IPG Photonics Corporation
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 akronim angielskiego określnenia Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania). Mówiąc prościej, laser przetwarza energię w światło, które jest wzmacniane w układzie optycznym (rezonatorze) i może być skupione w wiązkę o wysokiej energii. Światło lasera różni się od zwykłego światła tym, że może być skolimowane, czyli równoległe (lub o niewielkiej rozbieżności), a następnie skupione w celu znacznego zwiększenia gęstości energii. Istnieje wiele rodzajów laserów, a zastosowania światła laserowego obejmują zakres od rozrywki, badań naukowych i chirurgii, po zaawansowaną i ciężką produkcję przemysłową.

Wszystkie lasery zbudowane są podobnie. Laser zaczyna się od ośrodka czynnego, który jest używany do wzmocnienia mocy światła. Ośrodkiem czynnym mogą być gazy, ciecze, półprzewodniki, kryształy i włókna szklane. Źródło energii - prąd elektryczny lub źródło światła są wykorzystywane do pompowania ośrodka czynnego. Po wygenerowaniu niezbędnej energii w ośrodku czynnym, zwierciadła rezonatora (określane jako całkowicie odbijające i częściowo przepuszczające) kontrolują moc wyjściową lasera, która jest następnie regulowana i dostosowywana zgodnie z potrzebami danej aplikacji

Parametry lasera

 

Tabela długości fal lasera

 

Długość fali

Długość fali lasera, mierzona w nanometrach (nm) lub mikrometrach (µm), to odległość między kolejnymi grzbietami fali świetlnej. Długość fali lasera zazwyczaj waha się od głębokiego ultrafioletu (deep UV)do średniej podczerwieni (IR). Promieniowanie laserowe laserów emitujących wiązkę o długości fali w zakresie od ~400 do ~700 nm jest widoczne dla ludzkiego oka.  

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 – odpowiedni balans między tymi dwoma wartościami może wymagać użycia innej – bardziej dopasowanej długości fali lasera. Długość fali ma również kluczowe znaczenie dla zaawansowanych i naukowych zastosowań, w tym mikroskopii, w pułapkach optycznych i ultradźwiękach.

Długość fali odpowiadająca bliskiej podczerwieni wynosząca około 1000 nm jest wykorzystywana jako punkt wyjścia przy wyborze długości fali lasera, 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 wiązki od materiału poprzez zastawanie odpowiednio wyższych gęstości mocy.

Różne polimery, ceramika, szkło i inne niemetale są często przetwarzane przez lasery o długości fali od średniej podczerwieni do głębokiego ultrafioletu. Czyste polimery i szkło są w rzeczywistości przezroczyste lub prawie przezroczyste dla światła z zakresu bliskiej podczerwieni, przepuszczając jego większość bez pochłaniania. Dzięki temu 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 laserów do mikroobróbki) do kilkudziesięciu lub więcej kilowatów (w przypadku zastosowań związanych z cięciem i spawaniem laserowym grubych metali).

 

Tabela mocy szczytowej dla różnych trybów pracy lasera.

 

Tryb pracy lasera

Lasery mogą emitować wiązkę światła w sposób ciągły w czasie, tj. emitować stały strumień średniej mocy - ten tryb jest określany jako fala ciągła (CW – continuous wave). Tryb ciągły (CW) jest najczęstszym trybem pracy lasera. Lasery mogą być również używane w trybie impulsowym. Lasery impulsowe charakteryzują się ilością generowanych impulsów na sekundę (częstotliwość powtarzania impulsów), 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 jest przedstawiana jako moc średnia w czasie. 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, niż maksymalna moc dostępna w laserach pracujących w trybie ciągłym. Lasery o długich impulsach quasi-ciągłych (QCW) wykorzystują impulsy mierzone w milisekundach z wysoką mocą szczytową, aby uzyskać podobny efekt, jak przy obróbce laserem CW, ale przy mniejszym obciążeniu cieplnym obrabianego przedmiotu i przy niższej mocy średniej lasera. Lasery nanosekundowe i ultraszybkie (pikosekundowe/femtosekundowe) wykorzystują ekstremalnie krótkie impulsy do zastosowań w mikroobróbce, w których nadmierne obciążenie cieplne materiału obrabianego jest niedopuszczalne 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 jest wymagana nieskazitelna jakości krawędzi. Jednak podczas cięcia 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 większej średnicy ogniska wiązki laserowej. Po prawej: profil wiązki jednomodowej o mniejszej średnicy ogniska wiązki laserowej.

 

Rozmiar plamki laserowej i jakość wiązki

Gdy wiązka lasera wchodzi w kontakt z materiałem docelowym, tworzy obszar, na który pada światło laserowego, określany jako plamka. Rozmiar plamki, zwykle mierzony w µm, jest krytycznym czynnikiem określającym sposób interakcji lasera z materiałem. Rozmiar plamki można kontrolować na wiele sposobów, w tym za pomocą różnych światłowodów procesowych, soczewek skupiających, zmieniając odległość pomiędzy optyką roboczą a materiałem lub 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, np. poprzez skrócenie czasu potrzebnego wiązce lasera do przebicia materiału. Małe rozmiary plamki są również niezbędne w różnych zastosowaniach mikroobróbki oraz w przypadku obróbki części o niewielkich wymiarach. Jednak w wielu zastosowaniach, takich jak spawanie elementów konstrukcyjnych, zwiększenie rozmiaru plamki jest pożądane, aby umożliwiając uzyskanie większego obszaru oddziaływania wiązki laserowej bez konieczności jej dodatkowego przesuwu.

Jakość wiązki, zazwyczaj mierzona w M2 dla laserów jednomodowych (typowy rozmiar plamki: 20 do 50 µm) i Beam Parameter Product (BPP) dla laserów wielomodowych (typowy rozmiar plamki: 100+ µm), jest ważnym i złożonym parametrem lasera, który w praktyce określa, jak bardzo można skupić wiązkę lasera. Niższe M2 i BPP odpowiadają wyższej jakości wiązki. Jakość wiązki M2 = 1 oznacza, że wiązka nie doświadcza rozbieżności i jest uważana za idealną. Chociaż nie jest to do końca osiągalne w rzeczywistych urządzeniach, lasery przemysłowe włóknowy mogą niezawodnie osiągać jakość wiązki 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 włóknowe generują wiązkę laserową ze światłowodu aktywnego (światłowód ze szkła krzemionkowego z włóknem aktywnym, które służy jako medium wzmacniające) w wyniku pompowania prądem elektrycznym. Ta metoda dostarczania, w połączeniu z wydajną konwersją energii elektrycznej na światło pompujące element czynny (włókno aktywne) sprawia, że w wielu przypadkach lasery włóknowe są znacznie bardziej praktycznym rozwiązaniem niż starsze lasery, takie jak lasery CO2 lub alternatywne technologie, takie jak lasery dyskowe. Technologia laserów włóknowych jest znacznie łatwiejsza do zintegrowania i ma rewolucyjny wpływ na produkcję przemysłową opartą na laserach, a także w zastosowaniach medycznych i naukowych.

Tabela porównawcza funkcji lasera włóknowego i innych nośników laserowych.

Unikalne właściwości włókien szklanych sprawiają, że są one idealnym elementem czynnym i materiałem na rezonatory laserowe: elastyczne, łatwe w obsłudze, o różnych długościach, posiadające ogromny stosunek objętości światłowodu aktywnego do włókna aktywnego, pomagający uniknąć soczewkowania termicznego. Włókna o różnych typach, składach i średnicach rdzenia mogą być łączone w celu stworzenia złożonych systemów optycznych łączących źródła pompujące, wzmacniacze optyczne i światłowody dostarczające promieniowanie laserowe do głowicy roboczej bez potrzeby stosowania otwartej optyki i związanego z nią ryzyka pojawienia się zanieczyszczenia, uszkodzeń i niewspółosiowości toru optycznego wiązki laserowej.

Technologia lasera światłowodowego IPG

Nasza unikalna platforma technologiczna pozwala laserom IPG uzyskać wyższą moc wyjściową i doskonałą jakość wiązki przy niższych kosztach, niż jakakolwiek inna konkurencyjna technologia laserowa. Nasze autorskie rozwiązania opierają się na innowacyjnych technikach pompowania i wysokowydajnych komponentach udoskonalanych przez IPG przez dziesięciolecia intensywnych inwestycji i innowacji. Kamieniami węgielnymi technologii laserów włóknowych IPG są nasza technologia pompowania bocznego oraz rozproszona architektura pompowania diodami laserowymi z pojedynczym emiterem.

 

Technologia pompowania diodowego

 

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

 

Najlepsza w swojej klasie technologia pompowania diodowego wykorzystuje nasze ogromne doświadczenie w branży telekomunikacyjnej oraz odpowiednie inwestycje technologiczne. Nasze diody z pojedynczym emiterem są produkowane przy użyciu sprawdzonych w telekomunikacji technologii i procesów, a każdy wafel jest kwalifikowany zgodnie z rygorystycznymi standardami branży telekomunikacyjnej. Odróżnia to IPG od konkurencyjnych rozwiązań pompowania diodowego stosowanych w laserach, gdzie wykorzystywane są mało żywotne pręty diodowe zestawiane w pakiety diod. W rezultacie diody IPG z pojedynczym emiterem oferują o rząd wielkości wyższą jasność pompowania i nawet dwukrotnie wyższą sprawność energetyczną w porównaniu z układami pakietów diod. Pompy z pojedynczym emiterem mogą wykorzystywać proste chłodzenie wodą lub nawet wymuszone chłodzenie powietrzem, w przeciwieństwie do układów pakietów diod, 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 włóknowe muszą „przejąć” światło z diod laserowych w celu uzyskania skolimowanej wiązki laserowej. 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 wewnątrz światłowodu z włóknem aktywnym. Światło pompujące ulega wielokrotnym odbiciom wewnątrz światłowodu aktywnego, przecinając jednomodowe włókno aktywne, gdzie jest absorbowane przez jony pierwiastków ziem rzadkich i ponownie emitowane w postaci promieniowania laserowego o długości fali zależnej od zastosowanych domieszek we włóknie aktywnym. Ten elegancki mechanizm przekształca światło diody w światło lasera włóknowego z wyjątkową wydajnością.

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

Dowiedz się więcej o laserach włóknowych 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 największy wybór laserów włóknowych oraz ich możliwości wpłyną na zwiększenie produktywności i sprawią, że osiągniesz jeszcze więcej.

Dowiedz się więcej
IPG Photonics - Lokalizacje na całym świecie

Chcesz dowiedzieć się więcej o technologii lasera włóknowego IPG?

Niezależnie od tego, czy masz na myśli projekt, czy po prostu chcesz dowiedzieć się więcej o technologii laserowej IPG, ekspert ds. technologii laserowej jest gotowy Ci pomóc.