OPTIE VOOR TOEPASSINGEN VAN VEZELLASER
Vezellasers hebben een niche voor verwerking en onderzoek gevonden waarbij Nd: YAG-lasers te duur zijn of bundeleigenschappen hebben die ongewenst zijn (bijvoorbeeld grote M2-waarden). Gebruikers van fiberlasers kunnen bezorgd zijn over de uitwisselbaarheid van hun bestaande aanbod van optische componenten of over het specificeren van nieuwe optica. Dit artikel gaat in op dergelijke aandachtspunten en benadrukt welke kenmerken bijzonder zorgvuldig moeten worden gespecificeerd.
Vezellasers winnen terrein in een verscheidenheid aan toepassingen zoals boren, lassen, foliesnijden, lasermarkeren en nauwkeurige micro-bewerking. Onderzoekswetenschappers vinden ze ook erg nuttig als bronnen vanwege hun kleine voetafdrukken en lage M2-waarden. Het succes van fiberlasers is gebaseerd op hun unieke combinatie van bundelkarakteristieken die niet beschikbaar zijn van andere bronnen in hetzelfde golflengtebereik: optionele CW of gepulseerde werking, polarisatiecontrole (willekeurig, lineair of circulair), smalle spectrale bandbreedte en TEM00 M2-waarden die 1 naderen Met een dergelijke verbetering van M2 ten opzichte van Nd: YAG lasers, kunnen aanzienlijk hogere vermogensdichtheden worden gerealiseerd. Strakere bundels zijn mogelijk, wat resulteert in scherpere afbeeldingen voor markering en fijnere sneden voor micromachining. Productie-werkafstanden kunnen ook worden vergroot. Daarom verwacht de markt een groeiende vraag naar specifieke optische componenten die zijn ontworpen voor fiberlasertoepassingen.
1 Effecten van bundelkwaliteit
Het componentenselectieproces wordt sterk beïnvloed door de hoge vermogensdichtheden die met vezellasers kunnen worden bereikt. De optische holte van een fiberlaser is de fiberkern die kan worden ontworpen om het aantal modi te minimaliseren, waardoor fabrikanten commercieel lasers met M2 = 1,05 kunnen produceren. M2 is de verhouding van het multimode diameter-divergentieproduct van de laserstraal tot het ideale diffractie-beperkte (TEM00) straaldiameter-divergentieproduct:
Waar Θ0 de bundeldivergentie in milliradianen is en wo de breedte van de taille van de uitgangsbalk is (als de balk cirkelvormig is, kan wo worden vervangen door de bundeldiameter d0). Of voor de haalbare brandpuntsdiameter d0:
Figuur 1 illustreert de parameters die worden gebruikt in vergelijking (2). Fabrikanten van vezellasers leveren doorgaans een straalafgiftekop met een gecollimeerde output met een diameter tussen 5 mm en 20 mm (DO). Berekeningen laten zien dat een theoretische brandpuntsdiameter d0 van 10 μm haalbaar is met een 19 mm brandpuntsafstandlens. Daarom biedt de gefocusseerde straal voor een 50W-vezellaser bij 1075 nm een enorme optische vermogensdichtheid
Meer combinaties worden gegeven in tabel 1. Hoewel de optiek van de bundelbesturing misschien nooit een perfect gerichte plek ziet, is er een veiligheidsfactor waarmee de ontwerpingenieur rekening zal willen houden; deze hoge, diffractie beperkte vermogensdichtheden kunnen tijdens de uitlijning op optische elementen botsen.
Voor energiezuinige gepulseerde vezellasers en middenbereik CW-lasers (in de orde van 1-5 W gemiddeld vermogen), is N-BK7-glas van Schott chott.de) een geschikt en goedkoop substraatmateriaal voor zowel reflecterende als transmissieve optica waar de energie op het optische oppervlak is <50 mw=""> N-BK7 is een optisch borosilicaatkroonglas met hoge homogeniteit en hoge transmissie in het zichtbare en nabij-infrarood. Anti-reflectie (AR) coatings kunnen worden gebruikt op vensters, lenzen en gedeeltelijke reflectoren om de algehele transmissie door de component te verhogen. Bij deze energieën kunnen ofwel smalbandige (“V” -laag) AR-coatings of meerlagige breedband AR-coatings worden gebruikt om de reflectiviteit per oppervlak te verminderen van ongeveer 4% tot <0,25% bij="" een="" enkele="" golflengte="" of=""><0,5% over="" een="" bandbreedte="" van="" 250="" -="" 400="" nm="" voor="" afstembare="" lasersystemen="" (zie="" afbeelding="">
Smalbandige "V" -lagen zijn dielektrische antireflectiecoatings met meerdere lagen (meestal twee lagen) die theoretische minimale reflectie bij een smalle golflengteband bereiken. Reflectie stijgt snel aan beide zijden van dit minimum waardoor het een "V" -vorm krijgt in de reflectiviteit versus golflengtegrafiek. Amerikaanse fabrikanten gebruiken meestal de terminologie "V-coat" of "laserline" om deze coating te onderscheiden van hun breedband AR-aanbod.
Een andere materiaaloptie voor gebruik met de 1-5 W vezellasers is N-SF11-glas van Schott, dat een brekingsindex n = 1,754 bij 1060 nm heeft, hoger dan die van N-BK7 (1,507). Dit biedt flexibiliteit als een lens met een korte brandpuntsafstand vereist is voor de toepassing. Omdat zowel N-SF11 als N-BK7 thermische uitzettingscoëfficiënten hebben in het bereik van 8 × 10-6 / ° C, is gesmolten siliciumdioxide de voorkeurskeuze van substraatmateriaal als thermische stabiliteit belangrijk is. Gesmolten siliciumoxide heeft een thermische uitzettingscoëfficiënt van slechts 0,57 x 10-6 / ° C, een orde van grootte stabieler dan de andere optische materialen. Fabrikanten van vezellasers bevelen gesmolten siliciumoxide aan voor transmissieve optica voor gebruik met vezellaseruitgangen groter dan 50W. Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) raadt bijvoorbeeld ten zeerste het gebruik aan van gesmolten siliciumdioxide voor vezellasertoepassingen vanwege de aanzienlijk hogere laserschade drempel. Het heeft vergelijkbare transmissieve eigenschappen als N-BK7 van 500-2000 nm, maar is thermisch stabieler en heeft hogere schadedrempelgrenzen voor zowel gepulste als CW-systemen. IPG Photonics pgphotonics.com) beveelt gesmolten silica van IR-kwaliteit aan voor vezellasers met een vermogen van meer dan 1 kW. Nogmaals, AR-coatings kunnen worden gebruikt om oppervlaktereflecties te verminderen, maar voor hogere energieën is het het beste om alleen meerlagige "V" -coat AR-coatings te gebruiken die tot 1 MW / cm2 of meer kunnen weerstaan.
2 lenzen
In bepaalde toepassingen, zoals beeldvorming van optische vallen, is het van cruciaal belang dat de beeldkwaliteit gedurende het hele straalpad behouden blijft. Hoewel singletlenzen, in gesmolten siliciumdioxide of N-BK7 materiaal, geschikt zijn voor eenvoudige straalbesturingstoepassingen, kunnen dubbele of triplet aplanatische lenzen geschikter zijn om uitgezonden golffrontfouten te minimaliseren. Deze lenzen zijn ontworpen om twee monochromatische golffouten te minimaliseren, genaamd Spherical Aberration en Coma. Sferische aberratie is axiaal symmetrisch en treedt op wanneer gecollimeerde stralen die door de buitenste zones van de lens passeren op een andere afstand van de lens focussen dan stralen die door de centrale zone passeren. Coma is een niet-symmetrische golffrontvervorming buiten de as die lineair toeneemt met de veldhoek of afstand van de hoofdas. In combinatie vervormen deze afwijkingen het uitgezonden golffront door de lens en veroorzaken ze dat het brandpunt onregelmatig gevormd en / of wazig wordt.
Doublet- en triplet-lensontwerpen kunnen de eerder genoemde substraatmaterialen of andere materialen gebruiken, afhankelijk van de specifieke ontwerpcriteria. Ze zijn geoptimaliseerd voor een enkele golflengte en hebben meestal een luchtafstand om extra golffrontvervorming veroorzaakt door cement tussen de glasoppervlakken te minimaliseren. Door de lucht op afstand van de elementen te houden, is ook een grotere ontwerpflexibiliteit mogelijk omdat aangrenzende oppervlakken geen bijpassende krommingen hoeven te hebben. In plaats daarvan kan elk van de vier tot zes oppervlakken onafhankelijk worden geoptimaliseerd om coma en sferische aberraties door de volledige lensconstructie het beste te minimaliseren. Gecementeerde lensassemblages moeten worden vermeden om de totale schadedrempel en levensduur van de component te maximaliseren.
3 Smalle spectrale bandbreedte
Het golflengtebereik van een vezellaser wordt bepaald door de pomparchitectuur van de fabrikant en de doteerstoffen die worden gebruikt in de actieve vezellaserholte. Typische golflengtebereiken zijn: 780-800 nm voor erbiumdoping,
1030-1120 nm voor ytterbium, 1530-1600 nm voor erbium-ytterbium en 1800-2100 nm voor thulium. De bandbreedte van een fiberlaser wordt meestal bepaald door fiber Bragg-roosters. De vezellaserfabrikanten zullen een bereik specificeren, waaruit de eindgebruiker een specifieke golflengte kan selecteren. De werkelijke bandbreedte van elke laser is slechts 1-2 nm. Dit kan een belangrijk detail zijn bij het kiezen van componenten zoals golfplaten van hogere orde die alleen goed werken over een smalle bandbreedte.
4 Polarisatie-optica
Bandbreedte en energiedichtheid zijn de belangrijkste bundeleigenschappen om te weten bij het kiezen tussen verschillende polarisatoren en golfplaten. Lineaire polarisatorpolymeren zijn niet bedoeld voor gebruik bij energieën groter dan 1 W / cm2. Gecementeerde kubuspolarisatoren zijn verkrijgbaar in zowel smalband- als breedbandontwerpen, maar schadedrempels worden beperkt door de interne epoxy. Hoewel een paar optische cementen naar verluidt een laserdichtheid van 500 W / cm2 kunnen weerstaan, raden fabrikanten van vezellasers aan gecementeerde optica te vermijden voor vezellasers met een vermogen van meer dan 50 W. Boven dit niveau is het noodzakelijk om over te schakelen naar een op lucht afstand geplaatst of optisch gecontacteerd polariserend kubusontwerp, dat doorgaans meer dan 1 MW / cm2 CW laserlicht aankan.
Voor een kristalkwartsgolfplaat van meerdere orde bij een dikte van 1 mm kan een variatie van 2 nm in golflengte het verschil maken tussen een uitstekende golfplaat en een onacceptabel deel. Een 1 mm dikke λ / 4 golfplaat ontworpen voor 1082 nm zou eigenlijk een 0,23 λ golfplaat op 1084 nm zijn, of λ / 50 uit. Als alternatief zou een samengestelde nulorde-golfplaat ontworpen voor dezelfde twee golflengten de vertraging tussen de twee met Nul-orde golfplaten werken zeer goed over ± 40-70 nm van de ontwerpgolflengte en zijn goed geschikt voor afstembare lasersystemen en die met laserlijnbandbreedtes van> 1 nm (zie afbeelding 3).
5 spiegels
Standaardcomponenten - dwz bestaande coatingontwerpen - voor andere laserlijnen komen mogelijk niet goed overeen met de nieuwe vezellasergolflengten en vermogens voor optimale prestaties. Voor zeer energiezuinige systemen kunnen beschermde metaalspiegelcoatings zoals goud, aluminium en zilver geschikte keuzes zijn voor bepaalde toepassingen waarbij geen 100% reflectiviteit vereist is. Ze zijn direct beschikbaar en goedkoop. Zelfs met de beschermende lagen zijn metalen coatings echter zacht en zullen ze uiteindelijk krassen of corroderen als ze niet goed worden behandeld. Als alternatief zijn meerlagige diëlektrische spiegels hard gecoat, duurzaam en zeer reflecterend bij normale incidentie of 45 ° (zie figuur 4). Ze hebben schadedrempels van meer dan 20J / cm2 in gepulseerde systemen van 10-20ns en mogen dus niet verslechteren of schade oplopen bij gebruik in gepulseerde of CW-fiberlaseropstellingen. Hoewel niet bijzonder breedband, zal een diëlektrische standaardspiegel ontworpen voor 1064nm Nd: YAG-systemen nog steeds> 99% reflecteren bij 1075nm of 1080nm.
6. Conclusie
CVI heeft een nieuwe lijn spiegels geïntroduceerd die speciaal zijn ontworpen voor gebruik met fiberlasersystemen. Bovendien heeft CVI de meest gebruikelijke vezellasergolflengten aan de bestaande productlijnen toegevoegd, waaronder AR-coatings voor transmissieve optica, zoals golfplaten, lenzen en vensters, evenals reflecterende coatings voor beamplitters, gedeeltelijke reflectoren, uitgangskoppelingen en spiegels.
Fabrikanten van vezellasers blijven de grenzen van hun technologie verleggen, waardoor het CW-vermogen en de gepulseerde energie die in de handel verkrijgbaar is, wordt verhoogd. De uitstekende straalkwaliteit in combinatie met de hogere energieën zal steeds hogere eisen stellen aan de optische componenten die in deze systemen worden gebruikt. Belangrijke specificaties voor deze componenten zijn onder meer substraatmateriaal, schadedrempel en oppervlaktekwaliteit.
