البصريات لتطبيقات الليزر الليفي
لقد وجدت الليزر الليفي مكانًا للمعالجة والبحث حيث تكون Nd: YAG ليزر باهظة الثمن للغاية أو لها خصائص حزمة غير مرغوب فيها (مثل قيم M2 الكبيرة). قد يهتم مستخدمو الليزر الليفي بالتبادل لإمدادهم الحالي بالمكونات البصرية أو كيفية تحديد البصريات الجديدة. تتناول هذه المقالة مجالات الاهتمام هذه وتسلط الضوء على الخصائص التي يجب تحديدها بعناية خاصة.
تكتسب أشعة الليزر الليفية مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل الحفر واللحام وتقطيع الرقاقات ووضع العلامات بالليزر والميكنة الدقيقة الدقيقة. يجد العلماء الباحثون أيضًا أنها مفيدة جدًا كمصادر نظرًا لوجود آثار صغيرة وقيم M2 منخفضة. يعتمد نجاح الليزر الليفي على مجموعة فريدة من خصائص الحزمة غير متوفرة من مصادر أخرى في نفس نطاق الطول الموجي: CW أو التشغيل النبضي ، التحكم في الاستقطاب (عشوائي ، خطي أو دائري) ، عرض نطاق طيفي ضيق ، وقيم TEM00 M2 تقترب 1 مع مثل هذا التحسن في M2 على الليزر Nd: YAG ، يمكن تحقيق كثافة طاقة أعلى بكثير. من الممكن استخدام حزم أكثر تركيزًا بإحكام ، مما ينتج عنه صور أكثر وضوحًا للتمييز والقطع الدقيق للالتصنيع الدقيق. ويمكن أيضا زيادة تصنيع مسافات العمل. وبالتالي ، يتوقع السوق مواجهة الطلب المتزايد على المكونات البصرية المخصصة المصممة لتطبيقات ليزر الألياف.
1 آثار جودة الشعاع
تتأثر عملية اختيار المكونات بشدة بالكثافة العالية التي يمكن تحقيقها باستخدام أشعة الليزر. التجويف البصري للليزر الليفي هو لب الألياف الذي يمكن تصميمه لتقليل عدد الأوضاع ، مما يتيح للشركات المصنعة إنتاج أشعة الليزر تجاريًا باستخدام M2 = 1.05. M2 هي نسبة ناتج تباعد القطر المتعدد الشعاع لشعاع الليزر إلى منتج تباعد قطر الحزمة المثلى المحدود (TEM00):
حيث Θ0 هو انحراف الحزمة بالملليرادات و w0 هو عرض وسط شعاع الخرج (إذا كان الشعاع دائريًا ، فيمكن استبدال w0 بقطر الحزمة d0). أو من أجل القطر البؤري القابل للتحقيق d0:
يوضح الشكل 1 المعلمات المستخدمة في المعادلة (2). عادةً ما توفر شركات تصنيع ألياف الليزر رأسًا لتوصيل الحزمة مع خرج موازٍ يتراوح قطره بين 5 مم و 20 مم (D0). تظهر الحسابات أن قطر البقعة البؤرية النظرية d0 من 10μm يمكن تحقيقه باستخدام عدسة البعد البؤري 19 مم. لذلك ، للحصول على ليزر ليفي بقوة 50 واط عند 1075 نانومتر ، فإن الحزمة المركزة تحزم كثافة طاقة بصرية هائلة
يرد في الجدول 1. المزيد من التركيبات في حين أن بصريات توجيه الحزمة قد لا ترى أبداً بقعة مركزة تمامًا ، هناك عامل أمان يريد مهندس التصميم أن يأخذه في الاعتبار ؛ قد تؤثر هذه الكثافة العالية والحيود المحدودة للحيود على العناصر البصرية أثناء المحاذاة.
بالنسبة إلى أشعة الليزر النابضة منخفضة الطاقة وأشعة الليزر CW متوسطة المدى (بناءً على متوسط قدرة 1-5W) ، يعتبر زجاج N-BK7 من Schott chott.de مادة ركيزة مناسبة وغير مكلفة للبصريات العاكسة والانتقالية على حد سواء في السطح البصري هو <50mw> N-BK7 هو زجاج بصري تاج التاج البورسليكات مع تجانس عالية وانتقال عالية في الأشعة تحت الحمراء المرئية وشبه القريبة. يمكن استخدام الطلاءات المضادة للانعكاس (AR) على النوافذ والعدسات والعاكسات الجزئية لزيادة النقل الكلي من خلال المكون. في هذه الطاقات ، يمكن استخدام الطلاء AR الضيق النطاق ("V" - المعطف) أو الطلاء AR متعدد النطاق العريض لتقليل الانعكاس لكل سطح من حوالي 4٪ إلى <0.25٪ بطول="" موجة="" واحد="" أو=""><0.5٪ عبر="" عرض="" النطاق="" الترددي="" من="" 250-400nm="" لأنظمة="" الليزر="" الانضباطي="" (انظر="" الشكل="">
المعاطف الضيقة "V" عبارة عن طبقات عازلة مضادة للانعكاس متعددة الطبقات (عادةً ثنائية الطبقة) تحقق الحد الأدنى من الانعكاس النظري عند نطاق ضيق من أطوال الموجات. يرتفع الانعكاس بسرعة على جانبي هذا الحد الأدنى ، مما يمنحه شكل "V" في الانعكاس مقابل الرسم البياني لطول الموجة. يستخدم المصنّعون الأمريكيون عادةً المصطلحات "V-coat" أو "laserline" لتمييز هذا الطلاء عن عروض AR ذات النطاق العريض.
هناك خيار مادي آخر للاستخدام مع الليزر الليزري 1-5W وهو زجاج N-SF11 من Schott والذي يحتوي على مؤشر الانكسار n = 1.754 عند 1060 نانومتر ، أعلى من N-BK7 (1.507). يوفر هذا مرونة إذا كانت العدسة ذات البعد البؤري القصير مطلوبة للتطبيق. نظرًا لأن كلا N-SF11 و N-BK7 لهما معاملات تمدد حراري في نطاق 8 × 10-6 / ° C ، فإن السيليكا المنصهرة هي الخيار المفضل للمواد الركيزة إذا كان الاستقرار الحراري مهمًا. السيليكا تنصهر معامل التمدد الحراري فقط 0.57 × 10-6 / درجة مئوية ، وهو أمر من حجم أكثر استقرارا من المواد البصرية الأخرى. يوصي مصنعو ألياف الليزر بالسيليكا المنصهرة للبصريات الانتقالية للاستخدام مع مخرجات ليزر ليفية أكبر من 50W. على سبيل المثال ، توصي Southampton Photonics، Inc. pioptics.com بشدة باستخدام السيليكا المنصهرة في تطبيقات ألياف الليزر بسبب عتبة التلف بالليزر أعلى بكثير. له خصائص نقل مماثلة لـ N-BK7 من 500-2000 نانومتر ، لكنه أكثر استقرارًا حراريًا وله حدود عتبة أعلى للتلف لكل من الأنظمة النبضية و CW. توصي IPG Photonics pgphotonics.com) بأنواعها من السيليكا المنصهرة ذات درجة الأشعة تحت الحمراء لأشعة الليزر المقننة أعلى من 1 كيلو وات. مرة أخرى ، يمكن استخدام عوازل AR لتقليل الانعكاسات السطحية ، لكن من الأفضل استخدام طبقات AR ذات المعاطف المتعددة "V" ذات الطبقات المتعددة ، والتي تتحمل ما يصل إلى 1 ميجا واط / سم 2 أو أكثر.
2 عدسات
في بعض التطبيقات ، مثل تصوير الفخاخ البصرية ، يعد الحفاظ على جودة الصورة عبر مسار الشعاع أمرًا بالغ الأهمية. على الرغم من أن عدسات القميص ، إما في مادة السيليكا المنصهرة أو في مادة N-BK7 ، مناسبة لتطبيقات توجيه الحزمة البسيطة ، فقد تكون العدسات المزدوجة أو الثلاثية aplanatic أكثر ملاءمة لتقليل أخطاء واجهة الموجة المنقولة. تم تصميم هذه العدسات لتقليل أخطاء واجهة الموجة أحادية اللون التي تسمى Spherical Aberration و Coma. الانحراف الكروي متماثل محوريًا ويحدث عندما تركز الأشعة الموازية التي تمر عبر المناطق الخارجية للعدسة على مسافة مختلفة عن العدسة عن الأشعة التي تمر عبر المنطقة المركزية. الغيبوبة هي تشوه في واجهة الموجة غير التناظرية خارج المحور والذي يزيد خطيًا بزاوية الحقل أو المسافة من المحور الرئيسي. مجتمعة ، تشوه هذه الانحرافات واجهة الموجة المنقولة عبر العدسة وتتسبب في أن تصبح البقعة البؤرية غير منتظمة الشكل و / أو غير واضحة.
يمكن أن تستخدم تصميمات العدسات ثنائية وثلاثية المواد الركيزة المدرجة سابقًا أو مواد أخرى ، وفقًا لمعايير التصميم المحددة. يتم تحسينها لطول موجة واحدة وعادة ما تكون متباعدة بالهواء لتقليل تشوه واجهة الموجة الإضافية الناجم عن الأسمنت بين الأسطح الزجاجية. يسمح تباعد العناصر بالهواء أيضًا بزيادة المرونة في التصميم لأن الأسطح المجاورة ليس من الضروري أن يكون لها انحناءات مطابقة. بدلاً من ذلك ، يمكن تحسين كل من الأسطح الأربعة إلى الستة بشكل مستقل من أجل تقليل الغيبوبة والانحرافات الكروية إلى الحد الأدنى من خلال مجموعة العدسات الكاملة. يجب تجنب مجموعات العدسات الأسمنتية من أجل تعظيم الحد الأدنى من الضرر الكلي وعمر المكون.
3 ضيق النطاق الترددي الطيفي
يتم تحديد مدى الطول الموجي للليزر الليفي من خلال هندسة الضخ الخاصة بالجهة المصنعة والواجهات المستخدمة في تجويف ألياف الليزر النشط. نطاقات الطول الموجي النموذجية هي: 780-800nm لتعاطي المنشطات الإربيوم ،
1030-1120nm للإيتربيوم ، 1530-1600nm للإربيوم الإيتربيوم ، و 1800-2100nm للثوليوم. عادة ما يتم تعريف عرض النطاق الترددي للالياف الليفي بواسطة حشوات براغ الألياف. ستحدد شركات تصنيع ألياف الليزر نطاقًا ، حيث يمكن للمستخدم النهائي تحديد طول موجة محدد. عرض النطاق الترددي الفعلي لكل ليزر هو 1-2nm فقط. قد يكون هذا تفصيلًا مهمًا عند اختيار مكونات مثل لوحات الموجات ذات الترتيب العالي والتي تعمل بشكل صحيح فقط على نطاق ترددي ضيق.
4 بصريات الاستقطاب
عرض النطاق الترددي وكثافة الطاقة هما أهم خصائص الحزمة التي يجب معرفتها عند الاختيار بين مختلف المستقطبات والألواح الموجية. لا يتم تصميم المستقطبات الخطية من البوليمر للاستخدام في الطاقات التي تزيد عن 1 واط / سم 2. تتوفر المستقطبات المكعبات الأسمنتية في كل من التصميمات الضيقة والنطاق العريض ، لكن عتبات الضرر محدودة بواسطة الإبوكسي الداخلي. على الرغم من أن بعض الإسمنت البصري قد يقال إنه يتحمل كثافة طاقة الليزر البالغة 500 واط / سم 2 ، إلا أن مصنعي ليزر الألياف ينصحون بتجنب البصريات الأسمنتية الخاصة بأشعة الليزر التي يزيد وزنها عن 50 واط. فوق هذا المستوى ، من الضروري التبديل إلى تصميم مكعب مستقطب متباعد الهواء أو تم الاتصال به بصريًا ، والذي يمكنه عادة التعامل مع أكثر من 1 ميجا واط / سم 2 من ضوء الليزر CW.
بالنسبة إلى الألواح الكريستالية متعددة الأوجه المصنوعة من الكريستال والتي تقع بالقرب من سمك 1 مم ، يمكن أن يؤدي اختلاف 2nm في الطول الموجي إلى جعل الفرق بين الألواح الخشبية الممتازة والجزء غير المقبول. سيكون صفيحة موجية سُمك thick / 4 مم 1 مم مصممة ل 1082 نانومتر في الواقع صفيحة موجية 0.23λ عند 1084 نانومتر ، أو λ / 50 إيقاف. بدلاً من ذلك ، فإن لوحة الموجة ذات الترتيب الصفري المركب المصممة لطولتي موجي واحدة من شأنها أن تغير التخلف بين الأمرين بمقدار <λ 1000="" موجة="" ،="" والتي="" تقع="" ضمن="" حدود="" القياس=""> تعمل الألواح الموجية ذات الأوامر الصفرية جيدًا على مدى 40-70nm من طول الموجة التصميمية ، وهي مناسبة تمامًا لأنظمة الليزر القابلة للضبط وكذلك للأنظمة ذات النطاق الترددي لخطوط الليزر التي تزيد عن 1nm (انظر الشكل 3).
5 مرايا
قد لا تتطابق المكونات القياسية - أي تصميمات الطلاء الحالية - لخطوط الليزر الأخرى بشكل جيد بما فيه الكفاية مع أطوال موجات ألياف الليزر الجديدة وقدراتها للحصول على الأداء الأمثل. بالنسبة لأنظمة الطاقة المنخفضة للغاية ، قد تكون الطلاءات المرآة المعدنية المحمية مثل الذهب والألمنيوم والفضة اختيارات مناسبة لتطبيقات معينة حيث لا تكون الانعكاس 100٪ مطلوبة. فهي متوفرة بسهولة وغير مكلفة. ومع ذلك ، حتى مع الطبقات الواقية ، تكون الطلاءات المعدنية ناعمة وسوف تتعرض للخدش أو التآكل في نهاية المطاف إذا لم يتم التعامل معها بشكل صحيح. بدلاً من ذلك ، تكون المرايا العازلة للكهرباء متعددة الطبقات شديدة الصلابة ، متينة ، وعاكسة بدرجة عالية في أي من الحالات العادية أو 45 درجة (انظر الشكل 4). لديهم عتبات الضرر التي تتجاوز 20J / cm2 في الأنظمة النبضية 10-20ns وبالتالي لا ينبغي أن تتحلل أو تكبد أضرار عند استخدامها في أي إعدادات الليزر النبضي أو CW الألياف. على الرغم من عدم النطاق العريض بشكل خاص ، إلا أن مرآة قياسية عازلة للصوت مصممة لأنظمة 1064nm Nd: YAG ستظل تعكس> 99٪ عند 1075nm أو 1080nm.
6 الخاتمة
لقد قدمت CVI مجموعة جديدة من المرايا المصممة خصيصًا للاستخدام مع أنظمة ألياف الليزر. بالإضافة إلى ذلك ، أضاف CVI أطوال موجات الليزر الليفي الأكثر شيوعًا إلى خطوط الإنتاج الحالية بما في ذلك عوازل AR للبصريات الانتقالية ، مثل الألواح الموجية والعدسات والنوافذ ، بالإضافة إلى الطلاء العاكس للبلاطات الضوئية والعاكسات الجزئية ومقرنات الإخراج والمرايا.
تستمر شركات تصنيع ألياف الليزر في دفع حدود تكنولوجياتها ، مما يزيد من طاقة CW والطاقة النبضية المتاحة تجاريًا. ستستمر جودة الشعاع الممتازة المقترنة بالطاقات الأعلى في زيادة الطلب على المكونات البصرية المستخدمة في هذه الأنظمة. سوف تشمل المواصفات الأساسية لهذه المكونات المواد الأساسية ، وعتبة الضرر وجودة السطح.