RU2748867C1 - Fiber laser for additive technologies - Google Patents

Fiber laser for additive technologies Download PDF

Info

Publication number
RU2748867C1
RU2748867C1 RU2020127264A RU2020127264A RU2748867C1 RU 2748867 C1 RU2748867 C1 RU 2748867C1 RU 2020127264 A RU2020127264 A RU 2020127264A RU 2020127264 A RU2020127264 A RU 2020127264A RU 2748867 C1 RU2748867 C1 RU 2748867C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
radiation
laser
optic
pump
Prior art date
Application number
RU2020127264A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Анатольевич Колегов
Евгений Анатольевич Белов
Дмитрий Владимирович Кулаков
Александр Владимирович Галеев
Евгений Геннадьевич Акулинин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина"
Priority to RU2020127264A priority Critical patent/RU2748867C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2748867C1 publication Critical patent/RU2748867C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention is used for generation using stimulated emission of coherent electromagnetic waves. The essence of the invention lies in the fact that the functional diagram of a fiber laser for pumping active elements consists of a power supply, an emitter, an active element, a diode pump source, fiber-optic pump combiners, a resonator formed by selective blind and output mirrors made in the form of fiber Bragg gratings, emitters, a heat sink plate with internal channels, laser diode drivers.
EFFECT: improvement of operational capabilities, quality of laser radiation, layout of the constituent elements of the laser.
3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к приборам для генерации с использованием стимулированного излучения когерентных электромагнитных волн и может быть использовано в установках селективного плавления металлических порошков и для обработки металлических материалов, а именно к волоконным лазерам для аддитивных технологий.The invention relates to devices for the generation using stimulated emission of coherent electromagnetic waves and can be used in installations for selective melting of metal powders and for processing metal materials, namely, fiber lasers for additive technologies.

Волоконные лазеры приобрели популярность в промышленности для резки, обработки материалов, а также аддитивных технологий. Наиболее востребованными здесь являются иттербиевые волоконные лазеры, способные генерировать излучение с длиной волны ~1 мкм, качеством излучения близким к дифракционному и оптической мощности до 1 кВт.Fiber lasers have gained popularity in the cutting, material handling, and additive manufacturing industries. The most popular here are ytterbium fiber lasers capable of generating radiation with a wavelength of ~ 1 μm, radiation quality close to diffraction and optical power up to 1 kW.

При разработке волоконных лазеров для аддитивных технологий необходимо учитывать, что лазер должен обладать малыми массогабаритными параметрами, высокой выходной мощностью излучения, временем нарастания и спада выходной мощности излучения менее 100 мкс, высокой эффективностью и высокой надежностью.When developing fiber lasers for additive technologies, it is necessary to take into account that the laser should have small weight and size parameters, high output radiation power, rise and fall times of output radiation power less than 100 μs, high efficiency and high reliability.

Известно техническое решение, описанное в патенте на изобретение №2421855, опубл. 20.06.2011 г., МПК H01S 3/06, под названием «Волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, волоконный усилитель и волоконный лазер». В известном техническом решении волокно содержит сердцевину, включающую в себя редкоземельный элемент, внутреннюю оболочку, окружающую сердцевину, и внешнюю оболочку, окружающую внутреннюю оболочку. Внешняя оболочка представляет собой полимерную оболочку. Внутренняя оболочка имеет многоугольное поперечное сечение, которое не обладает вращательной симметрией второго порядка, так что форма границы между внутренней оболочкой и внешней оболочкой является многоугольной и не обладает вращательной симметрией второго порядка. Разность между максимальным внешним диаметром и минимальным внешним диаметром многоугольного поперечного сечения внутренней оболочки составляет 6% или менее от среднего внешнего диаметра. Многоугольное поперечное сечение внутренней оболочки имеет 15 или менее сторон. Волокно может применяться в качестве усиливающей излучение среды в составе волоконного лазера или усилителя. Технический результат заключается в обеспечении низкого уровня спиральной моды.Known technical solution described in patent for invention No. 2421855, publ. 06/20/2011, IPC H01S 3/06, entitled "Fiber with a rare-earth doped core and multilayer cladding, fiber amplifier and fiber laser". In the known technical solution, the fiber contains a core including a rare earth element, an inner cladding surrounding the core, and an outer cladding surrounding the inner cladding. The outer shell is a polymeric shell. The inner shell has a polygonal cross section that does not have second-order rotational symmetry, so that the shape of the boundary between the inner shell and the outer shell is polygonal and does not have second-order rotational symmetry. The difference between the maximum outer diameter and the minimum outer diameter of the polygonal cross-section of the inner shell is 6% or less of the average outer diameter. The polygonal cross-section of the inner shell has 15 or fewer sides. The fiber can be used as a radiation-amplifying medium in a fiber laser or amplifier. The technical result consists in providing a low level of the spiral mode.

К недостаткам этого устройства следует отнести наличие пластины с несколькими нагревательными элементами для нагрева активного элемента, что усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики.The disadvantages of this device include the presence of a plate with several heating elements for heating the active element, which complicates the design and increases the weight and size characteristics.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа устройства является техническое решение, описанное в патенте на изобретение №2717254, опубл. 19.03.2020 г., МПК H01S 3/06, под названием «Волоконный лазер для накачки активных элементов». Известное техническое решение включает блок питания, излучатель, с активным элементом в виде активного волоконного световода, не менее чем один источник диодной накачки, в качестве которых использованы лазерные диоды, оборудованный эмиттерами, оптоволоконные объединители накачки, резонатор, образованный селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, теплоотводящую пластину и волоконный вывод излучения.The closest in technical essence to the invention and selected as a prototype of the device is the technical solution described in patent for invention No. 2717254, publ. 03/19/2020, IPC H01S 3/06, entitled "Fiber laser for pumping active elements." The known technical solution includes a power supply, an emitter with an active element in the form of an active fiber light guide, at least one diode pump source, which are laser diodes equipped with emitters, fiber-optic pump combiners, a resonator formed by selective mirrors made in the form of fiber Bragg gratings, a heat sink plate and fiber output of radiation.

К недостаткам этого устройства следует отнести ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные наличием пластины с несколькими нагревательными элементами для нагрева активного элемента, что также усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики.The disadvantages of this device include limited operational capabilities due to the presence of a plate with several heating elements for heating the active element, which also complicates the design and increases the weight and size characteristics.

Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей, а именно качества излучения при мощности излучения 1 кВт, обеспечение фронта нарастания и спада мощности оптического излучения менее 100 мкс, уменьшение массогабаритных характеристик и улучшение компоновки составляющих элементов лазера.The objective of the present invention is to improve operational capabilities, namely, the quality of radiation at a radiation power of 1 kW, ensure the rise and fall times of the optical radiation power less than 100 μs, reduce the weight and size characteristics and improve the arrangement of the constituent elements of the laser.

Технический результат, заключается в том, что улучшено качество излучения до М2<1.2 за счет использования волокна с диаметром сердцевины не более 20 мкм, высокая выходная мощность излучения обеспечена за счет размещения необходимого количества модулей накачки высокой яркости, улучшен теплоотвод за счет теплоотводящей пластины с каналами для охладителя, снижены массогабаритные параметры за счет улучшенной компоновки составляющих элементов лазера, разместив модули накачки высокой яркости и элементы оптической схемы на одной плите с двух сторон, удалось обеспечить фронт нарастания и спада мощности оптического излучения менее 100 мкс.The technical result consists in the fact that the radiation quality is improved to M 2 <1.2 due to the use of a fiber with a core diameter of not more than 20 microns, a high output radiation power is provided due to the placement of the required number of high-brightness pump modules, heat removal is improved due to a heat-removing plate channels for the cooler, the weight and size parameters are reduced due to the improved arrangement of the constituent elements of the laser, by placing high-brightness pump modules and elements of the optical circuit on one plate on both sides, it was possible to ensure the rise and fall times of the optical radiation power of less than 100 μs.

Указанный технический результат достигается тем, что волоконный лазер для аддитивных технологий, включающий блок питания, излучатель, с активным элементом в виде активного волоконного световода, не менее чем один источник диодной накачки, в качестве которых использованы лазерные диоды, оборудованный эмиттерами, оптоволоконные объединители накачки, резонатор, образованный селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, теплоотводящую пластину и волоконный вывод излучения, согласно изобретению, снабжен волоконно-оптическими фильтрами излучения, распространяющегося по оболочке активного элемента, селективные зеркала выполнены глухим и выходным, последнее с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 10%, волоконный вывод излучения оснащен защитным устройством, предотвращающим обратное рассеяние излучения и снижающим плотность оптической мощности на торце волоконного вывода излучения, источники диодной накачки выполнены в виде модулей накачки высокой яркости, теплоотводящая пластина выполнена с внутренними каналами для охладителя и оборудована элементами оптической схемы с противоположных сторон, на одной из которых расположены источники диодной накачки, драйверы лазерных диодов с фронтом нарастания тока не более 100 мкс, а на противоположной-резонатор, оптоволоконные объединители накачки, волоконно-оптические фильтры излучения, активный элемент, в качестве которого использовано оптическое волокно с диаметром сердцевины не более 20 мкм и числовой апертурой NA, соответствующей соотношениюThe specified technical result is achieved by the fact that a fiber laser for additive technologies, including a power supply, an emitter with an active element in the form of an active fiber light guide, at least one diode pump source, which are laser diodes equipped with emitters, fiber-optic pump combiners, The resonator formed by selective mirrors made in the form of fiber Bragg gratings, a heat sink plate and a fiber output of radiation, according to the invention, is equipped with fiber-optic filters of radiation propagating along the shell of the active element, the selective mirrors are made deaf and output, the latter with a reflection coefficient in the range from 5 to 10%, the fiber output is equipped with a protective device that prevents backscattering of radiation and reduces the optical power density at the end of the fiber output, the diode pumping sources are made in the form of high-brightness pump modules, i.e. The flat-drain plate is made with internal channels for the cooler and is equipped with elements of the optical circuit on opposite sides, on one of which there are diode pumping sources, laser diode drivers with a current rise time of no more than 100 μs, and on the opposite side is a resonator, fiber-optic pump combiners, fiber-optic optical radiation filters, an active element, which is an optical fiber with a core diameter of not more than 20 μm and a numerical aperture NA corresponding to the ratio

V=2a⋅NA⋅π/λ<3,5,V = 2a⋅NA⋅π / λ <3.5,

где V - параметр, характеризующий количество мод излучения,where V is a parameter characterizing the number of radiation modes,

а - радиус сердцевины оптического волокна;a - the radius of the core of the optical fiber;

λ - длина волны излучения.λ is the radiation wavelength.

Кроме того, каналы теплоотводящей пластины соединены последовательно или параллельно.In addition, the channels of the heat sink plate are connected in series or in parallel.

Кроме того, модули накачки выполнены из набора лазерных диодов.In addition, the pump modules are made of a set of laser diodes.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the state of the art carried out by the applicant, including a search for patent and scientific and technical sources of information and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all essential features of the claimed invention, but the definition from the list identified analogs of the prototype, as the closest analogue in terms of the totality of features, made it possible to identify a set of significant in relation to the technical result perceived by the applicant of the distinctive features in the claimed object set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.Consequently, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under the current legislation.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.To check the compliance of the claimed invention with the condition of the inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the claimed invention, the results of which show that the claimed invention does not follow explicitly for a specialist from the prior art.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step".

Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:The proposed technical solution is illustrated in the following drawings:

на фиг. 1. представлена функциональная схема волоконного лазера;in fig. 1. is a functional diagram of a fiber laser;

на фиг. 2. представлена теплоотводящая пластина со стороны модулей накачки;in fig. 2. shows a heat sink plate from the side of the pump modules;

на фиг. 3. представлена теплоотводящая пластина со стороны лазерного блока;in fig. 3. shows the heat sink plate from the side of the laser unit;

на фиг. 4. представлены результаты измерения мощности излучения;in fig. 4. the results of measuring the radiation power are presented;

на фиг. 5. представлена осциллограмма фронта нарастания и спада мощности оптического излучения;in fig. 5. is an oscillogram of the rise and fall times of the optical radiation power;

на фиг. 6. представлены результаты измерения параметра М2.in fig. 6. shows the results of measuring the parameter M 2 .

На чертежах введены следующие обозначения:The following symbols have been introduced in the drawings:

1 - блок питания;1 - power supply unit;

2 - излучатель2 - emitter

3 - активный элемент (активный волоконный световод);3 - active element (active optical fiber);

4 - источник диодной накачки (лазерный диод накачки);4 - diode pump source (laser pump diode);

5 - оптоволоконные объединители накачки;5 - fiber optic pump combiners;

6 - резонатор;6 - resonator;

7 - глухое селективное зеркало;7 - deaf selective mirror;

8 - выходное селективное зеркало;8 - output selective mirror;

9 - эмиттеры;9 - emitters;

10 - теплоотводящая пластина;10 - heat sink plate;

11 - штуцер для ввода охладителя в теплоотводящую пластину;11 - fitting for entering the cooler into the heat sink plate;

12 - штуцер для вывода охладителя из теплоотводящей пластины;12 - fitting for withdrawing the cooler from the heat sink plate;

13 - драйвер лазерных диодов;13 - laser diode driver;

14 - волоконно-оптический фильтр излучения;14 - fiber-optic radiation filter;

15 - волоконный вывод излучения;15 - fiber output of radiation;

16 - волоконный выход с защитным устройством;16 - fiber output with protective device;

17 - каналы внутри теплоотводящей пластины для распространения охладителя.17 - channels inside the heat sink plate for the distribution of the cooler.

Функциональная схема волоконного лазера для накачки активных элементов содержит (фиг. 1) блок питания 1, излучатель 2, вход которого электрически связан с первым выходом блока питания 1, включающий оптически связанные активный элемент 3, выполненный в виде активного волоконного световода, источник диодной накачки 4 выполнен в виде модулей накачки высокой яркости, состоящих из набора лазерных диодов. Также волоконный лазер для аддитивных технологий оборудован оптоволоконными объединителями накачки 5, резонатором 6, образованным селективными зеркалами глухим 7 и выходным 8, с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 10%, выполненными в виде волоконных брегговских решеток. Источник диодной накачки 4 оборудован эмиттерами 9 (фиг. 2), теплоотводящая пластина 10 (фиг. 2, фиг. 3) выполнена с внутренними каналами 17 для охладителя, вводимого через штуцер 11 для ввода охладителя в теплоотводящую пластину 10, и выводимого через штуцер 12 для вывода охладителя из теплоотводящей пластины 10, и оборудована элементами оптической схемы с противоположных сторон, на одной из которых расположены источники диодной накачки 4 (в виде модулей накачки высокой яркости), драйверы лазерных диодов 13 с фронтом нарастания тока не более 100 мкс, а на противоположной - резонатор 6, оптоволоконные объединители накачки 5, волоконно-оптические фильтры излучения 14, активный элемент 3, в качестве которого использовано оптическое волокно с диаметром сердцевины не более 20 мкм и числовой апертурой NA, соответствующей соотношению V=2a⋅NA⋅π/λ<3,5.A functional diagram of a fiber laser for pumping active elements contains (Fig. 1) a power supply unit 1, an emitter 2, the input of which is electrically connected to the first output of the power supply unit 1, including an optically coupled active element 3, made in the form of an active optical fiber, a diode pumping source 4 made in the form of high-brightness pump modules, consisting of a set of laser diodes. Also, a fiber laser for additive technologies is equipped with fiber-optic pump combiners 5, a resonator 6 formed by selective mirrors 7 and output 8, with a reflection coefficient in the range from 5 to 10%, made in the form of fiber Bragg gratings. The diode pumping source 4 is equipped with emitters 9 (Fig. 2), the heat sink plate 10 (Fig. 2, Fig. 3) is made with internal channels 17 for the coolant introduced through the nozzle 11 for introducing the cooler into the heat sink plate 10 and withdrawn through the nozzle 12 for outputting the cooler from the heat sink plate 10, and is equipped with elements of the optical circuit on opposite sides, on one of which there are sources of diode pumping 4 (in the form of high-brightness pumping modules), laser diode drivers 13 with a current rise front not more than 100 μs, and on opposite - resonator 6, fiber-optic pump combiners 5, fiber-optic radiation filters 14, active element 3, which is an optical fiber with a core diameter of no more than 20 μm and a numerical aperture NA corresponding to the ratio V = 2a⋅NA⋅π / λ <3.5.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Накачка активного элемента 3 осуществляется источником диодной накачки 4(модулями накачки высокой яркости) через волоконно-оптические объединители накачки 5, лазерное излучение, генерируемое в резонаторе 6, образованным волоконными брегговскими решетками 7 и 8, выводят через волоконно-оптического выход излучения 15, который оборудован защитным устройством 16, предотвращающим обратное рассеяние излучения и снижающим плотность оптической мощности на торце оптического волокна активного элемента 3. Волоконно-оптические фильтры излучения 14 обеспечивают отсутствие непоглощенного излучения накачки в распространяемом далее лазерном излучении. Для генерации излучения накачки на лазерные модули накачки 4 подается ток от драйверов лазерных диодов 13. Подача тока осуществляется по команде от блока питания 1. Для отвода тепла, которое образуется в процессе работы волоконного лазера, через штуцер 11 внутрь теплоотводящей пластины 10 подается охладитель. Охладитель, распространяясь по каналам 17, снимает тепло с теплоотводящей пластины 10 и выводится через штуцер 12. Расход охладителя должен быть достаточен для отвода тепла, например, не менее 8 л/мин. Температуру охладителя выбирают из интервала, обеспечивающую работоспособность волоконного лазера, например, от 15°С до 25°С. Активный элемент 3, в качестве которого использовано оптическое волокно, выбрано с диаметром сердцевины не более 20 мкм, например, 20 мкм, и числовой апертурой NA, соответствующей соотношению V=2a⋅NA⋅π/λ<3,5.The active element 3 is pumped by a diode pumping source 4 (high-brightness pump modules) through fiber-optic pump combiners 5, laser radiation generated in a cavity 6 formed by fiber Bragg gratings 7 and 8 is output through a fiber-optic radiation output 15, which is equipped with a protective device 16, which prevents backscattering of radiation and reduces the optical power density at the end of the optical fiber of the active element 3. Fiber-optic radiation filters 14 ensure the absence of unabsorbed pump radiation in the further propagated laser radiation. To generate the pump radiation, current is supplied to the laser pump modules 4 from the drivers of the laser diodes 13. The current is supplied by command from the power supply 1. To remove the heat generated during the operation of the fiber laser, a cooler is supplied through the fitting 11 into the heat-removing plate 10. The cooler, spreading through the channels 17, removes heat from the heat-removing plate 10 and is discharged through the nozzle 12. The flow rate of the cooler must be sufficient to remove heat, for example, at least 8 l / min. The temperature of the cooler is selected from the range ensuring the operability of the fiber laser, for example, from 15 ° C to 25 ° C. The active element 3, which is used as an optical fiber, is selected with a core diameter of not more than 20 μm, for example, 20 μm, and a numerical aperture NA corresponding to the ratio V = 2a⋅NA⋅π / λ <3.5.

На предприятии был проэкспериментирован волоконный лазер для аддитивных технологий, состоящий из блока питания 1, излучателя 2, электрически связанным с блоком питания 1. Источники диодной накачки 4, оборудованные эмиттерами 9 мощностью 150 Вт каждый, в количестве 10 шт. с помощью оптоволоконных объединителей накачки 5 соединяли с активным элементом 3. Излучение источников диодной накачки 4 обеспечивает инверсию населенностей в активном элементе 3, а глухое 7 и выходное 8 селективные зеркала, образуя резонатор 6, обеспечивают генерацию лазерного излучения. Волоконно-оптические фильтры излучения 14 обеспечили отсутствие непоглощенного излучения накачки в распространяемом далее лазерном излучении. Лазерное излучение выводится через волоконный выход 15 с защитным устройством 16. Выходная мощность излучения при использовании 10 шт. источников диодной накачки 4 мощностью 150 Вт каждый составила 1000 Вт (фиг. 4). Драйверы лазерных диодов 13 обеспечили фронт нарастания и спада мощности излучения менее 100 мкс (фиг. 5). Использование волокна с диаметром сердцевины 14 мкм и числовой апертурой NA=0,07 обеспечило значение параметра V=2,85. При этом значение параметра качества излучения М2=1,1 (фиг. 6). Для обеспечения необходимого теплоотвода источники диодной накачки 4 располагали на теплоотводящей пластине 10 (фиг. 2), которая имела внутренние каналы 17 для охладителя. В качестве охладителя использовали воду с температурой 20°С, которую вводили в теплоотводящую пластину 10 через штуцер 11 и выводили из теплоотводящей пластины 10 через штуцер 12. Расход воды составил 10 л/мин.The enterprise tested a fiber laser for additive technologies, consisting of a power supply unit 1, an emitter 2, electrically connected to a power supply unit 1. Diode pumping sources 4, equipped with emitters 9 with a power of 150 W each, in the amount of 10 pieces. using fiber-optic combiners, the pump 5 was connected to the active element 3. The radiation of the diode pumping sources 4 provides population inversion in the active element 3, and the blind 7 and output 8 selective mirrors, forming the resonator 6, provide the generation of laser radiation. Fiber optic radiation filters 14 ensured the absence of unabsorbed pump radiation in the further propagated laser radiation. Laser radiation is output through fiber output 15 with protective device 16. Output radiation power when using 10 pcs. diode pumping sources 4 with a power of 150 W each was 1000 W (Fig. 4). The drivers of the laser diodes 13 provided the rise and fall times of the radiation power of less than 100 μs (Fig. 5). The use of a fiber with a core diameter of 14 μm and a numerical aperture NA = 0.07 provided the parameter V = 2.85. In this case, the value of the radiation quality parameter M 2 = 1.1 (Fig. 6). To provide the necessary heat dissipation, the diode pumping sources 4 were located on the heat-removing plate 10 (Fig. 2), which had internal channels 17 for the cooler. The coolant used was water with a temperature of 20 ° C, which was introduced into the heat-removing plate 10 through the nozzle 11 and removed from the heat-removing plate 10 through the nozzle 12. The water flow rate was 10 l / min.

Заявляемое техническое решение позволило: добиться качества излучения М=1.1 за счет использования волокна с диаметром сердцевины 14 мкм и числовой апертурой NA=0,07, обеспечить выходную мощность излучения 1000 Вт и необходимый теплоотвод за счет теплоотводящей пластины с каналами для охладителя, снизить массо-габаритные параметры за счет улучшенной компоновки составляющих элементов лазера, разместив модули накачки высокой яркости и элементы оптической схемы на одной плите с двух сторон, обеспечить фронт нарастания и спада мощности оптического излучения менее 100 мкс.The proposed technical solution made it possible: to achieve the radiation quality M = 1.1 by using a fiber with a core diameter of 14 μm and a numerical aperture NA = 0.07, to provide an output radiation power of 1000 W and the necessary heat dissipation due to a heat sink plate with channels for a cooler, to reduce the mass overall parameters due to the improved arrangement of the constituent elements of the laser, by placing high-brightness pump modules and elements of the optical circuit on one plate on both sides, to ensure the rise and fall times of the optical radiation power less than 100 μs.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность волоконного лазера и способность достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».For the claimed invention in the form as it is described in the claims, the operability of the fiber laser and the ability to achieve the specified technical result have been experimentally confirmed. Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (7)

1. Волоконный лазер для аддитивных технологий, включающий блок питания, излучатель с активным элементом в виде активного волоконного световода, не менее чем один источник диодной накачки, в качестве которого использованы лазерные диоды, оборудованный эмиттерами, оптоволоконные объединители накачки, резонатор, образованный селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, теплоотводящую пластину и волоконный вывод излучения, отличающийся тем, что он снабжен волоконно-оптическими фильтрами излучения, распространяющегося по оболочке активного элемента, селективные зеркала выполнены глухим и выходным, последний с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 10%, волоконный вывод излучения оснащен защитным устройством, предотвращающим обратное рассеяние излучения и снижающим плотность оптической мощности на торце волоконного вывода излучения, источники диодной накачки выполнены в виде модулей накачки высокой яркости, теплоотводящая пластина выполнена с внутренними каналами для охладителя и оборудована элементами оптической схемы с противоположных сторон, на одной из которых расположены источники диодной накачки, драйверы лазерных диодов с фронтом нарастания тока не более 100 мкс, а на противоположной - резонатор, оптоволоконные объединители накачки, волоконно-оптические фильтры излучения, активный элемент, в качестве которого использовано оптическое волокно с диаметром сердцевины не более 20 мкм и числовой апертурой NA, соответствующей соотношению1. Fiber laser for additive technologies, including a power supply, an emitter with an active element in the form of an active fiber light guide, at least one diode pump source, which are laser diodes equipped with emitters, fiber-optic pump combiners, a resonator formed by selective mirrors, made in the form of fiber Bragg gratings, a heat-dissipating plate and a fiber output of radiation, characterized in that it is equipped with fiber-optic filters for radiation propagating along the shell of the active element, selective mirrors are made deaf and output, the latter with a reflection coefficient in the range from 5 to 10% , the fiber output terminal is equipped with a protective device that prevents backscattering of radiation and reduces the optical power density at the end of the fiber output terminal, the diode pumping sources are made in the form of high-brightness pump modules, the heat sink plate is made with internal channels for the cooler and is equipped with elements of the optical circuit on opposite sides, on one of which are diode pumping sources, laser diode drivers with a rise time of no more than 100 μs, and on the opposite side - a resonator, fiber-optic pump combiners, fiber-optic radiation filters, active an element in the capacity of which an optical fiber with a core diameter of not more than 20 μm and a numerical aperture NA corresponding to the ratio V=2a⋅NA⋅π/λ<3,5,V = 2a⋅NA⋅π / λ <3.5, где V - параметр, характеризующий количество мод излучения;where V is a parameter characterizing the number of radiation modes; а - радиус сердцевины оптического волокна;a - the radius of the core of the optical fiber; λ - длина волны излучения.λ is the radiation wavelength. 2. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что каналы теплоотводящей пластины соединены последовательно или параллельно.2. A fiber laser according to claim 1, wherein the channels of the heat sink plate are connected in series or in parallel. 3. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что модули накачки выполнены из набора лазерных диодов.3. A fiber laser according to claim 1, wherein the pump modules are made of a set of laser diodes.
RU2020127264A 2020-08-13 2020-08-13 Fiber laser for additive technologies RU2748867C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127264A RU2748867C1 (en) 2020-08-13 2020-08-13 Fiber laser for additive technologies

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127264A RU2748867C1 (en) 2020-08-13 2020-08-13 Fiber laser for additive technologies

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2748867C1 true RU2748867C1 (en) 2021-06-01

Family

ID=76301611

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020127264A RU2748867C1 (en) 2020-08-13 2020-08-13 Fiber laser for additive technologies

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2748867C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU214903U1 (en) * 2022-08-04 2022-11-21 Общество с ограниченной ответственностью Нордлэйз Pulsed fiber laser

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005067110A2 (en) * 2003-09-02 2005-07-21 Thornton Robert L A semiconductor laser-pumped, small-cavity fiber laser and an optical spectroscopy apparatus and method for measurement of analyte concentrations or other such species in a specimen employing such a laser
KR20100133797A (en) * 2009-06-12 2010-12-22 (주)엠이엘 Wavelength tunable external cavity semiconductor laser module
RU112520U1 (en) * 2010-10-05 2012-01-10 Открытое Акционерное Общество "Пеленг" FIBER LASER
RU2664758C1 (en) * 2017-08-14 2018-08-22 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation
RU2717254C1 (en) * 2019-04-08 2020-03-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Fiber laser for pumping of active elements

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005067110A2 (en) * 2003-09-02 2005-07-21 Thornton Robert L A semiconductor laser-pumped, small-cavity fiber laser and an optical spectroscopy apparatus and method for measurement of analyte concentrations or other such species in a specimen employing such a laser
KR20100133797A (en) * 2009-06-12 2010-12-22 (주)엠이엘 Wavelength tunable external cavity semiconductor laser module
RU112520U1 (en) * 2010-10-05 2012-01-10 Открытое Акционерное Общество "Пеленг" FIBER LASER
RU2664758C1 (en) * 2017-08-14 2018-08-22 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation
RU2717254C1 (en) * 2019-04-08 2020-03-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Fiber laser for pumping of active elements

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU214903U1 (en) * 2022-08-04 2022-11-21 Общество с ограниченной ответственностью Нордлэйз Pulsed fiber laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3641079B1 (en) Vcsel pumped fiber optic regenerative amplifier
US8279899B2 (en) Fiber laser
EP2430716B1 (en) Cascaded raman fiber laser system based on filter fiber
WO2011023201A1 (en) Pulsed fiber laser
Michaille et al. Multicore photonic crystal fiber lasers for high power/energy applications
JP5822850B2 (en) Laser equipment
WO2011109753A1 (en) Wavelength beam combining based pump / pulsed lasers
US20120069860A1 (en) Gain-Switched Fiber Laser
EP3005496B1 (en) Multimode fabry-perot fiber laser
JP2005174993A (en) Pulse fiber laser equipment
US20090052482A1 (en) Cooling an active medium using raman scattering
Casagrande et al. Time and spectrum resolved model for quasi-three-level gain-switched lasers
RU2748867C1 (en) Fiber laser for additive technologies
JP2009537979A (en) High-power optical fiber pulse laser equipment
RU2717254C1 (en) Fiber laser for pumping of active elements
CA3037232A1 (en) Cascaded, long pulse and continuous wave raman lasers
Upadhyaya High-power Yb-doped continuous-wave and pulsed fibre lasers
Michaille et al. Multi-core photonic crystal fibers for high-power laser
JP2021530861A (en) High power ytterbium: erbium (Yb: Er) fiber laser system using 1.02 to 1.06 μm clad excitation method
Lafouti et al. Experimental investigation of a high-power 1018 nm monolithic tandem pump fiber source using 20/400 µm Yb-doped fiber
RU2758665C1 (en) Method for manufacturing a plate heat exchanger
Upadhyaya Self-pulsing dynamics in Yb-doped fiber lasers
Hogenboom et al. Good beam quality from a diamond-cooled Er: YAG laser
Lu All-fiber passively Q-switched ytterbium doped double-clad fiber lasers: experiment and modeling
Huber et al. Q-switching of a diode cladding-pumped Erbium Fibrelaser at 2.7 μm