ОПТИКА ЗА ПРИЛОЖЕНИЯ ЗА ВЪПРОСНА ЛАСЕРА
Влакнените лазери са намерили ниша за обработка и изследване, където лазерите Nd: YAG са твърде скъпи или имат свойства на лъча, които са нежелателни (например големи стойности на M2). Потребителите на лазерни влакна могат да бъдат загрижени за взаимозаменяемостта на съществуващото си предлагане на оптични компоненти или как да определят нова оптика. Тази статия се занимава с тези проблемни области и подчертава кои характеристики трябва да се определят особено внимателно.
Фибровите лазери набират място в различни приложения като пробиване, заваряване, рязане на фолио, лазерно маркиране и прецизна микро-обработка. Учените за научни изследвания също ги намират за много полезни като източници поради малките си отпечатъци и ниските стойности на М2. Успехът на лазерните влакна се основава на тяхната уникална комбинация от характеристики на лъча, които не са достъпни от други източници в същия диапазон на дължината на вълната: опция CW или импулсна работа, контрол на поляризацията (произволна, линейна или кръгова), тясна спектрална честотна лента и стойности на TEM00 M2, приближаващи се до 1 С такова подобрение на M2 над Nd: YAG лазерите могат да се реализират значително по-големи плътности на мощността. Възможни са по-плътно фокусирани лъчи, което води до по-резки изображения за маркиране и по-фини разрези за микромашиниране. Производствените работни разстояния също могат да бъдат увеличени. По този начин пазарът очаква да срещне нарастващо търсене на специализирани оптични компоненти, предназначени за приложения с фибро лазер.
1 Ефекти от качеството на лъча
Процесът на избор на компоненти е силно повлиян от плътността на висока мощност, постижима с влакна лазери. Оптичната кухина на влакна с лазер е влакното на ядрото, което може да бъде проектирано да сведе до минимум броя на режимите, като по този начин позволява на производителите да произвеждат в търговската мрежа лазери с М2 = 1,05. M2 е съотношението на многомодовия продукт на дивергенция на диаметъра на лазерния лъч към продукта за дивергенция с ограничена дифракция (TEM00) на диаметъра на лъча:
Където Θ0 е разминаването на лъча в милирадиани и w0 е ширината на талията на изходния лъч (ако лъчът е кръгъл, тогава w0 може да бъде заменен с диаметър на лъча d0). Или за постижимия фокусен диаметър d0:
Фигура 1 илюстрира параметрите, използвани в уравнение (2). Производителите на лазерни влакна обикновено осигуряват глава за подаване на лъч с колимиращ изход между 5 mm и 20 mm в диаметър (D0). Изчисленията показват, че теоретичен фокусен диаметър d0 от 10 μm е постигнат с 19 mm обектив с фокусно разстояние. Следователно, за 50W влакно лазер при 1075nm, фокусираният лъч опакова огромна оптична плътност на мощността
Повече комбинации са дадени в таблица 1. Докато оптиката на кормилната греда никога не може да види идеално фокусирано място, има фактор на безопасност, който дизайнерският инженер ще иска да вземе предвид; тези високи, дифракционни плътности на мощност могат да се отразят на оптичните елементи по време на подравняване.
За ниско енергийни импулсни лазери и средни лагери CW (от порядъка на средна мощност от 1 до 5 W), стъкло N-BK7 от Schott chott.de) е подходящ и евтин субстратен материал както за отразяваща, така и за трансмисивна оптика, където енергията на оптичната повърхност е <50mw> N-BK7 е боросиликатно короново оптично стъкло с висока хомогенност и високо предаване във видимата и близката инфрачервена връзка. Антирефлексните (AR) покрития могат да се използват на прозорци, лещи и частични отражатели, за да увеличат цялостното предаване през компонента. При тези енергии могат да се използват или теснолентови ("V" -кожа) AR покрития, или многослойни широколентови AR покрития за намаляване на отразяването на повърхността от около 4% до <0,25% при="" единична="" дължина="" на="" вълната="" или=""><0,5% при="" широчина="" на="" лентата="" от="" 250-400nm="" за="" регулируеми="" лазерни="" системи="" (виж="" фигура="">
Тесните ленти „V” -покрития са многослойни (обикновено двуслойни) диелектрични антиотражателни покрития, които постигат теоретично минимално отражение при тясна лента от дължини на вълните. Отражението се увеличава бързо от двете страни на този минимум, придавайки му форма „V“ в графика на отражателната способност спрямо дължината на вълната. Американските производители обикновено използват терминологията „V-coat“ или „лазерлайн“, за да разграничат това покритие от широколентовите си AR предложения.
Друг вариант на материал за използване с лазерите от 1-5W влакна е N-SF11 стъкло от Schott, което има коефициент на пречупване n = 1.754 при 1060 nm, по-високо от това на N-BK7 (1.507). Това осигурява гъвкавост, ако за приложението е необходим обектив с късо фокусно разстояние. Тъй като и N-SF11, и N-BK7 имат коефициенти на термично разширение в диапазона 8 × 10-6 / ° C, стопеният силициев диоксид е предпочитаният избор на материал на основата, ако е важна термичната стабилност. Разтопеният силициев диоксид има коефициент на топлинно разширение само 0,57 × 10-6 / ° C, порядък по-стабилен от останалите оптични материали. Производителите на лазерни влакна препоръчват плавен силициев диоксид за трансмисивна оптика за използване с лазерни изходи от влакна по-големи от 50 W. Например, Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) настоятелно препоръчва използването на разтопен силициев диоксид за приложения с лазерни влакна поради значително по-високия праг на лазерно увреждане. Той има подобни пропускащи свойства на N-BK7 от 500-2000nm, но е по-термично стабилен и има по-високи граници на прагови повреди както за импулсни, така и за CW системи. IPG Photonics pgphotonics.com) препоръчва термоядрен синтетичен силициев диоксид за влакна с лазер с мощност над 1 kW. Отново, AR покритията могат да се използват за намаляване на повърхностните отражения, но за по-високи енергии е най-добре да се използват само многослойни „V” -кожани AR покрития, които издържат до 1MW / cm2 или повече.
2 обектива
В определени приложения, като изображения на оптични капани, поддържането на качеството на изображението по целия път на лъча е от решаващо значение. Въпреки че синглетните лещи или в стоплен силициев диоксид, или в N-BK7 материал са подходящи за просто управление на лъчите, двойни или триплътни апланатични лещи могат да бъдат по-подходящи, за да се сведат до минимум грешките на предаваната вълна. Тези лещи са проектирани да сведат до минимум две едноцветни грешки на вълната, наречени сферична аберация и кома. Сферичната аберация е аксиално симетрична и възниква, когато колиматираните лъчи, минаващи през външните зони на лещата, се фокусират на различно разстояние от лещата, отколкото лъчите, минаващи през централната зона. Комата е несиметрично изкривяване на фронталната вълна, което се увеличава линейно с ъгъл на полето или разстояние от главната ос. В комбинация тези аберации изкривяват предаваната вълна през лещата и причиняват фокусното петно да стане неправилно оформено и / или замъглено.
Дизайнът на двойни и триплътни лещи може да използва изброените преди това материали или други материали в зависимост от конкретните критерии за проектиране. Те са оптимизирани за единична дължина на вълната и обикновено са разположени на въздух, за да сведат до минимум допълнителни изкривявания на вълната, индуцирани от цимент между стъклените повърхности. Въздушното разстояние между елементите също позволява по-голяма гъвкавост в дизайна, тъй като съседните повърхности не трябва да имат съвпадащи кривини. Вместо това всяка от четири до шест повърхности може да бъде оптимизирана независимо, за да се сведе до минимум кома и сферични аберации чрез цялостния монтаж на лещите. Трябва да се избягва зацепените лещи, за да се постигне максимален праг на повреди и живот на компонента.
3 Тесен спектрален обхват
Диапазонът на дължината на вълната на влакно лазер се определя от помпената архитектура на производителя и използваните лепила в кухината с активен влакно. Типичните диапазони на дължината на вълната са: 780-800nm за ербиев допинг,
1030-1120nm за итербий, 1530-1600nm за ербий-итербий и 1800-2100nm за тулий. Ширината на честотната лента на влакна от лазер обикновено се определя от решетки Bragg от влакна. Производителите на лазерни влакна ще посочат диапазон, от който крайният потребител може да избере конкретна дължина на вълната. Действителната честотна лента на всеки лазер е само 1-2 nm. Това може да бъде важен детайл при избора на компоненти като вълнови платки от по-висок ред, които функционират правилно само при тясна честотна лента.
4 Поляризационна оптика
Широчината на лентата и плътността на енергията са най-важните характеристики на лъча, които трябва да знаете, когато избирате между различни поляризатори и вълни. Полимерните линейни поляризатори не са предназначени за използване при енергии, по-големи от 1W / cm2. Циментираните кубични поляризатори се предлагат както в теснолентов, така и в широколентов дизайн, но праговете на повреди са ограничени от вътрешната епоксидна форма. Въпреки че според някои съобщения няколко оптични цимента могат да издържат на лазерна плътност на мощността от 500 W / cm2, производителите на лазерни влакна препоръчват да се избягва циментирана оптика за влакна с лазер с мощност над 50 W. Над това ниво е необходимо да се премине към въздушно разположена или оптично контактувана конструкция на поляризиращ куб, който обикновено може да се справи с повече от 1 MW / cm2 от CW лазерна светлина.
За кристална кварцова вълна с множество поръчки с дебелина близо 1 mm, изменението на дължината на вълната с 2nm може да направи разликата между отлична вълнова плоча и неприемлива част. Λ / 4 вълна с дебелина 1 мм, проектирана за 1082 nm, всъщност би била вълнна плоча 0,23λ при 1084nm или изключена λ / 50. Алтернативно, сложна вълна от нулев ред, проектирана за същите две дължини на вълната, би променила забавянето между двете с <λ 1000="" вълни,="" което="" е="" в="" рамките="" на="" типичните="" граници="" на=""> Вълновите платки с нулев ред работят много над ± 40-70nm от проектната дължина на вълната и са много подходящи за настройване на лазерни системи, както и за такива с честотна лента на лазерната линия> 1 nm (виж фигура 3).
5 огледала
Стандартните компоненти - т.е. съществуващите конструкции на покритието - за други лазерни линии може да не съвпадат достатъчно добре с новите дължини на вълната и силата на лазерните влакна за оптимална работа. За много нискоенергийни системи защитените метални огледални покрития като злато, алуминий и сребро могат да бъдат подходящ избор за определени приложения, при които 100% отразяваща способност не се изисква. Те са лесно достъпни и евтини. Въпреки това, дори и при защитните слоеве, металните покрития са меки и в крайна сметка ще се надраскат или корозират, ако не бъдат правилно обработени. Алтернативно, многослойните диелектрични огледала са с твърдо покритие, издръжливи и силно отразяващи се при нормална честота или 45 ° (виж фигура 4). Те имат прагове на повреди над 20J / cm2 в импулсни системи от 10-20ns и затова не трябва да влошават или да нанасят щети, когато се използват в лазерни или импулсни или CW влакнести лазерни настройки. Въпреки че не е особено широколентов, диелектричното стандартно огледало, проектирано за 1064nm Nd: YAG системи, все още ще отразява> 99% при 1075nm или 1080nm.
6 Заключение
CVI представи нова линия огледала, специално проектирана за използване с влакнести лазерни системи. Освен това CVI е добавил най-често срещаните дължини на вълните с лазерни влакна към съществуващите продуктови линии, включително AR покрития за трансмисивна оптика, като вълнови плочи, лещи и прозорци, както и отразяващи покрития за лъчи, частични отражатели, изходни съединители и огледала.
Производителите на лазерни влакна продължават да натискат границите на своите технологии, увеличавайки CW-мощността и импулсната енергия, предлагана в търговската мрежа. Отличното качество на лъча в съчетание с по-високите енергии ще продължи да поставя все по-големи изисквания към оптичните компоненти, използвани в тези системи. Основните спецификации за тези компоненти включват материал на основата, праг на повреда и качество на повърхността.
