Волоконные лазеры - все что нужно о них знать

Волоконные лазеры используют оптоволоконный кабель из кварцевого стекла для направления света. Полученный лазерный луч является более точным, чем у других типов лазеров, потому что он более прямой и тонкий. Такие лазеры также имеют хороший электрический КПД и низкие эксплуатационные расходы.

Если вы хотите узнать все, что вам нужно знать о волоконных лазерах, продолжайте читать.

Когда был изобретен волоконный лазер?
Какие бывают типы волоконных лазеров?
В чем разница между волоконными лазерами и CO2-лазерами?
Что такое волоконный лазерный станок?
Как долго работает волоконный лазер?
Как работает волоконный лазер (и каковы его компоненты)?
Каковы параметры лазера?

Когда был изобретен волоконный лазер?

Импульсный волоконный лазер, легированный иттербием Элиас Снитцер изобрел в 1961 году и продемонстрировал его использование в 1963 году. Однако серьезные коммерческие применения появились только в 1990-х годах.

Почему это заняло так много времени? Основная причина заключается в том, что в те времена технология волоконных лазеров все еще находилась в зачаточном состоянии. Например, волоконные лазеры могли излучать всего несколько десятков милливатт, тогда как для большинства задач требуется не менее 20 Вт. Также не было средств для генерации высококачественного света накачки, поскольку лазерные диоды работали не так хорошо, как сегодня.

Вот некоторые из ключевых моментов в истории технологии волоконных лазеров, начиная с 1917 года, когда Альберт Эйнштейн заложил ее основы.

• 1917 г. - Открыты искусственные выбросы (Альберт Эйнштейн).
• 1957 г. - Разработана теоретическая основа лазера (Гордон Гулд).
• 1960 г. - Создан первый лазер – рубиновый лазер (Тед Мейман).
• 1960 г. - Впервые генерируются лазерные лучи непрерывного действия.
• 1960 г. - Вводится термин «волоконная оптика» (Нариндер Капани).
• 1961 г. - Изобретены оптические моды в стеклянных волокнах (Элиас Снитцер).
• 1962 г. - Продемонстрирована модуляция добротности (Q-switching), метод генерации импульсных лазерных лучей (Роберт В. Хеллварт и Р. Дж. МакКланг).
• 1963 г. - Продемонстрирован первый волоконный лазер (Элиас Снитцер).
• 1964 г. - Открыт метод удаления примесей из стеклянных волокон и, следовательно, ограничения потери света (Чарльз Као и Джордж Хокхэм).
• 1988 г. - Демонстрируется первый волоконный лазер с двойной оболочкой (Элиас Снитцер).
• 1990 г. - Ваттный барьер преодолен с помощью волоконного лазера мощностью 4 Вт, легированного эрбием.
• 2004 г. - изобретены одномодовый волоконный лазер и усилитель на кварцевом волокне (Дэвид Н. Пейн).

Сегодня в технологии волоконных лазеров продолжают происходить важные достижения, что делает их более эффективными, мощными и доступными. Некоторые из наиболее перспективных приложений включают лазерную очистку и лазерное текстурирование, которые могут заменить технологии, загрязняющие окружающую среду, и помочь сделать мир более экологичным.

Какие бывают типы волоконных лазеров?

Вообще говоря, волоконные лазеры можно классифицировать по следующим критериям:

Лазерный источник: Волоконные лазеры различаются в зависимости от материала, с которым связан лазерный источник. Некоторые примеры включают волоконные лазеры, легированные иттербием, волоконные лазеры, легированные тулием, и волоконные лазеры, легированные эрбием. Все эти типы лазеров используются для разных целей, потому что они излучают волны разной длины.

Принцип работы: Разные типы лазеров испускают лазерные лучи по-разному. Лазерные лучи могут быть импульсными с заданной частотой повторения для достижения высокой пиковой мощности (импульсные волоконные лазеры), как в случае с лазерами с «модуляцией добротности», «модуляцией усиления» и «синхронизацией мод». Или они могут быть непрерывными, что означает, что они непрерывно посылают одно и то же количество энергии (волоконные лазеры с непрерывной волной).

Мощность лазера: Мощность лазера выражается в ваттах и представляет собой среднюю мощность лазерного луча. Например, у вас может быть волоконный лазер мощностью 20 Вт, волоконный лазер мощностью 50 Вт и так далее. Мощные лазеры генерируют больше энергии быстрее, чем маломощные лазеры.

Мода: Мода относится к размеру сердцевины (по которой распространяется свет) в оптическом волокне. Существует два типа мод: одномодовые волоконные лазеры и многомодовые волоконные лазеры. Диаметр сердцевины одномодовых лазеров меньше, обычно от 8 до 9 микрометров, тогда как у многомодовых лазеров он больше, обычно от 50 до 100 микрометров. Как правило, одномодовые лазеры более эффективно передают лазерный свет и имеют лучшее качество луча.

Волоконные лазеры можно классифицировать по-разному, но упомянутые здесь категории являются наиболее распространенными.

В чем разница между волоконными лазерами и CO2-лазерами?

Основное различие между волоконным и CO2-лазером заключается в источнике, в котором создается лазерный луч. В волоконных лазерах источником лазерного излучения является кварцевое стекло, смешанное с редкоземельным элементом. В CO2-лазерах источник лазерного излучения представляет собой смесь газов, в которую входит двуокись углерода.

Из-за состояния источника волоконные лазеры считаются твердотельными лазерами, а CO2-лазеры — газовыми лазерами.

Эти лазерные источники также производят различные длины волн. Волоконные лазеры, например, излучают более короткие волны, некоторые из которых находятся в диапазоне от 780 нм до 2200 нм. CO2-лазеры, с другой стороны, излучают более длинные волны, которые обычно находятся в диапазоне от 9 600 до 10 600 нм.

Они используются для различных применений из-за их различных длин волн. Например, для обработки металлов обычно предпочтительны волоконные лазеры с длиной волны 1064 нм. Лазерная резка является заметным исключением, когда CO2-лазеры также часто предпочитают применять при резке металла. В том числе, лазеры CO2 также хорошо используют с органическими материалами.

Что такое волоконный лазерный станок?

Когда система волоконного лазера преобразуется в решение, готовое к использованию, такое решение называется машиной с волоконным лазером. В то время как лазерная система — это инструмент, выполняющий операцию, лазерный станок — это каркас, в который встроен этот инструмент.

Лазерные машины выполняют следующие задачи:

• Рабочий персонал на 100 % находится в безопасности благодаря лазерной безопасности и дымоудалению.
• Механические компоненты задействованы для автоматизации операций или облегчения работы оператора.
• Лазерный процесс точно настроен для конкретной операции

Как долго работает волоконный лазер?

Большинство источников утверждают, что срок службы волоконных лазеров составляет 100 000 часов, а срок службы лазеров на углекислом газе — 30 000 часов. Это не совсем правда. Эти цифры относятся к значению, называемому «среднее время наработки на отказ» (MTBF), которое не одинаково для всех волоконных лазеров. На самом деле вы увидите разные цифры для разных типов волоконных лазеров.

Среднее время безотказной работы измеряет надежность лазера, указывая, сколько часов лазер должен работать до того, как произойдет отказ. Его получают путем тестирования нескольких лазерных устройств, а затем деления общего количества часов работы на общее количество отказов.

Хотя это значение не дает точного представления о том, как долго может работать волоконный лазер, оно все же дает хорошее представление о надежности лазера.

Если вы действительно хотите узнать точный срок службы волоконного лазера, вы будете разочарованы, поскольку реального ответа нет. По правде говоря, у волоконных лазеров есть критические моменты в их жизни, когда они могут выйти из строя.

Вот что вам нужно знать, если ваш лазер выходит из строя в любой из этих моментов:

Ранняя жизнь: если у волоконного лазера есть производственные ошибки, он, скорее всего, выйдет из строя на раннем этапе. Вы должны убедиться, что у вас есть гарантия покупки, которая покрывает ошибки изготовления, чтобы лазер можно было заменить бесплатно.

Нормальная жизнь: после того, как вы прошли первый критический период ранней жизни, значение MTBF дает вам хорошее представление о шансах отказа вашего лазера. Высокая наработка на отказ — это хорошая уверенность в том, что все пройдет гладко, но не гарантия. Вы можете подготовиться к сбоям в обычной жизни по-разному: иметь запасной лазер под рукой, арендовать лазер, пока ваш ремонтируется, или иметь длительную гарантию на покупку.

Конец срока службы: когда срок службы волоконных лазеров приближается к концу, вероятность отказа резко возрастает. Даже в этом случае высококачественный промышленный лазер часто может работать намного дольше своего среднего времени безотказной работы.

Как работает волоконный лазер (и каковы его компоненты)?

Волоконные лазеры используют свет накачки от так называемых лазерных диодов. Эти диоды излучают свет, который направляется в оптоволоконный кабель. Затем оптические компоненты, расположенные в кабеле, используются для генерации определенной длины волны и ее усиления. Наконец, полученный лазерный луч формируется и выпускается.

Вот как каждый компонент используется для выполнения этой операции.

Шаг 1. Свет создается в лазерных диодах

Лазерный диод, испускающий свет для накачки в волоконный лазер. Лазерные диоды преобразуют электричество в фотоны — или свет — для накачки в оптоволоконный кабель. По этой причине они также известны как «источник накачки».

Для генерации света в диодах используются два полупроводника, заряженных по-разному:
Первый заряжен положительно, а значит, ему нужен дополнительный электрон.
Второй заряжен отрицательно, значит, у него есть лишний электрон, или свободный электрон.

Когда положительные и отрицательные заряды встречаются, они пытаются объединиться. Но для этого свободный электрон должен высвободиться в виде фотона. Когда ток течет через полупроводники, количество фотонов быстро увеличивается. Полученный свет накачивается в оптоволоконный кабель и будет использоваться для генерации лазерного луча.

Шаг 2. Свет накачки направляется по оптоволоконному кабелю

В природе свет идет во всех направлениях. Для фокусировки света в одном направлении и получения лазерного луча в оптоволоконных кабелях используются два основных компонента: сердцевина волокна и оболочка.

Ядро (сердцевина) — это место, где перемещается свет. Он изготовлен из кварцевого стекла и является единственной частью кабеля, в состав которой входит редкоземельный элемент.
Оболочка – это материал, который окружает сердцевину. Когда свет попадает на оболочку, он отражается обратно в сердцевину. Это происходит потому, что оболочка обеспечивает полное внутреннее отражение.

Полное внутреннее отражение возникает из-за того, что оболочка имеет более низкий показатель преломления, чем сердцевина. Подобные эффекты можно увидеть и в природе. Например, если вы посмотрите на подводные объекты, они кажутся деформированными. Это связано с тем, что когда свет переходит из воздуха в воду, он сталкивается с другим показателем преломления и меняет направление. То же самое происходит, когда свет проходит от сердцевины к оболочке, за исключением того, что изменение направления приводит к отражению.

Без оболочки свет шел бы во всех направлениях и выходил бы из ядра. Но благодаря показателю преломления оболочки свет остается в сердцевине и продолжает свой путь.

Шаг 3. Свет усиливается в лазерном резонаторе

Когда свет накачки проходит по оптоволоконному кабелю, он в конечном итоге попадает в резонатор лазера — небольшую область кабеля, где генерируется свет только с определенной длиной волны. Инженеры-физики говорят, что волокно «легировано» в этой области, потому что оно смешано с редкоземельным элементом.

Когда частицы из легированного волокна взаимодействуют со светом, их электроны поднимаются на более высокий энергетический уровень. Когда они возвращаются в свое основное состояние, они высвобождают энергию в виде фотонов или света. Инженеры-физики называют эти явления «электронным возбуждением» и «электронной релаксацией».

Резонатор лазера также действует как резонатор, в котором свет отражается туда-сюда между так называемыми «волоконными брэгговскими решетками». Это приводит к «усилению света за счет стимулированного излучения» или ЛАЗЕРУ. Проще говоря, здесь формируется лазерный луч.

Существует два типа решеток Брэгга:
Первый действует как зеркало, отражая свет обратно в полость.
Второй действует как селективное зеркало, позволяя части света выходить из полости, но отражая остальную часть обратно в полость.

Вот как происходит усиление: когда фотоны сталкиваются с другими возбужденными частицами, эти частицы также испускают фотоны; поскольку решетки Брэгга отражают фотоны обратно в резонатор, и в резонатор направляется больше света накачки, высвобождается экспоненциальное число фотонов. В результате этого вынужденного излучения создается лазерный свет.

Шаг 4. Создается лазерный свет определенной длины волны

Длина волны, создаваемая легированным волокном, варьируется в зависимости от легирующего элемента резонатора лазера. Это очень важно, поскольку для разных целей используются разные длины волн. Легирующим элементом может быть эрбий, иттербий, неодим, тулий и так далее. Волоконные лазеры, легированные иттербием, например, генерируют длину волны 1064 нм и используются для таких применений, как лазерная резка, маркировка и лазерная очистка. Различные легирующие элементы создают разные длины волн, потому что определенные частицы испускают определенные фотоны. Таким образом, все фотоны, генерируемые в лазерном резонаторе, имеют одинаковую длину волны. Это объясняет, почему каждый тип волоконного лазера генерирует определенную длину волны — и только эту длину волны.

Шаг 5. Формируется и выпускается лазерный луч

Фотоны, выходящие из резонатора, формируют лазерный луч, который чрезвычайно хорошо коллимирован (или прямолинеен) благодаря светопроводящим свойствам волокна. Фактически, он слишком коллимирован для большинства лазерных применений.

Чтобы придать лазерному лучу желаемую форму, можно использовать различные компоненты, такие как линзы и расширители луча. Например, некоторые волоконные лазеры оснащены лазерными головками с объективом с фокусным расстоянием 150 или 200 мм для лазерных применений, которые врезаются в материал (например, лазерная резка). Это связано с тем, что такое фокусное расстояние позволяет сфокусировать больше энергии на области для более агрессивной формы лазерной абляции.

Другие типы линз обладают другими преимуществами, поэтому специалисты тщательно выбирают их при оптимизации лазера для конкретного применения.

Каковы параметры лазера?

Не все лазеры и их применения используют одни и те же параметры. Например, для лазерной резки и лазерной маркировки нужно настроить разные параметры. Однако некоторые параметры используются для всех типов волоконных лазеров. Вот те, с которыми вы, скорее всего, столкнетесь.

Длина волны

Длина волны, создаваемая волоконным лазером, соответствует уровню электромагнитного излучения лазерного света. Обычно волоконные лазеры излучают волны с длиной волны от 780 нм до 2200 нм, что находится в инфракрасном спектре и невидимо для человеческого глаза. Этот диапазон инфракрасного света имеет тенденцию хорошо реагировать с металлами, резиной и пластмассами, что делает его полезным для широкого спектра приложений обработки материалов.

Некоторые волоконные лазеры, такие как зеленые лазеры, излучают видимый свет, который может хорошо реагировать с мягкими материалами, такими как золото, медь, силикон и мягкое стекло. Зеленые волоконные лазеры также используются, среди прочего, для голографии, терапии и хирургии. Эти лазеры требуют дополнительных компонентов для генерации видимого света.

Джон Уоллес из Laser Focus World объясняет, как это делается:
«... на рынке фактически нет волоконного лазера, который излучает видимый лазерный свет изнутри самого лазерного волокна. Однако видимый свет можно получить от волоконного лазера, излучающего в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, путем внешнего преобразования частоты, например комбинационного сдвига, удвоения частоты, суммирования частот или комбинации этих подходов.»

Режим работы

Режим работы - это способ, которым высвобождается лазерный луч. Волоконные лазеры обычно работают в непрерывном или импульсном режиме. В режиме непрерывной волны испускается непрерывный лазерный луч, который идеально подходит для таких применений, как лазерная сварка и лазерная резка. В импульсном режиме работы короткие импульсы подаются с заданной частотой следования. Импульсные лазерные лучи достигают более высокой пиковой мощности и идеально подходят для лазерной гравировки и лазерной очистки. Этот режим включает в себя следующие параметры:

Энергия импульса: Энергия импульса – это количество миллиджоулей, содержащихся в каждом импульсе. Обычно каждый импульс содержит 1 мДж энергии.

Длительность импульса: Длительность импульса, также известная как длина импульса и ширина импульса, представляет собой продолжительность каждого импульса. Более короткие импульсы концентрируют ту же энергию за более короткое время и, следовательно, достигают более высоких пиковых мощностей. Длительность импульса может быть выражена в микросекундах, наносекундах, пикосекундах или фемтосекундах.

Частота повторения: Частота повторения импульсов — это количество импульсов, выпущенных в секунду. Она также известна как частота импульсов, которая выражается в кГц. 100 кГц соответствует 100 000 импульсов в секунду.

Мощность

Мощность лазера — это количество энергии, которое может быть произведено лазером за одну секунду. Он также известен как «средняя мощность» и «выходная мощность». Импульсные лазеры также могут указывать пиковую мощность, которая является другим параметром. Пиковая мощность – это максимальное количество энергии, достигаемое одним импульсом. Например, импульсный волоконный лазер мощностью 100 Вт может легко достичь пиковой мощности 10 000 Вт. Это связано с тем, что импульсные лазеры не распределяют энергию равномерно во времени, в отличие от непрерывных лазеров.

Качество луча

Качество луча показывает, насколько близок луч к так называемому гауссову лучу. В реальных приложениях это имеет значение, поскольку показывает, насколько хорошо сфокусирован лазерный луч. С математической точки зрения идеальное качество луча выражается как M2=1. Хорошо сфокусированные лазерные лучи концентрируют больше энергии на меньшей площади. Лазерные лучи высокого качества необходимы для таких применений, как лазерная гравировка и лазерная очистка, в то время как более низкое качество луча может быть более подходящим для применений, где абляция нежелательна, таких как лазерная сварка.

Надеемся, что данный материал позволил вам узнать об оптоволоконном лазере много интересного, спасибо за внимание!