Волоконный резонатор

Стержневым элементом волоконного лазера компании Rofin является внутреннее кварцевое оптическое волокно, которое легировано активными элементами, а именно Yb³⁺­ионами. Центральная часть (cladding), окружающая внутреннюю сердцевину, выполнена из кварцевого волокна, выполняющего роль волновода для сгенерированного лазерного излучения. Внутренние стенки волновода покрыты свето­отражающей поверхностью (double clad fiber), играющей важную роль, поскольку удерживает движущийся поток квантов света внутри волновода.  

Рис. 1. Принцип действия волоконного лазера

Другой составной частью резонатора волоконного лазера являются два зеркала: одно сплошное, другое – полупрозрачное. Как правило, эти зеркала выполнены на основе брэгговских решеток (fiber bragg gratings, сокращенно FBGs), что позволяет задать длину волны волоконного лазера в пределах 1080 nm. Важнейшая характеристика лазерного излучения с указанной длиной волны – его высокая степень поглощения металлическими материалами. Брэгговские решетки (FBG) и активная светоотражающая поверхность (double clad fiber) образуют на оптических поверхностях своего рода сплав, называемый сплайсом (splice).

Рис. 2. 4 кВт волоконный лазер серии FL

Для того, чтобы лазер заработал, остается выполнить накачку лазерного излучения в описанную выше конструкцию. Для этого с помощью волоконно­оптических комбайнов излучение лазерных диодов вводится в кварцевое волокно. Оно распространяется вдоль всего сложного составного волокна, отражаясь от светоотражающего покрытия и обеспечивая высокую выходную мощность. Возможность навивки оптического волновода, длина которого может достигать нескольких десятков метров, на поверхности произвольной формы обуславливает преимущества волоконного лазера в сравнении с другими типами лазерных источников. 

Поскольку внутренняя активная сердцевина волокна может быть выполнена с чрезвычайно малым диаметром, волоконные лазеры производства Rofin способны генерировать лазерное излучение мощностью до 1 кВт с качеством основной моды (TEM₀₀).

Компания Rofin предлагает волоконные лазеры серии FL, обладающие мощностью в пределах 500 Вт – 4 кВт. Для мультимодового режима применяется оптическое волокно диаметром от 50 до 600 µm. Одномодовые волоконные лазеры обеспечивают качество излучения ? 0,4 мм x мрад при выходной мощности до 1 кВт.  

Рис. 3 Волоконный лазер в действии

Лазерная накачка

Современные лазерные диоды, используемые в качестве источников накачки, охлаждаются пассивно посредством так называемых «макро­каналов» и имеют срок службы в пределах 10 тыс. рабочих часов. В волоконных лазерах производства компании Rofin используется принцип первоначального сведения мощности излучения, генерируемого диодами, с последующей его передачей посредством нескольких волокон для накачки активной среды. Лазерное излучение, генерируемое диодами накачки, подключенными с обеих концов, проходит через брэгговские решетки (FBG) и абсорбируется в активной среде лазера. В волоконном лазере мощностью ­
1 кВт используются до 12 модулей накачки. При этом оптический КПД волоконного лазера может достигать 80%.

Отличительная особенность волнового лазера – легкая замена диодов накачки, которую способен выполнить сам клиент. Каждый диод смонтирован на отдельной пластине, выполняющей роль радиатора охлаждения, через который протекает вода. Такая конструкция обладает повышенной надежностью. После истечения соответствующего срока эксплуатации весь модуль заменяется полностью. В случае выхода из строя одного из диодов накачки выполняется простое его отключение без снижения общей выходной мощности лазера ниже номинальной.

 Электрический шкаф

Для потребителя, выбирающего лазерное оборудование, важны не только технические характеристики, такие как мощность лазерного излучения, его качество, длина волны, фокусируемость и пр., но и экономические показатели, например, эксплуатационные расходы, затраты на техническое обслуживание, возможность интегрирования в имеющуюся производственную среду.

При этом доминирующим вопросом, волнующим потребителя, все чаще становится степень эффективности преобразования электрической энергии в оптическую (wall plug efficiency). Энергопотребление стало центральной темой дискуссий и споров, ведущихся вокруг различных лазерных технологий. С этой точки зрения у волоконного лазера весьма выгодные позиции. Его оптический КПД составляет свыше 80%, что говорит само за себя. Высокоэффективные лазерные диоды, питаемые от источников питания последнего поколения плюс минимальный расход охлаждающей воды обеспечивают в итоге общий КПД в пределах 25 – 30%, т. е. на порядок выше, чем у систем с ламповой накачкой.

Компания Rofin последовательно делает ставку на системы управления собственной разработки, а именно систему RCU (Rofin control unit), работающую под управлением операционной системы Windows CE. Она обеспечивает потребителю ряд преимуществ в области интеграции и управления. Одно из них – переносной пульт управления с сенсорным дисплеем, на который в режиме реального времени в удобном формате выводятся все необходимые параметры и данные: мощность, частота модуляции, текущая прикладная программа, данные состояния интерфейсов, предупреждения и сообщения о неисправностях и др. Одновременно вывод этих данных возможен через I/O­интерфейсы (24 В). Используемые полевые шины придают системе управления дополнительную гибкость. В случае применения нескольких лазеров производства Rofin система обеспечивает их единое управление через общие интерфейсы. 

Поскольку высокое качество излучения волоконных лазеров может стать основой для использования высокодинамичных систем отклонения лазерного луча, в систему RCU заложена опциональная возможность непосредственного управления работой сканеров. При этом расширение выполняется за счет подключения соответствующих аппаратных и программных модулей. Для снижения качества излучения, что необходимо для отдельных применений, используются волоконно­оптические муфты и переключатели в качестве переходников для подключения транспортных волноводов диаметром 50 µm. Электрический шкаф способен вместить   до четырех выходных модулей. Дополнительные модули, имеющие компактную конструкцию, обеспечивают возможность работы лазера как в режиме разделения времени (time sharing), так и  разделения энергии (energy sharing). Применение дополнительных модулей существенно расширяет возможности использования волоконного лазера в составе производственных линий.

Перспективы

Компания Rofin последовательно работает над повышением мощности волоконных лазеров серии FL. В настоящее время главным спросом пользуются лазеры в диапазоне мощностей от 0,5 до 6 кВт, применяемые в промышленности для сварки, резки, пайки и нанесения покрытий. Один из основных путей увеличения мощности – суммирование мощности нескольких волоконных лазерных модулей. Количество соединяемых волокон определяется геометрией сборки с наибольшей плотностью. На рис. 4 показан пример сборки из трех оптических волокон. Внедрение технологии волоконных сборок представляет собой одну из составляющих концептуальной стратегии компании Rofin, последовательно работающей над созданием новых систем, расширяющих арсенал лазерного промышленного инструментария.       

Заключение

Волоконные лазеры дополняют палитру существующих лазерных систем, во многих случаях открывая новые возможности для прикладного применения лазерной техники, а также внедрения передовых технологий в промышленную металлообработку. Философия компании Rofin – предоставление потребителю наилучших и оптимальных технических решений, способных удовлетворить его запросы как с точки зрения снижения эксплуатационных расходов, так и соответствия конкретным требованиям решаемых производственных задач. Компания Rofin предлагает полностью весь комплекс существующих источников лазерного излучения – от твердотельных лазеров с ламповой и диодной накачкой стержневой или дисковой конструкции, лазеров с модуляцией добротности (Q­switched laser), до CO₂ и прямых диодных лазеров (direct diode laser). Волоконные лазеры серии FL, демонстрирующие высочайшее качество излучения, являются достойным дополнением этой линейки.      

Маркус Рютеринг

(Markus R?tering)

Представительство Рофин РФ АТС ОСТ

115093, Россия, Москва, ул. Щипок, 22

Тел/Факс + (495) 797­6916/17/18 (107)

E­mail: info@atsost.ru