OPTIK UNTUK APLIKASI LASER FIBER
Laser serat telah menemui pemprosesan dan bidang penyelidikan di mana Nd: YAG laser terlalu mahal atau mempunyai sifat rasuk yang tidak diingini (misalnya nilai M2 yang besar). Pengguna laser serat mungkin prihatin dengan pertukaran antara komponen optik sedia ada mereka atau cara menentukan optik baru. Artikel ini membincangkan bidang-bidang yang menjadi perhatian dan menyoroti ciri-ciri yang perlu ditentukan dengan berhati-hati.
Laser serat semakin mendapat perhatian dalam pelbagai aplikasi seperti penggerudian, kimpalan, pemotongan foil, penanda laser, dan pemesinan mikro yang tepat. Para saintis penyelidikan juga mendapati mereka sangat berguna sebagai sumber kerana jejak kaki kecil mereka dan nilai M2 yang rendah. Kejayaan laser serat didasarkan pada gabungan unik ciri-ciri balok yang tidak tersedia dari sumber-sumber lain dalam julat panjang gelombang yang sama: CW pilihan atau operasi berdenyut, kawalan polarisasi (rawak, linear atau pekeliling), jalur lebar spektrum sempit, dan nilai TEM00 M2 yang menghampiri 1 Dengan peningkatan M2 over Nd: YAG laser, ketumpatan kuasa jauh lebih tinggi dapat direalisasikan. Rasuk yang lebih terfokus adalah mungkin, menghasilkan imej yang lebih tajam untuk menandakan dan pemotongan yang lebih halus untuk micromachining. Jarak kerja pembuatan juga boleh ditingkatkan. Oleh itu, pasaran menjangkakan untuk menghadapi permintaan yang semakin meningkat dalam komponen optik khusus yang direka untuk aplikasi laser gentian.
1 Kesan Kualiti Rasuk
Proses pemilihan komponen sangat dipengaruhi oleh kepadatan daya tinggi yang dapat dicapai dengan laser serat. Rongga optik laser serat adalah teras serat yang boleh direka untuk meminimumkan bilangan mod, dengan itu membolehkan pengeluar menghasilkan laser secara komersil dengan M2 = 1.05. M2 adalah nisbah produk diameter-divergensi multimode pancaran laser kepada kelebihan difraksi yang ideal (TEM00) diameter-divergensi rasuk:
Di mana Θ0 adalah perbezaan lintasan dalam milliradians dan w0 ialah lebar pinggang output balut (jika balok itu bulat, maka w0 boleh digantikan dengan diameter balok d0). Atau untuk diameter fokus fokus yang boleh dicapai d0:
Rajah 1 menggambarkan parameter yang digunakan dalam persamaan (2). Pengeluar laser serat biasanya menyediakan kepala penyampaian rasuk dengan keluaran bersebelahan antara diameter 5mm dan 20mm (D0). Pengiraan menunjukkan bahawa diameter fokus utama teoritis d0 10μm boleh dicapai dengan kanta panjang fokus 19mm. Oleh itu, untuk laser serat 50W pada 1075nm, pek pancaran yang fokus memfokuskan ketumpatan kuasa optik yang luar biasa
Lebih banyak kombinasi diberikan dalam jadual 1. Walaupun optik stereng rasuk tidak dapat melihat tempat yang sangat terfokus, terdapat faktor keselamatan yang akan diambil oleh jurutera rekabentuk; ketumpatan kuasa terhad yang difraksi ini boleh menyebabkan unsur optik semasa penjajaran.
Untuk laser serat tenaga rendah dan laser CW tengah-tengah (berdasarkan kekerapan purata 1-5W), kaca N-BK7 dari Schott chott.de) adalah bahan substrat yang sesuai dan murah untuk kedua-dua optik reflektif dan transmissive di mana tenaga pada permukaan optik ialah <50mw> N-BK7 ialah kaca optik borosilikat optik dengan homogen tinggi dan transmisi tinggi dalam infra merah dan kelihatan. Lapisan anti-refleksi (AR) boleh digunakan pada tingkap, kanta dan reflektor separa untuk meningkatkan penghantaran keseluruhan melalui komponen. Pada tenaga ini, sama ada sempit ("V" -coat) pelapisan AR atau pelapisan lapisan jalur lebar pelbagai lapisan boleh digunakan untuk mengurangkan keterlihatan permukaan setiap dari kira-kira 4% hingga <0.25% pada="" satu="" gelombang="" panjang="" atau=""><0.5% daripada="" 250-400nm="" untuk="" sistem="" laser="" boleh="" ubah="" (lihat="" gambar="">
Pelapis "V" yang sempit adalah pelapis anti-refleksi dielektrik berbilang lapisan (biasanya dua lapisan) yang mencapai pemantulan minimum teoretik pada jalur panjang gelombang yang sempit. Refleksi naik dengan pesat di kedua-dua belah minimum ini dengan memberikannya "V" dalam bentuk refleksi berbanding dengan panjang gelombang graf. Pengilang AS biasanya menggunakan terminologi "V-coat" atau "laserline" untuk membezakan lapisan ini daripada penawaran AR jalur lebar mereka.
Satu lagi pilihan bahan untuk digunakan dengan laser serat 1-5W ialah kaca N-SF11 dari Schott yang mempunyai indeks biasan n = 1.754 pada 1060 nm, lebih tinggi daripada N-BK7 (1.507). Ini memberikan kelonggaran sekiranya kanta dengan jarak fokus pendek diperlukan untuk aplikasi itu. Oleh kerana kedua-dua N-SF11 dan N-BK7 mempunyai pekali pengembangan haba dalam julat 8 × 10-6 / ° C, silika yang bersatu adalah pilihan bahan substrat pilihan jika kestabilan haba adalah penting. Silika fused mempunyai pekali pengembangan termal hanya 0.57 × 10-6 / ° C, suatu urutan magnitud yang lebih stabil daripada bahan optik lain. Pengeluar laser gentian mengesyorkan silika bersalut untuk optik transmissive untuk digunakan dengan output laser serat yang lebih besar daripada 50W. Sebagai contoh, Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) amat mengesyorkan penggunaan silika yang digunakan untuk aplikasi laser serat kerana ambang kerosakan laser yang lebih tinggi. Ia mempunyai sifat transmissive yang sama kepada N-BK7 dari 500-2000nm, tetapi lebih stabil secara stabil dan mempunyai had ambang kerosakan yang lebih tinggi untuk kedua-dua sistem berdenyut dan CW. IPG Photonics pgphotonics.com) mencadangkan silika bersalut kelas IR untuk laser serat yang diberi nilai di atas 1kW. Sekali lagi, pelapis AR boleh digunakan untuk mengurangkan pantulan permukaan, tetapi untuk tenaga yang lebih tinggi adalah lebih baik menggunakan lapisan pelapis AR "V" -coat sahaja, yang bertahan sehingga 1MW / cm2 atau lebih.
2 kanta
Dalam aplikasi tertentu, seperti pengimejan perangkap optik, mengekalkan kualiti imej sepanjang laluan rasuk adalah kritikal. Walaupun lensa tunggal, sama ada dengan silika atau bahan N-BK7 yang sesuai, sesuai untuk aplikasi stereng rasuk yang mudah, lensa aplanatic doublet atau triplet mungkin lebih sesuai untuk meminimumkan kesilapan gelombang yang ditransmisikan. Kanta-kanta ini direka untuk meminimumkan dua kesilapan gelombang gelombang monochromatic yang disebut Pengurangan Spherical dan Coma. Penolakan Sfera bersifat simetri dan berlaku apabila sinar-sinaran bercampur melalui zon luar fokus kanta pada jarak yang berbeza dari lensa berbanding pancaran melalui zon pusat. Coma adalah distorsi gelombang hadapan bukan-simetri luar paksi yang meningkatkan linear dengan sudut medan atau jarak dari paksi utama. Dalam kombinasi, penyimpangan ini mengganggu gelombang depan yang ditransmisikan melalui kanta dan menyebabkan tempat tumpuan menjadi tidak teratur dan / atau kabur.
Reka bentuk kanta Doublet dan triplet boleh menggunakan bahan-bahan substrat yang terdahulu disenaraikan atau bahan lain, bergantung pada kriteria reka bentuk tertentu. Mereka dioptimumkan untuk satu gelombang panjang dan biasanya jarak udara untuk meminimumkan gangguan gelombang tambahan yang disebabkan oleh simen antara permukaan kaca. Air-spasi unsur-unsur juga membolehkan peningkatan fleksibiliti dalam reka bentuk kerana permukaan bersebelahan tidak perlu mempunyai lekuk yang sepadan. Sebaliknya, setiap empat hingga enam permukaan boleh dioptimumkan secara bebas untuk meminimumkan koma dan penyimpangan sfera terbaik melalui pemasangan lensa lengkap. Perhimpunan lensa disenyum hendaklah dielakkan untuk memaksimumkan ambang kerosakan keseluruhan dan seumur hidup komponen.
3 Bandwidth Spektrum yang sempit
Julat panjang laser serat ditentukan oleh seni bina pam pengeluar dan dopan yang digunakan dalam rongga laser serat aktif. Rentang panjang gelombang biasa ialah: 780-800nm untuk doping erbium,
1030-1120nm untuk ytterbium, 1530-1600nm untuk erbium-ytterbium, dan 1800-2100nm untuk thulium. Jalur lebar laser serat biasanya ditentukan oleh serat Bragg gratings. Pengeluar laser serat akan menentukan julat, dari mana pengguna akhir dapat memilih panjang gelombang tertentu. Bandwidth sebenar setiap laser hanya 1-2nm. Ini boleh menjadi perincian penting apabila memilih komponen seperti waveplates pesanan yang lebih tinggi yang berfungsi dengan betul hanya melalui jalur lebar sempit.
4 Optik Polarisasi
Bandwidth dan kepadatan tenaga adalah ciri-ciri balok yang paling penting untuk mengetahui apabila memilih antara pelbagai polariser dan waveplates. Polariser linier polimer tidak bertujuan untuk digunakan pada tenaga yang lebih besar daripada 1W / cm2. Polarizer kubus yang disusun boleh didapati di kedua-dua jalur sempit dan reka bentuk jalur lebar tetapi ambang kerosakan dihadkan oleh epoksi dalaman. Walaupun beberapa semen optik dilaporkan dapat menahan ketumpatan kuasa laser 500W / cm2, pengeluar laser serat mengesyorkan untuk mengelakkan optik yang disemen untuk laser serat yang dinilai di atas 50W. Di atas paras ini, adalah perlu untuk beralih ke reka bentuk kiub polarisasi jarak udara atau optik yang dihubungkan dengan optik, yang biasanya boleh mengendalikan lebih daripada 1 MW / cm2 cahaya laser CW.
Untuk waveplate kuar kristal pelbagai pesanan berhampiran ketebalan 1mm, variasi 2nm dalam panjang gelombang boleh membuat perbezaan antara waveplate yang sangat baik dan bahagian yang tidak dapat diterima. Satu 1mm tebal λ / 4 yang direka untuk 1082nm sebenarnya akan menjadi waveplate 0.23λ pada 1084nm, atau λ / 50 off. Sebagai alternatif, waveplate perintah sifar kompaun yang direka untuk dua panjang gelombang yang sama akan mengubah keterlambatan antara keduanya dengan <λ 1000="" gelombang,="" yang="" berada="" dalam="" had="" ukuran=""> Waveplates pesanan sifar berfungsi dengan baik lebih dari ± 40-70nm dari panjang gelombang reka bentuk, dan sesuai untuk sistem laser yang boleh disesuaikan serta mereka yang mempunyai jalur lebar laser> 1nm (lihat angka 3).
5 Cermin
Komponen standard - iaitu reka bentuk salutan yang sedia ada - untuk garisan laser yang lain mungkin tidak sepadan dengan cukup baik untuk panjang gelombang laser dan kuasa optik untuk prestasi optimum. Untuk sistem tenaga yang sangat rendah, lapisan logam cermin terlindung seperti emas, aluminium dan perak mungkin sesuai untuk aplikasi tertentu di mana 100% refleksi tidak diperlukan. Mereka sedia ada dan murah. Walau bagaimanapun, walaupun dengan lapisan pelindung, lapisan logam lembut dan akhirnya akan tercalar atau berkarat jika tidak ditangani dengan betul. Secara alternatif, cermin dielektrik multilayer adalah bersalut keras, tahan lasak, dan sangat mencerminkan sama ada kejadian biasa atau 45 ° (lihat angka 4). Mereka mempunyai ambang kerosakan melebihi 20J / cm2 dalam sistem pulsed 10-20ns dan oleh itu tidak boleh merendahkan atau mengalami kerosakan apabila digunakan dalam persediaan laser gentian berdenyut atau CW. Walaupun tidak terutamanya jalur lebar, cermin standard dielektrik yang direka untuk 1064nm Nd: Sistem YAG masih akan mencerminkan> 99% pada 1075nm atau 1080nm.
6 Kesimpulan
CVI telah memperkenalkan barisan cermin baru yang direka khusus untuk digunakan dengan sistem laser serat. Tambahan pula, CVI telah menambah panjang gelombang laser serat yang paling umum kepada barisan produk sedia ada termasuk pelapis AR untuk optik transmissive, seperti waveplates, lenses, dan tingkap, serta lapisan reflektif untuk beamsplitters, reflektor separa, pengganding output dan cermin.
Pengeluar laser gentian terus menolak batas teknologi mereka, meningkatkan kuasa CW dan tenaga berdenyut yang tersedia secara komersil. Kualiti balok yang cemerlang ditambah dengan tenaga yang lebih tinggi akan terus meletakkan permintaan yang semakin meningkat pada komponen optik yang digunakan dalam sistem ini. Spesifikasi utama untuk komponen ini akan merangkumi bahan substrat, ambang kerosakan dan kualiti permukaan.
