Kuniharu Himeno. Отдел развития бизнеса волоконных лазеров. Центр развития нового бизнеса. Fujikura Technical Review, 2015

Мощные волоконные лазеры превосходят другие твердотельные лазеры высокой мощности с кристаллом или газовые во всех аспектах, таких как качество луча, энергоэффективность, компактность, стабильность и надежность. Такие лазеры в настоящее время в основном применяются для лазерной обработки.

В материале рассматриваются конструктивные особенности мощных волоконных лазеров, их преимущества и параметры.

1. Введение

С тех пор, как более полувека назад был изобретен лазер, изначально называвшийся Light Amplification by Stimulated Emission and Radiation LASER - усилитель света посредством вынужденной эмиссии, он привел к крупным инновациям в различных областях, включая волоконно-оптическую связь, хранение оптических данных, обработку материалов, здравоохранение, анализ и инструменты. В области лазерной обработки, одной из больших областей применения лазера, сравнимой с оптическими коммуникациями и хранением данных, традиционно преобладали газообразный диоксид углерода (CO₂) и твердые вещества на основе алюмо-иттриевого граната (YAG). Однако в последнее время, по мере роста выходной мощности лазерных диодов (ЛД), ожидается, что лидирующие позиции займут мощные волоконные лазеры, состоящие из мощных лаерных диодов и активных волокон с двойной оболочкой и сердцевиной, легированной Yb.

Фактически, продажи волоконных лазеров в настоящее время приближаются к продажам CO₂-лазеров и, по прогнозам, превзойдут последние в 2015 г.

Fujikura начала исследования и разработку оптических волокон 40 лет назад и с тех пор продвигает соответствующие технологии для оптоволоконной связи. Со временем компания создала целый ряд фундаментальных технологий, необходимых для изготовления волоконных лазеров, включая специальные волокна (например, активные волокна), оптические компоненты, такие как волоконные брэгговские решетки (ВБР) или объединители накачки, соединение волокон и компонентов, а также управление устройствами оптической связи.

На основе этих технологий, связанных с оптическим волокном, в 2005 г. компания Fujikura начала научно-исследовательские проекты в области мощных волоконных лазеров. Таким образом, она освоила элементарные оптические технологии для повышения мощности волоконных лазеров, таких как мощные лазерные диоды и оптические изоляторы для высоких частот. Мощность, которая, в сочетании с технологией охлаждения, используемой в электрических/электронных устройствах, привела к созданию современныхлинеек лазеров, включая высокомощные импульсные волоконные лазеры, высокомощные непрерывные волновые (CW) волоконные лазеры и линейно поляризованные непрерывные волоконные лазеры. Некоторые из этих новых технологий и продуктов представлены в этом выпуске.

В этой статье объясняются основы и особенности высокомощных волоконных лазеров в качестве введения к другим статьям этого номера. Описанные элементы следующие:

• конфигурация и характеристики мощных волоконных лазеров с повышенной выходной мощностью,
• технические моменты, обеспечивающие высокую мощность, такие как работа отдельных лазерных режимов, и характеристические показатели, характеризующие преимущества мощных волоконных лазеров

2. Конфигурация волоконных лазеров

2.1 Базовая конфигурация волоконных лазеров

Волоконный лазер представляет собой лазер, в котором в качестве активной среды используется оптическое волокно, обычно имеющее сердцевину, легированную редкоземельными элементами.

 

На рис. 1 показана принципиальная схема оптической схемы мощного волоконного лазера с сердцевиной волокна, легированной редкоземельными элементами. Свет от лазерного диода накачки проходит через объединитель накачки в активное волокно, чтобы накачивать активный элемент в сердцевине. Электроны накачиваются до энергетического уровня, соответствующего длине волны света накачки, а затем переходят в более низкое метастабильное состояние с более длительным сроком жизни. Если интенсивность света накачки достаточно высока, число электронов в метастабильном состоянии превышает число электронов в основном состоянии — ситуация, известная как инверсия населенности. Спонтанное излучение или переход электронов в основное состояние, вызывающий испускание света (люминесценцию) с длиной волны, соответствующей разности энергий, происходит независимо от инверсии населенности.

Основным активным элементом, используемым в волоконных лазерах для обработки материалов, является иттербий Yb. Этот элемент обеспечивает поглощение света (доступного для накачки) в диапазоне длин волн 900–1000 нм, а флуоресценция, вызывающая лазерную генерацию, лежит в области 1000–1100 нм. Волоконные лазеры применяются для обработки материалов также, как YAG-лазеры, легированные неодимом. По обеим сторонам активного волокна предусмотрены FBG (решетки, сформированные на сердцевинt оптического волокна), которые действуют как зеркала, отражающие свет определенной длины волны. Зеркала сильно и слабо отражающие  составляют лазерный резонатор. Свет с определенной длиной волны, избирательно отражаемый ВБР среди спонтанного излучения, вызывает индуцированное излучение в резонаторе. Таким образом, свет, создаваемый вынужденным излучением, распространяется в резонаторе, отражается обеими ВБР и стимулирует дальнейшее вынужденное излучение. Повторение вынужденного излучения приводит к генерации лазерного излучения с испусканием лазерного света из выхода с низким коэффициентом отражения ВБР.

Помимо оптической схемы, показанной на рис. 1, волоконный лазер содержит драйверы лазерных диодов накачки и источник питания, схему контроллера для регулирования выходной мощности через драйверы лазерных диодов, систему охлаждения лазерных диодов накачки, активное волокно и соединения волокон, а также корпус, содержащий эти компоненты и цепи.

Сокращения, определения, термины

YAG – Yttrium Aluminum Garnet - Алюмо-иттриевый гранат
LD – Laser Diode - Лазерный диод
FBG – Fiber Bragg Grating - Волоконная Брегговская решетка
CW – Continuous Wave - Непрерывная волна
DCF – Double Cladding Fiber - Волокно с двойной оболочкой
NA – Numerical Aperture - Числовая апертура
MOPA – Master Oscillator-Power Amplifier - Задающий генератор-усилитель мощности
BPP – Beam Parameter Product - Качество пучка: произведение радиуса пучка на половину угла расходимости пучка (мм∙мрад)
WPE – Wall Plug Efficiency - Коэффициент преобразования электрической энергии в оптическую

 

2.2 Структура активного оптического волокна

 

 

На рис. 2 показана структура активного волокна с использованием структуры волокна с двойной оболочкой (DCF), важной особенности мощного волоконного лазера, а также волновода накачки и лазерного излучения.

Свет лазерных диодов накачки входит в волокно (внутреннюю оболочку и сердцевину), удерживается и распространяется внутри второй оболочки. Ионы Yb в сердцевине накачиваются светом, проходящим через него, что создает лазерное излучение за счет резонанса, возникающего между FBG. Лазерное излучение удерживается в сердцевине внутеренней (первой) оболочкой и распространяется в сердцевине.
Благодаря большому поперечному сечению первая оболочка DCF может принимать большое количество света накачки от ряда мощных многомодовых лазерных диодов, собранных объединителем (комбайнером) накачки, как показано на рис. 1.

Диаметр сердцевины должен быть достаточно мал, чтобы обеспечить одномодовую генерацию волоконного лазера, как показано на рис. 1. Волокно с двойной оболочкой можно рассматривать как преобразователь мод, который создает сильно сходящийся одномодовый лазерный свет из нескольких менее сходящихся
многомодового излучения от лазерных диодов. Таким образом волокно с двойной оболочкой DCF является важным компонентом мощного волоконного лазера.

2.3 Повышение мощности волоконных лазеров

Графики зависимости мощность/время лазерного излучения в различных режимах работы показаны на рис. 3.

 

Рис. 3. Форма сигнала лазерного излучения при различных режимах работы.

 

Волоконные лазеры, сконфигурированные, как показано на рис. 1, обычно работают либо в непрерывном режиме, когда излучается лазерный пучок постоянной мощности, либо в квази-непрерывном режиме. Режим, при котором выходящий свет модулируется с частотой несколько десятков кГц. Непрерывный лазер используется для макроскопической обработки материалов, такой как резка и сварка.

Основными средствами повышения выходной мощности непрерывного лазера, показанного на рис. 1, являются использование лазерных диодов накачки с более высокой яркостью, более высокой выходной мощностью и малой числовой апертурой (ЧА) и увеличение числа входных объединителей и использование волокон DCF с большим диаметром оболочки, а также объединение выходных лучей более чем одного волоконного лазера с одним резонатором. Комбинация выполняется в компонент волокнного типа, а не в пространство, чтобы использовать особенности волоконного лазера, которые будут описаны в следующем разделе. Объединенный свет является многомодовым, даже если выход однорезонаторных лазеров одномодовый.

Рис. 4. Увеличение мощности за счет объединения лучей
от волоконного лазера с одиночными генераторами.

 

Лазеры для обработки поверхности и микрообработки, такие как маркировка и формирование рисунка, работают в импульсном режиме с высокой пиковой мощностью (рис. 3(b)) для испарения материала путем мгновенного нагрева поверхности. Импульсный лазер характеризуется энергии E единичного импульса или пиковой мощности Ppeak, которые связаны со средней мощностью Pavg, частотой следования импульсов R и эффективной длительностью импульса Δt следующим образом:

E = P_avg / К    (1)

 

P_peak = E / Δt   (2)

Поскольку скорость работы лазерных диодов ограничивает скорость импульсной работы лазеров с базовой конфигурацией, показанной на рис. 1, в импульсных волоконных лазерах обычно используется задающий генератор-усилитель мощности (MOPA), показанный на рис. 5.

Рис. 5. Конфигурация задающего генератора-усилителя мощности (MOPA)

 

Импульсное лазерное излучение, генерируемое задающим генератором (ЗГ), усиливается усилителем мощности (УМ) для получения импульсного лазерного излучения высокой мощности. В задающем генераторе обычно используются лазерные диоды, которые можно напрямую модулировать с высокой скоростью модуляции, или волоконный лазер.

Волоконный лазер, используемый в качестве задающего генератора, имеет оптический переключатель на основе акустооптического или нелинейно-оптического эффекта для модуляции, встроенный в резонатор, показанный на рис. 1.

Конфигурация усилителя мощности, показанная на рис. 6, аналогична рис. 1, но в ней отсутствуют FBG, а в комбайнере накачки имеется механизм введения импульсного излучения в сердцевину волокна, легированного Yb. Оптический изолятор, установленный на выходе УМ, является важным компонентом конфигурации MOPA: он предотвращает повторное попадание света, отраженного от работы, в усилитель мощности. Без этого отраженный свет усиливался бы в УМ и, возможно, возвращался бы в задающий генератор, а при превышении мощности порога разрушал бы детали и волокна, даже из кварцевого стекла.

Рис. 6. Основная конфигурация усилителя мощности

 

3. Характеристики и параметры волоконных лазеров.

Волоконные лазеры, легированные Yb, превосходят традиционные лазеры, использующие твердые тела или газы в качестве активной среды, по многим параметрам, включая мощность, сходимость пучка, энергоэффективность, габариты, стабильность мощности и луча, а также надежность. В этом разделе объясняются характеристические показатели, характеризующие  мощные волоконные лазеры, а также их особенности и преимущества.

3.1 Качество мощного излучения

Качество лазерного луча, излучаемого волоконным лазером, в основном зависит от поперечной моды света из сердцевины, легированной Yb. Соответствующий выбор диаметра сердцевины и разности относительных показателей преломления может уменьшить количество поперечных мод чтобы обеспечить высокое качество волоконных лазеров.

Характеристическим показателем качества лазерного луча является М², который измеряет предел сужения луча по отношению к пределу дифракции.

Рис. 7. Распространение лазерного луча в перетяжке луча.

На рис. 7 показана перетяжка пучка, сфокусированного линзой. M² определяется выражением где ω₀ и ω — размеры пятна идеального гауссова луча и фактического луча, соответственно, в области перетяжки, а θ₀ и θ — углы рассеивания идеального гауссова луча и фактического луча соответственно.

M² = ω * θ / ω₀ * θ₀  = ω₀ * π / λ  (3)

Размер пятна идеального гауссова луча определяется как радиус луча, при котором интенсивность света в 1/e² раз превышает пиковую интенсивность, а размер пятна обычного луча определяется как вторичный момент интенсивности света.

Одномодовый пучок волоконного лазера имеет M² = 1,1, что указывает на то, что пучок может быть сужен примерно до дифракционного предела. Это п используется для микрообработки, маркировки или формирование рисунка. Это также означает более высокую плотность мощности луча на обрабатываемой поверхности, что облегчает обработку алюминия, меди или других материалов, трудно поддающихся обработке обычными лазерами. С другой точки зрения, эта особенность указывает на то, что луч волоконного лазера может иметь меньший угол расходимости, чем лазеры других типов при заданном диаметре пятна, а именно большее фокусное расстояние. Таким образом, волоконные лазеры полезны для удаленной обработки, при которой обработка лучом ведется с удаленного конца лазера через гальваническое зеркало.

Индекс, описывающий возможность конвергенции луча или расширение фокусного расстояния является Beam Parameter Product (BPP), который связан с M² следующим образом:

BPP = π*θ = M² * λ / π (4)

CO₂ лазер  также дает очень хорошее качество луча и может достигать M² = 1. Однако его длина волны 10,6 мкм ограничивает BPP до 3,4 мм·мрад даже при M² = 1. Напротив, одномодовые волоконные лазеры достигают
BPP 0,34 мм.рад и многомодовые волоконные лазеры даже при комбинированном пучке рис. 3 достигают около 2,5 мм·мрад. Таким образом, волоконный лазер обеспечивает лучшие решения, чем CO₂-лазер, с точки зрения фактически полученного диаметра луча.

3.2 Высокая мощность и яркость

В то время как качество луча мощных твердотельных лазеров, включая YAG-лазеры, ухудшается при мощности выше более 100 Вт из-за эффекта тепловой линзы, волоконные лазеры на основе тонкого оптического волокна диаметром в несколько сотен микрометров, так как активная среда может легко охлаждаться и, таким образом, достигает высокой выходной мощности при сохранении качества лазерного луча.

Яркость B, определяемая по уравнению (5), является характеристическим показателем для всего источника света, включая качество луча:

 B = P / π ω² * π θ²  = P / π² BPP² = P / M⁴ λ²   (5)

Как упоминалось в предыдущем разделе, мощность волоконных лазеров можно улучшить во многих отношениях, по сравнению с другими видами лазеров. Яркость B, когда мы рассматриваем свет от лазерного диода накачки в качестве отправной точки на рис. 1 и 3, он не усиливается в комбайнерах, таких как объединитель накачки и выходной сумматор, а только в резонаторе, где используется DCF. Например, яркость мощных волоконных лазеров более чем в 5000 раз больше, чем у лазерных диодов накачки. DCF действует не только как преобразователь мод, но и как эффективный усилитель яркости.

3.3 Высокая эффективность преобразования энергии

Волоконные лазеры имеют очень малые потери излучения накачки и лазера, поскольку они ограничены и направляются в сердцевину волокна с низкими потерями. Лазерные диоды накачки имеют коэффициент преобразования электричества в свет до 40-50%.

Кроме того, высокая квантовая эффективность иттербия в качестве активного элемента приводит к 60-75% эффективности преобразования энергии из света накачки в лазерное излучение. Благодаря этим факторам волоконные лазеры достигают высокой выходной мощности с высокой эффективностью преобразования энергии при сохранении высокого качества луча.

Характеристический показатель общей эффективности лазера Wall Plug Efficiency (WPE) определяется,  как отношение выходной мощности P₀ к мощности P_i, подаваемой на лазерное устройство от источника питания. Для эффективности электрон-электронного преобразования η_EE источника питания и схемы возбуждения лазерного диода, эффективность электронно-фотонного преобразования η_EP лазерного диода накачки, эффективность фотон-фотонного преобразования η_PP резонатора (с учетом потерь в накачке и лазерном излучении), WPE представлено следующим уравнением:

WPE = P₀ / P_i = η_EE * η_EP * η_PP (8)

Для типичного мощного волоконного лазера η_EE, η_EP и η_PP составляет около 0,8, 0,5 и 0,7 соответственно, в результате  WPE составляет 28%, что ясно показывает превосходство волоконных лазеров по эффективности по сравнению с WPE около 10% для CO₂ и YAG-лазеров. Кстати, любая потерянная энергии преобразуется в тепло, поэтому волоконным лазерам нужны механизмы отвода тепла, как и у других типов лазеров.

3.4 Малые габариты и малый вес волоконных лазеров.

Благодаря очень высокой эффективности преобразования энергии и резонатору, состоящему из тонкого волокна и небольших оптических компонентов, мощный волоконный лазер имеет гораздо меньший механизм охлаждения и маломощный источник питания и, следовательно, гораздо меньшие габариты и вес, чем у обычных мощных лазеров. Например, типичный YAG-лазер мощностью 300 Вт имеет объем 0,4 м3 и массу 300 кг, а объем и вес волоконного лазера с такой же выходной мощностью 0,08 м3 и 50 кг соответственно. Кроме того, принудительного воздушного охлаждения достаточно для отвода тепла от волоконного лазера этого класса, который заменяет внешний чиллер и пространство для него.

Аналогично волоконный лазер мощностью 4 кВт объемом 1,2 м3 и массой 650 кг выгодно отличается от СО₂-лазера объемом 2,5 м3 и 1500 кг для одинаковой выходной мощности.

3.5 Высокая стабильность и надежность 

Обычные лазеры нуждаются в линзах и зеркалах для изготовление резонатора и проведение пучка до рабочей точки. Поскольку эти оптические компоненты механически крепятся к корпусам и/или основанию плиты и подвержены смещению из-за вибрации, ударов или перепадов температуры, они требуют регулировка после установки, а также периодическая настройки. Компоненты также могут быть загрязнены или повреждены при длительном использовании и должны быть очищены или периодически заменяться. Напротив, волоконные лазеры, изготовленные из сваренных оптических волокон, не подвержены влиянию вибрации, ударов или изменений температуры и, следовательно, иметь стабильную выходную мощность и качественный пучок. Они практически не требуют обслуживания, поскольку луч не подвергаются воздействию атмосферы.

Мощные лазерные диоды накачки и конструкция системы накачки также способствуют высокой надежности мощного волоконного лазера. Лазерные диоды могут производить накачку  YAG-лазеров и мощные YAG-лазеры
с накачкой лазерными диодами, рассматривались как потенциальные основные инструменты для обработки материалов. Лазерные диоды накачки YAG-лазеров обычно использует многоэмиттерную линейку лазерных диодов, состоящую из чипа, содержащего несколько светоизлучающих элементов.

(а) Матрица лазерных диодов (бар чип) 

 

(b) Одноэмиттерный чип лазерного диода

Рис.8. Чипы лазерных диодов

Поскольку эмиттеры рис. 8. (а) в микросхеме соединены параллельно, выход из строя одного блока приводит к полной потери излучения от чипа. Напротив, в высокомощном волоконном лазере используются чипы лазерных диодов с одним излучателем, состоящие из чипа, содержащего только один светоизлучатель (рис. 8(б)) для его мощных ЛД накачки. Это означает, что дефектные единицы эффективно отбраковываются при индивидуальной проверке, что способствует обеспечению надежности работы мощных сборок накачки ЛД. Кроме того, тепло от излучателя не влияет на другие эмиттеры, что позволяет разделить чип и тепловые конструкции. Это также обеспечивает высокую надежность мощных лазерных диодов накачки. Кроме того, поскольку микросхемы лазерных диодов с одним эмиттером соединены последовательно, при использовании нескольких ЛД накачки или микросхем ЛД, даже в случае, когда чип лазерного диода вышел из строя (например, короткое замыкание), он не влияет на другие. Таким образом, высокая надежность высокомощный волоконного лазера обязана также лазерным диодам.

4. Заключение

В этом отчете описаны основы и особенности волоконных лазеров высокой мощности. Автор надеется, что содержание поможет читателям лучше понять следующие статьи этого номера.

Литература

1. A. Nogee: The Worldwide Market for Lasers-Market Reviewand Forecast 2014, Strategies Unlimited, pp.32, 2014.
2. K. Himeno: “Fiber lasers and their advanced optical technologies of Fujikura”, Fujikura Technical Review no. 42, pp.33-37, 2013
3. ......
4. T. Arai: Fundamental engineering of laser processing (inJapanese), Maruzen Co., Ltd., pp. 129-130, 2007.
5. K. Sumimura and M. Nishiura: Fiber lasers (in Japanese),The Optronics Co., Ltd., p. 133, 2013.

You have no rights to post comments