Как работает волоконный лазер

Волоконное оборудование — это разновидность твердотельного оборудования для генерации высокотемпературного излучения. Луч, создаваемый станками подобного типа, имеет длину волны 1,064 мкм и отличается крайне малым углом расхождения, высокой мощностью, когерентностью, монохроматичностью.

Оптоволоконные лазерные аппараты в ассортименте: от небольших настольных вариантов до мощнейших промышленных устройств

Преимущественной сферой использования волоконных устройств является резка и гравировка широкой группы металлов и их сплавов, а также обработка керамики, камня и некоторых видов пластиков.

Плюсы и характерные преимущества волоконного лазерно-гравировального оборудования

Аппараты лазерной резки на основе оптоволокна обладают максимальным количеством производственных достоинств, чем и обусловлен тот факт, что именно такие станки можно встретить сегодня в большинстве цехов дерево-, металлообработки и прочих промышленных предприятий. В первую очередь необходимо упомянуть такие пункты, как:

• очень высокая мощность, многократно превосходящая этот параметр у углекислотных лазеров. Для сравнения: максимальная мощность CO2-трубки не превышает 200 Вт, в то время как средний показатель волоконного устройства составляет 1000 Вт, а для некоторых моделей даже 10000 Вт не являются пределом (не так давно компания IPG Photonics выпустила многомодовый волоконный аппарат по металлу мощностью 100 кВт);
• крайне малый диаметр светового пятна при максимальной фокусировке, благодаря чему интенсивность излучения в зоне реза в 100 раз выше при ее одинаковой мощности с газовым лазером;
• помимо типичных для лазерного оборудования операций по резке и гравировке, волоконники используются для сварки металлов и бурения отверстий в обычном и армированном бетоне;

Сварка двух металлических элементов с использованием лазерного луча

• отсутствие необходимости в приобретении большого ассортимента инструментов для различных видов деятельности — лазер одинаково успешно и с неизменной точность справляется с резкой, сваркой, гравировкой, маркировкой и сверлением. Кроме того, единый универсальный инструмент экономит не только финансы, но и время, затраченное на обработку заготовок;
• скорость перемещения луча, сформированного волоконным станком, может достигать 12000 мм/с, тогда как для газового оборудования 700 мм/с является пределом;
• малый вес, компактность и, как следствие, мобильность;
• отсутствие расходных компонентов;
• очень продолжительный эксплуатационный период, который может доходить до 20 лет (средняя цифра составляет 10-11 лет).

Как работает волоконный лазер

Схематическое изображение процесса генерации лазерного излучения в оптическом волокне

Работа волоконного станка основана на использовании тончайших по диаметру нитей кварца (400-600 мкм), имеющих ярко выраженный отражательный эффект. Обязательным сопутствующим компонентом выступают полупроводниковые диоды, которые накачивают оптический элемент энергией. Для стабильной работы и исключения вероятности повреждений волокно заключено в полимерную оболочку и внешнее защитное покрытие. Мощность станка зависит от количества диодных ламп (одна или несколько) и протяженности волоконного кабеля, средняя длина которого составляет 20-40 м, а в отдельных случаях может доходить до 100 м.

В самом волокне имеется несколько волноводов, один из которых (центральный, диаметром всего 6-12 мкм) имеет легирующее покрытие, а остальные являются проводниками излучения, поступающего от диодов. Постепенно напитываясь светом от диодов, второстепенные волноводы передают энергию в основной, приводя иттербиевую среду (наиболее часто используемый тип покрытия в промышленных волоконных аппаратов) в активное состояние.

Лазерное волокно вместе в оптическими диодами. Для удобства хранения, волоконный кабель скручивают в бухту и укладывают между зажимами, установленными на крышке лазерного шкафа

Для улучшения характеристик луча и увеличения его мощности в начале и конце волоконного кабеля устанавливаются отражающие зеркала (обычное и полупрозрачное). Кроме этого на крайние участки легированной иттербием сердцевины наносят насечки, формируя дифракционную решетку, называемую также брэгговской. Такой метод позволяет регулировать длину импульса и когерентность излучения.

При включении волоконного оборудования загораются диодные лампы и начинается процесс накачки волокна, после чего можно запускать программу обработки, заложенную предварительно в память станка или запущенную через подсоединенный к нему компьютер. Луч, выходящий из одного из концов кабеля, падает на фокусирующую линзу, установленную на подвижной лазерной головке, и передается с ее помощью на поверхность материала.