SZÁMLÉZER ALKALMAZÁSOK OPTIKAI
A szálaszerűk olyan feldolgozási és kutatási rést találtak, ahol az Nd: YAG lézerek túl drágák, vagy nemkívánatos sugárzási tulajdonságokkal rendelkeznek (pl. Nagy M2 értékek). A szálaszerű lézerek felhasználói aggódhatnak a meglévő optikai alkatrészek kínálatának cserélhetőségével vagy az új optika meghatározásának módjával. Ez a cikk az ilyen aggodalomra okot adó terekkel foglalkozik, és kiemeli, hogy mely tulajdonságokat kell különösen körültekintően meghatározni.
A szálas lézerek számos alkalmazásban szereznek helyet, például fúrásban, hegesztésben, fóliavágásban, lézerjelölésben és a pontos mikromegmunkálásban. A kutatók a kis lábnyomuk és alacsony M2-értékeik miatt is nagyon hasznosnak találják őket forrásként. A szálas lézerek sikere azon sugárjellemzők egyedi kombinációján alapul, amelyek nem állnak rendelkezésre más forrásokból ugyanabban a hullámhossz-tartományban: opcionális CW vagy impulzusos működés, polarizáció vezérlés (véletlenszerű, lineáris vagy kör alakú), keskeny spektrális sávszélesség és a TEM00 M2 értékek megközelítve 1 Az M2 Nd: YAG lézerekkel történő ilyen javításával jelentősen nagyobb energia sűrűség érhető el. Szorosabban fókuszált gerendák lehetségesek, élesebb képeket eredményeznek a jelöléshez és finomabb vágásokat eredményeznek a mikromagasításhoz. A gyártási munka távolságok szintén megnövelhetők. Így a piacon egyre növekvő igény mutatkozik a szálaszerű alkalmazásokhoz tervezett dedikált optikai alkatrészek iránt.
1 A sugárminőség hatása
Az alkotóelem-kiválasztási folyamatot nagymértékben befolyásolja a szálasérekkel elérhető nagy teljesítmény-sűrűség. A szálaszerű optikai üreg az a szálas mag, amelyet úgy lehet megtervezni, hogy minimalizálja az üzemmódok számát, ezáltal lehetővé téve a gyártók számára, hogy M2 = 1,05 lézer lézereket gyárthassanak a kereskedelemben. M2 a lézersugár multimódusú átmérő-divergencia szorzata és az ideális diffrakciós korlátozott (TEM00) sugárátmérő-divergencia szorzata:
Ahol Θ0 a nyaláb divergenciája milliárdanban, és w0 a kimeneti gerenda derékának szélessége (ha a nyaláb kör, akkor a w0 helyettesíthető a d0 gerenda átmérőjével). Vagy az elérhető elérhető fókuszpont átmérőhöz:
Az 1. ábra a (2) egyenletben alkalmazott paramétereket szemlélteti. A szálaszerű gyártók általában 5 és 20 mm közötti átmérőjű (D0) kollimált kimenettel rendelkező sugárzó fejet biztosítanak. A számítások azt mutatják, hogy 19 mm fókusztávolságú lencsével elméletileg 10 μm fókuszfolt-átmérő érhető el. Ezért egy 50 W-os 1075 nm hullámhosszú lézernél a fókuszált sugárzás óriási optikai teljesítmény-sűrűséget kínál
További kombinációk találhatók az 1. táblázatban. Noha a fényszóró-kormányzás optikája soha nem lát tökéletesen fókuszált helyet, van egy biztonsági tényező, amelyet a tervező mérnök figyelembe kíván venni; ezek a nagy, diffrakciós korlátozott teljesítmény sűrűségek érinthetik az optikai elemeket az igazítás során.
Alacsony energiájú impulzusos rostos lézerekhez és közepes hatótávolságú CW lézerekhez (átlagos teljesítmény 1-5 W), a Schott chott.de N-BK7 üvege) megfelelő és olcsó hordozóanyag mind reflektív, mind transzmissziós optikához, ahol az energia az optikai felületen <50 mw=""> Az N-BK7 egy boroszilikát korona optikai üveg, nagy homogenitással és nagy átjárhatósággal a látható és a közeli infravörös tartományban. Ablakokon, lencséken és részleges reflektorokon tükröződésgátló (AR) bevonatok használhatók az alkatrészen keresztüli átvitel fokozása érdekében. Ezen energiák mellett akár keskeny sávú (“V” bevonatú) AR bevonatok, akár többrétegű széles sávú AR bevonatok használhatók felületre eső visszaverődés csökkentésére mintegy 4% -ról <0,25% -ra="" egyetlen="" hullámhosszon="" vagy=""><0,5% -ra="" egy="" sávszélességnél="" 250-400="" nm-es="" hangolható="" lézerrendszereknél="" (lásd="" a="" 2.="">
A keskeny sávú „V” bevonatok többrétegű (jellemzően kétrétegű) dielektromos visszaverődésgátló bevonatok, amelyek elméleti minimális visszaverő képességet érnek el egy keskeny hullámhossz-sávban. A reflexió gyorsan növekszik e minimum mindkét oldalán, így a „reflexió” és a hullámhossz gráf „V” alakját kapja. Az amerikai gyártók általában a „V-coat” vagy a „laserline” terminológiát használják, hogy megkülönböztessék ezt a bevonatot szélessávú AR kínálatuktól.
Az 1-5 W-os szálaszerű lézerekhez való felhasználás egy másik lehetősége a Schott N-SF11 üveg, amelynek törésmutatója n = 1,754 1060 nm-en, magasabb, mint az N-BK7 (1,507). Ez rugalmasságot biztosít, ha az alkalmazáshoz rövid fókusztávolságú lencsére van szükség. Mivel mind az N-SF11, mind az N-BK7 hőtágulási együtthatók 8x10-6 / ° C tartományban vannak, az olvasztott szilícium-dioxid az a szubsztrát anyag előnyben részesített választása, ha a hőstabilitás fontos. Az olvasztott szilícium-dioxid hőtágulási koefficiense mindössze 0,57 × 10-6 / ° C, nagyságrenddel stabilabb, mint a többi optikai anyagnál. A szálaszerű gyártók az olvasztott szilícium-dioxidot átmeneti optikához javasolják, ha az 50W-nál nagyobb szálaszerű kimenő teljesítményt használják. Például a Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) határozottan javasolja az olvasztott szilícium-dioxid használatát szálaszerű alkalmazásokban, mivel ez jelentősen magasabb lézerkárosodási küszöbértéket jelent. Ugyanolyan transzmissziós tulajdonságokkal rendelkezik, mint az N-BK7, 500-2000 nm-nél, de termikusan stabilabb, és magasabb károsodási küszöbértékekkel rendelkezik mind az impulzusos, mind a CW rendszereknél. Az IPG Photonics pgphotonics.com) IR-minőségű olvasztott szilícium-dioxidot ajánl 1kW feletti szálas lézerekhez. Az AR bevonatok is felhasználhatók a felületi visszaverődés csökkentésére, de nagyobb energiák esetén a legjobb csak többrétegű “V” bevonatú AR bevonatokat használni, amelyek legalább 1 MW / cm2-ig ellenállnak.
2 lencsék
Bizonyos alkalmazásokban, például az optikai csapdák képalkotása szempontjából kritikus fontosságú a képminőség fenntartása a sugárút egész területén. Bár a szingulett lencsék, akár olvasztott szilícium-dioxidból, akár N-BK7 anyagból készülnek, egyszerű sugárzási irányításra alkalmasak, a dublett vagy triplett aplanatikus lencsék alkalmasabbak lehetnek az átvitt hullámfront hibák minimalizálása érdekében. Ezeket az objektíveket úgy tervezték, hogy minimálisra csökkentsék a két gömb alakú aberrációnak és a kómának nevezett monokróm hullámfront hibát. A gömb alakú eltérés tengelyirányban szimmetrikus, és akkor fordul elő, amikor a lencse külső zónáin áthaladó kollimált sugarak a lencsétől eltérő távolságra fókuszálnak, mint a középső zónán áthaladó sugarak. A kóma egy tengelyen kívüli, nem szimmetrikus hullámfront torzítás, amely lineárisan növekszik a terepi szög vagy a főtengelytől való távolság függvényében. Ezek a rendellenességek együttesen torzítják a lencsén átadott hullámfrontot, és a fókuszpont szabálytalan alakúvá és / vagy homályossá válnak.
A dupla és hármas lencsék kialakítása felhasználhatja a korábban felsorolt alapanyagokat vagy más anyagokat, az egyedi tervezési kritériumoktól függően. Egy hullámhosszra vannak optimalizálva, és általában légközben vannak elhelyezve, hogy minimalizálják az üvegfelületek között a cement által kiváltott további hullámfront torzulásokat. Az elemek légközbeni elhelyezése a megnövekedett rugalmasságot is lehetővé teszi a tervezésben, mivel a szomszédos felületeknek nem kell megfelelő görbülettel rendelkezniük. Ehelyett a négy-hat felület mindegyike egymástól függetlenül optimalizálható annak érdekében, hogy a lehető legkisebbre csökkentsék a kómát és a gömb alakú rendellenességeket a teljes lencséren keresztül. Kerülni kell a cementált lencsék összeállítását az alkatrész teljes károsodási küszöbének és élettartamának maximalizálása érdekében.
3 Keskeny spektrumú sávszélesség
A rostos lézer hullámhossz-tartományát a gyártó szivattyúzási architektúrája és az aktív rostos lézerüregben alkalmazott adalékanyagok határozzák meg. Tipikus hullámhossz-tartományok: 780-800 nm az erbium-doppinghoz,
1030-1120 nm ytterbium esetében, 1530-1600 nm erbium-ytterbium esetében és 1800-2100 nm thulium esetén. A rostos lézer sávszélességét általában a Bragg rost rácsok határozzák meg. A szálaszerű gyártók meghatározzák a tartományt, amelyből a végfelhasználó kiválaszthat egy adott hullámhosszt. Az egyes lézerek tényleges sávszélessége csak 1-2nm. Ez fontos részlet lehet olyan komponensek kiválasztásakor, mint a magasabb rendű hullámlemezek, amelyek csak szűk sávszélesség mellett működnek megfelelően.
4 Polarizációs optika
A sávszélesség és az energia sűrűség a legfontosabb sugárjellemzők, amelyeket tudni kell, amikor a polarizátorok és a hullámlemezek között választanak. A polimer lineáris polarizátorokat nem szabad 1W / cm2-nél nagyobb energiára használni. A cementált kocka polarizátorok szűk sávú és széles sávú kivitelben is kaphatók, de a károsodási küszöbértékeket a belső epoxi korlátozza. Bár állítólag néhány optikai cement képes ellenállni az 500 W / cm2 lézersűrűségnek, a szálaszerű gyártók azt javasolják, hogy kerüljék az 50W feletti szálas lézerek cementált optikáját. E szint felett át kell váltani egy légközben elhelyezett vagy optikailag érintkezésbe kerülő polarizáló kocka kialakításra, amely jellemzően több mint 1 MW / cm2 CW lézerfényt képes kezelni.
Többszörös, 1 mm vastagságú kristálykvarc hullámlemez esetén a hullámhossz 2nm-es változása megkülönböztetheti a kiváló hullámlemez és az elfogadhatatlan rész között. Az 1 mm vastag λ / 4 hullámlemez, amelyet 1082 nm-re terveztek, valójában 0,23 λ hullámlemez lenne 1084 nm-en, vagy λ / 50 kikapcsolt állapotban. Alternatív megoldásként az ugyanazon két hullámhosszra tervezett összetett nulla rendű hullámlemez megváltoztathatja a kettő közötti késleltetést <λ 1000="" hullámmal,="" ami="" jóval="" a="" tipikus="" mérési="" határokon="" belül=""> A nulla sorrendű hullámlemezek nagyon jól működnek ± 40-70 nm-nél nagyobb mértékben a tervezett hullámhossztól, és jól alkalmazhatók hangolható lézer rendszerekhez, valamint azokhoz, amelyek lézersávjának szélessége meghaladja az 1 nm-t (lásd a 3. ábrát).
5 tükrök
Előfordulhat, hogy az egyéb alkatrészek - azaz a létező bevonatminták - más lézervonalakhoz nem igazán felelnek meg az új szálaszerű hullámhosszúságnak és az optimális teljesítmény eléréséhez szükséges teljesítménynek. Nagyon kevés energiájú rendszereknél a védett fém tükörbevonat, mint például arany, alumínium és ezüst, megfelelő választás lehet bizonyos alkalmazásokban, ahol a 100% -os visszaverődés nem szükséges. Könnyen elérhetők és olcsók. A fémbevonatok még a védőrétegek mellett is lágyak és végül megkarcolódnak vagy korrodálódnak, ha nem megfelelően kezelik. Alternatív megoldásként a többrétegű dielektromos tükrök keménybevonatúak, tartósak és nagy fényvisszaverő képességgel bírnak, akár normál befolyáson, akár 45 ° -on (lásd a 4. ábrát). Károsodási küszöbértékeik meghaladják a 20 J / cm2-t 10-20ns impulzusos rendszerekben, és ezért azok nem ronthatják le, és nem okozhatnak károsodást, ha impulzusos vagy CW szálú lézerbeállításokban használják. Bár nem különösebben szélessávú, az 1064 nm-es Nd: YAG rendszerekhez tervezett dielektromos standard tükör mégis> 99% -ot fog visszaverni 1075 nm vagy 1080 nm hullámhosszon.
6. Következtetés
A CVI bevezett egy új tükrösort, amelyet kifejezetten szálaszerű rendszerekhez terveztek. Ezenkívül a CVI a létező terméksorozatokhoz hozzátette a leggyakoribb szálaszerű hullámhosszokat, ideértve az átlátszó optika AR bevonatait, például a hullámlemezeket, a lencséket és az ablakokat, valamint a fényszórók, részleges reflektorok, kimeneti csatlakozók és tükrök fényvisszaverő bevonatait.
A szálaszerű gyártók továbbra is technológiai korlátaikat hajtják végre, növelve a kereskedelemben elérhető CW teljesítményt és impulzus energiát. A kiváló sugárminőség és a magasabb energiák együttesen továbbra is növekvő igényeket támasztanak az ezekben a rendszerekben alkalmazott optikai alkatrészekre. Ezeknek az alkatrészeknek a főbb jellemzői tartalmazzák az aljzat anyagát, a sérülési küszöböt és a felület minőségét.
