Fiber Lasers: Design, Beam kvalitet och fördelar

Efter att ha läst den här artikeln kommer du att lära dig om: - 1. Design av Fiber Lasers 2. Beam Quality of Fiber Lasers 3. Effektivitet 4. Fördelar 5. Användningar.

Design av Fiber Lasers:

Fiberlasrar, som inte får förväxlas med fiberlevererade lasrar, där fibern är enbart en optisk leveransmekanism, är solid state-lasrar, i vilka en optisk glasfiber dopad med låga nivåer av ett sällsynt jordartsmedel är löstmediet. Laserdioder används för att pumpa lassmediet för att avge fotoner med en våglängd som är specifik för det sällsynta jordartselementet som används som dopningselement. Ytterbium (Yb) används vanligtvis för högeffektsfibrerlaserna, och det avger en våglängdsstråle som är ungefär densamma som gjord av Nd: YAG-lasrar, dvs mellan 1, 060 och 1, 085 mikron.

Den dopade fibern är innesluten i ett material med lågt brytningsindex som fungerar som en vågledare för pumpljuset och säkerställer en optimal överföring till lassmediet. Diffraktionsgaller används som backspegel och utgångskopplare för att bilda laserresonatorn, dvs laserhålan.

Detta resulterar i bildandet av en lång tunn laser som är mycket kompakt på grund av flexibiliteten hos den uppspolade optiska fibern. Med lämplig strålformning och fokuseringsoptik vid sin ände är det möjligt att använda lassfibern också som strålningsleveransfiber. Frikoppling av stråleavgivningsfibern från lasningsfibern är dock föredragen för lasrar som används för svetsning för att skydda dem från de oönskade reflektionerna från arbetsstyckets yta.

För närvarande är upp till 700 W enkelmodiga fiberlasermoduler kommersiellt tillgängliga. För att uppnå multikilowatt utgångseffekt lämpad för djupt penetrerande nyckelhålsvetsning av metaller kombineras utsignalerna från en serie av dessa kommersiellt tillgängliga enkeldataenheter i en enkelfiberutgång, såsom visas i fig 14.44 för en 7 kW fiberlaser.

Denna strålkombinationsteknik är proprietär till lasertillverkaren men reducerar strålkvaliteten. Reduktion i strålkvaliteten är emellertid relativt liten och den resulterande strålen har fortfarande egenskaper som är lämpliga för överföring genom optiska fibrer med liten diameter och lämplig för användning vid svetsning.

Beamkvalitet av fiberlaser:

Strålkvaliteten definieras som förhållandet mellan strålbredden och divergensvinkelprodukten av den aktuella strålen till det som förväntas för en perfekt stråle för vilken formen av förökning är en hyperbola. Strålkvaliteten hos en solid state-laser, ofta refererad till som strålparameterprodukt (BPP), är generellt citerad i mm. milliradians (mm. m rad.) med lågt värde som indikerar en strålkvalitet.

Breddkvalitet kan uttryckas med antingen hel- eller halvstrålediameter och divergensvinklar. Enligt ISO-standarden för laserstrålkastning anges dock strålkvaliteten i form av halvstrålediameter och halvdivergensvinkel.

En strålkvalitet betyder att strålen kan fokuseras i en optisk fiber med liten diameter. Detta leder till en mindre minsta diameter av midjemåttet eller ett större avståndsvärde. Laserhuvudet placerar fiberns ände på arbetsstycket. Den divergerande laserstrålen som lämnar fibern sammankopplas först (dvs görs parallell) innan den är inriktad mot en minsta midjediameter som även kallas laserpunkten.

Effektdensiteten som är tillgänglig för en given utgångseffekt bestäms av förhållandet mellan brännviddarna hos kollimerings- och fokuseringslinserna och förhållandet mellan diametrarna för strålningsavgivningsfibern och laserstrålens punktstorlek.

Stand-off-avståndet, dvs avståndet mellan fokuseringslinsen och arbetsstyckets yta, ska vara tillräckligt lång så att spetsen från svetsprocessen inte kommer att skada bearbetningsoptiken. Ju större stand-off-avståndet desto större är fokuseringsdjupet, vilket är ett mått på hur avvikande strålen förblir över ett givet avstånd. Således kan en högre strålekvalitet ge högre strömtäthet vid strålfokus eller ett större avståndsvärde / större skärpedjup, som båda påverkar svetsytan.

För närvarande Yb-fiber laser med en kapacitet på upp till 17 kW med en BPP på cirka 12 mm. m rad. är i bruk i branschen.

Effekt Effektivitet Fiber Lasers:

Den långa tunna fibergeometrin möjliggör effektiv kylning och är sålunda idealisk för att minimera termiska effekter av pumpning av lasern. Det och den inneboende höga förstärkningen av fiberlaserkällan resulterar i en hög effektomvandlingseffektivitet, vilket är förhållandet mellan optisk effekt som är tillgänglig vid arbetsstycket och den elektriska förbrukningen och som citeras vara mellan 20 och 30%.

Detta är väsentligt högre än effektomvandlingseffektiviteten på omkring 8% respektive 3% för respektive CO ₂ respektive lamppumpade Nd: YAG-lasrar. Detta resulterar i lägre effektbehov både för att köra laser och dess kylsystem. I detta sammanhang kan det vara känt att luftkylning är tillräcklig för Yb-fiberlaser upp till 2 KW medan de högre utgående fiberlaserna kräver vattenkylning.

Fördelar med fiberlaser:

Följande är några av de främsta fördelarna med fiberlaser över andra populära och väl etablerade lasersystem inom tillverkningsindustrin:

1. Eftersom lassfibern kan spolas och inga skrymmande delar krävs, är fotavtrycket (dvs det utrymme som krävs för installation) av fiberlasern betydligt mindre än de för det nuvarande populära CO ₂ och Nd: YAG-lasersystemen.

2. Det är en enkel och kompakt design så att den kan installeras på bara några timmar.

3. Hög tillförlitlighet Den kan köras i 100 000 timmar före underhåll / fel på laserdiodpumparna.

4. Kostnaden / kW av Yb-fiberlaser är jämförbar med den för en lamppumpad Nd: YAG-laserkälla.

5. På grund av extremt liten svetspool producerad av Yb-fiber laserstråle är de producerade svetsarna mycket smala, vilka inte är benägna att centrera krackning eller porer.

Användningar av Fiber Lasers:

Särskilt fordonsindustrin är den största användaren av laserstrålteknik, inklusive Yb-fiberlaser. Högfibrerlaser används också för en svetsprocess för allt läge för rörledningsstål upp till 16 mm tjockt. Svetshastigheter upp till 2, 2 m / min har rapporterats användas för all positionssvetsning av 11, 2 mm tjockt pipeline stål med strålkraft vid arbetsstycket på 2 kW.