PLUOŠTINIŲ LAZERIŲ TAIKYMO OPTIKA

PLUOŠTINIŲ LAZERIŲ TAIKYMO OPTIKA

Pluošto lazeriai rado perdirbimo ir tyrimų nišą, kurioje Nd: YAG lazeriai yra per brangūs arba pasižymi nepageidaujamomis spindulių savybėmis (pvz., Didelėmis M2 reikšmėmis). Pluošto lazerių vartotojams gali kilti problemų dėl esamų optinių komponentų tiekimo pakeičiamumo ar kaip nurodyti naują optiką. Šis straipsnis skirtas tokioms susirūpinimą keliančioms sritims ir pabrėžia, kurios ypatybės turėtų būti nurodytos ypač atsargiai.

Pluošto lazeriai populiarėja įvairiose srityse, tokiose kaip gręžimas, suvirinimas, folijos pjaustymas, žymėjimas lazeriu ir tikslus mikro apdirbimas. Tyrimų mokslininkai taip pat mano, kad jie labai naudingi kaip šaltiniai dėl mažų pėdsakų ir mažų M2 verčių. Pluoštinių lazerių sėkmė grindžiama jų unikaliu pluošto charakteristikų deriniu, kurio negalima gauti iš kitų šaltinių tame pačiame bangos ilgio diapazone: pasirenkama nuolatinė ar impulsinė operacija, poliarizacijos valdymas (atsitiktinis, tiesinis ar apskritas), siauras spektro pralaidumas ir TEM00 M2 vertės, artėjančios prie 1. Patobulinus M2, palyginti su Nd: YAG lazeriais, gali būti pasiektas žymiai didesnis galios tankis. Galimos labiau sutelktos sijos, todėl gaunami ryškesni vaizdai žymėjimui ir smulkesni pjūviai mikromažinant. Taip pat galima padidinti gamybos atstumus. Taigi rinkoje tikimasi susidurti su augančia specialiųjų optinių komponentų, skirtų pluošto lazerių programoms, paklausa.

1 Sijos kokybės poveikis

Komponentų parinkimo procesui didelę įtaką daro dideli galios tankiai, kuriuos galima pasiekti naudojant pluošto lazerius. Pluošto lazerio optinė ertmė yra pluošto šerdis, kurią galima suprojektuoti taip, kad būtų sumažintas režimų skaičius, taigi gamintojai gali komerciškai gaminti lazerius, kurių M2 = 1,05. M2 yra lazerio pluošto daugiamodio skersmens ir divergencijos produkto santykis su idealiu difrakcijos ribotu (TEM00) spindulio skersmens ir divergencijos produktu:

Kur Θ0 yra pluošto nuokrypis miliradianuose, o w0 - išvesties pluošto juosmens plotis (jei sija yra apskrita, tada w0 gali būti pakeista sijos skersmeniu d0). Arba pasiekiamą židinio taško skersmenį d0:

1 paveiksle pavaizduoti parametrai, naudojami 2 lygtyje. Pluošto lazerių gamintojai paprastai tiekia pluošto tiekimo galvutę, kurios išėjimo kolmelizuotas skersmuo yra nuo 5 mm iki 20 mm (D0). Skaičiavimai rodo, kad esant 19 mm židinio nuotolio objektyvui teorinis židinio taško diametras d0 yra 10 μm. Todėl 50 W pluošto lazeriui esant 1075 nm, fokusuotas pluoštas turi didžiulį optinės galios tankį

Daugiau kombinacijų pateikiama 1 lentelėje. Nors sijos vairavimo optika niekada nemato tobulai sufokusuoto taško, yra saugos faktorius, į kurį projektavimo inžinierius norės atsižvelgti; šie dideli difrakcijos riboti galios tankiai gali paveikti optinius elementus derinimo metu.

Mažos energijos impulsų pluošto lazeriams ir vidutinio nuotolio nuolatinės srovės lazeriams (vidutinės galios 1-5W galia) N-BK7 stiklas iš Schott chott.de) yra tinkama ir nebrangi substratų medžiaga tiek atspindinčiai, tiek ir pralaidžiai optikai, kai energija optiniame paviršiuje yra <50 mw=""> N-BK7 yra borosilikato vainiko optinis stiklas, pasižymintis aukštu homogeniškumu ir dideliu pralaidumu matomoje ir artimojoje infraraudonojoje spinduliuose. Antrefleksinės (AR) dangos gali būti naudojamos ant langų, lęšių ir dalinių atšvaitų, siekiant padidinti bendrą pralaidumą per komponentą. Esant šiai energijai, galima naudoti arba siauro dažnio („V“) dangą, arba daugiasluoksnę plačiajuosčio ryšio AR dangą, kad būtų atspindėtas paviršiaus atspindėjimas nuo maždaug 4% iki <0,25% vienos="" bangos="" ilgio="" arba=""><0,5% juostos="" pločio.="" 250–400="" nm="" suderinamų="" lazerių="" sistemoms="" (žr.="" 2="">

Siaurajuostės „V“ dangos yra daugiasluoksnės (paprastai dvisluoksnės) dielektrinės antirefleksinės dangos, kurios pasiekia teorinį mažiausią atspindį siauroje bangos ilgio juostoje. Atspindys greitai didėja iš abiejų šio minimumo pusių, suteikiant atspindžio ir bangos ilgio grafike „V“ formą. JAV gamintojai paprastai naudoja terminus „V-coat“ arba „laserline“, kad atskirtų šią dangą nuo savo plačiajuosčio ryšio siūlomų AR.

Kitas variantas, naudojamas naudojant 1-5W pluošto lazerius, yra N-SF11 stiklas iš Schotto, kurio lūžio rodiklis n = 1,754 esant 1060 nm, didesnis nei N-BK7 (1,507). Tai suteikia lankstumo, jei taikymui reikia objektyvo su trumpu židinio nuotoliu. Kadangi tiek N-SF11, tiek N-BK7 šiluminio plėtimosi koeficientai yra 8 × 10–6 / ° C intervale, lydytas silicio dioksidas yra tinkamiausias substrato medžiagos pasirinkimas, jei svarbus šiluminis stabilumas. Lydyto silicio dioksido šiluminio plėtimosi koeficientas yra tik 0,57 × 10-6 / ° C, ty laipsnio stabilumas didesnis nei kitų optinių medžiagų. Pluošto lazerių gamintojai praleidžia lydytą silicio dioksidą, skirtą pralaidžiajai optikai naudoti su skaidulinių lazerių išėjimais, didesniais kaip 50W. Pavyzdžiui, „Southampton Photonics, Inc. pioptics.com“ primygtinai rekomenduoja naudoti lydytą silicio dioksidą pluošto lazerių taikymui, nes jo lazerio pažeidimo riba yra žymiai didesnė. Jis pasižymi panašiomis pralaidžiomis savybėmis kaip 500–2000 nm N-BK7, tačiau yra termiškai stabilesnis ir turi aukštesnes žalos ribas tiek impulsinėms, tiek CW sistemoms. IPG Photonics pgphotonics.com) rekomenduoja IR tipo lydytą silicio dioksidą pluošto lazeriams, kurių galia didesnė kaip 1kW. Vėlgi, AR dangos gali būti naudojamos paviršiaus atspindžiui sumažinti, tačiau didesnei energijai geriausia naudoti tik daugiasluoksnes „V“ dangos AR dangas, kurios atlaiko iki 1 MW / cm2 ar daugiau.

2 lęšiai

Tam tikrose programose, pavyzdžiui, vaizduojant optinius spąstus, labai svarbu išlaikyti vaizdo kokybę visame spindulio kelyje. Nors viengubi lęšiai iš lydyto silicio dioksido arba N-BK7 medžiagos yra tinkami paprastam pluošto valdymui, dvigubi arba trigubi aplanatiniai lęšiai gali būti tinkamesni, siekiant sumažinti perduodamų bangos fronto paklaidų skaičių. Šie lęšiai sukurti taip, kad būtų sumažintos dvi monochromatinės bangos fronto paklaidos, vadinamos sferine aberacija ir koma. Sferinė aberacija yra ašies atžvilgiu simetriška ir atsiranda, kai koliminiai spinduliai, einantys pro lęšio išorines zonas, sufokusuojami kitu atstumu nuo lęšio nei spinduliai, einantys per centrinę zoną. Koma yra neasimetrinis bangos fronto iškraipymas, kuris tiesiškai didėja atsižvelgiant į lauko kampą arba atstumą nuo pagrindinės ašies. Kartu šie aberacijos iškraipo per objektyvą perduodamą bangos kraštą ir židinio tašką daro netaisyklingos formos ir (arba) neryškų.

Dvigubų ir trigubų lęšių dizainuose gali būti naudojamos anksčiau išvardytos pagrindinės medžiagos arba kitos medžiagos, atsižvelgiant į konkrečius projektavimo kriterijus. Jie yra optimizuoti vienos bangos ilgiui ir paprastai yra išdėstyti oro tarpais, kad būtų sumažintas cemento sukeltas papildomas bangos fronto iškraipymas tarp stiklo paviršių. Tarpai tarp oro elementų taip pat leidžia padidinti lankstumą dizaino srityje, nes gretimi paviršiai neturi būti suderinti kreivėmis. Vietoj to, kiekvieną iš keturių-šešių paviršių galima optimizuoti atskirai, kad būtų galima kuo labiau sumažinti komos ir sferinės aberacijos per visą objektyvo komplektą. Reikėtų vengti cementinių lęšių rinkinių, kad būtų maksimaliai padidintas bendras pažeidimo slenkstis ir komponento eksploatavimo laikas.

3 Siauras spektro pralaidumas

Pluošto lazerio bangų diapazonas nustatomas pagal gamintojo siurblinės architektūrą ir pagalbines medžiagas, naudojamas aktyviojo pluošto lazerio ertmėje. Įprasti bangų ilgių diapazonai yra: 780–800 nm, skirti erbio dopingavimui,

1030–1120 nm - iterbiumui, 1530–1600 nm - erbiui – iterbiumui ir 1800–2 100 nm už tulį. Pluošto lazerio pralaidumas paprastai nustatomas pagal Bragg pluošto groteles. Pluošto lazerių gamintojai nurodys diapazoną, nuo kurio galutinis vartotojas gali pasirinkti tam tikrą bangos ilgį. Faktinis kiekvieno lazerio pralaidumas yra tik 1–2 nm. Tai gali būti svarbi detalė renkantis komponentus, tokius kaip aukštesnės eilės bangų plokštės, kurios tinkamai veikia tik per siaurą pralaidumą.

4 Poliarizacijos optika

Pralaidumas ir energijos tankis yra svarbiausios pluošto charakteristikos, kurias reikia žinoti renkantis tarp įvairių poliarizatorių ir bangų plokščių. Polimeriniai linijiniai poliarizatoriai nėra skirti naudoti didesnei kaip 1 W / cm2 energijai. Cementuojami kubiniai poliarizatoriai yra tiek siauros, tiek plačiajuosčio ryšio konstrukcijose, tačiau pažeidimo ribas riboja vidinė epoksidinė sistema. Nors pranešama, kad keli optiniai cementai gali atlaikyti 500 W / cm2 lazerio galios tankį, pluošto lazerių gamintojai rekomenduoja vengti cementuojamos optikos pluošto lazeriams, kurių galia didesnė kaip 50 W. Aukščiau šio lygio reikia pereiti prie ore išdėstyto arba optiškai veikiančio poliarizacinio kubo, kuris paprastai gali valdyti daugiau kaip 1 MW / cm2 CW lazerio šviesos, kubo.

Jei daugialypės formos krištolo kvarco bangos plokštė yra beveik 1 mm storio, 2 nm bangos ilgio kitimas gali padaryti skirtumą tarp puikios bangos plokštės ir nepriimtinos dalies. 1 mm storio λ / 4 bangos plokštė, suprojektuota 1082 nm, iš tikrųjų būtų 0,23 λ bangos plokštė esant 1084 nm arba λ / 50 išjungta. Arba jungtinė nulinės eilės bangų plokštė, suprojektuota tiems patiems dviem bangos ilgiams, galėtų pakeisti sulėtėjimą tarp dviejų <λ 1000="" bangų,="" tai="" gerai="" peržengia="" tipines="" matavimo=""> Nulinės eilės bangos veikia labai gerai, viršijant 40–70 nm nuo projektinio bangos ilgio, ir yra gerai pritaikomos derinamosioms lazerių sistemoms, taip pat toms, kurių lazerio linijos juostos plotis yra didesnis nei 1 nm (žr. 3 paveikslą).

5 veidrodžiai

Kitų lazerių linijų standartiniai komponentai, ty esamos dangos konstrukcijos, gali būti nepakankamai suderinti su naujais pluošto lazerio bangos ilgiais ir jėgomis, kad būtų užtikrintas optimalus veikimas. Labai mažai energijos naudojančioms sistemoms apsaugotos metalinės veidrodinės dangos, tokios kaip auksas, aliuminis ir sidabras, gali būti tinkami pasirinkimai tam tikroms reikmėms, kur nereikalingas 100% atspindėjimas. Jie yra lengvai prieinami ir nebrangūs. Tačiau net ir su apsauginiais sluoksniais, metalinės dangos yra minkštos ir netinkamai tvarkomos gali subraižyti ar sugadinti. Kaip alternatyva, daugiasluoksniai dielektriniai veidrodžiai yra kietai padengti, ilgaamžiai ir gerai atspindi esant normaliam pakilimui arba 45 ° kampu (žr. 4 paveikslą). Jų pažeidimo slenkstis viršija 20J / cm2 10-20ns impulso sistemose, todėl, naudojant juos impulsinio ar CW pluošto lazerio sąrankoje, jos neturėtų sugesti. Nors dielektrinis standartinis veidrodis nėra ypatingai plačiajuostis, skirtas 1064 nm Nd: YAG sistemoms, jis vis tiek atspindės> 99% esant 1075 nm arba 1080 nm.

6 Išvada

CVI pristatė naują veidrodžių liniją, specialiai sukurtą naudoti su pluošto lazerių sistemomis. Be to, CVI prie esamų gaminių linijų pridėjo labiausiai paplitusius pluošto lazerio bangos ilgius, įskaitant AR pralaidžios optikos dangas, tokias kaip bangų plokštės, lęšiai ir langai, taip pat spinduliuotės atspindinčias dangas, dalinius atšvaitus, išvesties jungtis ir veidrodžius.

Pluošto lazerių gamintojai ir toliau peržengia savo technologijos ribas, didindami CW galią ir impulsinę energiją, kurią galima įsigyti. Puiki spindulių kokybė kartu su didesne energija ir toliau kels vis didesnius reikalavimus šiose sistemose naudojamiems optiniams komponentams. Pagrindinės šių komponentų specifikacijos apims pagrindo medžiagą, pažeidimo slenkstį ir paviršiaus kokybę.