Оптоволоконний лазер принцип дії. Принцип роботи оптоволоконного лазера. Випробування нових волокон на кіловатну потужність

У раніше опублікованих статтях з тестування технологічного потенціалу, волоконний лазер був розібраний найбільш ефективне технологічне застосування, а саме: різання, зварювання, загартування, перфорація та очищення поверхні. Все це може робити волоконний лазер.

Проте менеджерам і технологам промислових підприємств дуже важливо розуміти також і економічні аспекти впровадження волоконного лазера в сучасних лазерних технологіях. Отже, давайте обговоримо економічні питаннядля волоконний лазер, що виникають під час оцінки проектів технічного переозброєння.

Відразу необхідно відзначити: відмінності дуже важливі, оскільки новий волоконний лазер має цілу низку технічних властивостейта особливостей, через які переносити на нову техніку досвід застосування класичних лазерів не зовсім коректно. Саме тому доцільно розпочати, що таке волоконний лазер, насамперед, з викладів даних особливостей та відмінностей.

Волоконний лазер:

Унікальний ресурс сучасних випромінювачів (понад 100 000 годин з ймовірністю продовження ресурсу за відносно невеликих витрат) і практично нульові експлуатаційні витрати. Обов'язково з урахуванням фактичного виключення частини амортизації через ЄСП та ПДВ у існуючій податкової системи. Так як це може бути надзвичайно важливим економічним фактором (тобто частина амортизації залишається безпосередньо у вашому розпорядженні, тому що – не використовується).

Мінімальні витрати та час на підготовку приміщення та пуско-налагодження. Волоконний лазер у процесі пусконалагодження називається терміном «інсталяція».

Волоконний лазер, його неймовірна універсальність лазерного джерела. Як правило, волоконний лазер це зразок джерела «чистої» променевої енергії, тому в ньому самому практично немає технологічної специфіки, тобто – при диверсифікації чи іншій перебудові виробництва, волоконний лазер можна переорієнтувати з одного технологічного процесу на інший. Таке джерело можна навіть назвати, звичайно (з застереженнями) – ліквідним, у тому значенні, що він зберігає цінність та вартість сам по собі. Звідси починають розвиватися певні послуги обміну лазерів і лізингу (з цих питань найдоцільніше контактувати безпосередньо з виробником).

Волоконний лазер, його основні властивості:

Його ймовірність нарощування потужності. Можна купити волоконний лазер з конструктивним запасом, наприклад, при поставці на потужність 700 Вт, а потім просто докупити спеціальні блоки накачування, тим самим збільшити потужність, наприклад, до 2400 Вт. При цьому у виробничій системі (процес встановлення додаткових блоків триває не більше 3-х годин) – практично не потрібно нічого змінювати. Це дозволяє досить суттєво знизити початкові капітальні вкладення, а також наростити продуктивність у необхідний для вашого виробництва момент.

Транспортування випромінювання безпосередньо по оптичному кабелю, довжина якого становить від 10 до 100 метрів, значно спрощує проектування, а також компонування технологічних систем в цілому. Можна використовувати величезний асортимент промислової робототехніки. Варто відзначити, що для здійснення деяких виробничих завдань потрібно лише 3 компоненти, а саме – волоконний лазер/технологічна головка/промисловий робот. Звичайно, за відсутності досвіду все одно знадобляться послуги фірми-інтегратора, проте сумарні витрати на організацію специфічної виробничої системи суттєво знизяться.

Волоконний лазер це багатофункціональна та багатоцільова технологічна ділянка для максимального завантаження лазерного джерела. Звичайно це не дуже просто як може здатися на перший погляд, але цілком реально. А зважаючи на важливість цієї ймовірності, ми обговоримо її далі.

Питання фахівців та кадрів загалом. Волоконний лазер позбавляє підприємство потреби утримувати цілий штат фахівців із знаннями сфери оптики, вакуумних систем та електричних розрядів. Волоконний лазер, для експлуатації його нічого не потрібно, тому що навчання оператора займає всього часу не більше 1-го тижня. Звичайно, це не позбавить підприємство потреби в грамотних технологах, але це вже інше питання, яке безпосередньо до самого лазера зовсім не має відношення. Цілком можна задіяти існуючий персонал і заразом набути якісніший рівень виробничої ефективності ефективності.

Волоконний лазер, його базові технології:

Ці 7 пунктів самі собою здатні викликати високий інтерес до нового сучасного обладнання. Для посилення ефекту слід перерахувати деякі базові технології:

• лазерне різання металів. Йдеться як про класичному розкрої листа, а й дуже об'ємна різка, наприклад, із застосуванням промислових роботів;
• лазерна перфорація (фільтруючі елементи, сітки);
• лазерне зварювання. Насамперед, це шовне стикове зварювання високої продуктивності без використання обробок кромок та присадних матеріалів. Але сьогодні технологи досить швидко розвивають гібридні процеси, тобто – комбіновані схеми зварювання суміщенням лазерного пучка і відповідно електричної дуги;
• лазерне загартування (термообробка) – це процес, який забезпечує локальне загартування певних фрагментів деталі без ґрунтовного термічного впливу на деталь;
• лазерна наплавка - це аналог дії дугової наплавлення, що відрізняється високою локальністю та точністю;
• лазерне очищення від покриттів та забруднень. Найбільш екологічно чистий метод очищення, причому безконтактний, який потенційно здатний конкурувати з масовими технологіями, наприклад, такими як піскоструминна чистка.

Переходячи безпосередньо до економічних аспектів, варто помітити, що волоконний лазер, його система в даний час на порядок дорожча класичних лазерів СО2 і тому ціна самого лазера становить зазвичай значну частину технологічної системи в цілому.
Волоконний лазер, в його мінімальний набір входить: обладнання призначене для виконання технологічної операції лазером входять:

• волоконний лазер обов'язково із зазначеною вартістю руб./кВт;
• волоконний лазер має спеціальну лазерну технологічну головку, що формує потік випромінювання, а також потоки інших речовин безпосередньо в зоні обробки;
• маніпулятор (роботизований) для переміщення виробу або лазерної головки, а також для загального та ретельного керування процесом. Якщо ж застосувати вже готовий та універсальний волоконний лазер, відповідно витрати безпосередньо залежатимуть від комплектації і звичайно ж бренду.

Волоконний лазер мінімальний набір для лазерної технологічної системи такий: 1 – лазер, 2 – технологічна головка, 3 – оптичний кабель, 4 – маніпулятор.

Таким чином, на технологічну систему, що володіє потужністю в 1000 Вт, базова сума капітальних витрат складе приблизно близько 6 млн. руб. РФ. Насправді це ще не всі витрати, тому що необхідно ще врахувати витрати на програмне забезпечення, на інтеграцію, підготовку приміщення та виробництва. Тому найрозумнішим для простоти розрахунків припустити, що собівартість вкладень загалом – волоконний лазер, складе орієнтовно 2 ціни. Подібна пропорція спостерігається зокрема щодо лазерних верстатів, призначених для розкрою металу. Волоконний лазер володіє потужністю в 2000 Вт варіюються від 12 до 14 мільйонів російських рублів. При цьому лазерне розкрійне обладнання є досить великою комплексною системою, що має великі габарити. Однак завдяки серійності та стандартній, добре обкатаній технології – ціна помітно знижується.

В інших технологічних процесах (наприклад, таких як зварювання, загартування) комплекс такого обладнання може бути значно простіше, але тут варто врахувати, що на даному етапі такі технології зовсім не пакетовані в типові серійні комплекси (тобто в цьому випадку виникнуть витрати на технологію та інжиніринг, причому дуже суттєві). Тому коефіцієнт х2 для широкого класу використання за середнього ступеня автоматизації (тобто процес обробки автоматичний, а завантаження-вивантаження або напівавтоматичне або ручне) – може бути виправданим.

Економіка лазерних технологій шляхом аналізу 2-х тестових виробничих завдань

Розглянемо перше виробниче завдання, про волоконний лазер:

Отже, як перше тестове завдання давайте розглянемо масове виробництво деталей циліндричної геометрії, в яких потрібно виконати зварювання 2-х напівкорпусів в єдиний (цілісний) герметичний корпус. Це стандартне завдання виготовлення різного видуфільтрів. Сталь товщиною 0,5-1 мм, при цьому середній діаметр виробу становить 60 мм. Мета завдання – максимальний продуктивний обсяг за мінімальної собівартості виробу.

Під це завдання сама виробнича система синтезується практично автоматично. Для швидкого лазерного зварювання подібного виробу потрібно за допомогою волоконного лазера потужністю приблизно в 700 Вт (тобто лінійна швидкість зварювання становить близько 50 мм/сек.), необхідна досить-таки проста зварювальна головка, обертач виробу (автоматизований) і відповідно система завантаження-вивантаження заготовки. Для системи завантаження можливе застосування найпростішого лоткового живильника. Волоконний лазер передбачається, що вироби, призначені під зварювання, попередньо вже зібрані робітниками. Однак залежно від рівня якості безпосередньо заготовок (калібрування розмірів) цілком може знадобитися система корекції по стику виробів - положення головки зварювальної. У цілому нині витрати на розробку і виготовлення такого досить нескладної системи укладаються приблизно 5 млн. крб.

Можна зробити невеликий висновок після викладеного тексту:

• Економічні параметри системи значно погіршуються при зменшенні рівня завантаження обладнання та звичайно персоналу: при випуску, наприклад, 10% виробів/деталей від граничної цифри виробничого процесусобівартість просто зросте в 10 разів. Таким чином, в обох випадках недовантажене досить дороге обладнання і, відповідно, персонал сидить без роботи.
• У плані собівартості також нічого не дає і відмова від автоматизації: перехід до неавтоматизованих технологічних процесів теж збільшить собівартість виробів, причому різко. Це станеться через загальне зниження продуктивність праці.
• Використання лазерної технології дозволяє «виграти» тільки при максимальному завантаженні (або хоча б при близькій до максимуму) виробничої системи та вигідній безпосередньо для умов самого виробництва, причому великосерійного. Надзвичайно важливою для подібних виробництв є висока якість процесу лазерної обробки (тобто відтворюваність та стабільність).

Зрозуміло, що для великосерійних завдань окупність зварювання волоконний лазер може бути досить швидкою завдяки різкому зростанню загальної продуктивності.

Розглянемо друге виробниче завдання, про волоконний лазер:

Як правило, для багатьох реальних підприємств характерна істотно менша серійність, тому постійно виникатиме проблема завантаження джерела для лазера.

Наприклад, якесь підприємство виготовляє комплексне виріб, що складається з циліндричного корпусу і до нього потрібно приварити кришку з сильним елементом кріплення, а безпосередньо до самої кришки ще необхідно приварити два елементи. Усередині такого виробу є шток, що функціонує в режимі стирання, тому вимагає зміцнення, а так само фільтр для рідини, виконаний у вигляді кільця до якого припаяна металева сітка. Передбачувана серійність таких виробів – 100 000 на рік.

При типовій базовій технології виготовлення виробів застосовують такі технологічні процеси як:

• виготовлення поковок призначених для голівки, що має вушко;
• складна механізована обробка поковки;
• вирізка отворів (кілька) у корпусі механічним методом;
• вварювання в отвори необхідних деталей;
• приварювання головки до основного корпусу - ручна дугова, спостерігається великий відсоток шлюбу, причиною якого є, в тому числі і порушення геометрії (тобто зміщення осі головки та осі циліндра);
• об'ємне загартування штока, хромування та шліфування;
• вирізка кільцевої сітки;
• наступна припайка сітки за зовнішнім і внутрішнім контуром (досить важко автоматизований процес з високим рівнем шлюбу).

Виріб даної тестової задачі: 1 - корпус, 2 - кришка, 3 - деталь, що приварюється, 4 - кільце з отворами, 5 - сітка, що фільтрує. Волоконний лазер:

Чи можна використовувати волоконний лазер для виконання або спрощення технологічного процесу у виробництві такого виробу? Суть ідеї полягає в наступному: використовувати волоконний лазер безпосередньо в режимі поділу часу, тим самим завантажувати його ресурс різнохарактерними операціями. З технічної точки зору така можливість існує, проте технічні аспекти цього ми обговоримо наприкінці оповіді.

За параметрами лазерної технології волоконний лазер з бази даних ми оцінюємо насамперед те, що нам знадобиться лазерне джерело потужністю 1500 Вт. Це, безумовно, мінімальна потужність, яка потрібна для надійного зварювання елементів. Так як планується багатофункціональне застосування лазера, то ціна робототехнічного обладнання, як правило, має бути вищою.

Необхідно згадати і вкрай важливу інтегральну перевагу: зростання рівня якості виробу є надзвичайно важливим і значущим конкурентним фактором безпосередньо на ринку збуту, що дає змогу зайняти значну його частку.

Варто особливо наголосити, що волоконний лазер його утилітарна здійсненність усіх запланованих технологічних процесів при використанні його вже проходила відповідне тестування та попередні експериментальні дані цих процесів – є.

Таким чином: волоконний лазер, його комплексне використання набору лазерних технологій цілком реально може дати досить великий сумарний ефект, але за умови, якщо лазерне обладнання буде повністю завантажено!

Собівартість лазерного варіанта виробництва розрахована тільки при заниженому значенні витрат промислового підприємства, Але при чесному розрахунку вартості хвилини добре видно, що запас рентабельності такого проекту настільки великий і очевидний, що він суттєво вигідний навіть за великих нормативів накладних витрат – і це факт!

Варто також відзначити волоконний лазер: проектант лазерної системи може запропонувати поділити технологічну функціональність на 2 лазерні комплекси асиметрично (тобто не порівну); та загартування штоків. Або ж може залишити тільки перший комплекс, який виконує операції з перших двох факторів, зважаючи на їх основний внесок у прибутковість проекту в цілому. Волоконний лазер, ці рішення однозначно будуть визначатися багато в чому так само технічними моментами, А саме питаннями: «Як саме реалізується багатофункціональність?» - «Чи справді це можна втілити технічно?» - «До яких безпосередньо проблем це може призвести?». Розглянемо варіанти та можливості.

Волоконний лазер та його застосування:

Використання робота з поміщеною на його маніпуляторі головкою лазера для наданої тестової задачі – цілком вдале рішення. В першу чергу робот здатний автоматично з мінімальною тратою часу на переходи здійснити приварювання кільця до основної кришки з усіх чотирьох сторін, а під час виготовлення елементарного роторного позиціонера продукції зі зніманням та ручною установкою будуть мінімізовані також і втрати часу безпосередньо на завантаження-розвантаження. Що, звичайно ж, правильно і для інших операцій різання та зварювання.

Застосування універсальних роботів має ту перевагу, що витрати на проектування, а потім виготовлення нестандартного технологічного оснащення та оснащення – практично виключаються. Оскільки основний тягар виробничої підготовки лягає саме підготовку певних програм для робота, тобто його ефективності.

ЗАСТОСУВАННЯ БАГАТОПОСТОВИХ ДІЛЬНИКІВ.

Дане рішення вимагає розробки абсолютно для всіх технологічних операцій окремого технологічного посту, який має вузькофункціональний маніпулятор. Після завершення певної операції лазерна головка, з'єднана оптичним кабелем з лазером, встановлюється на інший технологічний пост, переналагоджується відповідно в іншу операцію, що виконується на цій же або іншій партії виробів.

Слідом за завершенням певної операції волоконний лазер його лазерна головка, з'єднана оптичним кабелем з лазером, встановлюється на інший технологічний пост, переналагоджується відповідно на іншу операцію і здійснюється обробка іншої операції, що виконується на цій же або іншій партії виробів.

Волоконний лазер, на превеликий жаль, мати персональні лазерні технологічні головки на різних постахпоки що неможливо. Так як відстикування від головки оптичного кабелю в цехових умовах суворо заборонено через запиленість, тому що найменша порошинка з оптичного волокна, при попаданні на оптичний вихід, як правило, призводить цей вихід до безповоротного руйнування. Вирішення цієї проблеми з нетерпінням чекають на всі підприємства з подібним обладнанням, і можливо вже в найближчому майбутньому воно таки буде знайдено.

ЗАСТОСУВАННЯ ОПТИЧНИХ МУЛЬТИПЛЕКСОРІВ

Нова можливість, що нині ще рідко використовується. Головна суть її в наступному: можна придбати певний спец-комутатор лазерного пучка, з'єднаний своїм входом із лазером, а на окремих постах декількома виходами з технологічними головками. Перемикання випромінювання відбувається досить швидко між постами, і така система здатна мінімізувати втрати часу на зміну виробів і технологічні переходи.

І тому система верхнього рівня має забезпечувати диспетчерські функції, і навіть розподіляти ресурси лазерного джерела безпосередньо за запитам цих технологічних постів. Так як у розрахунках для формування ми вважали: час завантаження-вивантаження щонайменше дорівнює часу операції, в такому випадку при застосуванні подібного мультиплексора для реалізації тестової програми виробництва приблизно 100 000 виробів буде достатньо всього одного лазера.

Собівартість такого мультиплексора близько 1-2 млн. руб. Крім того, слід зазначити, що волоконний лазер можна замовити вже з вбудованим мультиплексором, що має кілька виходів.

Мабуть, єдиний недолік полягає - це, що мультиплексор трохи погіршує якість випромінювання (тобто на виході доводиться використовувати волокно набагато більшого перерізу), проте це критично лише при лазерному різанні. Волоконний лазер, його подібна система є найбільш оптимальною та доцільною. На мультиплексор додаткові капітальні витрати багаторазово компенсуються завдяки завантаженню лазера.

Отже: 1 – лазер, 2 – оптичний комутатор, 3 – головки (технологічні), 4 – технологічні пости, 5 – центральна система управління.

Ще одне важливе питання, пов'язане з універсальністю самих лазерних головок: Якщо планується використання промислового робота або багатопостової ділянки, то лазерна головка обов'язково повинна мати властивість універсальності (тобто вміти виконувати різні технологічні процеси). На сьогоднішній день західні виробники таких головок не випускають!

Однак така техніка вже існує: незабаром почнеться серійне виробництво - універсальної головки, що перебудовується, яка може виконувати весь базовий спектр технологічних операцій із застосуванням випромінювання волоконних лазерів (зварювання, різання, загартування, перфорація). Адаптація головки до будь-якої конкретної операції здійснюється і за рахунок автоматичного перетворення оптичної системи, і за рахунок змінної технологічної насадки (тобто її заміни), яка кріпиться за принципом відомого магнітного підвісу.

Волоконний лазер, його переваги:

Оцінки показують: волоконний лазер має значний економічний потенціал.

• Висока рентабельність волоконний лазер, проектів заснованих на сучасних лазерах – забезпечується виключно за максимального завантаження обладнання, тобто за рахунок досить суттєвої надійності та унікальності ресурсу нових лазерів технічно можливо.
• Суттєву перспективу можуть мати безпосередньо багатофункціональні технологічні ділянки, що володіють поділом ресурсу джерела лазера.
• Незважаючи на значні капіталовкладення, окупність лазерного обладнання та лазерних технологічних систем в цілому – може бути дуже швидкою до 1-1,5 року.

Волоконні лазери компактні та міцні, точно наводяться та легко розсіюють. теплову енергію. Вони бувають різних видів і, маючи багато спільного з оптичними квантовими генераторами інших типів, мають власні унікальні переваги.

Волоконні лазери: принцип роботи

Пристрої цього типу є варіацією стандартного твердотільного джерела когерентного випромінювання з робочим тілом з оптоволокна, а не стрижня, пластини або диска. Світло генерується легуючим домішкою в центральній частині волокна. Основна структура може змінюватись від простої до досить складної. Пристрій ітербієвого волоконного лазера таке, що волокно має велике відношення поверхні до об'єму, тому тепло може бути легко розсіяне.

Волоконні лазери накачуються оптично, найчастіше за допомогою діодних квантових генераторів, але в деяких випадках такими ж джерелами. Оптика, що використовується в цих системах, як правило, є волоконними компонентами, причому більшість або всі вони з'єднані один з одним. У деяких випадках використовується об'ємна оптика, а іноді внутрішня оптоволоконна система поєднується із зовнішньою об'ємною оптикою.

Джерелом діодного накачування може бути діод, матриця, чи безліч окремих діодів, кожен із яких пов'язані з з'єднувачем волоконно-оптичним світловодом. Легированное волокно кожному кінці має дзеркало об'ємного резонатора - практично у волокні роблять решітки Брегга. На кінцях об'ємної оптики немає, якщо вихідний промінь не переходить у щось інше, ніж волокно. Світловод може скручуватися, отже за бажання лазерний резонатор може мати довжину кілька метрів.

Двоядерна структура

Структура волокна, що використовується у волоконних лазерах, має важливе значення. Найбільш поширеною геометрією є двоядерна структура. Нелеговане зовнішнє ядро ​​(іноді зване внутрішньою оболонкою) збирає світло, що накачується, і направляє його вздовж волокна. Вимушене випромінювання, що генерується у волокні, проходить через внутрішнє ядро, яке часто є одномодовим. Внутрішнє ядро ​​містить присадку ітербію, що стимулюється світловим пучком накачування. Існує безліч некругових форм зовнішнього ядра, серед яких - гексагональна, D-подібна і прямокутна, що зменшують ймовірність непопадання світлового пучка до центрального ядра.

Волоконний лазер може мати торцеве або бічне накачування. У першому випадку світло від одного або декількох джерел надходить у торець волокна. При бічному накачуванні світло подається в розгалужувач, який подає його в зовнішнє ядро. Це відрізняється від стрижневого лазера, де світло надходить перпендикулярно до осі.

Для такого рішення потрібно багато конструктивних розробок. Значна увага приділяється підведенню світла накачування в активну зону, щоб зробити інверсію заселеності, що веде до вимушеного випромінювання у внутрішньому ядрі. Серцевина лазера може мати різний рівень посилення залежно від легування волокна, і навіть від його довжини. Ці фактори настроюються інженером-конструктором для отримання необхідних параметрів.

Можуть виникнути обмеження потужності, зокрема, під час роботи у межах одномодового волокна. Такий сердечник має дуже малу площу поперечного перерізу, і через нього проходить світло дуже високої інтенсивності. При цьому стає все більш відчутним нелінійне розсіювання Бріллюена, яке обмежує вихідну потужність кількома тисячами ват. Якщо вихідний сигнал досить високий, торець волокна може бути пошкоджений.

Особливості волоконних лазерів

Використання волокна як робоче середовище дає велику довжину взаємодії, яка добре працює при діодному накачуванні. Ця геометрія призводить до високої ефективності перетворення фотонів, а також надійної та компактної конструкції, в якій відсутня дискретна оптика, що потребує налаштування або вирівнювання.

Волоконний лазер, пристрій якого дозволяє йому добре адаптуватися, може бути пристосований для зварювання товстих листів металу, так і для отримання фемтосекундних імпульсів. Світловолоконні підсилювачі забезпечують однопрохідне посилення та використовуються у сфері телекомунікацій, оскільки здатні посилювати багато довжин хвиль одночасно. Таке ж посилення застосовується в підсилювачах потужності з генератором, що задає. У деяких випадках підсилювач може працювати з лазером безперервного випромінювання.

Іншим прикладом є джерела спонтанного випромінювання з волоконним посиленням, у яких вимушене випромінювання пригнічується. Ще одним прикладом може служити романівський волоконний лазер з посиленням комбінованого розсіювання, що істотно зсуває довжину хвилі. Він знайшов застосування у наукових дослідженнях, де для комбінаційної генерації та посилення використовується фторидне скловолокно, а не стандартні кварцові волокна.

Проте, як правило, волокна виготовляють із рідкоземельною легуючою домішкою в ядрі. Основними добавками є ітербій та ербій. Ітербій має довжини хвиль від 1030 до 1080 нм і може випромінювати у ширшому діапазоні. Використання 940-нм діодного накачування значно скорочує дефіцит фотонів. Ітербій не має жодного з ефектів самогасіння, які є у неодиму при високих щільностях, тому останній використовується в об'ємних лазерах, а ітербій - у волоконних (вони забезпечують приблизно однакову довжину хвилі).

Ербій випромінює в діапазоні 1530-1620 нм, безпечному для очей. Частоту можна подвоїти для створення світла при 780 нм, що недоступно для волоконних лазерів інших типів. Нарешті, ітербій можна додати до ербію таким чином, що елемент поглинатиме випромінювання накачування і передаватиме енергію ербію. Тулій – ще одна легуюча присадка зі свіченням у ближній інфрачервоній ділянці, яка, таким чином, є безпечним для очей матеріалом.

Висока ефективність

Волоконний лазер є квазі-трирівневою системою. Фотон накачування збуджує перехід від основного стану на верхній рівень. Лазерний перехід є переходом з нижньої частини верхнього рівня в один з розщеплених основних станів. Це дуже ефективно: наприклад, ітербій з 940-нм фотоном накачування випромінює фотон із довжиною хвилі 1030 нм і квантовим дефектом (втратою енергії) лише близько 9%.

На противагу цьому неодим, що накачується при 808 нм, втрачає близько 24% енергії. Таким чином, ітербій за своєю природою має більш високу ефективність, хоча і не вся вона досяжна через втрату деяких фотонів. Yb може бути накачаний у ряді смуг частот, а ербій – довжиною хвилі 1480 або 980 нм. Більш висока частота не така ефективна, з точки зору дефекту фотонів, але корисна навіть у цьому випадку, тому що при 980 нм доступні кращі джерела.

Загалом ефективність волоконного лазера є наслідком двоступінчастого процесу. По-перше, це ККД діода накачування. Напівпровідникові джерела когерентного випромінювання дуже ефективні, з 50% ККД перетворення електричного сигналу на оптичний. Результати лабораторних досліджень свідчать, що можна досягти значення 70 % і більше. При точній відповідності вихідного випромінювання лінії поглинання волоконного лазера досягається високий ККД накачування.

По-друге, це оптико-оптична ефективність перетворення. При невеликому дефекті фотонів можна досягти високого ступеня збудження та ефективності екстракції з оптико-оптичною ефективністю перетворення 60-70%. Результуючий ККД знаходиться в діапазоні 25-35%.

Різні конфігурації

Оптоволоконні квантові генератори безперервного випромінювання можуть бути одно-або багатомодовими (для поперечних мод). Одномодові виробляють високоякісний пучок для матеріалів, що працюють або посилають промінь через атмосферу, а промислові багатомодові волоконні лазери можуть генерувати велику потужність. Це використовується для різання та зварювання, і, зокрема, для термообробки, де освітлюється велика площа.

Довгоімпульсний волоконний лазер є, по суті, квазінеперервним пристроєм, як правило, що виробляє імпульси мілісекундного типу. Зазвичай його робочий цикл становить 10%. Це призводить до більш високої пікової потужності, ніж у безперервному режимі (як правило, у десять разів більше), що використовується, наприклад, для свердління. Частота може досягати 500 Гц залежно від тривалості.

Модуляція добротності у волоконних лазерах діє так само, як і в об'ємних. Типова тривалість імпульсу знаходиться в діапазоні від наносекунди до мікросекунди. Чим довше волокно, тим більше часу потрібно для Q-перемикання вихідного випромінювання, що веде до більш тривалого імпульсу.

Властивості волокна накладають деякі обмеження модуляцію добротності. Нелінійність волоконного лазера більш значна через малу площу поперечного перерізу сердечника, так що пікова потужність повинна бути дещо обмежена. Можна використовувати або об'ємні перемикачі добротності, які дають більш високу продуктивність, або модулі волокон, які приєднуються до кінців активної частини.

Імпульси з модуляцією добротності можуть бути посилені у волокні або об'ємному резонаторі. Приклад останнього можна знайти в Національному комплексі імітації ядерних випробувань (NIF, Лівермор, Каліфорнія), де ітербієвий волоконний лазер є генератором для 192 пучків. Малі імпульси у великих плитах із легованого скла посилюються до мегаджоулів.

У волоконних лазерів із синхронізацією частота повторення залежить від довжини посилюючого матеріалу, як і в інших схемах синхронізації мод, а тривалість імпульсу залежить від пропускної здатності посилення. Найкоротші знаходяться в межах 50 фс, найбільш типові - в діапазоні 100 фс.

Між ербієвими та ітербієвими волокнами існує важлива відмінність, внаслідок чого вони працюють у різних режимахдисперсії. Леговані ербієм волокна випромінюють при 1550 нм області аномальної дисперсії. Це дозволяє виробляти солітони. Іттербієві волокна знаходяться в області позитивної або нормальної дисперсії; в результаті вони породжують імпульси з вираженою частотою лінійної модуляції. В результаті для стиснення довжини імпульсу може знадобитися бреггівська решітка.

Є кілька способів зміни волоконно-лазерних імпульсів, зокрема для надшвидких пікосекундних досліджень. Фотоннокристалічні волокна можуть бути виготовлені з дуже малими ядрами для отримання сильних нелінійних ефектів, наприклад, для генерації суперконтинууму. На противагу цьому фотонні кристали також можуть бути виготовлені з великими одномодовими сердечниками для уникнення нелінійних ефектів при великих потужностях.

Гнучкі фотонно-кристалічні волокна з великим сердечником створюються для застосування, що потребує високої потужності. Одним із прийомів полягає у навмисному згинанні такого волокна для усунення будь-яких небажаних мод вищого порядку зі збереженням лише основної поперечної моди. Нелінійність створює гармоніки; за допомогою віднімання та складання частот можна створювати більш короткі та довші хвилі. Нелінійні ефекти можуть також стискати імпульси, що призводить до появи частотних гребінок.

Як джерело суперконтинууму дуже короткі імпульси виробляють широкий безперервний спектр за допомогою фазової самомодуляції. Наприклад, з початкових 6 пс імпульсів при 1050 нм, які створює ітербієвий волоконний лазер, виходить спектр у діапазоні від ультрафіолету до 1600 нм. Інший ІЧ-джерело суперконтинууму накачується ербієвим джерелом на довжині хвилі 1550 нм.

Велика потужність

Промисловість нині є найбільшим споживачем волоконних лазерів. Великим попитом зараз користується потужність порядку кіловату, що використовується в автомобілебудуванні. Автомобільна промисловість рухається до випуску автомобілів із високоміцної сталі, щоб вони відповідали вимогам довговічності та були відносно легкими для більшої економії палива. Звичайним верстатам дуже важко, наприклад, пробивати отвори в цьому виді сталі, а джерела когерентного випромінювання роблять це легко.

Різання металів волоконним лазером, в порівнянні з квантовими генераторами інших типів, має ряд переваг. Наприклад, ближній інфрачервоний діапазон хвиль добре поглинається металами. Промінь може бути доставлений по волокну, що дозволяє роботу легко переміщати фокус при різанні та свердлінні.

Оптоволокно задовольняє найвищі вимоги до потужності. Зброя ВМФ США, випробувана в 2014 р., складається з 6-волоконних 5,5-кВт лазерів, об'єднаних в один пучок і випромінюючих через оптичну систему, що формує. 33 кВт установка була використана для ураження Хоча промінь не є одномодовим, система представляє інтерес, оскільки дозволяє створити волоконний лазер своїми руками зі стандартних, доступних компонентів.

Найвища потужність одномодового джерела когерентного випромінювання IPG Photonics становить 10 кВт. Задає генератор виробляє кіловат оптичної потужності, яка подається в каскад підсилювача з накачуванням при 1018 нм зі світлом від інших волоконних лазерів. Уся система має розмір двох холодильників.

Застосування волоконних лазерів поширилося також на високопотужне різання та зварювання. Наприклад, вони замінили контактне зварюваннялистової сталі, вирішуючи проблему деформації матеріалу. Управління потужністю та іншими параметрами дозволяє дуже точно різати криві, особливо кути.

Найпотужніший багатомодовий волоконний лазер – установка для різання металів того ж виробника – досягає 100 кВт. Система заснована на комбінації некогерентного пучка, тому це не промінь надвисокої якості. Така стійкість робить волоконні лазери привабливими промисловості.

Буріння бетону

Багатомодовий волоконний лазер потужністю 4 кВт може використовуватись для різання та буріння бетону. Навіщо це потрібно? Коли інженери намагаються досягти сейсмостійкості існуючих будівель, потрібно бути дуже обережним із бетоном. При установці в ньому, наприклад, сталевої арматури, звичайне ударне буріння може призвести до появи тріщин і послабити бетон, але волоконні лазери ріжуть його без дроблення.

Квантові генератори з модульованою добротністю волокна використовуються, наприклад, для маркування або виробництва напівпровідникової електроніки. Також вони використовуються в далекомірах: модулі розміром з руку містять безпечні для очей волоконні лазери, потужність яких становить 4 кВт, частота 50 кГц та тривалість імпульсу 5-15 нс.

Обробка поверхонь

Існує великий інтерес у невеликих волоконних лазерах для мікро- та нанообробки. При знятті поверхневого шару, якщо тривалість імпульсу коротше 35 пс, відсутнє розбризкування матеріалу. Це виключає утворення поглиблень та інших небажаних артефактів. Імпульси у фемтосекундному режимі виробляють нелінійні ефекти, які не чутливі до довжини хвилі та не нагрівають навколишній простір, що дозволяє працювати без суттєвого пошкодження або ослаблення навколишніх ділянок. Крім того, отвори можуть бути розрізані з великим ставленням глибини до ширини - наприклад, швидко (протягом кількох мілісекунд) виконати невеликі отвори в 1-мм нержавіючої сталі за допомогою 800-фс імпульсів із частотою 1 МГц.

Можна також проводити поверхневу обробку прозорих матеріалів, наприклад, очі людини. Щоб вирізати шматок при мікрохірургії ока, фемтосекундні імпульси щільно фокусуються високоапертурним об'єктивом у точці нижче поверхні ока, не викликаючи жодних пошкоджень на поверхні, але руйнуючи матеріал ока на контрольованій глибині. Гладка поверхня рогівки, яка має важливе значення для зору, залишається цілою та неушкодженою. Шматок, відокремлений знизу, потім може бути підтягнутий для поверхневого ексимер-лазерного формування лінзи. Інші медичні застосуваннявключають хірургію неглибокого проникнення в дерматології, а також використання деяких видів оптичної когерентної томографії.

Фемтосекундні лазери

Фемтосекундні квантові генератори в науці використовують для спектроскопії збудження з лазерним пробоєм, флуоресцентної спектроскопії з тимчасовим дозволом, а також загального дослідження матеріалів. Крім того, вони потрібні для виробництва фемтосекундних частотних гребінок, необхідних у метрології та загальних дослідженнях. Одним із реальних застосувань у короткостроковій перспективі стане атомний годинник для супутників GPS нового покоління, що дозволить збільшити точність позиціонування.

Одночастотний волоконний лазер виробляється із шириною спектральної лінії менше 1 кГц. Це вражаюче невеликий пристрій із виходом випромінювання потужністю від 10 мВт до 1 Вт. Знаходить застосування в галузі зв'язку, метрології (наприклад, у волоконних гіроскопах) та спектроскопії.

Що далі?

Щодо інших науково-дослідних застосувань, то ще багато хто з них вивчається. Наприклад, військова технологія, яку можна застосовувати і в інших областях, що полягає в комбінуванні волоконно-лазерних пучків для отримання одного високоякісного променя за допомогою когерентної або спектральної комбінації. У результаті одномодовому промені досягається велика потужність.

Виробництво волоконних лазерів швидко зростає, особливо потреб автомобілебудування. Також відбувається заміна неволоконних пристроїв волоконними. Крім загальних покращень у вартості та продуктивності, з'являються все більш практичні фемтосекундні квантові генератори та джерела суперконтинууму. Волоконні лазери займають все більше ніш і стають джерелом покращення для лазерів інших типів.

Вивчення проблеми лазерного різанняметалів необхідно розпочати з розгляду фізичних засад роботи лазера. Оскільки далі в роботі всі дослідження точності лазерного різання тонколистових матеріалів проводитимуться на лазерному комплексі, який використовує іттербієвий волоконний лазер, розглянемо пристрій волоконних лазерів.

Лазер - пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та ін) в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого та вузькоспрямованого потоку випромінювання.

Волоконні лазери було розроблено порівняно недавно, у 1980-х роках. В даний час відомі моделі технологічних волоконних лазерів потужністю до 20 кВт. Їхній спектральний склад знаходиться в межах від 1 до 2 мкм. Використання таких лазерів дозволяє забезпечити різні часові характеристики випромінювання.

Останнім часом волоконні лазери активно витісняють традиційні лазери з таких областей застосування лазерної техніки, як, наприклад, лазерне різання та зварювання металів, маркування та обробка поверхонь, поліграфія та швидкісний лазерний друк. Їх використовують у лазерних далекомірах та тривимірних локаторах, апаратурі для телекомунікацій, у медичних установках і т.д.

Основними типами волоконних лазерів є безперервні одномодові лазери, у тому числі однополяризаційні та одночастотні; імпульсні волоконні лазери, що працюють у режимі модуляції добротності, синхронізації мод, а також у довільному режимі модуляції; волоконні лазери, що перенастроюються; надлюмінісцентні волоконні лазери; потужні безперервні багатомодові волоконні лазери.

Принцип роботи лазера ґрунтується на пропущенні світла фотодіода по волокну великої протяжності. Волоконний лазер складається з модуля накачування (як правило, широкосмугові світлодіоди або лазерні діоди), світловода, в якому відбувається генерація, та резонатора. Світловод містить активну речовину (леговане оптичне волокно - серцевина без оболонки, на відміну від звичайних оптичних хвилеводів) та хвилеводи накачування. Конструкція резонатора зазвичай визначається технічним завданням, але можна виділити найпоширеніші класи: резонатори типу Фабрі – Перо та кільцеві резонатори. У промислових установках підвищення вихідний потужності іноді об'єднують кілька лазерів в одній установці. На рис. 1.2 показано спрощену схему пристрою волоконного лазера.

Мал. 1.2. Типова схема волоконного лазера.

1 – активне волокно; 2 - бреггівські дзеркала; 3 - блок накачування.

Основний матеріал для активного оптичного волокна – кварц. Висока прозорість кварцу забезпечується насиченими станами енергетичних рівнів атомів. Домішки, що вносяться легуванням, перетворюють кварц на поглинаючу середу. Підібравши потужність випромінювання накачування, у такому середовищі можна створити інверсний стан заселеності енергетичних рівнів (тобто високоенергетичні рівні будуть заповнені більше, ніж основний). Виходячи з вимог на резонансну частоту (інфрачервоний діапазон для телекомунікацій) та малу порогову потужність накачування, як правило, легування виконують рідкісноземельними елементами групи лантаноїдів. Одним із поширених типів волокон є ербієве, що використовується в лазерних та підсилювальних системах, робочий діапазон яких лежить в інтервалі довжин хвиль 1530-1565 нм. Внаслідок різної ймовірності переходів на основний рівень з підрівнем метастабільного рівня ефективність генерації або посилення відрізняється для різних довжин хвиль в робочому діапазоні. Ступінь легування рідкісноземельними іонами зазвичай залежить від довжини активного волокна, що виготовляється. У межах до кількох десятків метрів вона може становити від десятків до тисяч ppm, а у разі кілометрових довжин – 1 ppm і менше.

Бреггівські дзеркала - розподілений брегговський відбивач - це шарувата структура, в якій коефіцієнт заломлення матеріалу періодично змінюється в одному просторовому напрямку (перпендикулярно шарам).

Існують різні конструкції накачування оптичних хвилеводів, з яких найбільш уживаними є суто волоконні конструкції. Одним із варіантів є розміщення активного волокна всередині кількох оболонок, з яких зовнішня є захисною (так зване волокно із подвійним покриттям). Перша оболонка виготовляється з чистого кварцу діаметром кілька сотень мікрометрів, а друга - з полімерного матеріалу, показник заломлення якого підбирається істотно меншим, ніж у кварцу. Таким чином, перша та друга оболонки створюють багатомодовий хвилевід з великим поперечним перерізомі числової апертурою, який запускається випромінювання накачування. На рис. 1.3 показано схему накачування лазера, заснованого на волокні з подвійним покриттям.

Мал. 1.3. Схема накачування лазера, що базується на волокні з подвійним покриттям.

До переваг волоконних лазерів традиційно відносять значне відношення площі резонатора до його обсягу, що забезпечує якісне охолодження, термостійкість кремнію та невеликі розміри приладів у подібних класах вимог щодо потужності та якості. Лазерний промінь, як правило, необхідно завести в оптичне волокно для подальшого використання у техніці. Для лазерів іншої конструкції це вимагає спеціальних оптичних систем колімації та робить пристрої чутливими до вібрацій. У волоконних лазерах генерація випромінювання відбувається у волокні, і вона має високу оптичну якість. Недоліками даного типу лазерів є небезпека виникнення нелінійних ефектів через високу щільність випромінювання у волокні та порівняно невелику вихідну енергію в імпульсі, обумовлену малим обсягом активної речовини.

Волоконні лазери програють твердотілим у сферах застосування, де потрібна висока стабільність поляризації, а використання волокна, що зберігає поляризацію, утруднено з різних причин. Твердотільні лазери неможливо замінити волоконними в спектральному діапазоні 0,7-1,0 мкм. Вони також мають більший потенціал для збільшення вихідної потужності імпульсу в порівнянні з волоконними. Однак волоконні лазери показують хороші результати на довжинах хвиль, де не існує достатньо хороших активних середовищ або дзеркал для лазерів інших конструкцій, і дозволяють з меншими складнощами реалізовувати деякі лазерні схеми на кшталт up-конверсії.

Технічні переваги волоконного ітербійвого лазера.

Волоконні лазери виробництва Telesis, такі як Zenith 10FQ, являють собою сучасну та унікальну концепцію генерування лазерного променя; оптичне волокно є середовищем, що генерує лазер.

Типові твердотільні лазери з діодним накачуванням (DPSSL) мають оптоволоконні джерела світла, які використовуються для передачі світла у віддалений кристал, що є середовищем для генерування лазера. Традиційні твердотільні лазери з діодним накачуванням (DPSSL) можуть бути описані як "віддалений діодний джерело світла, що передає світло по волокну, яке служить для торцевого накачування світла в твердотільний кристал". Більшість систем DPSSL (diode pumped solid state laser), що є сьогодні на ринку, є лазерами з торцевим діодним накачуванням.

Дизайн волоконного лазера Zenith 10FQє проривом у лазерній технології та є адаптацією багатьох технічних розробок лазерів, що використовуються у військовій та телекомунікаційній сферах. Корпорація Telesis впровадила ці технічні розробки у промислові лазерні маркуючі системи. Зважаючи на свій історичний розвиток, волоконні лазери Telesis легше інтегруються в промислові процеси та адаптуються до широкої сфери застосувань, на відміну від більш традиційних лазерів з діодним накачуванням і волоконною передачею світла.

Технічні переваги волоконних лазерів, таких як Zenith 10FQ, у порівнянні з традиційними лазерами з діодним накачуванням:

Волоконні лазери невимагають спеціального обслуговування

1. Вивірена твердотільна технологія

   • Менше компонентів, які потребують обслуговування

Ні необхідності налаштовувати джерело світла під оптику камери накачування

• Оптика камери накачування "впроваджено" в активне волокно

Ні необхідності в оптимізації лазерного джерела світла

• На підприємстві-виробнику діодне джерело світла фіксований в оптимізованому положенні в активному волоконному середовищі, що генерує лазер.

Ні необхідності вручну вибирати діодні джерела світла в межах вузького робочого вікна, сподіваючись оптимізувати технічні характеристики.

• Діодні джерела світла охоплюють широкий спектр, що різко збільшує термін служби діода.та забезпечує стабільну роботу.

  Діодні джерела світла є широкосмуговими і виготовлені відповідно до жорстких вимог, що пред'являються до телекомунікаційних пристроїв з безперервної роботи в екстремальних умов. Технічні умови передбачають параметри виробів, що вдвічі перевищують ті, які коли-небудь потрібні при промисловому застосуванні.

Той, хто самокалібрується, працює за принципом «встановив і забув»лазер для експлуатації без операторського супроводу 24 години на добу 7 днів на тиждень.

• Система Zenith 10FQ здійснює автоматичний моніторинг потужності лазерного джерела, що постійно реагує на ситуацію, що дозволяє підтримувати рівень потужності незалежно від змін у поданій напрузі або можливого незначного погіршення окремих діодів.

  У лазерній системі Zenith ® навіть при неймовірному розвитку подій, коли один діод вийде з ладу (у кожній системі 6 діодів, що накачують), інші діоди автоматично налаштують свою потужність для компенсації втрати.

Середнє час напрацювання на відмову становить 100 000 годин безперервної роботи.

Випробовано в реальних умовах

• Тисячі волоконних лазерів цілодобово використовуються у військовій сфері та сфері телекомунікації.

Волоконні лазери Zenith ® можуть працювати у суворіших навколишніх умовах, ніж традиційні лазери.

1. Твердотільний дизайн дозволяє лазеру бути стійким до більш значних коливань температур, ніж здатний лазер з діодним накачуванням.

   Оптика накачує камери системиZenith 10FQ "впаяна" в активне волокно, що дозволяє використовувати установку в умовах підвищеної вологості, до 90% (без конденсату), що є набагато вищим значенням, ніж обмеження для традиційних лазерів з діодним накачуванням з незахищеною оптикою камери накачування.

Як стандартна функція волоконний лазер Zenith 10FQ має вбудовані в панель вимірювачі потужності та індикатори помилок.

• Цифрові вимірювачі потужності показують реальну потужність лазера передній панелі контролера. Індикатори помилок на панелі надають моментальну інформацію про стан лазерної маркуючої системи.

  Самокалібруєтьсяпотужність лазера, монітор з інформацією про потужність та індикатори помилок, а також високий термін служби діодів та дублюючий ланцюг призводить до того, що оператору не потрібно проводити щотижневу перевірку та налаштування, які є невід'ємною рисою стандартних лазерних систем з торцевим діодним накачуванням.

Повітряне охолодження, тепловідведення

1. Волоконні лазери Telesis нагріваються менше, ніж будь-які інші лазери, завдяки чудовому ККД перетворення живлення.

   • Немає необхідності у водяному охолодженні, яке може протікати, або складних охолоджувальних схемах, таких як активні охолоджувальні плити Thermoelectric , які можуть вийти з ладу

Одномодова волоконналінія, що подає, з практично ідеальним профілем променя

1. Стабільність променя під час роботи означає високу якість маркування та формування символів незалежно від установок.

   • Якість променя (фактор M2) для лазера Zenith 10FQ становить менше 2 (між 1.5 та 1.8 залежно від обраної оптики), що створює форму променя, оптимальну для маркування металу та пластику.

     Якість профілю променя залишається однаковим при динаміці робочого діапазону від 0.01 до 10 Вт вихідної потужності (на відміну від більшості систем з діодним накачуванням, які нестабільні при нижніх 5% і верхніх 10% робочого діапазону).

Ідеальний профіль променя означає, що на виріб можна надсилати більше високі рівніенергії, що дозволяє:

• Здійснити більшешвидке та глибоке маркування на матеріалі

  Направити високоякісний фокусований промінь з кращою керованістю на небажані заново відлиті і схильні до термічної обробки зони.

  Скоротити цикл роботи

Висока швидкість повторен модуляції навантаження добротності променя (beam Q-switching)

1. Висока швидкість повторень з оптимізованими імпульсами дозволяє досягти того, що іноді називається "холодніший лазерний промінь"

   • Обмежує ся небажане спалювання пластику, фольги, паперу чи субстрату.

     Можна, можливо маркувати ширший діапазон пластикових матеріалів, домагаючись контрасту при знебарвленні тільки маркованої області.

     Огранич ня газоутворення при маркування матеріалів, таких як пластик, у процесі чого виникають нерівномірні накопичення відходів на деяких матеріалах.

     Простіше регулювати глибину маркування.

Просте та стандартної підключення до змінного струму та високі ККД споживання електрики

1. Один з найпродуктивніших лазерів з будь-коли створених

   • Загальна сила струму для Zenith 10FQ (тільки лазера) становить лише 2 А. Подана напруга - 230 В, 60Гц. Примітка : електрика, що подається повинна мати запобіжник на 250В при 6 А

При додаванні зовнішніх пристроїв або пристроїв для автоматичної подачі сила струму збільшується, що підвищує споживання живлення всією системою

Зовні водяне охолодження не потрібне.

Енергетичний ККД вдвічі перевищує значення найкращої системи з діодним накачуванням.

• При роботі системи Zenith 10FQ (лише лазер) споживається менше 600Вт. Звичайний лазер з діодним накачуванням споживає більше 1,15КВт.

  Згодом маркуюча лазерна система Zenith 10FQ дозволить досягти значної економії на споживаній енергії

Zenith 10FQ менш сприйнятливий до невеликих змін у живленні, що подається, ніж більшість лазерних систем з діодним накачуванням.

• Використовуються широкосмугові діоди для досягнення максимальної продуктивності.

  Внутрішній контрольний ланцюг для корекції потужності лазера

Простий та раціональний промисловийдизайн

1. Вбудований діод із червоним світлом фокально вирівняний з основним лазерним напрямком

   • Просте налаштування та холостий запуск

Відстань між лазерним контролером і оптичного фокусуючого блоку може бути до 5 метрів ( Telesis залишає за собою право конфігурувати довжину волокна, що подає для оптимізація конкретних умов застосування).

• Невелика легка головка може бути інтегрована практично у будь-якому положенні.

  Гнучкий армований захист навколо оптичних частин

Стандартний 19-дюймовий контролер, що монтується на стійку

• Легко змонтувати в існуючу виробничу лініюабо нову спеціальну робочу станцію.

Управління за допомогою гнучкого, удосконаленого, стандартного персонального комп'ютера

• Стандартні настільні комп'ютери та монітори

  Як опція поставляються портативні комп'ютери з інтерфейсними картами

Простота в обслуговуванні

1. Немає потреби у витратних лампах або фільтрах

   Спрощений модульний дизайн включає чотири блоки, які можуть вимагати обслуговування або заміни будь-яким техніком прямо на місці.

   • ПК або ПЗ

     Лазерний контролер / лазерне джерело

     Армований кабель / кабельний інтерфейс

     Оптичний блок, що фокусує

Економічні переваги волоконного лазера Zenith 10FQ

1. Гарантія
   1. Гарантія на діодні джерела світла Zenith 10FQ складає неймовірні 20.000 годин (що заміряються на вбудованому таймері лазерного джерела) або два роки з дати постачання.
      • Досвід експлуатації даних волоконних лазерів показує час напрацювання на відмову близько 75000 годин, в середньому. (Ми рекламуємо це досягнення як "Експлуатація системи без обслуговування більше 50.000").
   2. Більшість система з торцевим діодним накачуванням можуть запропонувати тільки гарантію 10.000 годин на джерело світла через вручну вибираються вузькосмугових діодів, необхідних для роботи, і непродуктивність віддаленого торцевого накачування кристала, що генерує лазер. Деякі компанії пропонують складну схему пропорційних 15,000 годин, за яких ви платите за відсоток часу, протягом якого ви «споживали» діодне джерело.
      • На ранніх етапах існування систем з діодним накачуванням метою було отримати напрацювання на відмову 10.000 годин.
      • Досвід використання систем із діодним накачуванням нового покоління показує середній термін напрацювання на відмову - близько 15.000 годин.
      • При використанні Zenith 10FQ це відбудеться між 50.000 та 100.000 годинами, при цьому 75.000 годин є середнім значенням.
        • Наприклад, при тризмінній роботі, 24 години на добу, 50 тижнів, отримуємо 8400 годин на рік; тоді середній показник напрацювання на відмову 75000 годин означає заміну діода раз на 9 років при використанні системи Zenith 10FQ .
      • Заміна діода в системі з діодним накачуванням відбудеться між 10.000 і 20.000 годинами, при цьому середня кількість годин - 15.000.
        • Наприклад, при тризмінній роботі, 24 години на добу, 50 тижнів, отримуємо 8400 годин на рік; тоді середній показник напрацювання на відмову 15,000 годин означає заміну діода раз на 2 роки при використанні систем з діодним накачуванням.
2. Великий термін експлуатації до потреби заміни частин
   1. Зрештою, всі діодні джерела світла вимагатимуть заміни чи обслуговування рахунок користувача.
3. Експлуатаційні витрати (перевага Zenith 10FQ )
   1. Найгірший варіант розвитку подій.
      • Вартість заміни діодного джерела світла для Zenith® 10F становить близько $8,550. Вартість заміни джерела світла для типової системи торцевого діодного накачування становить близько $7,500. При найгіршому варіанті розвитку подій при використанні Zenith 10FQ Коли джерело доведеться змінювати поза гарантією, розрахуємо витрати на заміну джерела світла вартістю $8.500 після терміну гарантії, що становить 50.000 годин. 1.8,500 доларів розділити на 50.001 годину, що становитиме $0.17 на годину при використанні Zenith 10FQ (в гіршому випадку).
      • При найгіршому варіанті розвитку подій при використанні типової системи з торцевим діодним накачуванням розрахуємо витрати на заміну джерела світла вартістю $7.500 після терміну гарантії, що становить 10.000 годин. 1.7,500 доларів розділити на 10,001 годину, що становитиме $0.75 на годину при використанні системи з діодним накачуванням (у гіршому випадку).
   2. Найкращий варіант розвитку подій. Зважаючи на те, що середній час напрацювання на відмову волоконної лазерної системи Zenith 10FQ складає 100.000 годин, а типової системи з діодним накачуванням - 15,000 годин, тоді:
      • При кращому варіантірозвитку подій для Zenith 10FQ витрати на заміну джерела світла вартістю $8.500 з урахуванням напрацювання на відмову 100.000 годин складуть: $8.500 розділити на 100,000 годин, що становитиме $0.09 за годину під час використання Zenith 10FQ (в кращому випадку).
      • При кращому варіанті розвитку подій для типової системи з торцевим діодним накачуванням витрати на заміну джерела світла вартістю $7.500 з урахуванням напрацювання на відмову 15.000 годин складуть: $7.500 розділити на 15,000 годин, що складе $0.50 на годину при використанні системи з діод .
4. Щоденне споживання енергії
   1. Волоконні лазери мають у два рази більший енергетичний ККД, ніж самі найкращі системиз діодним накачуванням. Під час роботи Zenith® 10FQ на повну потужність (тільки лазер) споживається менше 600 Вт електричної енергії.
      • Наприклад, при використанні Zenith 10FQ , Якщо, в середньому, кВт / год коштує 2 руб. за кВт; тоді споживання за добу безперервного використання становитимуть 600 Вт/год помножити на 24 годину і 14.4 кВт.
      • За вартості 1 кВт 2 руб. максимальні витрати на добу становитимуть: 2 руб. Х 14.4 квт = 28,80 руб. при використанні Zenith 10FQ .
   2. Типова система з діодним накачуванням споживає більше 1,15 кВт електричної енергії.
      • Наприклад, при використанні системи з діодним накачуванням, якщо, в середньому, кВт/годину коштує 2 руб. за кВт; тоді споживання за добу безперервного використання становитимуть 1.150 Вт/год помножити на 24 годину і 27,6 кВт.
      • За вартості 1 кВт 2 руб. максимальні витрати на добу становитимуть: 2 руб. Х 27.6 кВт = 55,20 руб. при використанні типової системи з діодним накачуванням.

Переваги волоконного лазера перед лазерами з діодним та ламповим накачуванням

Найкраща якість променя

Вищий електричний ККД

Велика надійність

Низькі експлуатаційні витрати

Низькі витрати на обслуговування

Невеликий розмір

Віддалена передача променя

Гарантія – 20 тис. годин роботи

Напрацювання на відмову від 30 до 50 тис. годин. Середній час - 100 тис. годин до виходу елемента накачування лазера з ладу

Ці лазери дуже умовно можна виділити в окремий тип, так як у них використаний приблизно такий самий механізм збудження активного середовища (накачування), як у газових або твердотільних лазерів.

Як накачування також використовуються лазерні діоди. Ці джерела були розроблені для телекомунікаційних систем волоконного зв'язку, де вони застосовуються як підсилювачі сигналів. Уявіть собі, що кристал, у якому відбувається генерація корисного лазерного випромінювання, як би розтягнутий на кілька десятків метрів і є серцевиною волокна діаметром кілька мікрон, яка знаходиться всередині кварцового волокна. Випромінювання діодів прямує в кварцове волокно, і на всьому його протязі відбувається оптичне накачування серцевини.

Застосування лазерного скла як активний елемент у твердотільних лазерах відомо давно. На відміну від кристалів, лазерне скло має неупорядковану внутрішню структуру. Поряд із склоутворюючими компонентами SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , BeF 2 , в них містяться Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3 , Sb 2 O 3 . Активними домішками найчастіше є іони неодиму Nd 3+ ; використовуються також гадоліній Gd 3+, ербій Er 3+, гольмій Але 3+, ітербій Yb 3+. Концентрація іонів неодиму Nd 3+ у стеклах сягає 6% (за масою).

У лазерному склі досягається висока концентрація активних частинок. Іншою перевагою такого скла є можливість виготовлення активних елементів великих розмірів практично будь-якої форми і з дуже високою оптичною однорідністю. Скло одержують у платинових або керамічних тиглях. До недоліків використання скла як лазерних матеріалів слід віднести відносно широку смугу генерації (310 нм) і низьку теплопровідність, що перешкоджає швидкому відводу тепла при потужному оптичному накачуванні.

Волоконні лазери мають дуже високу (до 80%) ефективність перетворення випромінювання лазерних діодів на корисне випромінювання. Для забезпечення їх роботи достатньо повітряного охолодження. Ці лазерні джерела дуже перспективні для систем цифрового запису друкованих форм.

На рис. 3.22 представлена ​​схема роботи волоконного лазера з напівпровідниковим накачуванням і в загальному вигляді весь оптичний тракт аж до оброблюваного матеріалу. Головна особливість цього лазера полягає в тому, що випромінювання тут народжується в тонкому діаметром всього 68 мкм, волокні (серцевині; наприклад, активним середовищем може бути ітербій), яке знаходиться всередині кварцового волокна діаметром 400600 мкм. Випромінювання лазерних діодів накачування вводиться в кварцове волокно і поширюється вздовж всього складного складного волокна, що має завдовжки кілька десятків метрів.

Рисунок 3.22 – Оптична система з волоконним лазером:

1 - серцевина, легована ітербієм, діаметр 6-8 мкм; 2 – кварцове волокно, діаметр 400–600 мкм; 3 – полімерна оболонка; 4 – зовнішнє захисне покриття; 5 – лазерні діоди оптичного накачування; 6 – оптична система накачування; 7 – волокно (до 40 м); 8 – коліматор; 9 – модулятор світла; 10 – фокусуюча оптична система

Випромінювання оптично накачує серцевину, і саме тут, на атомах ітербію, відбуваються фізичні перетворення, що призводять до лазерного випромінювання. Поблизу кінців волокна на серцевині роблять два про дифракційних дзеркала як набору насічок на циліндричної поверхні серцевини (дифракційні решітки) – так створюється резонатор волоконного лазера. Загальну довжину волокна та кількість лазерних діодів вибирають, виходячи з необхідної потужності та ефективності. На виході виходить ідеальний одномодовий лазерний пучок з рівномірним розподілом потужності, що дозволяє сфокусувати випромінювання в пляму малого розміру і отримати більшу, ніж у разі потужних твердотільних Nd:YAGлазерів, глибину різкості.

Варто також відзначити, що ряд таких властивостей випромінювання волоконних лазерів, як, наприклад, характер поляризації пучка, робить зручним та надійним керування цим випромінюванням за допомогою акустооптичних пристроїв та дозволяє реалізувати багатопроменеві схеми запису зображень.

Оскільки оптичне накачування йде по всій довжині волокна, то відсутні такі властиві звичайним твердотільних лазерів ефекти, як термолінза в кристалі, спотворення хвильового фронту внаслідок дефектів самого кристала, нестабільність променя в часі та ін, які завжди перешкоджали досягненню максимальних можливостей твердотільних систем. Однак самі принципи будови та роботи волоконного лазера гарантують високі експлуатаційні характеристики та роблять дані пристрої досконалими перетворювачами світлового випромінювання на лазерне.

«Сердечник» лазера завтовшки лише кілька мікрометрів складається з ітербію і функціонує як резонатор. Найкращої якості вдається досягти при довжині хвилі випромінювання 1110 нм, причому довжина оптоволоконного кабелю може досягати 40 м. Серійно випускаються лазери потужністю від 1 до 100 Вт, з ККД близько 50%. Оптоволоконні лазери зазвичай не потребують спеціального охолодження. Мінімальний розмір плями у сучасних оптоволоконних лазерів – близько 20 мкм, причому при використанні механізмів корекції вдається зменшити до 5 мкм. Глибина фокусу складає 300 мкм, що дозволяє без механізму автофокусування успішно працювати із формними матеріалами різної товщини.