Мощные одномодовые волоконные лазеры. Иттербиевый волоконный лазер: устройство, принцип работы, мощность, производство, применение Оптоволоконный лазер для резки

Технические преимущества волоконного иттербийвого лазера.

Волоконные лазеры производства Telesis, такие как Zenith 10FQ , представляют собой современную и уникальную концепцию генерирования лазерного луча; оптическое волокно является средой, генерирующей лазер.

Типичные твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSSL) обладают оптоволоконными источниками света, которые используются для передачи света в удалённый кристалл, являющийся средой для генерирования лазера. Традиционные твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSSL) могут быть описаны как “удалённый диодный источник света, передающий свет по волокну, которое служит для торцевой накачки света в твердотельный кристалл”. Большинство систем DPSSL (diode pumped solid state laser), имеющихся сегодня на рынке, представляют собой лазеры с торцевой диодной накачкой.

Дизайн волоконного лазера Zenith 10FQ является прорывом в лазерной технологии и является адаптацией многих технических разработок лазеров, используемых в военной и телекоммуникационной сферах. Корпорация Telesis внедрила эти технические разработки в промышленные лазерные маркирующие системы. Ввиду своего исторического развития волоконные лазеры Telesis более легко интегрируются в промышленные процессы и адаптируются к широкой сфере применений, в отличие от более традиционных лазеров с диодной накачкой и волоконной передачей света.

Технические преимущества волоконных лазеров, таких как Zenith 10FQ , в сравнении с традиционными лазерами с диодной накачкой:

Волоконные лазеры не требуют специального обслуживания

1. Выверенная твердотельная технология

   • Меньше компонентов , требующих обслуживания

Нет необходимости настраивать источник света под оптику камеры накачки

• Оптика камеры накачки “внедрена” в активное волокно

Нет необходимости в оптимизации лазерного источника света

• На предприятии-изготовителе д иодный источник света фиксирован в оптимизированном положении в активной волоконной среде, генерирующей лазер.

Нет необходимости вручную выбирать диодные источники света в границах узкого рабочего окна в надежде оптимизировать технические характеристик.

• Диодные источники света охватывают широкий спектр, что резко увеличивает срок службы диода и обеспечивает стабильную работу.

  Диодные источники света являются широкополосными и изготовлены в соответствии с жёсткими требованиями, предъявляемыми к телекоммуникационным устройствам по непрерывной работе в экстремальных условиях. Технические условия предусматривают параметры изделий, в два раза превышающие те, которые когда-либо потребуются при промышленном применении.

Самокалибрующийся, работающий по принципу «установил и забыл» лазер для эксплуатации без операторского сопровождения 24 часа в сутки 7 дней в неделю.

• Система Zenith 10FQ осуществляет автоматический мониторинг мощности лазерного источника, постоянно реагирует на ситуацию, что позволяет поддерживать уровень мощности независимо от изменений в подаваемом напряжении или возможного незначительного ухудшения отдельных диодов.

  В лазерной системе Zenith ® даже при самом невероятном развитии событий, когда один диод выйдёт из строя (в каждой системе 6 накачивающих диодов), другие диоды автоматически настроят свою мощность для компенсации потери.

Среднее время наработки на отказ составляет 100.000 часов непрерывной работы.

Испытано в реальных условиях

• Тысячи волоконных лазеров круглосуточно используются в военной сфере и сфере телекоммуникации.

Волоконные лазеры Zenith ® могут работать в более суровых окружающих условиях, чем традиционные лазеры.

1. Твердотельный дизайн позволяет лазеру быть устойчивым к более значительным колебаниям температур, чем способен лазер с диодной накачкой.

   Оптика накачивающей камеры системы Zenith 10FQ «впаяна» в активное волокно, что позволяет использовать установку в условиях повышенной влажности, до 90% (без конденсата), что является гораздо более высоким значением, чем ограничения для традиционных лазеров с диодной накачкой с незащищённой оптикой камеры накачки.

В качестве стандартной функции волоконный лазер Zenith 10FQ обладает встроенными в панель измерителем мощности и индикаторами ошибок.

• Цифровые измерители мощности показывают реальную мощность лазера на передней панели контроллера. Индикаторы ошибок на панели предоставляют моментальную информацию по состоянию лазерной маркирующей системы.

  Самокалибрующаяся мощность лазера, монитор с информацией о мощности и индикаторы ошибок, а также высокий срок службы диодов и дублирующая цепь приводит к тому, что оператору не нужно проводить еженедельную проверку и настройку, которые являются неотъемлемой чертой стандартных лазерных систем с торцевой диодной накачкой.

Воздушное охлаждение, теплоотведение

1. Волоконные лазеры Telesis нагреваются меньше, чем любые другие лазеры, благодаря превосходному КПД преобразования питания.

   • Нет необходимости в водяном охлаждении, которое может протечь, или сложных охлаждающих схемах, таких как активные охлаждающие плиты Thermoelectric , которые могут выйти из строя.

Одномодовая волоконная подающая линия с практически идеальным профилем луча

1. Стабильность луча во время работы означает высокое качество маркировки и формирования символов вне зависимости от установок.

   • Качество луча (фактор M 2) для лазера Zenith 10FQ составляет менее 2 (между 1.5 и 1.8 в зависимости от выбранной оптики), что создаёт форму луча, оптимальную для маркировки металла и пластика.

     Качество профиля луча остаётся одинаковым при динамике рабочего диапазона от 0.01 до 10 Вт выходной мощности (в отличие от большинства систем с диодной накачкой, которые нестабильны при нижних 5% и верхних 10% рабочего диапазона).

Идеальный профиль луча означает, что на изделие можно направлять более высокие уровни энергии, что позволяет:

• Осуществить более быструю и глубокую маркировку на материале

  Направить высококачественный фокусируемый луч с лучшей управляемостью на нежелательные заново отлитые и подверженные термической обработке зоны.

  Сократить цикл работы

Высокая скорость повтор ений модуляции нагрузки добротности луча (beam Q - switching )

1. Высокая скорость повторений с оптимизированными импульсами позволяет достичь того, что иногда называется “более холодный лазерный луч ”

   • Ограничивает ся нежелательное сжигание пластика, фольги, бумаги или субстрата.

     Можно маркировать более широкий диапазон пластиковых материалов, добиваясь контраста при обесцвечивании только маркируемой области.

     Огранич ение газообразования при маркировке материалов, таких как пластик, в процессе чего возникают неравномерные накопления отходов на некоторых материалах.

     Проще регулировать глубину маркировки .

Простое и стандартной подключение к переменному току и высокие КПД потребления электричества

1. Один из самых производительных лазеров из когда-либо созданных

   • Общая сила тока для Zenith 10FQ (только лазера) составляет всего лишь 2 А. Подаваемое напряжение - 230 В, 60Гц.Примечание : подаваемое электричество должно иметь предохранитель на 250В при 6 А

При добавлении внешних устройств или приспособлений для автоматической подачи сила тока увеличивается, что повышает потребление питания всей системой

Внешне водяное охлаждение не требуется.

Энергетический КПД в два раза превышает значение самой лучшей системы с диодной накачкой.

• При работе системы Zenith 10FQ (только лазер) потребляется менее 600Вт. Обычный лазер с диодной накачкой потребляет более 1,15КВт.

  Со временем маркирующая лазерная система Zenith 10FQ позволит достичь значительную экономию на потребляемой энергии

Zenith 10FQ менее восприимчив к небольшим изменениям в подаваемом питании, чем большинство лазерных систем с диодной накачкой.

• Используются широкополосные диоды для достижения максимальной производительности

  Внутренняя контролирующая цепь для коррекции мощности лазера

Простой и рациональный промышленный дизайн

1. Встроенный диод с красным светом фокально выровненный с основным лазерным направлением

   • Простая настройка и холостой запуск

Расстояние между лазерным контролером и фокусирующего оптического блока может быть до 5 метров ( Telesis оставляет за собой право конфигурировать длину подающего волокна для оптимизация конкретных условий применения).

• Небольшая лёгкая головка может быть интегрирована практически в любом положении.

  Гибкая армированная защита вокруг оптических частей

Стандартный 19-дюймовый контроллер, монтируемый на стойку

• Легко смонтировать в существующую производственную линию или новую специальную рабочую станцию.

Управление посредством гибкого , усовершенствуемого, стандартного персонального компьютера.

• Стандартные настольные компьютеры и мониторы

  В качестве опции поставляются портативные компьютеры с интерфейсными картами

Простота в обслуживании

1. Нет необходимости в расходных лампах или фильтрах

   Упрощенный модульный дизайн включает четыре блока, которые могут потребовать обслуживания или замены любым техником прямо на месте.

   • ПК или ПО

     Лазерный контроллер / лазерный источник

     Армированный кабель / кабельный интерфейс

     Фокусирующий оптический блок

Экономические преимущества волоконного лазера Zenith 10FQ

1. Гарантия
   1. Гарантия на диодные источники света Zenith 10FQ составляет невероятные 20.000 часов (замеряемые на встроенном таймере лазерного источника) или два года с даты поставки.
      • Опыт эксплуатации данных волоконных лазеров показывает время наработки на отказ около 75.000 часов, в среднем. (мы рекламируем это достижение как “Эксплуатация системы без обслуживания более 50.000”).
   2. Большинство система с торцевой диодной накачкой могут предложить только гарантию 10.000 часов на источник света ввиду вручную выбираемых узкополосных диодов, необходимых для работы, и непроизводительность удалённой торцевой накачки кристалла, генерирующего лазер. Некоторые компании предлагают сложную схему пропорциональных 15,000 часов, при которых вы платите за процент времени, в течение которого вы «потребляли» диодный источник.
      • На ранних этапах существования систем с диодной накачкой целью было получить наработку на отказ 10.000 часов.
      • Опыт использования систем с диодной накачкой нового поколения показывает средний срок наработки на отказ - около 15.000 часов.
      • При использовании Zenith 10FQ это произойдёт между 50.000 и 100.000 часами, при этом 75.000 часов является средним значением.
        • Например, при трёхсменной работе, 24 часа в сутки, 50 недель, получаем 8.400 часов в год; тогда средний показатель наработки на отказ 75.000 часов означает замену диода раз в 9 лет при использовании системы Zenith 10FQ .
      • Замена диода в системе с диодной накачкой произойдёт между 10.000 и 20.000 часами, при этом среднее количество часов - 15.000.
        • Например, при трёхсменной работе, 24 часа в сутки, 50 недель, получаем 8.400 часов в год; тогда средний показатель наработки на отказ 15,000 часов означает замену диода раз в 2 года при использовании систем с диодной накачкой.
2. Большой срок эксплуатации до потребности в замене частей
   1. В конце концов, все диодные источники света потребуют замены или обслуживания за счёт пользователя.
3. Эксплуатационные расходы (преимущество Zenith 10FQ )
   1. Худший вариант развития событий.
      • Стоимость замены диодного источника света для Zenith® 10F составляет около $8,550. Стоимость замены источника света для типичной системы торцевой диодной накачки составляет около $7,500. При худшем варианте развития событий при использовании Zenith 10FQ , когда источник придётся менять вне гарантии, рассчитаем затраты на замену источника света стоимостью $8.500 после срока гарантии, составляющего 50.000 часов. 1.8,500 долларов разделить на 50.001 час, что составит $0.17 в час при использовании Zenith 10FQ (в худшем случае).
      • При худшем варианте развития событий при использовании типичной системы с торцевой диодной накачкой рассчитаем затраты на замену источника света стоимостью $7.500 после срока гарантии, составляющего 10.000 часов. 1.7,500 долларов разделить на 10,001 час, что составит $0.75 в час при использовании системы с диодной накачкой (в худшем случае).
   2. Лучший вариант развития событий. Принимая во внимание, что среднее время наработки на отказ волоконной лазерной системы Zenith 10FQ составляет 100.000 часов, а типичной системы с диодной накачкой - 15,000 часов, тогда:
      • При лучшем варианте развития событий для Zenith 10FQ затраты на замену источника света стоимостью $8.500 с учётом наработки на отказ 100.000 часов составят: $8.500 разделить на 100,000 часов, что составит $0.09 в час при использовании Zenith 10FQ (в лучшем случае).
      • При лучшем варианте развития событий для типичной системы с торцевой диодной накачкой затраты на замену источника света стоимостью $7.500 с учётом наработки на отказ 15.000 часов составят: $7.500 разделить на 15,000 часов, что составит $0.50 в час при использовании системы с диодной накачкой (в лучшем случае).
4. Ежедневное потребление энергии
   1. Волоконные лазеры обладают в два раза большим энергетическим КПД, чем самые лучшие системы с диодной накачкой. При работе Zenith® 10FQ в полную мощность (только лазер) потребляется менее 600 Вт электрической энергии.
      • Например, при использовании Zenith 10FQ , если, в среднем, кВт/час стоит 2 руб. за кВт; тогда потребление за одни сутки непрерывного использования составят 600 Вт/час умножить на 24 час равно 14.4 кВт.
      • При стоимости 1 кВт 2 руб. максимальные затраты в сутки составят: 2 руб. Х 14.4 кВт = 28,80 руб. при использовании Zenith 10FQ .
   2. Типичная система с диодной накачкой потребляет более 1,15 кВт электрической энергии.
      • Например, при использовании системы с диодной накачкой, если, в среднем, кВт/час стоит 2 руб. за кВт; тогда потребление за одни сутки непрерывного использования составят 1.150 Вт/час умножить на 24 час равно 27,6 кВт.
      • При стоимости 1 кВт 2 руб. максимальные затраты в сутки составят: 2 руб. Х 27.6 кВт = 55,20 руб. при использовании типичной системы с диодной накачкой.

Преимущества волоконного лазера перед лазерами с диодной и ламповой накачкой

Лучшее качество луча

Более высокий электрический КПД

Большая надёжность

Низкие эксплуатационные расходы

Низкие расходы на обслуживание

Небольшой размер

Удалённая передача луча

Гарантия - 20 тыс. часов работы

Наработка на отказ от 30 до 50 тыс. часов. Среднее время - 100 тыс. часов до выхода элемента накачки лазера из строя

Эти лазеры весьма условно можно выделить в отдельный тип, так как в них использован примерно такой же механизм возбуждения активной среды (накачки), как у газовых или твердотельных лазеров.

В качестве накачки также используются лазерные диоды. Эти источники были разработаны для телекоммуникационных систем волоконной связи, где они применяются в качестве усилителей сигналов. Представьте себе, что кристалл, в котором происходит генерация полезного лазерного излучения, как бы растянут на несколько десятков метров и представляет собой сердцевину волокна диаметром несколько микрон, которая находится внутри кварцевого волокна. Излучение диодов направляется в кварцевое волокно, и на всем его протяжении происходит оптическая накачка сердцевины.

Применение лазерного стекла в качестве активного элемента в твердотельных лазерах известно давно. В отличие от кристаллов, лазерные стекла имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонентами SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , BeF 2 , в них содержатся Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3 , Sb 2 O 3 . Активными примесями чаще всего служат ионы неодима Nd 3+ ; используются также гадолиний Gd 3+ , эрбий Er 3+ , гольмий Но 3+ , иттербий Yb 3+ . Концентрация ионов неодима Nd 3+ в стеклах доходит до 6% (по массе).

В лазерных стеклах достигается высокая концентрация активных частиц. Другим достоинством таких стекол является возможность изготовления активных элементов больших размеров практически любой формы и с очень высокой оптической однородностью. Стекла получают в платиновых или керамических тиглях. К недостаткам использования стекол в качестве лазерных материалов следует отнести относительно широкую полосу генерации (3­10 нм) и низкую теплопроводность, препятствующую быстрому отводу тепла при мощной оптической накачке.

Волоконные лазеры имеют очень высокую (до 80%) эффективность преобразования излучения лазерных диодов в полезное излучение. Для обеспечения их работы достаточно воздушного охлаждения. Эти лазерные источники весьма перспективны для систем цифровой записи печатных форм.

На рис. 3.22 представлена схема работы волоконного лазера с полупроводниковой накачкой и в общем виде весь оптический тракт вплоть до обрабатываемого материала. Главная особенность этого лазера состоит в том, что излучение здесь рождается в тонком, диаметром всего 6­8 мкм, волокне (сердцевине; например, активной средой может быть иттербий), которое находится внутри кварцевого волокна диаметром 400­600 мкм. Излучение лазерных диодов накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, имеющего в длину несколько десятков метров.

Рисунок 3.22 – Оптическая система с волоконным лазером:

1 – сердцевина, легированная иттербием, диаметр 6-8 мкм; 2 – кварцевое волокно, диаметр 400-600 мкм; 3 – полимерная оболочка; 4 – внешнее защитное покрытие; 5 – лазерные диоды оптической накачки; 6 – оптическая система накачки; 7 – волокно (до 40 м); 8 – коллиматор; 9 – модулятор света; 10 – фокусирующая оптическая система

Излучение оптически накачивает сердцевину, и именно здесь, на атомах иттербия, происходят физические превращения, приводящие к возникновению лазерного излучения. Вблизи концов волокна на сердцевине делают два так называемых дифракционных зеркала в виде набора насечек на цилиндрической поверхности сердцевины (дифракционные решетки) – так создается резонатор волоконного лазера. Общую длину волокна и количество лазерных диодов выбирают, исходя из требуемой мощности и эффективности. На выходе получается идеальный одномодовый лазерный пучок с весьма равномерным распределением мощности, что позволяет сфокусировать излучение в пятно малого размера и получить большую, чем в случае мощных твердотельных Nd:YAG­лазеров, глубину резкости.

Стоит также отметить, что ряд таких свойств излучения волоконных лазеров, как, например, характер поляризации пучка, делает удобным и надежным управление этим излучением с помощью акусто­оптических устройств и позволяет реализовать многолучевые схемы записи изображений.

Поскольку оптическая накачка идет по всей длине волокна, то отсутствуют такие свойственные обычным твердотельным лазерам эффекты, как термолинза в кристалле, искажения волнового фронта вследствие дефектов самого кристалла, нестабильность луча во времени и др., которые всегда препятствовали достижению максимальных возможностей твердотельных систем. Однако сами принципы строения и работы волоконного лазера гарантируют высокие эксплуатационные характеристики и делают данные устройства совершенными преобразователями светового излучения в лазерное.

«Сердечник» лазера толщиной всего лишь несколько микрометров состоит из иттербия и функционирует как резонатор. Наилучшего качества удается добиться при длине волны излучения 1110 нм, при этом длина оптоволоконного кабеля может достигать 40 м. Серийно выпускаются лазеры мощностью от 1 до 100 Вт, с КПД около 50%. Оптоволоконные лазеры обычно не требуют специального охлаждения. Минимальный размер пятна у современных оптоволоконных лазеров – около 20 мкм, причем при использовании механизмов коррекции его удается уменьшить до 5 мкм. Глубина фокуса составляет 300 мкм, что позволяет без механизма автофокусировки успешно работать с формными материалами различной толщины.

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.

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:

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

Перевод Сергея Рогалева

Под термином «оптоволоконный лазер» обычно понимается лазер с оптическим волокном в качестве усиливающей среды, хотя некоторые лазеры с полупроводниковой усиливающей средой и волоконным резонатором также назвают оптоволоконными лазерами. В большинстве случаев усиливающей средой оптоволоконных лазеров является волокно, допированное редкоземными ионами, такими как эрбий (Er 3+), неодим (Nd 3+), иттербий (Yb 3+), тулий (Tm 3+) или празеодимий (Pr 3+). Для накачки используются один или несколько лазерных диодов.

Резонатор оптоволоконного лазера

Для создания линейного резонатора оптоволоконного лазера, необходимо использовать некоторый отражатель (зеркало), или же создать кольцевой резонатор (кольцевой оптоволоконный лазер).

В линейных резонаторах оптоволоконного лазера используются различные типы зеркал:

· В простых лабораторных установках обычные диэлектрические зеркала могут прикрепляться к перпендикулярно сколотым концам волокна, как показано в рисунке 1. Этот подход, однако, не очень практичен для массового производства и также не очень надежен.

· Френелевское отражение от торца волокна часто достаточно для использования в качестве выходного зеркала резонатора волоконного лазера. На Рис. 2 приведен пример.

· Также возможно внести диэлектрические покрытия непосредственно на концах волокна, обычно методом напыления. Такие покрытия могут использоваться для отражения в широком диапазоне.

· Во многих волоконных лазерах используются волоконные брэгговские решетки, сформированные непосредственно в легированном волокне, или в нелегированном волокне, спаянным с активным слоем. Рисунок 3 показывает лазер распределенным брэгговским отражателем (РБО лазер) с двумя волоконными решетками, но есть также лазеры с распределенной обратной связью с одной решеткой в легированных волокнах со сдвигом фазы в середине.

· Лучшие характеристики по мощности можно получить за счет использования коллиматора на выходе света из волокна и отражения его обратно с помощью диэлектрического зеркала (рис. 4). Интенсивность на зеркале значительно снижается из-за гораздо большей площади пучка. Однако, небольшое смещение может привести к существенным потерям при отражении, поляризационно-зависимые потери и т.д.

· Другой вариант заключается в использовании зеркала в форме петли волокна (рис. 5), на основе волоконной муфты (например, с коэффициентом разделения 50:50) и куска пассивного волокна.

Большинство волоконных лазеров накачиваются одним или несколькими диодными лазерами с волоконными выходами (излучение лазерного диода вводится в волокно). Накачка света может осуществляться непосредственно в сердцевину, или во внутреннюю оболочку волокна в мощных лазерах.