Волоконный лазер, его преимущества. Волоконные лазеры Время непрерывной работы китайского оптоволоконного лазера
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.
Благодаря оптимизации оптического одномодового волокна для использования в волоконно-оптических лазерах достигнута выходная мощность 4,3 кВт с высокой масштабируемостью, а также определены основные направления дальнейших исследований в области разработки приложений для сверхбыстрых лазеров.
Одной из актуальных проблем развития лазерных технологий является рост мощности волоконных лазеров, которые уже «отвоевали» долю рынка у мощных CO 2 -лазеров, а также объемных твердотельных лазеров. В настоящее время крупные производители волоконных лазеров уделяют пристальное внимание разработке новых приложений, рассматривая на перспективу дальнейшее завоевание рынка. Среди представленных на рынке мощных лазеров одномодовые системы оснащены рядом функций, которые делают их наиболее востребованными - они обладают самой высокой яркостью излучения, их можно сфокусировать до нескольких микрон, что делает их более пригодными для бесконтактной обработки материалов. Производство таких систем довольно сложное. Компания IPG Photonics (Oxford, MA) предложила разработку одномодовой системы мощностью 10 кВт, но информация о характеристиках луча отсутствует и данные, в частности, о любых возможных многомодовых компонентах излучения, которые могут существовать наряду с одномодовым сигналом, также не представлены.
Немецкие ученые из Университета Фридриха Шиллера и Института прикладной оптики и точной инженерии Фраунгофера при финансовой поддержке правительства Германии, а также в сотрудничестве с TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Лейбницским институтом фотонных технологий проанализировали проблемы масштабирования таких лазеров и разработали новые волокна для преодоления ограничений мощности. Команда успешно завершила серию испытаний, продемонстрировав одномодовый выходной сигнал мощностью 4,3 кВт, в котором выходная мощность волоконного лазера ограничивалась только мощностью сигнала накачки.
Факторы, ограничивающие мощность излучения одномодового волоконного лазера
К основным задачам, требующим тщательной проработки можно отнести следующие: a) улучшенная накачка; б) разработка активного волокна с низкими оптическими потерями, работающими только в одномодовом режиме; в) более точное измерение полученного излучения. Предположим, что задача улучшенной накачки может быть решена с помощью сверхъярких лазерных диодов и соответствующих методов подвода накачки, и поэтому в данной статье более подробно рассмотрим две другие.
В рамках разработки активного волокна для высокомощного одномодового режима работы были выбраны два набора параметров оптимизации: легирование и геометрия. Все параметры должны быть четко определены для получения минимальных потерь, одномодового режима и мощного усиления. Идеальный волоконный усилитель должен обеспечить высокий коэффициент преобразования - более 90%, отличное качество луча и выходную мощность, ограниченную только доступной мощностью накачки. Однако модернизация одномодовой системы до более высоких мощностей может привести к большей плотности мощности внутри активной зоны самого волокна, увеличению тепловой нагрузки и ряду нелинейных оптических эффектов как, например, вынужденное Рамановское рассеяние (SRS) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS).
Поперечные моды могут усиливаться в зависимости от размера активной зоны волокна. Чем меньше активное сечение волокна, тем меньше количество таких мод - при заданном соотношении между сечениями волокна и оболочки. Однако меньший диаметр определяет и более высокую плотность мощности, а при сгибании волокна, например, добавляются еще и потери для более высоких мод. Тем не менее при большом диаметре ядра волокна и при тепловой нагрузке могут возникать другие моды излучения. Такие моды подвержены взаимодействию между собой во время усиления, а, следовательно, без оптимальных условий распространения, выходной профиль излучения может стать пространственно или временно неустойчивым.
Нестабильность поперечного режима
Волокна, легированные Иттербием (Yb), являются типичной рабочей средой для мощных одномодовых волоконных лазеров, но за пределами определенного порога они показывают совершенно новый эффект - так называемый эффект неустойчивости поперечной моды (TMI). При определенном уровне мощности внезапно могут появиться более высокие моды или даже моды оболочки. Энергия динамически перераспределяется между ними, а качество луча ухудшается. Проявляется флуктуация излучения на выходе (пучок начинает колебаться). Эффект TMI наблюдался в различных конструкциях волокон - от волокон с шаговым индексом преломления до фотонно-кристаллических волокон. Его пороговое значение зависит от геометрии и легирования, но грубая оценка свидетельствует о том, что этот эффект проявляется при выходной мощности, превышающей 1 кВт. В процессе исследования была выявлена зависимость TMI от фотозатемнения, его связь с тепловыми эффектами внутри волокна. Более того, восприимчивость волоконных лазеров к TMI также находится в зависимости от модального содержания ядра.
Геометрия волокна с шаговым индексом преломления дает возможность для оптимизации. Для накачки могут быть подобраны: диаметр волокна, размер оболочки волокна накачки и другие показатели преломления волокна и оболочки. Все эти параметры настройки зависят от концентрации легирующей примеси, то есть концентрация ионов Yb может быть использована для управления длиной участка поглощения излучения накачки в активном волокне. Другие же добавки могут быть введены в волокно для снижения тепловых эффектов и управления коэффициентом преломления. Однако имеют место некоторые противоречия. Чтобы уменьшить нелинейные эффекты, волокно должно быть короче, а для снижения тепловой нагрузки волокно должно быть длиннее. Фотопотемнение пропорционально концентрации легирующей примеси, поэтому более длинные волокна с более низкой концентрацией легирующего элемента определенно будут лучше. Представление о некоторых параметрах можно получить в ходе эксперимента. Тепловое поведение, например, можно моделировать, но довольно трудно предсказать, так как фотозатемнение является малым по определению и не может быть физически измерено при ускоренных испытаниях. Поэтому прямые измерения теплового поведения в волокнах могут быть полезны для планирования экспериментов. Для типичного активного волокна показаны в сравнении: измеренная тепловая нагрузка (получена от одновременно распределенных температурных измерений внутри волоконного усилителя) и моделируемая тепловая нагрузка (Рисунок 1).
Рисунок 1. Измеренная тепловая нагрузка активного волокна по сравнению с моделируемой нагрузкой с дополнительной потерей и без нее
Еще одним важным для проектирования волокна параметром является длина волны отсечки, то есть самая большая длина волны, увеличивающая количество мод в волокне. Более этой длины волны моды высшего уровня не поддерживаются.
Испытание новых волокон на киловаттную мощность
В ходе эксперимента были исследованы два типа волокон, легированных Yb. Волокно №1 диаметром сердцевины 30 мкм с дополнительным легированием фосфором и алюминием. Волокно №2 меньшим диаметром - 23 мкм, было менее легировано, но содержало больше иттербия с целью достижения более высокого коэффициента профиля по сравнению с волокном №1 (Табл.1).
Таблица 1. Параметры тестируемых волокон
Рассчитанная длина волны отсечки расположена около 1275 нм и 1100 нм для волокон 1 и 2 соответственно. Это намного ближе к одномодовому варианту излучения, чем типичному волокну с диаметром сердцевины 20 мкм и числовой апертурой (NA) 0.06, имеющей длину волны отсечки ~1450 нм. Усиленная длина волны лазера в результате была центрирована на 1067 нм.
Оба волокна были испытаны в схеме высокомощной накачки (Рис.2). Диодный лазер накачки и начальный сигнал были соединены в свободном пространстве в волокно с приваренными концевиками и соединителями, омываемые водой для охлаждения. Источником излучения был фазомодулированный диодный лазер с внешним резонаторным (ECDL), сигнал которого был предварительно усилен для достижения мощности входного сигнала до 10 Вт при длине волны 1067 нм и ширине спектра 180 мкм.
Рисунок 2. Экспериментальная установка усилителя большой мощности, используемая для теста волоконного усилителя, где волокно накачивалось при 976 нм в направлении встречного распространения
В процессе тестирования первого волокна наблюдались внезапные колебания в миллисекундном масштабе при пороге 2,8 кВт, что можно отнести к TMI. Второе волокно длиной 30 м, на той же длине волны и ширине спектра, накачивалось до выходной мощности 3,5 кВт, ограниченной уже SBS, а не TMI.
В третьем эксперименте спектр лазера излучателя был изменен для увеличения порога SBS волокна посредством расширения спектра (выше, чем в предыдущем эксперименте). Для этого второй диодный лазер с центральной длиной волны 300 мкм совмещался с первым. Эта интерференция привела к временным колебаниям, которые позволили увеличить мощность сигнала вследствие автофазовой модуляции. В том же основном усилителе, что и раньше, были получены очень близкие значения выходной мощности при эффективности в 90 %, но их можно было увеличивать только до 4,3 кВт без проявления TMI (Табл. 2).
Таблица 2. Результат тестирования волокна
Задачи измерения
Измерение всех параметров высокомощного волоконного лазера является одной из основных задач и требует специального оборудования для их решения. Для получения полной характеристики волокна определяли концентрацию легирующей примеси, профили показателя преломления и затухание сердечника волокна. К примеру, измерение потерь в сердечнике для разных диаметров изгиба является важным параметром для корреляции с порогом TMI.
Рисунок 3. а) Трассировка интенсивности фотодиода при тестировании выходного сигнала с использованием волокна 1, ниже и выше порога ТМI. b) Нормализованное стандартное отклонение трасс фотодиода при разной выходной мощности
Во время тестирования волоконного усилителя порог TMI определен с помощью фотодиода путем отвода малой доли мощности. Начало колебаний мощности оказалось довольно резким и существенным (Рис.3), особенно значительным изменение сигнала было при тестировании волокна 1, но он не был обнаружен при тестировании волокна 2 до уровня мощности 4,3 кВт. Соответствующая зависимость показана на Рисунке 4а.
Рисунок 4. а) Наклон эффективности волокна 2 до выходной мощности 4,3 кВт. b) Оптический спектр с выходной мощностью 3,5 кВт с отношением 75 дБ от выходного сигнала к ASE. Ширина спектра 180 мкм с выходной мощностью 4,3 кВт, расширенной до ширины полосы 7 нм
Измерения качества луча являются наиболее сложной частью характеристики волоконного лазера и заслуживают отдельного обсуждения. Вкратце, затухание без участия термических эффектов является ключевым и может быть организовано с использованием отражений Френеля или оптикой с малыми внутренними потерями. В экспериментах, представленных в данном обзоре, затухание вводилось с использованием клиновых пластин и импульсной накачки в масштабе времени, превышающем время наступления TMI.
Приложения в быстроразвивающейся науке
После десятилетнего затишья представляется вполне реальной разработка мощных одномодовых волоконных лазеров нового поколения киловаттного класса с отличным качеством луча. Уже достигнута выходная мощность 4.3 кВт, лимитированная только мощностью накачки, определены основные ограничения на пути дальнейшего развития и понятны способы их преодоления.
Мощность почти в 1 кВт уже была достигнута на одном волокне при усилении сверхбыстрыми лазерными импульсами, поэтому увеличение до 5 кВт вполне возможно благодаря комбинированию методов. В связи с тем, что системы разрабатываются для исследовательских центров, например, для ELI (Прага, Чешская Республика) - для промышленных систем остается еще непростой задачей дальнейшая разработка надежных средств передачи оптического сигнала.
Проделанная работа определила ряд интересных перспектив. С одной стороны, это передача результатов в производство, несмотря на то, что еще требуется приложить большие усилия в данном направлении, а с другой стороны, технология крайне важна для наращивания параметров других волоконно-оптических лазерных систем, например, для фемтосекундных волоконных усилителей.
По материалам http://www.lightwaveonline.com
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:
| 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
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.
