Волоконный лазер принцип работы. Волоконные лазеры

Волоконные лазеры компактны и прочны, точно наводятся и легко рассеивают тепловую энергию. Они бывают разных видов и, имея много общего с оптическими квантовыми генераторами других типов, обладают собственными уникальными преимуществами.

Волоконные лазеры: принцип работы

Устройства этого типа представляют собой вариацию стандартного твердотельного источника когерентного излучения с рабочим телом из оптоволокна, а не стержня, пластины или диска. Свет генерируется легирующей примесью в центральной части волокна. Основная структура может варьироваться от простой до довольно сложной. Устройство иттербиевого волоконного лазера таково, что волокно имеет большое отношение поверхности к объему, поэтому тепло может быть относительно легко рассеяно.

Волоконные лазеры накачиваются оптически, чаще всего с помощью диодных квантовых генераторов, но в некоторых случаях - такими же источниками. Оптика, используемая в этих системах, как правило, представляет собой волоконные компоненты, причем большинство или все они соединены друг с другом. В некоторых случаях используется объемная оптика, а иногда внутренняя оптоволоконная система сочетается с внешней объемной оптикой.

Источником диодной накачки может служить диод, матрица, или множество отдельных диодов, каждый из которых связан с соединителем волоконно-оптическим световодом. Легированное волокно на каждом конце имеет зеркало объемного резонатора - на практике в волокне делают решетки Брэгга. На концах объемной оптики нет, если только выходной луч не переходит в нечто иное, чем волокно. Световод может скручиваться, так что при желании лазерный резонатор может иметь длину в несколько метров.

Двухъядерная структура

Структура волокна, используемого в волоконных лазерах, имеет важное значение. Наиболее распространенной геометрией является двухъядерная структура. Нелегированное внешнее ядро ​​(иногда называемое внутренней оболочкой) собирает накачиваемый свет и направляет его вдоль волокна. Вынужденное излучение, генерируемое в волокне, проходит через внутреннее ядро, которое часто является одномодовым. Внутреннее ядро ​​содержит присадку иттербия, стимулируемую световым пучком накачки. Существует множество некруговых форм внешнего ядра, в числе которых - гексагональная, D-образная и прямоугольная, уменьшающих вероятность непопадания светового пучка в центральное ядро.

Волоконный лазер может иметь торцевую или боковую накачку. В первом случае свет от одного или нескольких источников поступает в торец волокна. При боковой накачке свет подается в разветвитель, который подает его во внешнее ядро. Это отличается от стержневого лазера, где свет поступает перпендикулярно к оси.

Для такого решения требуется много конструктивных разработок. Значительное внимание уделяется подведению света накачки в активную зону, чтобы произвести инверсию заселенности, ведущую к вынужденному излучению во внутреннем ядре. Сердцевина лазера может иметь различную степень усиления в зависимости от легирования волокна, а также от его длины. Эти факторы настраиваются инженером-конструктором для получения необходимых параметров.

Могут возникнуть ограничения мощности, в частности, при работе в пределах одномодового волокна. Такой сердечник имеет очень малую площадь поперечного сечения, и в результате через него проходит свет очень высокой интенсивности. При этом становится все более ощутимым нелинейное рассеяние Бриллюэна, которое ограничивает выходную мощность несколькими тысячами ватт. Если выходной сигнал является достаточно высоким, торец волокна может быть поврежден.

Особенности волоконных лазеров

Использование волокна в качестве рабочей среды дает большую длину взаимодействия, которая хорошо работает при диодной накачке. Эта геометрия приводит к высокой эффективности преобразования фотонов, а также надежной и компактной конструкции, в которой отсутствует дискретная оптика, требующая настройки или выравнивания.

Волоконный лазер, устройство которого позволяет ему хорошо адаптироваться, может быть приспособлен как для сварки толстых листов металла, так и для получения фемтосекундных импульсов. Световолоконные усилители обеспечивают однопроходное усиление и используются в сфере телекоммуникаций, поскольку способны усиливать многие длины волн одновременно. Такое же усиление применяется в усилителях мощности с задающим генератором. В некоторых случаях усилитель может работать с лазером непрерывного излучения.

Другим примером являются источники спонтанного излучения с волоконным усилением, в которых вынужденное излучение подавляется. Еще одним примером может служить рамановский волоконный лазер с усилением комбинированного рассеивания, существенно сдвигающим длину волны. Он нашел применение в научных исследованиях, где для комбинационной генерации и усиления используется фторидное стекловолокно, а не стандартные кварцевые волокна.

Тем не менее, как правило, волокна изготавливают из с редкоземельной легирующей примесью в ядре. Основными добавками являются иттербий и эрбий. Иттербий имеет длины волн от 1030 до 1080 нм и может излучать в более широком диапазоне. Использование 940-нм диодной накачки значительно сокращает дефицит фотонов. Иттербий не обладает ни одним из эффектов самогашения, которые есть у неодима при высоких плотностях, поэтому последний используется в объемных лазерах, а иттербий - в волоконных (они оба обеспечивают примерно одинаковую длину волны).

Эрбий излучает в диапазоне 1530-1620 нм, безопасном для глаз. Частоту можно удвоить для генерации света при 780 нм, что недоступно для волоконных лазеров других типов. Наконец, иттербий можно добавить к эрбию таким образом, что элемент будет поглощать излучение накачки и передавать эту энергию эрбию. Тулий - еще одна легирующая присадка со свечением в ближней инфракрасной области, которая, таким образом, является безопасным для глаз материалом.

Высокая эффективность

Волоконный лазер представляет собой квази-трехуровневую систему. Фотон накачки возбуждает переход от основного состояния на верхний уровень. Лазерный переход является переходом с самой нижней части верхнего уровня в одно из расщепленных основных состояний. Это очень эффективно: например, иттербий с 940-нм фотоном накачки излучает фотон с длиной волны 1030 нм и квантовым дефектом (потерей энергии) всего около 9 %.

В противоположность этому неодим, накачиваемый при 808 нм, теряет около 24 % энергии. Таким образом, иттербий по своей природе обладает более высокой эффективностью, хотя и не вся она достижима из-за потери некоторых фотонов. Yb может быть накачан в ряде полос частот, а эрбий - длиной волны 1480 или 980 нм. Более высокая частота не так эффективна, с точки зрения дефекта фотонов, но полезна даже в этом случае, потому что при 980 нм доступны лучшие источники.

В целом эффективность волоконного лазера является результатом двухступенчатого процесса. Во-первых, это КПД диода накачки. Полупроводниковые источники когерентного излучения очень эффективны, с 50 % КПД преобразования электрического сигнала в оптический. Результаты лабораторных исследований говорят о том, что можно достичь значения в 70 % и больше. При точном соответствии выходного излучения линии поглощения волоконного лазера и достигается высокий КПД накачки.

Во-вторых, это оптико-оптическая эффективность преобразования. При небольшом дефекте фотонов можно достичь высокой степени возбуждения и эффективности экстракции с оптико-оптической эффективностью преобразования в 60-70 %. Результирующий КПД находится в диапазоне 25-35 %.

Различные конфигурации

Оптоволоконные квантовые генераторы непрерывного излучения могут быть одно- или многомодовыми (для поперечных мод). Одномодовые производят высококачественный пучок для материалов, работающих или посылающих луч через атмосферу, а многомодовые промышленные волоконные лазеры могут генерировать большую мощность. Это используется для резки и сварки, и, в частности, для термообработки, где освещается большая площадь.

Длинноимпульсный волоконный лазер является, по существу, квазинепрерывным устройством, как правило, производящим импульсы миллисекундного типа. Обычно его рабочий цикл составляет 10 %. Это приводит к более высокой пиковой мощности, чем в непрерывном режиме (как правило, в десять раз больше), что используется, например, для импульсного сверления. Частота может достигать 500 Гц, в зависимости от длительности.

Модуляция добротности в волоконных лазерах действует также, как и в объемных. Типичная длительность импульса находится в диапазоне от наносекунды до микросекунды. Чем длиннее волокно, тем больше времени требуется для Q-переключения выходного излучения, что ведет к более продолжительному импульсу.

Свойства волокна накладывают некоторые ограничения на модуляцию добротности. Нелинейность волоконного лазера более значительна из-за малой площади поперечного сечения сердечника, так что пиковая мощность должна быть несколько ограничена. Можно использовать либо объемные переключатели добротности, которые дают более высокую производительность, или волоконные модуляторы, которые подсоединяются к концам активной части.

Импульсы с модуляцией добротности могут быть усилены в волокне или в объемном резонаторе. Пример последнего можно найти в Национальном комплексе имитации ядерных испытаний (NIF, Ливермор, Калифорния), где иттербиевый волоконный лазер является задающим генератором для 192 пучков. Малые импульсы в больших плитах из легированного стекла усиливаются до мегаджоулей.

У волоконных лазеров с синхронизацией частота повторения зависит от длины усиливающего материала, как и в других схемах синхронизации мод, а длительность импульса зависит от пропускной способности усиления. Самые короткие находятся в пределах 50 фс, а наиболее типичные - в диапазоне 100 фс.

Между эрбиевыми и иттербиевыми волокнами существует важное различие, в результате чего они работают в различных режимах дисперсии. Легированные эрбием волокна излучают при 1550 нм в области аномальной дисперсии. Это позволяет производить солитоны. Иттербиевые волокна находятся в области положительной или нормальной дисперсии; в результате они порождают импульсы с выраженной линейной частотой модуляции. В результате для сжатия длины импульса может понадобится брэгговская решетка.

Есть несколько способов изменения волоконно-лазерных импульсов, в частности, для сверхбыстрых пикосекундных исследований. Фотонно-кристаллические волокна могут быть изготовлены с очень малыми ядрами для получения сильных нелинейных эффектов, например, для генерации суперконтинуума. В противоположность этому фотонные кристаллы также могут быть изготовлены с очень большими одномодовыми сердечниками для избежания нелинейных эффектов при больших мощностях.

Гибкие фотонно-кристаллические волокна с большим сердечником создаются для применений, требующих высокой мощности. Одним из приемов состоит в намеренном изгибе такого волокна для устранения любых нежелательных мод высшего порядка с сохранением лишь основной поперечной моды. Нелинейность создает гармоники; с помощью вычитания и складывания частот можно создавать более короткие и более длинные волны. Нелинейные эффекты могут также производить сжатие импульсов, что приводит к появлению частотных гребенок.

В качестве источника суперконтинуума очень короткие импульсы производят широкий непрерывный спектр с помощью фазовой самомодуляции. Например, из начальных 6 пс импульсов при 1050 нм, которые создает иттербиевый волоконный лазер, получается спектр в диапазоне от ультрафиолета до более 1600 нм. Другой ИК-источник суперконтинуума накачивается эрбиевым источником на длине волны 1550 нм.

Большая мощность

Промышленность в настоящее время является крупнейшим потребителем волоконных лазеров. Большим спросом сейчас пользуется мощность порядка киловатта, применяемая в автомобилестроении. Автомобильная промышленность движется к выпуску автомобилей из высокопрочной стали, чтобы они отвечали требованиям долговечности и были относительно легкими для большей экономии топлива. Обычным станкам очень трудно, например, пробивать отверстия в этом виде стали, а источники когерентного излучения делают это легко.

Резка металлов волоконным лазером, по сравнению с квантовыми генераторами других типов, обладает рядом преимуществ. Например, ближний инфракрасный диапазон волн хорошо поглощается металлами. Луч может быть доставлен по волокну, что позволяет роботу легко перемещать фокус при резке и сверлении.

Оптоволокно удовлетворяет самым высоким требованиям к мощности. Оружие ВМФ США, испытанное в 2014 г., состоит из 6-волоконных 5,5-кВт лазеров, объединенных в один пучок и излучающих через формирующую оптическую систему. 33 кВт установка была использована для поражения Хотя луч не является одномодовым, система представляет интерес, так как позволяет создать волоконный лазер своими руками из стандартных, легкодоступных компонентов.

Самая высокая мощность одномодового источника когерентного излучения компании IPG Photonics составляет 10 кВт. Задающий генератор производит киловатт оптической мощности, которая подается в каскад усилителя с накачкой при 1018 нм со светом от других волоконных лазеров. Вся система имеет размер двух холодильников.

Применение волоконных лазеров распространилось также на высокомощную резку и сварку. Например, они заменили контактную сварку листовой стали, решая проблему деформации материала. Управление мощностью и другими параметрами позволяет очень точно резать кривые, особенно углы.

Самый мощный многомодовый волоконный лазер - установка для резки металлов того же производителя - достигает 100 кВт. Система основана на комбинации некогерентного пучка, так что это не луч сверхвысокого качества. Такая стойкость делает волоконные лазеры привлекательными для промышленности.

Бурение бетона

Многомодовый волоконный лазер мощностью 4 кВт может использоваться для резки и бурения бетона. Зачем это нужно? Когда инженеры пытаются достичь сейсмостойкости существующих зданий, нужно быть очень осторожным с бетоном. При установке в нем, например, стальной арматуры обычное ударное бурение может привести к появлению трещин и ослабить бетон, но волоконные лазеры режут его без дробления.

Квантовые генераторы с модулированной добротностью волокна используются, например, для маркировки или при производстве полупроводниковой электроники. Также они используются в дальномерах: модули размером с руку содержат безопасные для глаз волоконные лазеры, мощность которых составляет 4 кВт, частота 50 кГц и длительность импульса 5-15 нс.

Обработка поверхностей

Существует большой интерес в небольших волоконных лазерах для микро- и нанообработки. При снятии поверхностного слоя, если длительность импульса короче 35 пс, отсутствует разбрызгивание материала. Это исключает образование углублений и других нежелательных артефактов. Импульсы в фемтосекундном режиме производят нелинейные эффекты, которые не чувствительны к длине волны и не нагревают окружающее пространство, что позволяет работать без существенного повреждения или ослабления окружающих участков. Кроме того, отверстия могут быть разрезаны с большим отношением глубины к ширине - например, быстро (в течение нескольких миллисекунд) проделать небольшие отверстия в 1-мм нержавеющей стали с помощью 800-фс импульсов с частотой 1 МГц.

Можно также производить поверхностную обработку прозрачных материалов, например, глаза человека. Чтобы вырезать лоскут при микрохирургии глаза, фемтосекундные импульсы плотно фокусируются высокоапертурным объективом в точке ниже поверхности глаза, не вызывая никаких повреждений на поверхности, но разрушая материал глаза на контролируемой глубине. Гладкая поверхность роговицы, которая имеет важное значение для зрения, остается целой и невредимой. Лоскут, отделенный снизу, затем может быть подтянут для поверхностного эксимер-лазерного формирования линзы. Другие медицинские применения включают хирургию неглубокого проникновения в дерматологии, а также использование в некоторых видах оптической когерентной томографии.

Фемтосекундные лазеры

Фемтосекундные квантовые генераторы в науке используют для спектроскопии возбуждения с лазерным пробоем, флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением, а также для общего исследования материалов. Кроме того, они нужны для производства фемтосекундных частотных гребенок, необходимых в метрологии и общих исследованиях. Одним из реальных применений в краткосрочной перспективе станут атомные часы для спутников GPS нового поколения, что позволит увеличить точность позиционирования.

Одночастотный волоконный лазер производится с шириной спектральной линии менее 1 кГц. Это впечатляюще небольшое устройство с выходом излучения мощностью от 10 мВт до 1 Вт. Находит применение в области связи, метрологии (например, в волоконных гироскопах) и спектроскопии.

Что дальше?

Что касается других научно-исследовательских применений, то еще многие из них изучаются. Например, военная разработка, которую можно применять и в других областях, заключающаяся в комбинировании волоконно-лазерных пучков для получения одного высококачественного луча с помощью когерентной или спектральной комбинации. В результате в одномодовом луче достигается большая мощность.

Производство волоконных лазеров быстро растет, особенно для нужд автомобилестроения. Также происходит замена неволоконных устройств волоконными. Помимо общих улучшений в стоимости и производительности, появляются все более практичные фемтосекундные квантовые генераторы и источники суперконтинуума. Волоконные лазеры занимают все больше ниш и становятся источником улучшения для лазеров других типов.

В ранее опубликованных статьях по тестированию технологического потенциала, волоконный лазер был разобран наиболее эффективное технологическое применение, а именно: резка, сварка, закалка, перфорация и очистка поверхности. Всё это может делать волоконный лазер.

Однако менеджерам и технологам промышленных предприятий крайне важно понимать помимо этого и экономические аспекты внедрения волоконного лазера в современных лазерных технологиях. Итак, давайте обсудим экономические вопросы про волоконный лазер, возникающие во время оценки проектов технического перевооружения.

Сразу необходимо отметить: отличия очень важны, так как новый волоконный лазер обладает целым рядом технических свойств и особенностей, из-за которых переносить на новую технику опыт применения классических лазеров не совсем корректно. Именно поэтому целесообразно начать, что такое волоконный лазер, прежде всего, с изложений данных особенностей и отличий.

Волоконный лазер:

Уникальный ресурс современных излучателей (более 100 000 часов с вероятностью продления ресурса при относительно небольших затратах) и практически нулевые эксплуатационные затраты. Обязательно с учетом фактического исключения части амортизации через ЕСН и НДС в существующей налоговой системе. Так как это может быть чрезвычайно важным экономическим фактором (т. е. часть амортизации остается непосредственно в вашем распоряжении потому что – не используется).

Минимальные затраты и время на подготовку помещения и пуско-наладку. Волоконный лазер в процессе пусконаладки называется термином «инсталляция».

Волоконный лазер, его невероятная универсальность лазерного источника. Как правило, волоконный лазер это образец источника «чистой» лучевой энергии, поэтому в нем самом практически нет технологической специфики, то есть – при диверсификации либо другой перестройке производства, волоконный лазер можно переориентировать с одного технологического процесса на иной. Такой источник можно даже назвать, конечно (с оговорками) – ликвидным, в том значении, что он сохраняет ценность и стоимость сам по себе. Отсюда начинают развиваться определенные сервисы обмена лазеров и лизинга (по этим вопросам целесообразнее всего контактировать напрямую с производителем).

Волоконный лазер, его главные характеристики:

Его вероятность наращивания мощности. Можно купить волоконный лазер с конструктивным запасом, к примеру, при поставке на мощность в 700 Вт, а затем просто докупить специальные блоки накачки, тем самым увеличить мощность, например, до 2400 Вт. При этом в производственной системе (процесс установки дополнительных блоков продолжается не более 3-х часов) – практически не нужно ничего менять. Это позволяет достаточно существенно снизить начальные капитальные вложения, а также нарастить производительность в необходимый для вашего производства момент.

Транспортировка излучения непосредственно по оптическому кабелю, длина которого составляет от 10 до 100 метров, в значительной степени упрощает проектирование, а так же компоновку технологических систем в целом. Можно использовать огромнейший ассортимент промышленной робототехники. Стоит отметить, что для осуществления некоторых производственных задач требуется всего лишь 3 компонента, а именно – волоконный лазер/технологическая головка/промышленный робот. Конечно, при отсутствии опыта все равно потребуются услуги фирмы-интегратора, однако суммарные затраты на организацию специфической производственной системы существенно снизятся.

Волоконный лазер это многофункциональный и многоцелевой технологический участок для максимальной загрузки лазерного источника. Естественно это не совсем легко как может показаться на первый взгляд, но вполне реально. А ввиду важности этой вероятности мы обсудим ее далее.

Вопрос специалистов и кадров в целом. Волоконный лазер избавляет предприятие от нужды содержать целый штат специалистов со знаниями сферы оптики, вакуумных систем и электрических разрядов. Волоконный лазер, для эксплуатации его ничего не требуется, так как обучение оператора занимает всего времени не более 1-ой недели. Конечно, это не избавит предприятие от потребности в грамотных технологах, но это уже другой вопрос, который непосредственно к самому лазеру совершенно не имеет отношения. Вполне можно задействовать существующий персонал и заодно обрести более качественный уровень производственной эффективности эффективности.

Волоконный лазер, его базовые технологии:

Эти 7 пунктов сами по себе способны вызвать высокий интерес к новому современному оборудованию. Для усиления эффекта следует перечислить некоторые базовые технологии:

• лазерная резка металлов. Речь идет не только о классическом раскрое листа, но и весьма объемная резка, к примеру, с применением промышленных роботов;
• лазерная перфорация (фильтрующие элементы, сетки) ;
• лазерная сварка. Прежде всего, это шовная стыковая сварка высокой производительности без использования разделок кромок и присадочных материалов. Но сегодня технологи достаточно стремительно развивают гибридные процессы, то есть – комбинированные схемы сварки совмещением лазерного пучка и соответственно электрической дуги;
• лазерная закалка (термообработка) – это процесс, который обеспечивает локальную закалку определенных фрагментов детали без основательного термического влияния на деталь;1
• лазерная наплавка – это аналог действия дуговой наплавки, отличающийся высокой локальностью и точностью;
• лазерная очистка от покрытий и загрязнений. Самый экологически чистый метод очистки, причем бесконтактный который потенциально способен конкурировать с массовыми технологиями, например, такими как пескоструйная чистка.

Переходя непосредственно к экономическим аспектам, стоит заметить что волоконный лазер, его система в настоящее время на порядок дороже классических лазеров СО2 и поэтому цена самого лазера составляет обычно значительную часть технологической системы в целом.
Волоконный лазер, в его минимальный набор входит: оборудования предназначенного для выполнения технологической операции лазером входят:

• волоконный лазер обязательно с указанной стоимостью руб./кВт;
• волоконный лазер имеет специальную лазерную технологическую головку, которая формирует поток излучения, а также потоки иных веществ непосредственно в зоне обработки;
• манипулятор (роботизированный) для перемещения изделия или лазерной головки, а так же для общего и тщательного управления процессом. Если же применить уже готовый и универсальный волоконный лазер, соответственно затраты будут напрямую зависеть от комплектации и конечно же бренда.

Волоконный лазер его минимальный набор для лазерной технологической системы таков: 1 – лазер, 2 – технологическая головка, 3 – оптический кабель, 4 – манипулятор.

Таким образом, на технологическую систему обладающую мощностью в 1000 Вт, базовая сумма капитальных расходов составит примерно около 6 млн. руб. РФ. На самом деле это еще не все затраты, так как необходимо еще учесть затраты на программное обеспечение, на интеграцию, подготовку помещения и производства. Поэтому наиболее разумным для простоты расчетов будет предположить, что себестоимость вложений в целом – волоконный лазер, составит ориентировочно 2 цены. Подобная пропорция наблюдается в частности по лазерным станкам предназначенных для раскроя металла. Волоконный лазер обладает мощностью в 2000 Вт варьируются от 12-ти до 14-ти миллионов российских рублей. При этом лазерное раскройное оборудование представляет собой довольно-таки большую комплексную систему, имеющую большие габариты. Однако благодаря серийности и стандартной, хорошо обкатанной технологии – цена заметно снижается.

В прочих технологических процессах (например, таких как сварка, закалка) комплекс такого оборудования может быть значительно проще, но здесь стоит учесть, что на данном этапе такие технологии совершенно не пакетированы в типовые серийные комплексы (то есть в этом случае возникнут затраты на технологию и инжиниринг, причем весьма существенные). Поэтому коэффициент х2 для широкого класса использований при средней степени автоматизации (т. е. процесс обработки автоматический, а загрузка-выгрузка или полуавтоматическая или ручная) – может быть оправданным.

Экономика лазерных технологий путем анализа 2-х тестовых производственных задач

Рассмотрим первую производственную задачу, про волоконный лазер:

Итак, в качестве 1-ой тестовой задачи давайте рассмотрим массовое производство деталей цилиндрической геометрии, в которых потребно выполнить сварку 2-х полукорпусов в единый (цельный) герметичный корпус. Это стандартная задача изготовления различного вида фильтров. Сталь толщиной в 0,5-1 мм, при этом средний диаметр изделия составляет 60 мм. Цель задачи – максимальный производительный объем при минимальной себестоимости изделия.

Под эту задачу сама производственная система синтезируется практически автоматически. Для быстрой лазерной сварки подобного изделия нужно с помощью волоконного лазера мощностью примерно в 700 Вт (т. е. линейная скорость сварки составляет, порядка 50 мм/сек.), необходима довольно-таки простая сварочная головка, вращатель изделия (автоматизированный) и соответственно система загрузки-выгрузки заготовки. Для системы загрузки возможно применение простейшего лоткового питателя. Волоконный лазер, предполагается, что изделия, предназначенные под сварку, предварительно уже собраны рабочими. Однако в зависимости от уровня качества непосредственно заготовок (калибровка размеров) вполне может понадобиться система коррекции по стыку изделий – положения сварочной головки. В целом расходы на разработку и соответственно изготовление такой достаточно несложной системы укладываются примерно в 5 млн. руб.

Можно сделать небольшой вывод, после изложенного текста:

• Экономические параметры системы значительно ухудшаются при уменьшении уровня загрузки оборудования и конечно персонала: при выпуске, к примеру, 10% изделий/деталей от предельной цифры производственного процесса себестоимость просто-напросто вырастет в 10 раз. Таким образом, в обоих случаях недогруженное достаточно дорогое оборудование и соответственно персонал сидит без работы.
• В плане себестоимости так же ничего не дает и отказ от автоматизации: переход к неавтоматизированным технологическим процессам тоже увеличит себестоимость изделий, причем резко. Это произойдет из-за общего снижения производительности труда.
• Использование лазерной технологии позволяет «выиграть» только лишь при максимальной загрузке (или хотя бы при близкой к максимуму) производственной системы и выгодной непосредственно для условий самого производства, причем крупносерийного. Чрезвычайно важным для подобных производств является высокое качество процесса лазерной обработки (т. е. воспроизводимость и стабильность).

Понятно, что для крупносерийных задач окупаемость сварки волоконный лазер может быть довольно-таки быстрой благодаря резкому росту общей производительности.

Рассмотрим вторую производственную задачу, про волоконный лазер:

Как правило, для многих реальных предприятий характерна существенно меньшая серийность, поэтому будет постоянно возникать проблема загрузки источника для лазера.

К примеру, некое предприятие изготавливает комплексное изделие, которое состоит из цилиндрического корпуса и к нему необходимо приварить крышку с мощным элементом крепления, а непосредственно к самой крышке еще нужно приварить 2 элемента. Внутри такого изделия также имеется шток, функционирующий в режиме истирания, поэтому требующий упрочнения, а так же фильтр для жидкости, исполненный в виде кольца к которому припаяна металлическая сетка. Предполагаемая серийность подобных изделий – 100 000 в год.

При типовой базовой технологии изготовления изделий применяются такие технологические процессы как:

• изготовление поковок предназначенных для головки имеющей проушину;
• сложная механизированная обработка поковки;
• вырезка отверстий (нескольких) в корпусе механическим методом;
• вварка в отверстия необходимых деталей;
• приварка головки к основному корпусу – ручная дуговая, наблюдается большой процент брака, причиной которого является, в том числе и нарушения геометрии (т. е. смещение оси головки и оси цилиндра);
• объемная закалка штока, хромирование и шлифовка;
• вырезка кольцевой сетки;
• последующая припайка сетки по внешнему и внутреннему контуру (достаточно трудно автоматизируемый процесс с высоким уровнем брака).

Изделие данной тестовой задачи: 1 – корпус, 2 – крышка, 3 – привариваемая деталь, 4 – кольцо с отверстиями, 5 – фильтрующая сетка. Волоконный лазер:

Можно ли применять волоконный лазер для выполнения либо упрощения технологического процесса в производстве такого изделия? Суть идеи состоит в следующем: использовать волоконный лазер непосредственно в режиме деления времени, тем самым загружать его ресурс разнохарактерными операциями. С технической точки зрения такая возможность существует, однако технические аспекты этого, мы обсудим в конце повествования.

По параметрам лазерной технологии волоконный лазер из базы данных мы оцениваем, прежде всего, то, что нам понадобится лазерный источник мощностью в 1500 Вт. Это, безусловно, минимальная мощность, которая требуется для надежной сварки элементов. Так как планируется многофункциональное применение лазера, то цена робототехнического оборудования, как правило, должна быть выше.

Необходимо упомянуть и крайне важное интегральное преимущество: рост уровня качества изделия является чрезвычайно важным и значимым конкурентным фактором непосредственно на рынке сбыта, что позволяет занять значительную его долю.

Стоит особенно подчеркнуть, что волоконный лазер его утилитарная осуществимость всех планируемых технологических процессов при использовании его уже проходила соответствующее тестирование и предварительные экспериментальные данные этих процессов – имеются.

Таким образом: волоконный лазер, его комплексное использование набора лазерных технологий вполне реально может дать довольно-таки большой суммарный эффект, но при условии, если лазерное оборудование будет полностью загружено!

Себестоимость лазерного варианта производства рассчитана только лишь при заниженном значении расходов промышленного предприятия, но при честном расчете стоимости минуты отлично видно, что запас рентабельности такого проекта настолько велик и очевиден, что он существенно выгоден даже при больших нормативах накладных расходов – и это факт!

Стоит также отметить волоконный лазер: проектант лазерной системы может предложить поделить технологическую функциональность на 2 лазерных комплекса ассиметрично (т. е. не поровну)- 1-й лазерный комплекс выполняет исключительно вырезку отверстий и сварочные работы, а 2-й остальные операции по изготовлению фильтров и закалке штоков. Либо же может оставить только лишь первый комплекс, который выполняет операции по первым двум факторам, ввиду их основного вклада в прибыльность проекта в целом. Волоконный лазер, эти решения однозначно будут определяться во многом так же и техническими моментами, а именно вопросами: «Как именно реализовывается многофункциональность?» - «Действительно ли это можно воплотить технически?» - «К каким непосредственно проблемам это может привести?». Рассмотрим варианты и возможности.

Волоконный лазер и его применение:

Использование робота с помещенной на его манипуляторе головкой лазера для предоставленной тестовой задачи – вполне удачное решение. В первую очередь робот способен автоматически с минимальной тратой времени на переходы осуществить приварку кольца к основной крышке со всех 4-ех сторон, а во время изготовления элементарного роторного позиционера продукции со съемом и ручной установкой будут минимизированы также и потери времени непосредственно на загрузку-выгрузку. Что, конечно же, правильно и для остальных операций резки и сварки.

Применение универсальных роботов обладает тем преимуществом, что затраты на проектирование, а затем изготовление нестандартного технологического оснащения и оснастки – практически исключаются. Так как основная тяжесть производственной подготовки ложится именно на подготовку определенных программ для робота, то есть его эффективности.

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОПОСТОВЫХ УЧАСТКОВ.

Данное решение требует разработки абсолютно для всех технологических операций отдельного технологического поста, который снабжен узкофункциональным манипулятором. Вслед за завершением определенной операции лазерная головка, соединенная оптическим кабелем с лазером, переустанавливается на иной технологический пост, переналаживается соответственно на другую операцию, выполняющуюся на этой же либо иной партии изделий.

Следом за завершением определенной операции волоконный лазер его лазерная головка, соединенная оптическим кабелем с лазером, переустанавливается на иной технологический пост, переналаживается соответственно на другую операцию и осуществляется обработка другой операции, выполняющаяся на этой же либо иной партии изделий.

Волоконный лазер, к огромному сожалению, иметь персональные лазерные технологические головки на разных постах пока что не представляется возможным. Так как отстыковка от головки оптического кабеля в цеховых условиях строго запрещена по причине запыленности, потому как малейшая пылинка из оптического волокна, при попадании на оптический выход, как правило, приводит этот выход к безвозвратному разрушению. Решение данной проблемы с нетерпением ждут все предприятия с подобным оборудованием, и возможно уже в ближайшем будущем оно все-таки будет найдено.

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ

Новая возможность, в настоящее время еще редко используемая. Главная суть ее в следующем: можно приобрести определенный спец-коммутатор лазерного пучка, соединенный своим входом с лазером, а на отдельных постах несколькими выходами с технологическими головками. Переключение излучения происходит достаточно быстро между постами, и такая система способна свести к минимуму утраты времени на смену изделий и технологические переходы.

Для этого система верхнего уровня обязана обеспечивать диспетчерские функции, а также распределять ресурсы лазерного источника непосредственно по запросам этих технологических постов. Так как в расчетах для формирования мы полагали: время загрузки-выгрузки, по меньшей мере, равно времени операции, в таком случае при применении подобного мультиплексора для реализации тестовой программы производства примерно 100 000 изделий будет достаточно всего одного лазера.

Себестоимость такого мультиплексора около 1-2 млн. руб. Кроме того, нужно отметить, что волоконный лазер можно заказать уже со встроенным мультиплексором, имеющим несколько выходов.

Пожалуй, единственный недостаток заключается – это, что мультиплексор немного ухудшает качество излучения (т. е. на выходе доводится использовать волокно гораздо большего сечения), однако это критично лишь при лазерной резке. Волоконный лазер,его подобная система является наиболее оптимальной и целесообразной. На мультиплексор дополнительные капитальные затраты многократно компенсируются благодаря уровню загрузки лазера.

Итак: 1 – лазер, 2 – оптический коммутатор, 3 – головки (технологические), 4 – технологические посты, 5 – центральная система управления.

Еще один важный вопрос, связанный с универсальностью самих лазерных головок: Если планируется использование промышленного робота или многопостового участка, то лазерная головка обязательно должна обладать свойством универсальности (то есть, уметь выполнять различные технологические процессы). На сегодняшний день западные производители подобных головок не выпускают!

Однако такая техника уже существует: в скором времени начнется серийное производство – универсальной перестраиваемой головки, которая может выполнять весь базовый спектр технологических операций с применением излучения волоконных лазеров (сварка, резка, закалка, перфорация). Адаптация головки к какой-либо конкретной операции осуществляется и за счет автоматического преобразования оптической системы, и за счет сменной технологической насадки (т. е. ее замены), которая крепится по принципу известного магнитного подвеса.

Волоконный лазер, его преимущества:

Оценки показывают: волоконный лазер располагает значительным экономическим потенциалом.

• Высокая рентабельность волоконный лазер, проектов основанных на современных лазерах – обеспечивается исключительно при максимальной загрузке оборудования, то есть за счет достаточно существенной надежности и уникальности ресурса новых лазеров технически возможно.
• Довольно-таки существенную перспективу могут иметь непосредственно многофункциональные технологические участки, обладающие разделением ресурса источника лазера.
• Несмотря на значительные капиталовложения, окупаемость лазерного оборудования и лазерных технологических систем в целом – может быть весьма и весьма быстрой вплоть до 1-1,5 года.

Волоконный лазер – это лазер с полностью или частично оптоволоконной реализацией, где из оптического волокна выполнены усиливающая среда и, в отдельных случаях, резонатор.

Волоконный лазер – это лазер с полностью или частично оптоволоконной реализацией, где из оптического волокн а выполнены усиливающая среда и, в отдельных случаях, резонатор. В зависимости от степени волоконной реализации лазер может быть цельноволоконным (активная среда и резонатор) или волоконно-дискретным (волоконный только резонатор или другие элементы ).

Волоконные лазеры могут работать в непрерывной, а также в нано- и фемтосекундной импульсной пульсации.

Конструкция лазера зависит от специфики их работы. Резонатором может быть система Фабри-Перо или резонатор кольцевой. В большинстве конструкций в качестве активной среды используется оптоволокно, допированное ионами редкоземельных элементов – тулий, эрбий, неодим, иттербий, празеодимий. Накачка лазера осуществляется с помощью одного или нескольких лазерных диодов непосредственно в сердцевину волокна или, в мощных системах, во внутреннюю оболочку.

Волоконные лазеры получили широкое применение благодаря широкому выбору параметров, возможности настройки импульса в широком диапазоне длительности, частот и мощностей.

Мощность волоконных лазеров – от 1 Вт до 30 кВт. Длина оптического волокна – до 20 м.

Применение волоконных лазеров:

– резка металлов и полимеров в промышленном производстве,

– прецизионная резка,

– микрообработка металлов и полимеров,

– обработка поверхностей,

– пайка,

– термообработка,

– маркировка продукции,

– телекоммуникация (оптоволоконные линии связи),

– производство электроники,

– производство медицинских приборов,

– научное приборостроение.

Преимущества волоконных лазеров:

– волоконные лазеры являются уникальным инструментом, открывающим новую эру в обработке материалов,

– портативность и возможность выбора длины волны волоконных лазеров позволяют реализовать новые эффективные применения недоступные для других типов ныне существующих лазеров,

– превосходят другие типы лазеров практически по всем существенным параметрам, важным с точки зрения их промышленного использования,

– возможности настройки импульса в широком диапазоне длительности, частот и мощностей,

– возможность задания последовательности коротких импульсов с требуемой частотой и высокой пиковой мощностью , что необходимо, к примеру, для лазерной гравировки,

– широкий выбор параметров.

Сравнение лазеров различных типов:

2000w cw оптико raycus импульсный волоконный иттербиевый лазер 50 вт 100 квт купить производитель
волоконные твердотельные лазеры
резка металлов фанеры обалденная cernark гравировка режимы глубокой гравировки волоконным лазером
устройство иттербиевого волоконного лазера
волоконная машина продаю лазер
принцип работы производство фрязино 1.65 мкм технология иттербиевый купить цена ipg лс 1 оптический для резки металла гравировка импульсный принцип работы станок оптико применения мощность своими руками устройство схема длина волны сварка производитель режет волнами

Коэффициент востребованности 902

Сверхактивное развитие современной промышленности зачастую стимулирует появление и новых технологических подходов, основанных на передовых научных разработках, направленных на расширение спектра и количества выпускаемой продукции. Удачным примером такого симбиоза требований производства с научными достижениями стала область лазерных технологий. Масса преимуществ с минимумом недостатков стали причиной повсеместного внедрения в сфере маркировки деталей, узлов и изделий оборудования, основой которого стали лазерные технологии.

В индустрии лазерной маркировки применяется широкая гамма лазерного оборудования (КАТАЛОГ) , основанная на применении разных типов лазерных излучателей. Качество излучения, значительный рабочий ресурс и стабильность генерируемого светового потока обусловили самое широкое применение маркировочной аппаратуры на основе твердотельных лазеров. Промышленный маркиратор на базе твердотельного лазера изготавливается в различных форм-факторах и в зависимости от требований производства может быть как компактным для гибкого применения в условиях производственного участка, так и стационарным с дополнительным оборудованием для маркировки серийных партий.

Волоконные лазеры, активно применяющиеся во многих лазерных системах маркировки, относятся к группе твердотельных лазеров, работают с длиной волны 1,064 мкм и позволяют добиваться на выходе высокой мощности луча. Оптоковолоконный лазер генерирует энергию за счёт диодной накачки активной среды, в качестве которой выступает встроенное оптическое волокно.

Типовая схема подобного устройства состоит из трёх основных компонентов:

1. Модуль накачки. В качестве источника накачки оптических волноводов применяются широкополосные светодиоды или лазерные диоды с одномодовым излучением, обеспечивающие высокую яркость и большой ресурс выработки;
2. Активная среда. Состоит из активного оптоволокна и волновода накачки. Используются волоконные световоды, легированные добавками редкоземельных элементов или висмута. Плотность легирования определяется длиной изготавливаемого оптоволокна. В качестве основного материала оптоволокна выступает сверхчистый плавленый кварц, обладающий минимальными оптическими потерями. Верхний предел мощности накачки подобного легированного кварца составляет единицы киловатт, который определяется предельной мощностью излучения на единицу площади, при которой материал не разрушается;
3. Оптический резонатор. Выполняет функции резонансной системы лазера и предназначен для создания положительной обратной оптической связи, за счёт которой лазерный усилитель превращается в лазерный генератор. Он фокусирует излучаемый активным веществом свет в один узкий пучок. Резонатор определяет спектр, поляризацию и направленность генерируемого излучения. Чаще всего в конструкции резонатора используют брэгговские зеркала, кольцевые резонаторы и резонаторы типа Фабри-Перо.

Области применения технологического оборудования для маркировки, оснащённые оптоволоконными лазерами, достаточно разнообразны: точная микрообработка различных материалов, нанесение графической маркировки, микрофрезеровка, нанесение надписей на приборных панелях, художественное структурирование поверхностей. Маркировочная табличка и шильдики, идентифицирующие штрих-коды, обработка тонких фольгированных материалов - всё это с легкостью подвластно аппаратуре на основе оптиковолоконных лазеров.

Устройства маркировки на базе волоконных лазерных излучателей успешно конкурируют с другими видами маркировки, как традиционными, так и на основе других типов лазеров. Они имеют невысокую стоимость, компактны, просты в эксплуатации, имеют высокую скорость работы и КПД.

Перевод Сергея Рогалева

Под термином «оптоволоконный лазер» обычно понимается лазер с оптическим волокном в качестве усиливающей среды, хотя некоторые лазеры с полупроводниковой усиливающей средой и волоконным резонатором также назвают оптоволоконными лазерами. В большинстве случаев усиливающей средой оптоволоконных лазеров является волокно, допированное редкоземными ионами, такими как эрбий (Er 3+), неодим (Nd 3+), иттербий (Yb 3+), тулий (Tm 3+) или празеодимий (Pr 3+). Для накачки используются один или несколько лазерных диодов.

Резонатор оптоволоконного лазера

Для создания линейного резонатора оптоволоконного лазера, необходимо использовать некоторый отражатель (зеркало), или же создать кольцевой резонатор (кольцевой оптоволоконный лазер).

В линейных резонаторах оптоволоконного лазера используются различные типы зеркал:

· В простых лабораторных установках обычные диэлектрические зеркала могут прикрепляться к перпендикулярно сколотым концам волокна, как показано в рисунке 1. Этот подход, однако, не очень практичен для массового производства и также не очень надежен.

· Френелевское отражение от торца волокна часто достаточно для использования в качестве выходного зеркала резонатора волоконного лазера. На Рис. 2 приведен пример.

· Также возможно внести диэлектрические покрытия непосредственно на концах волокна, обычно методом напыления. Такие покрытия могут использоваться для отражения в широком диапазоне.

· Во многих волоконных лазерах используются волоконные брэгговские решетки, сформированные непосредственно в легированном волокне, или в нелегированном волокне, спаянным с активным слоем. Рисунок 3 показывает лазер распределенным брэгговским отражателем (РБО лазер) с двумя волоконными решетками, но есть также лазеры с распределенной обратной связью с одной решеткой в легированных волокнах со сдвигом фазы в середине.

· Лучшие характеристики по мощности можно получить за счет использования коллиматора на выходе света из волокна и отражения его обратно с помощью диэлектрического зеркала (рис. 4). Интенсивность на зеркале значительно снижается из-за гораздо большей площади пучка. Однако, небольшое смещение может привести к существенным потерям при отражении, поляризационно-зависимые потери и т.д.

· Другой вариант заключается в использовании зеркала в форме петли волокна (рис. 5), на основе волоконной муфты (например, с коэффициентом разделения 50:50) и куска пассивного волокна.

Большинство волоконных лазеров накачиваются одним или несколькими диодными лазерами с волоконными выходами (излучение лазерного диода вводится в волокно). Накачка света может осуществляться непосредственно в сердцевину, или во внутреннюю оболочку волокна в мощных лазерах.