Напрямки розвитку волоконної оптики

Вступ

Одним з основних напрямків розвитку волоконної оптики в теперішній час є створення волоконних лазерів, що генерують в нових спектральних діапазонах. (4) Волоконні лазери були розроблені порівняно недавно, в 1980-х роках минулого сторіччя. З лазерів з напівпровідниковим накачуванням найбільш популярними є волоконні лазери.

У цей час відомі моделі волоконних технологічних лазерів потужністю до 20 кВт. Ці пристрої мають невисоку вартість, компактні, зручні для сполучення з магістральним волокном при мінімумі внесених втрат. Сьогодні ці пристрої досягли рівня характеристик, у першу чергу, потужності, надійності, що дозволяють із успіхом використовувати їх для розв’язку різних завдань лазерної обробки матеріалів. Вони являють собою практично ідеальні перетворювачі світлової енергії лазерних діодів накачування в лазерне випромінювання з рекордним ККД, у порівнянні, наприклад, із твердо тільними Nd:YAG-лазерами. (5)

Волоконні лазери володіють унікальним набором робочих характеристик і високими експлуатаційними якостями. У дослідницькій практиці отримана генерація в ближній інфрачервоній області спектра на великій кількості активних середовищ, реалізованих легуванням волоконних світловодів рідкоземельними елементами. (4)

Основним елементом волоконних лазерів є волоконний світловод з подвійною оболонкою, одномодова серцевина якого легована домішкою рідкоземельного елементу. Випромінювання накачування, зазнаючи повного внутрішнього відбивання на границі з зовнішньою полімерною оболонкою, розповсюджується по внутрішній оболонці з кварцевого скла. Перетинаючи серцевину, випромінювання накачування поглинається іонами рідкоземельного елементу, при цьому генерація виникає в одномодовій серцевині з характерним поперечним розміром 5-10 мкм. Таким чином, волоконний лазер з накачуванням в оболонку є приладом, який підвищує густину потужності випромінювання на 2-3 порядки. (6)

Найбільше поширення одержали неодимові, іттербієві, ербієві волоконні лазери (1). Значний інтерес викликають лазери, генерація яких відбувається за допомогою вимушеного комбінаційного розсіяння (ВКР) у волокні. Внаслідок аморфності скла волоконних світловодів спектр ВКР-підсилення широкий і тому можлива генерація такого лазера на будь-якій довжині хвилі в діапазоні від 1 до 2 мікрон (2). Застосування фосфосилікатних волоконних світловодів становить особливий інтерес, так як вони мають велику величину стоксового зсуву, що становить ~1300 см^-1 (3). (4)

Створення таких лазерів стало результатом багаторічного розвитку лазерної техніки. Останнім часом волоконні лазери активно витісняють традиційні лазери з таких областей застосування лазерної техніки, як, наприклад, лазерне різання й зварювання матеріалів, маркування й обробка поверхонь, поліграфія й швидкісне лазерне друкування. Їх використовують у лазерних далекомірах і тривимірних локаторах, апаратурі для телекомунікації, у медичних установках і інших сферах промислових і військових комплексів.(5)

Розділ 1. Тенденції розвитку волоконних лазерів. Використання волоконних лазерів у різних галузях

Лазерна техніка не стоїть на місці, розвивається, у тому числі відбувається й постійне вдосконалювання тих типів лазерів, які використовуються в лазерних системах для цифрової флексографії.

Говорячи про сьогоднішній день цифрової технології флексографії, слід зазначити, що зараз у лазерних системах запису зображень домінують лазери з так званим напівпровідниковим накачуванням. Їхні основні переваги, на відміну від лазерів з ламповим накачуванням у тому, що вони споживають значно менше електроенергії; не потрібні зовнішнє водяне охолодження, у конструкції цих лазерів відсутні змінні компоненти (у ламповій системі, наприклад, лампу накачування доводиться міняти кожні 500-1000 год. роботи). В лазерах з напівпровідниковим накачуванням «часи життя», що перевищують 10000 год. дозволяють будувати надійні й, разом з тим, зручні системи лазерного запису, експлуатувати які могли б оператори, що не є фахівцями в лазерній техніці, що надзвичайно важливо для поліграфічних підприємств. Інша істотна особливість таких систем полягає в тім, що за названий час лазерна система повністю відкуповує себе - це надзвичайно важливо при плануванні інвестицій.

З лазерів з напівпровідниковим накачуванням, у свою чергу, найбільш популярними стають волоконні лазери (Fiber Laser або Faser). Сьогодні ці пристрої досягли рівня характеристик, у першу чергу, потужності, надійності, що дозволяють із успіхом використовувати їх для розв’язання різних завдань лазерної обробки матеріалів. Дуже часто волоконні лазери заміняють у додатках лазери інших типів, наприклад, твердо тільні Nd:YAG-лазери. Вони являють собою практично ідеальні перетворювачі світлової енергії лазерних діодів накачування в лазерне випромінювання з рекордним ККД, у порівнянні, наприклад, з Nd:YAG-лазерами. Створення таких лазерів стало результатом багаторічного розвитку лазерної техніки.

Говорячи про технічну сторону справи, варто зупинитися на деяких конструкційно-технологічних і експлуатаційних перевагах систем з волоконними лазерами.

Спочатку зупинимося на технічних особливостях самих волоконних лазерів з напівпровідниковим накачуванням. Саме загальне подання про них давалося на сторінках журналу приблизно рік тому у загальному огляді лазерів, застосованих для технологій Computer-to-Plate. Нагадаємо деякі найбільш важливі особливості цих лазерів. На рис. 1.1 представлена схема роботи волоконного лазера з напівпровідниковим накачуванням і в загальному виді весь оптичний тракт аж до оброблюваного матеріалу.

Рис. 1.1. Оптична система з волоконним лазером: 1 — серцевина, легована металом, діаметр 6–8 мкм; 2 — кварцове волокно, діаметр 400–600 мкм; 3 — полімерна оболонка; 4 — зовнішнє захисне покриття; 5 — лазерні діоди оптичного накачування; 6 — оптична система накачування; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коліматор; 9 — модулятор світла; 10 — фокусуюча оптична система

Головна особливість цього лазера в тому, що випромінювання тут відбувається в тонкому, діаметром усього в 6-8 мкм, волокні (серцевині - наприклад, активне середовище іттербій), що фактично перебуває усередині кварцового волокна діаметром 400-600 мкм. Випромінювання лазерних діодів накачування вводиться у кварцове волокно й поширюється уздовж усього складного складеного волокна, що має довжину кілька десятків метрів. Це випромінювання «перетинає», тобто оптично накачує серцевину, саме в ній на атомах іттербія (Yb) відбуваються ті фізичні перетворення, що приводять до виникнення лазерного випромінювання. Поблизу кінців волокна на серцевині є два дифракційних дзеркала - у вигляді набору «насічок» на циліндричній поверхні серцевини (дифракційні решітки); у такий спосіб створюється резонатор волоконного лазера. Загальну довжину волокна й кількість лазерних діодів вибирають, виходячи з необхідної потужності, ефективності. На виході отримуємо ідеальний одномодовий лазерний пучок з досить рівномірним розподілом потужності, що дозволяє сфокусувати випромінювання в пляму малого розміру й мати більшу, ніж у випадку потужних твердо тільних Nd:YAG-лазерів, глибину різкості, а це надзвичайно важлива для лазерних систем властивість, особливо для багатопроменевих оптичних систем (рис. 1.2).

Також варто відзначити, що ряд властивостей випромінювання волоконних лазерів, наприклад, характер поляризації пучка, робить більш зручним і надійним керування цим випромінюванням за допомогою акустооптичних компонент, дозволяє реалізувати багатопроменеві схеми запису зображень. У цілому підвищується надійність усього оптичного тракту лазерної системи. Оскільки оптичне накачування йде по всій довжині волокна, відсутні, наприклад, властиві звичайним твердо тільним лазерам ефекти, як термолінза в кристалі, спотворення хвильового фронту внаслідок дефектів самого кристала, девіація променя з часом та ін. Ці ефекти завжди були перешкодою для досягнення максимальних можливостей твердо тільних систем. У волоконному ж лазері сам принцип його пристрою й роботи гарантує високі характеристики і робить такі лазери практично ідеальними перетворювачами світлового випромінювання в лазерне.

Рис. 1.2. Форма пучка різних лазерних джерел: а - волоконні лазери, одно модовий режим; б - Nd:YAG-лазери, багато модовий режим; в - випромінювання лазерних діодів

Цікава історія розвитку цих лазерів. Спочатку це були підсилювачі волоконних ліній зв'язку, у яких використовується такий же фізичний принцип підсилення сигналу, що й при генерації лазерного випромінювання. Такі підсилювачі широко використовуються в системах телекомунікації на базі оптичних волокон. Розвиток цих пристроїв привів до того, що потужність створеного ними оптичного випромінювання досягло декількох десятків ват, а це уможливило їхнє застосування в лазерній обробці матеріалів. Для одного з таких завдань - видалення тонкого чорного шару на цифровому фотополімері - ці лазери підходять найбільш оптимально, можна сказати, ідеально.

Рис. 1.3. Апарат Laser-Graver4003DS

Серед західних виробників додрукованих систем для цифрової технології флексографії, що використовують випромінювачі даного типу - фірми Hell, FlexoLaser, Cartomac. Фірма «Альфа», провідна російська компанія, що займається виготовленням цих систем і поставляє їх не тільки на вітчизняний, але й на західні ринки, також перейшла на даний тип лазерів. Восени 2001 р. «Альфа» зняла з виробництва машини LaserGraver, на базі Nd:YAG-лазерів з ламповим накачуванням. Рік тому кожна модель LaserGraver (рис. 1.3), мала чотири застосування: одно- або двопроменева (DualBeam) оптична система, з лазером з ламповим або з напівпровідниковим накачуванням. Тепер кожна машина із заданим форматом пропонується лише у двох модифікаціях - один або два промені, а як лазер завжди використовується волоконний лазер з напівпровідниковим накачуванням (активне середовище іттербій, ІЧ-випромінювання).

Перед прийняттям цього рішення був проаналізований досить тривалий досвід роботи систем LaserGraver з такими лазерами в умовах реальних виробництв флексографічних форм у деяких європейських клієнтів. Тому зараз вітчизняним користувачам фактично пропонується розв’язок, перевірений на заході, що, безумовно, представляє додатковий інтерес. Пропозиція вітчизняним поліграфістам цих сучасних лазерних систем, що відповідають прийнятим у даній області техніки світовим стандартам, стало можливим після того, як розвиток волоконних лазерів і розширення спектра їх застосування в промисловості дозволило знизити на них ціни. Тому з'явилася можливість створити доступні й вітчизняним флексографічним друкарям моделі устаткування.

На закінчення підсумуємо головні переваги лазерних систем запису зображень на цифровому фото полімері, побудованих на базі волоконного лазера з напівпровідниковим накачуванням:

· мале енергоспоживання, наприклад, системи LaserGraver являють собою практично офісну техніку, живлення якої здійснюється від звичайної розетки;

· ніякого водяного охолодження, для компонентів волоконного лазера досить повітряного охолодження;

· відсутність змінних елементів і профілактичних операцій з боку оператора;

· зручність для побудови багатопроменевих оптичних систем;

· висока надійність устаткування. (7)

Переваги:

· високий ККД до 40 % і більше;

· висока якість (мала розбіжність) випромінювання – до M² ≈1.05 при вихідній потужності 100 Вт;

· можливість генерації як неперервного, так і коротких (до нс) імпульсів випромінювання з великою частотою (20 кГц і більше);

· рекордно великі потужності випромінювання - до 50 кВт ( в 2005 р.) і це не межа;

· ефективність генерації на багатьох довжинах хвиль (1.06 мкм (Nd, Yt), 1.56 мкм (Er), 1.75-2.0 мкм (Tu) і ін.) для обробки матеріалів (1.06 мкм), медицини (1.75-2.0 мкм) і зв'язку (1.56 мкм);

· зручність електричного керування тимчасовими й перемикальними характеристиками;

· електричне накачування (діодів) електроенергією з низькою напругою;

· природна волоконна доставка випромінювання;

· висока надійність і великий ресурс роботи більше 1 млн. годин;

· висока стабільність параметрів ± 2%, стійкість до механічних, теплових забруднень навколишнього середовища (пилу) та інших впливів;

· висока просторова й спектральна яскравість;

· малі масо габаритні розміри.

Потужні волоконні лазери на іттербії (λ = 1050 −1080 нм)

Основні характеристики:

Неперервний режим

· вихідна потужність - до 50 кВт;

· можлива модуляція вихідного випромінювання із частотою 5 кГц;

· ККД - 25 %;

· вихід - волокно 200 мкм;

· якість пучка — M² = 2,5 − 6 мрад;

· термін служби - > 100 кілогодин;

· габарити - 86х81х150 см;

· вага - 100 кг при 10 кВт.

Імпульсний режим:

· середня вихідна потужність - до 200 Вт;

· тривалість імпульсу - 30-100 нс;

· енергія в імпульсі – 0,5-2 мДж;

· частота проходження імпульсів - 20-100 кГц

· волоконний вихід;

· зовнішнє цифрове керування;

· компактний з повітряним охолодженням;

· колімований вихідний пучок з M² =1,4 − 5;

· термін служби - > 100 кілогодин;

· ККД - більше 10 %.

На рис. 1.4, 1.5 наведений зовнішній вигляд деяких типових вузлів волоконних лазерів.

Рис. 1.4.

Рис. 1.5.

Ведучий генератор (а), підсилювач (б) і вихідний коліматор волоконного лазера і загальний вид імпульсного лазера потужністю 200 Вт ( 1 - одномодове активне оптичне волокно, 2 – модуль напівпровідникового накачування). 700 Вт іттербієвий волоконний лазер неперервної дії (рис 1.4) і його робоча станція (рис 1.5). (8)

Потужні іттербієві лазери Лазерний обробний центр із 500 Вт, 1 кВт, 2 кВт. роботом для зварювання Al.

Таким чином, волоконні лазери з комплексу властивостей найбільш оптимальні для застосування в системах цифровий флексографії й у цьому, мабуть, головна причина знаходження ними все більшої популярності в цій області техніки. (7)

Розділ 2.Теоретичні основи волоконних лазерів

Оскільки активним елементом волоконного лазера є оптичне волокно, розглянемо механізми поширення оптичного випромінювання у волокні.

2.1 Поширення світла в оптичних волокнах

Принцип дії оптичного волокна базується на використанні відомих процесів відбивання i заломлення оптичної хвилі на межі розділу двох середовищ з різними оптичними властивостями. Оптичні властивості матеріалу залежать від показника заломлення. В однорідному середовищі електромагнітна хвиля розповсюджується прямолінійно, проте на межі зміни густини середовища її напрям i якісний склад змінюються. В спрощеному вapiaнтi розглянемо два середовища, що межують, з різною густиною. Розповсюджуючись в одному з них промінь може досягати поверхні іншого під деяким кутом а (до нормалі поверхні). При цьому хвиля частково відбивається в середовище з якого прийшла під кутом b i частково проникає в нове середовище в зміненому напрямі під кутом с. При падінні променя на межу розділу двох середовищ в загальному випадку з'являються заломлена i відбита хвилі.