OTTICHE PER LE APPLICAZIONI LASER IN FIBRA
I laser a fibra hanno trovato una nicchia di elaborazione e ricerca in cui i laser Nd: YAG sono troppo costosi o hanno proprietà del fascio indesiderabili (ad es. Valori M2 di grandi dimensioni). Gli utenti di laser a fibra possono preoccuparsi dell'intercambiabilità della fornitura esistente di componenti ottici o di come specificare nuove ottiche. Questo articolo affronta tali aree di interesse e mette in evidenza quali caratteristiche dovrebbero essere specificate con particolare attenzione.
I laser a fibra stanno guadagnando terreno in una varietà di applicazioni come perforazione, saldatura, taglio di fogli, marcatura laser e microlavorazione precisa. I ricercatori li stanno anche trovando molto utili come fonti a causa delle loro piccole impronte e bassi valori di M2. Il successo dei laser a fibra si basa sulla loro combinazione unica di caratteristiche del fascio non disponibili da altre fonti nella stessa gamma di lunghezze d'onda: funzionamento CW o pulsato opzionale, controllo di polarizzazione (casuale, lineare o circolare), larghezza di banda spettrale stretta e valori TEM00 M2 prossimi a 1 Con un tale miglioramento di laser M2 rispetto a Nd: YAG, è possibile realizzare densità di potenza significativamente più elevate. Sono possibili fasci più focalizzati, che danno come risultato immagini più nitide per la marcatura e tagli più fini per la micromachining. Le distanze di lavoro di produzione possono anche essere aumentate. Pertanto, il mercato si aspetta di far fronte a una domanda crescente di componenti ottici dedicati progettati per applicazioni laser a fibra.
1 Effetti della qualità del raggio
Il processo di selezione dei componenti è fortemente influenzato dalle alte densità di potenza ottenibili con i laser a fibra. La cavità ottica di un laser a fibra è il nucleo della fibra che può essere progettato per ridurre al minimo il numero di modalità, consentendo così ai produttori di produrre commercialmente laser con M2 = 1,05. M2 è il rapporto tra il prodotto di divergenza del diametro multimodale del raggio laser e il prodotto di divergenza del diametro del raggio di diffrazione ideale (TEM00) ideale:
Dove Θ0 è la divergenza del raggio in milliradianti e w0 è la larghezza della vita del raggio di uscita (se il raggio è circolare, allora w0 può essere sostituito dal diametro del raggio d0). O per il diametro del punto focale ottenibile d0:
La Figura 1 illustra i parametri utilizzati nell'equazione (2). I produttori di laser a fibra tipicamente forniscono una testa di erogazione del fascio con un'uscita collimata tra 5 mm e 20 mm di diametro (D0). I calcoli mostrano che è possibile ottenere un diametro focale teorico d0 di 10 μm con un obiettivo di lunghezza focale di 19 mm. Pertanto, per un laser a fibra da 50 W a 1075 nm, il raggio focalizzato racchiude un'enorme densità di potenza ottica
Altre combinazioni sono riportate nella tabella 1. Mentre l'ottica di governo del raggio potrebbe non vedere mai un punto perfettamente focalizzato, c'è un fattore di sicurezza che l'ingegnere progettista vorrà prendere in considerazione; queste densità di potenza elevate, con diffrazione limitata possono influire sugli elementi ottici durante l'allineamento.
Per i laser a fibra pulsata a bassa energia e i laser CW di fascia media (dell'ordine della potenza media di 1-5 W), il vetro N-BK7 di Schott chott.de) è un materiale di substrato adatto ed economico sia per l'ottica riflettente che trasmissiva dove l'energia sulla superficie ottica è <50 mw=""> N-BK7 è un vetro ottico a corona di borosilicato con elevata omogeneità e elevata trasmissione nel visibile e nel vicino infrarosso. I rivestimenti antiriflesso (AR) possono essere utilizzati su finestre, lenti e riflettori parziali per aumentare la trasmissione complessiva attraverso il componente. A queste energie, possono essere utilizzati rivestimenti AR a banda stretta (rivestimento “V”) o rivestimenti AR a banda larga multistrato per ridurre la riflettività per superficie da circa il 4% a <0,25% a="" una="" singola="" lunghezza="" d'onda="" o=""><0,5% su="" una="" larghezza="" di="" banda="" di="" 250-400nm="" per="" sistemi="" laser="" sintonizzabili="" (vedi="" figura="">
I cappotti a "V" a banda stretta sono rivestimenti antiriflesso dielettrici multistrato (tipicamente a due strati) che raggiungono una riflessione teorica minima a una banda stretta di lunghezze d'onda. La riflettanza aumenta rapidamente su entrambi i lati di questo minimo dandogli una forma a "V" nel grafico della riflettività rispetto alla lunghezza d'onda. I produttori statunitensi utilizzano in genere la terminologia "V-coat" o "laserline" per differenziare questo rivestimento dalle loro offerte AR a banda larga.
Un'altra opzione materiale da utilizzare con i laser a fibra 1-5W è il vetro N-SF11 di Schott che ha un indice di rifrazione n = 1.754 a 1060 nm, superiore a quello di N-BK7 (1.507). Ciò fornisce flessibilità se per l'applicazione è richiesta una lente con una lunghezza focale ridotta. Poiché sia l'N-SF11 che l'N-BK7 hanno coefficienti di espansione termica nell'intervallo 8 × 10-6 / ° C, la silice fusa è la scelta preferita del materiale del substrato se la stabilità termica è importante. La silice fusa ha un coefficiente di dilatazione termica di soli 0,57 × 10-6 / ° C, un ordine di grandezza più stabile rispetto agli altri materiali ottici. I produttori di laser a fibra raccomandano la silice fusa per l'ottica trasmissiva per l'uso con uscite laser a fibra superiori a 50 W. Ad esempio, Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) raccomanda vivamente l'uso di silice fusa per applicazioni laser in fibra a causa della sua soglia di danno laser significativamente più alta. Ha proprietà trasmissive simili a N-BK7 da 500-2000nm, ma è più stabile dal punto di vista termico e ha limiti di soglia di danno più elevati sia per i sistemi pulsati che per i sistemi CW. IPG Photonics pgphotonics.com) raccomanda silice fusa di grado IR per laser a fibra con capacità superiore a 1kW. Ancora una volta, i rivestimenti AR possono essere utilizzati per ridurre i riflessi superficiali, ma per energie più elevate è meglio utilizzare solo rivestimenti AR multistrato con rivestimento a “V”, che resistono fino a 1MW / cm2 o più.
2 lenti
In alcune applicazioni, come l'imaging delle trappole ottiche, è fondamentale mantenere la qualità dell'immagine lungo il percorso del raggio. Sebbene le lenti singoletto, in silice fusa o materiale N-BK7, siano adatte per semplici applicazioni di sterzatura del fascio, le lenti aplanatiche a doppio o tripletto possono essere più adatte al fine di ridurre al minimo gli errori del fronte d'onda trasmessi. Questi obiettivi sono progettati per ridurre al minimo due errori monocromatici del fronte d'onda chiamati Aberrazione sferica e Coma. L'aberrazione sferica è assialmente simmetrica e si verifica quando i raggi collimati che attraversano le zone esterne dell'obiettivo si focalizzano a una distanza diversa dall'obiettivo rispetto ai raggi che attraversano la zona centrale. Il coma è una distorsione del fronte d'onda non simmetrica fuori asse che aumenta linearmente con l'angolo di campo o la distanza dall'asse principale. In combinazione, queste aberrazioni distorcono il fronte d'onda trasmesso attraverso l'obiettivo e causano una forma irregolare e / o sfocata del punto focale.
I progetti di lenti per doppiette e triplette possono utilizzare i materiali di supporto precedentemente elencati o altri materiali, a seconda dei criteri di progettazione specifici. Sono ottimizzati per una singola lunghezza d'onda e di solito sono distanziati nell'aria per ridurre al minimo la distorsione aggiuntiva del fronte d'onda indotta dal cemento tra le superfici di vetro. La spaziatura dell'aria degli elementi consente anche una maggiore flessibilità nella progettazione poiché le superfici adiacenti non devono presentare curvature corrispondenti. Al contrario, ciascuna delle quattro o sei superfici può essere ottimizzata in modo indipendente al fine di minimizzare al meglio il coma e le aberrazioni sferiche attraverso il gruppo obiettivo completo. I gruppi lenti cementati devono essere evitati al fine di massimizzare la soglia di danno generale e la durata del componente.
3 Larghezza di banda spettrale stretta
La gamma di lunghezze d'onda di un laser a fibra è determinata dall'architettura di pompaggio del produttore e dai droganti utilizzati nella cavità laser a fibra attiva. Le gamme di lunghezze d'onda tipiche sono: 780-800nm per il drogaggio di erbio,
1030-1120 nm per itterbio, 1530-1600 nm per erbio-itterbio e 1800-2100 nm per thulium. La larghezza di banda di un laser a fibra è tipicamente definita da reticoli di fibra di Bragg. I produttori di laser a fibra specificheranno un intervallo dal quale l'utente finale può selezionare una lunghezza d'onda specifica. La larghezza di banda effettiva di ciascun laser è solo di 1-2nm. Questo potrebbe essere un dettaglio importante quando si scelgono componenti come piastre d'onda di ordine superiore che funzionano correttamente solo su una larghezza di banda ridotta.
4 ottica di polarizzazione
La larghezza di banda e la densità di energia sono le caratteristiche del fascio più importanti da sapere quando si sceglie tra vari polarizzatori e piastre d'onda. I polarizzatori lineari polimerici non sono destinati all'uso con energie superiori a 1 W / cm2. I polarizzatori a cubo cementato sono disponibili sia nella versione a banda stretta che a banda larga, ma le soglie di danno sono limitate dalla resina epossidica interna. Sebbene alcuni cementi ottici possano resistere a densità di potenza del laser di 500 W / cm2, i produttori di laser a fibra raccomandano di evitare l'ottica cementata per laser a fibra con capacità superiore a 50 W. Al di sopra di questo livello, è necessario passare a un design del cubo di polarizzazione spaziato o contattato otticamente, che in genere può gestire più di 1 MW / cm2 di luce laser CW.
Per una piastra d'onda al quarzo in cristallo a più ordini con spessore di circa 1 mm, una variazione della lunghezza d'onda di 2 nm può fare la differenza tra una piastra d'onda eccellente e una parte inaccettabile. Una piastra d'onda λ / 4 spessa 1 mm progettata per 1082nm sarebbe in realtà una piastra d'onda 0,23λ a 1084nm, o λ / 50 di sconto. In alternativa, una piastra d'onda composta di ordine zero progettata per le stesse due lunghezze d'onda cambierebbe il ritardo tra le due di <λ 1000="" onde,="" che="" rientra="" ampiamente="" nei="" limiti="" di="" misurazione=""> Le piastre d'onda a ordine zero funzionano molto bene a ± 40-70nm dalla lunghezza d'onda del progetto e sono adatte per sistemi laser sintonizzabili e anche con larghezze di banda della linea laser> 1nm (vedere la figura 3).
5 specchi
I componenti standard, ovvero i modelli di rivestimento esistenti, per altre linee laser potrebbero non corrispondere abbastanza bene alle nuove lunghezze d'onda e potenze del laser a fibra per prestazioni ottimali. Per sistemi a bassissima energia, i rivestimenti a specchio in metallo protetto come oro, alluminio e argento possono essere scelte adatte per determinate applicazioni in cui non è richiesta una riflettività al 100%. Sono prontamente disponibili ed economici. Tuttavia, anche con gli strati protettivi, i rivestimenti metallici sono morbidi e alla fine verranno graffiati o corrosi se non gestiti correttamente. In alternativa, gli specchi dielettrici multistrato sono rivestiti con materiali duri, durevoli e altamente riflettenti con incidenza normale o 45 ° (vedere la figura 4). Hanno soglie di danno superiori a 20J / cm2 in sistemi a impulsi 10-20ns e quindi non devono degradare o subire danni se utilizzati in configurazioni laser a impulsi o in fibra CW. Sebbene non sia particolarmente a banda larga, uno specchio dielettrico standard progettato per sistemi Nd: YAG a 1064 nm continuerà a riflettere> 99% a 1075 nm o 1080 nm.
6. Conclusione
CVI ha introdotto una nuova linea di specchi appositamente progettata per l'uso con sistemi laser a fibra. Inoltre, CVI ha aggiunto le lunghezze d'onda laser a fibra più comuni alle linee di prodotti esistenti, inclusi rivestimenti AR per ottiche trasmissive, come piastre d'onda, lenti e finestre, nonché rivestimenti riflettenti per beamsplitters, riflettori parziali, giunti di uscita e specchi.
I produttori di laser a fibra continuano a spingere i limiti della loro tecnologia, aumentando la potenza CW e l'energia pulsata disponibili in commercio. L'eccellente qualità del fascio abbinata alle energie più elevate continuerà a porre crescenti richieste sui componenti ottici utilizzati in questi sistemi. Le specifiche chiave per questi componenti includeranno materiale di supporto, soglia di danno e qualità della superficie.
