05.06.2025
892
Оптоволоконный лазер: устройство и преимущества
О чем речь? Оптоволоконный лазер – современная технология обработки металлов, в которой в качестве среды усиления используется оптическое волокно. Он режет, текстурирует, наносит гравировку, сваривает и выполняет массу других операций.
На что обратить внимание? В отличие от газового, оптоволоконный лазер обрабатывает детали с большей точностью и скоростью. При этом время подготовки к работе у него меньше, а КПД – вдвое выше.
В статье рассказывается:
Что такое оптоволоконный лазер
Так называют вид твердотельных лазеров, использующих оптическое волокно как активную среду усиления. В данных установках применяется материал, сделанный из стекла (силикатного либо фосфатного).
Накачивающие лазерные диоды испускают свет, который поглощается волокном и преобразуется в лазерный луч с требуемой длиной волны.
Подобный результат достигается после того, как стекло специальным образом легируется. Для этого в волокно вводятся редкоземельные элементы. Варьируя состав легирующих примесей, можно добиться получения лазерных лучей с разной длиной испускаемой волны:
- неодим (780-1100 нм);
- иттрий (1000-1100 нм);
- празеодим (1300 нм);
- эрбий (1460-1640 нм);
- туллий (1900-2500 нм);
- гольмий (2025-2200 нм);
- диспрозий (2600-3400 нм).
В силу этого оптоволоконные лазеры могут быть использованы для выполнения разнообразных задач.
Фото: megafilm / freepik.com
Например, лазерная резка, текстурирование, очистка, гравировка, сверление, маркировка и сварка. Соответственно широк диапазон отраслей, где нашли себе место данные устройства – медицина, ВПК, телекоммуникации, автомобилестроение, спектроскопия, электротехника, производство и транспорт.
Установка получила название из-за своего основного элемента усиления – оптического волокна. Любое устройство, использующее оптоволоконный лазер, имеет возможность создавать мощный коллимированный луч. Такой процесс состоит из 5 этапов:
- Генерирование накачивающего света
Накачивающие лазерные диоды создают поток света, который необходим для возбуждения атомных частиц в активной среде.
- Сбор и ввод накачивающего света в оптическое волокно
Читайте также
«Контроль сварных швов: этапы, методы, нормативы»Свет движется через оптоволокно, где вступает во взаимодействие с легирующими элементами.
- Прохождение накачивающего света через оптическое волокно
Световой поток, проходя по материалу, поглощается активной средой. При этом усиливается уровень энергии атомов.
- Стимулированное излучение в лазерной резонаторной камере
Атомные частицы, накопившие высокий уровень энергии, начинают излучать свет, что влечёт за собой генерацию когерентного излучения.
[sgInset53]- Усиление исходного лазерного света в лазерный луч
Первоначальный поток света, пройдя через оптическое волокно, многократно усиливается, образуя на выходе мощный лазерный луч.
Устройство оптоволоконного лазера
Схематически в устройстве можно выделить 3 основных модуля.
Активное волокно
Для производства оптоволокна используется сверхчистый расплавленный кварц.
Этот материал интересен тем, что благодаря своей высочайшей прозрачности затухание сигнала в нём (или как говорят специалисты – оптические потери волокна) составляют всего несколько процентов на 1 км длины.
Легирование стекла осуществляют редкоземельными элементами группы лантаноидов. В результате мощность света усиливается (обычно с высокой степенью эффективности усиления и преобразования мощности и хорошим качеством луча на выходе), но возрастают потери при распространении.
Однако данный недостаток не играет большой роли, так как обычно необходимо относительно короткое волокно. В большинстве случаев это одномодовые или маломодовые волокна, а иногда материал с большой модовой областью или поддерживающий поляризацию.
Модуль накачки
Для оптических волноводов источником накачки являются широкополосные светодиоды (лампы накачки) либо лазерные диоды с одномодовым излучением, отличающиеся высокой яркостью и большим ресурсом выработки.
Активная среда лазеров состоит из светопроводящего оптического волокна и волновода накачки. Световоды из оптоволокна легируются примесями редкоземельных элементов или висмута. Плотность легирования обусловлена длиною волокна. На производстве во многих станках применяют иттербий.
Оптическое волокно – это, по сути, сверхчистый расплавленный кварц, вещество, которое отличается минимально возможными оптическими потерями. Его верхний предел мощности накачки зависит от предельной силы излучения на единицу площади, при которой вещество не разрушается. Он составляет несколько киловатт.
Волоконные лазерные установки, как и любые другие лазеры, нуждаются в источнике возбуждения, чтобы запустить процесс накачки энергии в систему. Это осуществляется посредством накачки по оптическому волокну.
Главное различие между двумя видами лазеров состоит в способе подачи источника накачки. Данный элемент обычно соединяется с волокном с большой сердцевиной, которое затем сплавляется в материал с двойной оболочкой. Такое волокно легировано специальным усиливающим веществом, индивидуальным для данного конкретного лазера.
Двойная оболочка даёт возможность направить мощное многомодовое волокно в большую внешнюю сердцевину, тогда как одномодовый лазер концентрируется во внутренней сердцевине меньшего размера.
Фото: EyeEm / freepik.com
Полоса поглощения может быть узкой или широкой. Это определяется легирующими примесями, добавленными в оптоволокно. Такая ситуация сложилась потому, что иногда достаточно иметь традиционные мощные лазерные диоды, но бывают ситуации, требующие диодов со стабилизацией длины волны.
Оптический резонатор
Данный модуль требуется для создания положительной обратной оптической связи, благодаря чему лазерный усилитель становится генератором. Обычно применяют брэгговские зеркала, кольцевые резонаторы и системы типа Фабри-Перо.
На концах центрального стержня традиционно устанавливают дифракционную решетку в форме нанесённых определенным образом насечек. Участки со штрихами имеют измененную отражательную способность и работают в качестве резонаторов, отражая свет, идущий вдоль оптоволокна, и стабилизируя заданную длину волны. В результате генерируемый активным веществом световой поток фокусируется в один узкий пучок.
Резонатор определяет спектр, поляризацию и направленность излучения. Длина оптического кабеля составляет 2-40 м, а может доходить и до 100 м. В силу этого обычно поднимается вопрос об оптимизации пространства.
Метод преобразования света в лазерное излучение имеет процент полезной энергии в 80-90 %. При этом не отмечается искажения волнового фронта, а мощность луча сохраняет свою энергию на всем протяжении оптического маршрута. Выходная мощность излучения ограничена только возможной мощностью источника оптической накачки.
Виды оптоволоконного лазера
Различают 4 вида оптоволоконных лазеров.
Однополяризационные лазеры
В устройствах данного типа осуществляется стабильное колебание электрического поля. Направление движений – перпендикулярно световому потоку.
Для создания однополяризационных лазеров существуют специальные технологии. Для того, чтобы подавить одну из поляризаций задействуют внутриволоконный инструмент. По сути, это металлическая нить определённого сечения, интегрированная в оптоволокно и идущая вдоль сердцевины.
Читайте также
«Сталь: состав сплава, свойства, маркировка»Up-конверсионные лазеры
В этом типе лазеров генерируются волны с длиной излучения меньше, чем длина волны накачки. Подобное явление можно создать с помощью механизмов возбуждения, когда на один испущенный фотон приходится несколько поглощенных.
Смысл процесса в том, что активная среда поглощает несколько фотонов одновременно. Данный метод осуществим только с применением флюоридного оптического волокна.
Up-конверсия используется в установках, где оптоволокно легировано тулием, эрбием, иттербием и празеодимом.
ВКР-лазеры
ВКР – это вынужденное комбинационное рассеяние.
Такое явление применяют в волоконных световодах с целью получения эффективных преобразователей длины излучения лазеров.
На выходе имеется возможность добиться генерации лазерного луча на любой длине волны.
ВКР-лазеры могут быть однокаскадными и многокаскадными, с простой и сложной структурой соответственно.
Лазеры на основе фотонных кристаллов
Фотонно-кристаллические волоконные модели характеризуются активной средой, являющейся при этом компонентом оптоволокна. Процесс передачи светового луча организован по воздушным каналам, расположенным вокруг центральной части оптического волокна, что создаёт двумерный фотонный кристалл.
Такое специфическое устройство даёт возможность производить портативные источники мощных сверхкоротких световых импульсов.
Отличия оптоволоконного лазера от газового
Основным элементом оптоволоконного лазера является легированное редкоземельными элементами оптоволокно. В то время как газовые лазеры для этого используют смесь газов, в основе которой будет CO2.
Данные типы устройств применяют различную длину волны:
- газовые лазеры – 10,6 кмк;
- оптоволоконные лазеры – 1,06 кмк.
Такая малая величина позволяет использовать оптоволоконный лазер для резки деталей благодаря высоким параметрам точности и отсутствию нагрева материала в зоне раскроя.
К тому же уменьшенная длина волны повышает скорость обработки металлических или каменных заготовок, предоставляя возможность получить гладкие плоскости.
Особенности, обуславливающие различия между оптоволоконными и газовыми лазерными установками:
Материалы
Волоконные устройства дают хорошие результаты при работе с металлами (серебро, медь, латунь), а газовое оборудование здесь применять не имеет смысла.
Фото: craveleo / freepik.com
Зато CO2-лазер оптимален для раскроя бумажных заготовок, изделий из стекла, фанерных и деревянных деталей, синтетических и натуральных тканей.
Простота использования
Применение оптоволоконных лазеров сопряжено с меньшими сложностями, а также экономит время при подготовке к раскрою изделия. Это связано с понятным принципом действия, не требующим применение сложной оптики. Кроме того, конструктивная простота позволяет добиться уменьшения массогабаритных характеристик устройства, благодаря чему есть возможность интегрировать лазер, например, в станок с небольшим корпусом или сварочный аппарат.
КПД
Оптический лазер имеет коэффициент полезного действия около 70 %, что превышает данный показатель газовых устройств практически в 2 раза.
Оптоволоконные лазерные установки – это промышленное оборудование нового поколения, которое нашло своё применение в отраслях экономики, связанных с комплексной обработкой металлов, камня, стекла, пластика.
Простота конструкции, небольшой вес позволили оптическим лазерам найти себе место на мелких предприятиях, в ювелирном производстве. Ювелирами лазеры используются для создания украшений, изготовления гравировок и надписей.
Сферы применения оптоволоконного лазера
Лазеры на оптоволокне показывают хороший уровень эффективности в разных сферах, включая автопром, аэрокосмическую промышленность, кораблестроение, электронику, где высоки требования к точности и контролю качества.
Машиностроение
Здесь оптоволоконные лазерные устройства применяются для обработки металлических деталей, обеспечивая быстроту и точность при резке, сварке и маркировке, что ускоряет производство и сборку механизмов, станков и прочего оборудования.
Читайте также
«Алюминиевые сплавы: состав и сферы применения»Автоматизированный прибор лазерной резки BODOR P6020 создан для скоростной и высокоточной обработки листов металла, вроде нержавеющей и углеродистой стали, латуни, алюминия и иных материалов. Данное устройство имеет функцию вырезки отверстий разных форм, обеспечивая вариативность технологических операций в ходе производства.
Автомобильная отрасль
На всех этапах сборки автомобилей оптоволоконные лазеры применяются для сварки и резки металлических заготовок, что в итоге позволяет получить детали кузова, проделывать необходимые отверстия и осуществлять сварочные работы с соблюдением всех заданных параметров.
Металлообработка и строительство
В этих отраслях промышленного производства лазеры дают возможность получать точные отверстия, резать профили и конструкции, а также сваривать металлические узлы в соответствие с требованиями проектных заданий.
Фото: EyeEm / freepik.com
Лазерный труборез Bodor Т230 Max / IPG позволяет осуществлять скоростную резку труб любых диаметров, что заметно повышает производительность труда.
Ювелирное дело
При создании украшений из благородных металлов (золото, серебро и платина) оптоволоконные лазерные устройства контролируют процесс формирования сложных дизайнов, нанесение гравировок и маркировок. Компактный станок с ЧПУ BODOR i5 с оптическим лазером от MAX задействован на высокоточной резке листового материала. Ещё данное устройство может наносить гравировку на поверхности изделий из металла.
Медицинская техника
Оптоволоконные лазеры привлекаются для обработки металлических компонентов и деталей. Они применяются для создания точных отверстий, резки и сварки имплантов из металла, медицинских инструментов и прочих устройств.
Читайте также
«Цинкование металла: задачи и методы»Это только небольшой список из множества сфер, где могут применяться оптоволоконные лазерные установки. Процесс их интегрирования в современную промышленность расширяется по мере развития научно-технического прогресса.
Часто задаваемые вопросы об оптоволоконном лазере
Если рассматривается вопрос купить или нет оптоволоконный лазер, какие преимущества имеет данное устройство?
Минимальная потребность в техническом обслуживании и ресурс источника до 100 тыс. ч.
Какова максимальная мощность устройства?
Допустим, импульсный оптоволоконный лазер, имеющий мощность 100 Вт, способен достичь пиковой мощности 10 000 Вт. Дело в том, что такие инструменты не распределяют энергию равномерно во времени, в отличие от лазеров непрерывного действия.
Имеются ли недостатки у оптоволоконных лазеров?
Главный минус – возникают затруднения при работе с неметаллами, которые, в свою очередь, легко обрабатываются при помощи CO2-лазера.
В силу того, что современные производства используют в работе новые марки сталей, имеющие высокие характеристики твёрдости и прочности, возникает необходимость в обработке таких материалов.
И на этом поприще оптоволоконные лазерные устройства смогли доказать свою надёжность и эффективность, обеспечивая высокое качество работы.
Изображение в шапке статьи: EyeEm / freepik.com
Читайте также
