OPTIK TIL ANSØGNINGER OM FIBERLASER
Fiberlasere har fundet en behandlings- og forskningsniche, hvor Nd: YAG-lasere er for dyre eller har stråleegenskaber, som er uønskede (f.eks. Store M2-værdier). Brugere af fiberlasere kan være bekymrede over udskifteligheden af deres eksisterende forsyning med optiske komponenter eller hvordan man specificerer ny optik. Denne artikel omhandler sådanne bekymringsområder og understreger, hvilke egenskaber der bør specificeres særlig omhyggeligt.
Fiberlasere vinder plads i en række anvendelser, såsom boring, svejsning, folieskæring, lasermærkning og præcis mikrobearbejdning. Forskere finder dem også meget nyttige som kilder på grund af deres små fodaftryk og lave M2-værdier. Succesen med fiberlasere er baseret på deres unikke kombination af strålekarakteristika, som ikke er tilgængelige fra andre kilder i samme bølgelængdeområde: valgfri CW- eller pulserende operation, polariseringskontrol (tilfældig, lineær eller cirkulær), smal spektral båndbredde og TEM00 M2-værdier, der nærmer sig 1 Med en sådan forbedring af M2 i forhold til Nd: YAG-lasere kan der opnås betydeligt højere effekttætheder. Mere tæt fokuserede bjælker er mulige, hvilket resulterer i skarpere billeder til markering og finere snit til mikromachinering. Produktion af arbejdsafstande kan også øges. Således forventer markedet at imødekomme en stigende efterspørgsel inden for dedikerede optiske komponenter designet til fiberlaser applikationer.
1 Effekter af strålekvalitet
Komponentudvælgelsesprocessen er stærkt påvirket af de høje effekttætheder, der kan opnås med fiberlasere. Det optiske hulrum i en fiberlaser er den fiberkerne, der kan designes til at minimere antallet af tilstande, hvilket giver fabrikanter mulighed for kommercielt at fremstille lasere med M2 = 1.05. M2 er forholdet mellem laserstrålens multimodediameter-divergensprodukt og det ideelle diffraktionsbegrænsede (TEM00) stråldiameter-divergensprodukt:
Hvor is0 er strålediversiteten i milliradianer og w0 er bredden af udgangsstrålens talje (hvis bjælken er cirkulær, kan w0 erstattes af stråldiameteren d0). Eller for den opnåelige fokuspunktdiameter d0:
Figur 1 illustrerer parametrene anvendt i ligning (2). Fiberlaserproducenter leverer typisk et stråleveringshoved med et kollimeret output mellem 5 mm og 20 mm i diameter (D0). Beregninger viser, at en teoretisk fokuspunktdiameter d0 på 10μm kan opnås med en 19 mm brændviddeobjektiv. Derfor, for en 50W-fiberlaser ved 1075nm, pakker den fokuserede stråle enorm optisk effekttæthed
Flere kombinationer er angivet i tabel 1. Mens strålestyringsoptik muligvis aldrig ser et perfekt fokuseret sted, er der en sikkerhedsfaktor, som designeren vil ønske at tage højde for; disse høje, diffraktionsbegrænsede effekttætheder kan påvirke optiske elementer under justering.
For pulserende fiberlasere med lav energi og CW-lasere i mellemområdet (i størrelsesordenen 1-5W gennemsnitlig effekt) er N-BK7-glas fra Schott chott.de) et egnet og billigt underlagsmateriale til både reflekterende og transmissiv optik, hvor energien ved den optiske overflade er <50 mw=""> N-BK7 er et borosilikat krone optisk glas med høj homogenitet og høj transmission i det synlige og næsten infrarøde. Anti-reflektion (AR) -belægninger kan bruges på vinduer, linser og delvise reflektorer for at øge den samlede transmission gennem komponenten. Ved disse energier kan enten smalbånd ("V" -coat) AR-belægninger eller flerlags bredbånd AR-belægninger anvendes til at reducere reflektiviteten pr. Overflade fra ca. 4% til <0,25% ved="" en="" enkelt="" bølgelængde="" eller=""><0,5% over="" en="" båndbredde="" på="" 250-400nm="" til="" indstillelige="" lasersystemer="" (se="" figur="">
Smalbånd “V” -frakker er flerlags (typisk to-lags) dielektriske anti-reflektionsbelægninger, der opnår teoretisk minimumsreflektion ved et smalt bølgelængde. Refleksion stiger hurtigt på hver side af dette minimum, hvilket giver det en "V" -form i reflektivitet versus bølgelængdegraf. Amerikanske producenter bruger typisk terminologien "V-coat" eller "laserline" til at differentiere denne coating fra deres bredbånd-AR-tilbud.
En anden materialemulighed til brug med 1-5W fiberlasere er N-SF11-glas fra Schott, som har et brydningsindeks n = 1,754 ved 1060 nm, højere end N-BK7 (1,507). Dette giver fleksibilitet, hvis der kræves en linse med en kort brændvidde til applikationen. Da både N-SF11 og N-BK7 har termisk ekspansionskoefficienter i området 8 × 10-6 / ° C, er smeltet silica det foretrukne valg af substratmateriale, hvis termisk stabilitet er vigtig. Smeltet silica har en termisk ekspansionskoefficient på kun 0,57 × 10-6 / ° C, en størrelsesorden mere stabil end de andre optiske materialer. Fiberlaserfabrikanter anbefaler smeltet silica til transmissiv optik til brug med fiberlaserudgange over 50W. For eksempel anbefaler Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) kraftigt brugen af smeltet silica til fiberlaserapplikationer på grund af dets betydeligt højere laserskadesgrænse. Det har lignende transmissionsegenskaber som N-BK7 fra 500-2000nm, men er mere termisk stabilt og har højere skadetærskelgrænser for både pulserede og CW-systemer. IPG Photonics pgphotonics.com) anbefaler smeltet silica af IR-kvalitet til fiberlasere bedømt over 1 kW. Igen kan AR-belægninger bruges til at reducere refleksioner på overfladen, men for højere energier er det bedst at kun bruge flerlags “V” -coat AR-belægninger, der tåler op til 1 MW / cm2 eller mere.
2 linser
I visse applikationer, såsom billeddannelse af optiske fælder, er det vigtigt at opretholde billedkvalitet gennem hele strålebanen. Selvom singlet-linser, i enten smeltet silica eller N-BK7-materiale, er egnede til enkle strålestyringsanvendelser, kan dublet- eller tripletplanplanlinser være mere egnede til at minimere transmitterede bølgefrontfejl. Disse linser er designet til at minimere to monokromatiske bølgefrontfejl kaldet Sfærisk aberration og koma. Sfærisk afvigelse er aksialt symmetrisk og forekommer, når kollimerede stråler, der passerer gennem de ydre zoner af linsen, fokuserer i en anden afstand fra linsen end stråler, der passerer gennem den centrale zone. Coma er en ikke-symmetrisk bølgefront forvrængning uden for aksen, der øges lineært med feltvinkel eller afstand fra hovedaksen. I kombination forvrænger disse afvigelser den transmitterede bølgefront gennem linsen og får brandpunktet til at blive uregelmæssigt formet og / eller sløret.
Dobbelt- og tripletlinsedesign kan anvende de underordnede underlagsmaterialer eller andre materialer afhængigt af de specifikke designkriterier. De er optimeret til en enkelt bølgelængde og er normalt luftafstand for at minimere yderligere bølgefrontforvrængning induceret af cement mellem glasoverfladerne. Luftavstand mellem elementerne muliggør også øget fleksibilitet i design, fordi tilstødende overflader ikke behøver at have matchende krumninger. I stedet kan hver af de fire til seks overflader optimeres uafhængigt for bedst muligt at minimere koma og sfæriske afvigelser gennem den komplette linsesamling. Cementerede linsesamlinger bør undgås for at maksimere komponentens samlede skadetærskel og levetid.
3 Smal spektral båndbredde
Bølgelængdeområdet for en fiberlaser bestemmes af producentens pumpearkitektur og dopingmidlerne, der er anvendt i det aktive fiberlaserhulrum. Typiske bølgelængdeområder er: 780-800nm til erbiumdoping,
1030-1120nm for ytterbium, 1530-1600nm for erbium-ytterbium og 1800-2100nm for thulium. Båndbredden af en fiberlaser defineres typisk ved fiber Bragg-gitter. Fiberlaserproducenterne specificerer et interval, fra hvilket slutbrugeren kan vælge en bestemt bølgelængde. Den faktiske båndbredde for hver laser er kun 1-2 nm. Dette kan være en vigtig detalje, når du vælger komponenter såsom bølgeflader med højere orden, som kun fungerer korrekt over en smal båndbredde.
4 Polarisationsoptik
Båndbredde og energitæthed er de vigtigste bjælkeegenskaber, man skal vide, når man vælger mellem forskellige polarisatorer og bølgeplader. Lineære polarisatorer er ikke beregnet til brug ved energier, der er større end 1W / cm2. Cementerede terningspolarisatorer er tilgængelige i både smalbånd og bredbåndsdesign, men skadesgrænserne er begrænset ved den interne epoxy. Selvom nogle få optiske cement efter sigende kan modstå lasereffektdensiteter på 500W / cm2, anbefaler fiberlaserfabrikanter at man undgår cementeret optik til fiberlasere, der er klassificeret over 50W. Over dette niveau er det nødvendigt at skifte til en luftafstand eller optisk kontaktet polariserende terning, som typisk kan håndtere mere end 1 MW / cm2 CW-laserlys.
For en flerplads-krystalkvartsbølgeplade nær 1 mm tykkelse, kan 2 nm variation i bølgelængde gøre forskellen mellem en fremragende bølgeflade og en uacceptabel del. En 1 mm tyk λ / 4-bølgeplade designet til 1082nm ville faktisk være en 0,23λ bølgeflade ved 1084nm eller λ / 50 fra. Alternativt ville en sammensat bølgeplade med nulorden designet til de samme to bølgelængder ændre retardering mellem de to med <λ 1000="" bølger,="" hvilket="" er="" godt="" inden="" for="" typiske=""> Nul-ordre-bølgeflader fungerer meget godt over ± 40-70nm fra designbølgelængden og er velegnet til indstillelige lasersystemer såvel som dem med laserlinjebåndbredde på> 1nm (se figur 3).
5 spejle
Standardkomponenter - dvs. eksisterende belægningskonstruktion - til andre laserlinjer matcher muligvis ikke godt nok til de nye fiberlaserbølgelængder og kræfter til optimal ydeevne. For systemer med meget lav energi kan beskyttede metalspejleovertræk som guld, aluminium og sølv være passende valg til visse anvendelser, hvor 100% refleksionsevne ikke er påkrævet. De er let tilgængelige og billige. Selv med de beskyttende lag er metalbelægninger imidlertid bløde og vil til sidst blive ridset eller korroderede, hvis de ikke håndteres korrekt. Alternativt er flerlags dielektriske spejle hårdbelagte, holdbare og yderst reflekterende ved enten normal forekomst eller 45 ° (se figur 4). De har skadetærskler, der overstiger 20J / cm2 i 10-20ns pulserede systemer, og bør derfor ikke nedbrydes eller pådrages skade, når de bruges i enten pulserende eller CW-fiberlasersæt. Selvom det ikke er særlig bredbånd, vil et dielektrisk standardspejl designet til 1064nm Nd: YAG-systemer stadig reflektere> 99% ved 1075nm eller 1080nm.
6 Konklusion
CVI har introduceret en ny række spejle, der er specielt designet til brug med fiberlasersystemer. Derudover har CVI tilføjet de mest almindelige fiberlaser-bølgelængder til de eksisterende produktlinjer, herunder AR-belægninger til transmissiv optik, såsom bølgeplader, linser og vinduer, samt reflekterende belægninger til strålesplittere, delvise reflektorer, outputkoblere og spejle.
Fiberlaserproducenter presser fortsat grænserne for deres teknologi, hvilket øger CW-effekten og den pulserede energi, der er kommercielt tilgængelig. Den fremragende strålekvalitet kombineret med de højere energier vil fortsat stille stigende krav til de optiske komponenter, der bruges i disse systemer. De vigtigste specifikationer for disse komponenter inkluderer underlagsmateriale, skadetærskel og overfladekvalitet.
