Принцип работы, преимущества и применение волоконных лазеров

Волоконное оборудование является разновидностью твердотельных лазеров, в котором сложная система зеркал заменена тончайшим волокном, активированным специальными добавками. Волокно позволяет передавать излучение на любые расстояния с минимальными потерями мощности. Луч, создаваемый оборудованием подобного типа, отличается крайне малым углом расхождения, высокой мощностью, когерентностью и монохроматичностью.

Впервые передача лазерного излучения по оптоволокну была осуществлена в 1961 году. Однако стремительное развитие технологии началось лишь в конце 80-х годов прошлого века. Качественный прорыв в увеличении мощности лазеров волоконного типа был связан с применением полупроводниковых диодов накачки.

Принцип работы оборудования

Общая схема оборудования включает в себя следующие компоненты: модуль накачки, световод и резонатор.

Модуль накачки может состоять из широкополосных светодиодов, лазерных диодов или полупроводниковых диодов. Волоконные лазеры наибольшей мощности оснащаются именно полупроводниковыми диодами. Кроме этого, данные диоды просты в обслуживании, и не требуют дополнительных расходных материалов.

В системе волоконного лазера отсутствуют крупногабаритные резонаторы, которые характерны для оптических газовых моделей. Именно благодаря этому оборудование имеет компактные размеры. Резонатор реализован в самом оптическом волокне. Два основных принципа резонаторов в волоконном оборудовании:

• установка диэлектрических зеркал, которые располагаются непосредственно на торцах волокна;
• применение волоконных брэгговских решеток – создание структуры с модулированным показателем преломления (нанесение перпендикулярных оси волновода насечек).

Счетовод представляет собой тончайшие по диаметру нити кварца, имеющие ярко выраженный отражательный эффект. Диаметр волокна находится в диапазоне от четырех до сотен микрон. Однако при этом длина его может варьироваться от одного-двух до сорока метров, а внекоторых случаях и более. Различают два основных вида оптических волокон – эрбиевое и иттербиевое. Иттербиевое волокно используется в системах с меньшим диапазоном рабочих волн и позволяет увеличить мощность оборудования.

Запуск и подготовка оборудования занимает минимум времени – после включения диодов начинается накачка волокна и лазер готов выполнению работы. Выходящий из кабеля лазерный луч попадает на фокусирующую линзу лазерной головки, которая направлена на обрабатываемый материал. Как правило, данные системы устанавливаются на автоматизированные обрабатывающие станки и система управления лазером синхронизирована с механической частью станка.

Преимущества волоконных лазеров

Технология изготовления, а также свойства используемых материалов и компонентов наделяют волоконные лазерами целым рядом преимуществ перед конкурирующими моделями:

• высокая точность позиционирования луча;
• высокая мощность, которая ограничивается лишь количеством диодов накачки и может повышаться в зависимости от производственных требований;
• минимальный диаметр режущего луча;
• концентрированное излучение с минимальными угловыми расхождениями;
• длинна и гибкость кабеля позволяет устанавливать лазер на любое производственное оборудование;
• КПД до 30% (для сравнения – газовые лазеры обладают КПД всего 5%);
• длительный ресурс работы лазерного излучателя, не требуется сложное специальное техническое обслуживание;
• настройка и работа с оборудованием достаточно просты и не требует специального образования и обучения;
• малые габариты и вес, низкие затраты на транспортировку;
• бесшумная работа и практически полное отсутствие производственных отходов.

Благодаря данным преимуществам производители оборудования при комплектации станков предпочитают купить именно волоконный лазер, который превосходит газовые по экономическим, качественным и технологическим показателям. Они обеспечивают максимальную мощность и скорость обработки. А высокий КПД снижает энергозатраты – сравнительный анализ показал, что затраты на электроэнергию меньше в 6 раз относительно газовых лазеров аналогичной мощности.

Области применения

Лазерный станок с волоконным лазером имеет достаточно высокую цену. Несмотря на это, именно волоконные технологии занимают значительную долю в промышленном лазерном оборудовании.

Наибольшее распространение при комплектации лазерных станков получили волоконные лазеры серии ЛС-1. В промышленности иттербиевые волоконные лазеры применяются в основном для работы с металлами и для выполнения следующих операций:

• резка любых марок сталей большой толщины;
• поверхностная термообработка, отжиг;
• сверловка, пробивка отверстий;
• сварка, пайка;
• плакирование;
• маркировка, гравировка.

Кроме этого ведется активная работа для расширения возможностей лазерного волоконного станка для работы с неметаллами. Перспективными направлениями являются:

• бурение и обработка бетонов, грунтов;
• производство полупроводниковой электроники;
• микро- и нанообработка, в том числе и в хирургии;
• космические исследования и навигация спутников.

Использование волоконных лазеров является перспективной технологией и открывает все большие возможности.