Как устроен волоконный лазер

Волоконный лазерный аппарат представляет собой мощный станок для создания одномодового излучения с максимально высокими рабочими и качественными характеристиками. Оптоволоконные устройства для обработки материалов занимают порядка одной четвертой части всего рынка производственного оборудования.

Диаметр волоконного излучателя имеет микро значения, поэтому луч с абсолютной точностью вырезает острые углы и прочие сложные формы даже в листе металла повышенной твердости и большой толщины

Луч, сформированный в оптоволоконной среде, предназначен преимущественно для работы с металлическими поверхностями, поэтому в числе сфер применения данного типа оборудования выступают такие, как:

• авто-, судо- и ракетостроение;
• изготовление морских контейнеров и железнодорожных вагонов;
• станкостроение;
• робототехника;
• выпуск ювелирных изделий;
• маркировка и гравировка товаров;
• производство металлоконструкций для рекламной сферы, а также для строительства складских, торговых, жилых и прочих объектов;
• военно-промышленный комплекс.

Кроме металлов волоконный станок хорошо зарекомендовал себя в работе с камнем, стеклом и некоторыми видами пластика, поэтому его используют и в тех отраслях, которые массово используют работе эти материалы (рекламная индустрия, некоторые виды строительных работ и т. д.).

Достоинства оптоволоконных станков

Приоритетность в использовании твердотельного оборудования (именно к этой категории и относятся волоконные лазеры) перед любыми другими станками объясняется большим количеством экономических и качественных преимуществ, главными из которых являются следующие:

• прецизионная точность позиционирования на любых скоростных режимах;
• высокая мощность (1000 кВт не является пределом);
• возможность фокусировки луча до диаметра в несколько микрон с максимальной интенсивностью в точке реза;
• отличное качество луча с минимальными потерями при передаче и малым угловым расхождением;
• многофункциональность: лазер в состоянии не только резать, гравировать и перфорировать материалы, но и паять или выполнять сварочные работы, закалку, наплавку и очистку поверхностей от любых видов загрязнений;
• при создании отверстий луч не оставляет стружки, а край и стенки сквозного реза получаются идеально чистыми и гладкими;
• выходная мощность излучения ограничена только доступной мощностью источника оптической накачки;
• очень высокий рабочий ресурс, который может превышать 100000 часов;
• компактность, простота в транспортировке, минимальные пуско-наладочные работы и отсутствие необходимости в юстировке;
• воздушное охлаждение, что исключает все проблемы с заменой воды, размещением емкости для ее хранения и прочими проблемами водяных терморегуляторов;
• бесшумная работа и практически полное отсутствие производственных отходов.

Устройство волоконного лазера

Протяженность оптического кабеля может составлять от пары метров до 40, а то и 100 метра, поэтому для оптимизации пространства его скручивают кольцами и укладывают на поверхности оборудования

Волоконный принцип преобразования светового излучения в лазерное является одним из самых совершенных. Эффективность процесса получения полезной энергии составляет порядка 80-90%, при этом в ходе генерации лазера практически полностью исключены искажения волнового фронта и потери мощности луча на всем оптическом маршруте.

Система лазерообразования волоконных устройств состоит из двух основных частей: ламп накачки (полупроводниковых диодов) и оптического кабеля. Внутри последнего расположено светопроводящее волокно с сердцевиной из прозрачного кварца, легированного ионами редкоземельных элементов (в большинстве станков, используемых в промышленности, это иттербий). На концах центрального стержня чаще всего делают брэгговскую (дифракционную) решетку, представляющую собой штрихи, нанесенные определенным образом. Участки с насечками имеют измененную отражательную способность и выступают в качестве резонаторов, отражая свет, распространяющийся вдоль волокна, и поддерживая требуемую длину волны. Благодаря им луч сохраняет свою монохромность и прочие качественные характеристики.

Оптическое волокно в разрезе

Диодные лампы включаются при запуске станка и начинают подпитывать световод энергией, одновременно накачивая волокно на всей его протяженности и приводя сердцевину в рабочее состояние. Это активирует иттербиевое покрытие, которое начинает генерировать ионы, причем, благодаря брэгговской решетке, выступающей в роли отражающих зеркал, часть светового потока постоянно присутствует внутри волокна, порождая создание все новых атомов. Вторая половина световой энергии вырывается наружу стабильным и мощным лазерным лучом.

Сторона оптического кабеля, предназначенная для выхода лазерного потока, соединяется с подвижной режущей головкой, размещенной над поверхностью материала. Фокусирующая линза внутри головки автоматически или по командам управляющей программы сводит луч в световое пятно нужного диаметра и направляет его в зону реза.