Fiber Lasers: Design, Beam kvalitet og fordele

Efter at have læst denne artikel vil du lære om: - 1. Design af Fiber Lasers 2. Beam Quality of Fiber Lasers 3. Effektivitet 4. Fordele 5. Anvendelser.

Design af Fiber Lasers:

Fiberlasere, som ikke må forveksles med fiberleverede lasere, hvor fiberen kun er en optisk leveringsmekanisme, er faststoflasere, hvor en optisk glasfiber doteret med lave niveauer af et sjældent jordartsmiddel er lakemediet. Laser dioder bruges til at pumpe lassemediet til at udstede fotoner med en bølgelængde, der er specifik for det sjældne jordartsmateriale, der anvendes som dopingelement. Ytterbium (Yb) anvendes generelt til højfibrelaserne, og det udsender en strålebølgelængde, der er omtrent det samme som lavet af Nd: YAG-lasere, dvs. mellem 1, 060 og 1, 085 mikron.

Den doterede fiber er indesluttet i et lavt brydningsindeksmateriale, der fungerer som en bølgeleder for pumpelyset og sikrer sin optimale overførsel til lakemediet. Diffraktionsgitter bruges som bagspejl og udgangskobler til at danne laserresonatoren, dvs. laserhulen.

Dette resulterer i dannelsen af ​​en lang tynd laser, der er meget kompakt på grund af fleksibiliteten af ​​den optrukne fiberoptråd. Med passende stråleformning og fokuseringsoptik ved dens ende er det muligt at anvende lassefibret også som stråleleveringsfiber. Afkobling af stråleleveringsfiberen fra laseren er imidlertid foretrukket for lasere, der anvendes til svejsning, for at beskytte dem mod de uønskede tilbageskridt fra arbejdsstykkens overflade.

I øjeblikket er op til 700 W single-mode fiberlasermoduler kommercielt tilgængelige. Til opnåelse af multikilowatt udgangseffekt egnet til dyb indtrængning nøglehullesvejsning af metaller kombineres udgangene fra en række af disse kommercielt tilgængelige enkeltmodusenheder til en enkeltfiberudgang, som vist i figur 14.44 for en 7 kW fiberlaser.

Denne strålekombinationsteknik er proprietær til laserproducenten, men reducerer strålekvaliteten. Imidlertid er reduktion i strålekvalitet relativitet lille, og den resulterende stråle har stadig egenskaber, der er egnede til transmission gennem små diameter optiske fibre og passende til brug ved svejsning.

Beam kvalitet af fiber lasere:

Strålekvaliteten er defineret som forholdet mellem strålebredden og divergensvinklen fra den aktuelle stråle til det, der forventes for en perfekt stråle, for hvilken formeringen af ​​forplantning er en hyperbola. Strålekvaliteten af ​​en solid state laser, der ofte betegnes som stråleparameterproduktet (BPP), er generelt citeret i mm. milliradians (mm. m rad.) med en lav værdi, der indikerer højkvalitets kvalitet.

Beam kvalitet kan udtrykkes ved hjælp af enten fuld eller halv stråle diameter og divergens vinkler. Imidlertid, ifølge ISO-standard for laserstråleudbredelse er strålekvalitet citeret hvad angår halv stråle diameter og halv divergens vinkel.

En høj strålekvalitet betyder, at strålen kan fokuseres i en optisk fiber med lille diameter. Dette fører til en mindre minimumstråle midje diameter eller en større stand-off afstand. Laserhovedet placerer fiberens ende på arbejdsstykket. Den divergerende laserstråle, der kommer ud af fiberen, bliver først kollimeret (dvs. lavet parallelt), før den er fokuseret til en mindste taljenediameter, som også kaldes laserpunktet.

Effektdensiteten, der er tilgængelig for en given udgangseffekt, bestemmes af forholdet mellem brændvidderne af kollimerings- og fokuseringslinser og forholdet mellem diametrene af stråleafgivelsesfiberen og laserstrålens punktstørrelse.

Stand-off-afstanden, dvs. afstanden mellem fokuseringslinsen og overfladen af ​​arbejdsemnet, skal være tilstrækkelig lang, således at sprøjten fra svejseprocessen ikke vil skade bearbejdningsoptikken. Jo større stand-off-afstanden er, desto større er dybden af ​​fokus, hvilket er et mål for, hvorledes strålen forbliver over en given afstand. Således kan en højere strålekvalitet give en højere effekttæthed ved strålefokus eller en større stand-off-afstand / større fokusdybde, som begge påvirker svejseproduktionen.

I øjeblikket Yb-fiber laser med op til 17 kW kapacitet med en BPP på omkring 12 mm. m rad. er i brug i branchen.

Effektivitet af fiberlasere:

Den lange, tynde fiber geometri muliggør effektiv afkøling og er således ideel til at minimere termiske effekter af pumpning af laseren. Det og den iboende høje forøgelse af fiberlaserkilden resulterer i en høj effektomdannelseseffektivitet, hvilket er forholdet mellem den optiske effekt, der er til rådighed på emnet til den forbrugte strøm, og som citeres til at være mellem 20 og 30%.

Dette er betydeligt højere end effektomdannelseseffektiviteten på henholdsvis ca. 8% og 3% for henholdsvis CO ₂ og lampepumpede Nd: YAG-lasere. Dette resulterer i lavere effektbehov både til at køre laseren og dens kølesystem. I denne sammenhæng kan det være kendt, at luftkøling er tilstrækkelig til Yb-fiberlasere op til 2 KW, mens de højere outputfiberlasere kræver vandkøling.

Fordele ved Fiber Lasers:

Følgende er nogle af de vigtigste fordele ved fiberlasere over andre populære og veletablerede lasersystemer i fremstillingsindustrien:

1. Fordi lassefibre kan spoles, og der ikke kræves store dele, er fodaftrykket (dvs. det nødvendige areal til installation) af fiberlaseren betydeligt mindre end de nuværende populære CO ₂ og Nd: YAG-lasersystemer.

2. Det er et simpelt og kompakt design, så det kan installeres om få timer.

3. Høj pålidelighed; den kan køre i 100.000 timer før vedligeholdelse / fejl i laserdiodepumperne.

4. Kostnaden / kW af Yb-fiberlaseren er sammenlignelig med den af ​​en lampepumpe Nd: YAG laser kilde.

5. På grund af ekstremt lille svejsepulje produceret af Yb-fiber laserstråle, er de fremstillede svejsninger meget smalle, som ikke er tilbøjelige til at centrere revner eller porer.

Anvendelser af fiberlasere:

Særlig bilindustrien er den største bruger af laserstråle teknologi, herunder Yb-fiber laser. Højfibre laser anvendes også til en all-positions svejseproces for rørledningsstål op til 16 mm tykt. Svejsningshastigheder på op til 2, 2 m / min er angiveligt brugt til alle positionssvejsninger af 11, 2 mm tykt rørledningsstål med strålekraft ved emnet på 2 kW.