ΟΠΤΙΚΑ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ LASER ΙΝΕΣ
Τα λέιζερ ινών έχουν βρει μια θέση επεξεργασίας και έρευνας όπου τα λέιζερ Nd: YAG είναι πολύ ακριβά ή έχουν ιδιότητες δέσμης που είναι ανεπιθύμητες (π.χ. μεγάλες τιμές M2). Οι χρήστες λέιζερ ινών μπορεί να ασχολούνται με την εναλλαξιμότητα της υπάρχουσας προσφοράς οπτικών στοιχείων ή τον τρόπο καθορισμού νέων οπτικών. Αυτό το άρθρο αντιμετωπίζει τέτοιους τομείς ανησυχίας και υπογραμμίζει ποια χαρακτηριστικά θα πρέπει να καθοριστούν ιδιαίτερα προσεκτικά.
Τα λέιζερ ινών κερδίζουν έδαφος σε ποικίλες εφαρμογές όπως διάτρηση, συγκόλληση, κοπή με αλουμινόχαρτο, σήμανση με λέιζερ και ακριβή μικρομηχανική. Οι επιστήμονες της έρευνας βρίσκουν επίσης πολύ χρήσιμες ως πηγές λόγω των μικρών αποτυπώσεων και των χαμηλών τιμών του M2. Η επιτυχία των λέιζερ ινών βασίζεται στον μοναδικό τους συνδυασμό χαρακτηριστικών δέσμης που δεν είναι διαθέσιμα από άλλες πηγές στην ίδια κλίμακα μήκους κύματος: προαιρετική CW ή παλμική λειτουργία, έλεγχος πόλωσης (τυχαία, γραμμική ή κυκλική), στενό φασματικό εύρος ζώνης και τιμές TEM00 M2 πλησιάζοντας 1 Με μια τέτοια βελτίωση του M2 πάνω σε λέιζερ Nd: YAG, μπορούν να πραγματοποιηθούν σημαντικά υψηλότερες πυκνότητες ισχύος. Είναι δυνατές πιο σφιχτά συγκεντρωμένες δοκοί, με αποτέλεσμα πιο έντονες εικόνες για σήμανση και λεπτότερες κοπές για μικρομηχανές. Οι αποστάσεις εργασίας κατασκευής μπορούν επίσης να αυξηθούν. Έτσι, η αγορά αναμένει να αντιμετωπίσει μια αυξανόμενη ζήτηση σε αποκλειστικά οπτικά εξαρτήματα σχεδιασμένα για εφαρμογές λέιζερ ινών.
1 Επιδράσεις της ποιότητας της δέσμης
Η διαδικασία επιλογής συνιστωσών επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις υψηλές πυκνότητες ισχύος που μπορούν να επιτευχθούν με τα λέιζερ ινών. Η οπτική κοιλότητα ενός λέιζερ ινών είναι ο πυρήνας των ινών που μπορεί να σχεδιαστεί για να ελαχιστοποιήσει τον αριθμό των τρόπων λειτουργίας, επιτρέποντας έτσι στους κατασκευαστές να παράγουν εμπορικά λέιζερ με M2 = 1,05. Το Μ2 είναι ο λόγος της πολυτροπικής διάμετρος-απόκλισης της δέσμης λέιζερ προς το προϊόν ιδανικής διάθλασης περιορισμένης διαμέτρου (TEM00):
Όπου Θ0 είναι η απόκλιση δέσμης σε milliradians και w0 είναι το πλάτος της μέσης της δέσμης εξόδου (εάν η δέσμη είναι κυκλική, τότε w0 μπορεί να αντικατασταθεί από τη διάμετρο δέσμης d0). Ή για την επιτεύξιμη διάμετρο εστιακής κηλίδας d0:
Το σχήμα 1 απεικονίζει τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται στην εξίσωση (2). Οι κατασκευαστές λέιζερ ινών τυπικά παρέχουν μια κεφαλή μεταφοράς δέσμης με μια διαβαθμισμένη έξοδο διαμέτρου μεταξύ 5mm και 20mm (D0). Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι μπορεί να επιτευχθεί μια θεωρητική διάμετρος εστιακής κηλίδας d0 των 10 μm με φακό εστιακού μήκους 19 mm. Επομένως, για ένα λέιζερ ινών 50W στα 1075nm, η εστιασμένη δέσμη συσκευάζει τεράστια πυκνότητα οπτικής ισχύος
Περισσότεροι συνδυασμοί δίδονται στον πίνακα 1. Ενώ το οπτικό σύστημα διεύθυνσης δέσμης δεν μπορεί ποτέ να δει ένα τέλεια εστιασμένο σημείο, υπάρχει ένας παράγοντας ασφάλειας που ο μηχανικός σχεδιασμού θα θελήσει να λάβει υπόψη. αυτές οι υψηλές πυκνότητες ισχύος περιορισμένης περίθλασης μπορεί να προσκρούσουν στα οπτικά στοιχεία κατά τη διάρκεια της ευθυγράμμισης.
Για τα λέιζερ παλμικής ίνας χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και τα λέιζερ CW μεσαίας τάξης (της τάξης της μέσης ισχύος 1-5W), το γυαλί N-BK7 από την Schott chott.de) είναι ένα κατάλληλο και φθηνό υλικό υποστρώματος τόσο για ανακλαστικά όσο και για μεταδιδόμενα οπτικά όπου η ενέργεια στην οπτική επιφάνεια είναι <50mw> Το N-BK7 είναι ένα οπτικό γυαλί με βορικοπυριτικό κορώνα με υψηλή ομοιογένεια και υψηλή μετάδοση στην ορατή και σχεδόν υπέρυθρη ακτινοβολία. Οι επιχρίσματα αντι-ανακλάσεως (AR) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε παράθυρα, φακούς και μερικούς ανακλαστήρες για να αυξήσουν τη συνολική μετάδοση μέσω του εξαρτήματος. Σε αυτές τις ενέργειες μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε επικαλύψεις AR στενής ζώνης ("V") ή πολυστρωματικές ευρυζωνικές επιστρώσεις AR για να μειωθεί η ανακλαστικότητα ανά επιφάνεια από περίπου 4% έως <0.25% σε="" ένα="" μόνο="" μήκος="" κύματος="" ή=""><0.5% σε="" ένα="" εύρος="" ζώνης="" από="" 250-400nm="" για="" συντονισμένα="" συστήματα="" λέιζερ="" (βλ.="" σχήμα="">
Οι στρώσεις στενής ζώνης "V" είναι πολυεπίπεδα (συνήθως δύο στρώσεων) διηλεκτρικών επιστρώσεων αντι-ανακλάσεως που επιτυγχάνουν θεωρητική ελάχιστη ανάκλαση σε στενή ζώνη μήκους κύματος. Η αντανάκλαση ανεβαίνει γρήγορα σε κάθε πλευρά αυτού του ελαχίστου, δίνοντας το σχήμα "V" στο γράφημα ανακλαστικότητας έναντι του μήκους κύματος. Οι Αμερικανοί κατασκευαστές συνήθως χρησιμοποιούν την ορολογία "V-coat" ή "laserline" για να διαφοροποιήσουν αυτή την επικάλυψη από τις προσφορές ευρυζωνικών AR τους.
Μια άλλη επιλογή υλικού για χρήση με τα λέιζερ ινών 1-5W είναι το γυαλί N-SF11 της Schott που έχει δείκτη διάθλασης n = 1.754 στα 1060 nm, υψηλότερος από αυτόν του N-BK7 (1.507). Αυτό παρέχει ευελιξία εάν απαιτείται φακός με μικρή εστιακή απόσταση για την εφαρμογή. Επειδή και τα δύο Ν-SF11 και Ν-ΒΚ7 έχουν συντελεστές θερμικής διαστολής στην περιοχή 8x10-6 / ° C, η συντηγμένη πυριτία είναι η προτιμώμενη επιλογή του υποστρωματικού υλικού εάν η θερμική σταθερότητα είναι σημαντική. Το συντετηγμένο διοξείδιο του πυριτίου έχει συντελεστή θερμικής διαστολής μόνο 0,57 × 10-6 / ° C, με τάξη μεγέθους πιο σταθερό από τα άλλα οπτικά υλικά. Οι κατασκευαστές λέιζερ ινών προτείνουν τη χρήση πυριτιούχου πυριτίου για μεταδόσιμη οπτική για χρήση με εξόδους λέιζερ ινών μεγαλύτερες από 50W. Για παράδειγμα, η Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) συνιστά έντονα τη χρήση πυριτιούχου πυριτίου για εφαρμογές λέιζερ με λέιζερ λόγω του σημαντικά υψηλότερου ορίου βλάβης του λέιζερ. Έχει παρόμοιες μεταγωγικές ιδιότητες στο N-BK7 από 500-2000nm, αλλά είναι πιο θερμικώς σταθερό και έχει υψηλότερα όρια κατωφλίου ζημιάς τόσο για παλμικά όσο και για συστήματα CW. IPG Photonics pgphotonics.com) συνιστά σύνθετο διοξείδιο του πυριτίου τύπου ΙΡ για λέιζερ με ίνες άνω των 1kW. Και πάλι, οι επιστρώσεις AR μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μειώσουν τις αντανακλάσεις της επιφάνειας, αλλά για υψηλότερες ενέργειες είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθούν μόνο πολυστρωματικές επικαλύψεις «V», που αντέχουν έως 1MW / cm2 ή περισσότερο.
2 Φακοί
Σε ορισμένες εφαρμογές, όπως η απεικόνιση οπτικών παγίδων, η διατήρηση της ποιότητας εικόνας καθ 'όλη τη διαδρομή δέσμης είναι κρίσιμη. Μολονότι οι φακοί μονής στοιβάδας, είτε σε σύντηξη σίλικας είτε σε υλικό Ν-ΒΚ7, είναι κατάλληλοι για απλές εφαρμογές διεύθυνσης δέσμης, οι διπλικοί ή τριπλοί aplanatic φακοί μπορεί να είναι πιο κατάλληλοι για να ελαχιστοποιηθούν τα σφάλματα μεταδιδόμενου κύματος. Αυτοί οι φακοί έχουν σχεδιαστεί για να ελαχιστοποιούν δύο μονοχρωματικά σφάλματα κύματος που ονομάζονται σφαιρική εκτροπή και κώμα. Η σφαιρική απόκλιση είναι αξονικά συμμετρική και συμβαίνει όταν οι ακτινικές ακτίνες που περνούν μέσα από τις εξωτερικές ζώνες του φακού επικεντρώνονται σε διαφορετική απόσταση από τον φακό από τις ακτίνες που διέρχονται από την κεντρική ζώνη. Το Coma είναι μια μη συμμετρική παραμόρφωση κυματομορφής εκτός άξονα, η οποία αυξάνει γραμμικά με γωνία πεδίου ή απόσταση από τον κύριο άξονα. Σε συνδυασμό, αυτές οι παρεκκλίσεις παραμορφώνουν το μεταφερόμενο μέτωπο κύματος διαμέσου του φακού και προκαλούν την παραμόρφωση του εστιακού σημείου σε ακανόνιστο σχήμα ή / και θόλωση.
Τα σχέδια διπλού και τριπλού φακού μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα υλικά υποστρώματος που έχουν καταχωριστεί προηγουμένως ή άλλα υλικά, ανάλογα με τα συγκεκριμένα κριτήρια σχεδίασης. Αυτά βελτιστοποιούνται για ένα μόνο μήκος κύματος και συνήθως απέχουν μεταξύ τους για να ελαχιστοποιήσουν την πρόσθετη παραμόρφωση του κύματος που προκαλείται από το τσιμέντο μεταξύ των επιφανειών γυαλιού. Η απόσταση μεταξύ των στοιχείων επιτρέπει επίσης αυξημένη ευελιξία στο σχεδιασμό, επειδή οι παρακείμενες επιφάνειες δεν χρειάζεται να έχουν τις αντίστοιχες καμπύλες. Αντ 'αυτού, κάθε μία από τις τέσσερις έως έξι επιφάνειες μπορεί να βελτιστοποιηθεί ανεξάρτητα προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί το κώμα και οι σφαιρικές εκτροπές μέσα από το σύνολο του φακού. Τα συγκροτήματα φακών τσιμέντου πρέπει να αποφεύγονται προκειμένου να μεγιστοποιηθεί το συνολικό κατώφλι ζημίας και ο χρόνος ζωής του εξαρτήματος.
3 Στενό Spectral Bandwidth
Η περιοχή μήκους κύματος ενός λέιζερ ινών καθορίζεται από την αρχιτεκτονική άντλησης του κατασκευαστή και τα πρόσθετα που χρησιμοποιούνται στην ενεργή κοιλότητα λέιζερ. Τα τυπικά εύρη μήκους κύματος είναι: 780-800nm για ντόπινγκ από έρπη,
1030-1120nm για το ytterbium, 1530-1600nm για το erbium-ytterbium και 1800-2100nm για το θούλιο. Το εύρος ζώνης ενός λέιζερ ινών ορίζεται τυπικά από σχάρες ινών Bragg. Οι κατασκευαστές λέιζερ ινών θα καθορίσουν ένα εύρος από το οποίο ο τελικός χρήστης μπορεί να επιλέξει ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Το πραγματικό εύρος ζώνης κάθε λέιζερ είναι μόνο 1-2nm. Αυτό θα μπορούσε να είναι μια σημαντική λεπτομέρεια κατά την επιλογή στοιχείων, όπως κυματοειδές ανώτερης τάξης που λειτουργούν σωστά μόνο σε ένα στενό εύρος ζώνης.
4 Οπτική πόλωσης
Το εύρος ζώνης και η ενεργειακή πυκνότητα είναι τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά δέσμης που πρέπει να γνωρίζετε κατά την επιλογή μεταξύ διαφόρων πολωτών και κυματοδηγών. Οι γραμμικές πολωτές πολυμερών δεν προορίζονται για χρήση σε ενέργειες μεγαλύτερες από 1W / cm2. Οι τσιμεντοπολικοί πόλοι είναι διαθέσιμοι τόσο σε στενές ζώνες όσο και σε ευρυζωνικά σχέδια, αλλά τα όρια βλάβης περιορίζονται από την εσωτερική εποξική ρητίνη. Παρόλο που μερικά οπτικά τσιμέντα μπορούν να αντέξουν σε πυκνότητες ισχύος λέιζερ 500W / cm2, οι κατασκευαστές λέιζερ ινών προτείνουν την αποφυγή τσιμεντοειδών οπτικών για λέιζερ με ίνες άνω των 50W. Πάνω από αυτό το επίπεδο, είναι απαραίτητο να μεταβείτε σε σχεδιασμό πολωμένου κύβου με απόσταση μεταξύ τους ή με οπτική επαφή, που συνήθως μπορεί να χειριστεί περισσότερο από 1 MW / cm2 φωτός λέιζερ CW.
Για μια κυματοειδή πλάκα κρυστάλλου χαλαζία πολλαπλών τάξεων κοντά σε πάχος 1mm, η διακύμανση 2nm στο μήκος κύματος μπορεί να κάνει τη διαφορά μεταξύ μιας εξαιρετικής πλάκας κυματοδηγού και ενός απαράδεκτου τμήματος. Μια πλάκα κυματοειδούς λ / 4 πάχους 1mm που σχεδιάστηκε για 1082nm θα ήταν στην πραγματικότητα μια πλάκα κύματος 0,23λ σε 1084nm ή λ / 50 off. Εναλλακτικά, μια σύνθετη πλάκα κυμάτων μηδενικής τάξης σχεδιασμένη για τα ίδια δύο μήκη κύματος θα αλλάξει την καθυστέρηση μεταξύ των δύο με <λ 1000="" κύματα,="" η="" οποία="" βρίσκεται="" μέσα="" στα="" τυπικά="" όρια=""> Οι κυματοσκοπικές λυχνίες μηδενικής τάξης λειτουργούν πολύ καλά σε ± 40-70nm από το μήκος κύματος σχεδίασης και είναι κατάλληλες για συντονισμένα συστήματα λέιζερ καθώς και εκείνα με εύρος ζώνης λέιζερ> 1nm (βλ. Σχήμα 3).
5 Καθρέπτες
Τα τυποποιημένα στοιχεία - δηλαδή τα υπάρχοντα σχέδια επίστρωσης - για άλλες γραμμές λέιζερ μπορεί να μην ταιριάζουν αρκετά καλά με τα νέα μήκη κύματος λέιζερ ινών και τις δυνάμεις για βέλτιστη απόδοση. Για συστήματα χαμηλής ενεργειακής απόδοσης, προστατευτικά επιχρίσματα από μεταλλικό καθρέπτη, όπως ο χρυσός, το αλουμίνιο και το ασήμι, μπορεί να είναι κατάλληλες επιλογές για ορισμένες εφαρμογές όπου δεν απαιτείται 100% αντανακλαστικότητα. Είναι άμεσα διαθέσιμα και φθηνά. Ωστόσο, ακόμη και με τα προστατευτικά στρώματα, οι μεταλλικές επιχρίσεις είναι μαλακές και τελικά θα γρατσουνιστούν ή θα διαβρωθούν αν δεν αντιμετωπιστούν σωστά. Εναλλακτικά, τα πολυεπίπεδα διηλεκτρικά κάτοπτρα είναι σκληρά επικαλυμμένα, ανθεκτικά και αντανακλαστικά σε κανονική εμφάνιση ή σε 45 ° (βλ. Εικόνα 4). Έχουν κατώτατα όρια βλάβης που ξεπερνούν τα 20J / cm2 σε παλμικά συστήματα 10-20ns και επομένως δεν πρέπει να υποβαθμίζονται ή να υφίστανται ζημιά όταν χρησιμοποιούνται σε παλμικά ή σε διατάξεις λέιζερ ινών CW. Παρόλο που δεν είναι ιδιαίτερα ευρυζωνικό, ένας καθρέπτης διηλεκτρικού που σχεδιάστηκε για συστήματα Nd: YAG 1064nm θα εξακολουθεί να αντανακλά> 99% στα 1075nm ή 1080nm.
6 Συμπέρασμα
Η CVI εισήγαγε μια νέα σειρά καθρεφτών ειδικά σχεδιασμένη για χρήση με συστήματα λέιζερ ινών. Επιπλέον, η CVI έχει προσθέσει τα πιο κοινά μήκη κύματος ινών λέιζερ στις υφιστάμενες σειρές προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων επιχρισμάτων AR για μεταδόσιμα οπτικά στοιχεία, όπως κυματοειδείς πλάκες, φακοί και παράθυρα, καθώς και αντανακλαστικές επικαλύψεις για συρματοδότες, μερικοί ανακλαστήρες, ζεύκτες εξόδου και κάτοπτρα.
Οι κατασκευαστές λέιζερ ινών συνεχίζουν να πιέζουν τα όρια της τεχνολογίας τους, αυξάνοντας την CW ισχύ και την παλμική ενέργεια που διατίθενται στο εμπόριο. Η εξαιρετική ποιότητα δέσμης σε συνδυασμό με τις υψηλότερες ενέργειες θα συνεχίσει να αυξάνει τις απαιτήσεις για τα οπτικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα. Οι βασικές προδιαγραφές για αυτά τα εξαρτήματα θα περιλαμβάνουν υλικό υποστρώματος, κατώφλι ζημίας και ποιότητα επιφάνειας.