Tema de cercetare

Fiber Laser – Tipuri si principii fundamentale de functionare

Laserele cu fibră sunt o subcategorie de lasere cu stare solidă pompate cu diode care utilizează un miez de fibră optică dopată ca mediu de amplificare. Elementele de dopaj pământuri rare din familia lantanidelor din tabelul periodic, cum ar fi iterbiul și erbiul, sunt utilizate în mod obișnuit pentru a dopa miezul fibrei. Pentru un tutorial pentru a învăța principiile de proiectare și componentele cheie utilizate pentru a construi un laser cu fibră.

NOȚIUNILE DE BAZĂ ALE LASERULUI CU FIBRĂ ȘI TUTORIALUL DE BAZĂ AL DESIGNULUI

DIODE LASER PRINCIPII

DIODE LASER DE PUTERE

PRODUCĂTORI DE LASER FIBRĂ:

În general, producătorii tind să se concentreze pe un segment foarte specific al pieței laserului cu fibră. De asemenea, tind să se specializeze fie în lasere cu fibră CW, fie în lasere cu pulsații rapide. Laserele ultra-rapide rulează într-o lățime de impuls îngustă (adică lățime de femtosecundă) în modul de pulsare. Clasificarea „ultra-rapid” este subiectivă. Nu are o definiție reală în ceea ce privește viteza exactă a pulsului sau rata de repetiție. Poate include lasere nanosecunde, lasere femtosecunde și lasere cu fibre de picosecunde ». Creșterea extraordinară a pieței laserului cu fibră și succesul producătorilor de top precum IPG Photonics și Rofin au fost bine documentate în ultimii 15 ani. În ultimii câțiva ani, s-au înregistrat o creștere extraordinară a producătorilor care ies din China. Laserele cu fibră de la companii precum SPI și IPG au înlocuit laserele cu gaz și laserele cu bare în aplicații industriale de câteva decenii.

Sunt  peste 40 de producători comerciali de lasere cu fibră. Unii dintre cei mai cunoscuți producători sunt IPG Photonics, Trumpf, SPI, Coherent-ROFIN și nLight. Iată lista catorva producători de lasere cu fibră:

·         AdValue Photonics

·         Optowave avansat

·         ALPhANOV

·         Amonicii

·         Sisteme de amplitudine

·         Lasere Avesta

·         Sistemele Azurlight

·         CNI Laser

·         Calmar Laser

·         Coerent

·         Coerent-ROFIN

·         Connet Laser

·         Cybel

·         Ekspla

·         FiberLAST

·         Fujikura

·         GW

·         IMRA

·         Fotonica IPG

·         Keopsys

·         KM Labs

·         Menlo Systems

·         Lumentum

·         Fotonica menhirului

·         Menlo Systems

·         Fotonica NKT

·         nLUMINĂ

·         NOVAE

·         NP Photonics, Inc.

·         Nufern

·         Nufoton

·         Laser Quantel

·         Laserele Spark

·         Spectra-Fizica

·         Lasere SPI

·         Techwin

·         Thorlabs

·         Toptica Photonics

·         Trumpf

·         Fotonica YSL

·          

Care este diferenta dintre un laser cu fibra si un laser co2?

Laserele cu fibră oferă o eficiență electrică mai bună, o fiabilitate mai mare și o stabilitate mai mare în comparație cu laserele cu CO2. Ele oferă, de asemenea, o amprentă fizică mai mică și sunt mai potrivite pentru utilizare pe termen lung în condițiile dure prezente în unitățile de producție industrială. O mare parte din fiabilitatea lor mai mare provine din faptul că, spre deosebire de laserele cu CO2, acestea nu încorporează oglinzi sau piese mobile. Fiabilitatea lor sporită se traduce printr-un cost de operare mai mic și un cost de proprietate mai mic decât laserele cu CO2. În ceea ce privește eficiența lor electrică, acestea sunt de aproximativ două ori mai eficiente din punct de vedere electric decât un laser CO2 tradițional. Datorită acestei eficiențe ridicate de conversie a energiei, precum și a unui rezonator care este format din fibre mici și componente optice mici, laserul cu fibră are un profil de disipare a căldurii mult mai mic. Prin urmare, poate fi oferit într-un șasiu mai mic decât alte tipuri de laser de mare putere concurente. În plus, tehnologia laser cu fibră permite de obicei utilizarea aerului forțat pentru răcire. Acest lucru elimină nevoia de răcire pe bază de răcire de apă.

Coherent 500W C02 Laser (imagine de la Coherent, Inc.)

CE ALTE TIPURI DE LASER CONCUREAZA CU LASERELE FIBRĂ?

Practic, există patru tipuri diferite de laser de mare putere care se suprapun și concurează cu laserele cu fibră pentru multe dintre aceleași aplicații finale. Desigur, fiecare are atribute specifice care le pot face mai bune pentru o anumită aplicație. Mai multe cipuri cu diode laser cu semiconductori sunt acum împachetate cu mai mulți emițători unici încorporați într-un singur pachet cuplat cu fibre. Acestea sunt denumite multi-emițători. Aceste dispozitive cu multi-emițător de mare putere pot fi apoi combinate pentru a atinge niveluri de putere foarte ridicate care concurează din ce în ce mai mult cu laserele cu fibră. Acestea sunt denumite în general lasere cu diodă directă. Acestea sunt acum disponibile de la mulți furnizori în gamele de putere de 100 de wați și kilowați. De asemenea, laserele cu gaz sunt utilizate în multe dintre aceleași aplicații finale. Sunt de obicei lasere cu heliu-neon sau cu CO2 menționate mai sus. În cele din urmă, laserele cu cristale concurează cu laserele cu fibră. Acestea sunt în primul rând lasere Nd:YAG. Un laser Nd:YAG utilizează un granat de ytriu aluminiu dopat cu neodim ca mediu laser. Cristalul este pompat cu diode laser semiconductoare pentru a stimula emisia într-un mod similar cu cel al fibrei care este pompată într-un laser cu fibră. Calitatea fasciculului laserului Nd:YAG se deteriorează de obicei la puteri în intervalul de sute de wați din cauza efectelor de încălzire asupra opticii interne. Un avantaj major al laserului cu fibră este că nu suferă de acest fenomen și își menține calitatea fasciculului la niveluri de putere mult mai mari. Cristalul este pompat cu diode laser semiconductoare pentru a stimula emisia într-un mod similar cu cel al fibrei care este pompată într-un laser cu fibră. Calitatea fasciculului laserului Nd:YAG se deteriorează de obicei la puteri în intervalul de sute de wați din cauza efectelor de încălzire asupra opticii interne. Un avantaj major al laserului cu fibră este că nu suferă de acest fenomen și își menține calitatea fasciculului la niveluri de putere mult mai mari. Cristalul este pompat cu diode laser semiconductoare pentru a stimula emisia într-un mod similar cu cel al fibrei care este pompată într-un laser cu fibră. Calitatea fasciculului laserului Nd:YAG se deteriorează de obicei la puteri în intervalul de sute de wați din cauza efectelor de încălzire asupra opticii interne. Un avantaj major al laserului cu fibră este că nu suferă de acest fenomen și își menține calitatea fasciculului la niveluri de putere mult mai mari.

Laser cu diodă directă Lumentum de mare putere de 180 W; „Laserele cu diodă directă de mare putere concurează din ce în ce mai mult cu laserele cu fibră”

CARE SUNT LUNGIMI DE UNDĂ LASER FIBRĂ DISPONIBILE?

Laserele cu fibră sunt oferite pe o gamă largă de lungimi de undă. Unele dintre cele mai comune lungimi de undă sunt 1030nm, 1064nm, 1080nm și 1550nm. Ele sunt oferite la lungimi de undă mai exotice în ultimii ani, cum ar fi laser cu fibră în modul CW de 488 nm . Pentru a vedea toate lungimile de undă disponibile, accesați secțiunea de cumpărături de mai sus și selectați modul dorit (CW sau pulsat). Apoi puteți filtra toate lungimile de undă disponibile de la majoritatea producătorilor.

Laser cu fibră Azurelight Systems 488nm 2W

APLICAȚII TIPICE

Laserele cu fibră sunt utilizate într-un set de aplicații în expansiune rapidă în și în jurul industriilor de tăiere a materialelor, procesare a micromaterialelor, sudare și marcare a materialelor. Ele sunt utilizate în mașinile de tăiat cu laser cu fibre de către subcontractanți în multe aplicații diferite de producție. Nivelul lor ridicat de iradiere laser pe proba de material care este prelucrată permite ca etapele de prelucrare efectuate de mașina laser să fie efectuate extrem de rapid și cu o precizie de neegalat. De asemenea, deoarece ieșirea este cuplată cu fibre, aceasta poate fi atașată la un sistem de braț al mașinii industriale pentru livrare direct la locația dorită de procesare a probei de material.

DEFINIȚIA CW FIBRE LASER

CW este un acronim pentru undă continuă. Laserele cu fibră CW sunt utilizate în principal pentru prelucrarea macroscopică a materialelor. Laserele cu fibră sunt oferite ca CW, Quasi-CW (QCW: pulsație lentă în intervalul kHz) sau ultra-rapidă. Termenul ultrarapid se referă în mod obișnuit la laserele care oferă o ieșire în impulsuri în intervalul de lățime a impulsului în nanosecundă, femtosecundă sau picosecundă. Toate laserele cu fibră care nu sunt operate într-un mod QCW sau cu impulsuri ultrarapide sunt definite drept lasere cu fibră CW. Aceste lasere sunt, de asemenea, clasificate fie CW, fie CW polarizate liniar. Metodele principale pentru creșterea puterii de ieșire a unui laser cu fibră CW sunt utilizarea surselor de pompă de putere mai mare care au o deschidere numerică mai mică. Sunt oferite la puteri de ieșire de la 1 watt până la kilowați. Un exemplu de aplicație finală pentru laser cu fibră CW este tăierea carcasei pentru un telefon mobil.

Tutorial de bază și principii de proiectare a laserului cu fibre »

CE ESTE UN LASER DE FIBRĂ ULTRA-SCURT / ULTRA-RAPID?

Ultra-rapide, denumite și puls ultrascurt, laserele cu fibră includ de obicei lasere cu pulsații de picosecundă și femtosecundă. Această clasificare poate include și lasere cu fibre nanosecunde ». Aceste lasere cu pulsații sunt utilizate pentru aplicații de microprocesare și prelucrare a suprafețelor de înaltă precizie. Ele oferă puteri laser de vârf mai mari decât laserele CW sau laserele QCW și, în esență, evaporă materialul tratat prin încălzirea instantanee a materialului. De exemplu, laserele femtosecunde pot fi folosite pentru a tăia sticla extrem de dura folosită pe ecranul unui telefon mobil. Această clasă de laser este caracterizată de obicei prin cel mai scurt impuls de lumină (adică femtosecundă), energia unui singur impuls de ieșire. Ele folosesc de obicei o configurație de amplificator de putere cu oscilator principal. În această configurație, lumina laser pulsată este generată de un oscilator principal și este apoi amplificată de un amplificator de putere pentru a oferi o ieșire laser cu impulsuri de mare putere. Etapa oscilatorului folosește adesea o diodă laser „sedinta” care poate fi pulsată direct la o rată de modulație ridicată. Un exemplu de diodă laser „seed” este o rețea de 1064 nm stabilizată de 500 mW, care este oferită într-un pachet cuplat cu fibre. Există, de asemenea, o gamă largă de lasere cu fibră pulsată Q-switched care oferă o energie de impuls foarte mare. Sunt utilizate pe scară largă în găurirea, marcarea și gravarea pe metale nemetalice și cu reflexie ridicată, cum ar fi argintul, aurul, aluminiul și oțelul inoxidabil.

CÂT COSTA UN LASER FIBRĂ FEMTOSECUNDĂ?

Laserele femtosecunde, ca toate laserele, fie că sunt lasere cu fibră sau o altă tehnologie, vor varia foarte mult în preț, în funcție de câțiva parametri cheie. Prețul lor va varia în funcție de puterea de ieșire, lungimea de undă, calitatea fasciculului, rata de repetare a pulsului și câțiva alți factori. Și ca și în cazul majorității produselor cu laser de înaltă performanță din industria fotonică, obținerea unei cotații de preț pentru un laser de femtosecundă va necesita mai multe încercări. Prețul unui laser femtosecundă variază de la aproximativ 10.000,00 USD până la 250.000,00 USD. De exemplu, un laser cu fibră pulsată de 1550 nm cu putere de vârf de 1 W și lățimi ale impulsului în intervalul de 100 femtosecunde poate fi achiziționat pentru aproximativ 25.000 USD. Un laser cu fibră de 1030 nm cu o lățime a impulsului de 500 de femtosecunde, o energie de 40 microjouli pe impuls și o rată de repetare de 1 MHz poate costa între 125.000,00 USD și 175.000,00 USD. You can view toate laserele cu fibră femtosecundă » pentru a vedea o listă de lasere disponibile pentru a solicita prețuri în funcție de model / producător.

Menhir Photonics

Bibliografie

K. Himeno: „Basele și caracteristicile laserului cu fibre de mare putere”, Fujikura Technical Review nr. 44, 2015.

Lawrence Livermore National Labs: „Cum funcționează laserele”

Bill Shiner: Lasere cu fibre pentru prelucrarea materialelor: 22 iunie 2011, NEW ENGLAND FIBRE OPTIC COUNCIL