Напрямки розвитку волоконноi оптики
Вступ
Одним з основних напрямкiв розвитку волоконноi оптики в теперiшнiй час i створення волоконних лазерiв, що генерують в нових спектральних дiапазонах. [4] Волоконнi лазери були розробленi порiвняно недавно, в 1980-х роках минулого сторiччя. З лазерiв з напiвпровiдниковим накачуванням найбiльш популярними i волоконнi лазери.
У цей час вiдомi моделi волоконних технологiчних лазерiв потужнiстю до 20 кВт. Цi пристроi мають невисоку вартiсть, компактнi, зручнi для сполучення з магiстральним волокном при мiнiмумi внесених втрат. Сьогоднi цi пристроi досягли рiвня характеристик, у першу чергу, потужностi, надiйностi, що дозволяють iз успiхом використовувати iх для розвтАЩязку рiзних завдань лазерноi обробки матерiалiв. Вони являють собою практично iдеальнi перетворювачi свiтловоi енергii лазерних дiодiв накачування в лазерне випромiнювання з рекордним ККД, у порiвняннi, наприклад, iз твердо тiльними Nd:YAG-лазерами. [5]
Волоконнi лазери володiють унiкальним набором робочих характеристик i високими експлуатацiйними якостями. У дослiдницькiй практицi отримана генерацiя в ближнiй iнфрачервонiй областi спектра на великiй кiлькостi активних середовищ, реалiзованих легуванням волоконних свiтловодiв рiдкоземельними елементами. [4]
Основним елементом волоконних лазерiв i волоконний свiтловод з подвiйною оболонкою, одномодова серцевина якого легована домiшкою рiдкоземельного елементу. Випромiнювання накачування, зазнаючи повного внутрiшнього вiдбивання на границi з зовнiшньою полiмерною оболонкою, розповсюджуiться по внутрiшнiй оболонцi з кварцевого скла. Перетинаючи серцевину, випромiнювання накачування поглинаiться iонами рiдкоземельного елементу, при цьому генерацiя виникаi в одномодовiй серцевинi з характерним поперечним розмiром 5-10 мкм. Таким чином, волоконний лазер з накачуванням в оболонку i приладом, який пiдвищуi густину потужностi випромiнювання на 2-3 порядки. [6]
Найбiльше поширення одержали неодимовi, iттербiiвi, ербiiвi волоконнi лазери [1]. Значний iнтерес викликають лазери, генерацiя яких вiдбуваiться за допомогою вимушеного комбiнацiйного розсiяння (ВКР) у волокнi. Внаслiдок аморфностi скла волоконних свiтловодiв спектр ВКР-пiдсилення широкий i тому можлива генерацiя такого лазера на будь-якiй довжинi хвилi в дiапазонi вiд 1 до 2 мiкрон [2]. Застосування фосфосилiкатних волоконних свiтловодiв становить особливий iнтерес, так як вони мають велику величину стоксового зсуву, що становить ~1300 см-1 [3]. [4]
Створення таких лазерiв стало результатом багаторiчного розвитку лазерноi технiки. Останнiм часом волоконнi лазери активно витiсняють традицiйнi лазери з таких областей застосування лазерноi технiки, як, наприклад, лазерне рiзання й зварювання матерiалiв, маркування й обробка поверхонь, полiграфiя й швидкiсне лазерне друкування. РЗх використовують у лазерних далекомiрах i тривимiрних локаторах, апаратурi для телекомунiкацii, у медичних установках i iнших сферах промислових i вiйськових комплексiв.[5]
Роздiл 1. Тенденцii розвитку волоконних лазерiв. Використання волоконних лазерiв у рiзних галузях
Лазерна технiка не стоiть на мiсцi, розвиваiться, у тому числi вiдбуваiться й постiйне вдосконалювання тих типiв лазерiв, якi використовуються в лазерних системах для цифровоi флексографii.
Говорячи про сьогоднiшнiй день цифровоi технологii флексографii, слiд зазначити, що зараз у лазерних системах запису зображень домiнують лазери з так званим напiвпровiдниковим накачуванням. РЗхнi основнi переваги, на вiдмiну вiд лазерiв з ламповим накачуванням у тому, що вони споживають значно менше електроенергii; не потрiбнi зовнiшнi водяне охолодження, у конструкцii цих лазерiв вiдсутнi змiннi компоненти (у ламповiй системi, наприклад, лампу накачування доводиться мiняти кожнi 500-1000 год. роботи). В лазерах з напiвпровiдниковим накачуванням Влчаси життяВ», що перевищують 10000 год. дозволяють будувати надiйнi й, разом з тим, зручнi системи лазерного запису, експлуатувати якi могли б оператори, що не i фахiвцями в лазернiй технiцi, що надзвичайно важливо для полiграфiчних пiдприiмств. РЖнша iстотна особливiсть таких систем полягаi в тiм, що за названий час лазерна система повнiстю вiдкуповуi себе - це надзвичайно важливо при плануваннi iнвестицiй.
З лазерiв з напiвпровiдниковим накачуванням, у свою чергу, найбiльш популярними стають волоконнi лазери (Fiber Laser або Faser). Сьогоднi цi пристроi досягли рiвня характеристик, у першу чергу, потужностi, надiйностi, що дозволяють iз успiхом використовувати iх для розвтАЩязання рiзних завдань лазерноi обробки матерiалiв. Дуже часто волоконнi лазери замiняють у додатках лазери iнших типiв, наприклад, твердо тiльнi Nd:YAG-лазери. Вони являють собою практично iдеальнi перетворювачi свiтловоi енергii лазерних дiодiв накачування в лазерне випромiнювання з рекордним ККД, у порiвняннi, наприклад, з Nd:YAG-лазерами. Створення таких лазерiв стало результатом багаторiчного розвитку лазерноi технiки.
Говорячи про технiчну сторону справи, варто зупинитися на деяких конструкцiйно-технологiчних i експлуатацiйних перевагах систем з волоконними лазерами.
Спочатку зупинимося на технiчних особливостях самих волоконних лазерiв з напiвпровiдниковим накачуванням. Саме загальне подання про них давалося на сторiнках журналу приблизно рiк тому у загальному оглядi лазерiв, застосованих для технологiй Computer-to-Plate. Нагадаiмо деякi найбiльш важливi особливостi цих лазерiв. На рис. 1.1 представлена схема роботи волоконного лазера з напiвпровiдниковим накачуванням i в загальному видi весь оптичний тракт аж до оброблюваного матерiалу.
Рис. 1.1. Оптична система з волоконним лазером: 1 тАФ серцевина, легована металом, дiаметр 6тАУ8 мкм; 2 тАФ кварцове волокно, дiаметр 400тАУ600 мкм; 3 тАФ полiмерна оболонка; 4 тАФ зовнiшнi захисне покриття; 5 тАФ лазернi дiоди оптичного накачування; 6 тАФ оптична система накачування; 7 тАФ волокно (до 40 м); 8 тАФ колiматор; 9 тАФ модулятор свiтла; 10 тАФ фокусуюча оптична система
Головна особливiсть цього лазера в тому, що випромiнювання тут вiдбуваiться в тонкому, дiаметром усього в 6-8 мкм, волокнi (серцевинi - наприклад, активне середовище iттербiй), що фактично перебуваi усерединi кварцового волокна дiаметром 400-600 мкм. Випромiнювання лазерних дiодiв накачування вводиться у кварцове волокно й поширюiться уздовж усього складного складеного волокна, що маi довжину кiлька десяткiв метрiв. Це випромiнювання ВлперетинаiВ», тобто оптично накачуi серцевину, саме в нiй на атомах iттербiя (Yb) вiдбуваються тi фiзичнi перетворення, що приводять до виникнення лазерного випромiнювання. Поблизу кiнцiв волокна на серцевинi i два дифракцiйних дзеркала - у виглядi набору ВлнасiчокВ» на цилiндричнiй поверхнi серцевини (дифракцiйнi решiтки); у такий спосiб створюiться резонатор волоконного лазера. Загальну довжину волокна й кiлькiсть лазерних дiодiв вибирають, виходячи з необхiдноi потужностi, ефективностi. На виходi отримуiмо iдеальний одномодовий лазерний пучок з досить рiвномiрним розподiлом потужностi, що дозволяi сфокусувати випромiнювання в пляму малого розмiру й мати бiльшу, нiж у випадку потужних твердо тiльних Nd:YAG-лазерiв, глибину рiзкостi, а це надзвичайно важлива для лазерних систем властивiсть, особливо для багатопроменевих оптичних систем (рис. 1.2).
Також варто вiдзначити, що ряд властивостей випромiнювання волоконних лазерiв, наприклад, характер поляризацii пучка, робить бiльш зручним i надiйним керування цим випромiнюванням за допомогою акустооптичних компонент, дозволяi реалiзувати багатопроменевi схеми запису зображень. У цiлому пiдвищуiться надiйнiсть усього оптичного тракту лазерноi системи. Оскiльки оптичне накачування йде по всiй довжинi волокна, вiдсутнi, наприклад, властивi звичайним твердо тiльним лазерам ефекти, як термолiнза в кристалi, спотворення хвильового фронту внаслiдок дефектiв самого кристала, девiацiя променя з часом та iн. Цi ефекти завжди були перешкодою для досягнення максимальних можливостей твердо тiльних систем. У волоконному ж лазерi сам принцип його пристрою й роботи гарантуi високi характеристики i робить такi лазери практично iдеальними перетворювачами свiтлового випромiнювання в лазерне.
Рис. 1.2. Форма пучка рiзних лазерних джерел: а - волоконнi лазери, одно модовий режим; б - Nd:YAG-лазери, багато модовий режим; в - випромiнювання лазерних дiодiв
Цiкава iсторiя розвитку цих лазерiв. Спочатку це були пiдсилювачi волоконних лiнiй зв'язку, у яких використовуiться такий же фiзичний принцип пiдсилення сигналу, що й при генерацii лазерного випромiнювання. Такi пiдсилювачi широко використовуються в системах телекомунiкацii на базi оптичних волокон. Розвиток цих пристроiв привiв до того, що потужнiсть створеного ними оптичного випромiнювання досягло декiлькох десяткiв ват, а це уможливило iхнi застосування в лазернiй обробцi матерiалiв. Для одного з таких завдань - видалення тонкого чорного шару на цифровому фотополiмерi - цi лазери пiдходять найбiльш оптимально, можна сказати, iдеально.
Рис. 1.3. Апарат Laser-Graver4003DS
Серед захiдних виробникiв додрукованих систем для цифровоi технологii флексографii, що використовують випромiнювачi даного типу - фiрми Hell, FlexoLaser, Cartomac. Фiрма ВлАльфаВ», провiдна росiйська компанiя, що займаiться виготовленням цих систем i поставляi iх не тiльки на вiтчизняний, але й на захiднi ринки, також перейшла на даний тип лазерiв. Восени 2001 р. ВлАльфаВ» зняла з виробництва машини LaserGraver, на базi Nd:YAG-лазерiв з ламповим накачуванням. Рiк тому кожна модель LaserGraver (рис. 1.3), мала чотири застосування: одно- або двопроменева (DualBeam) оптична система, з лазером з ламповим або з напiвпровiдниковим накачуванням. Тепер кожна машина iз заданим форматом пропонуiться лише у двох модифiкацiях - один або два променi, а як лазер завжди використовуiться волоконний лазер з напiвпровiдниковим накачуванням (активне середовище iттербiй, РЖЧ-випромiнювання).
Перед прийняттям цього рiшення був проаналiзований досить тривалий досвiд роботи систем LaserGraver з такими лазерами в умовах реальних виробництв флексографiчних форм у деяких iвропейських клiiнтiв. Тому зараз вiтчизняним користувачам фактично пропонуiться розвтАЩязок, перевiрений на заходi, що, безумовно, представляi додатковий iнтерес. Пропозицiя вiтчизняним полiграфiстам цих сучасних лазерних систем, що вiдповiдають прийнятим у данiй областi технiки свiтовим стандартам, стало можливим пiсля того, як розвиток волоконних лазерiв i розширення спектра iх застосування в промисловостi дозволило знизити на них цiни. Тому з'явилася можливiсть створити доступнi й вiтчизняним флексографiчним друкарям моделi устаткування.
На закiнчення пiдсумуiмо головнi переваги лазерних систем запису зображень на цифровому фото полiмерi, побудованих на базi волоконного лазера з напiвпровiдниковим накачуванням:
В· мале енергоспоживання, наприклад, системи LaserGraver являють собою практично офiсну технiку, живлення якоi здiйснюiться вiд звичайноi розетки;
В· нiякого водяного охолодження, для компонентiв волоконного лазера досить повiтряного охолодження;
В· вiдсутнiсть змiнних елементiв i профiлактичних операцiй з боку оператора;
В· зручнiсть для побудови багатопроменевих оптичних систем;
В· висока надiйнiсть устаткування. [7]
Переваги:
В· високий ККД до 40 % i бiльше;
В· висока якiсть (мала розбiжнiсть) випромiнювання тАУ до M2 ≈1.05 при вихiднiй потужностi 100 Вт;
В· можливiсть генерацii як неперервного, так i коротких (до нс) iмпульсiв випромiнювання з великою частотою (20 кГц i бiльше);
В· рекордно великi потужностi випромiнювання - до 50 кВт ( в 2005 р.) i це не межа;
В· ефективнiсть генерацii на багатьох довжинах хвиль (1.06 мкм (Nd, Yt), 1.56 мкм (Er), 1.75-2.0 мкм (Tu) i iн.) для обробки матерiалiв (1.06 мкм), медицини (1.75-2.0 мкм) i зв'язку (1.56 мкм);
В· зручнiсть електричного керування тимчасовими й перемикальними характеристиками;
В· електричне накачування (дiодiв) електроенергiiю з низькою напругою;
В· природна волоконна доставка випромiнювання;
В· висока надiйнiсть i великий ресурс роботи бiльше 1 млн. годин;
В· висока стабiльнiсть параметрiв В± 2%, стiйкiсть до механiчних, теплових забруднень навколишнього середовища (пилу) та iнших впливiв;
В· висока просторова й спектральна яскравiсть;
В· малi масо габаритнi розмiри.
Потужнi волоконнi лазери на iттербii (λ = 1050 −1080 нм)
Основнi характеристики:
Неперервний режим
В· вихiдна потужнiсть - до 50 кВт;
В· можлива модуляцiя вихiдного випромiнювання iз частотою 5 кГц;
В· ККД - 25 %;
В· вихiд - волокно 200 мкм;
В· якiсть пучка тАФ M2 = 2,5 − 6 мрад;
В· термiн служби - > 100 кiлогодин;
В· габарити - 86х81х150 см;
В· вага - 100 кг при 10 кВт.
РЖмпульсний режим:
В· середня вихiдна потужнiсть - до 200 Вт;
В· тривалiсть iмпульсу - 30-100 нс;
В· енергiя в iмпульсi тАУ 0,5-2 мДж;
В· частота проходження iмпульсiв - 20-100 кГц
В· волоконний вихiд;
В· зовнiшнi цифрове керування;
В· компактний з повiтряним охолодженням;
В· колiмований вихiдний пучок з M2 =1,4 − 5;
В· термiн служби - > 100 кiлогодин;
В· ККД - бiльше 10 %.
На рис. 1.4, 1.5 наведений зовнiшнiй вигляд деяких типових вузлiв волоконних лазерiв.
Рис. 1.4.
Рис. 1.5.
Ведучий генератор (а), пiдсилювач (б) i вихiдний колiматор волоконного лазера i загальний вид iмпульсного лазера потужнiстю 200 Вт ( 1 - одномодове активне оптичне волокно, 2 тАУ модуль напiвпровiдникового накачування). 700 Вт iттербiiвий волоконний лазер неперервноi дii (рис 1.4) i його робоча станцiя (рис 1.5). [8]
Потужнi iттербiiвi лазери Лазерний обробний центр iз 500 Вт, 1 кВт, 2 кВт. роботом для зварювання Al.
Таким чином, волоконнi лазери з комплексу властивостей найбiльш оптимальнi для застосування в системах цифровий флексографii й у цьому, мабуть, головна причина знаходження ними все бiльшоi популярностi в цiй областi технiки. [7]
Роздiл 2.Теоретичнi основи волоконних лазерiв
Оскiльки активним елементом волоконного лазера i оптичне волокно, розглянемо механiзми поширення оптичного випромiнювання у волокнi.
2.1 Поширення свiтла в оптичних волокнах
Принцип дii оптичного волокна базуiться на використаннi вiдомих процесiв вiдбивання i заломлення оптичноi хвилi на межi роздiлу двох середовищ з рiзними оптичними властивостями. Оптичнi властивостi матерiалу залежать вiд показника заломлення. В однорiдному середовищi електромагнiтна хвиля розповсюджуiться прямолiнiйно, проте на межi змiни густини середовища ii напрям i якiсний склад змiнюються. В спрощеному вapiaнтi розглянемо два середовища, що межують, з рiзною густиною. Розповсюджуючись в одному з них промiнь може досягати поверхнi iншого пiд деяким кутом а (до нормалi поверхнi). При цьому хвиля частково вiдбиваiться в середовище з якого прийшла пiд кутом b i частково проникаi в нове середовище в змiненому напрямi пiд кутом с. При падiннi променя на межу роздiлу двох середовищ в загальному випадку з'являються заломлена i вiдбита хвилi.
Вместе с этим смотрят:
Анализ режимов автоматического управления
Аргоновый лазер
Архитектуры реализации корпоративных информационных систем
Базы данных и их сравнительные характеристики
Выращивание плёнки GeSi и CaF2 на кремниевых подложках