Kiudlaseriga rakenduste optika
Kiudlaserid on leidnud töötlemise ja uurimise niši, kus Nd: YAG laserid on liiga kallid või nende kiirgusomadused on ebasoovitavad (nt suured M2 väärtused). Kiudlaserite kasutajad võivad muretseda oma olemasolevate optiliste komponentide pakkumise asendatavuse või uue optika määratlemise üle. Selles artiklis käsitletakse selliseid probleemseid valdkondi ja tuuakse välja, milliseid omadusi tuleks eriti hoolikalt täpsustada.
Kiudlaserid on saavutanud aluse paljudes rakendustes, näiteks puurimisel, keevitamisel, fooliumi lõikamisel, lasermärgistamisel ja täpsel mikrotöötlusel. Teadlased leiavad, et nende väikeste jalajälgede ja madalate M2 väärtuste tõttu on need allikatena väga kasulikud. Kiudlaserite edu põhineb nende unikaalsel kiirgusomaduste kombinatsioonil, mis pole saadaval teistest samas lainepikkuste vahemikus asuvatest allikatest: valikuline CW või impulsiga töö, polarisatsiooni juhtimine (juhuslik, lineaarne või ümmargune), kitsa spektraalribalaiusega ja TEM00 M2 väärtustega, mis lähenevad 1 Sellise M2 parendamisega Nd: YAG laserite suhtes on võimalik saavutada märkimisväärselt kõrgemaid võimsustihedusi. Võimalik on tihedamalt fokuseeritud talad, mille tulemuseks on teravamad kujutised märgistamiseks ja peenemaks muutmine mikromaterjalide tegemiseks. Tööstuslikke vahemaid saab ka suurendada. Seega loodetakse turul silmitsi kasvava nõudlusega kiudlaserrakenduste jaoks mõeldud optiliste komponentide järele.
1 Tala kvaliteedi mõjud
Komponentide valimise protsessi mõjutavad suuresti kiudlaseritega saavutatavad suured võimsustihedused. Kiudlaseri optiline õõnsus on kiudsüdamik, mille saab kujundada režiimide arvu minimeerimiseks, võimaldades seega tootjatel kaubanduslikult toota lasereid, mille M2 = 1,05. M2 on laserkiire mitmemoodilise läbimõõdu-divergentsi saaduse suhe ideaalse difraktsioonipiiranguga (TEM00) kiire läbimõõdu-divergentsi produktiga:
Kus Θ0 on tala divergents milliradaanides ja w0 on tala väljundi talje laius (kui tala on ümmargune, võib w0 asendada tala läbimõõduga d0). Või saavutatava fookuspunkti läbimõõduga d0:
Joonis 1 illustreerib võrrandis (2) kasutatud parameetreid. Kiudlaser-tootjad pakuvad tavaliselt kiirte kohaletoimetamise pead, mille kollimeeritud väljund on läbimõõduga 5 kuni 20 mm (D0). Arvutused näitavad, et 19 mm fookuskaugusega objektiivi korral on teoreetiline fookuspunkti läbimõõt d0 10 μm. Seetõttu on 50W kiudlaseri lainepikkusel 1075nm fokuseeritud valguskiir tohutu optilise võimsuse tihedus
Rohkem kombinatsioone on toodud tabelis 1. Kuigi valgusvihu juhtimise optika ei pruugi kunagi näha ideaalselt fokuseeritud kohta, on olemas ohutustegur, mida projekteerimisinsener soovib arvestada; need suured, difraktsiooniga piiratud võimsustihedused võivad joondamise ajal mõjutada optilisi elemente.
Madala energiaimpulssiga kiudlaserite ja keskmise võimsusega CW-laserite jaoks (keskmise võimsusega suurusjärgus 1-5W) on Schott chott.de N-BK7 klaas) sobiv ja odav põhimik nii peegeldava kui ka läbilaskva optika jaoks, kus energia optilisel pinnal on <50mw> N-BK7 on borosilikaatkroonne optiline klaas, millel on kõrge homogeensus ja hea läbilaskevõime nähtava ja lähi-infrapunakiirguses. Peegeldumisvastaseid (AR) katteid saab kasutada akendel, läätsedel ja osalistel helkuritel, et suurendada komponendi üldist läbilaskvust. Nende energiate korral saab kasutada kas kitsaribalisi (V-kattekihi) AR-katteid või mitmekihilisi lairiba-AR-katteid, et vähendada pinnapeegeldust umbes 4% -lt <0,25% -ni="" ühe="" lainepikkuse="" korral="" või=""><0,5% ribalaiuse="" korral="" häälestatavate="" lasersüsteemide="" jaoks="" 250–400="" nm="" (vt="" joonis="">
Kitsaribalised V-kattekihid on mitmekihilised (tavaliselt kahekihilised) dielektrilised peegeldumisvastased katted, mis saavutavad teoreetilise minimaalse peegeldusvõime lainepikkuste kitsal ribal. Peegeldusvõime tõuseb selle miinimumi mõlemal küljel kiiresti, andes sellele peegeldusvõime ja lainepikkuse graafiku V-kuju. USA tootjad kasutavad selle katte eristamiseks lairiba-AR pakkumisest tavaliselt terminit “V-coat” või “laserline”.
Veel üks 1-5 W kiudlaseritega kasutamiseks mõeldud materjalivalik on Schotti N-SF11 klaas, mille murdumisnäitaja on 1060 nm juures n = 1,754, suurem kui N-BK7 (1,507). See tagab paindlikkuse, kui rakenduseks on vaja lühikese fookuskaugusega objektiivi. Kuna nii N-SF11 kui ka N-BK7 soojuspaisumistegurid on vahemikus 8x10-6 / ° C, on sulandatud ränidioksiid substraadi eelistatavam valik, kui termiline stabiilsus on oluline. Sulatatud ränidioksiidi soojuspaisumistegur on ainult 0,57 × 10-6 / ° C, suurusjärk stabiilsem kui teistel optilistel materjalidel. Kiudlaserite tootjad soovitavad läbilaskva optika jaoks sulatatud ränidioksiidi, kui kiudlaser-väljund on suurem kui 50W. Näiteks Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) soovitab tungivalt sulatatud ränidioksiidi kasutamist kiudlaserrakendustes, kuna sellel on märkimisväärselt kõrgem laserkahjustuslävi. Sellel on N-BK7-ga sarnased läbilaskvad omadused vahemikus 500–2000 nm, kuid see on termiliselt stabiilsem ning sellel on kõrgemad kahjustuse läve piirid nii impulss- kui ka CW-süsteemidele. IPG Photonics pgphotonics.com) soovitab IR-kvaliteediga sulatatud ränidioksiidi kiudlaserite jaoks, mille võimsus on üle 1kW. Pinnapeegelduse vähendamiseks võib jällegi kasutada AR-katteid, kuid suurema energia saamiseks on kõige parem kasutada ainult mitmekihilisi “V” -kihi AR-katteid, mis taluvad kuni 1MW / cm2 või rohkem.
2 läätse
Teatavates rakendustes, näiteks optiliste püüniste kuvamisel, on pildi kvaliteedi säilitamine kogu kiirteel kriitiline. Ehkki sulatatud ränidioksiidist või N-BK7 materjalist ühekordsed läätsed sobivad lihtsateks kiirjuhtimisega rakendusteks, võivad edastatud lainefrondi vigade minimeerimiseks olla sobivamad kahepoolsed või kolmekordsed aplanaatilised läätsed. Nende objektiivide eesmärk on minimeerida kahte monokromaatilist lainefrondi viga, mida nimetatakse sfääriliseks aberratsiooniks ja koomaks. Sfääriline aberratsioon on aksiaalselt sümmeetriline ja ilmneb siis, kui läätse välimisi tsoone läbivad kolimatiseeritud kiired keskenduvad läätsest erinevale kaugusele kui kesktsooni läbivad kiired. Kooma on teljeväline mittesümmeetriline lainefrondi moonutus, mis suureneb lineaarselt koos välja nurga või kaugusega peateljest. Kombineeritult moonutavad need aberratsioonid läätse kaudu edastatud lainefronti ja põhjustavad fookuspunkti ebaregulaarse kuju ja / või hägususe.
Kahe- ja kolmepoolsete läätsede kujunduses võib sõltuvalt konkreetsest disainikriteeriumist kasutada eelnevalt loetletud alusmaterjale või muid materjale. Need on optimeeritud ühe lainepikkuse jaoks ja on tavaliselt õhuvahega, et minimeerida klaaspindade vahel tsemendi poolt põhjustatud täiendavat lainefrondi moonutust. Elementide õhkvahega kaugus võimaldab ka konstruktsiooni suuremat paindlikkust, kuna külgnevatel pindadel ei pea olema vastavaid kumerusi. Selle asemel saab kõiki nelja kuni kuut pinda iseseisvalt optimeerida, et kõige paremini minimeerida kooma ja sfäärilisi aberratsioone läbi läätse kogu. Tsementeeritud läätsede komplekte tuleks vältida, et maksimeerida komponendi üldist kahjustusläve ja kasutusiga.
3 kitsas spektririba
Kiudlaseri lainepikkuse vahemik määratakse kindlaks tootja pumpamisarhitektuuri ja aktiivkiudlaser-õõnsuses kasutatavate abiainete abil. Tüüpilised lainepikkuste vahemikud on: 780–800 nm erbiumi dopingu jaoks,
1030-1120 nm ytterbiumi jaoks, 1530-1600 nm erbium-ytterbiumi jaoks ja 1800-2100 nm tuliumi jaoks. Kiudlaseri ribalaiust määratlevad tavaliselt Braggi kiudvõred. Kiudlaserite tootjad määravad vahemiku, mille hulgast lõppkasutaja saab valida kindla lainepikkuse. Iga laseri tegelik ribalaius on ainult 1-2nm. See võib olla oluline detail selliste komponentide valimisel nagu kõrgema järgu laineplaadid, mis töötavad korralikult ainult kitsa ribalaiuse korral.
4 Polarisatsiooni optika
Ribalaius ja energiatihedus on kõige olulisemad kiirte omadused, mida erinevate polarisaatorite ja laineplaatide vahel valimisel teada tuleb. Lineaarsed polümeerpolarisaatorid ei ole ette nähtud kasutamiseks energiaga üle 1 W / cm2. Tsementeeritud kuup-polarisaatorid on saadaval nii kitsasriba- kui ka lairibakujunduses, kuid kahjustuste künnised on piiratud sisemise epoksiidiga. Ehkki vähesed optilised tsemendid taluvad väidetavalt laseri energiatihedust 500 W / cm2, soovitavad kiudlaserite tootjad vältida tsementeeritud optikat kiudlaserite jaoks, mille võimsus on üle 50 W. Sellest tasemest kõrgemal on vaja lülituda õhuruumis paikneva või optiliselt kontaktis oleva polariseeriva kuubi kujundusele, mis tavaliselt suudab CW-laservalgust rohkem kui 1 MW / cm2.
Mitmeastmelise kristallkvartsi laineplaadi korral, mille paksus on 1 mm, võib lainepikkuse erinevus 2 nm muuta suurepärase laineplaadi ja vastuvõetamatu osa vahel vahet. 1 mm paksune λ / 4 laineplaat, mis on kavandatud 1082 nm jaoks, oleks tegelikult 0,23 X laineplaat 1084 nm või λ / 50 välja lülitatud. Teise võimalusena muudaks sama kahe lainepikkuse jaoks konstrueeritud nulljärjestusega ühendlaineplaat nende kahe vahelist aeglustumist <λ 1000="" laine="" võrra,="" mis="" on="" hästi="" tüüpilistes=""> Nulljärjestusega laineplaadid töötavad kavandatud lainepikkusest väga hästi üle ± 40–70 nm ja sobivad hästi nii häälestatavate lasersüsteemide kui ka nende jaoks, mille laserriba ribalaius on üle 1 nm (vt joonis 3).
5 peeglit
Teiste laserliinide standardkomponendid - st olemasolevad kattekujundused - ei pruugi optimaalse jõudluse saavutamiseks sobida uute kiudlaser-lainepikkuste ja jõududega piisavalt hästi. Väga madala energiatarbega süsteemide puhul võivad teatud rakenduste jaoks, kus 100% peegeldus pole nõutav, sobivateks valikuteks kaitstud metallpeegelkatted nagu kuld, alumiinium ja hõbe. Need on kergesti kättesaadavad ja odavad. Isegi kaitsekihtide korral on metallkatted pehmed ja kui neid õigesti ei käsitata, võivad nad kriimustada või söövitada. Teise võimalusena on mitmekihilised dielektrilised peeglid kõvakattega, vastupidavad ja hästi peegeldavad kas normaalse kaldenurga või 45 ° nurga all (vt joonis 4). Neil on kahjustuse künnis üle 20 J / cm2 10-20-impulssistes impulsssüsteemides ja seetõttu ei tohiks need impulsside või CW-kiudlaser-seadistuste kasutamisel halveneda ega kahjustusi tekitada. Ehkki see pole eriti lairiba, peegeldab 1064nm Nd: YAG süsteemidele mõeldud dielektriline standardpeegel peegelduvust 1075nm või 1080nm> 99%.
6 Järeldus
CVI on esitanud uue peeglite rea, mis on spetsiaalselt ette nähtud kasutamiseks kiudlaser-süsteemides. Lisaks on CVI lisanud olemasolevatele tootesarjadele kõige tavalisemad kiudlaser-lainepikkused, sealhulgas AR-kattekihiga läbilaskev optika, näiteks laineplaadid, läätsed ja aknad, aga ka helkurkiled, osalised peegeldid, väljundliitmikud ja peeglid.
Kiudlaser-tootjad jätkavad oma tehnoloogia piire, suurendades kaubanduses saadaolevat CW-võimsust ja impulssenergiat. Suurepärane kiire kvaliteet koos suurema energiatarbimisega tekitab nendes süsteemides kasutatavatele optilistele komponentidele üha suuremaid nõudmisi. Nende komponentide põhispetsifikaadid hõlmavad alusmaterjali, kahjustusläve ja pinna kvaliteeti.
