Конструкция волоконного резонатора
Активное оптическое волокно
Сердцем волоконного лазера Rofin служит внутреннее кварцевое оптическое волокно, легированное активными элементами — ионами Yb3+. Это не просто техническая деталь, а фундамент всей системы. Представьте себе тончайшую нить, способную генерировать мощнейшее излучение.
Центральная часть (cladding), окружающая внутреннюю сердцевину, выполнена из кварцевого волокна. Она работает как волновод для сгенерированного лазерного излучения. Внутренние стенки волновода покрыты светоотражающей поверхностью (double clad fiber). Эта поверхность играет критически важную роль — она удерживает движущийся поток квантов света внутри волновода, не давая энергии рассеиваться.
Рис. 1. Принцип действия волоконного лазера
Без сомнения, такая конструкция обеспечивает уникальные преимущества. Возможность навивки оптического волновода длиной в несколько десятков метров на поверхности произвольной формы — это то, что отличает волоконный лазер от других типов источников.
Зеркала и брэгговские решетки
FBG-технология
Другой составной частью резонатора являются два зеркала: одно сплошное, другое — полупрозрачное. Как правило, эти зеркала выполнены на основе брэгговских решеток (fiber bragg gratings, сокращенно FBGs). Такая конструкция позволяет задать длину волны волоконного лазера в пределах 1080 nm.
Почему именно эта длина волны? Всё просто. Лазерное излучение с указанной длиной волны обладает высокой степенью поглощения металлическими материалами. Это критически важно для промышленного применения.
Брэгговские решетки (FBG) и активная светоотражающая поверхность (double clad fiber) образуют на оптических поверхностях своеобразный сплав, называемый сплайсом (splice). Технически грамотно, не правда ли?
Рис. 2. 4 кВт волоконный лазер серии FL
Как генерируется лазерный луч
Процесс накачки
Чтобы лазер заработал, нужно выполнить накачку лазерного излучения в описанную конструкцию. Для этого с помощью волоконно-оптических комбайнов излучение лазерных диодов вводится в кварцевое волокно. Оно распространяется вдоль всего сложного составного волокна, отражаясь от светоотражающего покрытия и обеспечивая высокую выходную мощность.
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).
Это серьёзно. Одно дело — теория, другое — практика. А здесь именно практика.
Мощность и качество излучения
Диапазоны мощностей
Компания Rofin предлагает волоконные лазеры серии FL с мощностью в пределах 500 Вт – 4 кВт. Для мультимодового режима применяется оптическое волокно диаметром от 50 до 600 µm.
| Тип лазера | Мощность | Диаметр волокна | Качество излучения |
|---|---|---|---|
| Одномодовый | до 1 кВт | минимальный | ≤ 0,4 мм × мрад |
| Мультимодовый | 500 Вт – 4 кВт | 50-600 µm | зависит от диаметра |
Одномодовые волоконные лазеры обеспечивают качество излучения ≤ 0,4 мм × мрад при выходной мощности до 1 кВт. Показатели впечатляют.
Рис. 3 Волоконный лазер в действии
Система диодной накачки
Современные лазерные диоды
Современные лазерные диоды, используемые в качестве источников накачки, охлаждаются пассивно посредством так называемых «макро-каналов» и имеют срок службы в пределах 10 тыс. рабочих часов. В волоконных лазерах Rofin используется принцип первоначального сведения мощности излучения, генерируемого диодами, с последующей передачей посредством нескольких волокон для накачки активной среды.
Лазерное излучение, генерируемое диодами накачки, подключенными с обоих 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%.
80%! Это на порядок выше, чем у систем с ламповой накачкой. Чувствуете разницу?
Замена диодов без остановки
Отличительная особенность волоконного 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.
Удобно. Не нужно останавливать всё производство из-за одного диода.
Электрический шкаф и управление
Что важно для потребителя
Для потребителя, выбирающего лазерное оборудование, важны не только технические характеристики (мощность лазерного излучения, качество, длина волны, фокусируемость), но и экономические показатели: эксплуатационные расходы, затраты на техническое обслуживание, возможность интегрирования в имеющуюся производственную среду.
Доминирующим вопросом всё чаще становится степень эффективности преобразования электрической энергии в оптическую (wall plug efficiency). Энергопотребление стало центральной темой дискуссий вокруг различных лазерных технологий.
Система RCU на Windows CE
Компания Rofin последовательно делает ставку на системы управления собственной разработки — систему RCU (Rofin control unit), работающую под управлением операционной системы Windows CE. Она обеспечивает ряд преимуществ в области интеграции и управления.
Одно из них — переносной пульт управления с сенсорным дисплеем. На него в режиме реального времени выводятся все необходимые параметры:
- ★ Мощность
- ★ Частота модуляции
- ★ Текущая прикладная программа
- ★ Данные состояния интерфейсов
- ★ Предупреждения и сообщения о неисправностях
Одновременный вывод данных возможен через I/O-интерфейсы (24 В). Используемые полевые шины придают системе управления дополнительную гибкость. При применении нескольких лазеров Rofin система обеспечивает их единое управление через общие интерфейсы.
Поскольку высокое качество излучения может стать основой для использования высокодинамичных систем отклонения лазерного луча, в RCU заложена опциональная возможность непосредственного управления работой сканеров. Расширение выполняется за счет подключения соответствующих аппаратных и программных модулей.
Электрический шкаф способен вместить до четырех выходных модулей. Дополнительные модули обеспечивают работу 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.
Энергоэффективность и КПД
Сравнение с другими технологиями
С точки зрения энергоэффективности у волоконного лазера весьма выгодные позиции. Его оптический КПД составляет свыше 80%, что говорит само за себя.
| Показатель | Волоконный лазер | Ламповая накачка |
|---|---|---|
| Оптический КПД | >80% | значительно ниже |
| Общий КПД | 25-30% | 2-3% |
| Расход охлаждающей воды | минимальный | значительный |
| Срок службы диодов | 10 000 часов | зависит от ламп |
Высокоэффективные лазерные диоды, питаемые от источников питания последнего поколения, плюс минимальный расход охлаждающей воды обеспечивают общий КПД в пределах 25–30%. Это на порядок выше, чем у систем с ламповой накачкой.
Цифры говорят сами за себя. Экономия налицо.
Увеличение мощности и перспективы
Суммирование мощностей
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.
Внедрение технологии волоконных сборок представляет собой одну из составляющих концептуальной стратегии Rofin. Компания последовательно работает над созданием новых систем, расширяющих арсенал лазерного промышленного инструментария.
Логично. Рынок требует больше мощности — инженеры её дают.
Место волоконных лазеров в промышленности
Комплексный подход Rofin
Волоконные лазеры дополняют палитру существующих лазерных систем, во многих случаях открывая новые возможности для прикладного применения лазерной техники и внедрения передовых технологий в промышленную металлообработку.
Философия Rofin — предоставление потребителю наилучших и оптимальных технических решений, способных удовлетворить запросы как с точки зрения снижения эксплуатационных расходов, так и соответствия конкретным требованиям производственных задач.
Компания Rofin предлагает полный комплекс существующих источников лазерного излучения:
- ✓ Твердотельные лазеры с ламповой и диодной накачкой
- ✓ Стержневой или дисковой конструкции
- ✓ Лазеры с модуляцией добротности (Q-switched laser)
- ✓ CO2-лазеры
- ✓ Прямые диодные лазеры (direct diode laser)
Волоконные лазеры серии FL, демонстрирующие высочайшее качество излучения, являются достойным дополнением этой линейки.
Есть над чем подумать. Выбор за вами.
Маркус Рютеринг
(Markus Rütering)
Представительство Рофин РФ АТС ОСТ
115093, Россия, Москва, ул. Щипок, 22
Тел/Факс + (495) 797-6916/17/18 (107)
E-mail: info@atsost.ru
