Systemy laserowe IPG Photonics
Światło laserowe może być wykorzystywane w różnych branżach, od rozrywki, przedsięwzięć naukowych i chirurgii, po zaawansowaną i ciężką produkcję przemysłową.

Lasery włóknowe - przewodnik

Co to jest laser?

"Laser" to skrót od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła poprzez stymulowaną emisję promieniowania). Mówiąc prościej, laser przekształca energię w światło, które jest następnie wzmacniane przez układ optyczny, przed skupieniem tego światła w wiązkę o wysokiej energii. Światło lasera różni się od zwykłego światła tym, że może być skolimowane lub mniej podatne na rozproszenie, a następnie skupione w celu znacznego zwiększenia gęstości energii. Istnieje wiele rodzajów laserów, a zastosowania światła laserowego obejmują zakres od rozrywki, przedsięwzięć naukowych i chirurgii, po zaawansowaną i ciężką produkcję przemysłową.

Wszystkie lasery posiadają podstawowy zestaw komponentów. Laser zaczyna się od ośrodka wzmacniającego, który jest używany do wzmocnienia mocy światła. Laserowe ośrodki wzmacniające obejmują gazy, barwniki, diody, kryształy i światłowody. Źródło energii, prąd elektryczny lub źródło światła są wykorzystywane do pompowania ośrodka wzmacniającego. Po wygenerowaniu niezbędnej energii, materiały odblaskowe (znane jako reflektory częściowe i całkowite) kontrolują moc wyjściową lasera, która jest następnie regulowana i dostosowywana zgodnie z potrzebami danej aplikacji

Parametry lasera

 

Tabela długości fal lasera

 

Długość fali lasera

Mierzona w nanometrach (nm) lub mikronach (µm), długość fali lasera to odległość między kolejnymi grzbietami fali świetlnej. Długość fali lasera zazwyczaj waha się od głębokiego ultrafioletu do średniej podczerwieni (IR) i jest widoczna dla ludzkiego oka w zakresie od ~400 do ~700 nm.  

Długość fali ma krytyczne znaczenie dla wielu zastosowań, ponieważ materiały często różnią się znacznie pod względem sposobu pochłaniania energii światła. Materiały pochłaniają pewną część energii wiązki laserowej i odbijają resztę - równowaga między tymi dwoma czynnikami może wymagać użycia innej długości fali lasera. Długość fali ma również kluczowe znaczenie dla zaawansowanych i naukowych zastosowań, w tym mikroskopii, pułapkowania optycznego i ultradźwięków.

Długość fali bliskiej podczerwieni wynosząca około 1000 nm jest wykorzystywana jako punkt wyjścia, szczególnie w przypadku obróbki metali. Wynika to z faktu, że lasery bliskiej podczerwieni oferują wyższe moce, są mniej skomplikowane i często bardziej opłacalne. Większość metali skutecznie absorbuje światło w bliskiej podczerwieni lub w zakresie widzialnym. Nawet metale o wysokim współczynniku odbicia światła podczerwonego, takie jak aluminium i miedź, są przetwarzane głównie przez lasery bliskiej podczerwieni, które pokonują odbicie materiału przy wyższych gęstościach mocy.

Różne polimery, ceramika, szkło i inne niemetale są często przetwarzane przez lasery o długości fali od średniej podczerwieni do głębokiego ultrafioletu. Przezroczyste polimery i szkło są w rzeczywistości przezroczyste lub prawie przezroczyste dla światła bliskiej podczerwieni, przepuszczając większość światła bliskiej podczerwieni bez pochłaniania. W rezultacie materiały, które łatwo absorbują światło bliskiej podczerwieni, mogą być przetwarzane przez warstwę polimeru lub szkła.

 

Moc lasera

Moc lasera, określana również jako moc średnia, mierzona jest w watach (W). Średnia moc lasera określa ilość energii dostarczanej do materiału docelowego w danym okresie czasu. Wymagania dotyczące mocy lasera różnią się o wiele rzędów wielkości dla różnych zastosowań. Wiele zastosowań związanych z wykrywaniem, przetwarzaniem danych, telekomunikacją, medycyną lub nauką wykorzystuje moc od kilku miliwatów do kilkudziesięciu watów. Zastosowania niezwiązane z obróbką metali zazwyczaj wymagają od kilku watów do kilkuset watów średniej mocy. Zastosowania związane z obróbką metali wymagają mocy od setek watów, w przypadku niektórych zastosowań mikroprocesorowych, do kilkudziesięciu lub więcej kilowatów, w przypadku zastosowań związanych z cięciem i spawaniem grubych metali.

 

Tabela mocy szczytowej dla różnych trybów pracy lasera.

 

Tryb pracy lasera

Lasery mogą emitować ciągłą wiązkę światła, aby emitować stały strumień średniej mocy - ten tryb jest określany jako fala ciągła (CW) i jest najczęstszym trybem pracy lasera. Lasery mogą być również używane w trybie impulsowym. Lasery impulsowe charakteryzują się impulsami na sekundę (częstotliwość powtarzania), całkowitą energią impulsu laserowego (energia impulsu), najwyższą mocą osiąganą przez impuls (moc szczytowa) oraz długością każdego impulsu (czas trwania impulsu).

Podobnie jak w przypadku laserów CW, moc wyjściowa lasera impulsowego w czasie jest przedstawiana jako moc średnia. Lasery impulsowe, nawet jeśli ich średnia moc odpowiada mocy lasera CW, mają inny wpływ na materiał docelowy. Lasery impulsowe są często używane do obróbki części przy jednoczesnym minimalizowaniu wpływu termicznego na otaczający materiał lub gdy wymagana jest wyższa moc szczytowa. Lasery o długich impulsach quasi-ciągłych (QCW) wykorzystują impulsy mierzone w milisekundach z wysoką mocą szczytową, aby naśladować obróbkę laserową CW przy mniejszym dopływie ciepła i przy niższej mocy lasera. Lasery nanosekundowe i ultraszybkie (pikosekundowe/femtosekundowe) wykorzystują ekstremalnie krótkie impulsy do zastosowań mikroprocesorowych, w których nadmierny pobór ciepła jest niedopuszczalny lub gdy wymagane są ekstremalnie wysokie moce szczytowe.

Ogólnie rzecz biorąc, lasery CW oferują najwyższe średnie moce, a co za tym idzie, najszybsze prędkości obróbki. Podejmując decyzję między laserem CW a laserem impulsowym, należy wziąć pod uwagę wiele czynników, ale często najważniejsze jest zrównoważenie wydajności z jakością części. Wiele zastosowań, takich jak cięcie blach, korzysta z laserów CW o dużej mocy w celu znacznego zwiększenia prędkości cięcia i nie wymaga nieskazitelnej jakości krawędzi. Jednak podczas cięcia stosów ultracienkich folii, zazwyczaj stosuje się nanosekundowe i ultraszybkie lasery impulsowe, aby zapewnić doskonałą jakość krawędzi i zmniejszyć lub wyeliminować negatywne efekty cieplne.

 

Przykład profilu wiązki lasera wielomodowego i jednomodowego.

Po lewej: profil wiązki wielomodowej o większym rozmiarze plamki. Po prawej: profil wiązki jednomodowej o mniejszym rozmiarze plamki.

 

Rozmiar plamki laserowej i jakość wiązki

Gdy wiązka lasera wchodzi w kontakt z materiałem docelowym, tworzy obszar światła laserowego określany jako plamka. Rozmiar plamki, zwykle mierzony w µm, jest krytycznym czynnikiem określającym sposób interakcji lasera z celem. Rozmiar plamki można kontrolować na wiele sposobów, w tym za pomocą różnych włókien dostarczających i soczewek skupiających, zmieniając odległość między dostarczaniem wiązki a celem oraz stosując dłuższe lub krótsze długości fal.

Zmniejszenie rozmiaru plamki umożliwia bardziej efektywne wykorzystanie mocy lasera poprzez skoncentrowanie energii wiązki na mniejszym obszarze. Większa gęstość energii jest przydatna do zwiększenia prędkości obróbki poprzez skrócenie czasu potrzebnego wiązce lasera do przebicia materiału. Małe rozmiary plamki są również niezbędne w różnych zastosowaniach mikroprocesorowych i w przypadku części wymagających drobnych elementów. Jednak w przypadku wielu zastosowań, takich jak spawanie strukturalne, zwiększenie rozmiaru plamki jest optymalne do obróbki szerszego obszaru i zmniejszenia wymaganego przesuwu wiązki.

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.

Czym są lasery światłowodowe?

Lasery światłowodowe kierują światło przez kabel optyczny włóknowy wykonany ze szkła krzemionkowego, który służy jako medium wzmacniające, i są pompowane prądem elektrycznym. Ta metoda dostarczania, w połączeniu z wydajną konwersją energii elektrycznej na światło, sprawia, że lasery włóknowy są znacznie bardziej praktycznym rozwiązaniem w wielu przypadkach niż starsze lasery, takie jak laseryCO2 lub alternatywne technologie, takie jak lasery dyskowe. Technologia laserowa włóknowy jest znacznie łatwiejsza do zintegrowania i ma rewolucyjny wpływ na produkcję opartą na laserach, zastosowania medyczne i przedsięwzięcia naukowe.

Tabela porównawcza funkcji lasera włóknowy i innych nośników laserowych.

Unikalne właściwości materiału optycznego włóknowy sprawiają, że jest on idealnym aktywnym medium wzmacniającym i materiałem na rezonatory laserowe. Elastyczny, łatwy w obsłudze i mogący obsługiwać różne długości, ogromny stosunek powierzchni do objętości włóknowy ułatwia odprowadzanie ciepła i pomaga uniknąć soczewkowania termicznego. Włókna o różnych typach, składach i średnicach rdzenia mogą być łączone w celu budowy złożonych systemów optycznych łączących źródła pompy, wzmocnienie optyczne i dostarczanie wiązki włóknowy bez potrzeby stosowania optyki wolnej przestrzeni i związanego z nią ryzyka zanieczyszczenia, uszkodzenia i niewspółosiowości.

Technologia lasera światłowodowego IPG

Nasza unikalna platforma technologiczna pozwala laserom IPG uzyskać wyższą moc wyjściową i doskonałą jakość wiązki przy niższych kosztach, niż jest to możliwe w przypadku jakiejkolwiek innej konkurencyjnej technologii laserowej. Nasze opatentowane projekty opierają się na innowacyjnych technikach pompowania i wysokowydajnych komponentach doskonalonych przez IPG przez dziesięciolecia intensywnych inwestycji i innowacji. Kamieniami węgielnymi technologii laserowej IPG włóknowy są nasza technika pompowania bocznego okładziny i rozproszona architektura pompowania diodowego z pojedynczym emiterem

 

Technologia pompowania diodowego

 

Technika pompowania bocznego okładziny i rozproszona architektura pompowania diodowego z pojedynczym emiterem są kamieniami węgielnymi technologii laserowej IPG włóknowy .

 

Najlepsza w swojej klasie technologia pomp diodowych wykorzystuje nasze ogromne doświadczenie w branży telekomunikacyjnej i inwestycje technologiczne. Nasze diody z pojedynczym emiterem są produkowane przy użyciu sprawdzonych technologii i procesów telekomunikacyjnych, a każdy wafel jest kwalifikowany zgodnie z rygorystycznymi standardami branży telekomunikacyjnej, co odróżnia IPG od alternatywnych produktów pomp przemysłowych wykorzystujących krótkotrwałe paski diodowe i technologie bar-stack. W rezultacie diody IPG z pojedynczym emiterem oferują o rząd wielkości wyższą jasność pompowania i nawet dwukrotnie wyższą sprawność energetyczną w porównaniu z pompami typu bar-stack. Pompy z pojedynczym emiterem mogą wykorzystywać proste chłodzenie wodą lub nawet wymuszone chłodzenie powietrzem, w przeciwieństwie do pomp typu bar-stack, które wymagają drogich, zawodnych i złożonych chłodnic mikrokanałowych wykorzystujących wodę dejonizowaną pod wysokim ciśnieniem.

Dowiedz się więcej

 

 

Technologia pompowania bocznego

 

Schemat ilustrujący technikę pompowania bocznego opracowaną przez dr Valentina Gapontseva i dr Igora Samartseva.

 

Lasery światłowodowe muszą łączyć i zbierać światło z diod laserowych w celu uzyskania skolimowanego wyjścia laserowego. Wyjście diod IPG z pojedynczym emiterem jest gromadzone we włóknach o średnicy rdzenia zaledwie 100 mikronów. Wykorzystując technikę pompowania bocznego opracowaną przez dr Valentina Gapontseva i dr Igora Samartseva, światło z wielu diod pompujących jest skutecznie sprzęgane z okładziną aktywnego wzmocnienia włóknowy. Światło pompy ulega wielokrotnym odbiciom w okładzinie, często przecinając jednomodowy rdzeń, gdzie światło jest absorbowane i ponownie emitowane przez jony ziem rzadkich. Ten elegancki mechanizm przekształca światło diody w światło lasera włóknowy z wyjątkową wydajnością.

Skontaktuj się z IPG, aby dowiedzieć się więcej o naszej ofercie laserów włóknowy

Dowiedz się więcej o laserach światłowodowych IPG

Od miliwatów mocy do ponad stu kilowatów, od UV do średniej podczerwieni i od fali ciągłej do impulsów femtosekundowych, lasery IPG są zasilane przez wiodącą w branży technologię, aby zoptymalizować wyniki w szerokim zakresie zastosowań, w tym w przetwarzaniu materiałów, operacjach medycznych i przedsięwzięciach naukowych.

Dowiedz się więcej o tym, jak najszersza gama laserów włóknowy i możliwości lasera włóknowy może zmaksymalizować produktywność i sprawić, że więcej będzie możliwe.

Dowiedz się więcej
IPG Photonics - lokalizacje na całym świecie

Chcesz dowiedzieć się więcej o technologii lasera światłowodowego IPG?

Niezależnie od tego, czy masz na myśli projekt, czy po prostu chcesz dowiedzieć się więcej o technologii laserowej IPG włóknowy , ekspert IPG jest gotowy do pomocy.