Nguyên lý hoạt động nguồn laser fiber - Novatech Vietnam

27/02/2021 Đăng bởi: maycatlaser.vn novatech

Laser sợi quang nhỏ gọn và chắc chắn, không bị lệch và dễ dàng tiêu tán nhiệt năng. Chúng có nhiều dạng, chia sẻ công nghệ với các loại laser khác nhưng mang lại những ưu điểm riêng biệt.

 

 

HÌNH 1. Core: Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi - Cladding: Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi. - Buffer coating: Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt .

Laser sợi quang là một biến thể của laser thể rắn tiêu chuẩn, với môi trường là sợi phủ chứ không phải là thanh, phiến hoặc đĩa. Ánh sáng laser được phát ra bởi một chất pha tạp trong lõi trung tâm của sợi quang, và cấu trúc lõi có thể từ đơn giản đến khá phức tạp. Yếu tố quan trọng đối với laser sợi quang là sợi quang có tỷ lệ bề mặt trên thể tích lớn để có thể tản nhiệt tương đối dễ dàng.

Laser sợi quang được bơm quang học, phổ biến nhất là điốt laser nhưng trong một số trường hợp với các loại laser sợi quang khác. Quang học được sử dụng trong các hệ thống này thường là các thành phần sợi, với hầu hết hoặc tất cả các thành phần được ghép sợi với nhau. Trong một số trường hợp, một số lượng lớn sợi quang được sử dụng, và đôi khi hệ thống ghép sợi bên trong được kết hợp với quang số lượng lớn bên ngoài.

Nguồn bơm điốt có thể là một điốt đơn, một mảng hoặc nhiều điốt bơm riêng biệt, mỗi điốt có một sợi đi vào một bộ ghép nối. Không có quang học số lượng lớn ở cuối, trừ khi chùm tia đầu ra đi vào một thứ gì đó không phải là sợi quang. Sợi có thể được cuộn lại, do đó, khoang laser có thể dài nhiều mét nếu muốn.

Cấu trúc lõi kép
Cấu trúc của sợi quang được sử dụng trong laser sợi quang rất quan trọng. Dạng hình học phổ biến nhất là cấu trúc lõi kép (xem Hình 1). Một lõi bên ngoài không có nắp (đôi khi được gọi là lớp phủ bên trong) thu thập ánh sáng từ nguồn bơm và dẫn nó dọc theo sợi quang. Phát xạ kích thích được tạo ra trong sợi quang đi qua lõi bên trong, thường là lõi đơn. Lõi bên trong chứa chất dopant (ytterbium hoặc erbium) được kích thích để phát ra bức xạ bởi ánh sáng nguồn bơm. Nhiều biến thể không hình dạng tồn tại trên hình dạng của lõi bên ngoài; những hình dạng này, bao gồm hình lục giác, hình chữ D và hình chữ nhật.

Một tia laser sợi quang có thể được bơm từ điểm cuối hoặc điểm cạnh (xem Hình 2). Trong quá trình bơm cuối, ánh sáng từ một hoặc nhiều nguồn bơm laser được bắn vào phần cuối của sợi quang. Trong bơm cạnh, nguồn bơm được ghép vào bên của sợi quang; nó được đưa vào một bộ ghép nối nó vào lõi bên ngoài. Điều này khác với việc bơm bên một thanh laser, nơi ánh sáng chiếu trực giao với trục.
 


HÌNH 2. Một tia laser sợi quang có thể được bơm cuối bằng một hoặc nhiều nguồn bơm, hoặc bơm bên (thường có nhiều tia laser) bằng cách bơm ánh sáng vào lõi bên ngoài.

Nhiều cân nhắc thiết kế được đưa ra để làm thực hiện điều này. Sự chú ý đáng kể được dành cho việc ghép ánh sáng bơm vào lõi, khớp nó với sự hấp thụ quang học và ghép nối ánh sáng bơm vào lõi bên trong để tạo ra sự nghịch đảo mật độ dẫn đến phát xạ kích thích trong lõi bên trong. Lõi laser có thể có nhiều mức độ khuếch đại khác nhau, tùy thuộc vào sự pha tạp trong sợi quang cũng như chiều dài sợi quang. Đây là những yếu tố mà kỹ sư thiết kế sẽ điều chỉnh để đạt được hiệu suất cần thiết.

Các giới hạn về nguồn có thể phát sinh, đặc biệt khi làm việc trong một sợi quang đơn mode. Một lõi sợi quang như vậy có diện tích mặt cắt ngang rất nhỏ, và kết quả là ánh sáng cường độ cao đi qua nó. Tán xạ Brillouin phi tuyến ngày càng trở nên quan trọng ở những cường độ cao này, và có thể giới hạn đầu ra ở mức nhiều kW. Nếu đầu ra đủ cao, đầu sợi quang có thể bị hỏng về mặt quang học.

Tính năng của laser sợi quang
Sử dụng sợi quang làm môi trường laser cho độ dài tương tác dài, hoạt động tốt cho việc bơm đi-ốt. Hình dạng này mang lại hiệu quả chuyển đổi photon cao, cũng như thiết kế chắc chắn và nhỏ gọn. Khi các thành phần sợi quang được nối với nhau, không có quang học rời rạc để điều chỉnh hoặc thoát ra khỏi sự liên kết.

Thiết kế laser dựa trên sợi quang có khả năng thích ứng cao. Nó có thể được điều chỉnh để làm bất cứ việc gì, từ hàn, cắt các tấm kim loại nặng để tạo ra xung femto giây. Nhiều biến thể tồn tại trên chủ đề laser sợi quang, cũng như một số cấu hình không phải là laser sợi quang. Bộ khuếch đại sợi quang cung cấp khả năng khuếch đại một lần; chúng được sử dụng trong viễn thông vì chúng có thể khuếch đại nhiều bước sóng đồng thời. Khuếch đại sợi quang cũng được sử dụng trong cấu hình bộ khuếch đại công suất dao động chính (MOPA), trong đó mục đích là tạo ra đầu ra cao hơn từ laser sợi quang. Trong một số trường hợp, bộ khuếch đại được sử dụng ngay cả với tia laser sóng liên tục (CW).

Một ví dụ khác là các nguồn phát xạ tự phát khuếch đại bằng sợi quang, trong đó phát xạ kích thích bị triệt tiêu. Tuy nhiên, một ví dụ khác là laser sợi quang Raman, dựa trên độ lợi Raman về cơ bản là Raman làm thay đổi bước sóng. Đây là một ứng dụng không được sử dụng rộng rãi, mặc dù nó chắc chắn được sử dụng trong nghiên cứu. Trên thực tế, một số nghiên cứu mới đang tiến hành sử dụng sợi thủy tinh florua để tạo vỏ và khuếch đại Raman thay vì sợi silica tiêu chuẩn.

Tuy nhiên, vật chủ sợi thường là thủy tinh silica với một chất pha tạp đất hiếm trong lõi. Các loài dopants chính là ytterbium và erbium. Ytterbium có bước sóng trung tâm nằm trong khoảng từ 1030 đến 1080 nm và có thể phát ra trong một dải bước sóng rộng hơn nếu được đẩy. Sử dụng điốt bơm phát ra trong phạm vi 940 nm có thể làm cho sự thâm hụt photon rất nhỏ. Ytterbium không có hiệu ứng tự dập tắt xảy ra trong neodymium ở mật độ cao, đó là lý do tại sao neodymium được sử dụng trong laser số lượng lớn và ytterbium được sử dụng trong laser sợi quang (cả hai đều cung cấp bước sóng gần giống nhau).

Tia laser sợi quang Erbium phát ra ở bước sóng 1530 đến 1620 nm, là dải bước sóng an toàn cho mắt. Điều này có thể được tăng gấp đôi tần số để tạo ra ánh sáng ở bước sóng 780 nm — một bước sóng không có sẵn từ laser sợi quang theo những cách khác. Và cuối cùng, ytterbium có thể được thêm vào erbium để ytterbium hấp thụ ánh sáng máy bơm và chuyển năng lượng đó đến erbium. Thulium là một chất pha tạp khác phát ra sâu hơn vào vùng cận hồng ngoại (NIR; 1750 đến 2100 nm), và do đó là một vật liệu an toàn cho mắt khác.

Laser sợi quang là hệ thống gần như ba cấp. Một photon bơm kích thích quá trình chuyển đổi từ trạng thái cơ bản lên mức cao hơn; quá trình chuyển đổi tia laser là sự sụt giảm từ phần thấp nhất của tầng trên xuống thành một số trạng thái cơ bản bị chia cắt. Điều này rất hiệu quả: Ví dụ, ytterbium với một photon bơm ở 940 nm tạo ra một photon phát ra ở 1030 nm — một khiếm khuyết lượng tử (năng lượng bị mất) chỉ khoảng 9% (xem bảng).

Vật liệu kích hoạt Đầu ra Bơm Chuyển đổi photon
Neodymium (thể rắn) 1064 - 1088nm 808nm 76%
Ytterbium 1030 - 1100nm 910, 940, 975nm > 90 ở 940/1030
Erbium dải 1550 980 và1480nm 95 hoặc 63%
Yb-Er Erbium Ytterbium  
Thulium 1750 - 2100nm 793nm 2 ra/1 vào


Ngược lại, neodymium được bơm trên dây chuyền bơm 808 nm tiêu chuẩn của nó có sai số lượng tử khoảng 24%. Vì vậy, ytterbium có hiệu suất vốn có cao hơn, mặc dù không phải tất cả hiệu suất đó đều có thể đạt được vì một số photon bị mất. Ytterbium có thể được bơm trong một số dải. Erbium có thể được bơm ở bước sóng 1480 hoặc 980 nm; loại thứ hai không hiệu quả theo quan điểm khuyết tật photon, nhưng vẫn hữu ích ngay cả như vậy vì các nguồn bơm tốt hơn có sẵn ở bước sóng 980 nm.

Hiệu quả tổng thể của laser sợi quang là kết quả của một quá trình hai giai đoạn. Đầu tiên là hiệu suất của diode bơm. Laser bán dẫn rất hiệu quả, với thứ tự là 50% hiệu suất điện-quang. Kết quả trong phòng thí nghiệm thậm chí còn tốt hơn, với 70% hoặc thậm chí nhiều hơn năng lượng của máy bơm điện được chuyển thành ánh sáng. Khi đầu ra này được kết hợp cẩn thận với đường hấp thụ của tia laser sợi quang, kết quả là hiệu suất bơm.

Thứ hai là hiệu suất chuyển đổi quang học sang quang học. Với một khuyết tật photon nhỏ, có thể đạt được hiệu suất kích thích và chiết xuất cao, tạo ra hiệu suất chuyển đổi quang học theo thứ tự từ 60% đến 70%. Kết quả là hiệu suất cắm tường trong khoảng 25% đến 35%.

Một số loại nguồn laser fiber phổ biết dùng cho máy cắt laser fiber.

1. Nguồn laser fiber Raycus
Raycus là nguồn laser sợi quang phổ biến nhất ở thị trường Trung Quốc, không kể máy khắc laser sợi quang và máy cắt laser sợi quang. Ngoài ra nó là nguồn laesr sợi thương hiệu lâu đời nhất của Trung Quốc. và nó là thương hiệu đầu tiên của Trung Quốc. Nó có chất lượng cao và ổn định.

Bây giờ không chỉ ở Trung Quốc, mà còn ở Châu Âu và Hoa Kỳ khi hầu hết các nhà sản xuất laser Trung Quốc quảng cáo máy phát laser Raycus. So với IPG laser, giá của nó thấp hơn nhiều và chất lượng gần như tương đương. Nó có hiệu suất chi phí cao, vì vậy nó cũng rất phổ biến ở các quốc gia này.

Tia laser có hiệu suất tốt trong việc cắt kim loại, đặc biệt là trên thép không gỉ và thép nhẹ, bao gồm cả tấm mạ kẽm, tấm sắt.

Khi công suất laser thấp hơn 4kw, nó thực sự là sự lựa chọn tốt nhất.

2. Nguồn laser IPG (CHLB ĐỨC)
Không nghi ngờ gì nữa, IPG là tia laser sợi quang tốt nhất trên thế giới. Chất lượng và độ ổn định của nó rất cao, nhưng giá của nó cũng rất cao. Vì vậy thị trường của nó không lớn ở thị trường Trung Quốc. Chỉ đối với công suất cao như 3kw 4kw 5kw 6kw và nguồn laser công suất cao hơn, nó phổ biến hơn sau đó thương hiệu khác.

Với tia laser IPG, nó có hiệu suất cắt tốt trên thép không gỉ, thép nhẹ, cắt tôn mạ kẽm.

3. Nguồn laser fiber nLIGHT (Mỹ)
nLIGHT là nguồn laser sợi quang thương hiệu của Hoa Kỳ, nó cũng có chất lượng tốt. Nhưng thị trường của nó không lớn lắm ở thị trường vì giá cả đắt hơn IPG laser.

So với laser IPG và Raycus, laser nLIGHT có lợi thế lớn về cắt nhôm. IPG và Raycus có hiệu suất tốt trên việc cắt kim loại thông thường, chẳng hạn như thép không gỉ và thép nhẹ. Nhưng khi cắt vật liệu phản chiếu cao như nhôm, đồng thau, vàng và bạc. Các thương hiệu khác không làm được. Nguồn laser nLIGHT có hệ thống bảo vệ đặc biệt, vì vậy nó có thể cắt tốt các vật liệu phản xạ cao này.

Ngoại trừ nguồn laser trên, còn có một số thương hiệu Trung Quốc khác như MAX, CAS, JPT... So với Raycus, giá của chúng thấp hơn nên độ ổn định cũng thấp hơn Raycus. Vì vậy, nhiều nhà cung cấp nhỏ sử dụng thương hiệu này vì giá thấp hơn. Đối với một số công suất thấp hơn 1000w, nó cũng có hiệu suất tốt. Nhưng đối với công suất cao, chúng tôi không khuyên bạn nên dùng nó.

Bạn đang cần mua máy khắc laser fiber? Bạn đang băn khoăn về chất lượng máy cắt laser fiber? Bạn muốn tìm máy cắt laser fiber phù hợp cho nhu cầu gia công kim loại? Vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Công ty TNHH Novatech Việt Nam
Hotline tư vấn miễn phí: 📞 098 506 1999 / 0968 031 034 (Mr. Quý)
✉️ : novatechvietnam.lienhe@gmail.com
🌏 : www.novatechvietnam.com
🌏 : www.maycatlaser.vn
🌏 : www.mayindecal.vn
🌏 : www.xtlaser.vn

Viết bình luận của bạn: