CO₂-лазерная станция для обработки оптического волокна, капилляров и кварцевых структур
Сварка одного или нескольких волокон с крупными оптическими элементами – например, в виде пучка или массива – является сложной задачей. В принципе, CO₂-лазер как источник нагрева обеспечивает свободу и гибкость для адаптации под потребности различных сегментов фотоники. Примеры сварки (рис. 1) демонстрируют разнообразие волоконных компонентов, которые могут быть реализованы с использованием станции на основе СО2-лазера.
Рисунок 1 – примеры волоконных компонентов
Основная сложность такого процесса сварки заключается в точном временном и пространственном управлении лазерным лучом. Существенная разница в размерах между волокном и крупным оптическим элементом делает задачу особенно сложной.
При использовании стандартных сварочных устройств получить такие волоконно-стеклянные соединения невозможно. Однако при точном управлении CO₂-лазерным лучом возможно формирование стабильного сварного соединения за счёт селективного нагрева как оптического волокна, так и крупного оптического элемента.
Сварка кварцевого блока диаметром ~8 мм с оптическим волокном является показательным примером успешного решения объединения волоконной оптики и объемной (рис. 2), с минимальными остаточными механическими напряжениями в кварцевом блоке после процесса сварки. Очень слабый и равномерный профиль напряжений на границе волокна свидетельствует о высокой однородности сварного соединения. Кроме того, в центральной области, где распространяется свет, напряжения отсутствуют. Это позволяет сохранить оптические свойства лазерного излучения на выходе из волокна.
Рисунок 2 – образец сварки волокна и кварцевого блока
Низкие оптические потери в сочетании с возможностью сварки оптики с AR-покрытием позволяют использовать волоконные компоненты с высокой мощностью. Более того, существует некоторая зависимость интенсивности излучения в зависимости от толщины кварцевого блока для типичных используемых значений числовой апертуры N.A., рассчитанной по закону Снелла (Закон Снеллиуса) (рис. 3) [1].
Рисунок 3 – зависимость интенсивности излучения в зависимости от толщины кварцевого блока для типичных используемых значений числовой апертуры N.A. [1]
Благодаря сильному поглощению кварца на длине волны 10,6 мкм, лазер на основе диоксида углерода является отличным источником тепла для сварки. В отличие от обычных источников нагрева, поглощенная мощность CO2-лазера нагревает соединяемые элементы только излучением. Если плавленый кварц нагревается до температуры сварки приблизительно 2000 °C, глубина поглощения, теплопроводность и теплоемкость значительно изменяются [2]. Также примечательно преобладающее поверхностное нагревание плавленого кварца с глубиной поглощения от 34 мкм при 25 °C до 4 мкм при 1800 °C [3]. Из-за важной роли поглощения необходимо учитывать состояние поляризации для требуемой мощности CO2-лазера. Наклонный падающий лазерный луч обеспечивает различные условия поглощения для оптического волокна и кварцевого блока.
Помимо кварцевых блоков, к волокнам диаметром от 125 мкм до 2 мм могут привариваться элементы практически любой геометрической формы и размера. С технической и экономической точек зрения важными преимуществами являются:- бесконтактный и чистый CO₂-лазерный источник нагрева
- отсутствие изнашиваемых деталей (например, электроды)
- высокая надёжность производственного процесса
Рисунок 4 – обработка капилляров
Области применения сваренных волокон варьируются от одномодовых и многомодовых волокон до фотонно-кристаллических волокон и стержней различной геометрии. Форма кварцевых блоков также может быть адаптирована.
Преимущества стабильного CO2-лазера мощностью 30 Вт в сочетании со сборкой, настройкой и контролем процесса обеспечивают высокую надежность сварки. Программное управление обеспечивает полные и воспроизводимые процессы сварки, а также позволяет легко изменять параметры и документировать их путем сохранения и загрузки оптимизированных наборов параметров. Интерполяция между заданными точками процесса позволяет легко идентифицировать параметры сварки для неизвестных типов волокон. Встроенная в процесс обработка изображений устанавливает основу для выравнивания для обеспечения точности и облегчает получение изображений до и после сварки с двух перпендикулярных ракурсов на область сварки. Во время процесса сварки возможна визуализация с помощью камеры. Для постобработки характеристик использовались различные методы световой микроскопии для оценки оптического качества выполненных сварных соединений.
Сварка оптических волокон методом плавления – это важная технология для получения прочных соединений и низких потерь при передаче сигнала, например, в телекоммуникациях, сенсинге, а также для мощных приложений, например, волоконных лазеров. Большинство коммерческого оборудования для сварки оптических волокон использует электрическую дугу в качестве источника питания. Для сварки оптических волокон с использованием кварцевых блоков для снижения интенсивности излучения такое оборудование весьма ограничено. Различные геометрические формы соединяемых волокон, как правило, требуют большей мощности и рабочего пространства.
Компания XLG – производитель высокотехнологичного оборудования для изготовления волоконных компонентов. Данного производителя выбирают ведущие игроки китайского рынка, такие как Raycus, JPT и другие. А на российском рынке выбор в пользу XLG делает «ЛЛС».
В 2024 году инженеры «ЛЛС» прошли углублённое обучение на производственной площадке компании XLG в Китае.
АО «ЛЛС» является эксклюзивным дистрибьютором и авторизованным сервисным центром, а также представляет весь спектр продукции XLG на территории РФ и стран СНГ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции и полную техническую поддержку.Список использованных источников:
[1] Laser-based Micro- and Nanopackaging and Assembly III, edited by Wilhelm Pfleging, Yongfeng Lu, Kunihiko Washio, Willem Hoving, Jun Amako, Proc. of SPIE Vol. 7202, 720205. 2009 SPIE. CCC code: 0277-786X/09/$18.
doi: 10.1117/12.808161
[2] Brochure, Schott Technical Glasses, Physical and technical properties, Mainz, 2007.
[3] McLachlan, A. D. and Meyer, F. P., Temperature dependence of the extinction coefficient of fused silica for CO2 laser wavelengths, Applied Optics, Vol. 26, No. 9, 1987.
Автор статьи: Кашина Раъно ведущий инженер по технологическому оборудованию
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
