RO131354A2 - Laser cu fibră optică, adaptabil pentru aplicaţii de prelucrare industrială - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un laser cu mediu activ fibră optică. Laserul conform invenţiei este alcătuit dintr-un oscilator master (OL), dintr-un amplificator optic (AO) şi dintr-un controler laser, în care oscilatorul master (OL) produce o radiaţie laser de putere redusă, cu o calitate ridicată, coerentă, şi cuprinde: o diodă de iniţiere, un izolator optic, un adaptor de câmp, un preamplificator optic (PA), un izolator optic şi un laser de marcare, în care preamplificatorul optic cuprinde un cuplor optic, diode de pompaj optic, mediu activ fibră optică, iar amplificatorul optic (AO) are rolul de a creşte puterea radiaţiei laser emise de oscilator (OL), în acelaşi timp păstrând proprietăţile acesteia, şi cuprinde, la rândul lui, următoarele elemente: un cuplor optic, diode de pompaj optic, mediu activ fibră optică.

Description

DESCRIERE

Laserii cu mediu activ fibra optica reprezintă ultima generație de laser aparuta. Spre deosebire de laserii clasici cu mediu activ solid au o serie de avantaje care ii recomanda in utilizare: durata de viata ridicata, calitate a fascicolului laser buna, fiabilitate ridicata, întreținere ușoara, etc.

In brevetul US5920668 este descris un laser cu mediu activ fibra optica compact ce utilizează ca mediu activ fibra optica dopata cu Yb. Acest laser este alcătuit din oscilator mașter, izolator optic, amplificator optic realizate compact. Pompajul optic al laserului se realizează cu un modul laser conectat prin fibra optica.

In prezenta invenție, fata de tehnologia clasica a laserilor cu mediu activ fibra optica propunem un laser cu mediu activ fibra optica dopata cu Yb realizat modular astfel incat sa se poata creste puterea la ieșire, sa avem un fascicol laser de calitate buna, flexibil care se poate utiliza in domenii si aplicații diferite cum ar fi gravare, gravare adinca, taiere, gaurire, in industrie, cercetare, in orice domeniu care implica ablatia laser. Spre deosebire de laserul din brevetul sus menționat, noi propunem un pompaj laser modular, compact, pentru preamplificatorul optic, pentru amplificatorul optic cu un număr de diode asamblate la mediile active. Diodele de pompaj optic sunt astfel conectate ca ansamblul lor are o durata de funcționare ridicata. Durata de viata a ansamblului este condiționată si de durata de viata ridicata a diodelor de pompaj precum si a diodei de inițiere laser, ceea ce duce la o probabilitate foarte scăzută ca ansamblul sa funcționeze defectuos. Pompajul optic al mediilor active ale preamplificatorului si respectiv amplificatorului optic se realizează cu diode laser, conectate prin cuploare optice. Funcționarea defectuoasa a unei diode de pompaj din amplificatorul laser poate inseamna fie reducerea puterii de pompaj optic ceea ce conduce la reducerea puterii de ieșire a laserului, fie emisia diodei pe o plaja de emisie mai larga de lungimi de unda sau variația lungimii de unda, ceea ce poate duce la probleme in funcționarea laserului deoarece mediul activ fibra optica este optimizat sa funcționeze pe un domeniu de lungime de unda 1060 - 1115 nm. Arhitectura aceasta de laser este aleasa pentru ca are avantajul ca in cazul unei funcționari necorespunzatoare a uneia dintre diodele de pompaj, aceasta poate fi suplinita de celelalte diode pana la la înlocuirea ei. Se utilizează un număr suficient de diode astfel incat acestea sa fie capabile sa suplinească reducerea puterii de ieșire a uneia dintre ele. Pentru ca la ieșirea din laser sa avem doar lungimea de unda dorita si sa se elimine lungimea de unda de pompaj optic se introduce un dispozitiv optic de disipare a energiei de pompaj reziduale. Terminația laserului este astfel ca mediul activ fibra optica din amplificatorul optic se introduce un dispozitiv de capat care reduce reflexia înapoi a radiației laser la un nivel care nu afecteaza performanta ansamblul laseri si nu afecteaza mediul activ fibra optica.

Invenția consta intr-un laser cu fibra optica compact, de tip ΜΟΡΑ, alcătuit dintr-un laser de inițiere, preamplificator optic (PO), un amplificator optic (AO), diode de pompaj optic, componente optice, electrooptice si electronice de eficienta si performanta ridicata si care poate funcționa in regim continuu, modulat si pulsat.

Dioda laser de inițiere produce o radiație laser de putere redusa, cu calitate ridicata pe o lungime de unda bine definita cu toleranta stransa, cu funcționare atat in regim, continuu, modulat sau pulsat care intra in preamplificatorul optic. Acesta amplifica radiația laser emisa de dioda de inițiere laser conform unui algoritm detreminat funcție de regimul de lucru si de puterea radiației laser la ieșire. Puterea radiației laser la ieșirea preamplificatorului optic este masurata cu ajutorul unui dispozitiv de splitare a radiației laser pe fibra optica. Astfel la ieșirea din preamplificatorul optic se obține o radiație laser coerenta, de calitate ridicata, cu puterea cunoscuta, pe care amplificatorul optic o amplifica pana la nivelul dorit. In acest fel se pastreaza calitatea fasciculului laser la ieșirea din laser, se obține o putere ridicata si /1-2015-- 0 0 0 84' 0 6 -Κ- Μ cunoscuta cu precizie iar eficienta conversieri energieie electrice in radiație laser este foarte ridicata.

Diodele de pompaj optic ale mediilor active ale preamplificatorului si respectiv amplificatorului optic sunt alese astfel incat spectrul lor de emisie sa se potrivească cu spectrul de absorbție maxima a mediilor active fibra optica. Astfel emisia lor este centrata pe vârful de absorbție ridicata a mediului activ cu toleranta stransa. Diodele de pompaj optic sunt cuplate la un cuplor optic (2+1 )xl care are la intrare fibra optica cu diametru de 105 gm+/1.5 gm, diametru înveliș 125 gm, apertura de 0.22 si randamentul de 92%. Cuplorul optic transmite maximal radiația de pompaj la fibra optica activa si asigura adaptarea miezurilor optice pentru propagarea optima a radiației laser dorite.

Caracteristicile diodelor de pompaj optic ale preamplificatorului sunt următoarele: fibra optica de ieșire : 105 pm miez, 125 gm manta, NA fibra: <0,20, putere optica : 10 W, lungime de unda: 976 ± 3 nm, curent operare: max. 13 A tensiune operare: max. 2V.

Caracteristicile fibrei optice active ce intra in componenta preamplificatorului optic sunt următoarele: lungimea de unda de operare - 1060 - 1115 nm, diametru miez - 15.0+ 1.5 gm, diametru manta - 130.0 ± 2.0 gm, diametru înveliș 245.0 ± 10.0 gm, material înveliș Polimer cu indice de refracție redus, absorbție la lungime de unda de pompaj a mantei 5.40 dB/m la 976 nm, atenuare manta <15.0 dB/km @ 1095 nm, apertura numerica miez (nominal) 0.080 ± 0.005, apertura numerica manta (nominal) > 0.46. Lungimea mediului activ fibra optica al preamplificatorului optic este aleasa optimal pentru eficienta.

Caracteristicile fibrei optice active care intra in componenta amplificatorului optic sunt următoarele: lungimea de unda de operare : 1060 - 1115 nm, diametru miez : 25.0 ± 2.5 gm, diametru manta : 250.0 ± 10.0 gm, diametru înveliș : 400.0 ± 20.0 gm, material înveliș: polimer cu indice de refracție mic, absorbție la lungime de unda de pompaj a mantei :4.80 dB/m la 975 nm, atenuare manta : < 15 dB/km @ 1095 nm, apertura numerica miez:

(nominal) 0.080 ± 0.005, apertura numerica manta (nominal): > 0.46. Lungimea mediului activ fibra optica al amplificatorului optic este aleasa optimal pentru eficienta.

Practic, mediul activ al laserului este miezul fibrelor optice ale preamplificatorului optic si amplificatorului optic, aici avand loc procesele de amplificare a radiației laser dorite.

Fibrele optice dopate sunt folosite ca mediu activ din multe puncte de vedere:

—Pot fi utilizate cu ușurința: asamblate, îndoite si încolăcite sub forma unor bobine —Radiația optica ce se propaga este neafectata de mediul înconjurător —Permit racirea foarte simpla a mediilor active fibra optica —Permit realizarea unor laseri cu design compact, cu greutate redusa, scalabili ca putere —Au o banda larga de câștig datorita tranzițiilor laser, permițând o selecție a lungimilor de unda si/sau generarea de pulsuri ultrascurte. De asemenea, laserii cu fibra optica au zone spectrale largi, cu un pompaj bun, astfel incat stabilizarea in temperatura a diodelor de pompaj nu este de obicei necesara —Calitatea fasciculului emis este buna.

—Datorita pompajulu selectiv in banda de absorbție laserii cu mediu activ fibra optica se pompează cu puteri reduse si au eficiente ridicate de conversie electric-radiatie laser dorita.

—Laserii cu fibra optica pot opera la tranziții laser dificile, datorita intensităților mari de pompaj aplicate pe lungimi mari.

In FIG. 1 este reprezentat laserul cu fibra optica. Oscilatorul laser (OL) este alcătuit din: laser de inițiere, preamplificator optic, amplificator optic, optica de ieșire. Laserul de inițiere este alcătuit din: dioda laser de inițiere laser si electronica de comanda si control asociata compusa din driver dioda inițiere laser si sursa alimentare driver. Preamplificatorul optic (PO) este alcătuit din: diode de pompaj, fibra activa dopata cu Yb, cuplor optic si electronica de putere de pompaj a diodelor de pompaj, sub controlul unui controler unic al

2015-- 00084o 6 -02- 20«

anasamblulului laser. Amplificatorul optic (AO) este alcătuit din: diode de pompaj optic, fibra optica, cuplor optic si si electronica de putere de pompaj a diodelor de pompaj, sub controlul unui controler unic al anasamblulului laser. Puterea de ieșire din amplificator poate fi ridicata prin creșterea numerului de diode de pompaj si prin creșterea puterii individuale a fiecărei diode sub controlul controlerului ansamblului laser. Optica de ieșire este compusa din dispozitiv de eliminare a pompajului optic rezidual, optica de capat, colimator de ieșire. Are si rolul de a reduce reflexia înapoi a radiației de ieșire la valori care nu impacteaza ansamblul laser.

In FIG. 2 este reprezentat sistemul de montare a mediului activ fibra optica dopata cu Yb. Mediul activ se montează încolăcit pe un suport metalic canelat, de greutate redusa, cu un coeficient de transfer termic ridicat. Canelura are dimensiunea corespunzătoare diametrului mediului activ fibra optica folosit. Diametrul suportului metalic este 15 cm. Dimensiunea canelurii este importanta si personalizata pentru fiecare mediu activ, deoarece un contact cat mai bun al mediului activ cu suportul sau permite un transfer termic ridicat intre fibra optica care se încălzește in funcționare si suportul acesteia. Acest lucru permite o creștere a randamentului de funcționare a laserului si un control mai bun al propagării radiației prin fibra. Fibra optica este infasurata in jurul suportului metalic, poziționată in canelura si peste ea se adauga pasta termoconductiva. Suportul metalic al fibrei se fixeaza pe o placa de răcire. Racirea suportului se realizează atat prin contact termic cu placa de răcire, si prin convecție in aerul ambiant.

Laserul de inițiere produce o radiație laser de înalta coerenta, de calitate ridicata, iar preamplificatorul si amplificatorul optic au rolul de a creste puterea radiației laser emise la valoarea necesara la ieșire, in același timp menținând parametrii de performanta ai fascicolului laser la ieșire in limitele impuse. Laserul de inițiere lucrează la puteri reduse si nu afecteaza eficienta globala, deoarece eficienta globala este determinata in mod semnificativ de cea a amplificatorului optic.

Calitatea emisiei este data de dioda de inițiere laser care trebuie sa emită pe lungimea de unda de 1064 nm cu toleranta de +/- 1 micron un fascicul laser cu puterea de maxim 500 mW maxim si in regim pulsat, de la 5 ns, un fascicul laser de calitate ridicata.

Intre dioda de inițiere laser si preamplificatorul optic se folosește un izolator optic de banda îngusta si putere scăzută care reduce radiația laser retroreflectata la un nivel care nu afecteaza dioda.

Radiația laser a celor 6 diode de pompaj ale amplificatorului optic este transmisa mediului activ cu ajutorul unui cuplor optic (6+l)xl. Cuptorul optic trebuie sa aibe următoarele caracteristici: fibra optica de intrare cu diametru miezului de 105 microni, diametrul învelișului de reflexie de 125 microni, apertura numerica de 0,22 si un randament de peste 90%.

Utilizarea diodelor de pompaj optic la doar 75% din puterea totala optica de ieșire permite creșterea duratei de viata a acestora.

Puterea electrica necesara operării diodelor preamplificatorului optic este de 46 W iar puterea electrica necesara operării diodelor amplificatorului optic este de 330 W.

Pompajul optic maxim al amplificatorului este de 140 W si ca urmare rezulta la ieșire o putere de maxim 100 W in regim continuu.

Intre etajele de preamplificare si amplificare optica se folosește un izolator optic de putere medie care reduce radiația laser retroreflectata la un nivel care nu afecteaza parametrii preamplificatorului optic. Acesta este o componenta pasiva, nu introduce pierderi mari si nu afecteaza in vreun fel calitatea emisiei laser a oscilatorului. Componenta principala a unui izolator optic este un dispozitiv de tip Faraday. Câmpul magnetic B aplicat determina o rotatie in polarizarea luminii ca urmare a efectului Faraday. Un izolator Faraday este alcătuit din 3 parti: un polarizor de intrare, un rotator Faraday si un polarizor de ieșire (analizor) la 45°.

^2015-- ΟΟΟΒ40 6 -02- 2C15

Fasciculul de intrare devine polarizat vertical la ieșirea din prima componenta a izolatorului, apoi este rotit cu 45° de rotator si la ieșire analizorul permite ca fasciculul sa iasa. Radiația care incearca sa intre in izolator prin analizor devine polarizata la 45° dar in mod orizontal (rotatia depinde de sensul deplasării). Cum polarizorul este aliniat vertical, fasciculul de radiație nu poate ieși prin intrarea izolatorului datorita diferenței de polarizare.

Intre izolatorul optic care protejează dioda de inițiere laser si preamplificatorul optic se introduce un adaptor de câmp pentru a facilita transferul de radiație optica intre dioda de inițiere laser si preamplificatorul optic, eliminind problemele de conectare al fibrelor optice cu miezuri optice diferite.

Diodele de pompaj ale preamplificatorului optic sunt alimentate de la o sursa de alimentare cu caracteristicile: 150 W, 60 A, Sursa de alimentare pentru diodele laser de pompaj din cadrul oscilatorului mașter are caracteristicile: 400W, 80 A.

Dinamica impedantei de ieșire este extrem de importanta, deoarece are un efect semnificativ asupra curentului in cazul in care valoarea impedantei de incarcare se altereaza brusc.

Sursa de alimentare poate fi operata manual sau de la distanta, cu interblocare de siguranța si pentru curenti de pana la 60 A. Sistemul poate fi configurat si controlat prin conexiune RS 232. Nivelurile de semnal la ieșirea de control sunt potrivite pentru standardul industrial de conectare directa a unui controller programabil (PLC) sau a unui alt tip de controller.

Controllerul laserului permite alimentarea corecta a diodelor de pompaj, diodei de inițiere laser,precum si monitorizarea funcționarii acestora.

Managementul termic al sistemului poate fi descompus in diferite componente ce trebuie sa răspundă la diferite probleme termice.

Fibra activa insasi trebuie sa fie răcită pentru a menține laserul sa opereze eficient si pentru a evita distrugerea termica a învelișului de protecție. Acest lucru se obține prin infasurarea fibrei in jurul unei miez prevăzut cu o canelura prelucrata pe suprafața cilindrica laterala. Canelura are rolul de a fixa fibra activa si ajuta la răcire mai mult decât daca fibra ar fi fost doar infasurata in jurul miezului fara caneluri. Situația ideala ar fi de a înlocui “V”-ul cu o canelura “U”, care sa aiba curbura de jos potrivita pentru diametrul exterior al fibrei, pentru a permite un bun contact termic. Miezul pe care se fixeaza fibra optica activa are un diametru optimizat pentru a reduce pierderile prin fibra optica si este răcit conductiv cu ajutorul unui circuit de răcire cu agent de răcire apa pentru a menține temperatura constanta.

Atunci când se realizează suduri cu fibre optice regiunea trebuie sa fie curatata de miezul exterior de polimer iar apoi se redepune polimerul astfel incat fibra sa prezinte o anumita rigiditate. Fibra trebuie sa fie menținută dreapta in zona lipiturii optice. Managementul termic este realizat prin punerea fibrei intr-un suport special fixat pe placa de răcire pentru a realiza schimbul termic.

Deoarece canelura V nu este in contact perfect cu întreaga suprafața a fibrei si deoarece pot exista mici spatii de aer la interfața dintre canelurile V si mandrina, fibra este de asemenea acoperita intr-o pasta conductiva, avand conductivitatea de 0,7 W/mK. Deși conductivitatea pastei este mai mica chiar si decât cea a sticlei, este mai mare ca a aerului si va spori racirea intr-o oarecare măsură in comparație cu aerului ce înconjoară fibra si schimbul termic pe întreaga suprafața a fibrei, in ciuda faptului ca fibra se afla in contact cu placa de răcire in doua puncte ale canelurii V. Diferența intre pasta termica si placa de răcire perfecta este relativ mica, de doar cateva grade. In esența, conductivitatea termica a materialului ce înconjoară fibra înainte de placa de răcire trebuie sa fie mare decât conductivitatea stratului de polimer a fibrei pentru a menține temperaturile sub control. Utilizarea pastei termice si a schemei de răcire este suficienta pentru a proteja fibra de termperaturi de funcționare ridicate.

^- 2 0 1 5 -- 0 0 0 8 4 0 fi -02- ΣΟΒ

Sursa de alimentare are de asemenea rolul de a proteja diodele laser in timpul funcționarii de efecte electrice tranzitorii, prin asigurarea unor limite optime de curent si tensiune. Un monitor de tip termistor oferă proiecție suplimentara printr-o limita de temperatura programabila care poate fi utilizata pentru oprirea emisiei laser si pentru a preveni distrugerea diodelor.

Pornirea si oprirea laserului se fac conform unor algoritm prestabiliți asigurând pompajul diodelor laser la valori precise si conform unor secvențe de timp stabilite cu prcizie. Oprirea laserului se face la inițiativa operatorului, sau preprogramat, sau in funcție de situațiile de urgenta pentru asigurarea proiecției la lucrul cu radiația laser de mare putere.

Controlerul permite operatorului sa genereze programe noi de lucru cu modificarea parametrilor de putere, timp, modulație, factor de umplere si durata de proces conform cu cerințele specifice procesului industrial in care se integrează

Puterea laserului in regim unda continua se controlează prin operarea curentului de pompaj al diodelor laser. Modularea fascicolului de ieșire laser se face prin varierea frecventei in regim cuasicontinuu, prin reglarea curentului de pompaj al si al regimului de funcționare al diodelor laser.

Claims (6)

1. REVENDICĂRI

   1. Laser cu mediu activ fibra optica alcătuit din laser de inițiere, preamplificator optic si amplificator optic (AO) caracterizat prin aceea ca permite o funcționare flexibila in regim continuu, modulat si pulsat si o creștere a puterii de ieșire atat prin adaugarea de etaje de amplificare optica si asamblarea lor astfel incat laserul sa fie compact, adaptabil, modular.
2. 2. Laser cu mediu activ fibra optica caracterizat printr-o calitate imbunatatita a radiației laser la ieșire datorita utilizării unui suport de fibra optica cu diametrul de 15 cm pe care aceasta se infasoara.
3. 3. Laser cu mediu activ fibra optica caracterizat prin aceea ca are o eficienta si rezoluție ridicata in procese care implica îndepărtarea de materiale diferite.
4. 4. Laser cu mediu activ fibra optica caracterizat prin aceea ca poate fi utilizat in aplicații speciale precum holografia digitala cu rezoluție ridicata.
5. 5. Laser cu mediu activ fibra optica caracterizat prin stabilitatea ridicata a fascicolului laser datorita controlului cu precizie a momentelor de timp la care se face pompajul etajelor de preamplificare si amplificare optica in raport cu laserul de inițiere precum si datorita controlului comun al pompajului etajelor de preamplificare si amplificare optica.
6. 6. Laser cu mediu activ fibra optica caracterizat prin precizia indicării puterii de ieșire datorita relației dintre puterile de pompaj stabilite pentru acest aparat si măsurării directe a puterii după etajul de preamplificare optica.