گزینه های کاربردهای لیزر فیبر

گزینه های کاربردهای لیزر فیبر

لیزرهای فیبر یک طاقچه پردازش و تحقیق را پیدا کرده اند که در آن لیزرهای Nd: YAG بسیار گران هستند و دارای خواص پرتویی هستند که نامطلوب هستند (به عنوان مثال مقادیر بزرگ M2). ممکن است کاربران لیزر فیبر نگران تعویض در عرضه موجود خود از اجزای نوری یا نحوه تعیین نوری جدید باشند. در این مقاله به مواردی از نگرانی پرداخته شده است و ویژگی هایی که باید خصوصاً با دقت مشخص شوند را بیان می کند.

لیزرهای فیبر در برنامه های مختلفی از جمله حفاری ، جوشکاری ، برش فویل ، مارک لیزری و میکرو ماشینکاری دقیق به زمین می رسند. دانشمندان تحقیقات همچنین به دلیل ردپای کوچک و مقادیر کم M2 ، آنها را بعنوان منبع بسیار مفید می دانند. موفقیت لیزرهای فیبر بر اساس ترکیب منحصر به فرد آنها از ویژگی های پرتوی غیرقابل دسترسی از منابع دیگر در همان طول موج است: CW اختیاری یا عملکرد پالس ، کنترل قطبش (تصادفی ، خطی یا دایره ای) ، پهنای باند طیف باریک و مقادیر TEM00 M2 نزدیک 1 با چنین پیشرفت M2 نسبت به لیزرهای Nd: YAG ، چگالی قدرت به طور قابل توجهی بالاتر قابل تحقق است. پرتوهای با محکم تر امکان پذیر هستند ، در نتیجه عکس های واضح تری برای علامت گذاری و برش های ظریف تر برای میکروماشین انجام می شود. مسافت های کاری تولیدی را نیز می توان افزایش داد. بنابراین ، بازار انتظار دارد در اجزای اختصاصی نوری که برای کاربردهای لیزر فیبر طراحی شده است ، تقاضای رو به رشدی پیدا کند.

1 اثر کیفیت پرتو

فرآیند انتخاب مؤلفه به شدت تحت تأثیر چگالی توان بالا است که با لیزرهای فیبر قابل دستیابی است. حفره نوری یک لیزر فیبر هسته فیبر است که می تواند برای به حداقل رساندن تعداد حالت ها طراحی شود ، بنابراین به تولید کنندگان این امکان را می دهد که لیزرهای تجاری با M2 = 1.05 تولید تجاری کنند. M2 ، نسبت محصول واگرایی قطر چند لایه پرتو لیزر به محصول با قطر پراش ایده آل محدود (TEM00) است:

در جایی که Θ0 واگرایی پرتوی در میلیاردها و w0 است عرض کمر پرتوی خروجی (اگر پرتو دایره ای باشد ، می توان w0 را با قطر پرتو d0 جایگزین کرد). یا برای قطر نقطه کانونی قابل دستیابی d0:

شکل 1 پارامترهای مورد استفاده در معادله (2) را نشان می دهد. تولید کنندگان لیزر فیبر به طور معمول یک سر تحویل پرتو با خروجی برخورد شده بین قطر 5 میلی متر و 20 میلی متر (D0) ارائه می دهند. محاسبات نشان می دهد که قطر نقطه کانونی d0 از نظر تئوری d0 از 10μm با لنز فاصله کانونی 19 میلی متر قابل دستیابی است. بنابراین ، برای لیزر فیبر 50W در 1075 نانومتر ، پرتو متمرکز تراکم قدرت نوری فوق العاده ای را در خود جای می دهد

ترکیبات بیشتری در جدول 1 آورده شده است. در حالی که ممکن است نوری فرمان پرتو هرگز نقطه کاملاً متمرکز را مشاهده نکند ، یک عامل ایمنی وجود دارد که مهندس طراحی می خواهد آن را مورد توجه قرار دهد. این تراکم های قدرت محدود پراش بالا ، ممکن است در طول تراز قرار دادن بر روی عناصر نوری وارد شود.

برای لیزرهای پالس با انرژی کم و لیزرهای CW با رنج متوسط (به سفارش قدرت متوسط 1-5W) ، شیشه N-BK7 از Schott chott.de) یک ماده بستر مناسب و ارزان برای هر دو نوری بازتابنده و انتقال دهنده است که در آن انرژی دارد. در سطح نوری <50mw cm2=""> N-BK7 یک شیشه نوری تاج بوروسیلیکات با همگن و انتقال زیاد در مادون قرمز قابل رویت و نزدیک است. پوشش های ضد انعکاس (AR) را می توان در ویندوز ، لنزها و بازتاب کننده های جزئی استفاده کرد تا انتقال کلی از طریق این مؤلفه افزایش یابد. در این انرژی ها می توان از پوشش های باریک باریک (V) با روکش باریک یا پوشش های باند پهن باند چند لایه استفاده کرد تا بازتاب سطح هر سطح از حدود 4٪ به <0.25٪ در="" طول="" موج="" واحد="" یا=""><0.5٪ نسبت="" به="" پهنای="" باند="" کاهش="" یابد.="" 250-400="" نانومتر="" برای="" سیستم="" های="" لیزر="" قابل="" تنظیم="" (شکل="" 2="" را="">

روکش های باریک "V" پوشش های ضد لایه باز چند لایه (معمولاً دو لایه) هستند که به حداقل بازتاب نظری در یک باند باریک از طول موج دست می یابند. بازتاب در هر دو طرف از حداقل به سرعت افزایش می یابد و به شکل "V" در بازتابی در مقابل نمودار طول موج می دهد. تولیدکنندگان آمریکایی به طور معمول از اصطلاحات "V-Coat" یا "Laserline" استفاده می کنند تا این پوشش را از پیشنهادات باند پهن AR خود متمایز کنند.

یکی دیگر از گزینه های مورد استفاده برای لیزرهای فیبر 1-5W ، شیشه N-SF11 از شوت است که دارای ضریب شکست = 1.754 n در 1060 نانومتر ، بالاتر از N-BK7 (1.507) است. اگر لنزهایی با فاصله کانونی کوتاه برای برنامه مورد نیاز باشند ، این انعطاف پذیری را ایجاد می کند. از آنجا که هر دو N-SF11 و N-BK7 دارای ضرایب انبساط حرارتی در محدوده 10-10-6 / 0 درجه سانتیگراد هستند ، اگر پایداری حرارتی مهم باشد سیلیس ذوب شده انتخاب برتر مواد بستر است. سیلیس ذوب شده دارای ضریب انبساط حرارتی تنها 0/57 0.5 10-6 / درجه سانتیگراد است ، مرتبه ای از قدر با ثبات تر از سایر مواد نوری. تولید کنندگان لیزر فیبر سیلیس ذوب شده را برای استفاده از اپتیکال انتقال دهنده برای استفاده با خروجی لیزر فیبر بیشتر از 50W توصیه می کنند. به عنوان مثال ، Southampton Photonics، Inc. pioptics.com) استفاده از سیلیس ذوب شده را برای کاربردهای لیزر فیبر به دلیل آستانه خسارت قابل توجهی بالاتر از لیزر توصیه می کند. این ماده دارای خواص انتقال مشابه به N-BK7 از 500-2000nm است ، اما از نظر حرارتی پایدارتر است و دارای محدودیت آستانه آسیب بالاتر برای سیستم های پالس و CW است. IPG Photonics pgphotonics.com) سیلیس ذوب شده درجه IR را برای لیزرهای فیبر با درجه بالاتر از 1 کیلو وات توصیه می کند. مجدداً می توان از پوشش های AR برای کاهش بازتاب سطح استفاده کرد ، اما برای انرژی های بالاتر بهتر است از پوشش های AR چند لایه "V" استفاده کنید که تا 1MW / cm2 یا بیشتر مقاومت می کنند.

2 لنز

در برنامه های خاص مانند تصویربرداری از تله های نوری ، حفظ کیفیت تصویر در طول مسیر پرتو بسیار مهم است. اگرچه لنزهای منفرد ، در هر دو ماده سیلیس ذوب شده یا N-BK7 ، برای برنامه های فرمان پرتوی مناسب مناسب هستند ، لنزهای اپلانتیک دابل یا سه گانه ممکن است برای به حداقل رساندن خطاهای موج منتقل شده مناسب تر باشند. این لنزها به گونه ای طراحی شده اند که به حداقل می رسند دو خطای موج موج یکسان به نام های Spherical Aberration و Coma را نشان می دهد. Aberration کروی به صورت محوری متقارن است و هنگامی اتفاق می افتد که اشعه های جمع شده از مناطق خارجی لنزها در فاصله متفاوتی از لنز متمرکز شوند تا پرتوهای عبور از منطقه مرکزی. کما یک اعوجاج موج غیر متقارن از محور خارج از محور است که به صورت خطی با زاویه میدان یا فاصله از محور اصلی افزایش می یابد. در کنار هم ، این ناهنجاریها موج موج منتقل شده را از طریق لنز تحریف می کند و باعث می شود نقطه کانونی به طور نامنظم شکل و / یا تار شود.

طرح های لنز دوبلت و تریپلت بسته به معیار طراحی خاص می توانند از مواد بسترهای که قبلاً ذکر شده اند یا سایر مواد استفاده کنند. آنها برای یک طول موج واحد بهینه می شوند و معمولاً از نظر هوایی از فاصله کمتری برخوردار هستند تا اعوجاج موج اضافی اضافی ناشی از سیمان بین سطوح شیشه ای را به حداقل برسانند. فاصله هوا عناصر همچنین باعث افزایش انعطاف پذیری در طراحی می شود زیرا سطوح مجاور مجبور نیستند دارای انحنای متناسب باشند. درعوض ، هر یک از چهار تا شش سطح را می توان به طور مستقل بهینه کرد تا از طریق مونتاژ کامل لنز به حداقل رساندن کما و انحرافات کروی بپردازید. برای به حداکثر رساندن آستانه خسارت کلی و طول عمر مؤلفه باید از مجامع لنزهای سیمانی اجتناب شود.

پهنای باند طیف باریک 3

دامنه طول یک لیزر فیبر با توجه به معماری پمپاژ سازنده و دوپانتهای مورد استفاده در حفره لیزر فیبر فعال تعیین می شود. دامنه های طول موج معمولی عبارتند از: 780-800nm برای دوپینگ اربیم ،

1030-1120nm برای ytterbium ، 1630-1600nm برای اربیم-ایتربیوم و 1800-2100nm برای تولیم. پهنای باند لیزر فیبر معمولاً توسط توری های فیبر براگ تعریف می شود. تولیدکنندگان لیزر فیبر محدوده ای را مشخص می کنند که کاربر نهایی می تواند طول موج خاصی را انتخاب کند. پهنای باند واقعی هر لیزر فقط 1-2 نانومتر است. این می تواند یک جزئیات مهم در هنگام انتخاب مؤلفه هایی مانند صفحات موج مرتبه بالاتر باشد که به درستی فقط در یک پهنای باند باریک کار می کنند.

4 قطب نوری

پهنای باند و چگالی انرژی مهمترین ویژگی پرتویی است که باید هنگام انتخاب بین پلاریزورها و صفحه های مختلف بدانید. قطبشگرهای خطی پلیمر برای استفاده در انرژی های بیشتر از 1W / cm2 در نظر گرفته نشده اند. قطبشگرهای مکعب سیمانی در دو باند باریک و طرح های باند پهن در دسترس هستند اما آستانه آسیب با اپوکسی داخلی محدود است. اگرچه بنا بر گزارش ها ، چند سیمان نوری می توانند در برابر تراکم قدرت لیزر از 500 W / cm2 مقاومت کنند ، اما تولید کنندگان لیزر فیبر توصیه می کنند از نوری سیمانی برای لیزرهای فیبر با درجه بالاتر از 50W جلوگیری کنند. بالاتر از این سطح ، لازم است به یک طرح مکعبی قطبی سازی شده با هوا و یا نوری که دارای ارتباط نوری است تبدیل شود ، که به طور معمول می تواند بیش از 1 مگاوات بر سانتیمتر مربع از نور لیزر CW را تحمل کند.

برای یک صفحه موج کریزی کریستالی چند منظوره نزدیک به ضخامت 1 میلی متر ، تغییر 2nm در طول موج می تواند تفاوت بین صفحه موج عالی و یک قسمت غیرقابل قبول را ایجاد کند. یک صفحه موج ضخامت 1 mm λ / 4 طراحی شده برای 1082nm در واقع یک موج موج 0.23ll در 1084nm یا ل / 50 خاموش است. از طرف دیگر ، یک صفحه موج مرتبه صفر ترکیبی که برای همان دو طول موج طراحی شده باشد ، عقب ماندگی بین این دو را با <λ 1000="" موج="" تغییر="" می="" دهد="" ،="" که="" به="" خوبی="" در="" محدوده="" اندازه="" گیری="" معمولی=""> صفحات موج سفارش صفر بیش از 40-70 نانومتر پوند از طول موج طراحی کار می کنند ، و برای سیستم های لیزر قابل تنظیم و همچنین برای کسانی که دارای پهنای باند خط لیزر از> 1 نانومتر هستند ، مناسب هستند (نگاه کنید به شکل 3).

5 آینه

اجزای استاندارد - به عنوان مثال طرح های پوشش موجود - برای سایر خطوط لیزر ممکن است به اندازه کافی مطابق با طول و لیزر جدید لیزر فیبر برای عملکرد بهینه مطابقت نداشته باشد. برای سیستم های با انرژی بسیار کم ، پوشش های آینه ای فلزی محافظت شده از قبیل طلا ، آلومینیوم و نقره ممکن است گزینه های مناسبی برای کاربردهای خاص باشد که در آن 100٪ بازتاب لازم نباشد. آنها به راحتی در دسترس و ارزان هستند. با این حال ، حتی با لایه های محافظ ، روکش های فلزی نرم هستند و در صورت عدم برخورد صحیح ، در صورت خراشیده شدن یا خوردگی از بین می روند. از طرف دیگر ، آینه های دی الکتریک چند لایه با هر دو حالت عادی یا 45 درجه ، سخت و روکش ، بادوام و بازتاب دهنده هستند (شکل 4 را ببینید). آنها دارای آستانه خسارت بیش از 20J / cm2 در سیستم های پالس 10-20ns هستند ، بنابراین نباید هنگام استفاده در هر دو نوع لیزر پالس یا CW ، از تخریب یا آسیب دیدن آنها استفاده کنند. اگرچه خصوصاً پهنای باند نیست ، یک آینه استاندارد دی الکتریک که برای سیستم های Nd64 Y: 1064 نانومتر طراحی شده است باز هم> 99٪ در 1075nm یا 1080nm منعکس می کند.

6. نتیجه گیری

CVI خط جدیدی از آینه ها را به طور خاص برای استفاده با سیستم های لیزر فیبر طراحی کرده است. علاوه بر این ، CVI متداول ترین طول موج های لیزر فیبر را به خطوط محصول موجود از جمله پوشش های AR برای اپتیکال انتقال دهنده ، مانند صفحات موج ، لنزها و ویندوزها ، و همچنین روکش های بازتابنده برای پرتوهای پلاستیکی ، بازتاب کننده های جزئی ، اتصال دهنده های خروجی و آینه ها اضافه کرده است.

تولیدکنندگان لیزر فیبر همچنان به افزایش محدودیت های فن آوری خود ادامه می دهند و باعث افزایش توان CW و انرژی پالس شده در بازار می شوند. کیفیت پرتوهای عالی همراه با انرژیهای بالاتر همچنان به افزایش تقاضاها بر روی اجزای نوری مورد استفاده در این سیستمها ادامه خواهد داد. مشخصات اصلی این اجزا شامل مواد بستر ، آستانه آسیب و کیفیت سطح خواهد بود.