ITBG20090067A1 - Sistema laser per la marcatura di materiali metallici e non metallici. - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto d’invenzione avente per titolo: “Sistema laser per la marcatura di materiali metallici e non metallici

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sistema laser per la marcatura di materiali metallici e non metallici e ad un metodo per variare la durata di impulsi ottici in sistemi laser. In particolare, si riferisce ad un sistema laser per la marcatura di materiali metallici e non metallici in fibra a stato solido.

Il settore della marcatura industriale mediante laser risulta in notevole espansione a seguito della possibilità di marcatura di materiali metallici e non metallici con tecniche quali l’asportazione superficiale o profonda del materiale oppure mediante il viraggio di colore del materiale stesso. In questo settore sono tradizionalmente usati laser a stato solido eccitati da diodi laser (Diode-Pumped Solid-State, o DPSS), con potenze medie generalmente inferiori a 100 W e funzionanti a impulsi ripetitivi di luce ottenuti mediante la così detta tecnica del Q-switching. Il fascio laser, prodotto dai diodi, è quindi inviato, mediante opportuna ottica di collimazione, al piano di lavoro. Questo trasferimento può avvenire in due modi: movimentando il fascio laser sul un campione fisso tramite un sistema di specchi galvanometrici, oppure movimentando il campione tramite un sistema di assi x-y-z su un fascio laser fisso. La sorgente laser DPSS, è tipicamente costituita da componenti ottici discreti quali: specchi, cristalli, lenti e prismi. Un diodo laser per l’eccitazione, detto anche diodo di pompa di potenza, eccita un cristallo ottico opportunamente drogato. Quando all’interno del cristallo avviene l’inversione di popolazione, si genera una radiazione elettromagnetica coerente e monocromatica alla lunghezza d’onda che corrisponde alla transizione di emissione del cristallo drogato. Questa radiazione viene amplificata all’interno della cavità laser risonante delimitata da due specchi: uno specchio attraverso cui viene inviato il fascio di pompa sul cristallo, noto come High Riflection Mirror (HR) e uno specchio d’uscita Output Coupler (OC) dando così origine alla radiazione laser. La deconvoluzione dello spettro di emissione del cristallo con le bande riflettenti e passanti dei suddetti specchi produce una radiazione altamente monocromatica (< 0,1 nm). Un modulatore acusto-ottico, cioè basato sull’interazione suono-luce, posto all’interno della cavità produce un segnale pulsato dando origine al Q-Switching. Questa soluzione presenta però alcuni problemi.

E’ noto che i laser DPSS soffrono del problema della focale termica che induce una variazione della qualità del modo laser in funzione dell’intensità del diodo di pompa con cui il cristallo del materiale attivo viene irraggiato. Di conseguenza: la qualità del fascio d'uscita, e quindi la qualità della marcatura industriale dipende dalla potenza di uscita. Inoltre la qualità del fascio laser (noto come Beam Quality Parameter, M<2>) dipende dalla lunghezza ottica del risonatore stesso, definita come la distanza tra gli specchi HR ed OC. Cioè variando la lunghezza ottica, la qualità del fascio cambia. Anche la durata temporale degli impulsi dipende da tale lunghezza. E' possibile definire la durata temporale dell'impulso laser variando la suddetta lunghezza. Aumentando tale lunghezza la durante temporale degli impulsi cresce. Tale variazione non è libera, ma è vincolata dai parametri di stabilità del laser che a loro volta sono dipendenti dalle proprietà ottiche degli specchi OC ed HR e dalla lunghezza della focale termica. Ma, qualora si ottenga una cavità laser stabile, tale da garantire impulsi di lunga durata, si deve affrontare il problema della stabilità ottica (allineamento ottico) della cavità stessa. Possiamo concludere che non è possibile, con la tecnologia DPSS, ottenere una sorgente laser con durata degli impulsi lunghi e contemporaneamente alta qualità modale. Inoltre, l’affidabilità della sorgente laser è ridotta in quanto essa è costituita da elementi discreti ed il costo dell’intero sistema è relativamente elevato e poco comprimibile, poiché il costo dei componenti discreti non risulta ulteriormente riducibile, non essendo questi componenti soggetti a produzione di massa.

In ambito delle lavorazioni industriali, risulta necessario tenere la sorgente laser DPSS vicina al piano di lavorazione, in un unico sistema relativamente ingombrante, poiché il trasferimento del fascio dal laser al piano avviene per propagazione nello spazio libero. Una tecnologia alternativa, a quella di cui sopra, riguarda l’uso di laser in fibra impulsati. In una configurazione particolarmente comune, il laser è costituito da un oscillatore che pompa un amplificatore di potenza, ambedue interamente in fibra ottica. In questa architettura la generazione della lunghezza d’onda laser non avviene pompando un cristallo ottico, come nella tecnologia DPSS, ma una fibra ottica, detta fibra attiva, opportunamente drogata con terre rare. Vi sono due tipologie di architetture di laser in fibra che permettono la produzione di fasci laser pulsati. La prima prevede un diodo seeder di bassa potenza (qualche decina di mW) il cui segnale, elettronicamente impulsato, deve essere più volte amplificato per raggiungere un sufficiente valore di potenza. Nella seconda tipologia il fascio laser, emergente sempre da un diodo di bassa potenza, viene impulsato tramite un Q-Switch, connesso con la fibra. Il fascio in uscita da questa catena viene convogliato, mediante un’ulteriore fibra, al piano di lavorazione, garantendo, la remotizzazione del fascio laser. Paragonato con il laser DPSS, il laser in fibra presenta indubbi vantaggi. La qualità del fascio e di conseguenza della marcatura è indipendente dalla potenza di uscita e dalla cadenza di ripetizione cioè il laser in fibra è indipendente dall’effetto della lente termica. L’elevata qualità del fascio laser (M<2>» 1 ) è indipendente dalla potenza laser, a differenza dei laser DPSS, ed è stabilita dalla mono modalità stessa della fibra.

Vengono utilizzati componenti in fibra ottica già disponibili, a costo relativamente contenuto, poiché di larga diffusione in quanto provenienti dal mondo delle telecomunicazioni. Vi è una maggiore affidabilità della sorgente, poiché il fascio laser si propaga sempre in fibra ottica e non sono coinvolte ottiche discrete come nei DPSS. Infine, la sorgente può essere remotizzata rispetto al piano di lavoro, essendo il fascio convogliato verso di esso direttamente dalla fibra ottica, mentre nei DPSS la propagazione del fascio al piano di lavorazione avviene in aria. Va tuttavia osservato che quest'ultima soluzione presenta anche indubbi svantaggi o problemi. L’intensità e la forma dell’impulso laser emergente da un laser in fibra risulta fortemente condizionata dai fenomeni non lineari quali: Scattering, come Stimulated Brillouin Scattering (SBS), Photodarkening, Amplifed Spontaneus Emission (ASE), che avvengono nella fibra ottica e, principalmente, nell’oscillatore, fenomeni che sono del tutto assenti nei laser DPSS in quanto la radiazione laser viene prodotta in un cristallo. In particolare i fenomeni di scattering, quale Stimulated Brillouin Scattering, competono fortemente con l'efficienza laser dando origine a pre e post impulsi che vengono amplificati nella catena di amplificazione successive riducendo l'efficienza del laser e producendo segnali che possono contropropagare nella catena del laser in fibra andando ad impattare e danneggiare elementi sensibili quali i diodi di pompa. Non è possibile compensare tale perdita di efficienza aumentando la lunghezza della fibra in quando l’intensità dello Stimulated Brillouin Scattering dipende proprio da questo parametro. Tutti i fenomeni non lineari sono tanto più probabili quanto più è lunga la fibra attiva come ad esempio nell’architettura laser in fibra composta da più stadi di amplificazione.

Inoltre, l’architettura laser in fibra che prevede l’utilizzo del Q-Switch è complicata dall’esigenza di lanciare il segnale emergente dalla fibra nel Q-Switch e successivamente di raccoglierlo nella fibra stessa. Questo tipo di architettura prevede un complesso design ottico che ha come obiettivo di garantire la massima efficienza di lancio e di raccolta nella fibra monomodale. Tale complessità è inesistente in una cavità DPSS poiché il Q-Switch deve essere proporzionato esclusivamente alla dimensione del modo laser. La luce in uscita non è polarizzata linearmente, come succede in alcuni laser DPSS, il che impedisce una possibile ed efficace duplicazione in frequenza del fascio d’uscita, particolarmente utile nel caso delle microlavorazioni, quali la formazione di celle solari. Inoltre tale radiazione presenta una larghezza spettrale superiore al nanometro (FWHM Full Width at Half Maximum) non adatta per la conversione in armonica cosa invece possibile con la radiazione laser emessa da una sorgente DPSS.

Scopo della presente invenzione è quello di provvedere ad un sistema laser per la marcatura di materiali metallici e non metallici in grado di ovviare agli inconvenienti dell’architettura DPSSL e dei laser in fibra contemporaneamente.

In accordo con la presente invenzione, tali scopi ed altri ancora vengono raggiunti da un sistema laser per la marcatura di materiali metallici e non metallici comprendente un oscillatore laser, caratterizzato dal fatto che detto oscillatore laser comprende: un mezzo ottico attivo del tipo a cristallo laser; un laser di pompa per fornire una energia di pompa a detto mezzo ottico attivo; uno specchio posto a monte di detto mezzo ottico attivo; un interruttore ottico, atto a fornire un fascio laser impulsato, posto a valle di detto mezzo ottico attivo; un adattatore di modo accoppiato a detto interruttore ottico; una fibra ottica a singolo modo di lunghezza predefinita, accoppiata a detto adattatore di modo; un riflettore di tipo Bragg Grating accoppiato a detta fibra ottica, ed eventualmente, un cristallo non lineare per la duplicazione in frequenza.

Tali scopi vengono anche raggiunti da un oscillatore laser comprendente un mezzo ottico attivo del tipo a cristallo laser; un laser di pompa per fornire una energia di pompa a detto mezzo ottico attivo; uno specchio posto a monte di detto mezzo ottico attivo; un interruttore ottico, atto a fornire un fascio laser impulsato, posto a valle di detto mezzo ottico attivo; una fibra ottica di lunghezza predefinita, accoppiata a detto interruttore ottico; un riflettore di tipo Bragg Grating accoppiato a detta fibra ottica.

Tali scopi vengono inoltre raggiunti da un metodo per variare la durata di impulsi ottici in un sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendente la fase di variare la lunghezza di detta fibra ottica.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.

L’oggetto di questa invenzione è un sistema laser per le lavorazioni industriali, quali la marcatura, costituto da un oscillatore, di dimensioni estremamente ridotte, basato su di un cristallo ottico come mezzo attivo, utilizza un Q-Switch, una fibra monomomodale comprensiva di uno specchio di uscita del tipo Bragg Grating, ed è seguito da un amplificatore tutto in fibra.

A sua volta il fascio ottico viene convogliato mediante fibra, che permette il trasporto del fascio laser direttamente sul piano di lavorazione. Qui la fibra è connessa a una testa di marcatura che può prevedere una testa galvanometrica (il fascio viene movimentato tramite specchi galvanometrici sul campione che deve essere lavorato fisso) o un plotter (il fascio laser è fisso e un sistema motorizzato prevede alla movimentazione mono-bi o tridimensionale del campione). In questa invenzione l'oscillatore praticamente è indipendente dall’effetto della lente termica e produce impulsi, esenti da fenomeni non lineari che quindi possono essere efficientemente amplificati nell’amplificatore producendo un impulso laser con elevata qualità modale.

Gli elementi salienti di questa invenzione sono diversi.

Un laser ibrido basato su tecnologia DPSS e laser in fibra, cioè un laser in fibra a stato solido, che supera i limiti di ambedue le architetture giungendo ad una struttura di laser innovativa.

Un oscillatore basato su un cristallo attivo e un modulatore acusto-ottico che produce impulsi sostanzialmente esenti da fenomeni non lineari in quanto la generazione del segnale non avviene in fibra ma nel cristallo.

Un oscillatore otticamente disegnato in modo da raggiungere un efficiente “mode matching” tra il modo del mezzo attivo e il modo della fibra e ridotte dimensioni meccaniche garantendo stabilità meccanica/ottica e termica.

Un oscillatore avente uno specchio HR discreto, tipico dell’architettura DPSS e uno specchio OC in fibra e cioè un Fiber Bragg Grating, tipico dell’architettura laser in fibra. In questa invenzione il Fiber Bragg Grating non ha il compito di definire la lunghezza d'onda della radiazione laser, perché la lunghezza d’onda di emissione è definita principalmente dalla stretta banda di emissione del materiale attivo (< 0,1 nm).

Un oscillatore, che sebbene basato su un cristallo attivo, ha un modo pompato che è invariante nella fibra garantendo che esso sia insensibile alla focale termica in quanto lo specchio OC è un Fiber Bragg Grating.

Un oscillatore che produce un impulso laser la cui durata temporale dipende dalla lunghezza della fibra, quindi selezionabile in base alle esigenze della lavorazione industriale, variando esclusivamente, la lunghezza di questa fibra senza alterare le dimensioni fisiche dell’oscillatore, senza la necessità di una complessa elettronica di controllo, e mantenendo sempre un’elevata qualità modale del fascio in quanto propagante nella fibra. Cioè un oscillatore che produce impulsi laser della durata temporale voluta in tutti i casi con eccellente qualità del fascio.

Un oscillatore laser in cui è possibile introdurre cristalli non lineari che permettano di realizzare il fenomeno della generazione di armoniche.

Un’amplificazione di semplice configurazione che può amplificare il segnale emergente dall'oscillatore senza limiti dettati dalla presenza di fenomeni non lineari poiché la radiazione laser non è prodotta in fibra ma in un cristallo.

Un sistema laser con qualità del fascio laser sempre ideale (M<2>=1 ), indipendentemente dalla potenza di uscita e dalla cadenza di ripetizione.

Un sistema laser che produce impulsi laser di elevata potenza di picco, spettralmente limitati, in ragione della stretta banda di emissione del materiale attivo utilizzato (< 0,1 nm), quindi adatti alla duplicazione in armoniche per la produzione di laser duplicati in frequenza anche considerando che il sistema laser produce segnali di luce polarizzati linearmente.

Un sistema laser modulare in cui diodo di pompa, oscillatore, amplificatore, ed il sistema di trasporto del fascio ottico, sono connessi tramiti connettori di potenza e quindi facilmente intercambiabile senza dover intervenire su un allineamento del sistema.

Un sistema laser che permette di essere interfacciato con un sistema di scansione del fascio su campione di lavorazione fisso o viceversa.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la figura 1 mostra schematicamente un oscillatore laser in accordo alla presente invenzione;

la figura 2 mostra schematicamente un oscillatore laser connesso ad un amplificatore ottico, in accordo alla presente invenzione;

la figura 3 mostra schematicamente un oscillatore laser connesso ad un amplificatore ottico a sua volta connesso, tramite una fibra ottica, ad una testa di marcatura composta o da una testa di scansione galvanometrica o da un plotter, in accordo alla presente invenzione.

Riferendosi alle figure allegate, un oscillatore laser 1 , in accordo alla presente invenzione, comprende una sorgente di pompa 10, connessa ad una fibra ottica multimodo 1 1 che fornisce un laser di pompa ad una ottica di collimazione e focalizzazione 12 e quindi ad un mezzo attivo 13, che si trovano posizionati lungo un asse detto di pompaggio.

La sorgente di pompa 10 è costituita da un singolo emettitore a 808 nm di potenza massima 8 W operante in regime continuo termicamente stabilizzato. La radiazione elettromagnetica è inviata all’ottica di collimazione e focalizzazione 12 tramite una fibra multimodo 1 1 con core 200 pm avete apertura numerica 0,22. La connessione tra la fibra 1 1 e l’ottica 12 avviene tramite un connettore industriale che permette una rapida sostituzione del diodo stesso senza dover intervenire nella sezione interna deN’oscillatore. Ovviamente la potenza massima della sorgente di pompa 10 è scelta in base al livello di potenza che si vuole che l’oscillatore 1 produca.

L’ottica di collimazione e focalizzazione 12 è costituita da due lenti in grado, rispettivamente, di collimare e focalizzare il fascio proveniente dalla fibra 11 nel cristallo del mezzo attivo 13 garantendo un modo di pompa, ωρ, di 200 pm. Il laser di pompa entra nel mezzo attivo 13 attraverso uno specchio 14, detto specchio High Refletion (HR), dotato di un rivestimento dielettrico altamente riflettente (tipicamente 99%) alla lunghezza d'onda laser (1064nm), sulla faccia rivolta verso l'interno del mezzo attivo 13 e con rivestimenti dielettrici antiriflesso alla lunghezza d'onda di pompaggio di 808nm, su entrambe le facce. La distanza tra lo specchio 14 HR ed il cristallo 13 del mezzo attivo è di 3 mm.

Come mezzo attivo 13 è preferibilmente usato un cristallo di Ortovanadato di Ittrio drogato con Neodimio (Nd:YV04) con un coefficiente di assorbimento di a=12,45 cm<'1>. L’uso di questo tipo di cristallo garantisce un fascio polarizzato. In alternativa sono possibili altri tipi di cristalli da usare come mezzi attivi, come ad esempio Yb:YV04 che manifesta una banda di assorbimento ampia tale da assorbire fluttuazioni, dovute ad instabilità termica, della radiazione di pompa. E’ noto all’esperto del settore che la variazione del tipo di materiale attivo comporta la variazione della lunghezza d’onda di emissione del sistema di pompa (10).

La lunghezza del cristallo è fissato a 0,8 cm così da garantire un completo assorbimento del diodo di pompa in tutta la lunghezza del cristallo stesso.

Il mezzo attivo 13 sotto l'azione del fascio laser di pompa genera un modo laser 15, avente raggio ω0=400 μιη, inviato, ad un modulatore acusto ottico attivo 16, che è un cristallo di Quarzo, ossia un Q-switch, che si comporta come attenuatore variabile controllato elettronicamente, da un circuito non mostrato. Un onda acustica propagante trasversalmente nel cristallo genera periodicità, quindi questa onda piana provoca una rifrazione della luce se è soddisfatta la condizione di Bragg. In alternativa, il modulatore 16 può essere di tipo elettro ottico.

In questo modo tale dispositivo è in grado generare fasci laser pulsati e di estinguere completamente la radiazione laser per un certo intervallo di tempo.

Il modo laser 15 prosegue, in sequenza, verso un sistema di focalizzazione 17, e un adattatore ottico di modo 18 che è connesso con una fibra singolo modo 19, di lunghezza predefinita. Qui il modo laser, generato nel cristallo 13 passa dalla propagazione in aria alla propagazione confinata in fibra.

Al termine della fibra 19 e preferibilmente realizzato all'interno della stessa è posto un riflettore 20, del tipo Fiber Bragg Grating (FBG) cioè un reticolo di Bragg. Esso ha la funzione di uno specchio d'uscita di tipo Output Coupler (OC).

Tramite una giunzione alla fibra 19 è connesso un connettore ottico 21.

Il sistema di focalizzazione 17 è costituito da una lente con elevata efficienza di trasmissione a 1064 nm, montata su di un dispositivo che ne permette un allineamento in x-y-z e θχ, 0y. La lunghezza focale, f, di questa lente è di 25 mm in modo tale da produrre nell’adattatore 18 un modo di raggio u)f= 30 pm.

L’adattatore 18, avente un raggio di ingresso pari a 35 pm, permette di convogliare il modo laser focalizzato dalla lente 17 nella fibra 19 singolo modo. Esso può essere schematizzato come un imbuto che mantiene la brillanza del fascio.

L'adattatore 18 è preferibilmente un mode adapter ma può anche essere utilizzata una ball lens.

La fibra ottica 19 (core = 6 ± 0,3 pm e cladding = 125 ± 0,5 pm) è una fibra singolo modo con Mode-Field di 2,95 pm ed un’attenuazione massima di 1.5dB/Km. Essa ha un V-number = 2.4, quindi è singolo modo. Essa permette di convertire il modo di cavità in un fascio a singolo modo.

La distanza tra cristallo attivo 13 e lente di focalizzazione 17 e la lunghezza focale della lente 17 sono stati studiati in modo tale da accoppiare il modo laser con il modo della fibra con la massima efficienza.

Al fine di ridurre le perdite di cavità la superficie dell’adattatore ottico 18 ha una lavorazione antiriflesso a 1064nm.

La percentuale di riflettività a 1064nm del riflettore 20 (50%-60%) è scelta in modo tale da ridurre le perdite di potenza neH’oscillatore ed abbassare la potenza di soglia del laser.

Il connettore ottico 21 è un comune connettore FC/PC per fibre utilizzato per il collegamento al successivo amplificatore. L’utilizzo di questo connettore permette di intercambiare l'oscillatore con l'amplificatore e vice versa senza dover intervenire sul entrambi i sistemi singolarmente. Tutta la sequenza di componenti in fibra (da 18 a 20) sono preferibilmente realizzati sulla stessa fibra in modo tale da evitare connessioni e quindi perdite per connessione.

Le misure spettrali mostrano l’assenza di Amplifed Spontaneous Emission. Per questo motivo tra l’oscillatore 1 e l’amplificatore 2 non viene introdotto nessun filtro ASE.

L’oscillatore 1 fornisce quindi un fascio laser alla lunghezza d’onda di 1064 nm e larghezza spettrale 0.1 nm, di potenza di 500mW, con una frequenza di ripetizione degli impulsi di 20 kHz, ed una durata degli impulsi che possono variare da 50 a 350 ns, selezionabili esclusivamente variando la lunghezza della fibra 19 presente nell’oscillatore, tra 0,1 m e 5 m. In particolare, utilizzando una fibra di lunghezza 30 cm si ottengono tipicamente impulsi della durata di 80 ns con frequenza di ripetizione 20 kHz e potenza media di uscita di 400 mW. Con una fibra di lunghezza 60 cm si ottengono tipicamente impulsi della durata di 100 ns, e con una fibra di lunghezza 150 cm si ottengono tipicamente impulsi della durata di 190 ns.

La distanza compresa tra lo specchio 14 ed il riflettore 20, definisce la lunghezza della cavità deH'oscillatore laser 1 , e quindi la durata degli impulsi.

Il riflettore 20 non è utilizzato per definire la lunghezza d’onda del laser in quanto essa è definita dalle proprietà spettrali del cristallo attivo 13.

La distanza tra lo specchio 14 e la lente di focalizzazione 17 in un esempio di realizzazione, è pari a 183 mm, e la lunghezza della fibra varia tra 0,1 m e 5 m. Quindi tale distanza si può ritenere trascurabile rispetto alla lunghezza della fibra, e la larghezza degli impulsi è sostanzialmente definita dalla lunghezza della fibra 19.

La lunghezza della fibra 19 è quindi il parametro che viene variato per selezionare la durata temporale degli impulsi.

In una variante dell’oscillatore 1 sopra descritto è possibile realizzare la duplicazione intracavity introducendo nella cavità laser un cristallo non lineare ed uno specchio dicroico con un angolo di incidenza di 0°. In questo modo è possibile produrre radiazione laser visibile (ad esempio 532nm). Il cristallo non lineare permette la duplicazione in frequenza della radiazione a 1064nm, mentre lo specchio dicroico permette di delimitare la cavità della frequenza duplicata. Le proprietà di questo specchio sono AR alla lunghezza d’onda di 1064nm e HR alla lunghezza d’onda di 532nm e il cristallo è un Cristallo LithiumBoratOxdide (LBO) di Tipo: Type I cioè 1064. 0(o) 1064. 0(o) = 532.0(e). Il Fiber Bragg Grating deve essere HR alla lunghezza d’onda 1064nm e AR alla lunghezza d’onda 532nm. Il cristallo viene mantenuto alla temperatura migliore per massimizzare l’efficienza di conversione. Lo specchio dicroico viene allineato in modo tale da lanciare il fascio a 532 nm prodotto nella fibra 18 sempre tramite la lente 17. Ovviamente la fibra 19 singolo modo deve essere un fibra adatta alla trasmissione delle radiazione a 532nm cioè ad esempio priva di Germanio. Noto questo esempio, appare chiaro che l’introduzione di ulteriori cristalli permette la realizzazione di ulteriori ordini di armoniche.

Un amplificatore 2 è connesso all’oscillatore 1 , tramite il connettore 21. L’amplificatore 2 comprende, in successione, dopo il connettore 21 , un isolatore ottico 30, un adattatore ottico monomodale 31 , seguito da una fibra attiva 32 e quindi un combinatore 33. L’amplificatore comprende esclusivamente componenti in fibra.

Dall’elemento 21 all'elemento 31 la fibra ha delle specifiche identiche alla fibra 19 presente nell’oscillatore.

L’isolatore ottico 30 è un componente integrato in fibra che viene connesso tramite giunzioni alla fibra dell’amplificatore. Esso ha un grado di isolamento di 30dB, e permette di far propagare la radiazione a 1064 nm esclusivamente nella direzione oscillatoreamplificatore.

L’adattatore ottico 31 funge da imbuto inverso rispetto all’adattatore 18. Infatti la dimensione del core della fibra passa da 6 pm (diametro) ad una di 25 pm (diametro). Considerando che la dimensione del cladding della fibra 19 è di 125 pm, al fine di conservare la brillanza, la fibra attiva 32 è una “Large Mode Area Ytterbium Doped Fiber” con un coefficiente di assorbimento a 940 nm di 1 ,7dB/m dimensioni di core e cladding rispettivamente 25 pm e 400 pm.

Di conseguenza per produrre un amplificatore di 10dB-20dB, considerando opportunamente tutte le varie fonti di perdita, la lunghezza della fibra attiva 32 è 5-12 m. La fibra attiva 32 viene pompata da una batteria di diodi 34.

La batteria di diodi 34 è composta da 6 singoli emettitori di potenza 8W a 940 nm connessi, ognuno, con una fibra di core e cladding rispettivamente di 105 pm e 125 pm, combinati tra loro mediante un combinatore.

I diodi 34 emettono radiazione a 940nm poiché la fibra attiva 32 ha un’ampia banda di assorbimento a 940 nm. La fibra 32 ha una sezione d’urto pressoché costante tra 920 nm a 960 nm, quindi una variazione di lunghezza d’onda di emissione dei diodi 34 dovuti a effetti termici (tipicamente 0,3nm/K) e non ha effetti nell’assorbimento della fibra 32. Lo sviluppo di nuove tipologie di fibre permetterà di migliorare sempre di più l’efficienza dell’amplificatore, permettendo così di ridurre il numero di diodi presenti in 34.

Al combinatore 33 giunge il laser di pompa generato dalla pompa 34 a 940 nm, ed fornisce il raggio laser, ricevuto dall’oscillatore 1 , amplificato, ad un connettore 35.

La fibra attiva 32 è connessa alla fibra passiva del combinatore 33 tramite una giunzione. L’efficienza di accoppiamento è massima in quanto di stratta di fibra attiva/passiva con le stesse proprietà.

Tramite il connettore 35 l’amplificatore è connesso al sistema di trasporto del fascio ottico. Il sistema di trasporto del fascio ottico permette la remotizzazione del fascio. Esso è composto da una fibra 38 di lunghezza variabile da 1 m a 10 m con cladding da 400 pm rivestita con una guaina industriale in grado di subire curvature e pressioni senza che la fibra interna venga danneggiata. La fibra 38 è connessa ad una testa di marcatura 3 tramite un isolatore ottico, non mostrato.

L'isolatore ottico è direttamente connesso con un collimatore ottico (non mostrato) che permette di collimare il fascio emergente dal sistema laser. L’isolatore ottico agisce come soppressore di retro riflessioni e scattering che possono provenire dal campione in lavorazione. La sua efficienza di trasmissione è superiore al 90% con un livello di isolamento > 30dB.

La testa di marcatura 3 può prevedere la movimentazione del fascio tramite due specchi galvanometrici oppure la movimentazione del campione tramite un plotter. Nel primo caso il fascio laser viene movimentato su di un campione fermo nel secondo caso si ha il viceversa. E’ possibile sostituire la testa di marcatura 3 con un sistema ottico di focalizzazione opportunamente studiato in grado di focalizzare il fascio emergente dalla fibra 38 su di un campione mosso tramite un plotter.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema laser per la marcatura di materiali metallici e non metallici comprendente un oscillatore laser, caratterizzato dal fatto che detto oscillatore laser comprende: un mezzo ottico attivo del tipo a cristallo laser; un laser di pompa per fornire una energia di pompa a detto mezzo ottico attivo; uno specchio posto a monte di detto mezzo ottico attivo; un interruttore ottico, atto a fornire un fascio laser impulsato, posto a valle di detto mezzo ottico attivo; un adattatore di modo accoppiato a detto interruttore ottico; una fibra ottica a singolo modo di lunghezza predefinita, accoppiata a detto adattatore di modo; un riflettore di tipo Bragg Grating accoppiato a detta fibra ottica.
2. 2. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto primo specchio e detto riflettore delimitano la cavità di detto oscillatore laser e la lunghezza di detta fibra ottica determina la durata degli impulsi di detto fascio laser impulsato.
3. 3. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto interruttore ottico comprende un modulatore acusto ottico.
4. 4. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere un amplificatore ottico in fibra accoppiato a detto oscillatore laser ed un isolatore ottico posto tra detto oscillatore laser e detto amplificatore.
5. 5. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto laser di pompa è un laser a semiconduttore.
6. 6. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere una lente di focalizzazione di detto fascio laser impulsato per accoppiare detto fascio laser impulsato all’ingresso di detta fibra ottica.
7. 7. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto mezzo ottico attivo comprende un cristallo di Ortovanadato di Ittrio drogato con Neodimio.
8. 8. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere una seconda fibra ottica all’uscita di detto amplificatore per fornire un fascio laser ad una testa laser per la marcatura di materiali metallici e non metallici.
9. 9. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto sistema fornisce alla sua uscita un fascio laser a singolo modo polarizzato.
10. 10. Oscillatore laser comprendente un mezzo ottico attivo del tipo a cristallo laser; un laser di pompa per fornire una energia di pompa a detto mezzo ottico attivo; uno specchio posto a monte di detto mezzo ottico attivo; un interruttore ottico, atto a fornire un fascio laser impulsato, posto a valle di detto mezzo ottico attivo; una fibra ottica di lunghezza predefinita, accoppiata a detto interruttore ottico; un riflettore di tipo Bragg Grating accoppiato a detta fibra ottica.
11. 11. Metodo per variare la durata di impulsi ottici in un sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendente la fase di variare la lunghezza di detta fibra ottica.
12. 12. Sistema laser in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente un cristallo non lineare ed uno specchio dicroico in modo tale da produrre l’effetto della duplicazione di armonica.