Волоконные лазеры с двойной оболочкой

Одномодовые лазеры малой выходной мощности могут использовать ввод излучения накачки непосредственно в сердцевину световода. Но это накладывает ограничения на характеристики полупроводникового источника накачки, который должен иметь характерный размер излучающей области 5–10 мкм. При этом мощность накачки не превышает сотен мВт. Таким образом, выходная мощность одномодовых лазеров с вводом излучения накачки непосредственно в сердцевину находится в диапазоне 10^-1 – 10² мВт. Применение мощных полупроводниковых источников для накачки волоконных лазеров подразумевает использование волоконных световодов с двойной оболочкой. В качестве активной среды мощных волоконных лазеров используются волоконные световоды, состоящие из одномодовой сердцевины, легированной как активной примесью редкоземельного элемента, так и примесями, формирующими профиль показателя преломления; внутренней (первой) оболочки из кварцевого стекла и внешней (второй) оболочки с показателем преломления, пониженным по сравнению с кварцевым стеклом. Для обеспечения эффективной связи мод оболочки с сердцевиной необходимо использовать волоконные световоды с некруглой не цилидрической геометрией внутренней первой оболочки, поскольку в световодах с циркулярной цилиндрической формой внутренней первой оболочки большая доля мощности распространяется в модах, не пересекающих область сердцевины, интенсивность излучения которых в области сердцевины мала. Представленная на рис. 3 схема ввода накачки через торец лазерного световода позволяет использовать лишь один (или максимум два: второй – через противоположный торец световода) источник накачки (полупроводниковый лазер или сборку полупроводниковых лазеров), поэтому вводимая в световод мощность ограничена современными возможностями полупроводниковой технологии.

Одним из эффективных способов увеличения мощности накачки является применение специальных световодов с двойной оболочкой, но в которых, в отличие от конструкции лазера на рис. 3, первая оболочка состоит из нескольких отдельных световодов (см. рис. 4).

В дальнейшем изложении мы будем ссылаться на этот тип световодов как на световоды с многоэлементной первой оболочкой (МПО-световоды). В некоторых англоязычных публикациях они обозначаются как GT Wave-световоды. МПО-световод представляет собой структуру, состоящую из активного волоконного световода, находящегося в оптическом контакте с одним или более параллельных многомодовых световодов на основе плавленого кварца. При этом все световоды такой структуры окружены общей полимерной оболочкой с показателем преломления ниже показателя преломления плавленого кварца. Один из световодов (сигнальный или активный) имеет сердцевину, легированную ионами редкоземельных элементов, остальные изготовлены из плавленого кварца (пассивные световоды) и находятся по всей длине в оптическом контакте с первым или друг с другом для ввода излучения накачки в сигнальный световод. Все отдельные многомодовые световоды (элементы) оптически связаны между собой и представляют первую оболочку для сердцевины сигнального световода. Поскольку различные многомодовые световоды механически не связаны между собой (кроме как полимерной оболочкой), то при необходимости их можно отделить друг от друга и независимо соединить пассивные световоды с источниками излучения накачки, а активные – с одномодовыми световодами для ввода и вывода излучения. Конструкция МПО-световодов позволяет сравнительно просто собирать чисто волоконные конструкции как лазеров (см. рис. 4), подваривая к выходам активного световода отражающие элементы в виде волоконных БР, так и волоконных усилителей, обеспечивая удобный доступ к обоим выходам усиливающего световода. Волоконные схемы, собранные на таких типах световодов, могут содержать несколько точек ввода накачки (световод с двумя эле- ментами – 2 точки ввода, с тремя – 4 и т.д.), позволяя суммировать мощность накачки, введенной в различных точках. Дополнительные возможности наращивания мощности предоставляет последовательное соединение волоконных конструкций, представленных на рис. 4. Указанные свойства МПО-световодов позволяют использовать их для конструирования волоконных лазеров с высокой выходной мощностью. Другой существенной особенностью МПО- световодов по сравнению с обычными световодами с двойной оболочкой является изначально асимметричная геометрия поперечного сечения первой оболочки (рис. 4). Это приводит к тому, что в отличие от обычных световодов с двойной оболочкой, в которых, как правило, приходится использовать квадратную форму (или прямоугольную, шестигранную, D-форму и т.п.) поперечного сечения первой оболочки для обеспечения эффективного поглощения излучения всех мод излучения накачки в сердцевине, в световодах типа МПО можно использовать круглую форму поперечного сечения сигнального и пассивных световодов. Это существенно упрощает процесс сварки световодов и позволяет снизить потери в точках сварки сигнального световода с отрезками световодов, на которых записаны БР. Непрерывные одномодовые волоконные лазеры на основе активных световодов, легированных редкоземельными ионами, сравнительно недавно (в 1993 году) преодолели рубеж выходной мощности в 1 Вт. С тех пор исследования таких лазеров ведутся очень интенсивно во многих научных центрах. Целый ряд приоритетных научных исследований проведен в Научном центре волоконной оптики (НЦВО) при Институте общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук.

В последние несколько лет в лучших мировых научных центрах, работающих в области волоконной оптики, наблюдается крайне интенсивное развитие направления мощных волоконных лазеров. Данное обстоятельство иллюстрируется графиком на рис. 5, на котором отмечен максимальный уровень мощности, достигнутый волоконными лазерами в каждом году. В настоящее время мощность излучения одномодовых волоконных лазеров уже превысила 1000 Вт, а в многомодовом режиме цифры приближаются к 10 кВт. К основным применениям мощных лазеров следует отнести обработку материалов: сварка, сверление, резка металлических листов (до 25 мм толщиной). По сравнению с СО₂ - лазерами, пока находящимися вне конкуренции в этой области, волоконные лазеры обещают такие преимущества, как большая мобильность за счет меньшего веса и отсутствия водяного охлаждения и больший коэффициент поглощения излучения за счет более короткой длины волны.

Оптическая схема волоконного лазера в установке scanner +

Сканер для лазерной маркировки состоит из 2-х зеркал, двух гальванометров с управляющими платами и стойками, линзы f- theta типа, платы цифро-аналогового преобразователя, программного обеспечения и источника питания постоянного тока. Поле маркировки зависит от используемой линзы и имеет пределы от 50*50мм до 255*255мм. Программное обеспечение поддерживает различные шрифты и файлы форматов ( PLT, BMP,…)

Технологическая цепочка процесса гравировки:

• Создается чертеж детали (например, в ППП AutoCAD).
• C помощью программы Corel Draw наносятся надписи и рисунки, которые будут отгравированы.

Выбираем “Options” в меню “Tools” и делаем следующее:

• Полученный файл открывается в программе для запуска лазера на гравировку

В программном обеспечении лазерной установки указываем контур детали (обозначаем его другим цветом). Т.е. контур будет вырезан первым, а затем деталь будет отгравирована.  

Далее устанавливаем оптимальные параметры: мощность лазерного излучения и скорость перемещения режущей головки. 

• При нажатии кнопки start деталь вырезается с помощью лазера.