Fiber Lasers: Design, Beam Quality og fordeler

Etter å ha lest denne artikkelen vil du lære om: - 1. Design av Fiber Lasers 2. Beam Quality of Fiber Lasers 3. Effektivitet 4. Fordeler 5. Bruk.

Design av Fiber Lasers:

Fiberlasere, som ikke må forveksles med fiberlevererte lasere hvor fiberen bare er en optisk leveringsmekanisme, er solid-state lasere der en optisk glassfiber dopet med lave nivåer av et sjeldne jordelement er lassemediet. Laserdioder brukes til å pumpe lassemediet for å avgive fotoner med en bølgelengde som er spesifikk for det sjeldne jordelementet som brukes som dopningselement. Ytterbium (Yb) brukes generelt til høyfibre-lasere, og det avgir en bølgelengde som er omtrent det samme som gjøres av Nd: YAG-lasere, dvs. mellom 1, 060 og 1, 085 mikron.

Den dopede fiber er innelukket i et lav brytningsindeksmateriale som virker som en bølgeleder for pumpelyset og sikrer optimal overføring til lassemediet. Diffraksjonsgitter brukes som bakspeil og utgangskobling for å danne laserresonatoren, dvs. laserhulen.

Dette resulterer i dannelsen av en lang tynn laser som er svært kompakt på grunn av fleksibiliteten til den oppspolede optiske fiberen. Med passende stråleforming og fokuseringsoptikk ved sin ende, er det mulig å bruke laservirken også som stråleleveringsfiber. Imidlertid er avkobling av stråleavgivelsesfiberen fra laserviften foretrukket for lasere som brukes til sveising for å beskytte dem mot de uønskede tilbakeslag fra arbeidsstykkflaten.

For tiden er opptil 700 W enkeltmodus fiberlasermoduler kommersielt tilgjengelige. For å oppnå multikilowatt utgangseffekt som er egnet for dyp penetrering av nøkkelhullssveising av metaller, blir utgangene fra en serie av disse kommersielt tilgjengelige enkeltmodus-enhetene kombinert til en enkeltfiberutgang, som vist i figur 14.44 for en 7 kW fiberlaser.

Denne strålekombinasjonsteknikken er proprietær til laserprodusenten, men reduserer strålekvaliteten. Imidlertid er reduksjon i strålekvalitet liten, og den resulterende strålen har fortsatt egenskaper som er egnet for overføring gjennom optiske fibre med liten diameter og tilstrekkelig til bruk ved sveising.

Beam Quality of Fiber Lasers:

Strålekvaliteten er definert som forholdet mellom strålebredden og divergensvinkelen fra den faktiske strålen til det som forventes for en perfekt stråle for hvilken forplantningsformen er en hyperbola. Strålekvaliteten til en solid-state laser, ofte referert til som stråleparameterproduktet (BPP), er generelt sitert i mm. milliradians (mm. m rad.) med lav verdi som indikerer høy strålekvalitet.

Beam kvalitet kan uttrykkes ved hjelp av enten full eller halv stråle diameter og divergens vinkler. Imidlertid, ifølge ISO-standard for laserstråleutbredelse, er strålekvalitet sitert med hensyn til halv stråle diameter og halv divergens vinkel.

En høy strålekvalitet betyr at strålen kan fokuseres i en optisk fiber med liten diameter. Dette fører til en mindre minimumstråle midje diameter eller en større avstandsavstand. Laserhodet plasserer fiberens ende på arbeidsstykket. Den divergerende laserstrålen som kommer fra fiberen blir først kollimert (dvs. laget parallelt) før den er fokusert til en minimum midje diameter som også refereres til som laserpunktet.

Strømdensiteten som er tilgjengelig for en gitt utgangseffekt bestemmes av forholdet mellom brennviddeene for kollimerings- og fokuseringslinser, og forholdet mellom diametrene til stråleleveringsfibrene og laserstrålens spotstørrelse.

Stand-off-avstanden, dvs. avstanden mellom fokuseringslinsen og arbeidsstykkets overflate, skal være lang nok, slik at spatten fra sveiseprosessen ikke vil skade prosessoptikken. Jo større stand-off-avstanden er, jo større er også fokusdybden, som er et mål på hvor divergerende strålen forblir over en gitt avstand. Så kan en høyere strålekvalitet gi høyere effektdensitet ved strålefokus eller en større avstandsavstand / større fokusfokus, som begge påvirker sveiseytelsen.

For tiden Yb-fiber laser med opptil 17 kW kapasitet med en BPP på rundt 12 mm. m rad. er i bruk i bransjen.

Effekt Effektivitet Fiber Lasers:

Den lange, tynne fibergeometrien gir effektiv kjøling og er dermed ideell for å minimere termiske effekter av pumping av laseren. Det, og den iboende høye gevinsten til fiberlaserkilden, resulterer i en høy effektomformingseffektivitet, som er forholdet mellom optisk effekt som er tilgjengelig på arbeidsstykket og den elektriske strømforbruket, og som er sitert for å være mellom 20 og 30%.

Dette er betydelig høyere enn effektforbedringseffektiviteten på henholdsvis 8% og 3% for henholdsvis CO ₂ og lampepumpet Nd: YAG-lasere. Dette resulterer i lavere strømkrav både for å kjøre laseren og kjølesystemet. I denne sammenheng kan det være kjent at luftkjøling er tilstrekkelig for Yb-fiberlasere opptil 2 KW, mens de høyere utgangsfibrelaserne krever vannkjøling.

Fordeler med fiberlasere:

Følgende er noen av de viktigste fordelene ved fiberlasere over andre populære og veletablerte lasersystemer i fabrikasjonsindustrien:

1. Fordi lassefibre kan vikles, og det ikke kreves store deler, er fotavtrykket (dvs. plassen som kreves for installasjon) av fiberlaseren betydelig mindre enn de for dagens populære CO ₂ og Nd: YAG lasersystemer.

2. Det er en enkel og kompakt design som kan installeres på bare noen få timer.

3. Høy pålitelighet; Det kan løpe i 100 000 timer før vedlikehold / feil av laserdiodepumpe.

4. Kostnaden / kW av Yb-fiberlaseren er sammenlignbar med den for en lampepumpet Nd: YAG-laserkilde.

5. På grunn av ekstremt lite sveisepool produsert av Yb-fiber laserstråle, er sveisene produsert svært smale som ikke er utsatt for sentralrevirkning eller porene.

Bruk av Fiber Lasers:

Spesielt bilindustrien er den største brukeren av laserstråle teknologi, inkludert Yb-fiber laser. Høyfibrerlaser brukes også til en sveiseprosess for hele posisjonen for rørledningsstål opp til 16 mm tykk. Sveisningshastigheter på opptil 2, 2 m / min har blitt rapportert brukt til all posisjonssveising av 11, 2 mm tykt rørledningsstål med strålekraft ved arbeidsstykket på 2 kW.