Lasery światłowodowe: projekt, jakość wiązki i zalety

Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o: - 1. Projekcie laserów światłowodowych 2. Jakość wiązki laserów światłowodowych 3. Wydajność energii 4. Zalety 5. Zastosowania.

Projektowanie laserów światłowodowych:

Lasery światłowodowe, których nie należy mylić z laserowymi światłowodami, w których włókno jest jedynie optycznym mechanizmem dostarczającym, są laserami półprzewodnikowymi, w których włókno optyczne domieszkowane niskim poziomem pierwiastka ziem rzadkich jest ośrodkiem laserowym. Diody laserowe są używane do pompowania ośrodka lasera w celu emitowania fotonów o długości fali właściwej dla pierwiastka ziem rzadkich wykorzystywanego jako element domieszkowania. Ytterbium (Yb) jest powszechnie stosowane w laserach światłowodowych dużej mocy i emituje wiązkę o długości w przybliżeniu takiej samej, jak w przypadku laserów Nd: YAG, tj. Od 1, 060 do 1, 085 mikronów.

Włókno domieszkowane jest zamknięte w materiale o niskim współczynniku załamania światła, który działa jako falowód dla światła pompującego i zapewnia jego optymalne przeniesienie na ośrodek lasera. Siatki dyfrakcyjne są stosowane jako lusterko wsteczne i łącznik wyjściowy, aby utworzyć rezonator laserowy, tj. Wnękę laserową.

Powoduje to powstanie długiego cienkiego lasera, który jest bardzo zwarty ze względu na elastyczność zwijanego światłowodu. Przy odpowiednim kształtowaniu wiązki i skupianiu optyki na jej końcu możliwe jest wykorzystanie włókna lasera również jako włókna dostarczającego wiązkę. Oddzielenie włókna doprowadzającego wiązkę od włókna lasera jest jednak korzystne w przypadku laserów stosowanych do spawania, aby chronić je przed niepożądanymi odbiciami wstecznymi od powierzchni obrabianego przedmiotu.

Obecnie dostępne są komercyjnie moduły światłowodowe o mocy 700 W do 700 W. Aby uzyskać moc wyjściową multikilowatt odpowiednią do głębokiego wnikania w dziurki od klucza, wyjścia z serii tych dostępnych w handlu jednostek jednomodowych łączy się w jedno włókno, jak pokazano na rys. 14.44 dla lasera światłowodowego o mocy 7 kW.

Ta technika łączenia belek jest zastrzeżona dla producenta lasera, ale zmniejsza jakość wiązki. Jednak redukcja jakości wiązki jest niewielka, a uzyskana wiązka ma wciąż właściwości odpowiednie do transmisji przez światłowody o małej średnicy i odpowiednie do zastosowania w spawaniu.

Jakość wiązki laserów światłowodowych:

Jakość wiązki jest zdefiniowana jako stosunek szerokości wiązki i iloczynu rozproszenia rzeczywistej wiązki do tej oczekiwanej dla idealnej wiązki, dla której kształt propagacji jest hiperbolą. Jakość wiązki lasera półprzewodnikowego, określanego często jako parametr parametryczny wiązki (BPP), jest zwykle podawana w mm. milliradians (mm. rad) o niskiej wartości wskazującej na wysoką jakość wiązki.

Jakość wiązki może być wyrażana za pomocą średnicy pełnej lub półmagowej i kątów rozbieżności. Jednakże, zgodnie ze standardem ISO dla propagacji wiązki laserowej, jakość wiązki jest podawana w kategoriach połowy średnicy wiązki i kąta połowy dywergencji.

Wysoka jakość wiązki oznacza, że ​​wiązkę można skupić na światłowodzie dostarczającym o małej średnicy. Prowadzi to do mniejszej minimalnej średnicy tali wiązki lub większej odległości dystansu. Głowica lasera ustawia koniec włókna na obrabianym przedmiocie. Rozbieżna wiązka laserowa wychodząca z włókna jest najpierw kolimowana (tj. Równoległa), zanim zostanie skupiona na minimalnej średnicy tali, która jest również określana jako plamka laserowa.

Gęstość mocy dostępna dla danej mocy wyjściowej jest określona przez związek między ogniskowymi soczewek kolimujących i skupiających, a także stosunek średnic włókna dostarczającego wiązkę i rozmiaru plamki wiązki laserowej.

Odstęp odległości, czyli odległość między soczewką ogniskującą a powierzchnią przedmiotu obrabianego, powinien być na tyle długi, aby rozprysk z procesu spawania nie uszkodził optyki obróbki. Im większa odległość odstania, tym większa także głębia ostrości, która jest miarą rozbieżności wiązki w danej odległości. Tak więc, wyższa jakość wiązki może zapewnić wyższą gęstość mocy przy ogniskowaniu wiązki lub większą odległość do odstania / większą głębokość ogniskowania, z których oba wpływają na wydajność spawania.

Obecnie laser z włóknami Yb o mocy do 17 kW z BPP około 12 mm. m rad. są używane w branży.

Efektywność energetyczna światłowodów:

Długa, cienka geometria włókna umożliwia efektywne chłodzenie, a zatem jest idealna, aby zminimalizować efekty cieplne pompowania lasera. To, i nieodłącznie wysoki zysk źródła lasera światłowodowego powoduje wysoką wydajność konwersji mocy, która jest stosunkiem mocy optycznej dostępnej w obrabianym przedmiocie do pobranej energii elektrycznej i która jest podawana między 20 a 30%.

Jest to znacznie wyższe niż sprawność konwersji mocy około 8% i 3% odpowiednio dla laserów Nd: YAG z CO2 i pompowanych lampą. Powoduje to mniejsze zapotrzebowanie mocy zarówno na działanie lasera, jak i na jego układ chłodzenia. W tym kontekście może być wiadomo, że chłodzenie powietrzem jest wystarczające dla laserów włókien Yb do 2 KW, podczas gdy lasery o większej mocy wymagają chłodzenia wodą.

Zalety laserów światłowodowych:

Oto niektóre z głównych zalet laserów światłowodowych w porównaniu do innych popularnych i sprawdzonych systemów laserowych w przemyśle wytwórczym:

1. Ponieważ włókno lasera może być zwinięte, a nie są potrzebne żadne obszerne elementy, powierzchnia podstawy (tj. Przestrzeń wymagana do instalacji) lasera światłowodowego jest znacznie mniejsza niż w popularnych obecnie systemach laserowych CO2 i Nd: YAG.

2. Jest to prosta i kompaktowa konstrukcja, którą można zainstalować w ciągu zaledwie kilku godzin.

3. Wysoka niezawodność; może działać przez 100 000 godzin przed konserwacją / awarią pomp diod laserowych.

4. Koszt / kW lasera światłowodowego Yb jest porównywalny z kosztem lasera Nd: YAG pompowanego lampą.

5. Ze względu na wyjątkowo małą jeziorko spawalnicze wytwarzane przez wiązkę laserową Yb, wytwarzane spoiny są bardzo wąskie, które nie są podatne na pękanie lub pory w linii środkowej.

Zastosowania laserów światłowodowych:

Szczególnie przemysł motoryzacyjny jest głównym użytkownikiem technologii wiązki laserowej, w tym lasera włókien Yb. Lasery światłowodowe o dużej mocy są również używane do spawania w dowolnym położeniu dla rur stalowych o grubości do 16 mm. Prędkości spawania do 2, 2 m / min zostały rzekomo zastosowane do wszystkich spawania w pozycjach ze stali rurowej o grubości 11, 2 mm z mocą belki, na obrabianym przedmiocie, 2 kW.