OPTICĂ PENTRU APLICĂRILE LASERULUI CU FIBRE
Laserele cu fibre au găsit o nișă de procesare și cercetare în care laserele Nd: YAG sunt prea scumpe sau au proprietăți ale fasciculului care nu sunt de dorit (de exemplu, valori M2 mari). Utilizatorii de lasere cu fibre pot fi preocupați de schimbul de livrări existente de componente optice sau de modul de specificare a noilor optici. Acest articol abordează aceste domenii de îngrijorare și evidențiază caracteristicile care trebuie specificate în mod deosebit.
Laserele cu fibre câștigă teren într-o varietate de aplicații, precum foraj, sudare, tăiere de folie, marcaj cu laser și micro-prelucrare precisă. Oamenii de știință din cercetare le consideră, de asemenea, foarte utile ca surse, din cauza urmelor lor mici și a valorilor scăzute de M2. Succesul laserelor cu fibre se bazează pe combinația lor unică de caracteristici ale fasciculului indisponibil din alte surse în același interval de lungime de undă: opțional CW sau funcționare pulsată, control polarizare (aleatoriu, liniar sau circular), lățime de bandă spectrală îngustă și valori TEM00 M2 care se apropie 1 Cu o astfel de îmbunătățire a M2 față de laserele Nd: YAG, se pot realiza densități semnificativ mai mari de putere. Sunt posibile grinzi mai bine concentrate, ceea ce duce la imagini mai clare pentru marcare și tăieri mai fine pentru micromașinare. Distanțele de lucru ale producției pot fi de asemenea crescute. Astfel, piața se așteaptă să facă față unei cereri în creștere de componente optice dedicate, concepute pentru aplicații cu laser cu fibre.
1 Efectele calității fasciculului
Procesul de selecție a componentelor este puternic influențat de densitățile mari de putere realizate cu laserele cu fibre. Cavitatea optică a unui laser cu fibre este miezul de fibră care poate fi proiectat pentru a minimiza numărul de moduri, permițând astfel producătorilor să producă comercial lasere cu M2 = 1,05. M2 este raportul dintre produsul de divergență cu diametrul multimodului al fasciculului laser și produsul de divergență a fasciculului limitat de difracție ideală (TEM00):
Unde Θ0 este divergența fasciculului în milliradieni și w0 este lățimea taliei fasciculului de ieșire (dacă fasciculul este circular, atunci w0 poate fi înlocuit cu diametrul fasciculului d0). Sau pentru diametrul punctului focal realizabil d0:
Figura 1 ilustrează parametrii folosiți în ecuația (2). Producătorii de laser cu fibre furnizează, de obicei, un cap de livrare cu fascicul cu o ieșire colimată între 5mm și 20mm diametru (D0). Calculele arată că un diametru focal teoretic d0 de 10 μm este realizabil cu un obiectiv de 19 mm. Prin urmare, pentru un laser cu fibra de 50W la 1075nm, fasciculul focalizat împachetează o densitate de putere optică imensă
Mai multe combinații sunt prezentate în tabelul 1. În timp ce optica de direcție a fasciculului poate să nu vadă niciodată un punct perfect focalizat, există un factor de siguranță de care inginerul proiectant va dori să țină cont; aceste densități de putere limitate, de difracție, pot afecta elemente optice în timpul alinierii.
Pentru lasere cu fibre cu impulsuri cu energie scăzută și lasere CW cu rază medie (de ordinul puterii medii 1-5W), sticla N-BK7 de la Schott chott.de) este un material de substrat adecvat și ieftin atât pentru optica reflectorizantă, cât și pentru transmisia optică la suprafața optică este <50mw> N-BK7 este o sticlă optică cu coroană borosilicată cu omogenitate ridicată și transmisie ridicată în vizibil și în infraroșu aproape. Acoperirile anti-reflexie (AR) pot fi utilizate pe ferestre, lentile și reflectoare parțiale pentru a crește transmisia totală prin componentă. În aceste energii, acoperirile AR cu bandă îngustă (acoperire „V”) sau acoperiri AR cu bandă largă cu mai multe straturi pot fi utilizate pentru a reduce reflectivitatea per suprafață de la aproximativ 4% la <0,25% la="" o="" singură="" lungime="" de="" undă="" sau=""><0,5% pe="" o="" lățime="" de="" bandă="" de="" 250-400nm="" pentru="" sisteme="" laser="" reglabile="" (vezi="" figura="">
Învelișurile „V” cu bandă îngustă sunt acoperiri anti-reflectare dielectrice cu mai multe straturi (de obicei cu două straturi) care ating o reflectanță teoretică minimă la o bandă îngustă de lungimi de undă. Reflectanța crește rapid de o parte și de alta a acestui minim dându-i o formă „V” în graficul de reflectivitate în raport cu lungimea de undă. Producătorii americani utilizează de obicei terminologia „V-coat” sau „laserline” pentru a diferenția acest strat de ofertele lor de bandă largă AR.
O altă opțiune materială utilizată cu laserele cu fibre 1-5W este sticla N-SF11 de la Schott care are un indice de refracție n = 1.754 la 1060 nm, mai mare decât cel al N-BK7 (1.507). Aceasta oferă flexibilitate dacă este necesară aplicarea unui obiectiv cu o distanță focală scurtă. Deoarece atât N-SF11 cât și N-BK7 au coeficienți de expansiune termică în intervalul 8 × 10-6 / ° C, silica topită este alegerea preferată a materialului de substrat dacă stabilitatea termică este importantă. Silica condensată are un coeficient de expansiune termică de doar 0,57 × 10-6 / ° C, un ordin de mărime mai stabil decât celelalte materiale optice. Producătorii de laser cu fibre recomandă silice topită pentru optică transmisivă pentru utilizare cu ieșiri laser cu fibre mai mari de 50W. De exemplu, Southampton Photonics, Inc. (pioptics.com) recomandă cu insistență utilizarea silicei topite pentru aplicații cu laser cu fibre, din cauza pragului său de deteriorare semnificativ mai mare. Are proprietăți transmisive similare cu N-BK7 de la 500-2000nm, dar este mai stabil termic și are limite mai mari de daune pentru sistemele cu impulsuri și CW. IPG Photonics pgphotonics.com) recomandă silice topită de calitate IR pentru laserele cu fibre de peste 1kW. Din nou, acoperirile AR pot fi utilizate pentru a reduce reflexiile suprafeței, dar pentru energii mai mari este mai bine să folosiți doar acoperiri AR-acoperite „V” multistrat, care rezistă până la 1MW / cm2 sau mai mult.
2 lentile
În anumite aplicații, cum ar fi imagistica capcanelor optice, menținerea calității imaginii pe toată calea fasciculului este esențială. Deși lentilele singulare, fie în silice fuzionată, fie în materialul N-BK7, sunt potrivite pentru aplicații simple de direcție a fasciculului, lentilele aplanatice cu dublet sau triplet pot fi mai potrivite pentru a minimiza erorile transmise de undă transmise. Aceste lentile sunt concepute pentru a reduce la minimum două erori monocromatice în fața undelor numite Aberrație sferică și Coma. Aberrarea sferică este simetrică axial și apare atunci când razele colimate care trec prin zonele exterioare ale lentilei se concentrează la o distanță diferită de lentilă decât razele care trec prin zona centrală. Coma este o distorsiune a undei nesimetrice non-simetrice care crește liniar cu unghiul de câmp sau distanța față de axa principală. În combinație, aceste aberații denaturează frontul de undă transmis prin lentilă și fac ca punctul focal să devină neregulat și / sau să fie estompat.
Modelele cu lentile duble și triplete pot utiliza materialele de substrat enumerate anterior sau alte materiale, în funcție de criteriile specifice de proiectare. Acestea sunt optimizate pentru o singură lungime de undă și sunt de obicei distanțate de aer pentru a minimiza distorsiunile adiționale de undă induse de ciment între suprafețele de sticlă. Elementele care distanțează aerul permit, de asemenea, o flexibilitate sporită în proiectare, deoarece suprafețele adiacente nu trebuie să aibă curburi potrivite. În schimb, fiecare dintre cele patru până la șase suprafețe poate fi optimizată independent pentru a minimiza cel mai bine coma și aberațiile sferice prin ansamblul complet al lentilelor. Ansamblurile de lentile cimentate trebuie evitate pentru a maximiza pragul total de deteriorare și durata de viață a componentei.
3 Lățime de bandă spectrală îngustă
Gama de lungimi de undă a unui laser cu fibre este determinată de arhitectura de pompare a producătorului și de dopanții folosiți în cavitatea laser a fibrei active. Intervalele tipice de lungime de undă sunt: 780-800 nm pentru doparea cu erbiu,
1030-1120nm pentru ytterbium, 1530-1600nm pentru erbium-ytterbium și 1800-2100nm pentru tuliu. Lățimea de bandă a unui laser cu fibre este definită de obicei prin grătarele de fibre Bragg. Producătorii de laser pentru fibre vor specifica o gamă, din care utilizatorul final poate selecta o lungime de undă specifică. Lățimea de bandă reală a fiecărui laser este de numai 1-2 nm. Acesta poate fi un detaliu important atunci când alegeți componente, cum ar fi plăcile de undă de ordin superior, care funcționează corect numai pe o lățime de bandă restrânsă.
4 Optica de polarizare
Lățimea de bandă și densitatea energetică sunt cele mai importante caracteristici ale fasciculului care trebuie cunoscute atunci când alegeți între diverși polarizatori și plăci de undă. Polarizatoarele liniare polimerice nu sunt destinate utilizării la energii mai mari de 1W / cm2. Polarizatoarele de cuburi cimentate sunt disponibile atât în bandă îngustă, cât și în bandă largă, dar pragurile de daune sunt limitate în epoca internă. Deși se poate ca câteva cimenturi optice să reziste la densitățile de putere ale laserului de 500W / cm2, producătorii de laser pentru fibre recomandă evitarea opticii cimentate pentru laserele cu fibre de peste 50W. Deasupra acestui nivel, este necesar să treceți la un design de cub polarizant cu distanță de aer sau cu contact optic, care poate trata de obicei mai mult de 1 MW / cm2 de lumină laser CW.
Pentru o placă de undă de cuarț de cristal cu o comandă multiplă de aproape 1 mm grosime, variația de 2nm a lungimii de undă poate face diferența între o placă de undă excelentă și o parte inacceptabilă. O placă de undă λ / 4 grosime de 1 mm proiectată pentru 1082 nm ar fi de fapt o placă de undă de 0,23λ la 1084nm sau λ / 50 off. În mod alternativ, o placă de undă de ordin zero compusă proiectată pentru aceleași două lungimi de undă ar schimba întârzierea între cele două cu <λ 1000="" unde,="" ceea="" ce="" este="" în="" limitele="" tipice="" de=""> Plăcile de undă de ordin zero funcționează foarte bine peste ± 40-70 nm de lungimea de undă proiectată și sunt potrivite atât pentru sistemele laser reglabile, cât și pentru cele cu lățimi de bandă cu linii laser cu> 1 nm (vezi figura 3).
5 oglinzi
Componentele standard - adică desenele de acoperire existente - pentru alte linii cu laser nu se potrivesc suficient de bine cu noile lungimi de undă ale laserului cu fibre și cu puteri pentru o performanță optimă. Pentru sistemele cu energie foarte scăzută, acoperirile cu oglinzi protejate din metal, cum ar fi aurul, aluminiul și argintul, pot fi alegeri potrivite pentru anumite aplicații în care nu este necesară o reflectivitate de 100%. Sunt disponibile și ieftine. Cu toate acestea, chiar și în cazul straturilor de protecție, acoperirile metalice sunt moi și în cele din urmă vor fi zgâriate sau corodate, dacă nu sunt manipulate corespunzător. În mod alternativ, oglinzile dielectrice multistrat sunt acoperite dur, durabile și foarte reflective fie la o incidență normală, fie la 45 ° (vezi figura 4). Acestea au praguri de daune care depășesc 20J / cm2 în sistemele cu impulsuri de 10-20ns și deci nu ar trebui să degradeze sau să producă daune atunci când sunt utilizate în instalații laser cu fibre pulsate sau CW. Deși nu este în special în bandă largă, o oglindă dielectrică standard proiectată pentru sistemele YAG de 1064 nm: YAG va reflecta în continuare> 99% la 1075nm sau 1080nm.
6. Concluzie
CVI a introdus o nouă linie de oglinzi special concepute pentru utilizarea cu sisteme laser cu fibre. În plus, CVI a adăugat cele mai comune lungimi de undă ale laserului cu fibre la liniile de produse existente, inclusiv acoperiri AR pentru optică transmisivă, precum plăci de undă, lentile și ferestre, precum și acoperiri reflectorizante pentru fascicule, reflectoare parțiale, cupluri de ieșire și oglinzi.
Producătorii de laser cu fibre continuă să împingă limitele tehnologiei lor, crescând puterea CW și energia pulsată disponibilă comercial. Calitatea excelentă a fasciculului cuplată cu energiile mai mari va continua să solicite din ce în ce mai mult componentele optice utilizate în aceste sisteme. Specificațiile cheie pentru aceste componente vor include materialul substratului, pragul de deteriorare și calitatea suprafeței.
