Лазерные технологии

 Из лазеров с полупроводниковой накачкой, в свою очередь, наиболее популярными становятся волоконные лазеры (Fiber Laser или Faser). Сегодня эти устройства достигли уровня характеристик, в первую очередь, мощности, надежности, позволяющих с успехом использовать их для решения различных задач лазерной обработки материалов. Очень часто волоконные лазеры заменяют в приложениях лазеры других типов, например, твердотельные Nd:YAG-лазеры. Они представляют собой практически идеальные преобразователи световой энергии лазерных диодов накачки в лазерное излучение с рекордным КПД, по сравнению, например, с Nd:YAG-лазерами. Создание таких лазеров явилось результатом многолетнего развития лазерной техники.

  Говоря о технической стороне дела, стоит остановиться на некоторых конструкционно-технологических и эксплуатационных достоинствах систем с волоконными лазерами.

  Сначала остановимся немного на технических особенностях самих волоконных лазеров с полупроводниковой накачкой. На рис. 1 представлена схема работы волоконного лазера с полупроводниковой накачкой и в общем виде весь оптический тракт вплоть до обрабатываемого материала.

Рис. 1. Оптическая система с волоконным лазером: 1 — сердцевина, легированная металлом, диаметр 6–8 мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное покрытие; 5 — лазерные диоды оптической накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор света;  10 — фокусирующая оптическая система

Главная особенность этого лазера в том, что излучение здесь рождается в тонком, диаметром всего в 6–8 мкм, волокне (сердцевине — например, активная среда иттербий), которое фактически находится внутри кварцевого волокна диаметром 400–600 мкм. Излучение лазерных диодов накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, имеющего длину несколько десятков метров. Упрощенно говоря, это излучение «пересекает», то есть оптически накачивает сердцевину, именно в ней на атомах иттербия (Yb) происходят те замечательные физические превращения, приводящие к возникновению лазерного излучения. Вблизи концов волокна на сердцевине делают два так называемых дифракционных зеркала — в виде набора «насечек» на цилиндрической поверхности сердцевины (дифракционные решетки); таким образом, создается резонатор волоконного лазера. Общую длину волокна и количество лазерных диодов выбирают, исходя из требуемой мощности, эффективности. На выходе получается идеальный одномодовый лазерный пучок с весьма равномерным распределением мощности, что позволяет сфокусировать излучение в пятно малого размера и иметь большую, чем в случае мощных твердотельных Nd:YAG-лазеров, глубину резкости, а это чрезвычайно важное для лазерных систем свойство, особенно для многолучевых оптических систем (рис. 2). Также стоит отметить, что ряд свойств излучения волоконных лазеров, например, характер поляризации пучка, делает более удобным и надежным управление этим излучением с помощью акусто-оптических компонентов, позволяет реализовать многолучевые схемы записи изображений. В целом повышается надежность всего оптического тракта лазерной системы. Поскольку оптическая накачка идет по всей длине волокна, отсутствуют, например, такие свойственные обычным твердотельным лазерам эффекты, как термолинза в кристалле, искажения волнового фронта вследствие дефектов самого кристалла, девиация луча со временем и др. Эти эффекты всегда были препятствием для достижения максимальных возможностей твердотельных систем. В волоконном же лазере сам принцип его устройства и работы гарантирует высокие «отчетные характеристики» и делает такие лазеры совершенными, практически идеальными преобразователями светового излучения в лазерное.

Рис. 2. Форма пучка разных лазерных источников: а — волоконные лазеры, одномодовый режим; б — Nd:YAG-лазеры, многомодовый режим; в — излучение лазерных диодов

• малое энергопотребление (системы представляют собой практически офисную технику, питание которой осуществляется от обычной розетки);
• никакого водяного охлаждения, для компонентов волоконного лазера достаточно охлаждения воздушного;
• отсутствие сменных элементов и профилактических операций со стороны оператора;
• высокая надежность оборудования.

Твердотельные лазеры с ламповой накачкой. Исторически твердотельные Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой были первыми лазерными источниками. «Ламповым» лазерам присущ ряд недостатков, вынуждающих в некоторых случаях искать им замену: невысокий коэффициент полезного действия, большое энергопотребление, необходимость во внешнем водяном охлаждении и в периодической замене ламп накачки.

Твердотельные лазеры с диодной накачкой. Развитие и совершенствование лазерной техники в 90-е гг. привели к распространению твердотельных лазеров, включая и Nd:YAG-лазеры, где ламповый источник света (оптическая накачка) заменен полупроводниковыми лазерами (диодами). Это лазеры с полупроводниковой накачкой, один из вариантов оптической схемы которых представлен на рис. B. Главное отличие этих лазеров от «ламповых» заключается в более высокой (на порядок!) эффективности преобразования излучения мощных лазерных диодов, что позволяет избежать высокого электропотребления, интенсивного внешнего водяного охлаждения (обычно внутренний контур водяного охлаждения активного тела лазера все же необходим). Очевидно, это делает системы записи изображения с такими лазерами очень удобными в эксплуатации.

Волоконные лазеры. Другим логичным развитием твердотельных лазеров стали так называемые волоконные лазеры, где в качестве накачки также используются лазерные диоды. Эти источники были разработаны для телекоммуникационных систем волоконной связи, где они применяются в качестве усилителей сигналов. Представим себе, что кристалл, в котором происходит генерация полезного лазерного излучения, «растянут» на несколько десятков метров и представляет собой сердцевину волокна диаметром 9–12 мкм (рис. 1). Эта сердцевина находится внутри кварцевого волокна. Излучение диодов направляется в кварцевое волокно, и на всем его протяжении происходит оптическая накачка сердцевины. Волоконные лазеры имеют очень высокую (до 80%) эффективность преобразования излучения лазерных диодов в полезное излучение. Для обеспечения их работы достаточно воздушного охлаждения. Это самые удобные и перспективные лазерные источники.

В последние годы среди производителей лазерных систем записи изображений все большую популярность приобретают волоконные лазеры как самые удобные и надежные источники. Их используют не только в новых моделях устройств, но и при модернизации ранее разработанных систем.