- Что такое волоконный лазер?
- Как работает волоконный лазер?
- Применение волоконных лазеров
- Преимущества волоконных лазеров
- Отличия волоконного и CO2 лазеров
- Волоконный лазерный резак
- Преимущества волоконного лазера
- Недостатки
- Лазеры с волоконной брэгговской решеткой
- Короткоимпульсные волоконные лазеры
Существуют различные типы лазерных систем: UV, CO2, волоконные и гибридные. Каждый лазер имеет свои технические характеристики, позволяющие решать различные задачи по обработке. В связи с этим может возникнуть множество вопросов, таких как:
Чем отличается волоконный лазер и в каком случае следует предпочесть его другим?
Что такое волоконный лазер?
Как работает волоконный лазер?
Что такое волоконный лазер?
Волоконный лазер — это твердотельный лазер с длиной волны 1,064 мкм и высокой выходной мощностью. В качестве активной усиливающей среды в данных устройствах используются оптические волокна. Волоконный лазер универсален, он эффективно режет, гравирует, маркирует, чистит и сверлит различные материалы.
Свое название волоконный лазер получил благодаря уникальной системе доставки, использующей волоконную оптику для доставки лазерного луча практически без потери энергии. Полупроводниковый диод выступает в роли источника накачки, который испускает излучение в сердцевину волоконного лазера, где излучение постепенно поглощается и преобразуется в лазерное. Сердцевина волоконного лазера состоит из редкоземельных элементов, таких как иттербий, который выступает в качестве лазерной среды волоконного лазера.
Рис. 1. Схема волоконного лазера
Как работает волоконный лазер?
Волоконный лазер работает за счет использования оптического волокна в качестве резонатора для усиления лазерного луча. Для этого создается перекрывающаяся структура оболочки волокна, легированная ионами Yb. Затем внутрь волокна накачивается лазерный диод, генерирующий высокопроизводительный лазер. Данный лазер подходит для глубокой гравировки, отжига и резки, эффективен для больших производственных предприятий с повторяющимися задачами. Некоторые распространенные легирующие элементы в порядке возрастания излучаемых длин волн:
- неодим (780-1100 нм);
- иттербий (1000-1100 нм);
- празеодим (1300 нм);
- эрбий (1460-1640 нм);
- тулий (1900-250 нм);
- гольмий (2025-2200 нм);
- диспрозий (2600-3400 нм).
При попадании лазерного диода на легированное волокно, его свет ударяется об атомы редкоземельного элемента и возбуждает его электроны на более высокий энергетический уровень.
Из-за высокой тепловой мощности волоконные лазеры подходят для обработки не всех материалов. Некоторые неметаллы имеют очень низкую температуру плавления, по этой причине лазер может нарушить их структурную целостность. Также есть неметаллы с очень высокой температурой плавления, которые плохо поддаются воздействию волоконных устройств. Зато они применяется практически во всех сферах, где требуется комплексная обработка металлов, камня или стекла.
Рис. 2. Оптическое волокно в разрезе
Волоконные лазеры имеют ограниченную способность создавать высокую пиковую мощность. Это затрудняет нанесение контрастной маркировки на пластики без их сжигания или плавления. Почему так происходит? Во-первых, волоконные лазеры, как правило, не такие мощные, как другие, например CO₂-лазеры. Волоконные лазеры также имеют узкую ширину луча, что затрудняет фокусировку лазерной энергии на небольшой площади. Наконец, волоконные лазеры имеют тенденцию нагревать материал, на который они наносят маркировку, что может привести к его расплавлению или возгоранию.
Применение волоконных лазеров
Волоконные лазеры распространены в отраслях, связанных с производством металла и металлических деталей. К ним относятся:
- Полупроводники / ЖК-дисплеи;
- Аэрокосмическая промышленность;
- Автомобильная промышленность;
- Медицинская техника;
- Электронные устройства;
- Гравировка металлических изделий;
- Изготовлении морских и железнодорожных вагонов, контейнеров для перевозки;
- Телекоммуникации.
По сравнению с другими устройствами волоконник обладает более высокой выходной мощностью, что значительно улучшает скорость, эффективность, глубину и качество обработки.
Рис. 3. Простейшая схема волоконного лазера: БР-1 – брэгговская решетка с высоким коэффициентом отражения; БР-2 – брэгговская решетка, выполняющая роль выходного зеркала
Преимущества волоконных лазеров
Волоконные лазерные системы работают на длине волны 1,064 мкм, что в десять раз короче, чем у CO2-лазеров. Благодаря меньшему фокусному расстоянию интенсивность излучения волоконных лазеров почти в 100 раз выше, чем у CO2-лазеров аналогичной мощности;
Нанесение высококонтрастных меток с большой скоростью на твердые пластики, металлы и другие изделия;
Минимальная необходимость в обслуживании и ресурс источника до 100 000 часов;
Диапазон скоростей линии до 900 м/мин, который отвечает требованиям высокоскоростных упаковочных операций.
Отличия волоконного и CO2 лазеров
Волоконные и CO2-лазеры одни из самых популярных вариантов для лазерной гравировки и резки в 2023 году. Есть области применения и материалы с которыми CO2-лазер работает лучше, чем волоконный лазер. CO2-лазеры эффективно справляются с обработкой данных материалов:
- бумага;
- стекло;
- фанера и дерево;
- синтетическая и натуральной ткань.
При гравировке и резке алюминия или латуни, оптимальным выбором будет волоконный лазер. Для резки листового металла, выбор не так очевиден и зависит от таких параметров, как скорость резки, толщина материала, эксплуатационные расходы и т.д.
Основной волоконного лазера является оптически активное волокно, а у CO2 лазера — смесь газов, основным среди которых является углекислый.
Длина волны
Основное различие между CO2 и волоконным лазером заключается в длине волны. Волоконный лазер с длиной волны 1,06 мкм легко поглощается металлами, и очень небольшая часть лучей отражается. CO2-лазеры имеют более высокую длину волны — 10,6 мкм, которая не поглощается металлами, и большая часть энергии теряется в виде отраженных лучей.
Размер пятна
Волоконные лазеры имеют очень малый размер пятна, что позволяет получать точные резы с узкой шириной пропила и высокой плотностью лазерного излучения.
С другой стороны, размер пятна CO2-лазера может быть на 90% больше, чем у волоконного лазера, что приводит к сравнительно большей ширине пропила.
Материалы
| Материал | Волоконный лазер | CO2 лазер |
| Низкоуглеродистая сталь | ✓ | ✓ |
| Нержавеющая сталь | ✓ | ✓ |
| Алюминий | ✓ | ✓ |
| Медь | ✓ | — |
| Латунь | ✓ | — |
| Акрил | — | ✓ |
| Дерево | — | ✓ |
| Пластмасса | — | ✓ |
| Текстиль | — | ✓ |
| Стекло | — | ✓ |
| Камень | — | ✓ |
Таб. 1. Возможности волоконного лазера и CO2-лазера по обработке материалов
Волоконный лазерный резак
Волоконный лазерный резак — это тип станка для лазерной резки и гравировки, в котором используется источник волоконного типа для генерации луча высокой мощности. Луч фокусируется и направляется на разрезаемый материал, в результате чего получается чистый и точный разрез. Волоконный источник обеспечивает широкий диапазон скоростей резки в зависимости от типа разрезаемого материала.
Преимущества волоконного лазера
- Высокая точность: Станки для лазерной резки позволяют достичь высокого уровня точности и повторяемости, допуски на резку составляют ±0,05 мм;
- Высокая скорость: Волоконные лазеры быстрее CO2-лазеров режут некоторые материалы, такие как сталь и алюминий;
- Низкие эксплуатационные расходы: Волоконные лазеры могут потреблять всего одну десятую часть энергии CO2-лазера, что позволяет снизить расходы на электроэнергию;
- Низкие эксплуатационные расходы: Волоконные лазеры требуют минимального обслуживания, не нуждаются в системе выравнивания луча или частой юстировке;
- Отсутствие расходных материалов: В отличие от CO2-лазеров, волоконные лазеры не требуют использования расходных материалов, таких как сопла и зеркала;
- Высокая надежность: Волоконные лазеры обеспечивают точные и стабильные результаты резки в течение длительного времени.
Недостатки
- Волоконные лазеры дороже CO2 устройств и требуют больших первоначальных инвестиций;
- Волоконные лазеры не подходят для обработки некоторых материалов;
- Зона термического влияния (HAZ) у волоконных лазеров больше, чем у CO2-лазеров$
- Автоматизация резки волоконными лазерами сложнее, чем СО2-лазерами, поскольку луч труднее контролировать, а режущую головку приходится менять чаще.
Лазеры с волоконной брэгговской решеткой
С развитием технологии УФ волоконных брэгговских решеток возросло внимание к волоконным брэгговским лазерам, в первую очередь к лазерам с брэгговским отражателем (DBR) и волоконным лазерам с распределенной обратной связью (DFB).
Основное различие между ними заключается в том, что в волоконном лазере DFB для обеспечения оптической обратной связи и выбора длины волны используется только одна решетка, что обеспечивает лучшую стабильность и позволяет избежать потерь на слияние между Er-допированным волокном и решеткой.
Однако, хотя решетка может быть непосредственно записана в Er-допированное волокно с помощью УФ-излучения, практическое изготовление волоконного лазера на основе ДБР не так просто из-за низкого содержания Ge в сердцевине волокна и плохой фоточувствительности. Сердцевина изготовлена из кварцевого стекла и обеспечивает путь для света.
Напротив, волоконный лазер DBR может быть изготовлен более просто путем встраивания решетки из Ge-допированного волокна на обоих концах Er-допированного волокна с образованием резонансной полости.
Лазеры на волоконных решетках DBR и DFB сталкиваются с рядом проблем, таких как низкая эффективность поглощения накачки из-за коротких резонансных полостей, более широкие спектральные линии, чем у кольцевых лазеров, и скачки мод.
Короткоимпульсные волоконные лазеры
Как и в твердотельных лазерах, в волоконных лазерах генерация коротких импульсов основана на принципе модовой блокировки. Когда волоконный лазер работает на большом числе продольных мод в полосе усиления, режим блокировки достигается при фазовой синхронизации каждой продольной моды и постоянной разности фаз между двумя соседними продольными модами.
Одиночный импульс, циркулирующий в резонаторе, отдает энергию через выходной соединитель. Волоконные лазеры делятся на волоконные лазеры с активной модовой блокировкой и волоконные лазеры с пассивной модовой блокировкой.
Возможность модуляции с активной блокировкой мод ограничивает длительность импульса, которая обычно составляет порядка пикосекунд. Пассивные волоконные лазеры с блокировкой мод используют нелинейно-оптические эффекты волокна или других оптических компонентов для достижения блокировки мод.
Рис. 4. Схема волоконного лазера с модуляцией добротности
Структура лазера проста и при определенных условиях позволяет добиться самозапуска режима блокировки без использования каких-либо модулирующих компонентов. Использование волоконных лазеров с пассивной модовой блокировкой позволяет получать ультракороткие импульсы порядка фемтосекунд.
Лазеры с ультракороткими импульсами нашли применение в сверхбыстрых источниках света, что позволило создать разнообразные методы спектроскопии и накачки с разрешением по времени. Технология генерации сверхкоротких импульсов является ключевой для достижения сверхскоростного оптического мультиплексирования с временным разделением каналов (OTDM). Волоконные лазеры с ультракороткими импульсами широко распространены в различных областях, таких как материаловедение, биология, медицина, химия и военное дело.
