Ключевое оборудование для сборки волоконных лазеров
Высокомощные волоконные лазеры в наши дни представляют собой одну из наиболее развитых и востребованных лазерных технологий. Современные системы достигают мощностей в десятки и сотни киловатт, сохраняя высокое качество пучка и высокий КПД. Сегодня высокомощные волоконные лазеры широко применяются в промышленной резке и сварке, аддитивном производстве, научных установках и оборонных технологиях, постепенно вытесняя традиционные CO₂- и твердотельные лазеры.
Волоконные лазеры могут быть реализованы по разным оптическим схемам, выбор которых определяется требуемой мощностью, спектральными характеристиками, режимом генерации и областью применения. Современный уровень развития лазерных технологий и глубокая оптимизация отдельных структурных узлов волоконного лазера привели к появлению большого разнообразия схем его реализации. Однако принципиальная схема остается стандартной для всех видов лазеров (рис. 1).
Рисунок 1 — Принципиальная схема волоконного лазера
Волоконный лазер состоит из следующих основных структурных элементов:
- источника накачки (лазерные диоды) – это ключевой компонент лазера, так как именно диоды подают энергию в виде светового потока на определённой длине волны, подходящей для поглощения ионов в волокне;
- волоконного усилителя – активного оптического волокна, легированного активными редкоземельными элементами, в котором происходит генерация излучения;
- пара волоконных брэгговских решеток, создающие резонатор.
- адаптеры поля моды (MFA) – устройство, соединяющее два различных вида волокон, также различные числовые апертуры (NA), диаметры сердцевин и оболочек;
- стрипперы оболочечных мод (CPS) – устройство для вывода остаточной мощности накачки и некоторую мощность отраженного сигнала, которая отражается обратно в волокно, тем самым сохраняя усиленную мощность сигнала нетронутой;
- объединители накачки – устройство для объединения нескольких лазерных диодов в схеме для увеличения мощности лазера;
- и прочее.
- сварочный аппарат
- скалыватель
- восстановитель покрытия
- стриппер
- ультразвуковая ванная для волокна
- интерферометр
- измеритель мощности
- измеритель М2
- профилометр лазерного излучения
- спектрометр/анализатор оптического спектра
- осциллограф
- и прочее
В свою очередь, для ремонта волоконного лазера необходима только часть из вышеперечисленного оборудования и самым важным остается оборудование для обработки и подготовки волокон.
Для сборки и ремонта в первую очередь необходимо обработать волокно, как мы упоминали выше. Для обработки волокна используется стриппер, скалыватель и сварочный аппарат.
1. Стриппер
Стриппер для оптического волокна – это инструмент для аккуратного снятия защитных оболочек с оптического волокна без критического повреждения кварцевой оболочки.Существует несколько принципов работы, на основе которых функционируют стрипперы:
- Механические стрипперы: имеют отверстия под диаметр кварцевой оболочки, покрытие очищается вручную (рис. 2)
Рисунок 2 – общий вид механического стриппера
| преимущества | недостатки |
|
|
- Автоматические стрипперы: управляются электроникой, обеспечивают стабильное качество и могут работать с трудными покрытиями (например, полиимидными) (рис. 3).
|
|
Рисунок 3 – общий вид и результат зачистки автоматического стриппера
|
преимущества |
недостатки |
|
|
- Плазменные стрипперы: основаны на технологии ионного травления для безопасного и чистого удаления полиимидных покрытий (рис. 4).
Рисунок 4 – Образование плазменной дуги для очистки волокна
|
преимущества |
недостатки |
|
|
- Термострипперы: бережная и быстрая очистка волокна без повреждений, работа в любых условиях (включая холод), универсальность для одиночного и ленточного волокна и повышение надежности сварных соединений за счет сохранения прочности (рис. 5).
Рисунок 5 – Термостриппер
|
преимущества |
недостатки |
|
|
2. Скалыватель
При сборке волоконного лазера требования к качеству обработки оптического волокна значительно выше, чем в телекоммуникационных применениях, и скалыватель в этом процессе играет немаловажную роль (рис. 6). Именно качество скола определяет оптические потери, стабильность излучения и долговечность лазерного узла. Неровный торец, микротрещины или отклонение угла скола приводят к отражениям, локальному перегреву и деградации волокна, что особенно опасно при работе с высокой оптической мощностью.
|
|
|
|
Рисунок 6 – Скалыватели
Волоконные лазеры чувствительны к обратным отражениям и дефектам на торце волокна, поэтому скалыватель должен обеспечивать максимально ровный, чистый и воспроизводимый скол с заданным углом. Качественный скол позволяет добиться эффективной сварки активных и пассивных волокон, сохранить точную геометрию сердцевины и минимизировать оптические потери на соединениях, что напрямую влияет на КПД и надежность лазера.
В зависимости от задач сборки волоконного лазера применяются различные виды скалывателей. Прецизионные механические скалыватели являются базовым инструментом для подготовки волокон перед сваркой. В настоящее время самым оптимальным и универсальным аппаратам остается скалыватель Shinho LDC-101 , который позволяет работать с волокнами от 80 до 1250 мкм и обеспечивает плоский скол и под углом до 15 градусов. Подобная универсальность достигается заменой специальных вставок под определенный диаметр кварцевой оболочки и защитного покрытия (рис. 7).
Рисунок 7 – Специальные вставки для скалывателей
Общий принцип работы скалывателя мы рассматривали в предыдущей статье на базе модели LDC-100, данная модель не имеет поворотного механизма для углового скола, в отличии от LDC-101. Принципиальная структура работы скалывателей основана на методе «натяжение и скол» и даже простые скалыватели-лягушки работают по этому же принципу (рис. 8).
Рисунок 8 – Метод «натяжение и скол»
Для задач, где требуется строго контролируемый угол торца, используются скалыватели с возможностью углового скола. Такие устройства позволяют формировать скол под заданным углом, снижая уровень обратных отражений, что критично для резонаторов и усилительных каскадов волоконных лазеров.
3. Сварочный аппарат
Главный связующий элемент для сборки любых волоконных компонентов с минимальными потерями является сварочный аппарат. Именно сварка обеспечивает формирование оптического соединения между активными и пассивными волокнами, от качества которого напрямую зависят оптические потери, устойчивость к высоким мощностям и долговременная надежность лазерной системы. В отличие от телекоммуникационных линий, в волоконных лазерах к сварным соединениям предъявляются значительно более жесткие требования, поскольку даже незначительные дефекты могут привести к локальному перегреву, обратным отражениям и выходу лазера из строя.
Важность сварочного аппарата заключается в его способности точно совмещать сердцевины волокон, контролировать параметры электрической дуги и обеспечивать стабильное и воспроизводимое качество сварки. При работе с высокими оптическими мощностями критичны минимальные потери, отсутствие включений и высокая механическая прочность соединения. Качественный сварочный аппарат позволяет сохранить геометрию волокна, минимизировать деформации в зоне сварки и обеспечить надежную передачу излучения без деградации волокна.
О том как важно делать качественную сварку и факторы, который влияют на качество сварки мы говорили в статье «Сварка оптических волокон: факторы, влияющие на качество сварки». Эти правила распространяются на любое волокно, любого диаметра или геометрии, ведь залог успешной сборки волоконного лазера – это качественная сварка волоконных компонентов.
В настоящее время оптимальным выбором сварочных аппаратов остаются аппараты Shinho. Они обеспечивают высокое качество сварки с возможностью подстройки критически важных параметров, например напряжение дуги. Эти аппараты просты в эксплуатации и могут быть адаптированы под требования конкретного применения. На сегодняшний день существует две основные модели для работы с толстым волокном: серия S-xх и серии S-12PМ-хх.
|
Серия S-x7 |
Серия S-12PM |
|
|
|
[1] LDF – large diameter fiber
[2] PM – polarization maintaining
Рисунок 9 – Электрическая дуга во время сварки волокон
Сварка волокон осуществляется под действием электрической дуги, которая вызывает плазменный разряд и сваривает волокна (рис. 9).
Правильно подобранный сварочный аппарат, соответствующий типу используемых волокон и требованиям конкретного применения, позволяет обеспечить высокое качество сварных соединений, минимизировать риски деградации волокна и гарантировать надежную и стабильную работу волоконного лазера на протяжении всего срока эксплуатации.
Ниже рассмотрим примеры использования оборудования при ремонте высокомощных волоконных лазерных источников, используемые в лазерной промышленности на базе компании «Аврора тех» . Используя только высококлассное оборудование можно добиться стабильной работы любых волоконных источников.
Рисунок 10 – Ремонт лазерного источника на 24 кВт
В схеме данного источника используется волокно диаметром 400 мкм по кварцевой оболочке (рис. 11). Для обеспечения высококачественной сварки использовался аппарат Shinho S-37 (рис. 12) и скалыватель LDC-100.
Рисунок 11 – Торец сколотого волокна 20/100/400 мкм
Рисунок 12 – Результат сварки волокна 400 мкм
Рисунок 13 – Фото лазерного источника на 6 кВт
В схеме данного источника используется волокно диаметром 100/120/360 мкм по кварцевой оболочке, результаты сварки представлены на рисунке 14.
Рисунок 14 – Результат сварки волокна 100/120/360 мкм
Использование высококачественного оборудования является ключевым условием успешной сборки волоконных лазеров. Точность и надежность таких инструментов напрямую влияют на качество обработки волокна, минимизацию оптических потерь, устойчивость к высоким мощностям и общий ресурс лазерной системы. Применение профессионального оборудования позволяет обеспечить воспроизводимость результатов, снизить влияние человеческого фактора и минимизировать риски дефектов, которые могут привести к деградации или выходу лазера из строя. Таким образом, инвестиции в высококачественное оборудование являются неотъемлемой частью создания эффективных, стабильных и долговечных волоконных лазеров и систем.
Автор статьи: Кашина Раъно, ведущий инженер по технологическому оборудованиюКоманда «ЛЛС» обеспечивает полную информационную и техническую поддержку по всему спектру оборудования в области волоконной оптики и фотоники.
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
