Лазерный мир

Благодаря обработке листового металла, поставщики систем и волокон предлагают излучение с высокой надежностью, находит Andy Extance

Немногие люди в лазерной промышленности смогли бы предсказать, какая мощность продаваемых оптоволоконных лазеров могла бы быть сегодня.

«Если бы вы вернулись на 10-15 лет и сказали бы мне, что мы будем продавать волоконные лазеры мощностью 10 кВт в качестве стандартного промышленного продукта, я бы подумал, что вы сумасшедшие», — сказал Курт Вайнгартен, главный коммерческий лазерный технологический специалист Lumentum в Цюрихе, Швейцария, который добавил, что он не был бы один в своем скептицизме.

Даже когда оптоволоконные лазеры стали более известными для металлорежущих, сварочных и других процессов, клиенты Milpitas, штат Калифорния, со штаб-квартирой Lumentum, спрашивали: «Кому когда-нибудь понадобится больше 6 кВт?» Однако теперь компания часто поставляет 9 кВт системы и рассматривает возможность запуска продуктов при 10 кВт или выше. «Это действительно потрясающе, — сказал Вайнгартен.
Наблюдение отражает продолжающееся экспоненциальное увеличение выходной мощности волоконного лазера, которое продолжается более двух десятилетий для систем с непрерывным излучением. Такое увеличение было обусловлено уникальными преимуществами формата волоконного лазера, что позволило дойти до таких достижений, как IPG Photonics, основанной в Оксфорде, штат Массачусетс, в 2012 году, поставляющей систему мощностью 100 кВт. И хотя рынок для продуктов с такими экстремальными характеристиками ограничен, даже наиболее распространенные системы обработки металлов ползут вверх по мощности. Тем не менее, на этом пути роста возникают проблемы в виде фундаментальных физических ограничений, которые должны преодолеть производители волоконных лазеров.

Волоконные лазеры Corelight от Lumentum продаются с мощностью до 9,5 кВт

Преимущества волоконных лазеров проистекают благодаря их типовому формату, в котором лазерные диоды на основе GaAs накачивают отрезки из легированного стекловолокна, длина которых может составлять десятки метров. Эти отрезки имеют отражающие брэгговские решетки с обоих концов, образуя резонансную, мощную лазерную полость, и активные ионные легирующие примеси, такие как иттербий или эрбий. Свет, заключенный в волокно, накачивает активные ионы, стимулируя излучение света на более длинных волнах. Этот свет резонирует между двумя решетками, будучи усиленным с каждым проходом через лазерную полость. Создание частично прозрачной решетки позволяет выпускать свет из системы, чтобы луч мог быть доставлен до места потребления.
Отслеживая свое происхождение от пионера технологий Интернета JDS Uniphase, полученный в результате экспертный опыт Lumentum в диодных лазерах на основе GaAs хорошо переносится в этот формат, пояснил Вайнгартен. «Мы являемся одной из немногих компаний, которые могут создавать полупроводниковые лазеры накачки, которые прошли тестирование в подводных телекоммуникационных приложениях, где требования к надежности являются экстремальными», — подчеркнул он. Это обеспечивает опыт в полупроводниковом эпитаксиальном росте, обработке, покрытии и сборке GaAs. «Если вы не сможете скомпоновать диодную сборку с предельной согласованностью и надежностью, то и управление теплом потерпит неудачу, и у сборки будет более короткий срок службы», — сказал Вайнгартен.
Иначе говоря, ключевая обеспечивающая технология волоконных лазеров, как и продукция Lumentum, развивается «по пути роста с точки зрения обеспечения высоконадежности накачивающих диодов», продолжил Вайнгартен. «Чрезвычайная надежность накачивающих лазеров позволяет нам создавать более совершенные волоконно-оптические лазеры высокой яркости для обработки материалов», — сказал Вайнгартен. «Накачивающие диоды должны прослужить много десятков тысяч часов без каких-либо сбоев». Эта надежность поддерживает «очень сильное сотрудничество» между Lumentum и японской фирмой Amada, которую Вайнгартен называет «одним из крупнейших игроков систем резки листового металла».

Повышение качества

Длинное усиливающее волокно выгодно, вплоть до точки, когда оно усиливает лазерный луч слишком значительно по сравнению с одним проходом по его длине. Распространение света в одномодовом режиме обеспечивает высокое качество луча, которое в значительной степени не зависит от выходной мощности. Размещение брэгговских решеток непосредственно внутри волокна также позволяет получать не нуждающиеся в настройке лазерные системы, а большое отношение поверхности к объему волокна помогает при управлении температурой. Но эти преимущества компенсируются ухудшением показателей, поскольку мощность и, следовательно, интенсивность увеличиваются вместе с нелинейными эффектами, такими как стимулированное рассеяние Бриллюэна (SBS, stimulated Brillouin scattering) и вынужденное комбинационное рассеяние Рамана (SRS, stimulated Raman scattering).
Кристиан Вестергаард Поульсен, технический директор компании NKT Photonics из Копенгагена, считает, что «мы находимся на пределе того, сколько энергии можно извлечь из отдельных волокон». NKT отодвигает этот предел с помощью мощных двухслойных одномодовых усиливающих волокон с областями для больших мод, которые уменьшают интенсивность пучка, расширяя пучок наружу, уменьшая нелинейные эффекты.

Используя фотонные кристаллы, NKT может настраивать коэффициент преломления оболочки усиливающего волокна , помогая бороться с нелинейными эффектами

Двойная оболочка долгое время позволяла волокнам с усилением достигать более высоких мощностей, окружая внутреннюю активную сердцевину волокна материалом с более низким показателя преломления , таким как полимер или стекло. Внутренний «сердечник накачки» направляет главный луч, в то время как свет с лучом низкого качества, излучаемый диодами накачки, проходит через внешний слой, пересекаясь с лучом в сердцевине, когда проходит через неё.
Используя фотонно-кристаллическую технологию, NKT Photonics может сделать этот внешний слой в основном состоящим из воздушных зазоров. Это позволяет настраивать показатель преломления оболочки, что необходимо для увеличения областей для мод за пределами предыдущих ограничений. Волокно DC200 / 40-PZ-Yb, состоящее из 40-микронного иттриевого легированного сердечника и оболочки диаметром 200 мкм, является, таким образом, одним из самых продаваемых продуктов. Вестергаард Поульсен объяснил, что оно «особенно подходит для импульсных волокон большой мощности», поскольку помогает контролировать нелинейность при высоких пиковых интенсивностях и мегаваттных мощностях, которые обеспечивают импульсы.
NKT Photonics также может комбинировать различные материалы с одинаковым показателем преломления и, таким образом, с одинаковыми оптическими свойствами. Материалы не возбуждают друг друга через механизм Бриллюэна, отметил Вестергард Поульсен, хотя его компания все еще совершенствует волокна. Аналогичным образом, NKT также разрабатывает транспортирующие волокна для подключения волоконно-оптических лазерных систем к точке применения на основе технологии полых сердечников. «Большая часть мод видит воздух, а не стекло, что значительно снижает нелинейность», — сказал он.
По его словам, самым распространенным вариантом сегодня для повышения пределов нелинейности является объединение лучей от различных волоконно-оптических модулей средней мощности.
Сегодняшние высокомощные волоконные лазеры соединяют в себе выходы нескольких одномодовых волоконно-оптических лазерных модулей в другом многомодовом волокне, создавая более мощный, но более низкого качества многомодовый луч.

На передовой грани

Для тех, кто занимается обработкой материалов, CW мощность в диапазоне кВт являются единственным крупнейшим рынком долларовых доходов.
Такой подход широко объясняет то, что IPG Photonics производит свои мощные волоконные лазеры, объяснил Брайс Самсон, директор по продажам компании. «Самое большое применение для высокомощных волоконных лазеров — обработка материалов, резка, сварка и пайка металлов, таких, как сталь и алюминий», — подчеркнул он. «Для тех, кто занимается обработкой материалов, мощности CW в диапазоне кВт являются единственным крупнейшим рынком долларовых доходов. Во многих из этих случаев выход излучения представляет собой комбинацию нескольких индивидуальных волоконных лазеров. Типичная архитектура заключается в том, что вы делаете отдельную лазерную полость, как правило, около 1 кВт.»
Объединение лучей с использованием таких техник, как когерентное или спектральное объединение, может обеспечить высокое качество луча, что полезно в оборонных приложениях, но для обычных случаев слишком дорого. Такие методы обеспечивают небольшое фокусное пятно, которое не требуется в таких приложениях, как сварка, сказал Самсон, для сварки предпочтительнее пятна 200 мкм или выше. «В обработке материалов вы действительно не сможете оправдать очень высокую стоимость и сложность», — замечает он. «Нет необходимости начинать с идеального качества луча, потому что вы собираетесь его выбросить. Гораздо важнее иметь что-то надежное, недорогое и пригодное для сервиса в условиях производства ». Поэтому промышленный стандарт представляет собой компонент« коническая связка », которая просто объединяет все входные волокна и подает их в волокно с усилением, добавил он.

Лазерные импульсные лазерные системы SPI Lasers позволяют сваривать разнородные металлы.

В то время как SPI Lasers в Саутгемптоне, Великобритания, использует коническую связку для производства мощных систем мощностью до 8 кВт, она использует запатентованный подход к накачке в своих индивидуальных резонаторных модулях. В подходе, называемом GTWave, SPI производит и покрывает оболочкой два волокна — волокно с усилением и волокно для накачки — сторона к стороне, сказал Марк Ричмонд, менеджер по продуктам CW с высокой мощностью. «Мы заводим свет от лазерных диодов в концы волокна накачки», — объяснил он. Вдоль его длины, которая составляет десятки метров, свет от волокна накачки проникает в оболочку в усиливающем волокне. Когда это излучение пересекает ядро усиливающего волокна, основной луч поглощает его энергию. По словам Ричмонда, SPI использует этот подход вместо двухслойных волокон.
Как и другие поставщики волоконных лазеров, SPI видит сильный рост применения мощных лазеров в крупных приложениях обработки металлов, таких, как резка и сварка. Тем не менее, её одномодовые лазеры среднего энергопотребления также продемонстрировали сильное применение в аддитивном производстве, подмножестве 3D-печати, в котором сплавляются металлические гранулы вместе, пояснил Ричмонд. Он добавил, что увеличение выходной мощности, которое SPI может получить от одного резонаторного модуля, будет способствовать отодвиганию существующих ограничений во всех приложениях, но потребует дальнейшего увеличения яркости диодаов накачки. И нелинейность также представляет собой суровый вызов в попытке вырваться за пределы текущих выходов мощности по 2-3 кВт от отдельных модулей, отметил Ричмонд.
Одна вещь, которая отличает SPI от других поставщиков волоконных лазеров, заключается в том, что она предлагает лазеры на уровне модулей, чтобы другие компании могли интегрировать их в свои инструменты для резки, подчеркнул Ричмонд. Его компания также вводит новые функции, которые облегчают использование и производительность, такие как встроенная функция обнаружения прошивки (pierce detect) в лазерах для резки. «Вы должны потратить некоторое время, пока луч пробивается сквозь материал, прежде чем вы сможете начать фактический рез, — объяснил Ричмонд. «Без функции обнаружения факта прошивки мы выяснили, что вы теряете 10-15 процентов производительности. Обнаружение прошивки часто осуществляется с помощью дополнительной оптики, но мы разработали способ использования детекторов внутри самого лазера. Детекторы, которые мы размещаем внутри корпуса лазера, позволяют нам получать достаточную информацию от обратно отраженного излучения лазера, чтобы иметь возможность реализовать функцию обнаружения прошивки».

Импульсный рынок

Между тем, когда IPG Photonics стала первой компанией, которая разработала технологию волоконных лазеров, она оптимизировала надежность продукта, чтобы поддерживать гарантии, — подчеркнул Самсон. Это преимущество первопроходца также означает, что компания имеет самый широкий портфель волоконных лазеров на рынке, добавил он. Кроме того, она несет масштаб, хорошо сочетающийся с вертикально интегрированной бизнес-моделью, используемую IPG, которая включает производство лазерных диодов. «Мы можем сократить расходы для клиентов и снизить затраты по сравнению с предыдущим годом, поскольку наши объемы растут», — сказал Самсон. «Затем мы можем поддерживать их с глобальной организацией продаж и обслуживания. У нас также есть ряд дополнительных продуктов, которые поддерживают волоконные лазеры, такие как сварочные и режущие головки ».
Одной из самых интересных областей на данный момент является лазерная очистка, абляция поверхности и удаление краски. И широта применения таких лазеров растет с каждым годом, добавил Самсон. «Одной из самых интересных областей на данный момент является лазерная очистка, абляция поверхности и удаление краски», — сказал он. «Мы получаем огромное количество запросов в этой области. Есть люди, начинающие компании, которые смотрят на ручные системы лазерной очистки ». Самсон также полон оптимизма, потому что волоконные лазеры начинают двигаться к середине инфракрасного региона, где IPG предлагает продукты от 2 до 5 мкм. «Это совершенно новая лазерная технология на длинах волн, к которым раньше не обращались», — сказал Самсон.
NKT Photonics ‘Vestergaard Poulsen отмечает, что аэрокосмическая и оборонная промышленность основывается на том, как широко спрос в автомобильной промышленности оказался нормализован киловаттными волоконными лазерами CW для обработки металлов. «Если вы пойдете к крупным производителям автомобилей, вы увидите эти лазеры повсюду», — сказал он. Он отметил, что импульсные волоконные лазеры также позволяют обрабатывать материалы, используя область применения, где в настоящее время располагаются интернет-вещи. «Многие устройства обработаны лазером на уровне полупроводников, а также используются для резки стекла», — добавил Вестергард Поульсен.

Волоконные лазеры SPI Lasers разрезали металлы, вовлеченные в производстве этого модельного дракона.

Наряду с мощными CW-лазерами спрос на импульсные лазеры также стимулирует SPI Lasers для расширения своего производства в Саутгемптоне. Спрос растет в Азии и США для 70-100 Вт наносекундных импульсных лазеров компании, которые работают с высокими частотами повторения и максимальной импульсной мощностью более 20 кВт. Ричмонд указал на то, что эти системы, созданные для маркировки и гравировки, переходят в приложения, в которых ранее не использовались. Это связано с тем, что SPI разработала технологию лазерной сварки лазерным наносекундным импульсом, которая производит очень чистые сварные швы толщиной до миллиметра, в том числе с разнородными металлами, что в противном случае оказывается сложно. «Это произошло в то время, когда большой интерес представляет сварка меди и алюминия для батарей», — сказал Ричмонд. «У нас теперь есть лазер мощностью 200 Вт, который мы надеемся предложить для более высокой производительности».
Таким образом, достигнутые пределы мощности при обработке листового металла, сварке и обработке поверхности, которые составляют 70-80 процентов рынка волоконно-оптических лазеров, по словам Вайнгартена, продолжают расти. «Люди не нашли предела в резке листового металла», — отметил он. «Наше нынешнее поколение — 3 кВт, 6 кВт и 9 кВт. Люди работают на мощности в диапазоне 10 кВт. Мы реально не представляем, где это закончится.

Перевод: https://www.lasersystemseurope.com/feature/fibre-lasers-target-further-power-gains