Волоконный лазер, его преимущества. Принцип работы оптоволоконного лазера Принцип работы оптоволоконного лазера

Изучение проблемы лазерной резки металлов необходимо начать с рассмотрения физических основ работы лазера. Поскольку далее в работе все исследования точности лазерной резки тонколистовых материалов будут проводиться на лазерном комплексе, использующем иттербиевый волоконный лазер, рассмотрим устройство волоконных лазеров.

Лазер – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Волоконные лазеры были разработаны сравнительно недавно, в 1980-х годах. В настоящее время известны модели волоконных технологических лазеров мощностью до 20 кВт. Их спектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм. Использование таких лазеров позволяет обеспечить различные временные характеристики излучения.

В последнее время волоконные лазеры активно вытесняют традиционные лазеры из таких областей применения лазерной техники, как, например, лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать. Их используют в лазерных дальномера и трехмерных локаторах, аппаратуре для телекоммуникаций, в медицинских установках и т.д.

Основными типами волоконных лазеров являются непрерывные одномодовые лазеры, в том числе однополяризационные и одночастотные; импульсные волоконные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а также в произвольном режиме модуляции; перенастраиваемые волоконные лазеры; сверхлюминисцентные волоконные лазеры; мощные непрерывные многомодовые волоконные лазеры.

Принцип работы лазера основан на пропускании света фотодиода по волокну большой протяженности. Волоконный лазер состоит из модуля накачки (как правило, широкополосные светодиоды или лазерные диоды), световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированнное оптическое волокно - сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки. Конструкция резонатора обычно определяется техническим заданием, но можно выделить наиболее распространенные классы: резонаторы типа Фабри - Перо и кольцевые резонаторы. В промышленных установках для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке. На рис. 1.2 показана упрощенная схема устройства волоконного лазера.

Рис. 1.2. Типичная схема волоконного лазера.

1 - активное волокно; 2 - брэгговские зеркала; 3 - блок накачки.

Основной материал для активного оптического волокна – кварц. Высокая прозрачность кварца обеспечивается насыщенными состояниями энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые легированием, превращают кварц в поглощающую среду. Подобрав мощность излучения накачки, в такой среде можно создать инверсное состояние заселённостей энергетических уровней (то есть, высокоэнергетические уровни будут заполнены больше, чем основной). Исходя из требований на резонансную частоту (инфракрасный диапазон для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространённых типов волокон являетсяэрбиевое, используемое в лазерных и усилительных системах, рабочий диапазон которых лежит в интервале длин волн 1530-1565 нм. Вследствие различной вероятности переходов на основной уровень с подуровней метастабильного уровня, эффективность генерации или усиления отличается для различных длин волн в рабочем диапазоне. Степень легирования редкоземельными ионами обычно зависит от длины изготовляемого активного волокна. В пределах до нескольких десятков метров она может составлять от десятков до тысяч ppm, а в случае километровых длин - 1 ppm и менее.

Брэгговские зеркала – распределённый брэгговский отражатель - это слоистая структура, в которой коэффициент преломленияматериала периодически изменяется в одном пространственном направлении (перпендикулярно слоям).

Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной (так называемое волокно с двойным покрытием). Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая - из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом, первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. На рис. 1.3 показана схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.

Рис. 1.3. Схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.

К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров являются опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.

Волоконные лазеры проигрывают твердотельным в сферах применения, где требуется высокая стабильность поляризации, а использование сохраняющего поляризацию волокна затруднено по различным причинам. Твердотельные лазеры не могут быть заменены волоконными в спектральном диапазоне 0,7-1,0 мкм. Они также имеют больший потенциал для наращивания выходной мощности импульса по сравнению с волоконными. Однако волоконные лазеры показывают хорошие результаты на длинах волн, где не существует достаточно хороших активных сред или зеркал для лазеров иных конструкций, и позволяют с меньшими сложностями реализовывать некоторые лазерные схемы наподобие up-конверсии.

В ранее опубликованных статьях по тестированию технологического потенциала, волоконный лазер был разобран наиболее эффективное технологическое применение, а именно: резка, сварка, закалка, перфорация и очистка поверхности. Всё это может делать волоконный лазер.

Однако менеджерам и технологам промышленных предприятий крайне важно понимать помимо этого и экономические аспекты внедрения волоконного лазера в современных лазерных технологиях. Итак, давайте обсудим экономические вопросы про волоконный лазер, возникающие во время оценки проектов технического перевооружения.

Сразу необходимо отметить: отличия очень важны, так как новый волоконный лазер обладает целым рядом технических свойств и особенностей, из-за которых переносить на новую технику опыт применения классических лазеров не совсем корректно. Именно поэтому целесообразно начать, что такое волоконный лазер, прежде всего, с изложений данных особенностей и отличий.

Волоконный лазер:

Уникальный ресурс современных излучателей (более 100 000 часов с вероятностью продления ресурса при относительно небольших затратах) и практически нулевые эксплуатационные затраты. Обязательно с учетом фактического исключения части амортизации через ЕСН и НДС в существующей налоговой системе. Так как это может быть чрезвычайно важным экономическим фактором (т. е. часть амортизации остается непосредственно в вашем распоряжении потому что – не используется).

Минимальные затраты и время на подготовку помещения и пуско-наладку. Волоконный лазер в процессе пусконаладки называется термином «инсталляция».

Волоконный лазер, его невероятная универсальность лазерного источника. Как правило, волоконный лазер это образец источника «чистой» лучевой энергии, поэтому в нем самом практически нет технологической специфики, то есть – при диверсификации либо другой перестройке производства, волоконный лазер можно переориентировать с одного технологического процесса на иной. Такой источник можно даже назвать, конечно (с оговорками) – ликвидным, в том значении, что он сохраняет ценность и стоимость сам по себе. Отсюда начинают развиваться определенные сервисы обмена лазеров и лизинга (по этим вопросам целесообразнее всего контактировать напрямую с производителем).

Волоконный лазер, его главные характеристики:

Его вероятность наращивания мощности. Можно купить волоконный лазер с конструктивным запасом, к примеру, при поставке на мощность в 700 Вт, а затем просто докупить специальные блоки накачки, тем самым увеличить мощность, например, до 2400 Вт. При этом в производственной системе (процесс установки дополнительных блоков продолжается не более 3-х часов) – практически не нужно ничего менять. Это позволяет достаточно существенно снизить начальные капитальные вложения, а также нарастить производительность в необходимый для вашего производства момент.

Транспортировка излучения непосредственно по оптическому кабелю, длина которого составляет от 10 до 100 метров, в значительной степени упрощает проектирование, а так же компоновку технологических систем в целом. Можно использовать огромнейший ассортимент промышленной робототехники. Стоит отметить, что для осуществления некоторых производственных задач требуется всего лишь 3 компонента, а именно – волоконный лазер/технологическая головка/промышленный робот. Конечно, при отсутствии опыта все равно потребуются услуги фирмы-интегратора, однако суммарные затраты на организацию специфической производственной системы существенно снизятся.

Волоконный лазер это многофункциональный и многоцелевой технологический участок для максимальной загрузки лазерного источника. Естественно это не совсем легко как может показаться на первый взгляд, но вполне реально. А ввиду важности этой вероятности мы обсудим ее далее.

Вопрос специалистов и кадров в целом. Волоконный лазер избавляет предприятие от нужды содержать целый штат специалистов со знаниями сферы оптики, вакуумных систем и электрических разрядов. Волоконный лазер, для эксплуатации его ничего не требуется, так как обучение оператора занимает всего времени не более 1-ой недели. Конечно, это не избавит предприятие от потребности в грамотных технологах, но это уже другой вопрос, который непосредственно к самому лазеру совершенно не имеет отношения. Вполне можно задействовать существующий персонал и заодно обрести более качественный уровень производственной эффективности эффективности.

Волоконный лазер, его базовые технологии:

Эти 7 пунктов сами по себе способны вызвать высокий интерес к новому современному оборудованию. Для усиления эффекта следует перечислить некоторые базовые технологии:

  • лазерная резка металлов. Речь идет не только о классическом раскрое листа, но и весьма объемная резка, к примеру, с применением промышленных роботов;
  • лазерная перфорация (фильтрующие элементы, сетки) ;
  • лазерная сварка. Прежде всего, это шовная стыковая сварка высокой производительности без использования разделок кромок и присадочных материалов. Но сегодня технологи достаточно стремительно развивают гибридные процессы, то есть – комбинированные схемы сварки совмещением лазерного пучка и соответственно электрической дуги;
  • лазерная закалка (термообработка) – это процесс, который обеспечивает локальную закалку определенных фрагментов детали без основательного термического влияния на деталь;1
  • лазерная наплавка – это аналог действия дуговой наплавки, отличающийся высокой локальностью и точностью;
  • лазерная очистка от покрытий и загрязнений. Самый экологически чистый метод очистки, причем бесконтактный который потенциально способен конкурировать с массовыми технологиями, например, такими как пескоструйная чистка.

Переходя непосредственно к экономическим аспектам, стоит заметить что волоконный лазер, его система в настоящее время на порядок дороже классических лазеров СО2 и поэтому цена самого лазера составляет обычно значительную часть технологической системы в целом.
Волоконный лазер, в его минимальный набор входит: оборудования предназначенного для выполнения технологической операции лазером входят:

  • волоконный лазер обязательно с указанной стоимостью руб./кВт;
  • волоконный лазер имеет специальную лазерную технологическую головку, которая формирует поток излучения, а также потоки иных веществ непосредственно в зоне обработки;
  • манипулятор (роботизированный) для перемещения изделия или лазерной головки, а так же для общего и тщательного управления процессом. Если же применить уже готовый и универсальный волоконный лазер, соответственно затраты будут напрямую зависеть от комплектации и конечно же бренда.

Волоконный лазер его минимальный набор для лазерной технологической системы таков: 1 – лазер, 2 – технологическая головка, 3 – оптический кабель, 4 – манипулятор.

Таким образом, на технологическую систему обладающую мощностью в 1000 Вт, базовая сумма капитальных расходов составит примерно около 6 млн. руб. РФ. На самом деле это еще не все затраты, так как необходимо еще учесть затраты на программное обеспечение, на интеграцию, подготовку помещения и производства. Поэтому наиболее разумным для простоты расчетов будет предположить, что себестоимость вложений в целом – волоконный лазер, составит ориентировочно 2 цены. Подобная пропорция наблюдается в частности по лазерным станкам предназначенных для раскроя металла. Волоконный лазер обладает мощностью в 2000 Вт варьируются от 12-ти до 14-ти миллионов российских рублей. При этом лазерное раскройное оборудование представляет собой довольно-таки большую комплексную систему, имеющую большие габариты. Однако благодаря серийности и стандартной, хорошо обкатанной технологии – цена заметно снижается.

В прочих технологических процессах (например, таких как сварка, закалка) комплекс такого оборудования может быть значительно проще, но здесь стоит учесть, что на данном этапе такие технологии совершенно не пакетированы в типовые серийные комплексы (то есть в этом случае возникнут затраты на технологию и инжиниринг, причем весьма существенные). Поэтому коэффициент х2 для широкого класса использований при средней степени автоматизации (т. е. процесс обработки автоматический, а загрузка-выгрузка или полуавтоматическая или ручная) – может быть оправданным.

Экономика лазерных технологий путем анализа 2-х тестовых производственных задач

Рассмотрим первую производственную задачу, про волоконный лазер:

Итак, в качестве 1-ой тестовой задачи давайте рассмотрим массовое производство деталей цилиндрической геометрии, в которых потребно выполнить сварку 2-х полукорпусов в единый (цельный) герметичный корпус. Это стандартная задача изготовления различного вида фильтров. Сталь толщиной в 0,5-1 мм, при этом средний диаметр изделия составляет 60 мм. Цель задачи – максимальный производительный объем при минимальной себестоимости изделия.

Под эту задачу сама производственная система синтезируется практически автоматически. Для быстрой лазерной сварки подобного изделия нужно с помощью волоконного лазера мощностью примерно в 700 Вт (т. е. линейная скорость сварки составляет, порядка 50 мм/сек.), необходима довольно-таки простая сварочная головка, вращатель изделия (автоматизированный) и соответственно система загрузки-выгрузки заготовки. Для системы загрузки возможно применение простейшего лоткового питателя. Волоконный лазер, предполагается, что изделия, предназначенные под сварку, предварительно уже собраны рабочими. Однако в зависимости от уровня качества непосредственно заготовок (калибровка размеров) вполне может понадобиться система коррекции по стыку изделий – положения сварочной головки. В целом расходы на разработку и соответственно изготовление такой достаточно несложной системы укладываются примерно в 5 млн. руб.

Можно сделать небольшой вывод, после изложенного текста:

  • Экономические параметры системы значительно ухудшаются при уменьшении уровня загрузки оборудования и конечно персонала: при выпуске, к примеру, 10% изделий/деталей от предельной цифры производственного процесса себестоимость просто-напросто вырастет в 10 раз. Таким образом, в обоих случаях недогруженное достаточно дорогое оборудование и соответственно персонал сидит без работы.
  • В плане себестоимости так же ничего не дает и отказ от автоматизации: переход к неавтоматизированным технологическим процессам тоже увеличит себестоимость изделий, причем резко. Это произойдет из-за общего снижения производительности труда.
  • Использование лазерной технологии позволяет «выиграть» только лишь при максимальной загрузке (или хотя бы при близкой к максимуму) производственной системы и выгодной непосредственно для условий самого производства, причем крупносерийного. Чрезвычайно важным для подобных производств является высокое качество процесса лазерной обработки (т. е. воспроизводимость и стабильность).

Понятно, что для крупносерийных задач окупаемость сварки волоконный лазер может быть довольно-таки быстрой благодаря резкому росту общей производительности.

Рассмотрим вторую производственную задачу, про волоконный лазер:

Как правило, для многих реальных предприятий характерна существенно меньшая серийность, поэтому будет постоянно возникать проблема загрузки источника для лазера.

К примеру, некое предприятие изготавливает комплексное изделие, которое состоит из цилиндрического корпуса и к нему необходимо приварить крышку с мощным элементом крепления, а непосредственно к самой крышке еще нужно приварить 2 элемента. Внутри такого изделия также имеется шток, функционирующий в режиме истирания, поэтому требующий упрочнения, а так же фильтр для жидкости, исполненный в виде кольца к которому припаяна металлическая сетка. Предполагаемая серийность подобных изделий – 100 000 в год.

При типовой базовой технологии изготовления изделий применяются такие технологические процессы как:

  • изготовление поковок предназначенных для головки имеющей проушину;
  • сложная механизированная обработка поковки;
  • вырезка отверстий (нескольких) в корпусе механическим методом;
  • вварка в отверстия необходимых деталей;
  • приварка головки к основному корпусу – ручная дуговая, наблюдается большой процент брака, причиной которого является, в том числе и нарушения геометрии (т. е. смещение оси головки и оси цилиндра);
  • объемная закалка штока, хромирование и шлифовка;
  • вырезка кольцевой сетки;
  • последующая припайка сетки по внешнему и внутреннему контуру (достаточно трудно автоматизируемый процесс с высоким уровнем брака).

Изделие данной тестовой задачи: 1 – корпус, 2 – крышка, 3 – привариваемая деталь, 4 – кольцо с отверстиями, 5 – фильтрующая сетка. Волоконный лазер:

Можно ли применять волоконный лазер для выполнения либо упрощения технологического процесса в производстве такого изделия? Суть идеи состоит в следующем: использовать волоконный лазер непосредственно в режиме деления времени, тем самым загружать его ресурс разнохарактерными операциями. С технической точки зрения такая возможность существует, однако технические аспекты этого, мы обсудим в конце повествования.

По параметрам лазерной технологии волоконный лазер из базы данных мы оцениваем, прежде всего, то, что нам понадобится лазерный источник мощностью в 1500 Вт. Это, безусловно, минимальная мощность, которая требуется для надежной сварки элементов. Так как планируется многофункциональное применение лазера, то цена робототехнического оборудования, как правило, должна быть выше.

Необходимо упомянуть и крайне важное интегральное преимущество: рост уровня качества изделия является чрезвычайно важным и значимым конкурентным фактором непосредственно на рынке сбыта, что позволяет занять значительную его долю.

Стоит особенно подчеркнуть, что волоконный лазер его утилитарная осуществимость всех планируемых технологических процессов при использовании его уже проходила соответствующее тестирование и предварительные экспериментальные данные этих процессов – имеются.

Таким образом: волоконный лазер, его комплексное использование набора лазерных технологий вполне реально может дать довольно-таки большой суммарный эффект, но при условии, если лазерное оборудование будет полностью загружено!

Себестоимость лазерного варианта производства рассчитана только лишь при заниженном значении расходов промышленного предприятия, но при честном расчете стоимости минуты отлично видно, что запас рентабельности такого проекта настолько велик и очевиден, что он существенно выгоден даже при больших нормативах накладных расходов – и это факт!

Стоит также отметить волоконный лазер: проектант лазерной системы может предложить поделить технологическую функциональность на 2 лазерных комплекса ассиметрично (т. е. не поровну)- 1-й лазерный комплекс выполняет исключительно вырезку отверстий и сварочные работы, а 2-й остальные операции по изготовлению фильтров и закалке штоков. Либо же может оставить только лишь первый комплекс, который выполняет операции по первым двум факторам, ввиду их основного вклада в прибыльность проекта в целом. Волоконный лазер, эти решения однозначно будут определяться во многом так же и техническими моментами, а именно вопросами: «Как именно реализовывается многофункциональность?» - «Действительно ли это можно воплотить технически?» - «К каким непосредственно проблемам это может привести?». Рассмотрим варианты и возможности.

Волоконный лазер и его применение:

Использование робота с помещенной на его манипуляторе головкой лазера для предоставленной тестовой задачи – вполне удачное решение. В первую очередь робот способен автоматически с минимальной тратой времени на переходы осуществить приварку кольца к основной крышке со всех 4-ех сторон, а во время изготовления элементарного роторного позиционера продукции со съемом и ручной установкой будут минимизированы также и потери времени непосредственно на загрузку-выгрузку. Что, конечно же, правильно и для остальных операций резки и сварки.

Применение универсальных роботов обладает тем преимуществом, что затраты на проектирование, а затем изготовление нестандартного технологического оснащения и оснастки – практически исключаются. Так как основная тяжесть производственной подготовки ложится именно на подготовку определенных программ для робота, то есть его эффективности.

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОПОСТОВЫХ УЧАСТКОВ.

Данное решение требует разработки абсолютно для всех технологических операций отдельного технологического поста, который снабжен узкофункциональным манипулятором. Вслед за завершением определенной операции лазерная головка, соединенная оптическим кабелем с лазером, переустанавливается на иной технологический пост, переналаживается соответственно на другую операцию, выполняющуюся на этой же либо иной партии изделий.

Следом за завершением определенной операции волоконный лазер его лазерная головка, соединенная оптическим кабелем с лазером, переустанавливается на иной технологический пост, переналаживается соответственно на другую операцию и осуществляется обработка другой операции, выполняющаяся на этой же либо иной партии изделий.

Волоконный лазер, к огромному сожалению, иметь персональные лазерные технологические головки на разных постах пока что не представляется возможным. Так как отстыковка от головки оптического кабеля в цеховых условиях строго запрещена по причине запыленности, потому как малейшая пылинка из оптического волокна, при попадании на оптический выход, как правило, приводит этот выход к безвозвратному разрушению. Решение данной проблемы с нетерпением ждут все предприятия с подобным оборудованием, и возможно уже в ближайшем будущем оно все-таки будет найдено.

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ

Новая возможность, в настоящее время еще редко используемая. Главная суть ее в следующем: можно приобрести определенный спец-коммутатор лазерного пучка, соединенный своим входом с лазером, а на отдельных постах несколькими выходами с технологическими головками. Переключение излучения происходит достаточно быстро между постами, и такая система способна свести к минимуму утраты времени на смену изделий и технологические переходы.

Для этого система верхнего уровня обязана обеспечивать диспетчерские функции, а также распределять ресурсы лазерного источника непосредственно по запросам этих технологических постов. Так как в расчетах для формирования мы полагали: время загрузки-выгрузки, по меньшей мере, равно времени операции, в таком случае при применении подобного мультиплексора для реализации тестовой программы производства примерно 100 000 изделий будет достаточно всего одного лазера.

Себестоимость такого мультиплексора около 1-2 млн. руб. Кроме того, нужно отметить, что волоконный лазер можно заказать уже со встроенным мультиплексором, имеющим несколько выходов.

Пожалуй, единственный недостаток заключается – это, что мультиплексор немного ухудшает качество излучения (т. е. на выходе доводится использовать волокно гораздо большего сечения), однако это критично лишь при лазерной резке. Волоконный лазер,его подобная система является наиболее оптимальной и целесообразной. На мультиплексор дополнительные капитальные затраты многократно компенсируются благодаря уровню загрузки лазера.

Итак: 1 – лазер, 2 – оптический коммутатор, 3 – головки (технологические), 4 – технологические посты, 5 – центральная система управления.

Еще один важный вопрос, связанный с универсальностью самих лазерных головок: Если планируется использование промышленного робота или многопостового участка, то лазерная головка обязательно должна обладать свойством универсальности (то есть, уметь выполнять различные технологические процессы). На сегодняшний день западные производители подобных головок не выпускают!

Однако такая техника уже существует: в скором времени начнется серийное производство – универсальной перестраиваемой головки, которая может выполнять весь базовый спектр технологических операций с применением излучения волоконных лазеров (сварка, резка, закалка, перфорация). Адаптация головки к какой-либо конкретной операции осуществляется и за счет автоматического преобразования оптической системы, и за счет сменной технологической насадки (т. е. ее замены), которая крепится по принципу известного магнитного подвеса.

Волоконный лазер, его преимущества:

Оценки показывают: волоконный лазер располагает значительным экономическим потенциалом.

  • Высокая рентабельность волоконный лазер, проектов основанных на современных лазерах – обеспечивается исключительно при максимальной загрузке оборудования, то есть за счет достаточно существенной надежности и уникальности ресурса новых лазеров технически возможно.
  • Довольно-таки существенную перспективу могут иметь непосредственно многофункциональные технологические участки, обладающие разделением ресурса источника лазера.
  • Несмотря на значительные капиталовложения, окупаемость лазерного оборудования и лазерных технологических систем в целом – может быть весьма и весьма быстрой вплоть до 1-1,5 года.

Перевод Сергея Рогалева

Под термином «оптоволоконный лазер» обычно понимается лазер с оптическим волокном в качестве усиливающей среды, хотя некоторые лазеры с полупроводниковой усиливающей средой и волоконным резонатором также назвают оптоволоконными лазерами. В большинстве случаев усиливающей средой оптоволоконных лазеров является волокно, допированное редкоземными ионами, такими как эрбий (Er 3+), неодим (Nd 3+), иттербий (Yb 3+), тулий (Tm 3+) или празеодимий (Pr 3+). Для накачки используются один или несколько лазерных диодов.

Резонатор оптоволоконного лазера

Для создания линейного резонатора оптоволоконного лазера, необходимо использовать некоторый отражатель (зеркало), или же создать кольцевой резонатор (кольцевой оптоволоконный лазер).

В линейных резонаторах оптоволоконного лазера используются различные типы зеркал:

· В простых лабораторных установках обычные диэлектрические зеркала могут прикрепляться к перпендикулярно сколотым концам волокна, как показано в рисунке 1. Этот подход, однако, не очень практичен для массового производства и также не очень надежен.

· Френелевское отражение от торца волокна часто достаточно для использования в качестве выходного зеркала резонатора волоконного лазера. На Рис. 2 приведен пример.

· Также возможно внести диэлектрические покрытия непосредственно на концах волокна, обычно методом напыления. Такие покрытия могут использоваться для отражения в широком диапазоне.

· Во многих волоконных лазерах используются волоконные брэгговские решетки, сформированные непосредственно в легированном волокне, или в нелегированном волокне, спаянным с активным слоем. Рисунок 3 показывает лазер распределенным брэгговским отражателем (РБО лазер) с двумя волоконными решетками, но есть также лазеры с распределенной обратной связью с одной решеткой в легированных волокнах со сдвигом фазы в середине.

· Лучшие характеристики по мощности можно получить за счет использования коллиматора на выходе света из волокна и отражения его обратно с помощью диэлектрического зеркала (рис. 4). Интенсивность на зеркале значительно снижается из-за гораздо большей площади пучка. Однако, небольшое смещение может привести к существенным потерям при отражении, поляризационно-зависимые потери и т.д.

· Другой вариант заключается в использовании зеркала в форме петли волокна (рис. 5), на основе волоконной муфты (например, с коэффициентом разделения 50:50) и куска пассивного волокна.

Большинство волоконных лазеров накачиваются одним или несколькими диодными лазерами с волоконными выходами (излучение лазерного диода вводится в волокно). Накачка света может осуществляться непосредственно в сердцевину, или во внутреннюю оболочку волокна в мощных лазерах.

Технические преимущества волоконного иттербийвого лазера.

Волоконные лазеры производства Telesis, такие как Zenith 10FQ , представляют собой современную и уникальную концепцию генерирования лазерного луча; оптическое волокно является средой, генерирующей лазер.

Типичные твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSSL) обладают оптоволоконными источниками света, которые используются для передачи света в удалённый кристалл, являющийся средой для генерирования лазера. Традиционные твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSSL) могут быть описаны как “удалённый диодный источник света, передающий свет по волокну, которое служит для торцевой накачки света в твердотельный кристалл”. Большинство систем DPSSL (diode pumped solid state laser), имеющихся сегодня на рынке, представляют собой лазеры с торцевой диодной накачкой.

Дизайн волоконного лазера Zenith 10FQ является прорывом в лазерной технологии и является адаптацией многих технических разработок лазеров, используемых в военной и телекоммуникационной сферах. Корпорация Telesis внедрила эти технические разработки в промышленные лазерные маркирующие системы. Ввиду своего исторического развития волоконные лазеры Telesis более легко интегрируются в промышленные процессы и адаптируются к широкой сфере применений, в отличие от более традиционных лазеров с диодной накачкой и волоконной передачей света.

Технические преимущества волоконных лазеров, таких как Zenith 10FQ , в сравнении с традиционными лазерами с диодной накачкой:

    Волоконные лазеры не требуют специального обслуживания

    1. Выверенная твердотельная технология

      • Меньше компонентов , требующих обслуживания

      2. Нет необходимости настраивать источник света под оптику камеры накачки

      • Оптика камеры накачки “внедрена” в активное волокно

      Нет необходимости в оптимизации лазерного источника света

      • На предприятии-изготовителе д иодный источник света фиксирован в оптимизированном положении в активной волоконной среде, генерирующей лазер.

      Нет необходимости вручную выбирать диодные источники света в границах узкого рабочего окна в надежде оптимизировать технические характеристик.

      • Диодные источники света охватывают широкий спектр, что резко увеличивает срок службы диода и обеспечивает стабильную работу.

        Диодные источники света являются широкополосными и изготовлены в соответствии с жёсткими требованиями, предъявляемыми к телекоммуникационным устройствам по непрерывной работе в экстремальных условиях. Технические условия предусматривают параметры изделий, в два раза превышающие те, которые когда-либо потребуются при промышленном применении.

      Самокалибрующийся, работающий по принципу «установил и забыл» лазер для эксплуатации без операторского сопровождения 24 часа в сутки 7 дней в неделю.

      • Система Zenith 10FQ осуществляет автоматический мониторинг мощности лазерного источника, постоянно реагирует на ситуацию, что позволяет поддерживать уровень мощности независимо от изменений в подаваемом напряжении или возможного незначительного ухудшения отдельных диодов.

        В лазерной системе Zenith ® даже при самом невероятном развитии событий, когда один диод выйдёт из строя (в каждой системе 6 накачивающих диодов), другие диоды автоматически настроят свою мощность для компенсации потери.

      Среднее время наработки на отказ составляет 100.000 часов непрерывной работы.

      Испытано в реальных условиях

      • Тысячи волоконных лазеров круглосуточно используются в военной сфере и сфере телекоммуникации.

    Волоконные лазеры Zenith ® могут работать в более суровых окружающих условиях, чем традиционные лазеры.

    1. Твердотельный дизайн позволяет лазеру быть устойчивым к более значительным колебаниям температур, чем способен лазер с диодной накачкой.

      Оптика накачивающей камеры системы Zenith 10FQ «впаяна» в активное волокно, что позволяет использовать установку в условиях повышенной влажности, до 90% (без конденсата), что является гораздо более высоким значением, чем ограничения для традиционных лазеров с диодной накачкой с незащищённой оптикой камеры накачки.

    В качестве стандартной функции волоконный лазер Zenith 10FQ обладает встроенными в панель измерителем мощности и индикаторами ошибок.

    • Цифровые измерители мощности показывают реальную мощность лазера на передней панели контроллера. Индикаторы ошибок на панели предоставляют моментальную информацию по состоянию лазерной маркирующей системы.

      Самокалибрующаяся мощность лазера, монитор с информацией о мощности и индикаторы ошибок, а также высокий срок службы диодов и дублирующая цепь приводит к тому, что оператору не нужно проводить еженедельную проверку и настройку, которые являются неотъемлемой чертой стандартных лазерных систем с торцевой диодной накачкой.

    Воздушное охлаждение, теплоотведение

    1. Волоконные лазеры Telesis нагреваются меньше, чем любые другие лазеры, благодаря превосходному КПД преобразования питания.

      • Нет необходимости в водяном охлаждении, которое может протечь, или сложных охлаждающих схемах, таких как активные охлаждающие плиты Thermoelectric , которые могут выйти из строя.

    Одномодовая волоконная подающая линия с практически идеальным профилем луча

    1. Стабильность луча во время работы означает высокое качество маркировки и формирования символов вне зависимости от установок.

      • Качество луча (фактор M 2) для лазера Zenith 10FQ составляет менее 2 (между 1.5 и 1.8 в зависимости от выбранной оптики), что создаёт форму луча, оптимальную для маркировки металла и пластика.

        Качество профиля луча остаётся одинаковым при динамике рабочего диапазона от 0.01 до 10 Вт выходной мощности (в отличие от большинства систем с диодной накачкой, которые нестабильны при нижних 5% и верхних 10% рабочего диапазона).

      2. Идеальный профиль луча означает, что на изделие можно направлять более высокие уровни энергии, что позволяет:

      • Осуществить более быструю и глубокую маркировку на материале

        Направить высококачественный фокусируемый луч с лучшей управляемостью на нежелательные заново отлитые и подверженные термической обработке зоны.

        Сократить цикл работы

    Высокая скорость повтор ений модуляции нагрузки добротности луча (beam Q - switching )

    1. Высокая скорость повторений с оптимизированными импульсами позволяет достичь того, что иногда называется “более холодный лазерный луч ”

      • Ограничивает ся нежелательное сжигание пластика, фольги, бумаги или субстрата.

        Можно маркировать более широкий диапазон пластиковых материалов, добиваясь контраста при обесцвечивании только маркируемой области.

        Огранич ение газообразования при маркировке материалов, таких как пластик, в процессе чего возникают неравномерные накопления отходов на некоторых материалах.

        Проще регулировать глубину маркировки .

    Простое и стандартной подключение к переменному току и высокие КПД потребления электричества

    1. Один из самых производительных лазеров из когда-либо созданных

      • Общая сила тока для Zenith 10FQ (только лазера) составляет всего лишь 2 А. Подаваемое напряжение - 230 В, 60Гц.Примечание : подаваемое электричество должно иметь предохранитель на 250В при 6 А

    При добавлении внешних устройств или приспособлений для автоматической подачи сила тока увеличивается, что повышает потребление питания всей системой

    Внешне водяное охлаждение не требуется.

Энергетический КПД в два раза превышает значение самой лучшей системы с диодной накачкой.

  • При работе системы Zenith 10FQ (только лазер) потребляется менее 600Вт. Обычный лазер с диодной накачкой потребляет более 1,15КВт.

    Со временем маркирующая лазерная система Zenith 10FQ позволит достичь значительную экономию на потребляемой энергии

Zenith 10FQ менее восприимчив к небольшим изменениям в подаваемом питании, чем большинство лазерных систем с диодной накачкой.

  • Используются широкополосные диоды для достижения максимальной производительности

    Внутренняя контролирующая цепь для коррекции мощности лазера

    Простой и рациональный промышленный дизайн

    1. Встроенный диод с красным светом фокально выровненный с основным лазерным направлением

      • Простая настройка и холостой запуск

      2. Расстояние между лазерным контролером и фокусирующего оптического блока может быть до 5 метров (Telesis оставляет за собой право конфигурировать длину подающего волокна для оптимизация конкретных условий применения).

      • Небольшая лёгкая головка может быть интегрирована практически в любом положении.

        Гибкая армированная защита вокруг оптических частей

      Стандартный 19-дюймовый контроллер, монтируемый на стойку

      Управление посредством гибкого , усовершенствуемого, стандартного персонального компьютера.

      • Стандартные настольные компьютеры и мониторы

        В качестве опции поставляются портативные компьютеры с интерфейсными картами

    Простота в обслуживании

    1. Нет необходимости в расходных лампах или фильтрах

      Упрощенный модульный дизайн включает четыре блока, которые могут потребовать обслуживания или замены любым техником прямо на месте.

      • ПК или ПО

        Лазерный контроллер / лазерный источник

        Армированный кабель / кабельный интерфейс

        Фокусирующий оптический блок

Экономические преимущества волоконного лазера Zenith 10FQ

  1. Гарантия
    1. Гарантия на диодные источники света Zenith 10FQ составляет невероятные 20.000 часов (замеряемые на встроенном таймере лазерного источника) или два года с даты поставки.
      • Опыт эксплуатации данных волоконных лазеров показывает время наработки на отказ около 75.000 часов, в среднем. (мы рекламируем это достижение как “Эксплуатация системы без обслуживания более 50.000”).
    2. Большинство система с торцевой диодной накачкой могут предложить только гарантию 10.000 часов на источник света ввиду вручную выбираемых узкополосных диодов, необходимых для работы, и непроизводительность удалённой торцевой накачки кристалла, генерирующего лазер. Некоторые компании предлагают сложную схему пропорциональных 15,000 часов, при которых вы платите за процент времени, в течение которого вы «потребляли» диодный источник.
      • На ранних этапах существования систем с диодной накачкой целью было получить наработку на отказ 10.000 часов.
      • Опыт использования систем с диодной накачкой нового поколения показывает средний срок наработки на отказ - около 15.000 часов.
      • При использовании Zenith 10FQ это произойдёт между 50.000 и 100.000 часами, при этом 75.000 часов является средним значением.
        • Например, при трёхсменной работе, 24 часа в сутки, 50 недель, получаем 8.400 часов в год; тогда средний показатель наработки на отказ 75.000 часов означает замену диода раз в 9 лет при использовании системы Zenith 10FQ .
      • Замена диода в системе с диодной накачкой произойдёт между 10.000 и 20.000 часами, при этом среднее количество часов - 15.000.
        • Например, при трёхсменной работе, 24 часа в сутки, 50 недель, получаем 8.400 часов в год; тогда средний показатель наработки на отказ 15,000 часов означает замену диода раз в 2 года при использовании систем с диодной накачкой.
  2. Большой срок эксплуатации до потребности в замене частей
    1. В конце концов, все диодные источники света потребуют замены или обслуживания за счёт пользователя.
  3. Эксплуатационные расходы (преимущество Zenith 10FQ )
    1. Худший вариант развития событий.
      • Стоимость замены диодного источника света для Zenith® 10F составляет около $8,550. Стоимость замены источника света для типичной системы торцевой диодной накачки составляет около $7,500. При худшем варианте развития событий при использовании Zenith 10FQ , когда источник придётся менять вне гарантии, рассчитаем затраты на замену источника света стоимостью $8.500 после срока гарантии, составляющего 50.000 часов. 1.8,500 долларов разделить на 50.001 час, что составит $0.17 в час при использовании Zenith 10FQ (в худшем случае).
      • При худшем варианте развития событий при использовании типичной системы с торцевой диодной накачкой рассчитаем затраты на замену источника света стоимостью $7.500 после срока гарантии, составляющего 10.000 часов. 1.7,500 долларов разделить на 10,001 час, что составит $0.75 в час при использовании системы с диодной накачкой (в худшем случае).
    2. Лучший вариант развития событий. Принимая во внимание, что среднее время наработки на отказ волоконной лазерной системы Zenith 10FQ составляет 100.000 часов, а типичной системы с диодной накачкой - 15,000 часов, тогда:
      • При лучшем варианте развития событий для Zenith 10FQ затраты на замену источника света стоимостью $8.500 с учётом наработки на отказ 100.000 часов составят: $8.500 разделить на 100,000 часов, что составит $0.09 в час при использовании Zenith 10FQ (в лучшем случае).
      • При лучшем варианте развития событий для типичной системы с торцевой диодной накачкой затраты на замену источника света стоимостью $7.500 с учётом наработки на отказ 15.000 часов составят: $7.500 разделить на 15,000 часов, что составит $0.50 в час при использовании системы с диодной накачкой (в лучшем случае).
  4. Ежедневное потребление энергии
    1. Волоконные лазеры обладают в два раза большим энергетическим КПД, чем самые лучшие системы с диодной накачкой. При работе Zenith® 10FQ в полную мощность (только лазер) потребляется менее 600 Вт электрической энергии.
      • Например, при использовании Zenith 10FQ , если, в среднем, кВт/час стоит 2 руб. за кВт; тогда потребление за одни сутки непрерывного использования составят 600 Вт/час умножить на 24 час равно 14.4 кВт.
      • При стоимости 1 кВт 2 руб. максимальные затраты в сутки составят: 2 руб. Х 14.4 кВт = 28,80 руб. при использовании Zenith 10FQ .
    2. Типичная система с диодной накачкой потребляет более 1,15 кВт электрической энергии.
      • Например, при использовании системы с диодной накачкой, если, в среднем, кВт/час стоит 2 руб. за кВт; тогда потребление за одни сутки непрерывного использования составят 1.150 Вт/час умножить на 24 час равно 27,6 кВт.
      • При стоимости 1 кВт 2 руб. максимальные затраты в сутки составят: 2 руб. Х 27.6 кВт = 55,20 руб. при использовании типичной системы с диодной накачкой.

Преимущества волоконного лазера перед лазерами с диодной и ламповой накачкой

    Лучшее качество луча

    Более высокий электрический КПД

    Большая надёжность

    Низкие эксплуатационные расходы

    Низкие расходы на обслуживание

    Небольшой размер

    Удалённая передача луча

    Гарантия - 20 тыс. часов работы

    Наработка на отказ от 30 до 50 тыс. часов. Среднее время - 100 тыс. часов до выхода элемента накачки лазера из строя

В основе подобных станков лежит оптоволоконный лазер. Он отличается очень высоким качеством излучения при малых габаритах устройства. Кроме того, оборудование легко охлаждается и не требует трудоемкого обслуживания. Оптоволоконные лазерные граверы получили широкое распространение в таких сферах, как:

  • производство сувенирной продукции;
  • автомобилестроение, изготовление медицинского оборудования и другие отрасли, где необходима качественная коррозионно-стойкая маркировка деталей;
  • производство ювелирных изделий и бижутерии;
  • изготовление памятников и ритуальной продукции;
  • декорирование мебели и элементов интерьера.

Волоконные лазерные граверы отличаются несколько более высокой ценой в сравнении с СО 2 -станками. Но это обстоятельство компенсируется рядом преимуществ, которыми обладает подобное оборудование:

  • более высокий КПД, благодаря чему лазер отличается низким расходом электроэнергии при хорошей мощности;
  • работа волоконных лазерных граверов основана на применении диодов, которые характеризуются компактностью, надежностью и долговечностью;
  • сверхмалый размер луча, способствующий более высокому разрешению при гравировке и позволяющий создавать микроскопические изображения с отличной детализацией.

Как выбрать оптоволоконный лазерный гравер

При покупке оборудования необходимо уделить внимание следующим характеристикам:

  • мощность. Она должна соответствовать типу обрабатываемого материала, а также требуемой производительности станка;
  • размеры гравировального поля. Они определяют максимальные габариты заготовки, которую сможет обработать станок;
  • функциональность и наличие дополнительных опций.