Мощные волоконные лазеры – 20 лет развития

История развития: от 2 Вт до 50 кВт за 20 лет

Прорыв 1990 года

Первый скачок произошел в 1990 г., когда В.П. Гапонцев продемонстрировал лазер на волокне, активированном эрбием (1,54 мкм), с выходной мощностью 2 Вт. 20-кратное 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.

Вклад IPG Photonics Corporation

Решающий вклад в развитие этого направления внесла международная научно-техническая группа IPG Photonics Corporation, созданная на основе НТО «ИРЭ-Полюс» (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.

Уникальные преимущества технологии

Волоконные лазеры оказались идеальными для использования в оптических системах телекоммуникации, позволили создать мощные лазерные системы для промышленных применений.

Волоконные лазеры, включая самые мощные, являются интегральными волоконными устройствами, не содержащими требующих юстировки дискретных элементов.

В таких устройствах излучение до выхода из них не соприкасается с окружающей средой, что обеспечивает:

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 «ИРЭ-Полюс».

Одномодовые лазеры: 10 кВт с качеством луча near-diffraction-limited

Принципиальная необходимость одномодового режима

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.

Рекордная мощность 10 кВт

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.

Рис. 1. Одномодовый волоконный лазер YLR10000SM мощностью 10 кВт

Лазеры на других длинах волн

Одномодовые лазеры также выпускаются на основе волокон, активированных:

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 лазеры: суммирование излучения до 50 кВт

Принцип суммирования мощности

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.

Рекордные 50 кВт

В настоящее время наиболее мощными коммерческими моделями волоконных лазеров, выпускаемыми IPG, являются лазеры с выходной мощностью излучения 30 и 50 кВт.

Рис. 2. Многомодовый волоконный лазер YLR50000 мощностью 50 кВт

Технические характеристики YLR50000

Параметры лазера YLR50000 с выходной мощностью более 50 кВт представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры волоконного лазера YLR50000 мощностью 50 кВт

Потенциал дальнейшего роста

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.

Импульсные лазеры: пиковая мощность 50 кВт, безопасная длина волны 1,55 мкм

Применения импульсных лазеров

Для многих применений требуется использование импульсно-периодических режимов работы с короткими импульсами и пиковыми мощностями, значительно превышающими средние:

• Гравировка и маркировка различных изделий;
• Скрайбирование полупроводниковых пластин;
• Точная обработка тонколистовых материалов;
• Микромеханическая обработка.

Серийные импульсные лазеры

Подобные лазеры с пиковой мощностью порядка 20 кВт были разработаны и доведены до стадии серийной продукции в 1995 г.

Рис. 4. Импульсно-периодический волоконный лазер на Yb-активированном волокне

Характеристики импульсных лазеров на Yb

Характеристики импульсно-периодических лазеров на Yb-активированном волокне приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики импульсных волоконных лазеров на иттербии

Цветная маркировка металлов

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.

Безопасные лазеры 1,5 мкм

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 OEM лазерного модуля на Er-активированном волокне:

Рис. 5. OEM лазерный модуль на Er-активированном волокне (1,55 мкм)

Сравнение с CO2, Nd:YAG и дисковыми лазерами

Динамика роста мощностей

К настоящему времени наиболее широкое применение, прежде всего в промышленности, получили три типа мощных лазеров:

1. Углекислотные (CO2);
2. На гранате с неодимом (Nd:YAG);
3. Волоконные.

На рис. 6 дана представленная Х. Шлутером динамика роста выходных мощностей лазеров на CO2 и традиционных АИГ:Nd, дополненная 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.

Рис. 6. Динамика роста выходных мощностей лазеров различных типов

Текущее состояние

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:

Дисковые лазеры: конкуренция или ниша?

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;
• 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.

Преимущества: монолитная конструкция, КПД 35%, отсутствие юстировки

Достижения за 20 лет

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:

Новая технологическая платформа

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.

Рекордные мощности

Получены рекордные мощности излучения (до 50 кВт) при его уникальном качестве (вплоть до теоретического предела в одномодовых лазерах).

Рекордные эффективности

Реализованы рекордные эффективности (до 35% или в 4–10 раз лучше, чем у традиционных CO2 и АИГ:Nd лазеров и в 1,5 раза лучше, чем у дисковых лазеров).

Монолитный дизайн

Впервые реализован полностью монолитный (интегральный) волоконный дизайн лазеров, обеспечивающий их:

• Уникальную компактность;
• Нечувствительность к окружающим условиям;
• Высокую надежность.

Благодаря этому волоконные лазеры имеют высокие эксплуатационные качества и не требуют постоянного технического обслуживания.

Промышленное применение: резка, сварка, термообработка

Основные области применения

Волоконные лазеры IPG Photonics Corporation находят широкое применение в промышленности:

Телекоммуникации

Волоконные лазеры оказались идеальными для использования в оптических системах телекоммуникации, особенно на длинах волн 1,5 мкм и 1,55 мкм, где потери в оптоволокне минимальны.

Передача излучения: потери 13% на расстоянии 1 км

Эффективная транспортировка мощности

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%.

Рис. 3. Эффективность передачи излучения мощностью 5 кВт на расстояние до 1 км

Практическое значение

Это открывает возможности для:

• Разделения источника излучения и рабочей зоны;
• Создания гибких производственных линий;
• Обслуживания нескольких рабочих постов одним лазером;
• Размещения источника в защищенном помещении.

Потери 13% на километр — это отличный показатель для промышленного применения.

И.Э. Самарцев
Зам. генерального директора
НТО «ИРЭ-Полюс»
г. Фрязино, МО, пл. Введенского д. 1
тел. (496) 2557448
(495) 7281639
факс (496) 2557459
email: sales@ntoirepolus.ru
www.ntoirepolus.ru