Общий состав оборудования лазерного технологического комплекса

Выбор лазерной системы и режима её работы

 

Опираясь на данные и результаты исследований, приведённые в иностранной литературе, можно сделать вывод о том, что использование нового типа излучателя – волоконного лазера имеет очень хорошие перспективы.

Изучив информацию об общей конструкции волоконных лазеров, мы принимаем решение, что нам необходимо спроектировать волоконный излучатель (активный модуль) мощностью 400 Вт, работающий в непрерывном режиме генерации (преимуществом этого режима является реализация таких свойств, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения). Также сумматор излучения (комбайнер), т.к. для получения мощности 4 кВт нам необходимо вывести в одно волокно излучение десяти активных модулей. В результате проектирования нам необходимо получить следующие свойства излучателя:

1. Полное отсутствие малоресурсных элементов;

Ресурс диодов накачки не менее 50000 часов;

2. В лазере не должно быть локальных энергетически высоконагруженных мест;

3. Низковольтная конструкция, в лазере не должно быть напряжений более 24 В;

4. Нет оптического тракта передачи излучения к рабочей головке, излучение передается по оптическому кабелю;

5. Высокий КПД – 22-25%;

В качестве прототипа для проектирования выбираем лазер фирмы IPG мощностью излучения 5000 Вт YLS-5000. [4]

Структура волоконного световода

 

Структура волоконного световода с двойной оболочкой состоит из сердцевины, активированной ионами редкоземельных элементов (Nd³⁺, Er³⁺, Yb³⁺), внутренней кварцевой оболочки, внешней полимерной оболочки с показателем преломления, меньшим, чем у внутренней, и защитной оболочки.

Возможны две принципиальные схемы возбуждения волоконных лазеров: в первой излучение накачки непосредственно вводится в активную сердцевину, а во второй (при использовании световода с двойной оболочкой) поступает во внешнюю светоотражающую оболочку и, испытывая на ней полное внутреннее отражение, распространяется по внутренней оболочке и сердцевине световода. При этом излучение накачки эффективно поглощается активными ионами, обеспечивая при наличии обратной связи, создаваемой оптическим резонатором, условия для возникновения генерации в сердцевине волокна с типичными поперечными размерами, которые могут изменяться от нескольких единиц до нескольких сотен микрометров.

Активный световод изготавливается MCVD-методом (метод химического осаждения из газовой фазы внутри опорной кварцевой трубки) с пропиткой сердцевины раствором солей активной примеси. Для формирования профиля показателя преломления сердцевины и для снижения потерь в световоде использовалось легирование GeO₂ и Al₂O₃.

Оптические волокна подразделяются на две основные группы. Волокно, в котором происходит отражение на границе Ядро – Оболочка, называется Многомодовым (Multimode fiber). Волокно, в котором луч распространяется без отражения, называется Одномодовым (Singlemode fiber).

Многомодовое волокно

· Многомодовое волокно имеет диаметр ядра много больше используемой длины волны.

· Преимущества – низкая цена активного оборудования, легкий монтаж.

· Недостатки – модальная дисперсия, высокое затухание.

· Типичный диаметр ядра многомодового волокна – 50мкм или 62.5 мкм.

· Внешний диаметр оптической оболочки многомодового волокна – 125 мкм.

 

Рис. 38 Схема прохождения излучения через многомодовое волокно.

Одномодовое волокно

· Одномодовое волокно имеет диаметр ядра соизмеримый с используемой длиной волны.

· Преимущества – низкое затухание, нулевая модальная дисперсия.

· Недостатки – высокая стоимость активного оборудования, высокая точность изготовления оконечного оборудования

· Широко применяется волокно с диаметром ядра 8-10 мкм и диаметром оптической оболочки 125 мкм.

 

Рис. 39 Схема прохождения излучения через одномодовое волокно.

Для получения мощностей в несколько сотен Вт (или несколько кВт) создаются блочные системы, в которых излучение отдельных одномодовых волоконных лазеров собирается в одно волокно.

Набор одномодовых излучений создает суммированное излучение также близкое к одномодовому. Особенностью волоконных лазеров является то, что они работают только в непрерывном и квазинепрерывном режиме, так как волокно не способно выдерживать гигантские импульсы излучения. Такое излучение при длине волны 1,07 мкм весьма эффективно для обработки материалов и в совокупности с простотой и надежностью волоконного лазера делает всю систему наиболее привлекательной для технологического применения.

Для увеличения мощности волоконных лазеров используют многомодовую активированную накачку и резонатор, представляющий из себя, зеркала на торцах волокна длиной до 100 м, скрученного в бухту.

Для мощных лазеров используется трехслойное стеклянное волокно, активированное редкоземельными элементами. [17]