Kuitulaser-sovellusten optiikka
Kuitulaserit ovat löytäneet prosessointi- ja tutkimusraon, jossa Nd: YAG-laserit ovat liian kalliita tai niiden säteilyominaisuudet ovat epätoivottavia (esim. Suuret M2-arvot). Kuitulaserien käyttäjät saattavat olla kiinnostuneita nykyisten optisten komponenttien vaihtokelpoisuudesta tai siitä, kuinka määritellä uusi optiikka. Tämä artikkeli käsittelee tällaisia huolenaiheita ja korostaa, mitkä ominaisuudet tulisi määritellä erityisen huolellisesti.
Kuitulaserit ovat saavuttaneet perustana monissa sovelluksissa, kuten poraus, hitsaus, folionleikkaus, lasermerkinnät ja tarkka mikrotyöstö. Tutkijat pitävät niitä myös erittäin hyödyllisinä lähteinä pienten jalanjälkien ja alhaisten M2-arvojen vuoksi. Kuitulaserien menestys perustuu niiden ainutlaatuiseen sädeominaisuuksien yhdistelmään, jota ei ole saatavana muista lähteistä samalla aallonpituusalueella: valinnainen CW- tai pulssitoiminta, polarisaatiosäätö (satunnainen, lineaarinen tai pyöreä), kapea spektrinen kaistanleveys ja TEM00 M2 -arvot lähestyvät 1 Tällaisella M2: n parannuksella Nd: YAG-lasereihin verrattuna voidaan saavuttaa huomattavasti suurempia tehotiheyksiä. Tiheämmin kohdistetut palkit ovat mahdollisia, jolloin saadaan terävämpi kuva merkitsemistä varten ja hienompia leikkauksia mikromahdollisuuksiin. Valmistustyön etäisyyksiä voidaan myös kasvattaa. Siksi markkinat odottavat kohtaavan kasvavan kysynnän omistettujen optisten komponenttien, jotka on suunniteltu kuitulaser-sovelluksiin.
1 Palkin laadun vaikutukset
Komponenttien valintaprosessiin vaikuttaa voimakkaasti kuitulaserilla saavutettavat suuret tehotiheydet. Kuitulaserin optinen onkalo on kuituydin, joka voidaan suunnitella minimoimaan moodien lukumäärä, jolloin valmistajat voivat tuottaa kaupallisesti lasereita, joiden M2 = 1,05. M2 on lasersäteen monimuotoisen halkaisijan-divergenssituotteen suhde ihanteelliseen diffraktiorajoitettuun (TEM00) säteen halkaisijan-divergenssituotteeseen:
Missä Θ0 on säteen divergenssi milliradiaaneissa ja w0 on lähtöpalkin vyötärön leveys (jos palkki on pyöreä, silloin w0 voidaan korvata palkin halkaisijalla d0). Tai saavutettavissa olevalle polttopisteen halkaisijalle d0:
Kuvio 1 kuvaa yhtälössä (2) käytettyjä parametreja. Kuitulaserivalmistajat toimittavat tyypillisesti säteen toimituspään, jonka kollimoitu lähtö on halkaisijaltaan 5 - 20 mm (D0). Laskelmat osoittavat, että teoreettinen polttopisteen halkaisija d0 on 10 μm saavutettavissa 19 mm: n polttovälin linssillä. Siksi 50 W kuitulaserille 1075 nm: ssä tarkennettu säde pakkaa valtavan optisen tehotiheyden
Lisää yhdistelmiä on annettu taulukossa 1. Vaikka palkin ohjauksen optiikka ei välttämättä koskaan näe täysin tarkennettua pistettä, on olemassa turvallisuuskerroin, jonka suunnittelija haluaa ottaa huomioon. nämä suuret, diffraktiolla rajoitetut tehotiheydet voivat vaikuttaa optisiin elementteihin kohdistuksen aikana.
Matalan energian pulssikuitulasereille ja keskialueen CW-lasereille (luokkaa 1-5 W keskimääräinen teho), N-BK7-lasi Schott chott.de: lta) on sopiva ja edullinen substraatti sekä heijastavaan että läpäisevään optiikkaan, missä energia optisella pinnalla on <50mw> N-BK7 on borosilikaattisesta kruunusta valmistettu optinen lasi, jolla on korkea homogeenisuus ja korkea läpäisy näkyvässä ja lähellä infrapunassa. Ikkunoissa, linsseissä ja osittaisissa heijastimissa voidaan käyttää heijastumisen estäviä (AR) pinnoitteita kokonaisläpäisyn lisäämiseksi komponentin läpi. Näissä energioissa voidaan käyttää joko kapeakaistaisia (“V” -päällysteisiä) AR-päällysteitä tai monikerroksisia laajakaistaisia AR-päällysteitä pinta-alaista heijastavuutta pienentämään noin 4%: sta <0,25%: iin="" yhdellä="" aallonpituudella="" tai=""><0,5%: lla="" kaistanleveydellä.="" 250-400="" nm="" viritettävissä="" laserjärjestelmissä="" (katso="" kuva="">
Kapeakaistaiset ”V” -päällysteet ovat monikerroksisia (tyypillisesti kaksikerroksisia) dielektrisiä heijastumisen estäviä päällysteitä, joilla saavutetaan teoreettinen minimireflektiivisyys kapealla aallonpituusalueella. Heijastuskyky nousee nopeasti tämän minimin molemmin puolin, jolloin sille on V-muoto heijastavuudesta aallonpituusgraafiin nähden. Yhdysvaltain valmistajat käyttävät tyypillisesti terminologiaa “V-coat” tai “laserline” erottaakseen tämän pinnoitteen laajakaistaisten AR-tarjonnastaan.
Toinen materiaalivaihtoehto käytettäväksi 1-5W-kuitulaserien kanssa on Schottin N-SF11-lasi, jonka taitekerroin n = 1,754 aallonpituudella 1060 nm, korkeampi kuin N-BK7: n (1,507). Tämä tarjoaa joustavuuden, jos sovellukseen vaaditaan linssi, jolla on lyhyt polttoväli. Koska sekä N-SF11: llä että N-BK7: llä on lämpölaajenemiskertoimet alueella 8 x 10-6 / ° C, sulatettu piidioksidi on edullinen substraattimateriaalivalinta, jos lämpöstabiilisuus on tärkeä. Sulatetun piidioksidin lämpölaajenemiskerroin on vain 0,57 x 10-6 / ° C, mikä on suuruusluokkaa stabiilimpi kuin muut optiset materiaalit. Kuitulaservalmistajat suosittelevat sulatettua piidioksidia läpäisevään optiikkaan käytettäväksi yli 50 W kuitulaserlähtöjen kanssa. Esimerkiksi Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) suosittaa voimakkaasti sulatetun piidioksidin käyttöä kuitulasersovelluksissa, koska sen laservauriokynnys on huomattavasti korkeampi. Sillä on samanlaiset läpäisevät ominaisuudet kuin N-BK7: llä välillä 500 - 2 000 nm, mutta se on lämpöstabiilimpi ja sillä on korkeammat vaurioraja-arvot sekä pulssi- että CW-järjestelmille. IPG Photonics pgphotonics.com) suosittelee IR-luokan sulatettua piidioksidia kuitulähteille, joiden teho on yli 1 kW. AR-pinnoitteita voidaan jälleen käyttää vähentämään pintaheijastuksia, mutta korkeampien energioiden kannalta on parasta käyttää vain monikerroksisia “V” -pinnoitteisia AR-pinnoitteita, jotka kestävät vähintään 1 MW / cm2 tai enemmän.
2 linssiä
Tietyissä sovelluksissa, kuten optisten ansojen kuvantaminen, kuvanlaadun ylläpitäminen koko säteen polulla on kriittistä. Vaikka singlettilinssit, joko sulatettua piidioksidia tai N-BK7-materiaalia, soveltuvat yksinkertaisiin säteenohjaussovelluksiin, kaksinkertaiset tai kolminkertaiset aplanaattiset linssit saattavat olla sopivampia lähetettyjen aaltopintavirheiden minimoimiseksi. Nämä linssit on suunniteltu minimoimaan kaksi yksiväristä aaltorintamavirhettä, nimeltään pallomainen aberraatio ja kooma. Pallomainen aberraatio on aksiaalisesti symmetrinen ja tapahtuu, kun linssin ulkovyöhykkeiden läpi kulkevat kollimoidut säteet keskittyvät eri etäisyydelle linssistä kuin keskialueen läpi kulkevat säteet. Kooma on akselin ulkopuolella oleva epäsymmetrinen aaltorintaman vääristymä, joka kasvaa lineaarisesti kentän kulman tai etäisyyden kanssa pääakselista. Yhdessä nämä poikkeamat vääristävät linssin läpi kulkevaa aallonrintamaa ja aiheuttavat polttopisteen epäsäännöllisen muodon ja / tai epäselvyyden.
Kaksinkertaisten ja kolminkertaisten linssien malleissa voidaan hyödyntää aiemmin lueteltuja substraattimateriaaleja tai muita materiaaleja erityisistä suunnitteluperusteista riippuen. Ne on optimoitu yhdelle aallonpituudelle ja ovat yleensä ilmavälillä minimoidakseen lisäsementtien aiheuttamat lisäaallon vääristymät lasipintojen välillä. Elementtien välimatka mahdollistaa myös suuremman joustavuuden suunnittelussa, koska vierekkäisillä pinnoilla ei tarvitse olla vastaavia kaarevuuksia. Sen sijaan jokainen neljästä kuuteen pintaa voidaan optimoida itsenäisesti kooman ja pallomaisten aberraatioiden minimoimiseksi parhaalla mahdollisella linssikokoonpanolla. Sementoituja linssikokoonpanoja tulisi välttää, jotta komponentin kokonaisvahinkokynnys ja käyttöikä olisi mahdollisimman suuri.
3 Kapean spektrin kaistanleveys
Kuitulaserin aallonpituusalue määritetään valmistajan pumppausarkkitehtuurilla ja aktiivisen kuidun laserontelossa käytetyillä lisäaineilla. Tyypilliset aallonpituusalueet ovat: 780 - 800 nm erbium-dopingille,
1030 - 1120 nm ytterbiumille, 1530-1600 nm erbium-ytterbiumille ja 1800-2100 nm periumille. Kuitulaserin kaistanleveys määritetään tyypillisesti kuidun Bragg-ritilillä. Kuitulaservalmistajat määrittävät alueen, josta loppukäyttäjä voi valita tietyn aallonpituuden. Kunkin laserin todellinen kaistanleveys on vain 1-2nm. Tämä voi olla tärkeä yksityiskohta valittaessa komponentteja, kuten korkeamman asteen aaltolevyt, jotka toimivat oikein vain kapealla kaistanleveydellä.
4 Polarisaatiooptiikka
Kaistanleveys ja energian tiheys ovat tärkeimmät säteen ominaisuudet, jotka tulee tietää valittaessa eri polarisaattoreiden ja aaltolevyjen välillä. Lineaarisia polymeeripolaattoreita ei ole tarkoitettu käytettäväksi yli 1 W / cm2 energialähteillä. Sementoituja kuutiopolarisaattoreita on saatavana sekä kapeakaista- että laajakaistamalleissa, mutta vauriokynnykset rajoittavat sisäinen epoksi. Vaikka joidenkin optisten sementtien voidaan väittää kestävän laservoiman tiheydet 500 W / cm2, kuitulaserien valmistajat suosittelevat välttää sementoitua optiikkaa yli 50 W: n nimelliskuitulaserille. Tämän tason yläpuolella on tarpeen vaihtaa ilmaväliseen tai optisesti kosketukseen saatavaan polarisoivaan kuutiorakenteeseen, joka tyypillisesti pystyy käsittelemään yli 1 MW / cm2 CW-laservaloa.
Usean kertaluvun kristallikvartsi-aaltolevyn läheisyydessä, jonka paksuus on lähellä 1 mm, 2 nm: n aallonpituusmuutos voi tehdä eron erinomaisen aaltolevyn ja ei-hyväksyttävän osan välillä. 1 mm paksu λ / 4-aaltolevy, joka on suunniteltu 1082 nm: lle, olisi oikeastaan 0,23 λ: n aaltolevy 1084 nm: ssä tai λ / 50 pois päältä. Vaihtoehtoisesti samoille kahdelle aallonpituudelle suunniteltu yhdistetyn nollajärjestyksen aaltolevy muuttaisi näiden kahden välistä hidastumista <λ 1000="" aaltoa,="" mikä="" on="" hyvin="" tyypillisissä=""> Nollajärjestyksen aaltolevyt toimivat erittäin hyvin yli ± 40 - 70 nm: n päässä suunnitellusta aallonpituudesta ja soveltuvat hyvin viritettäviin laserjärjestelmiin sekä sellaisiin, joiden laserlinjan kaistanleveys on> 1 nm (katso kuva 3).
5 peilit
Muiden laserlinjojen vakiokomponentit - eli olemassa olevat pinnoitusmallit - eivät välttämättä vastaa tarpeeksi uusia kuitulaserin aallonpituuksia ja voimia optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Hyvin vähän energiaa käyttävissä järjestelmissä suojatut metallipeilipinnoitteet, kuten kulta, alumiini ja hopea, voivat olla sopivia valintoja tietyissä sovelluksissa, joissa 100-prosenttista heijastavuutta ei vaadita. Ne ovat helposti saatavissa ja edullisia. Kuitenkin jopa suojakerroksissa metallipinnoitteet ovat pehmeitä ja lopulta naarmuuntuneita tai syövyttäviä, jos niitä ei käsitellä oikein. Vaihtoehtoisesti monikerroksiset dielektriset peilit ovat kovapinnoitettuja, kestäviä ja erittäin heijastavia joko normaalissa olosuhteissa tai 45 ° (katso kuva 4). Niiden vauriokynnysarvo ylittää 20J / cm2 10-20: n sekunnin pulssijärjestelmissä, joten niiden ei pitäisi heikentyä tai aiheutua vahinkoa, kun niitä käytetään joko pulssi- tai CW-kuitulaseriasennuksissa. Vaikka dielektrinen vakiopeili, joka on suunniteltu 1064 nm Nd: YAG -järjestelmille, ei ole erityisen laajakaistainen, heijastaa silti> 99% 1075 nm tai 1080 nm.
6 Johtopäätös
CVI on tuonut markkinoille uuden peilisarjan, joka on erityisesti suunniteltu käytettäväksi kuitulaserjärjestelmien kanssa. Lisäksi CVI on lisännyt yleisimmät kuitulaser-aallonpituudet olemassa oleviin tuotelinjoihin, mukaan lukien läpäisevän optiikan AR-pinnoitteet, kuten aaltolevyt, linssit ja ikkunat, samoin kuin säteenjakojen, osittaisten heijastimien, lähtöliittimien ja peilien heijastavat pinnoitteet.
Kuitulaserien valmistajat jatkavat teknologiansa rajojen kasvattamista kasvattamalla kaupallisesti saatavissa olevaa CW-tehoa ja pulssienergiaa. Erinomainen säteen laatu yhdessä korkeampien energioiden kanssa asettaa edelleen kasvavia vaatimuksia näissä järjestelmissä käytettäville optisille komponenteille. Näiden komponenttien keskeiset tekniset tiedot sisältävät alustamateriaalin, vauriokynnyksen ja pinnan laadun.
