Optisko šķiedru lietojumu
Šķiedru lāzeri ir atraduši apstrādes un izpētes nišu, kur Nd: YAG lāzeri ir pārāk dārgi vai tiem ir nevēlamas staru īpašības (piemēram, lielas M2 vērtības). Šķiedru lāzeru lietotājiem var būt bažas par viņu esošo optisko komponentu piegādes aizstājamību vai to, kā norādīt jaunu optiku. Šis raksts pievēršas šādām problemātiskajām jomām un uzsver, kuras īpašības būtu jāprecizē īpaši uzmanīgi.
Šķiedru lāzeri iegūst vietu daudzos pielietojumos, piemēram, urbšanā, metināšanā, folijas griešanā, lāzera marķēšanā un precīzā mikromašīnā. Pētniecības zinātnieki tos arī uzskata par ļoti noderīgiem kā avotiem to mazo pēdu un zemo M2 vērtību dēļ. Šķiedru lāzeru panākumu pamatā ir to unikālā staru kūļa īpašību kombinācija, kas nav pieejama no citiem avotiem tajā pašā viļņu garuma diapazonā: izvēles CW vai impulsa darbība, polarizācijas vadība (nejauša, lineāra vai apļveida), šaurs spektra joslas platums un TEM00 M2 vērtības, kas tuvojas 1. Ar šādu M2 uzlabojumu virs Nd: YAG lāzeriem var sasniegt ievērojami lielāku jaudas blīvumu. Ir iespējamas precīzāk fokusētas sijas, iegūstot asākus attēlus marķēšanai un smalkākus griezumus mikromašīnai. Var palielināt arī ražošanas attālumus. Tādējādi tirgū tiek gaidīts pieaugošs pieprasījums pēc īpašiem optiskiem komponentiem, kas izstrādāti šķiedru lāzera lietojumiem.
1 Sijas kvalitātes ietekme
Komponentu izvēles procesu lielā mērā ietekmē lielais jaudas blīvums, ko var sasniegt ar šķiedru lāzeriem. Šķiedru lāzera optiskais dobums ir šķiedras kodols, ko var projektēt, lai samazinātu režīmu skaitu, tādējādi ļaujot ražotājiem komerciāli ražot lāzerus ar M2 = 1,05. M2 ir lāzera stara daudzmodu diametra-diverģences produkta attiecība pret ideālo difrakcijas ierobežoto (TEM00) staru kūļa diametra-diverģences produktu:
Kur Θ0 ir staru kūļa novirze miliradiānos un w0 ir izejas staru jostas vietas platums (ja stars ir apļveida, tad w0 var aizstāt ar staru diametru d0). Vai arī sasniedzamajam fokusa vietas diametram d0:
1. attēlā parādīti parametri, kas izmantoti vienādojumā (2). Šķiedru lāzera ražotāji parasti nodrošina staru padeves galviņu ar kolimētu izeju diametrā no 5 līdz 20 mm (D0). Aprēķini rāda, ka teorētiskais fokusa vietas diametrs d0 10 μm ir sasniedzams ar 19 mm fokusa attāluma objektīvu. Tāpēc 50 W šķiedras lāzeram ar ātrumu 1075 nm, fokusētais stars nodrošina milzīgu optiskās jaudas blīvumu
Vairāk tabulas ir dotas 1. tabulā. Lai gan stūrēšanas optika nekad nevar redzēt perfekti fokusētu vietu, pastāv drošības faktors, kuru projektēšanas inženieris vēlēsies ņemt vērā; šie lielie, difrakcijas ierobežotie jaudas blīvumi izlīdzināšanas laikā var ietekmēt optiskos elementus.
Zema enerģijas impulsa šķiedru lāzeriem un vidēja diapazona CW lāzeriem (ar vidējās jaudas pakāpi 1-5W) N-BK7 stikls no Schott chott.de) ir piemērots un lēts substrāts gan atstarojošai, gan caurlaidīgai optikai, kur enerģija pie optiskās virsmas ir <50 mw=""> N-BK7 ir borsilikāta vainaga optiskais stikls ar augstu viendabīgumu un augstu caurlaidību redzamajā un tuvās infrasarkanā starā. Pretstarošanas (AR) pārklājumus var izmantot logiem, objektīviem un daļējiem reflektoriem, lai palielinātu kopējo caurlaidību caur sastāvdaļu. Pie šīm enerģijām var izmantot gan šaurjoslas (“V” pārklājuma) AR pārklājumus, gan daudzslāņu platjoslas AR pārklājumus, lai samazinātu atstarojumu uz vienu virsmu no aptuveni 4% līdz <0,25% vienā="" viļņa="" garumā="" vai=""><0,5% joslas="" platumā.="" no="" 250="" līdz="" 400="" nm="" noregulējamām="" lāzera="" sistēmām="" (sk.="" 2.="">
Šaurjoslas “V” kārtas ir daudzslāņu (parasti divslāņu) dielektriski pretatstarošanās pārklājumi, kas nodrošina teorētisko minimālo atstarošanos šaurā viļņu garuma joslā. Atstarojums strauji palielinās abās šī minimuma pusēs, piešķirot tai “V” formu atstarojuma un viļņa garuma grafikā. ASV ražotāji parasti izmanto terminoloģiju “V-coat” vai “laserline”, lai atšķirtu šo pārklājumu no saviem platjoslas AR piedāvājumiem.
Cits materiāla variants izmantošanai ar 1-5 W šķiedru lāzeriem ir N-SF11 stikls no Schott, kura refrakcijas koeficients ir n = 1,754 pie 1060 nm, lielāks nekā N-BK7 (1,507). Tas nodrošina elastību, ja aplikācijai ir nepieciešams objektīvs ar īsu fokusa attālumu. Tā kā gan N-SF11, gan N-BK7 ir termiskās izplešanās koeficienti 8x10-6 / ° C diapazonā, kausētais silīcija dioksīds ir vēlamais pamatmateriāla izvēle, ja svarīga ir termiskā stabilitāte. Kausēta silīcija dioksīda termiskās izplešanās koeficients ir tikai 0,57 × 10-6 / ° C, kas ir par stabilitātes pakāpi stabilāks nekā citiem optiskajiem materiāliem. Šķiedru lāzera ražotāji caurspīdīgai optikai iesaka kausētu silīcija dioksīdu, kas paredzēts izmantošanai ar šķiedru lāzera izejām, kas pārsniedz 50 W. Piemēram, Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) stingri iesaka izmantot kausētu silīcija dioksīdu šķiedru lāzera lietojumiem, jo tam ir ievērojami augstāks lāzera bojājumu slieksnis. Tam ir līdzīgas transmisīvās īpašības kā N-BK7 no 500 līdz 2000 nm, bet tas ir termiski stabilāks un tam ir lielāki bojājuma sliekšņi gan impulsa, gan CW sistēmām. IPG Photonics pgphotonics.com) iesaka IR kausētu silīcija dioksīdu šķiedru lāzeriem, kuru jauda pārsniedz 1kW. Arī AR pārklājumus var izmantot, lai samazinātu virsmas atstarošanos, bet lielākas enerģijas iegūšanai vislabāk ir izmantot tikai daudzslāņu “V” kārtas AR pārklājumus, kas iztur līdz 1 MW / cm2 vai vairāk.
2 objektīvi
Dažos lietojumos, piemēram, optisko slazdu attēlveidošanā, ir ļoti svarīgi saglabāt attēla kvalitāti visā staru celiņā. Kaut arī kausēta silīcija dioksīda vai N-BK7 materiāla vienvietīgās lēcas ir piemērotas vienkāršai stūrēšanas vadīšanai, dubultās vai trīskāršās aplanātiskās lēcas var būt piemērotākas, lai samazinātu pārraidīto viļņu frontes kļūdas. Šie objektīvi ir izstrādāti, lai samazinātu divas monohromatiskas viļņu frontes kļūdas, kuras sauc par sfērisko aberāciju un komu. Sfēriskā aberācija ir aksiāli simetriska un notiek, kad kolimēti stari, kas iet caur objektīva ārējām zonām, koncentrējas citā attālumā no objektīva nekā stari, kas iet caur centrālo zonu. Koma ir ārpusassimetrisks viļņu frontes kropļojums, kas lineāri palielinās līdz ar lauka leņķi vai attālumu no galvenās ass. Kopā šīs aberācijas kropļo caur objektīvu pārraidīto viļņu fronti un izraisa fokusa vietas neregulāras formas un / vai izplūšanu.
Divkāršo un trīskāršo lēcu dizainā var izmantot iepriekš uzskaitītos pamatnes materiālus vai citus materiālus atkarībā no konkrētajiem dizaina kritērijiem. Tie ir optimizēti vienam viļņa garumam un parasti ir izvietoti ar gaisu, lai mazinātu papildu viļņu frontes traucējumus, ko starp stikla virsmām izraisa cements. Elementu atstatums ar gaisu ļauj arī palielināt dizaina elastību, jo blakus esošajām virsmām nav jābūt atbilstošām izliekumiem. Tā vietā katru no četrām līdz sešām virsmām var optimizēt neatkarīgi, lai pēc iespējas labāk samazinātu komu un sfēriskās aberācijas visā objektīva komplektā. Jāizvairās no cementētiem objektīvu komplektiem, lai maksimāli palielinātu kopējo bojājuma slieksni un komponenta kalpošanas laiku.
3 Šaura spektra joslas platums
Šķiedru lāzera viļņu garuma diapazonu nosaka ražotāja sūknēšanas arhitektūra un aktīvās šķiedras lāzera dobumā izmantotās palīgvielas. Tipiski viļņu garuma diapazoni ir: 780–800 nm erbija dopingam,
1030–1120 nm ytterbijam, 1530–1600 nm erbija – ytterbium un 1800–2 100 nm tūlijam. Šķiedru lāzera joslas platumu parasti nosaka ar šķiedru Bragg režģiem. Šķiedru lāzera ražotāji norādīs diapazonu, no kura gala lietotājs var izvēlēties noteiktu viļņa garumu. Katra lāzera faktiskais joslas platums ir tikai 1-2nm. Tā varētu būt svarīga detaļa, izvēloties komponentus, piemēram, augstāka līmeņa viļņu plāksnes, kas darbojas pareizi tikai šaurā joslas platumā.
4 Polarizācijas optika
Joslas platums un enerģijas blīvums ir vissvarīgākie staru raksturlielumi, kas jāzina, izvēloties starp dažādiem polarizatoriem un viļņu plāksnēm. Polimēru lineārie polarizatori nav paredzēti izmantošanai ar enerģiju, kas lielāka par 1W / cm2. Cementēti kuba polarizatori ir pieejami gan šaurjoslas, gan platjoslas dizainos, bet bojājumu sliekšņus ierobežo iekšējā epoksīdsveide. Lai arī daži optiskie cementi var izturēt lāzera enerģijas blīvumu 500W / cm2, šķiedru lāzeru ražotāji iesaka izvairīties no cementētas optikas šķiedru lāzeriem, kuru jauda pārsniedz 50W. Virs šī līmeņa ir jāpāriet uz polarizējoša kuba konstrukciju, kas atrodas ar gaisu vai ar optisku kontaktu, kas parasti var izturēt vairāk nekā 1 MW / cm2 CW lāzera gaismas.
Vairāku pasūtījumu kristāla kvarca viļņu plāksnei, kuras biezums ir tuvu 1 mm, 2 nm viļņa garuma variācijas var radīt atšķirību starp izcilu viļņu plāksni un nepieņemamu daļu. 1 mm bieza λ / 4 viļņu plāksne, kas paredzēta 1082 nm, patiesībā būtu 0,23λ viļņu plāksne pie 1084 nm vai λ / 50 izslēgta. Alternatīvi, jaukta nulles kārtas viļņu plate, kas paredzēta tiem pašiem diviem viļņu garumiem, mainītu palēnināšanos starp abiem ar <λ 1000="" viļņiem,="" kas="" labi="" atbilst="" tipiskām="" mērījumu=""> Nulles kārtas viļņu plāksnes darbojas ļoti labi virs ± 40–70 nm no projektētā viļņa garuma un ir labi piemērotas noskaņojamām lāzera sistēmām, kā arī tām, kuru lāzera līnijas joslas platums ir lielāks par 1 nm (sk. 3. attēlu).
5 spoguļi
Citu lāzera līniju standarta komponenti, ti, esošie pārklājuma dizaini, var neatbilst pietiekami jaunajiem šķiedru lāzera viļņu garumiem un spējām optimālai veiktspējai. Ļoti zema enerģijas patēriņa sistēmām aizsargāti metāla spoguļu pārklājumi, piemēram, zelts, alumīnijs un sudrabs, var būt piemērota izvēle noteiktiem lietojumiem, kur nav nepieciešama 100% atstarošanās. Tie ir viegli pieejami un lēti. Tomēr pat ar aizsargslāņiem metāla pārklājumi ir mīksti un, ja netiek pareizi apstrādāti, tie tiks saskrāpēti vai koroziju izraisījuši. Alternatīvi, daudzslāņu dielektriskie spoguļi ir ar cietu pārklājumu, izturīgi un ar lielu atstarojumu normālā slīpumā vai 45 ° (sk. 4. attēlu). Viņiem ir bojājumu sliekšņi, kas pārsniedz 20J / cm2 10-20ns impulsu sistēmās, un tāpēc tie nedrīkst pasliktināties vai radīt kaitējumu, ja tos izmanto pulsējošā vai CW šķiedru lāzera iestatījumos. Lai arī tas nav īpaši platjoslas, dielektriskais standarta spogulis, kas paredzēts 1064nm Nd: YAG sistēmām, tomēr atspoguļos> 99% pie 1075nm vai 1080nm.
6 Secinājums
CVI ir ieviesusi jaunu spoguļu līniju, kas īpaši paredzēta lietošanai ar šķiedru lāzera sistēmām. Turklāt CVI esošajām produktu līnijām ir pievienojis visizplatītākos šķiedru lāzera viļņu garumus, ieskaitot transmisīvās optikas AR pārklājumus, piemēram, viļņu plāksnes, objektīvus un logus, kā arī staru atstarotāju pārklājumus, daļējos reflektorus, izejas savienotājus un spoguļus.
Šķiedru lāzeru ražotāji turpina virzīties uz priekšu savas tehnoloģijas robežās, palielinot komerciāli pieejamo CW jaudu un impulsa enerģiju. Izcila staru kvalitāte kopā ar augstāku enerģiju arī turpmāk radīs arvien lielākas prasības šajās sistēmās izmantotajiem optiskajiem komponentiem. Šo sastāvdaļu galvenajās specifikācijās ietilpst pamatnes materiāls, bojājumu slieksnis un virsmas kvalitāte.
