| |||||
|
| |||||
Мощные волоконные лазеры – 20 лет развитияПервый скачок произошел в 1990 г., когда В.П. Гапонцев продемонстрировал лазер на волокне, активированном эрбием (1,54 мкм), с выходной мощностью 2 Вт. 20кратное увеличение этого параметра позволило говорить о появлении мощных волоконных лазеров. Годом позднее В.П. Гапонцевым и И.Э. Самарцевым был представлен лазер с выходной мощностью 3,9 Вт и опубликована работа, в которой были сформулированы предпосылки, позволившие сделать вывод о том, что на основе волоконных лазеров могут быть созданы устройства с уровнями выходной мощности в десятки и сотни Ватт непрерывного излучения. С этого момента началось их интенсивное развитие, которое быстро вывело волоконные лазеры на лидирующие позиции. И судя по всему, они сохранят их надолго. Решающий вклад в развитие этого направления внесла международная научнотехническая группа IPG Photonics Corporation, созданная на основе НТО «ИРЭПолюс» (г. Фрязино), которые возглавляет с момента их образования В.П. Гапонцев. Следует заметить, что этот вклад был оценен присуждением В.П. Гапонцеву в 2009 г. престижной в лазерном мире премии имени Артура Шавлова, учрежденной Лазерным Институтом Америки. Волоконные лазеры оказались
IPG Photonics Corporation является единственным в мире производителем промышленных волоконных лазеров мультикиловаттного диапазона для резки, сварки и термообработки. В России производство и поставки волоконных лазеров, волоконных усилителей и систем на их основе осуществляет НТО «ИРЭПолюс». Волоконные лазеры IPG Photonics Corporation
Одномодовые волоконные лазеры В отличие от лазеров других типов для волоконных лазеров одномодовый режим работы является принципиально необходимым. При этом активное волокно может быть как чисто одномодовым, так и маломодовым. В настоящее время выходная мощность одномодового лазера доведена до уровня 10 кВт с к.п.д. «от розетки» более 23%. Фотография 10 кВт одномодового лазера YLR10000SM представлена на рис. 1.
Одномодовые лазеры также выпускаются на основе волокон активированных Er (длина волны из диапазона 1,531,6 мкм) и Tm (длина волны из диапазона 1,82,1 мкм). Эффективность таких лазеров ниже, чем у лазеров на Yb активированном волокне, например, для лазера на 1,5 мкм с выходной мощностью 100 Вт эффективность от розетки на уровне 10%.
Многомодовые волоконные лазеры Суммирование выходного излучения одномодовых лазеров в волоконных объединителях позволяет увеличивать выходную мощность излучения. Расходимость выходного излучения при этом увеличивается, но остается вполне приемлемой для большинства практических применений. В настоящее время наиболее мощными коммерческими моделями волоконных лазеров, выпускаемыми IPG, являются лазеры с выходной мощностью излучения 30 и 50 кВт (рис. 2).
Параметры лазера YLR50000 с выходной мощностью более 50 кВт представлены в таблице 1.
Технически могут быть реализованы лазеры и с более высокой выходной мощностью – вопрос в наличии платежеспособного спроса. Волоконные лазеры прекрасно управляются по мощности, причем время включения и выключения на полной мощности составляет десятки микросекунд. Весьма актуальным с точки зрения практических применений является вопрос о возможности эффективной передачи мощного лазерного излучения по транспортному волокну. На рис. 3 представлены результаты измерения эффективности передачи излучения по волокну на большие расстояния. Из рисунка видно, что при транспортировке излучения мощностью 5 кВт на расстояние 1 км потери не превышали 13%.
Импульсные лазеры Для многих применений (гравировка и маркировка различных изделий, скрайбирование полупроводниковых пластин, точная обработка тонколистовых материалов и т.п.) требуется использование импульснопериодических режимов работы с короткими импульсами и пиковыми мощностями, значительно превышающими средние (рис. 4). Подобные лазеры с пиковой мощностью порядка 20 кВт были разработаны и доведены до стадии серийной продукции в 1995 г.
Характеристики импульснопериодических лазеров на Ybактивированном волокне приведены в таблице 2.
Следует отметить, что подобные волоконные лазеры обладают чрезвычайно высокой степенью стабильности и воспроизводимости параметров. Благодаря этому удается наносить на поверхность металлов цветные изображения, в которых цвет задается цветами побежалости. Помимо лазеров диапазона 1 мкм, практический интерес представляют импульсные лазеры диапазона 1,5 мкм, поскольку этот диапазон является наиболее безопасным для глаз. На рис. 5 представлена фотография ОЕМ лазерного модуля на Erактивированном волокне (длина волны излучения 1,55 мкм, пиковая мощность 0,5…50 кВт, длительность импульсов 1…10 нс при частоте повторения 5…100 кГц).
Сравнение с другими типами лазеров К настоящему времени наиболее широкое применение, прежде всего в промышленности, получили три типа мощных лазеров – углекислотные, на гранате с неодимом и волоконные. На рис. 6 дана представленная Х. Шлутером динамика роста выходных мощностей лазеров на СО2 и традиционных АИГ:Nd, дополненная нашими данными по волоконным лазерам. Из рисунка виден беспрецедентно стремительный рост выходной мощности волоконных лазеров, превзошедших лазеры других типов по максимальной мощности, реализованной в коммерческих образцах. Как уже говорилось, эта мощность на сегодняшний день составляет 50 кВт в непрерывном режиме, и ее дальнейший рост сдерживается не возможностями реализации, а наличием платежеспособного спроса. При этом волоконные лазеры превосходят своих конкурентов по эффективности и величине удельного съема мощности (Вт/кг или Вт/м3 оборудования).
Конечно, надо учитывать существенные успехи, достигнутые в последние годы в разработке дисковых лазеров с полупроводниковой накачкой, выходной уровень которых превысил 25 кВт. Эти лазеры также позволяют получить излучение высокого качества при эффективности «от розетки», достигающей 25% (что все же меньше, чем у мощных волоконных лазеров). При этом следует учитывать, что дисковые лазеры представляют собой весьма сложную многопроходную конструкцию, состоящую из большого числа отдельных оптических элементов, которые должны быть точно съюстированы и хорошо защищены от внешних воздействий (пыль, влага и всевозможные вибрации). В волоконных лазерах эти проблемы отсутствуют, благодаря чему они оказываются более технологичными в производстве и удобными в эксплуатации. Можно утверждать, что у дисковых лазеров преимущество есть только при работе в импульсном режиме с большими пиковыми мощностями, получение которых в волоконных лазерах ограничено нелинейными эффектами в волокне.
Менее чем за 20 лет многонациональному коллективу IPG, ведущую роль в котором играли и продолжают играть россияне, удалось добиться заметных успехов в развитии волоконных лазеров, в частности мощных волоконных лазеров: Создана принципиально новая технологическая платформа, обладающая большим потенциалом развития, позволяющая быстро доводить результаты научных достижений до широкой практической реализации. Благодаря этому нам удается в течение почти двух десятилетий удерживать мировое лидерство. Получены рекордные мощности излучения (до 50 кВт) при его уникальном качестве (вплоть до теоретического предела в одномодовых лазерах). Реализованы рекордные эффективности (до 35% или в 410 раз лучше, чем у традиционных СО2 и АИГ:Nd лазеров и в 1,5 раза лучше, чем у дисковых лазеров). Впервые реализован полностью монолитный (интегральный) волоконный дизайн лазеров, обеспечивающий их уникальную компактность, нечувствительность к окружающим условиям и высокую надежность. Благодаря этому волоконные лазеры имеют высокие эксплуатационные качества и не требуют постоянного технического обслуживания.
И.Э. Самарцев Другие публикации: | |||||
|
