami optycznymi. Górna granica mocy pompy takiego domieszkowanego kwarcu wynosi kilka kilowatów, co określa maksymalna moc promieniowania na jednostkę powierzchni, przy której materiał nie ulega zniszczeniu;
- Rezonator optyczny. Pełni funkcje laserowego układu rezonansowego i ma na celu wytworzenie dodatniego sprzężenia zwrotnego optycznego, dzięki czemu wzmacniacz laserowy zamienia się w generator laserowy. Skupia światło emitowane przez substancję czynną w jedną wąską wiązkę. Rezonator określa widmo, polaryzację i kierunek generowanego promieniowania. Najczęściej stosowanymi konstrukcjami rezonatorów są zwierciadła Bragga, rezonatory pierścieniowe i rezonatory Fabry'ego-Perota.
Aplikacje wyposażenie technologiczne do znakowania, wyposażone w lasery światłowodowe, są dość różnorodne: precyzyjna mikroobróbka różne materiały, znakowanie graficzne, mikrofrezy, napisy na tablicach przyrządów, artystyczne strukturowanie powierzchni. Znakowanie tabliczek i tabliczek znamionowych, identyfikacja kodów kreskowych, obróbka materiałów z cienkiej folii – to wszystko jest łatwo możliwe dzięki urządzeniom opartym na laserach światłowodowych.
Urządzenia znakujące oparte na emiterach laserów światłowodowych z powodzeniem konkurują z innymi rodzajami znakowania, zarówno tradycyjnymi, jak i opartymi na innych typach laserów. Są tanie, kompaktowe, łatwe w obsłudze, charakteryzują się dużą szybkością działania i wydajnością.
Optymalizując światłowód jednomodowy do zastosowania w laserach światłowodowych, uzyskano wysoce skalowalną moc wyjściową na poziomie 4,3 kW oraz zidentyfikowano dalsze kierunki badań w zakresie zastosowań ultraszybkich laserów.
Jeden z aktualne problemy Rozwój technologii laserowych to wzrost mocy laserów światłowodowych, które „wywalczyły” już udziały w rynku od laserów CO 2 dużej mocy, a także wolumetrycznych laserów na ciele stałym. Obecnie duzi producenci laserów światłowodowych zwracają szczególną uwagę na rozwój nowych zastosowań, rozważając w przyszłości dalszy podbój rynku. Wśród laserów dużej mocy dostępnych na rynku, systemy jednomodowe posiadają szereg cech, które czynią je najbardziej poszukiwanymi – charakteryzują się najwyższą jasnością wyjściową i możliwością ogniskowania do kilku mikronów, co czyni je bardziej odpowiednimi do zastosowań nieinwazyjnych. -obróbka materiałów kontaktowych. Produkcja takich systemów jest dość złożona. Firma IPG Photonics (Oxford, MA) zaproponowała opracowanie systemu jednomodowego o mocy 10 kW, ale informacje na temat charakterystyki wiązki nie są dostępne, a w szczególności dane na temat ewentualnych komponentów wielomodowych, które mogą występować obok sygnału jednomodowego .
Niemieccy naukowcy z Uniwersytetu Friedricha Schillera i Instytutu Optyki Stosowanej i Inżynierii Precyzyjnej Fraunhofera, przy wsparciu finansowym rządu niemieckiego i we współpracy z TRUMPF, Active Fibre Systems, Jenoptik, Instytutem Technologii Fotonicznej Leibniza, przeanalizowali problemy skalowania takich laserów i opracowali nowe włókna, aby pokonać ograniczenia mocy. Zespół pomyślnie przeprowadził serię testów, wykazując moc wyjściową jednomodową o mocy 4,3 kW, w której moc wyjściowa lasera światłowodowego była ograniczona jedynie mocą sygnału pompy.
Czynniki ograniczające moc promieniowania lasera światłowodowego jednomodowego
Do głównych zadań wymagających dokładnego przestudiowania należą: a) ulepszone pompowanie; b) rozwój światłowodu aktywnego o niskich stratach optycznych, pracującego wyłącznie w trybie jednomodowym; c) dokładniejszy pomiar odbieranego promieniowania. Zakładając, że problem usprawnienia pompowania da się rozwiązać za pomocą ultrajasnych diod laserowych i odpowiednich metod podawania pompy, zatem w tym artykule przyjrzymy się bliżej dwóm pozostałym.
W ramach rozwoju światłowodu aktywnego do pracy jednomodowej dużych mocy wybrano dwa zestawy parametrów optymalizacyjnych: domieszkowanie i geometrię. Wszystkie parametry muszą być jasno określone, aby osiągnąć minimalne straty, pracę w jednym trybie i duże wzmocnienie. Idealny wzmacniacz światłowodowy powinien zapewniać wysoką sprawność konwersji przekraczającą 90%, doskonałą jakość wiązki i moc wyjściową ograniczoną jedynie dostępną mocą pompy. Jednak modernizacja systemu jednomodowego do wyższych mocy może skutkować wyższą gęstością mocy w samym rdzeniu światłowodu, zwiększonym obciążeniem termicznym i szeregiem nieliniowych efektów optycznych, takich jak stymulowane rozpraszanie Ramana (SRS) i stymulowane rozpraszanie Brillouina (SBS). ).
Mody poprzeczne można ulepszyć w zależności od wielkości strefy aktywnej światłowodu. Im mniejszy przekrój czynny włókna, tym mniejsza jest liczba takich modów – dla danego stosunku przekrojów światłowodu do płaszcza. Jednak mniejsza średnica determinuje również większą gęstość mocy, a przy zginaniu przykładowo światłowodu dodawane są również straty dla wyższych modów. Jednakże przy dużej średnicy rdzenia włókna i naprężeniu termicznym mogą wystąpić inne mody emisji. Mody te podlegają wzajemnym oddziaływaniom podczas wzmacniania i dlatego bez optymalnych warunków propagacji profil promieniowania wyjściowego może stać się niestabilny przestrzennie lub czasowo.
Niestabilność trybu poprzecznego
Włókna domieszkowane iterbem (Yb) są typowym ośrodkiem roboczym jednomodowych laserów światłowodowych dużej mocy, jednak powyżej pewnego progu wykazują zupełnie nowy efekt – tzw. efekt niestabilności trybu poprzecznego (TMI). Przy pewnym poziomie mocy mogą nagle pojawić się wyższe tryby, a nawet tryby powłoki. Energia ulega dynamicznej redystrybucji pomiędzy nimi, a jakość wiązki ulega pogorszeniu. Na wyjściu pojawia się fluktuacja promieniowania (wiązka zaczyna oscylować). Efekt TMI zaobserwowano w różnych konstrukcjach włókien, od włókien o indeksie skokowym po włókna z kryształu fotonicznego. Jego wartość progowa zależy od geometrii i domieszkowania, ale przybliżone szacunki sugerują, że efekt ten występuje przy mocach wyjściowych większych niż 1 kW. W trakcie badań wykazano zależność TMI od fotociemnienia i jego związek z efektami termicznymi wewnątrz światłowodu. Ponadto podatność laserów światłowodowych na TMI zależy również od zawartości rdzenia modalnego.
Geometria włókna o indeksie schodkowym pozwala na optymalizację. Do pompowania można wybrać: średnicę włókna, rozmiar płaszcza włókna pompy i inne współczynniki załamania światła włókna i płaszcza. Wszystkie te parametry strojenia zależą od stężenia domieszki, co oznacza, że stężenie jonów Yb można wykorzystać do kontrolowania długości obszaru absorpcji promieniowania pompy w aktywnym włóknie. Do włókna można dodać inne dodatki w celu zmniejszenia efektów termicznych i kontrolowania współczynnika załamania światła. Istnieją jednak pewne sprzeczności. Aby zmniejszyć efekty nieliniowe, włókno musi być krótsze, a aby zmniejszyć obciążenie termiczne, włókno musi być dłuższe. Fotociemnienie jest proporcjonalne do stężenia domieszki, zatem dłuższe włókna z niższym stężeniem domieszki będą zdecydowanie lepsze. Podczas eksperymentu można uzyskać wyobrażenie o niektórych parametrach. Można na przykład modelować zachowanie termiczne, ale jest ono dość trudne do przewidzenia, ponieważ fotociemnienie z definicji jest niewielkie i nie można go fizycznie zmierzyć w przyspieszonych testach. Dlatego bezpośrednie pomiary zachowania termicznego włókien mogą być przydatne w projektowaniu eksperymentów. Dla porównania dla typowego światłowodu aktywnego pokazano zmierzone obciążenie cieplne (pochodzące z jednocześnie rozproszonych pomiarów temperatury we wzmacniaczu światłowodowym) i symulowane obciążenie termiczne (rysunek 1).
Rysunek 1. Zmierzone obciążenie termiczne włókna aktywnego w porównaniu z obciążeniem symulowanym z dodatkowymi stratami i bez nich
Innym ważnym parametrem przy projektowaniu światłowodu jest długość fali odcięcia, która jest najdłuższą długością fali, która zwiększa liczbę modów we włóknie. Tryby wyższego poziomu wykraczające poza tę długość fali nie są obsługiwane.
Testowanie nowych włókien przy mocy kilowatowej
W trakcie eksperymentu zbadano dwa rodzaje włókien domieszkowanych Yb. Włókno nr 1 o średnicy rdzenia 30 mikronów z dodatkowym domieszką fosforu i aluminium. Włókno nr 2, o mniejszej średnicy 23 mikronów, było mniej domieszkowane, ale zawierało więcej iterbu, aby uzyskać wyższy współczynnik profilu w porównaniu z włóknem nr 1 (tabela 1).
Tabela 1. Parametry badanych włókien
Obliczona długość fali odcięcia wynosi około 1275 nm i 1100 nm, odpowiednio dla włókien 1 i 2. Jest to znacznie bliższe emisji jednomodowej niż typowe włókno o średnicy rdzenia 20 µm i aperturze numerycznej 0,06 (NA) o długości fali odcięcia ~1450 nm. Wzmocniona długość fali lasera została ostatecznie wyśrodkowana przy 1067 nm.
Obydwa włókna badano w obwodzie pompującym dużej mocy (rys. 2). Pompujący laser diodowy i sygnał początkowy sprzęgano w wolnej przestrzeni we włókno ze spawanymi końcami i złączami, przemywane wodą w celu ochłodzenia. Źródłem promieniowania był laser diodowy z zewnętrzną wnęką z modulacją fazową (ECDL), którego sygnał został wstępnie wzmocniony w celu uzyskania mocy sygnału wejściowego do 10 W przy długości fali 1067 nm i szerokości widmowej 180 μm.
Rysunek 2. Układ eksperymentalny wzmacniacza dużej mocy zastosowany w teście wzmacniacza światłowodowego, w którym włókno było pompowane przy długości fali 976 nm w kierunku przeciwnym do propagacji.
Podczas testów pierwszego światłowodu zaobserwowano nagłe wahania w skali milisekundowej na progu 2,8 kW, co można przypisać TMI. Drugie 30 m włókno o tej samej długości fali i szerokości widma zostało pompowane do mocy wyjściowej 3,5 kW, ograniczonej raczej przez SBS niż TMI.
W trzecim eksperymencie zmodyfikowano widmo lasera emiterowego, zwiększając próg SBS światłowodu poprzez poszerzenie widma (wyżej niż w poprzednim eksperymencie). W tym celu z pierwszym połączono drugi laser diodowy o środkowej długości fali 300 µm. Zakłócenia te skutkowały wahaniami czasowymi, które umożliwiły wzrost mocy sygnału w wyniku modulacji autofazowej. Przy tym samym wzmacniaczu głównym co poprzednio uzyskano bardzo podobne wartości mocy wyjściowej przy sprawności 90%, jednak bez TMI można je było zwiększyć jedynie do 4,3 kW (tabela 2).
Tabela 2. Wynik testu włókna
Zadania pomiarowe
Pomiar wszystkich parametrów lasera światłowodowego dużej mocy jest jednym z głównych zadań i wymagań specjalny sprzęt aby je rozwiązać. Aby uzyskać pełną charakterystykę włókna, określono stężenie domieszki, profile współczynnika załamania światła i tłumienie rdzenia włókna. Na przykład pomiar strat w rdzeniu dla różnych średnic zgięcia jest ważnym parametrem korelacji z progiem TMI.
Rysunek 3. a) Wykres natężenia fotodiody podczas testowania sygnału wyjściowego za pomocą światłowodu 1, poniżej i powyżej progu TMI. b) Znormalizowane odchylenie standardowe śladów fotodiod przy różnych mocach wyjściowych
Podczas testowania wzmacniacza światłowodowego próg TMI wyznaczany jest za pomocą fotodiody poprzez pobór niewielkiej części mocy. Początek wahań mocy okazał się dość ostry i znaczący (rys. 3), zmiana sygnału była szczególnie znacząca przy badaniu światłowodu 1, natomiast nie została wykryta przy badaniu światłowodu 2 do poziomu mocy 4,3 kW. Odpowiednią zależność pokazano na rysunku 4a.
Rysunek 4. a) Nachylenie wydajności światłowodu 2 dla mocy wyjściowej do 4,3 kW. b) Widmo optyczne o mocy wyjściowej 3,5 kW przy stosunku sygnału wyjściowego do ASE 75 dB. Szerokość widmowa 180 µm przy mocy wyjściowej 4,3 kW rozszerzonej do szerokości pasma 7 nm
Pomiary jakości wiązki stanowią najtrudniejszą część charakteryzacji lasera światłowodowego i zasługują na osobną dyskusję. Krótko mówiąc, kluczowe jest tłumienie wolne od ciepła, które można osiągnąć za pomocą odbić Fresnela lub optyki o niskich stratach. W eksperymentach przedstawionych w tym przeglądzie wprowadzono tłumienie za pomocą płytek klinowych i pompowania pulsacyjnego w skali czasu przekraczającej czas rozpoczęcia TMI.
Zastosowania w szybko rozwijającej się nauce
Po dziesięcioletnim zastoju opracowanie wydajnych jednomodowych laserów światłowodowych nowej generacji w klasie kilowatów o doskonałej jakości wiązki wydaje się całkiem możliwe. Osiągnięto już moc wyjściową na poziomie 4,3 kW, ograniczoną jedynie mocą pompy, zidentyfikowano główne ograniczenia na ścieżce dalszego rozwoju i jasne są sposoby ich pokonania.
Moc prawie 1 kW została już osiągnięta na pojedynczym włóknie po wzmocnieniu ultraszybkimi impulsami laserowymi, więc zwiększenie mocy do 5 kW jest całkowicie możliwe dzięki połączeniu technik. Ze względu na to, że systemy są opracowywane dla ośrodków badawczych np. dla ELI (Praga, Czechy) – dla systemów przemysłowych dalszy rozwój niezawodnej transmisji sygnału optycznego pozostaje wyzwaniem.
Wykonane prace pozwoliły zidentyfikować wiele interesujących perspektyw. Z jednej strony jest to przeniesienie wyników na produkcję, mimo że w tym kierunku potrzeba jeszcze wiele wysiłku, a z drugiej strony technologia jest niezwykle istotna dla podniesienia parametrów innych światłowodowych systemów laserowych, na przykład w przypadku femtosekundowych wzmacniaczy światłowodowych.
Na podstawie materiałów ze strony http://www.lightwaveonline.com
Maszyny te oparte są na laserze światłowodowym. To jest bardzo różne wysoka jakość promieniowania przy małych wymiarach urządzenia. Ponadto sprzęt jest łatwy w chłodzeniu i nie wymaga pracochłonnej konserwacji. Grawerki laserem światłowodowym znajdują szerokie zastosowanie w takich obszarach jak:
- produkcja pamiątek;
- przemysł motoryzacyjny, produkcja sprzętu medycznego i inne gałęzie przemysłu, które wymagają wysokiej jakości, odpornego na korozję oznakowania części;
- produkcja biżuteria i sztuczna biżuteria;
- produkcja pomników i wyrobów rytualnych;
- dekoracja mebli i elementów wnętrz.
Grawerki laserem światłowodowym mają nieco wyższą cenę w porównaniu do maszyn CO2. Ale tę okoliczność rekompensuje szereg zalet, jakie ma taki sprzęt:
- wyższa wydajność, dzięki czemu laser ma niski pobór mocy i dobrą moc;
- działanie grawerek laserowych światłowodowych opiera się na zastosowaniu diod, które charakteryzują się zwartością, niezawodnością i trwałością;
- Bardzo mały rozmiar wiązki pozwala na wyższą rozdzielczość grawerowania i tworzy mikroskopijne obrazy o doskonałej szczegółowości.
Jak wybrać grawer laserem światłowodowym
Kupując sprzęt, należy zwrócić uwagę na następujące cechy:
- moc. Musi odpowiadać rodzajowi przetwarzanego materiału, a także wymaganej wydajności maszyny;
- wymiary pola grawerskiego. Określają maksymalne wymiary przedmiotu obrabianego, które maszyna może obrobić;
- funkcjonalność i dostępność dodatkowych opcji.
Moduły lasera diodowego Moduły lasera diodowego serii DLM produkowane są o mocy wyjściowej do 100 W. Lasery te wyróżniają się kompaktową konstrukcją, wysoką niezawodnością i ekonomicznością. Działają na długości fali około 970 nm, mają sprawność wtykową na poziomie 40-45%, przeznaczone są do chłodzenia przewodzącego lub wymuszonego powietrzem i nie wymagają wymiany żadnych elementów przez cały okres użytkowania. Promieniowanie wyprowadzane jest za pomocą elastycznego światłowodu o średnicy 0,1...0,3 mm, zabezpieczonego metalową obudową. Aby ułatwić obsługę modułów, do niewidzialnego promieniowania roboczego można dodać promieniowanie małej mocy z lasera pilotującego w zakresie czerwonym lub zielonym.
Obwód sterujący modułu laserowego zapewnia funkcje włączania/wyłączania promieniowania wyjściowego, kontrolowania mocy wyjściowej, monitorowania parametrów modułu i sterowania laserem pilotującym. Dopuszczalne częstotliwości modulacji promieniowania wyjściowego wynoszą do 50 kHz. Moduły zasilane są ze źródeł niskiego napięcia DC.
Kluczowe korzyści
- Kompaktowa konstrukcja
- Dostarczanie promieniowania światłowodowego
- Wydajność do 45%
- Przewodzenie lub chłodzenie powietrzem
- Modulacja promieniowania o częstotliwościach do 50 kHz
- Wysoka niezawodność i długa żywotność
- Nie wymaga konserwacji
Aplikacje
- Lutowanie
- Spawanie tworzyw sztucznych
- Obróbka cieplna
- Czyszczenie powierzchni
- Urządzenia medyczne
- Pompowanie laserowe
- Badania naukowe
Opcje
- Zielony/czerwony laser pilotujący
Typowa specyfikacja
| Opcje | DLM-5 | DLM-10 | DLM-15 | DLM-30 | DLM-50 | DLM-75 | DLM-100 |
| Tryb pracy | Ciągły, modulowany do 50 kHz | ||||||
| Maksymalna moc wyjściowa | 5 | 10 | 15 | 30 | 50 | 75 | 100 |
| Długość fali promieniowania | 970 | ||||||
| Charakterystyka włókien | |||||||
| Wyjście optyczne | Złącze światłowodowe z odkrytym końcem/chroniona powierzchnia czołowa/złącze optyczne | Chroniona krawędź/złącze optyczne | |||||
| Długość włókna, m | do 20m | ||||||
| Tryby pracy | |||||||
| Warunki temperaturowe, °C | 0…+40 | ||||||
| Wymiary | |||||||
| Rozmiar, mm | 130 x 230 x 36,5 | 252x220x75 | |||||
| Waga, kg | 3 | 3 | 3 | 5 | 5 | 7 | 8 |
Lasery iterbowe CW
Seria laserów iterbowych ILM z falą ciągłą została zaprojektowana do integracji ze sprzętem użytkownika końcowego do różnych zastosowań i jest zaprojektowana tak, aby wytrzymywała trudne warunki pracy - przy wysoki poziom wibracje i zanieczyszczenia, wilgotność do 90%, duże różnice temperatur. Kompaktowe, bezobsługowe lasery na włóknie iterbowym pompowane diodowo wytwarzają promieniowanie w zakresie widma 1030-1080 nm, które dostarczane jest bezpośrednio do obszaru dotkniętego za pomocą światłowodu jednomodowego w metalowej osłonie ochronnej. Na życzenie klienta na końcu światłowodu można zamontować soczewkę kolimacyjną lub złącze optyczne.
Niski pobór mocy (wydajność „z gniazda” przekracza 25-30%), zwarta konstrukcja, brak elementów nastawczych, chłodzenie powietrzem, wysoka niezawodność i długa żywotność w ekstremalnych warunkach pracy to podstawowe zalety laserów iterbowych w porównaniu do laserów innych typów dla tego obszaru widmowego. Moc wyjściową promieniowania można modulować amplitudowo z częstotliwością do 5 kHz. Lasery serii ILM zasilane są z sieci 24 V DC.
Kluczowe korzyści
- Moc wyjściowa do 120 W
- Jakość wiązki M2
Opcje
- Polaryzacja liniowa
- Długość włókna do 20 m
Aplikacje
- Lutowanie
- Mikrospawanie
- Obróbka cieplna
- Grawerowanie
- Urządzenia medyczne
- Instrumentacja naukowa
Typowa specyfikacja
| Opcje | ILM-1 | ILM-5 | ILM-10 | ILM-20 | ILM-50 | ILM-100 |
| Tryb pracy | Ciągły, modulowany do 5 kHz | |||||
| Maksymalna moc wyjściowa, W | 1 | 5 | 10 | 20 | 50 | 100 |
| Długość fali promieniowania, nm | 1030 – 1080 (należy określić przy zamówieniu) | |||||
| Polaryzacja | Losowy | |||||
| Jakość wiązki, M 2 | 1,05 | |||||
| Tryby pracy | ||||||
| Warunki temperaturowe, °C | 0…+40 | |||||
| Pobór mocy, W | 25 | 60 | 90 | 125 | 150 | 240 |
| Charakterystyka włókien | ||||||
| Wyjście optyczne | Kolimator | |||||
| Długość włókna, m | 2 – 20 m | |||||
| Wymiary | ||||||
| Rozmiar, mm | 165x70x230 | 252x75x220 | ||||
| Waga, kg | 3 | 3 | 5 | 7 | 8 | 8 |
Lasery erbowe CW
Dla zakresu widma 1,5 mikrona NTO IRE-Polyus oferuje szeroką gamę urządzeń dla różnych dziedzin zastosowań technologii laserowej - od telekomunikacji po medycynę. Wzmacniacze i lasery w tym zakresie widmowym wykorzystują włókna kwarcowe domieszkowane erbem i diody pompy laserowej o wysokiej trwałości.Lasery erbowe serii ELM to unikalne instrumenty posiadające wszystkie zalety laserów światłowodowych i pracujące w bezpiecznym dla oka zakresie widmowym (1530-1620 nm). Lasery te, dzięki szerokiemu zakresowi mocy wyjściowej, wysokiej wydajności, dużej niezawodności i szerokiemu zakresowi opcji, są najlepsze rozwiązanie do różnorodnych zadań w obróbce materiałów, telekomunikacji, medycynie i oprzyrządowaniu naukowym. Sterowanie urządzeniami odbywa się poprzez interfejs, który pozwala na wykorzystanie ELM jako elementu instalacji technologicznej, kompleksu medycznego lub naukowego.
Kluczowe korzyści
- Długość fali emisji od 1530 do 1620 nm
- Wydajność z gniazdka wynosi ponad 10%
- Doskonała jakość wiązki
- Chłodzenie powietrzem lub wodą
Opcje
- Modulacja mocy
- Polaryzacja liniowa
- Długość włókna wyjściowego do 20 m
Aplikacje
- Obróbka materiału
- Telekomunikacja
- Urządzenia medyczne
- Monitoring środowiska
- Instrumentacja naukowa
Typowa specyfikacja
| Opcje | ELM-5 | ELM-10 | ELM-20 | ELM-30 | ELM-50 |
| Tryb pracy | Ciągły | ||||
| Moc, W | 5 | 10 | 20 | 30 | 50 |
| Długość fali promieniowania, nm | 1550 – 1570 | ||||
| Polaryzacja | Losowy | ||||
| Jakość wiązki, M 2 | 1,05 | 1,05 | 1,05 | 1,05 | 1,05 |
| Tryby pracy | |||||
| Warunki temperaturowe, °C | 0…+40 | ||||
| Pobór mocy, W | 50 | 90 | 160 | 240 | 330 |
| Charakterystyka włókien | |||||
| Wyjście optyczne | Kolimator | ||||
| Długość włókna, m | 2 | ||||
| Wymiary | |||||
| Rozmiar, mm | 130x230x70 | 252x220x75 | |||
| Waga, kg | 5 | 5 | 8 | 8 | 10 |
Lasery tulowe CW
Systemy laserowe oparte na włóknie aktywowanym tulem zostały stworzone przez NTO IRE-Polyus specjalnie w celu zaspokojenia zwiększonego zapotrzebowania na kompaktowe, jednomodowe źródła promieniowania o dużej mocy w zakresie widmowym 1800-2100 nm w zastosowaniach takich jak obróbka materiałów i medycyna . Systemy te mają zasadniczą przewagę nad tradycyjnymi laserami na ciele stałym, gdyż zapewniają wysoką moc i jakość promieniowania wyjściowego wysoka wydajność(ponad 5% „od gniazdka”), kompaktowe, nie wymagają regulacji i konserwacji. Promieniowanie dostarczane jest za pomocą światłowodu jednomodowego zabezpieczonego metalową obudową. Lasery serii TLM można łatwo zintegrować różne kompleksy i systemy klienta.Lasery światłowodowe tulowe serii TLM pracują w trybie ciągłym w najniższym trybie poprzecznym (M2
Kluczowe korzyści
- Tryb pracy jednomodowy (M2
Opcje
- Polaryzacja liniowa
- Długość włókna wyjściowego do 20 m
Aplikacje
- Obróbka materiału
- Urządzenia medyczne
- Pompowanie laserów półprzewodnikowych średniej podczerwieni i optycznych oscylatorów parametrycznych
- Monitoring środowiska
- Instrumentacja naukowa
Typowa specyfikacja
| Opcje | TLM-5 | TLM-10 | TLM-30 |
| Tryb pracy | Ciągły | ||
| Moc, W | 5 | 10 | 30 |
| Długość fali promieniowania, nm | 1800-2100 | ||
| Polaryzacja | Losowy | ||
| Charakterystyka włókien | |||
| Wyjście optyczne | Kolimator | ||
| Długość włókna, m | 2 — 20 | ||
| Tryby pracy | |||
| Warunki temperaturowe, °C | 0…+40 | ||
| Pobór mocy, W | 60 | 120 | 350 |
| Wymiary | |||
| Rozmiar, mm | 130 x 230 x 36,5 | 215x95x286 | |
| Waga, kg | 5 | 8 | 10 |
Impulsowe lasery iterbowe
Impulsowe lasery światłowodowe serii ILI dostarczają promieniowanie impulsowe o średniej mocy do 50 W i czasie trwania impulsu od 80 do 120 ns. Robocze częstotliwości modulacji mieszczą się w zakresie od 20 kHz do 100 kHz. Promieniowanie jest wyprowadzane za pomocą kabla światłowodowego o długości do 6 metrów. Kolimator wyjściowy jest wyposażony w izolator optyczny zapewniający ochronę przed odbiciem wstecznym. Centralna linia generacyjna leży w zakresie 1060-1070 nm. Lasery serii ILI wyposażone są w czerwony laser pilotujący małej mocy.Lasery impulsowe serii ILI charakteryzują się niskim poborem prądu z sieci 24 V DC i są chłodzone powietrzem za pomocą wbudowanych wentylatorów.
Głównym obszarem zastosowań laserów serii ILI jest znakowanie i grawerowanie laserowe. Stosowane są także do precyzyjnego cięcia, mikroobróbki i frezowania laserowego.
Główne zalety:
- Moc wyjściowa do 50 W
- Jakość wiązki M2
Aplikacje:
- Grawerowanie
- Znakowanie
- Mikroprzetwarzanie
- Precyzyjne cięcie
- Instrumentacja naukowa
Typowa specyfikacja
| Opcje | LUB-0,5-10 | OR-1-20 | OR-1-50 |
| Tryb pracy | Puls | ||
| Energia impulsu, mJ | 0,5 | 1 | 1 |
| Długość fali promieniowania, nm | 1062 | ||
| Polaryzacja | Losowy | ||
| Średnia moc wyjściowa, W | 10 | 20 | 50 |
| Czas trwania impulsu, ns | 90 — 120 | ||
| Jakość wiązki, M 2 | 1,4 | 1,8 | 1,8 |
| Tryby pracy | |||
| Warunki temperaturowe, °C | 0…+40 | ||
| Pobór mocy, W | 120 | 150 | 240 |
| Charakterystyka włókien | |||
| Wyjście optyczne | Kolimator z wbudowanym izolatorem | ||
| Długość włókna, m | 3 | ||
| Wymiary | |||
| Rozmiar, mm | 215x95x286 | ||
| Waga, kg | 8 | 9 | 12 |