Laserové systémy IPG Photonics
  • Domů
  • Vláknové lasery 101
Laserové světlo lze využít v různých oblastech. Od zábavy, přes vědeckou práci a chirurgii až po pokročilou a náročnou průmyslovou výrobu.

Vláknové lasery 101

Co přesně je laser?

"Laser" je zkratka pro Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zesílení světla stimulovanou emisí záření). Zjednodušeně řečeno, laser jako zařízení přeměňuje energii na světlo. Světlo je následně ještě zesíleno a poté je zaostřeno do svazku s vysokou energií. Laserové světlo se od běžného světla liší tím, že může být kolimováno, je méně náchylné k rozptylu a pokud je dále ještě zaostřeno, výrazně se zvýší jeho energetická hustota. Existuje mnoho druhů laserů a využití laserového světla sahá od zábavy, vědeckých pokusů a chirurgie, lékařství až po pokročilou a náročnou průmyslovou výrobu.

Všechny lasery mají společnou základní sadu komponent. Laser začíná aktivním prostředím zesilovače, které se používá k zesílení výkonu světla - mezi laserová aktivní média patří plyny, barviva, polovodičové materiály - diody, krystaly a také dopovaná optická vlákna. K buzení a čerpání aktivního média se pak používá nějaký zdroj energie, buď elektrický proud, nebo zdroj světla. Jakmile je v prostředí zesilovače  vytvořena potřebná energie, přes reflexní materiály známé jako částečně propustné reflektory se fotonový tok směruje na výstup laseru. Výstup z laseru je pak nastaven a zaostřen podle potřeby dané aplikace.

Parametry laseru

 

Tabulka vlnových délek laseru

 

Vlnová délka laseru

Vlnová délka laseru, měřená v nanometrech (nm) nebo mikronech (µm), je vzdálenost mezi po sobě jdoucími hřebeny světelné vlny. Vlnová délka laseru se obvykle pohybuje od hluboké ultrafialové až po střední infračervenou oblast (IR). Záření viditelné lidským okem je  v rozsahu od ~400 do ~700nm.  

Správná vlnová délka je kritickým faktorem  pro mnoho aplikací: materiály se výrazně liší v tom, jak absorbují energii světla na různých vlnových délkách. Materiály absorbují určitou část energie laserového svazku a zbytek odrážejí - v závislosti na poměru mezi absorbovaným a odraženým světlem  může aplikace vyžadovat použití jiné vlnové délky laseru. Vlnová délka má také zásadní význam pro pokročilé a vědecké aplikace včetně mikroskopie, optického zachycení a aplikacích s ultrazvukem.

Jako výchozí bod se používají vlnové délky blízké IR na přibližně 1000nm a to zejména pro zpracování kovů. Je to proto, že lasery v blízkém IR pásmu nabízejí vyšší výkony, jsou jednoduší a cenově výhodné. Většina kovů účinně absorbuje světlo právě v blízkém IR pásmu  nebo viditelném rozsahu. Dokonce i kovy s vysokou IR odrazivostí, jako je hliník a měď, se zpracovávají převážně blízkými IR lasery, které překonávají odrazivost materiálu vyššími hustotami výkonu.

Polymery, keramika, sklo a další nekovové materiály se často zpracovávají pomocí laserů s vlnovou délkou od střední infračervené až po hlubokou ultrafialovou. Čiré polymery a sklo jsou ve skutečnosti průhledné nebo téměř průhledné pro blízké infračervené světlo a propouštějí většinu blízkého infračerveného světla, aniž by bylo absorbováno. V důsledku toho lze materiály, které snadno absorbují blízké IR světlo, zpracovávat přes polymerní nebo skleněné vrstvy.

 

Výkon laseru

Výkon laseru se také označuje jako průměrný výkon a měří se ve wattech (W). Průměrný výkon laseru udává, kolik energie je dodáno cílovému materiálu za určitou dobu. Požadavky na výkon laseru se u různých aplikací liší a to až o mnoho řádů. Aplikace pro snímání, zpracování dat, telekomunikace, lékařství nebo vědu využívá výkony od několika miliwattů až po desítky wattů. Aplikace, které se netýkají zpracování kovů, obvykle vyžadují průměrný výkon od několika wattů do několika set wattů. Naopak, aplikace pro zpracování kovů vyžadují výkony od stovek wattů a v případě některých aplikací jsou využitelné výkony desítek a více kilowattů, jako třeba pro řezání a svařování silných kovů.

 

Tabulka špičkového výkonu pro různé provozní režimy laseru.

 

Provozní režim laseru

Lasery mohou vyzařovat svazek světla, který s sebou nese trvalý konstantní výkon - tento režim se označuje jako kontinuální vlna (CW) a je nejběžnějším režimem provozu laseru. Lasery lze používat také v pulzním režimu. Pulzní lasery jsou charakterizovány počtem pulzů za sekundu (opakovací frekvence), celkovou energií laserového pulzu (energie pulzu), nejvyšším výkonem dosaženým pulzem (špičkový výkon) a délkou každého pulzu (doba trvání pulzu).

Stejně jako u CW laserů je výkon pulzního laseru v čase reprezentován jako průměrný výkon. Pulzní lasery, i když jejich průměrný výkon odpovídá výkonu CW laseru, působí na cílový materiál odlišně. Pulzní lasery se často používají ke zpracování dílů při minimalizaci tepelného dopadu na okolní materiál nebo v případech, kdy je zapotřebí vyšší špičkový výkon. Dlouhé pulzní kvazikontinuální lasery (QCW) využívají pulzy měřené v milisekundách s vysokými špičkovými výkony k napodobení zpracování CW laserem s menším tepelným vnosem a s nižším výkonem laseru. Nanosekundové a ultrarychlé (pikosekundové/femtosekundové) lasery využívají extrémně krátké pulzy pro aplikace mikrozpracování, kde není přípustný nadměrný tepelný příkon nebo kde jsou vyžadovány extrémně vysoké špičkové výkony.

Obecně lze říci, že CW lasery nabízejí nejvyšší průměrné výkony a v důsledku toho i nejvyšší rychlosti zpracování. Při rozhodování mezi CW a pulzním laserem je třeba zvážit mnoho faktorů, ale často je nejdůležitější vyvážit výkon a kvalitu dílů. Pro mnoho aplikací, jako je například řezání plechů, jsou výhodné výkonné CW lasery, které výrazně zvyšují rychlost řezání a nepotřebují bezchybnou kvalitu hran. Při řezání stohů ultratenkých fólií se však obvykle používají nanosekundové a ultrarychlé pulzní lasery, které zajišťují vynikající kvalitu hran a snižují nebo eliminují negativní tepelné efekty.

 

Příklad profilů multi-módového a single-módového laserového svazku.

Vlevo: multi-módový profil svazku s větší velikostí spotu. Vpravo: profil single-módového svazku s menší velikostí spotu.

 

Velikost laserového bodu - spotu - a kvalita svazku

Když se laserový svazek dostane do kontaktu s cílovým materiálem, vytvoří oblast dopadajícího laserového světla stopu  označovanou jako bod, resp. spot.  Velikost spotu, obvykle měřená v µm, je rozhodujícím faktorem při určování charakteru interakce laseru s cílem. Velikost spotu lze řídit různými způsoby, včetně použití různých optických vláken a zaostřovacích čoček, změny vzdálenosti mezi dodávaným laserovým svazkem a cílem a použitím delších nebo kratších vlnových délek.

Zmenšení velikosti spotu umožňuje efektivnější využití výkonu laseru tak, že se soustředí energie svazku na menší plochu. Vyšší hustota energie umožňuje zvýšení rychlosti zpracování neboť se zkracuje doba, za kterou laserový svazek pronikne materiálem. Malá velikost spotu je také nezbytná pro aplikace mikrozpracování a pro díly, které mají jemné detaily. Pro mnoho aplikací, jako je například konstrukční svařování, je však optimální zvětšení velikosti spotu pro zpracování širší oblasti a zkrácení potřebné dráhy svazku.

Beam quality, typically measured in M2 for single-mode lasers (typical spot size: 20 to 50 µm) and Beam Parameter Product (BPP) for multi-mode lasers (typical spot size: 100+ µm), is an important and complex laser parameter that, in practice, represents how much a laser beam can be focused. Lower M2 and BPP values correspond with higher beam qualities. A beam quality of M2 = 1 means that the beam experiences no divergence and is considered perfect. Although this is not quite achievable with actual devices, industrial fiber lasers can reliably achieve beam qualities of M2 =< 1.1. For applications that require strongly focused beams like cutting, drilling, and welding, higher beam qualities improve processing speeds and qualities. Some applications, like wide area laser heat treatment and cleaning, do not require particularly high beam qualities, instead benefitting from less focused laser energy.

Co jsou to vláknové lasery?

Vláknové lasery generují  světlo v optickém vláknu z křemenného skla s dopanty. Toto vlákno slouží jako zesilovací médium a rezonátor. Je čerpané  elektrickým proudem za pomocí výkonových diod. Tento způsob přenosu spolu s účinnou konverzí elektrické energie na světlo činí z vláknových laserů v mnoha případech výrazně praktičtější řešení než starší lasery, jako jsouCO2 lasery, nebo alternativní technologie, jako jsou diskové lasery. Díky absenci složité optiky, požadavků na častý servis nebo výměnu spotřebního materiálu je technologie vláknových laserů výrazně jednodušší na integraci a má revoluční dopad na výrobu založenou na laserech, lékařské aplikace a obory z oblasti vědy a výzkumu.

Tabulka porovnání vlastností vláknového laseru a jiných laserových médií.

Jedinečné vlastnosti aktivních optických vláken z nich činí ideální zesilovací médium a materiál pro laserové rezonátory. Vlákno je flexibilní, snadno se s ním manipuluje a může mít různé délky.  Jeho obrovský poměr povrchu k objemu usnadňuje odvod tepla a pomáhá zabránit efektu tepelných čoček (thermal lensing). Vlákna různých typů, složení a průměrů jádra lze spojovat a vytvářet tak složité optické systémy kombinující zdroje čerpání, vlákna pro optické zesílení a vlákna pro přenos svazku bez nutnosti použití klasické volné optiky a s ní spojených rizik kontaminace, poškození a špatného nastavení.

Technologie vláknového laseru IPG

Naše jedinečná technologická platforma umožňuje laserům IPG dosahovat vyšších výstupních výkonů a vynikající kvality svazku při nižších nákladech, než jakých lze dosáhnout s jakoukoli jinou konkurenční laserovou technologií. Naše patentované konstrukce jsou založeny na inovativních čerpacích technikách a vysoce výkonných komponentách, které společnost IPG zdokonalila během desetiletí intenzivních investic a inovací. Základními kameny technologie vláknových laserů IPG jsou naše technika bočního čerpání plášťů a distribuovaná architektura čerpání s jedním emitorem diod.

 

Technologie diodově čerpaných laserů

 

Základem technologie vláknových laserů IPG je technika bočního čerpání pláště a distribuovaná architektura čerpání pomocí jednoemitorových diod.

 

Nejlepší technologie diodově čerpaných laserů ve své třídě využívá naše rozsáhlé zkušenosti z telekomunikačního průmyslu a následných invencí a inovací. Naše jednoemitorové diody jsou vyráběny pomocí technologií a procesů osvědčených v telekomunikacích. Každý wafer je posuzován dle přísných standardů telekomunikačního průmyslu, což odlišuje IPG od alternativních výrobců využívajících pro čerpání diodové tyče s krátkou životností a technologie bar-stack. Výsledkem je, že jednoemitorové diody IPG nabízejí řádově vyšší jas pro čerpání a až dvojnásobnou energetickou účinnost oproti jiným řešením. Jednoemitorová čerpací diody jsou buď chlazené obyčjnou vodou nebo dokonce postačuje  nucené chlazení  vzduchem.  Čerpání na bázi tyčových diod od jiných výrobců vyžaduje drahé, nespolehlivé a složité mikrokanálové chladiče využívající vysokotlakou deionizovanou vodu.

Dozvědět se více

 

 

Technologie bočního čerpání

 

Schéma znázorňující techniku bočního čerpání, kterou vyvinuli Dr. Valentin Gapontsev a Dr. Igor Samartsev.

 

V aktivním vláknu se musí spojit a shromáždit světlo z laserových diod tak, aby na výstupyu vytvořilo kolimovaný laserový svazek. Fotonový tok z jednoemitorových diod IPG se koncentruje v aktivním  vláknu s průměrem jádra pouhých 100 mikronů. Pomocí techniky bočního čerpání, kterou vyvinuli Dr. Valentin Gapontsev a Dr. Igor Samartsev, se světlo z mnoha čerpacích diod účinně navazuje do pláště aktivního zesilovacího vlákna. Světlo pak přes mnohonásobné odrazy v plášti prochází přes  jednovidové jádro vlákna, kde je absorbováno a znovu vyzářeno ionty vzácných zemin. Tento elegantní mechanismus převádí diodové světlo na vláknové laserové světlo s mimořádnou účinností.

Kontaktujte IPG a získejte podrobnější informace o našich vláknových laserech.

Další informace o vláknových laserech IPG

Lasery IPG s výkonem od miliwattů po více než sto kilowattů, od UV až po střední infračervené záření a od kontinuálních zdrojů po femtosekundové pulzy, jsou vybaveny špičkovou technologií, která umožňuje optimalizovat výsledky v široké škále aplikací včetně zpracování materiálů, lékařských operací a vědeckých činností.

Zjistěte více o tom, jak široké spektrum vláknových laserů a jejich  možností může maximalizovat produktivitu a posouvat hranice možného.

Dozvědět se více
IPG obrázek

Chcete se dozvědět více o technologii vláknového laseru IPG?

Ať už máte v hlavě projekt, nebo se jen chcete dozvědět více o technologii vláknového laseru IPG, odborník na laser IPG je připraven vám pomoci.