Лазерный мир

Недавно разработанный волоконный лазер обеспечивает в реальном времени настройку характеристик пучка непосредственно из выходного оптоволокна лазера с использованием полностью волоконного механизма.

DAHV A.V. KLINER, ROGER L. FARROW, and BRIAN VICTOR

Лазеры стали незаменимыми инструментами для обработки материалов, производства, обнаружения, защиты и научных применений. Этот успех был обусловлен улучшением характеристик лазера в нескольких областях, включая среднюю и пиковую мощности, диапазон по  длинам волн, гибкость изменений по временной шкале(длительность и частота импульсов, сложные сигналы), эффективность, стабильность мощности, долговременную надежность, требования к обслуживанию и эксплуатационные расходы.  Волоконные лазеры были особенно важны для реализации некоторых из этих достижений и в настоящее время доминируют во многих сферах промышленного производства и микрообработки. В дополнение к присущей волоконным лазерам  эффективности и надежности, волоконные лазеры, естественно, обеспечивают доставку волокна к обрабатывающей головке процесса, сводя к минимуму нагрузку на оптику в свободном пространстве в лазере и в станке.

В отличие от  свойств вышеупомянутых волоконных лазеров пространственные характеристики пучка традиционных лазеров остаются относительно неоптимизированными и негибкими. В некоторых приложениях требуется качество ограниченное дифракцией качество излучения (пространственный профиль, близкий к гауссовскому, с M2 ≈ 1), в то время как другие требуют более низкого качества луча и различной формы луча (пространственные профили в ближнем поле), профилей расходимости и характеристик распространения.

РИСУНОК 1. Слева показаны поперечное сечение волокна (вверху) и профиль показателя преломления (внизу) для подающего волокна с тремя направляющими областями. Моделирование (справа) показывает профиль пучка, связанный с направляющими областями для различных условий возмущения. Пучок гомогенизируется азимутально по мере распространения в волокне.

Зачем нужно настраиваемое качество луча

Например, при резке металла (крупнейшее промышленное применение) маломощный луч с относительно высоким качеством излучения обеспечивает наивысшую скорость для тонкого материала, но максимальная толщина ограничена результирующим узким резом, который препятствует удалению расплава. Более мощный и более расходящийся луч (более низкое качество луча) позволяет резать более толстую пластину с соответствующим снижением скорости по-сравнению с  тонким листом. При сварке с высоким качеством луча образуются сварные швы с «глубоким каналом проплавления» с глубоким проникновением для обеспечения максимальной производительности при сварке толстых соединений, в то время как более крупные пятна с более низким качеством луча создают в режиме теплопроводности неглубокие  сварные швы,  эстетические сварные швы на тонких деталях. Кроме того, конкретная форма пучка влияет на теплоперенос  и температурные градиенты в заготовке. В отличие от гауссова луча, луч с плоской вершиной может предотвратить чрезмерную или недостаточную обработку, обеспечивая равномерное излучение, а кольцевые или кольцевые лучи, как известно, улучшают качество обработки в некоторых применениях.

Большинство лазеров обеспечивают фиксированные характеристики луча. Луч может быть преобразован в другой формат с помощью преломляющих, отражающих или дифракционных оптических систем. Лазерные инструменты с системами с фиксированным лучом могут работать только в ограниченном диапазоне процессов или материалов и, таким образом, страдают из-за снижения производительности или ограниченного количества рабочих мест. Например, металлорежущий инструмент с маломощным излучением не сможет разрезать толстую пластину, тогда как инструмент с мощным излучением не будет экономичным для резки тонкого листа.

Настраиваемость характеристик луча была бы весьма желательной, чтобы обеспечить оптимизацию процесса и универсальность инструмента. Были разработаны различные подходы, обеспечивающие определенный уровень настройки луча, в том числе масштабирующие линзы (зум-объективы), переключаемые дифракционные оптические элементы, деформируемые зеркала, объединители лучей и (для лазеров с волоконной системой транспортировки излучения) волоконно-оптические соединители и переключатели с моторизованной оптикой. Эти оптические подходы в свободном пространстве (вне оптоволокна) влекут за собой несколько недостатков:

• Чувствительность к смещению, загрязнению и условиям окружающей среды (температура, вибрация)
• Увеличение стоимости и сложности системы
• Оптические потери
• Тепловую линзу в мощных приложениях, вызывающую зависящие от мощности изменения качества луча и положения фокуса
• В случае зум-объектива увеличены размер и вес обрабатывающей головки

Для решения проблем, присущих оптике в свободном пространстве,  была использована комбинация лучей на основе волокон для обеспечения  возможности ограниченной настройки луча. В этих системах питающее волокно обычно состоит из центрального сердечника и окружного кольцевого сердечника, причем различные лазеры вводятся в эти два сердечника через объединитель сплавленых волокон (fused-fiber combiner). Преимущество этого подхода заключается в устранении оптики в свободном пространстве за счет других недостатков:

• Значительные затраты возникают из-за того, что полная мощность лазера недоступна при всех настройках луча, кроме одной, что означает, что конечный пользователь вынужден приобретать больше мощности лазера, чем обычно используется для их процесса.
• Разделение мощности между частями волокна  является «жестким» и не может быть изменено для приспособления к различным процессам или материалам, что ограничивает универсальность инструмента.

• Доступные формы луча ограничены. Например, этот подход обеспечивает один размер и форму кольцевого пучка. Получение различных кольцевых лучей требует добавления зум-объектива или другой оптики, что сводит на нет основное преимущество технологии комбинирования лучей.

Поскольку доступные опции, обеспечивающие настройку луча, влекут за собой значительные компромиссы в сложности, стоимости, производительности, универсальности и надежности инструмента, большинство инструментов на основе лазера по-прежнему используют фиксированный луч.

Полностью волоконный перестраиваемый луч

Недавно компания nLIGHT выпустила новый волоконный лазер под названием Corona, который обеспечивает быстро настраиваемое качество луча при уровнях мощности в несколько киловатт. Эти волоконные лазеры используют новую, полностью волоконную технологию, чтобы доставлять широкий спектр форм и размеров пучка непосредственно от выходного оптоволокна лазера. Несколько металлорежущих инструментов с поддержкой Corona были представлены ведущими инструментальными интеграторами. Волоконные лазеры Corona в настоящее время доступны с выходной мощностью от 3 до 4 кВт и были продемонстрированы с мощностью до 14 кВт.

Волоконные лазеры Corona обеспечивают настраиваемое качество луча с помощью полностью волоконного механизма, который включает в себя следующие компоненты:

1. Питающее волокно, которое сегментировано на несколько направляющих областей. Например, типичная конструкция, показанная на рисунке 1 (слева), использует трехзонное волокно для подачи, состоящее из центрального сердечника с диаметром 100 мкм, кольцевого сердечника с внешним диаметром 200 мкм и другого кольцевого сердечника с внешним диаметром 300 мкм. Форма луча настраивается путем изменения распределения мощности лазера между этими областями.
2. Длина волокна, которая позволяет радиальному смещению луча путем приложения возмущения, что приводит к перестраиваемому разделению луча между направляющими областями, как показано на рисунках 1 (справа).
3. Механизм возмущения для смещения или регулировки луча. Было выявлено несколько эффективных механизмов возмущения, в том числе микроизгиб, макроизгиб, растяжение, акусто- и электрооптическое возмущение, изменение температуры и другие. Волоконные лазеры Corona используют запатентованный механизм, который, как было показано, обладает высокой стабильностью и надежностью, как показано ниже.

Этот механизм может обеспечить непрерывную настройку характеристик луча с полной мощностью лазера, доступной для каждой настройки луча. Было обнаружено, что подача конкретного  продукта с определенным количеством предварительно заданных лучей (называемых настройками «индекса») предпочтительнее, чем непрерывная настройка для оптимизации процесса и стабильности инструмента. Промышленные лазеры часто используются в электрически зашумленных условиях, в которых аналоговые сигналы управления могут быть нестабильными в различных временных масштабах. Предоставляя фиксированные настройки луча, конечный пользователь гарантирует, что его лазерные характеристики будут стабильными в течение многих лет.

На рисунке 2 показаны типичные настройки  пучка лазера Corona для использования в  инструментах для резки из листового металла. Диаметр пучка программируется в диапазоне от 100 до 350 мкм. Пять выбранных форм пучка соответствуют плоской вершине (flat-top) 100 мкм (наружный диаметр), плоской вершине 200 мкм, кольцо (donut) 200 мкм, кольцо (donut) с толстыми стенками 300 мкм и кольцо (donut) с тонкими стенками 300 мкм. Широкий динамический диапазон размеров и формы луча, показанный на рисунке 2, недостижим с любой другой практической технологией.

Время переключения составляет менее 30 мс для всего диапазона размеров луча, и лазер поддерживает работу на полной мощности во время переключения без необходимости выключения. Такая быстрая настройка характеристик луча позволяет оперативно регулировать и оптимизировать инструмент не только для разных материалов или толщин, но и для разных технологических этапов (например, прошивка или резка или прямолинейная резка или прохождение поворотов).

Corona поддерживает исключительную стабильность и надежность волоконных лазеров. Был проведен тест с ускоренной оценкой срока службы, в ходе которого волоконный лазер Corona периодически циклически переключался между настройками индекса с задержкой 100 мс при каждой настройке. Продолжительность теста составила 13,4 млн. изменений индекса, что соответствует> 36-летней эксплуатации инструмента с 1000 изменениями индекса в день. Диаметры луча для всех настроек индекса оставались стабильными в пределах ± 3% (с преобладанием неопределенности измерения) в течение всего теста, без смещения  или ухудшения.

Результаты резки металла

Волоконные лазеры Corona были испытаны в Лаборатории Приложений nLIGHT, а также были включены в инструменты резки  из листового металла несколькими ведущими интеграторами инструментов по всему миру, и получили следующие результаты:

1. Как и ожидалось, индекс 0 обеспечивает скорость резания и качество кромки, аналогичные обычным волоконным лазерам с волокнами подачи 100 мкм. Эта настройка обычно используется с тонким листом, чтобы максимизировать скорость резания.
2. Для резки нержавеющей стали и алюминия с помощью вспомогательного газа N2 индексы 1 и 2 могут обеспечить лучшее качество кромки при небольшом снижении скорости. Качество кромки может быть даже лучше, чем у обычных мощных волоконных лазеров.
3. Для резки мягкой стали (mild steel, MS) с помощью вспомогательного газа O2 индексы 3 и 4 значительно увеличивают максимальную толщину и технологическое окно при данной мощности лазера. Corona обеспечивает значительно лучшее качество кромки, чем это может быть достигнуто с помощью обычных волоконных лазеров (даже при более высоких уровнях мощности), что соответствует лазерам на CO2.Третье наблюдение особенно значимо. Кислородная резка MS является крупнейшим применением для промышленных лазеров большой мощности. Хотя сейчас на этом рынке доминируют волоконные лазеры, лазеры на CO2 по-прежнему предпочтительнее для резки более толстых пластины (выше примерно 10 мм), поскольку СО2 лазеры обеспечивают более высокое качество кромки (уменьшенную шероховатость и лучшую прямолинейность и перпендикулярность). Максимальная толщина, на которую рассчитаны волоконные лазеры, увеличивается, в основном за счет использования более высокой мощности лазера, но такой подход увеличивает предварительные и эксплуатационные расходы, предъявляет значительные требования к режущей головке и все же не достигает качества кромки CO2-лазеров. Благодаря обеспечению CO2-подобного качества кромки и уменьшению мощности волоконного лазера, необходимого для резки толстых MS, волоконные лазеры Corona устраняют последнее преимущество обработки CO2-лазерами для резки металла.

На рисунке 3 показано сравнение производительности резки обычными и волоконными лазерами Corona 4 кВт для резки O2 плиты MS между 6,4 и 25,4 мм. Скорость резки одинакова для обоих лазеров, но для Corona шероховатость кромки обычно в 2-3 раза ниже, а зависимость от толщины значительно ниже. Такое высокое качество кромки снижает или устраняет необходимость в дорогостоящих и длительных этапах последующей обработки. Интеграторы инструмента обнаружили, что качество кромки и технологическое окно для Corona мощностью 4 кВт лучше, чем у стандартного волоконного лазера мощностью 6 кВт. Кроме того, максимальная толщина, которую можно надежно разрезать (свободные от грата  детали), на 30% больше у волоконного лазера Corona.

В таблице перечислены желаемые функции для идеального лазерного источника с настраиваемым качеством луча и перечислены доступные варианты. Наличие практичного, полностью волоконного, высоконадежного лазера с быстро настраиваемым качеством луча открыло новое измерение для обработки материалов и уже доказало свою значимость для резки металла, крупнейшего рынка для мощных лазеров. Возможность точного контроля и изменения тепловыделения в заготовке в режиме реального времени позволяет разрабатывать гораздо более высокопроизводительные и универсальные инструменты для широкого спектра применений.

БЛАГОДАРНОСТЬ

nLIGHT является зарегистрированным товарным знаком nLIGHT, а Corona является товарным знаком nLIGHT.

Dahv A.V. Kliner — вице-президент по технологии волоконных лазеров, Roger L. Farrow  — старший инженер по волоконным лазерам, а Brian Victor — директор по промышленным применениям, все в nLIGHT, Ванкувер, Вашингтон; электронная почта: dahv.kliner@nlight.net; www.nlight.net.

Источник: https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-55/issue-04/features/fiber-laser-has-all-fiber-tunable-beam-quality.html