Лазерный мир

Рис. Профессор Михалис Зервас из Исследовательского центра оптоэлектроники описывает рост мощных волоконных лазеров и спрашивает, что будет дальше с  этой технологией?

Современное производство было революционизировано с помощью лазеров, используемых в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и электроника, для сварки автомобилей, сверления отверстий в лопатках турбин, изготовления трехмерных деталей и маркировки металлов и пластмасс. По данным Strategies Unlimited, только доходы от промышленных лазеров в области обработки материалов составляют 4,5 миллиарда долларов, что составляет 30% от общих доходов от лазеров. За последнее десятилетие волоконно-оптические лазеры — последние достижения в производственной сфере — продемонстрировали впечатляющий прогресс в масштабировании мощности и производительности, что делает их самым быстрорастущим бизнесом, который в настоящее время стоит 2 миллиарда долларов (CAGR + 13%) за счет традиционных технологий. такие как CO₂ лазеры (CAGR -1%) и DPSS лазеры (CAGR -3%). Согласно отчету Allied Market Research, рынок волоконных лазеров, который в 2017 году оценивался в 1,8 млрд долларов, по прогнозам, достигнет 4,4 млрд долларов к 2025 году, увеличившись в среднем на 12% с 2018 по 2025 год. Ожидается, что этот рост будет обеспечивать растущий спрос на мощные волоконные лазеры для удовлетворения существующих применений, а также в новых секторах, таких как аддитивное производство и 3D-печать.

Рис. Современное производство было революционизировано благодаря использованию волоконных лазеров в таких секторах, как автомобилестроение, авиакосмическая промышленность, медицина и электроника.

Успех волоконных лазеров в производстве объясняется рядом свойств и эксплуатационных характеристик, которые отличают их от конкурирующих твердотельных и других лазерных технологий [1]. Волоконные лазеры состоят из монолитных, цельных волокон, компактных объемов без движущихся частей или отдельно расположенной оптики, что приводит к малой занимаемой площади, необслуживаемому производственному инструменту и быстрой готовности к работе. Они показывают стабильную мощность и превосходное качество луча в расширенном диапазоне мощностей. Это является результатом превосходного управления внутренним пучком благодаря непрерывным световодным свойствам волокна и эффективному отводу тепла благодаря большому отношению поверхности к объему для геометрии волокна. Кроме того, все эти характеристики дополняются рекордной эффективностью от розетки (в настоящее время 40 процентов), что приводит к минимальному потреблению электроэнергии и потребностям в охлаждении.
Успех масштабирования мощности волоконного лазера в значительной степени зависит от накачки в оболочку, схемы, в которой недорогие диодные лазеры накачки с высокой расходимостью — одиночные излучатели, стержни или стеки — объединяются геометрически и / или спектрально, прежде чем вводят излучение в гораздо большую, более высокую числовую апертуру (NA) — и, следовательно, более приспособленную — оболочку волокна, в которой мощность излучения накачки постепенно поглощается по мере того, как она распространяется и повторно пересекает активную сердцевину. Лазерный свет, который затем излучается из сердцевины меньшего диаметра и меньшей NA, является гораздо более интенсивным и направленным, что приводит к увеличению яркости на три-четыре порядка по сравнению с диодами накачки [1]. Эта более высокая яркость в значительной степени объясняет превосходную обработку материалов волоконными лазерами и другие возможности промышленного применения.
На Рисунке 1 показано изменение мощности волоконного лазера, легированного Yb3 +, при длине волны 1 мкм. В случае одноволоконных, одномодовых, почти дифракционно ограниченных волоконных лазеров выходная мощность достигала 3-5 кВт при использовании усилителей мощности с генератором и диодной накачкой (master-oscillator power amplifier, MOPA) (красные точки). Дальнейшее масштабирование мощности до 10 кВт было достигнуто с помощью внутриполосной или тандемной накачки (зеленые точки), где волоконные лазеры используются для накачки волоконных лазеров, что приводит к минимальной тепловой нагрузке на конечной стадии генерации [2]. Дальнейшее масштабирование мощности одноволоконного одномодового лазера застоялось за последнее десятилетие, главным образом из-за появления нелинейных эффектов, таких как вынужденное комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SRS / SBS), а в последнее время — поперечной нестабильности мод, как описано ниже.

Рисунок 1: Эволюция мощности волоконного лазера, легированного Yb3 +, при длине волны 1 мкм.

Тем не менее, одномодовые лазерные модули на уровне киловатта были некогерентно объединены с поразительным многомодовым выходным излучением мощностью 100 кВт (синие треугольники), подходящим для тяжелых промышленных применений [3]. Кроме того, благодаря своим превосходным спектральным характеристикам, качеству луча и стабильности выходной мощности, одномодовые волоконные лазеры 0,5-1 кВт в количестве от десятков до сотен могут быть объединены когерентно или спектрально для получения выходного излучения с ограничением почти дифракционным, в настоящее время достигающим уровня 60 кВт (оранжевый квадраты) [4]. Когерентная или спектральная комбинация становится мощной техникой масштабирования мощности волоконного лазера, обещая достичь или даже превзойти 100-киловаттную отметку мощности с близко к дифракционно ограниченному излучению с высокой эффективностью в ближайшем будущем, что позволит реализовать ряд передовых приложений для направленной энергии.

Промышленное лазерное применение.

Помимо сырой мощности, эффективность промышленного лазера зависит также от качества луча, количественно определяемого показателем качества луча BPP (beam parameter product, произведение параметров луча, прим. пер.), который определяет способность фокусировки луча, размер пятна и глубину фокусировки на заготовке. Различные приложения имеют различные мощности и требования BPP, в зависимости от конкретного взаимодействия лазерного излучения с материалом. В целом, для всех лазерных технологий масштабирование мощности происходит за счет увеличения BPP (ухудшения качества луча). Можно утверждать, что чем ниже BPP может поддерживаться с увеличением мощности, тем больше приложений может быть адресовано. Волоконные лазеры, в одномодовом или многомодовом формате, обеспечивают рекордную выходную мощность (10-100 кВт) с высоким качеством луча (BPP в диапазоне 0,35-16 мм*мрад), значительно превосходя все другие конкурирующие лазерные технологии.
Именно эта превосходная комбинация параметров позволила волоконным лазерам добиться самого быстрого роста и самого высокого проникновения на рынок в промышленности. Они заменили существующие лазерные технологии, доминировали над целыми секторами применения, такими как маркировка, и позволили внедрить новые приложения, такие как микро-сверление, спекание и флексография, а также новые варианты лазерной резки, такие как безгазовая дистанционная резка, которые особенно ярко связаны с преимуществами высокого качества излучения волоконных лазеров [5].
Ирония в том, что одномодовые мощные волоконные лазеры исключили тепловое линзирование из среды генерации, только чтобы передать его дальше фокусирующей оптике. Однако успех редко бывает без икоты. В случае одномодовых мощных волоконных лазеров экстремальные интенсивности, связанные с ограниченными дифракцией пучками в несколько киловатт, создают ряд проблем в обрабатывающих головках и другой оптике, таких как недопустимые смещения фокуса при работе с интенсивными лазерными лучами. Результирующие изменения фокусировки, зависящие от мощности, могут привести к снижению качества обработки или даже к прерыванию процесса. Необходимо разработать новые специальные обрабатывающие головки и новые способы оптимизации взаимодействия между лазером и веществом, чтобы использовать весь потенциал ультра-ярких волоконных лазеров высокой мощности. Ирония в том, что одномодовые мощные волоконные лазеры исключили тепловое линзирование из среды генерации, только чтобы передать его дальше в фокусирующую оптику.

Конечные пределы масштабирования мощности.

В дополнение к хорошо известным оптическим нелинейным эффектам, таким как SRS / SBS, масштабирование мощности в одномодовых волоконных лазерах и усилителях серьезно затруднено новым нелинейным эффектом, а именно поперечной нестабильностью мод (transverse modal instability, TMI). TMI представляет собой пороговое начало конкуренции поперечных пространственных мод, которое серьезно ухудшает качество выходного луча. TMI был экспериментально обнаружен в большом разнообразии оптических волокон, легированных Yb3 +, при различных условиях накачки и задающей генерации (см. [1] и ссылки там). В случае работы с широкой шириной линии (∆ν> 25 ГГц), когда отображается в зависимости от диаметра сердечника активного волокна, пороговое значение TMI мощного волоконного усилителя, по-видимому, в значительной степени обратно пропорционально площади ядра (то есть 1 / D2), независимо от типа используемого волокна (см. рисунок 2, верхний набор данных, синяя пунктирная линия). Однако в случае работы с узкой шириной линии (∆ν <25 ГГц) зависимость порога TMI от диаметров сердечника оказывается гораздо более серьезной (см. Рисунок 2, нижний набор данных, красная пунктирная линия), демонстрируя, что ширина линии задающего генератора сильно влияет на порог TMI. Следует отметить, что, напротив, пороговые значения мощности SRS / SBS увеличиваются с увеличением площади жилы волокна, что накладывает противоречивые требования на конструкцию волокна. https://www.lasersystemseurope.com/sites/default/files/content/analysis-opinion/Figure%202_0.png Рисунок 2. Диаметр сердечника vs поперечной нестабильности мод для лазеров с широкой и узкой шириной линии В практических монолитных волоконных лазерных системах большой мощности активные волокна должны быть сгибаемыми, что ограничивает максимальный диаметр оболочки примерно до 600 мкм для обеспечения механической надежности. Механическая надежность, наряду с TMI и SRS и текущей яркостью накачки, ограничивает выходную мощность до 28 кВт и 52 кВт с диодной и тандемной накачкой, соответственно. Для достижения этих уровней мощности необходимо разработать специальные низкомодовые волокна с диаметром сердечника в диапазоне 45-55 мкм. Устанавливая практический предел максимального диаметра сердечника в настоящее время примерно до 35 мкм, пределы мощности уменьшаются примерно до 15 кВт и 25 кВт соответственно. Что дальше? До сих пор было очевидно, что одномодовые мощные волоконные лазеры на их нынешней стадии (стадии I) разработки уже обеспечивают достаточную сырую мощность не только для обслуживания существующих, но и для новых промышленных применений. Это неизбежно приводит к вопросу: что дальше? «Интеллектуальные фотонные двигатели могут быть объединены с интеллектуальными фотонными трубками для создания совершенных производственных инструментов.» Волоконная технология — наиболее управляемая волноводная технология с малыми потерями — предлагает ряд различных атрибутов, которые до сих пор в значительной степени не исследованы. К ним относятся пространственные особенности в форме четко определенных и устойчивых мод, широкие спектральные характеристики, доступные с различными легирующими примесями, а также нелинейности и множество состояний поляризации. Тогда становится очевидным, что волоконная технология дает возможность не только эффективно генерировать, но и манипулировать и доставлять фотоны удаленно к заготовке. Это дает возможность приступить к следующему поколению — этапу II — разработки мощных волоконно-оптических лазеров (см. Рисунок 3), где интеллектуальные фотонные двигатели можно комбинировать с интеллектуальными фотонными трубками, чтобы создать совершенные производственные инструменты с дополнительной функциональностью и реконфигурируемостью, расширенными возможностями лазерного и технологического мониторинга, отвечающими требованиям новой эры цифрового производства. Ожидается, что новые переломные особенности увеличат пространство параметров для промышленности и других приложений, еще больше увеличивая проникновение на рынок волоконно-оптических лазеров.

Рисунок 3: Стадия II разработки мощного волоконного лазера включает в себя комбинирование интеллектуальных фотонных двигателей с интеллектуальными фотонными трубками.

Особенности интеллектуального фотонного двигателя:

• Максимальная эффективность — возможна более 55-процентная эффективность от розетки — благодаря оптимальной конструкции сердечника и сращивания, чтобы минимизировать требования к электричеству и эксплуатационные расходы, и превратить мощные волоконные лазеры в самый экологичный производственный инструмент.
• Максимальная мощность, стабильность луча и масштабируемость мощности благодаря смягчению эффектов SRS / SBS и TMI. Стабильные и надежные одномодовые волоконные лазеры с выходной мощностью более 10 кВт — по прогнозам, максимально возможной — 28-52 кВт — могут расширить возможности удаленной обработки материалов [5], предлагая гибкость и высокую скорость работы. Они также позволят минимизировать необходимое количество мощных волоконно-оптических лазерных модулей и, следовательно, упростят и удешевят их объединение в диапазоне 100–300 кВт с более яркими многомодовыми выходными пучками. С помощью этой мощности они могут удовлетворить потребности требовательных приложений, таких как сварка с глубоким проплавлением, резка камня [3] и сварка толстолистового проката для судостроения и изготовления сосудов под давлением.
• Множественность длин волн с использованием других редкоземельных легирующих примесей — таких как тулий и гольмий и оптимизированные кремнеземные матрицы — могут быть разработаны высокоэффективные многокиловатные волоконные лазеры в безопасной для глаз области спектра 2 мкм. С другой стороны, неоксидные стекловолокна могут обеспечить доступ к средней инфракрасной области спектра 2-3 мкм для дальнейшего увеличения диапазона обработки материалов. Кроме того, новые конструкции волокон могут увеличивать нелинейности, позволяя разрабатывать эффективные оптические параметрические генераторы (OPO) или источники суперконтинуума. Используя нелинейное преобразование длины волны, выход волоконного лазера может быть расширен в зеленую или ультрафиолетовую область спектра, для обработки изоляторов — прозрачных стекол, пластмасс и керамики — 2D материалов, таких как графен, органика и полупроводники.
• Поляризованный выход: активные и пассивные волокна с высоким двойным лучепреломлением могут обеспечить эффективную генерацию и стабильную доставку линейно поляризованного света при уровне мощности в несколько киловатт. Лазерные лучи, линейно поляризованные вдоль направления резания, уже продемонстрировали улучшение скорости резания. Кроме того, одномодовый линейно поляризованный свет может быть преобразован в более экзотические поляризационные лучи с превосходными характеристиками резания — или облегчить когерентное сочетание для масштабирования мощности — и нелинейное преобразование длины волны для увеличения покрытия по длине волны.

Интеллектуальные фотонные трубки, с другой стороны, включают в себя:

• Гибкую доставку энергии на большие расстояния: специальные конструкции волокон, такие как распределенные фильтрующие волокна SRS, могут смягчать нелинейные эффекты и обеспечивать одномодовую доставку на большие расстояния. Чтобы обеспечить мощность на уровне киловатта на расстоянии более 100 метров, ограничения, установленные оптическими нелинейностями, такими как SRS и четырехволновое смешение, и нежелательные эффекты смешения в пространственном режиме, должны быть устранены с помощью надлежащей конструкции волокна или новых методов возбуждения или сращивания. С другой стороны, новые захватывающие разработки в области волокон с полыми сердечниками с низкими потерями открывают возможность доставки одномодовых оптических мощностей в несколько киловатт на большие расстояния.
• Скорость перехода к управляемым формам профиля излучения уже показали значительное улучшение качества кромок при резке мягкой стали. Новые многооболочечные волокна обеспечивают быструю реконфигурируемость формы пучка на частоте 500 кГц и обещают новые передовые приложения для маркировки и микрообработки. Специально разработанные волокна могут обеспечить сложные многолучевые формы распределения, приспособленные к конкретному процессу, такие как усовершенствованная резка без грата, замена громоздкой и дорогой объемной оптики или внешние пространственные модуляторы света.
• Интегрированное управление лазером и технологическим процессом: специальные волокна для доставки могут быть улучшены с помощью встроенных отводов и других средств диагностики для управления не только лазером, но и процессом производства. Такие интеллектуальные волоконные комбинированные кабели, несущие фотоны и информацию, помогут полностью интегрировать лазерные инструменты в более широкий производственный процесс. Это важный шаг на пути к гармонизации с предстоящими требованиями к цифровому производству и промышленности 4.0.

Рисунок 4: Умные фотоны, помимо энергии, будут нести биты информации, которые будут использоваться для управления производственным инструментом и процессом.

«Невозможно предсказать промышленное воздействие таких сверхъярких волоконных лазеров большой мощности.»

Заглядывая дальше в будущее, можно предвидеть, что за развитием мощного волоконного лазера может последовать третья стадия разработки (Рис. 3), обеспечивающая однолучевые выходы с почти дифракционным ограничением в диапазоне сотен киловатт благодаря спектральному или последовательному объединению нескольких интеллектуальных устройств с максимальной эффективностью и стабильностью питания. Невозможно предсказать промышленное воздействие таких сверхъярких волоконно-оптических лазеров высокой мощности, и вполне вероятно, что им будет сложно найти подходящие широко распространенные производственные применения. Тем не менее, несомненно, что они окажут огромное влияние на приложения направленной энергии, а также на такие амбициозные проекты, как будущие ускорители частиц на основе волокон и футуристические проекты, такие как удаление космического мусора и межзвездные полеты с лазерными двигателями наночастиц (Breakthrough Starshot Initiatives).

Фотоника и лазеры — в частности, волоконные лазеры — откроют новые возможности при проектировании будущих производственных линий. Доставка волокном на большие расстояния и подвижность луча имеют решающее значение для реализации этой цели. Умные фотонные трубки смогут доставлять фотоны по всему заводу точно так же, как медные кабели в настоящее время доставляют электроны (Рис. 4). Тем не менее, умные фотоны, помимо энергии, будут нести биты информации, которые будут использоваться для управления как производственным инструментом, так и процессом. Эта информация может быть полностью использована с использованием современных алгоритмов ИИ и глубокого обучения для полной интеграции машин и процессов, для максимальной эффективности, скорости и контроля на фабриках будущего.

Ссылки:

1. N. Zervas and C. A. Codemard, High power fibre lasers: A review, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 20, 0901509 (2014).

2. O’Connor and B. Shiner, High power fibre lasers for industry and defence, in High-Power Laser Handbook, H. Injeyan, G.D. Goodno (eds), Mc Graw Hill (2011), chapter 18.

3. A. Shcherbakov, V. V. Fomin, A. A. Abramov, A. A. Ferin, D. V. Mochalov, V. P. Gapontsev, Industrial grade 100kW power CW fibre laser, Advanced Solid-State Lasers Congress Technical Digest, paper ATh4A.2 (2013).

4. https://news.lockheedmartin.com/2017-03-16-Lockheed-Martin-to-Deliver-Wo…

5.. Wetzig, L. D. Scintilla, C. Goppold, R. Baumann, P. Herwig, A. Mahrle, A. Fürst, J. Hauptmann and E. Beyer, New Progress in Laser Cutting, Lasers in Eng., 35, 75 (2016).

1. Abt, A. Hess and F. Dausinger, Temporal behaviour of focal shift of beam forming optics for high power single mode lasers, ICALEO Congress Proc., 561 (2008).

2. Eidam, C.Wirth, C. Jauregui, F. Stutzki, F. Jansen, H.-J. Otto, O. Schmidt, T. Schreiber, J. Limpert, and A. Tunnermann, Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fibre amplifiers, Opt. Express 19, 13218 (2011).

3. N. Zervas, Power scaling limits in high power fibre amplifiers due to transverse mode instability, thermal lensing and fibre mechanical reliability, Proc. SPIE 10512, 1051205 (2018).

4. Kah, J. Lu, J. Martikainen and R. Suoranta, Remote laser welding with high power fibre lasers, Engineering 5, 700 (2013).

5. NADEX Laser R&D Centre: https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-30/issue-1/depar…

6. S. D. Jackson, Towards high-power mid-infrared emission from a fibre laser, Nature Photon. 6, 423 (2012).

7. J. He, D. Lin, L. Xu, M. Beresna, S. Alam, M. N. Zervas and G. Brambilla, 5.6kW peak power, nanosecond pulses at 274nm from a frequency quadrupled Yb-doped fibre MOPA, Opt. Express, 26, 6554 (2018).

8. C. Goppold, T. Pinder, and P. Herwig, Experimental investigation of the linear polarization state of high power fusion cutting with 1μm laser radiation, J. of Laser Appl., 28 031501 (2016).

9. R. Weber, A. Michalowski, M. Abdou-Ahmed, V. Onuseit, V. Rominger, M. Kraus, T. Graf, Effects of Radial and Tangential Polarization in Laser Material Processing, Physics Procedia 12, 21 (2011).

10. G. Costa Rodrigues, V. Vorkov and J. R. Duflou, Optimal laser beam configurations for laser cutting of metal sheets, Procedia CIRP 74, 714 (2018).

11. C. A. Codemard, N. T. Vukovic , J. S. Chan, P. J. Almeida , J. R. Hayes, M. N. Petrovich , C. Baskiotis, A. Malinowski, and M. N. Zervas, Resonant SRS filtering fibre for high power fibre laser applications, IEEE J. of Select. Top. in Quantum Electr., 24, 0901509 (2018).

12. C. Röhrer, C. Codemard, G. Kleem, M. Abdou Ahmed, and T. Graf, Preservation of good beam quality over several hundred metres in highly multimode fibres, Advanced Photonics Congress, paper SoW4H.2 (2018).

13. T. D. Bradley, et al, Record low-loss 1.3dB/km data transmitting antiresonant hollow core fibre, ECOC 2018 post-deadline paper.

14. G. Palma-Vega, et al, High average power transmission through hollow-core fibres, ASSL ATh1A.7 (2018).

15. D. A. V. Kliner and B. Victor, A breakthrough for fibre lasers: tuneable beam quality enables optimised cutting of thin and thick metal, Laser Technik Journal 2 (2018).

16. P. Almeida, P. Gorman, J. S. Chan, N. Vukovic, C. A. Codemard, and M. N. Zervas, Pulsed fibre laser with spatial and temporal control, Proc. SPIE 10512, 1051215 (2018).

17. F. O. Olsen, K. S. Hansen, and J. S. Nielsen, Multibeam fibre laser cutting, J. Laser Appl. 21, 133 (2009).

18. J. J. J. Kaakkunen, P. Laakso, and V. Kujanpaa, Adaptive multibeam laser cutting of thin steel sheets with fibre laser using spatial light modulator, J. Laser Appl. 26, 032008 (2014).

19. G. Mourou, B. Brocklesby, T. Tajima and J. Limpert, The future is fibre accelerators, Nature Photon. 7, 258 (2013).

20. J. Kästel, J. Speiser, Laser-based space debris removal: design guidelines for coherent coupling power transmission, Proc. SPIE 9990, 99900L (2016).

21. P. Lubin, A roadmap to interstellar flight, arXiv:1604.01356 (2016).

22. Factories of the Future, European Commission, Directorate G — Industrial Technologies (2013).

Источник: https://www.lasersystemseurope.com/news/analysis-opinion/bright-future-fibre-lasers