ОПТИКА ДЛЯ ЗАЯВЛЕННЯ ФІБЕРНОГО ЛАСЕРУ
Волоконні лазери знайшли нішу для обробки та дослідження, де лазери Nd: YAG занадто дорогі або мають властивості променя, які небажані (наприклад, великі значення M2). Користувачів волоконних лазерів може бути стурбовано взаємозамінність їх наявних запасів оптичних компонентів або спосіб визначення нової оптики. Ця стаття стосується таких проблемних питань та підкреслює, характеристики яких слід особливо ретельно визначати.
Волоконні лазери набирають позиції в різних сферах застосування, таких як свердління, зварювання, різання фольги, лазерне маркування та точна мікрообробка. Вчені-дослідники також вважають їх дуже корисними як джерела через їх невеликі сліди та низькі значення M2. Успіх лазерних волокон базується на їх унікальній комбінації характеристик променя, недоступних з інших джерел у тому ж діапазоні довжин хвиль: необов'язкове КВ або імпульсна робота, контроль поляризації (випадкова, лінійна або кругова), вузька спектральна пропускна здатність та значення T200 M2, що наближаються до 1 При такому поліпшенні M2 над Nd: YAG-лазерами можна досягти значно більшої щільності потужності. Можливі більш щільно сфокусовані промені, що призводить до отримання більш чітких зображень для маркування та більш тонких надрізів для мікромашини. Виробничі робочі відстані також можуть бути збільшені. Таким чином, на ринку очікується зростання попиту на спеціальні оптичні компоненти, призначені для волоконно-волоконних застосувань.
1 Ефекти якості пучка
На процес вибору компонентів сильно впливають великі щільності потужності, які можна досягти за допомогою волокон волокон. Оптична порожнина волоконного лазера - це волоконне ядро, яке може бути розроблене для мінімізації кількості режимів, що дозволяє виробникам комерційно виробляти лазери з М2 = 1,05. M2 - відношення багатомодового дозволу на розбір діаметра-діаметра лазерного променя до продукту діаграми діаметра діаграми проміння з обмеженою ідеальною (TEM00):
Де Θ0 - розбіжність пучка в мілірадианах, а w0 - ширина талії вихідного пучка (якщо промінь круговий, то w0 можна замінити діаметром пучка d0). Або для досяжного фокусного плями діаметром d0:
Фіг.1 ілюструє параметри, використані в рівнянні (2). Виробники волокон волокон волокон зазвичай забезпечують голівку для передачі променя з сукупним вихідним діаметром від 5 до 20 мм (D0). Розрахунки показують, що теоретичний фокусний діаметр плями d0 10 мкм досягається за допомогою лінзи фокусної відстані 19 мм. Тому для волоконного волокна потужністю 50 Вт на 1075 нм сфокусований промінь має величезну оптичну щільність потужності
Додаткові комбінації наведені в таблиці 1. Хоча оптики кермової балки ніколи не бачать ідеально зосередженого місця, є фактор безпеки, який інженер-конструктор захоче врахувати; ці високі, дифракційні обмежені щільності потужності можуть впливати на оптичні елементи під час вирівнювання.
Для низько енергетичних імпульсних волокон-лазерів і середніх лазерних лазерів середнього класу (порядку середньої потужності 1-5 Вт), скло N-BK7 від Schott chott.de) є підходящим і недорогим підкладковим матеріалом як для світловідбиваючої, так і для пропускаючої оптики, де енергія на оптичній поверхні <50 мвт=""> N-BK7 - це боросилікатне коронкове оптичне скло з високою однорідністю та високою прохідністю у видимому та близькому до інфрачервоного зв'язку. Покриття проти віддзеркалення (AR) можна використовувати на вікнах, лінзах та часткових відбивачах для підвищення загальної передачі через компонент. При цих енергіях можна використовувати або вузькосмугові ("V" -шарове) покриття AR, або багатошарові широкосмугові покриття AR для зменшення відбивної здатності на поверхню приблизно від 4% до <0,25% при="" одній="" довжині="" хвилі="" або=""><0,5% при="" ширині="" смуги="" 250-400="" нм="" для="" регульованих="" лазерних="" систем="" (див.="" рисунок="">
Вузькі смуги "V" - це багатошарові (зазвичай двошарові) діелектричні антивідбивні покриття, які досягають теоретичного мінімального відбиття при вузькій смузі довжин хвиль. Коефіцієнт відбиття швидко зростає по обидві сторони від цього мінімуму, надаючи йому форму V у графіку відбиття проти довжини хвилі. Американські виробники зазвичай використовують термінологію «V-coat» або «лазерна лінія» для розмежування цього покриття від їх широкосмугових пропозицій AR.
Інший варіант матеріалу для використання з волокнистими лазерами 1-5 Вт - це скло N-SF11 від Schott, яке має показник заломлення n = 1.754 при 1060 нм, вищий, ніж у N-BK7 (1.507). Це забезпечує гнучкість, якщо для застосування потрібен об'єктив з короткою фокусною відстанню. Оскільки як N-SF11, так і N-BK7 мають коефіцієнти теплового розширення в діапазоні 8 × 10-6 / ° C, плавлений кремнезем є кращим вибором матеріалу підкладки, якщо важлива термостабільність. Плавлений кремнезем має коефіцієнт теплового розширення всього 0,57 × 10-6 / ° C, на порядок стабільніший, ніж інші оптичні матеріали. Виробники волокон волокон лазера рекомендують плавкий кремнезем для трансмісивної оптики для використання з волоконно-волоконними виходами більше 50 Вт. Наприклад, Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) настійно рекомендує використовувати плавлений кремнезем для застосування волоконно-лазерних застосувань через його значно вищий поріг пошкодження лазера. Він має подібні пропускаючі властивості до N-BK7 від 500-2000nm, але є більш термічно стійким і має більш високі порогові межі пошкоджень як для імпульсних, так і для CW систем. IPG Photonics pgphotonics.com) рекомендує кремнеземи з плавленим ІК-рівнем для волокон волокон номінальною потужністю вище 1 кВт. Знову ж таки, AR-покриття можна використовувати для зменшення поверхневих віддзеркалень, але для більшої енергії найкраще використовувати лише багатошарові покриття AR V-покриття, які витримують до 1 МВт / см2 і більше.
2 лінзи
У певних програмах, таких як зображення оптичних пасток, важливим є підтримка якості зображення по всьому шляху променя. Хоча синглетні лінзи, як у плавленому кремнеземі, так і в матеріалі N-BK7, підходять для простого використання пучка управління, дублетні або триплетні апланатні лінзи можуть бути більш підходящими для мінімізації переданих помилок на хвилі фронту. Ці лінзи розроблені для мінімізації двох монохроматичних помилок хвильового фронту під назвою сферична аберація та кома. Сферична аберація є аксіально симетричною і виникає, коли коліматовані промені, що проходять через зовнішні зони фокуса лінзи на іншій відстані від лінзи, ніж промені, що проходять через центральну зону. Кома - несиметричне спотворення хвильового фронту, яке збільшується лінійно з кутом поля або відстані від головної осі. У поєднанні ці аберації спотворюють переданий хвильовий фронт через лінзу і призводять до того, що фокусне пляма набуває неправильної форми та / або розмивається.
Конструкції лінз з дублетами та трійками можуть використовувати матеріали, що були раніше перераховані, або інші матеріали, залежно від конкретних критеріїв конструкції. Вони оптимізовані для однієї довжини хвилі і, як правило, розташовані на повітрі, щоб мінімізувати додаткові викривлення фронтового фронту, викликані цементом між скляними поверхнями. Повітряні відстані елементів також дозволяють підвищити гнучкість у дизайні, оскільки сусідні поверхні не повинні мати відповідні кривизни. Натомість кожну з чотирьох-шести поверхонь можна оптимізувати незалежно, щоб найкраще мінімізувати кому та сферичні аберації за допомогою повного складання лінз. Слід уникати скріплених об'єктивів, щоб максимально збільшити поріг пошкодження та термін експлуатації компонента.
3 Вузька спектральна смуга
Діапазон довжин хвиль волоконного волокна визначається накачаною архітектурою виробника та допантами, що використовуються в порожнині активного волокна лазера. Типові діапазони довжин хвиль: 780-800 нм для допінгу ербію,
1030-1120 нм для іттербію, 1530-1600 нм для ербію-іттербію та 1800-2100 нм для тулію. Ширина пропускної здатності волоконного лазера, як правило, визначається за допомогою волоконних решіток Брегга. Виробники волокон волоконного лазера зададуть діапазон, з якого кінцевий користувач може вибрати конкретну довжину хвилі. Фактична пропускна здатність кожного лазера становить лише 1-2 нм. Це може бути важливою деталлю при виборі таких компонентів, як хвилепластини вищого порядку, які функціонують належним чином лише на вузькій пропускній здатності.
4 Поляризаційна оптика
Ширина смуги пропускання та щільність енергії - найважливіші характеристики променя, які слід знати при виборі між різними поляризаторами та хвилепластами. Полімерні лінійні поляризатори не призначені для використання при енергіях більше 1 Вт / см2. Цементовані кубічні поляризатори доступні як у вузькосмуговій, так і в широкосмуговій конструкціях, але поріги пошкоджень обмежені внутрішньою епоксидною дією. Хоча, як повідомляється, кілька оптичних цементів можуть витримувати щільність лазерної потужності 500 Вт / см2, виробники волоконних лазерів рекомендують уникати зацементованої оптики для волоконних лазерів з номіналом понад 50 Вт. Вище цього рівня необхідно перейти на конструкцію поляризаційного куба, розташовану з повітрям або оптично контактуючим кубом, яка зазвичай може обробляти більше 1 МВт / см2 лазерного світла КВ.
Для кристалічного кварцового хвилепластового хвилі з декількома порядками, що має товщину 1 мм, зміна довжини хвилі на 2 нм може змінити відмінну таблицю хвилі та неприйнятну частину. Хвильова плита λ / 4 товщиною 1 мм, розрахована на 1082 нм, насправді була б хвильовою табличкою 0,23λ при 1084 нм або відключення λ / 50. Альтернативно, складна пластина нульового порядку, розроблена для тих самих двох довжин хвиль, змінить затримку між цими двома хвилями <λ 1000,="" що="" цілком="" в="" типових="" межах=""> Платформи нульового порядку працюють дуже добре понад ± 40-70 нм від проектної довжини хвилі, і вони добре підходять для налаштування лазерних систем, а також для тих, у кого пропускна здатність лазерної лінії> 1 нм (див. Рисунок 3).
5 Дзеркала
Стандартні компоненти - тобто існуючі конструкції покриттів - для інших лазерних ліній можуть не досить добре відповідати новим довжинам хвиль волокон і потужностей для оптимальної роботи. Для систем з дуже низьким рівнем енергії захищені металеві дзеркальні покриття, такі як золото, алюміній та срібло, можуть бути відповідними варіантами для певних застосувань, де не потрібна 100% відбивна здатність. Вони легко доступні та недорогі. Однак, навіть із захисними шарами, металеві покриття м'які і з часом піддаються подряпинам або корозії при неправильному поводженні. Альтернативно, багатошарові діелектричні дзеркала мають тверде покриття, довговічні та чутливі до відхилення при нормальному падінні або 45 ° (див. Рисунок 4). Вони мають пороги пошкоджень, що перевищують 20 Дж / см2 в імпульсних системах 10-20н, і тому не повинні погіршувати чи зазнавати пошкоджень при використанні в лазерних установках з імпульсним або CW волоконним волокном. Хоча не особливо широкосмуговий, діелектричне стандартне дзеркало, розроблене для 1064nm Nd: YAG, все одно відображатиме> 99% при 1075nm або 1080nm.
6 Висновок
CVI представила нову лінійку дзеркал, спеціально розроблену для використання з волоконно-лазерними системами. Крім того, CVI додав найпоширеніші довжини хвиль волокон волокон до існуючих лінійок продуктів, включаючи покриття AR для трансмісивної оптики, наприклад, хвилепластини, лінзи та вікна, а також світловідбиваючі покриття для блискавок, часткових відбивачів, вихідних з’єднувачів та дзеркал.
Виробники волокон волоконного лазера продовжують розширювати межі своєї технології, збільшуючи потужність CW і імпульсну енергію, комерційно доступну. Відмінна якість променя в поєднанні з більш високими енергіями і надалі вимагатиме зростаючих вимог до оптичних компонентів, які використовуються в цих системах. Основні характеристики цих компонентів включатимуть матеріал основи, поріг пошкодження та якість поверхні.
