Fiberlasers: ontwerp, bundelkwaliteit en voordelen

Na het lezen van dit artikel leert u over: - 1. Ontwerp van vezellasers 2. Straalkwaliteit van vezellasers 3. Vermogenefficiëntie 4. Voordelen 5. Gebruik.

Ontwerp van vezellasers:

Vezellasers, die niet mogen worden verward met door vezels geleverde lasers waarbij de vezel slechts een optisch aflevermechanisme is, zijn lasers in vaste toestand waarin een optische glasvezel gedoteerd met lage niveaus van een zeldzaam aardelement het lasermedium is. Laserdiodes worden gebruikt om het lasermedium te pompen om fotonen uit te zenden met een golflengte die specifiek is voor het zeldzame aarde-element dat wordt gebruikt als het doteringselement. Ytterbium (Yb) wordt over het algemeen gebruikt voor de hoogvermogenvezellasers, en het geeft een bundel van golflengte af die ongeveer hetzelfde is als door Nd: YAG-lasers wordt gedaan, dwz tussen 1, 060 en 1, 085 micron.

De gedoteerde vezel is ingesloten in een materiaal met lage brekingsindex dat dienst doet als een golfgeleider voor het pomplicht en zorgt voor zijn optimale overdracht naar het lasermedium. Diffractieroosters worden gebruikt als de achteruitkijkspiegel en de uitgangskoppelaar om de laserresonator, dat wil zeggen de laserholte, te vormen.

Dit resulteert in de vorming van een lange dunne laser die zeer compact is vanwege de flexibiliteit van de opgerolde optische vezel. Met geschikte bundelvormende en focusserende optica aan het einde ervan, is het mogelijk om de laservezel ook te gebruiken als de bundelafgifte vezel. Het ontkoppelen van de bundelafleveringsvezel van de laservezel heeft echter de voorkeur voor lasers die worden gebruikt voor lassen om ze te beschermen tegen de ongewenste terugspiegelingen van het oppervlak van het werkstuk.

Tegenwoordig zijn tot 700 W single-mode vezellasermodules in de handel verkrijgbaar. Voor het bereiken van multikilowatt-uitgangsvermogen dat geschikt is voor diepe penetratie van sleutelgatlassen van metalen, worden de uitgangen van een reeks van deze in de handel verkrijgbare eenheden met enkele modus gecombineerd tot een uitvoer met enkele vezel, zoals getoond in figuur 14.44 voor een 7 kW-fiberlaser.

Deze bundel-combinatietechniek is eigendom van de laserfabrikant maar vermindert de bundelkwaliteit. De reductie in bundelkwaliteit is echter relatief klein en de resulterende bundel heeft nog steeds eigenschappen die geschikt zijn voor transmissie door optische vezels met een kleine diameter en die geschikt zijn voor gebruik bij het lassen.

Straalkwaliteit van vezellasers:

De bundelkwaliteit wordt gedefinieerd als de verhouding van het bundelbreedte- en divergentiehoekproduct van de werkelijke bundel tot die van een perfecte bundel waarvoor de vorm van propagatie een hyperbool is. De bundelkwaliteit van een solid-state laser, vaak het bundelparameterproduct (BPP) genoemd, wordt doorgaans in mm weergegeven. milliradians (mm. m rad.) met een lage waarde die een hoge bundelkwaliteit aangeeft.

De balkkwaliteit kan worden uitgedrukt met behulp van volledige of halve bundeldiameter en divergentiehoeken. Echter, volgens de ISO-norm voor laserstraalvoortplanting wordt de kwaliteit van de bundel uitgedrukt in termen van halve bundeldiameter en halve divergentiehoek.

Een hoge bundelkwaliteit betekent dat de bundel kan worden gefocusseerd in een optische leveringsvezel met een kleine diameter. Dit leidt tot een kleinere minimale bundel taillediameter of een grotere afstand-afstand. De laserkop plaatst het uiteinde van de vezel op het werkstuk. De divergerende laserstraal die de vezel verlaat, wordt eerst gecollimeerd (dwz parallel gemaakt) voordat die wordt gefocusseerd tot een minimale taillediameter die ook wordt aangeduid als de laservlek.

De vermogensdichtheid die beschikbaar is voor een gegeven uitgangsvermogen wordt bepaald door de relatie tussen de brandpuntsafstanden van collimatie- en focusseerlenzen, en de verhouding van de diameters van de bundelafgifte vezel en de vlekgrootte van de laserstraal.

De afstand-afstand, dwz de afstand tussen de focusseerlens en het oppervlak van het werkstuk, moet lang genoeg zijn zodat de spatten van het lasproces de verwerkingsoptica niet zullen beschadigen. Hoe groter de afstand, hoe groter ook de scherptediepte. Dit is een maat voor hoe divergerend de straal over een bepaalde afstand blijft. Een hogere bundelkwaliteit kan dus een hogere vermogensdichtheid bieden bij de bundelbrandpuntsafstand of een grotere afstand / grotere scherptediepte, die beide de lasprestaties beïnvloeden.

Momenteel Yb-fiberlaser met een vermogen tot 17 kW met een BPP van ongeveer 12 mm. m rad. zijn in gebruik in de industrie.

Vermogensrendement van vezellasers:

De lange, dunne vezelgeometrie maakt effectieve koeling mogelijk en is dus ideaal om de thermische effecten van het pompen van de laser te minimaliseren. Dat, en de inherent hoge versterking van de vezellaserbron resulteert in een hoge vermogensomzettingsefficiëntie, die de verhouding is van het optische vermogen dat beschikbaar is op het werkstuk tot het verbruikte elektrische vermogen en dat tussen 20 en 30% wordt aangegeven.

Dit is aanzienlijk hoger dan de stroomomzettingsrendementen van respectievelijk ongeveer 8% en 3% voor respectievelijk CO2 en lampgepompte Nd: YAG-lasers. Dit resulteert in een lager energieverbruik, zowel voor het gebruik van de laser als het koelsysteem. In deze context is het wellicht bekend dat luchtkoeling geschikt is voor Yb-vezellasers tot 2 KW, terwijl de hogere output vezellasers waterkoeling vereisen.

Voordelen van vezellasers:

Hieronder volgen enkele van de belangrijkste voordelen van vezellasers ten opzichte van andere populaire en gevestigde lasersystemen in de fabricage-industrie:

1. Omdat de lasvezel kan worden opgerold en er geen volumineuze onderdelen nodig zijn, is de voetafdruk (dat wil zeggen de benodigde ruimte voor de installatie) van de fiberlaser aanzienlijk kleiner dan die van de huidige populaire CO _2- en Nd: YAG-lasersystemen.

2. Het is een eenvoudig en compact ontwerp en kan dus binnen een paar uur worden geïnstalleerd.

3. Hoge betrouwbaarheid; het kan 100.000 uur draaien vóór onderhoud / falen van de laserdiode pompen.

4. De kosten / kW van de Yb-fiberlaser zijn vergelijkbaar met die van een lamp gepompte Nd: YAG laserbron.

5. Vanwege het extreem kleine lasbad dat wordt geproduceerd door de Yb-vezellaserstraal, zijn de geproduceerde lassen erg smal en zijn ze niet gevoelig voor kraken in de middellijn of poriën.

Gebruik van fiberlasers:

Vooral de automobielindustrie is de belangrijkste gebruiker van laserstraaltechnologie inclusief Yb-fiberlaser. High Power Fibre Laser wordt ook gebruikt voor een lasproces met alle posities voor pijpleidingsstaal tot 16 mm dik. Lassen snelheden tot 2, 2 m / min zijn naar verluidt gebruikt voor alle positie lassen van 11, 2 mm dik pijpleidingstaal met bundelvermogen, op het werkstuk, van 2 kW.