אופטיקה ליישומי לייזר סיבים

אופטיקה ליישומי לייזר סיבים

לייזרי סיבים מצאו נישת עיבוד ומחקר בה לייזרי Nd: YAG יקרים מדי או בעלי תכונות קרן שאינן רצויות (למשל, ערכי M2 גדולים). משתמשים בלייזרי סיבים עשויים לדאוג להחלפות האספקה הקיימת של רכיבים אופטיים שלהם או כיצד לציין אופטיקה חדשה. מאמר זה עוסק בתחומי דאגה כאלה ומדגיש אילו מאפיינים יש לפרט בזהירות במיוחד.

לייזרי סיבים תופסים קרקע במגוון יישומים כמו קידוח, ריתוך, חיתוך נייר כסף, סימון לייזר ומכונות עיבוד מיקרו מדויקות. מדעני מחקר מוצאים אותם שימושיים מאוד כמקור בגלל עקבותיהם הקטנים וערכי ה- M2 הנמוכים. ההצלחה של לייזרי סיבים מבוססת על השילוב הייחודי שלהם בין מאפייני קרן שלא ניתן להשיג ממקורות אחרים באותו טווח אורך גל: פעולה אופציונלית של CW או פועם, בקרת קיטוב (אקראית, ליניארית או מעגלית), רוחב פס ספקטרלי צר וערכי TEM00 M2 המתקרבים 1 עם שיפור כזה של M2 לעומת לייזרי Nd: YAG, ניתן לממש צפיפות כוח גבוהה משמעותית. קורות יותר ממוקדות יותר אפשריות, וכתוצאה מכך תמונות חדות יותר לסימון וחתכים עדינים יותר למיקרו-עיבוד. ניתן גם להגדיל את מרחקי העבודה בייצור. לפיכך, השוק מצפה לעמוד בביקוש הולך וגדל ברכיבים אופטיים ייעודיים המיועדים ליישומי לייזר סיבים.

1 השפעות של איכות קרן

תהליך בחירת הרכיבים מושפע מאוד מצפיפות הספק הגבוהה שניתן להשיג בעזרת לייזרי סיבים. החלל האופטי של לייזר סיבים הוא ליבת הסיבים אשר ניתן לתכנן למזער את מספר המצבים, וכך לאפשר ליצרנים לייצר מסחריים לייזרים עם M2 = 1.05. M2 הוא היחס בין תוצר ההתבדלות בין קוטר המולטימודה של קרן הלייזר לבין המוצר המפורסם בקוטר-סטייה של קרן הלייזר (TEM00):

כאשר Θ0 הוא סטיית הקורה במיליראדים ו- w0 הוא רוחב מותן קרן הפלט (אם הקורה עגולה, ניתן להחליף את w0 בקוטר הקורה d0). או עבור קוטר נקודת המוקד השגה d0:

איור 1 ממחיש את הפרמטרים המשמשים במשוואה (2). יצרני לייזר סיבים בדרך כלל מספקים ראש למסירת קרן עם תפוקה מסוכרת בקוטר של 5 מ"מ ועד 20 מ"מ בקוטר (D0). החישובים מראים כי ניתן להשיג קוטר נקודה מוקד תיאורטי d0 של 10 מיקרומטר עם עדשת אורך מוקד של 19 מ"מ. לפיכך, עבור לייזר של 50 וולט סיבים בגודל 1075 ננומטר, הקרן הממוקדת אורזת צפיפות כוח אופטית אדירה

שילובים נוספים ניתנים בטבלה 1. בעוד שאופטיקה של היגוי הקורה לעולם לא תראה נקודה ממוקדת לחלוטין, ישנו גורם בטיחותי שמהנדס התכנון ירצה לקחת בחשבון; צפיפות הספק הגבוהה והמצומצמת הללו עשויה לפגוע באלמנטים אופטיים במהלך היישור.

עבור לייזרי סיבים פעילים עם אנרגיה נמוכה ולייזרי CW בינוניים (בסדר גודל של 1-5W ממוצע), זכוכית N-BK7 מבית Schott chott.de) הוא חומר מצע מתאים וזול לאופטיקה רפלקטיבית וגם לשידור, שם האנרגיה במשטח האופטי הוא <50 מגוואט=""> N-BK7 הוא זכוכית אופטית בכתר בורוסיליקט עם הומוגניות גבוהה ותמסורת גבוהה בברור וכמעט אינפרא אדום. ניתן להשתמש בציפויים נגד השתקפות (AR) על חלונות, עדשות ומחזירי אור חלקיים כדי להגדיל את השידור הכולל דרך הרכיב. באנרגיות אלה ניתן להשתמש בציפוי AR עם "פס" ("V") או ציפוי AR בפס רחב רב שכבתי, כדי להפחית את הרפלקטיביות על פני השטח מכ -4% ל <0.25% באורך="" גל="" יחיד="" או=""><0.5% על="" רוחב="" הפס="" של="" 250-400="" ננומטר="" למערכות="" לייזר="" מכוונות="" (ראה="" איור="">

מעילי "V" צרים הם ציפויים אנטי-השתקפות דיאלקטרי רב שכבתיים (בדרך כלל דו שכבתיים) המשיגים השתקפות מינימלית תיאורטית ברצועה צרה של אורכי גל. ההשתקפות עולה במהירות משני צדי המינימום הזה ומעניקה לו צורה של "V" בתרשים הרפלקטיביות מול אורך הגל. יצרנים אמריקאים בדרך כלל משתמשים במינוח "מעיל V" או "קו לייזר" כדי להבדיל בין ציפוי זה לבין הצעות AR בפס רחב.

אפשרות חומרית נוספת לשימוש עם לייזרי הסיבים 1-5 וואט היא זכוכית N-SF11 מבית שוט עם מדד שבירה n = 1.754 במהירות 1060 ננומטר, גבוה מזה של N-BK7 (1.507). זה מספק גמישות אם נדרשת עדשה עם אורך מוקד קצר ליישום. מכיוון של- N-SF11 וגם ל- N-BK7 יש מקדמי התפשטות תרמית בטווח 8 × 10-6 / ° C, סיליקה התמזגה היא הבחירה המועדפת על חומר מצע אם יש חשיבות ליציבות תרמית. סיליקה התמזגה היא עם מקדם התפשטות תרמי של 0.57 × 10-6 / מעלות צלזיוס בלבד, סדר גודל יציב יותר משאר החומרים האופטיים. יצרני לייזר סיבים ממליצים על סיליקה התמזגה עבור אופטיקה משודרת לשימוש עם תפוקות לייזר סיבים הגבוהים מ 50W. לדוגמה, Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) ממליצה בחום להשתמש בסיליקה התמזגה ליישומי לייזר סיבים בגלל סף הנזק בלייזר הגבוה שלה באופן משמעותי. יש לו תכונות טרנסמיטיביות דומות ל- N-BK7 בין 500-2000 ננומטר, אך הוא יציב יותר תרמית ובעל מגבלות סף נזק גבוהות יותר עבור מערכות פועמיות והן עבור מערכות CW. IPG Photonics pgphotonics.com) ממליצה על סיליקה ממוזגת בדרגת IR עבור לייזרי סיבים המדורגים מעל 1 קילוואט. שוב, ניתן להשתמש בציפויי AR להפחתת השתקפויות פני השטח, אך לאנרגיות גבוהות יותר עדיף להשתמש רק בציפוי AR עם שכבה רב-שכבתית "V", העמידים עד 1 מגה-רוחב ס"מ / ס"מ או יותר.

2 עדשות

ביישומים מסוימים, כמו הדמיה של מלכודות אופטיות, שמירה על איכות התמונה לאורך כל מסלול הקורה היא קריטית. עדשות עדשות יחידה, בשני סיליקה התמזגו או בחומר N-BK7, מתאימות ליישומי היגוי קרניים פשוטות, אך עדשות פלפלייט כפולות או משולשות עשויות להיות מתאימות יותר על מנת למזער טעויות חזית הגל. עדשות אלה נועדו למזער שתי טעויות חזיתיות גל מונוכרומטיות המכונות אברציה ספירית ותרדמת. אברציה כדורית היא סימטרית צירית ומתרחשת כאשר קרניים מנוצלות העוברות באזורים החיצוניים של העדשה מתמקדות במרחק שונה מהעדשה מאשר קרניים העוברות באזור המרכז. תרדמת היא עיוות חזיתי גל שאינו סימטרי מחוץ לציר, אשר גדל באופן ליניארי עם זווית שדה או מרחק מציר הראשי. בשילוב, סטיות אלה מעוותות את חזית הגל המועברת דרך העדשה וגורמות למוקד להיות מעוצב ו / או מטושטש באופן לא סדיר.

עיצובי עדשות כפול ומשולש יכולים להשתמש בחומרי המצע שצוינו בעבר או בחומרים אחרים, בהתאם לקריטריונים העיצוביים הספציפיים. הם מותאמים לאורך גל יחיד ולרוב הם מרווחים באוויר בכדי למזער עיוות נוסף מול הגל שנגרם על ידי מלט בין משטחי הזכוכית. ריווח האוויר בין האלמנטים מאפשר גם גמישות מוגברת בעיצוב מכיוון שמשטחים סמוכים אינם חייבים להיות עקומים תואמים. במקום זאת, ניתן לייעל כל אחד מארבעת עד שישה משטחים באופן עצמאי על מנת למזער בצורה הטובה ביותר תרדמת וסטיות כדוריות דרך מכלול העדשות השלם. יש להימנע ממכלולי עדשות מלטות על מנת למקסם את סף הנזק הכולל ואת אורך חייו של הרכיב.

רוחב פס צר ספקטרלי 3

טווח אורך הגל של לייזר סיבים נקבע על ידי ארכיטקטורת השאיבה של היצרן ועל ידי הסמים המשמשים בחלל הלייזר הפעיל. טווחי אורך גל אופייניים הם: 780-800 ננומטר לסמיום ארביום,

1030-1120nm עבור ytterbium, 1530-1600nm עבור erbium-ytterbium, ו- 1800-2100nm עבור thulium. רוחב הפס של לייזר סיבים מוגדר בדרך כלל על ידי סריג Bragg סיבי. יצרני לייזר הסיבים יציינו טווח ממנו יכול המשתמש הסופי לבחור אורך גל ספציפי. רוחב הפס בפועל של כל לייזר הוא 1-2nm בלבד. זה יכול להיות פרט חשוב בבחירת רכיבים כמו צלחות גל בסדר גודל גבוה יותר שמתפקדות כראוי רק על רוחב פס צר.

4 אופטיקה לקיטוב

רוחב הפס וצפיפות האנרגיה הם מאפייני הקורה החשובים ביותר שיש לדעת כאשר בוחרים בין מקטבים שונים ולוחות גל שונים. מקטבים ליניאריים פולימריים אינם מיועדים לשימוש באנרגיות העולות על 1W / cm2. מקטבי קובייה מלטיים זמינים בעיצוב פס רחב וגם בפס רחב, אך ספי הנזק מוגבלים באמצעות האפוקסי הפנימי. על אף שלפי הדיווחים, כמה מלטים אופטיים יכולים לעמוד בצפיפות עוצמת לייזר של 500W / cm2, יצרני לייזר סיבים ממליצים להימנע מאופטיקה מבטאת עבור לייזרי סיבים המדורגים מעל 50W. מעל רמה זו, יש צורך לעבור לעיצוב קוביית מקטב מקוטבת ברווחים באוויר או במגע אופטי, אשר בדרך כלל יכול להתמודד עם יותר מ- 1 מגה וואט / ס"מ 2 של אור לייזר CW.

עבור לוח גל קוורץ גבישי בהזמנה מרובה של עובי 1 מ"מ, וריאציה של 2 ננומטר באורך הגל יכולה לעשות את ההבדל בין לוח גל מצוין לחלק פסול. לוח גלים X / 4 עבה של 1 מ"מ המיועד ל 1082nm יהיה למעשה לוח 0.23λ בגובה 1084nm, או λ / 50 כבוי. לחלופין, לוח גל מורכב לאפס אפס המיועד לאותם שני אורכי גל ישנה את הפיגור בין השניים על ידי <λ 1000="" גלים,="" הנמצא="" בגבולות="" מדידה=""> לוחות גל של אפס סדר פועלים היטב מעל 40-70 ננומטר מאורך הגל העיצובי, ומתאימים היטב למערכות לייזר מכוונות, כמו גם כאלה עם רוחב פס לייזר של> 1 ננומטר (ראה איור 3).

5 מראות

רכיבים סטנדרטיים - קרי תכנון ציפוי קיים - עבור קווי לייזר אחרים עשויים שלא להתאים מספיק לאורכי הגל הספקיים החדשים של לייזר ולביצועים מיטביים. במערכות בעלות אנרגיה נמוכה מאוד, ציפויי מראה מתכתיים מוגנים כמו זהב, אלומיניום וכסף עשויים להיות אפשרויות מתאימות ליישומים מסוימים בהם אין צורך להחזיר רפלקטיביות של 100%. הם זמינים וזולים. עם זאת, אפילו עם שכבות המגן, ציפויי המתכת רכים ובסופו של דבר יישרטו או יישרשו אם לא יטופלו כראוי. לחלופין, מראות דיאלקטריות רב שכבתי הן מצופות קשה, עמידות ומשקפות מאוד בשכיחות רגילה או 45 ° (ראו תמונה 4). יש להם ספי נזק העולים על 20J / cm2 במערכות פועמות של 10-20ns ולכן אסור להם לבזות או להיגרם נזק כאשר משתמשים בהן בהתקנות לייזר סיבים פועמיים או CW. אף על פי שלא מדובר בפס רחב במיוחד, מראה סטנדרטית דיאלקטרית המיועדת ל- 1064nm Nd: מערכות YAG עדיין ישקפו> 99% בגובה 1075nm או 1080nm.

6. מסקנה

CVI הציגה קו מראות חדש שתוכנן במיוחד לשימוש עם מערכות לייזר סיבים. בנוסף, CVI הוסיפה את אורך הגל של לייזר הסיבים הנפוץ ביותר לקווי המוצרים הקיימים, כולל ציפויי AR לאופטיקה טרנססיבית, כגון לוחות גל, עדשות וחלונות, כמו גם ציפויים רפלקטיביים למפיצי קורות, מחזירי אור חלקיים, מצמדי פלט ומראות.

יצרני לייזר סיבים ממשיכים לדחוף את גבולות הטכנולוגיה שלהם, מגדילים את כוח ה- CW ואת האנרגיה הפועמת הזמינה מסחרית. איכות הקורה המצוינת יחד עם האנרגיות הגבוהות יותר ימשיכו להציב דרישות הולכות וגוברות לרכיבים האופטיים המשמשים במערכות אלה. מפרטי המפתח לרכיבים אלה יכללו חומר מצע, סף נזק ואיכות פני השטח.