OPTIK UNTUK APLIKASI LASER SERAT
Laser serat telah menemukan ceruk pemrosesan dan penelitian di mana Nd: YAG laser terlalu mahal atau memiliki sifat sinar yang tidak diinginkan (misalnya nilai M2 besar). Pengguna laser serat mungkin prihatin dengan pertukaran pasokan komponen optik yang ada atau bagaimana menentukan optik baru. Artikel ini membahas bidang-bidang yang menjadi perhatian dan menyoroti karakteristik mana yang harus ditentukan secara khusus.
Laser serat mendapatkan tanah dalam berbagai aplikasi seperti pengeboran, pengelasan, pemotongan foil, penandaan laser, dan permesinan mikro yang tepat. Ilmuwan penelitian juga menemukan mereka sangat berguna sebagai sumber karena jejak kaki mereka yang kecil dan nilai M2 yang rendah. Keberhasilan laser serat didasarkan pada kombinasi unik karakteristik balok yang tidak tersedia dari sumber lain dalam rentang panjang gelombang yang sama: CW opsional atau operasi berdenyut, kontrol polarisasi (acak, linier atau melingkar), bandwidth spektral sempit, dan nilai TEM00 M2 mendekati 1 Dengan peningkatan M2 lebih dari Nd: YAG laser, kepadatan daya yang lebih tinggi secara signifikan dapat direalisasikan. Sinar yang lebih terfokus lebih rapat dimungkinkan, menghasilkan gambar yang lebih tajam untuk menandai dan memotong lebih halus untuk mikromesin. Jarak kerja pabrikan juga dapat ditingkatkan. Dengan demikian, pasar mengharapkan untuk menghadapi permintaan yang berkembang dalam komponen optik khusus yang dirancang untuk aplikasi laser serat.
1 Pengaruh Kualitas Balok
Proses pemilihan komponen sangat dipengaruhi oleh kepadatan daya tinggi yang dapat dicapai dengan laser serat. Rongga optik dari serat laser adalah inti serat yang dapat dirancang untuk meminimalkan jumlah mode, sehingga memungkinkan produsen untuk memproduksi laser komersial dengan M2 = 1,05. M2 adalah rasio produk divergensi diameter multimode sinar laser dengan produk divergensi diameter difraksi ideal (TEM00) terbatas balok:
Di mana Θ0 adalah divergensi balok dalam miliradians dan w0 adalah lebar dari pinggang balok keluaran (jika balok adalah lingkaran, maka w0 dapat diganti dengan diameter balok d0). Atau untuk diameter titik fokus yang dapat dicapai d0:
Gambar 1 menggambarkan parameter yang digunakan dalam persamaan (2). Produsen laser serat biasanya memberikan kepala pengiriman balok dengan output collimated antara diameter 5mm dan 20mm (D0). Perhitungan menunjukkan bahwa diameter titik fokus teoritis d0 10μm dapat dicapai dengan lensa panjang fokus 19mm. Oleh karena itu, untuk laser serat 50W pada 1075nm, balok terfokus mengemas kepadatan daya optik yang luar biasa
Lebih banyak kombinasi diberikan pada tabel 1. Walaupun optik kemudi balok mungkin tidak pernah melihat titik yang terfokus sempurna, ada faktor keamanan yang ingin dipertimbangkan oleh insinyur desain; ini, kepadatan daya terbatas difraksi tinggi dapat menimpa elemen optik selama penyelarasan.
Untuk laser serat berdenyut energi rendah dan laser CW mid-range (pada urutan daya rata-rata 1-5W), kaca N-BK7 dari Schott chott.de) adalah bahan substrat yang cocok dan murah untuk optik reflektif dan transmisif di mana energi pada permukaan optik <50mw> N-BK7 adalah kaca optik mahkota borosilikat dengan homogenitas tinggi dan transmisi tinggi dalam jarak dekat dan inframerah. Pelapis anti-pantulan (AR) dapat digunakan pada jendela, lensa, dan reflektor parsial untuk meningkatkan transmisi keseluruhan melalui komponen. Pada energi-energi ini, baik pelapis AR narrowband (“V” -coat) atau pelapis AR broadband multi-lapisan dapat digunakan untuk mengurangi reflektifitas per permukaan dari sekitar 4% menjadi <0,25% pada="" panjang="" gelombang="" tunggal="" atau=""><0,5% pada="" bandwidth="" 250-400nm="" untuk="" sistem="" laser="" merdu="" (lihat="" gambar="">
Narrowband "V" -coats adalah pelapis anti-pantulan dielektrik multi-lapisan (biasanya dua lapisan) yang mencapai pemantulan minimum teoretis pada pita sempit panjang gelombang. Reflektansi naik dengan cepat pada kedua sisi minimum ini sehingga memberikan bentuk "V" dalam grafik reflektifitas versus panjang gelombang. Pabrikan AS biasanya menggunakan terminologi "V-coat" atau "laserline" untuk membedakan lapisan ini dari penawaran AR broadband.
Pilihan bahan lain untuk digunakan dengan laser serat 1-5W adalah kaca N-SF11 dari Schott yang memiliki indeks bias n = 1,754 pada 1060 nm, lebih tinggi daripada N-BK7 (1,507). Ini memberikan fleksibilitas jika lensa dengan focal length pendek diperlukan untuk aplikasi. Karena N-SF11 dan N-BK7 memiliki koefisien ekspansi termal dalam kisaran 8 × 10-6 / ° C, silika leburan adalah pilihan bahan substrat yang disukai jika stabilitas termal penting. Silika leburan memiliki koefisien ekspansi termal hanya 0,57 × 10-6 / ° C, urutan besarnya lebih stabil daripada bahan optik lainnya. Produsen laser serat merekomendasikan silika leburan untuk optik transmisif untuk digunakan dengan output laser serat yang lebih besar dari 50W. Sebagai contoh, Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) sangat merekomendasikan penggunaan silika leburan untuk aplikasi laser serat karena ambang kerusakan laser yang jauh lebih tinggi. Ini memiliki sifat transmisif yang sama dengan N-BK7 dari 500-2000nm, tetapi lebih stabil secara termal dan memiliki batas ambang kerusakan yang lebih tinggi untuk sistem pulsed dan CW. IPG Photonics pgphotonics.com) merekomendasikan silika leburan tingkat IR untuk laser serat dengan peringkat di atas 1kW. Sekali lagi, pelapis AR dapat digunakan untuk mengurangi pantulan permukaan, tetapi untuk energi yang lebih tinggi yang terbaik adalah hanya menggunakan pelapis AR multi-layer “V”, yang tahan hingga 1MW / cm2 atau lebih.
2 Lensa
Dalam aplikasi tertentu, seperti pencitraan perangkap optik, menjaga kualitas gambar di seluruh jalur berkas sangat penting. Meskipun lensa singlet, baik dalam bahan silika leburan atau N-BK7, cocok untuk aplikasi kemudi balok sederhana, lensa aplanatic doublet atau triplet mungkin lebih cocok untuk meminimalkan kesalahan muka gelombang yang ditransmisikan. Lensa ini dirancang untuk meminimalkan dua kesalahan muka gelombang monokromatik yang disebut Aberasi Bulat dan Koma. Aberasi Bulat adalah aksial simetris dan terjadi ketika sinar terkolimasi melewati zona luar fokus lensa pada jarak yang berbeda dari lensa daripada sinar yang melewati zona pusat. Koma adalah distorsi muka gelombang non-simetris off-axis yang meningkat secara linear dengan sudut medan atau jarak dari sumbu utama. Dalam kombinasi, penyimpangan ini mendistorsi muka gelombang yang ditransmisikan melalui lensa dan menyebabkan titik fokus menjadi tidak teratur dan / atau buram.
Desain lensa Doublet dan triplet dapat menggunakan bahan media yang sebelumnya terdaftar atau bahan lainnya, tergantung pada kriteria desain tertentu. Mereka dioptimalkan untuk panjang gelombang tunggal dan biasanya berjarak udara untuk meminimalkan distorsi muka gelombang tambahan yang disebabkan oleh semen antara permukaan kaca. Penjarangan udara pada elemen juga memungkinkan peningkatan fleksibilitas dalam desain karena permukaan yang berdekatan tidak harus memiliki kelengkungan yang cocok. Sebagai gantinya, masing-masing dari empat hingga enam permukaan dapat dioptimalkan secara independen untuk meminimalkan penyimpangan koma dan bola melalui perakitan lensa lengkap. Rakitan lensa semen harus dihindari untuk memaksimalkan ambang kerusakan keseluruhan dan masa pakai komponen.
3 Bandwidth Spectral Sempit
Rentang panjang gelombang laser serat ditentukan oleh arsitektur pompa pabrikan dan dopan yang digunakan dalam rongga laser serat aktif. Kisaran panjang gelombang khas adalah: 780-800nm untuk doping erbium,
1030-1120nm untuk ytterbium, 1530-1600nm untuk erbium-ytterbium, dan 1800-2100nm untuk thulium. Bandwidth dari laser serat biasanya ditentukan oleh fiber Bragg gratings. Produsen laser serat akan menentukan rentang, dari mana pengguna akhir dapat memilih panjang gelombang tertentu. Bandwidth sebenarnya dari setiap laser hanya 1-2nm. Ini bisa menjadi detail penting ketika memilih komponen seperti waveplates orde tinggi yang berfungsi dengan baik hanya pada bandwidth sempit.
4 Optik Polarisasi
Bandwidth dan kepadatan energi adalah karakteristik sinar yang paling penting untuk diketahui saat memilih antara berbagai polarisasi dan waveplat. Polimer linier polimer tidak dimaksudkan untuk digunakan pada energi yang lebih besar dari 1W / cm2. Polarisasi kubus semen tersedia dalam desain pita sempit dan broadband tetapi ambang kerusakan terbatas oleh epoksi internal. Meskipun beberapa semen optik dilaporkan dapat menahan kepadatan daya laser 500W / cm2, produsen laser serat merekomendasikan untuk menghindari optik yang disemen untuk laser serat yang berperingkat di atas 50W. Di atas tingkat ini, perlu untuk beralih ke desain kubus polarisasi udara-spasi atau kontak secara optik, yang biasanya dapat menangani lebih dari 1 MW / cm2 sinar laser CW.
Untuk waveplate kuarsa kristal pesanan ganda di dekat ketebalan 1mm, variasi panjang gelombang 2nm dapat membuat perbedaan antara waveplate yang sangat baik dan bagian yang tidak dapat diterima. Sebuah waveplate tebal 1mm yang dirancang untuk 1082nm sebenarnya akan menjadi waveplate 0.23λ pada 1084nm, atau mati λ / 50. Atau, pelat wav urutan nol yang dirancang untuk dua panjang gelombang yang sama akan mengubah retardasi di antara keduanya dengan <λ 1000="" gelombang,="" yang="" berada="" dalam="" batas="" pengukuran=""> Waveplates zero order bekerja sangat baik di atas ± 40-70nm dari panjang gelombang desain, dan sangat cocok untuk sistem laser yang dapat ditala serta yang memiliki bandwidth jalur laser> 1nm (lihat gambar 3).
5 Cermin
Komponen standar - yaitu desain lapisan yang ada - untuk garis laser lain mungkin tidak cukup cocok dengan panjang gelombang laser serat baru dan kekuatan untuk kinerja yang optimal. Untuk sistem energi yang sangat rendah, lapisan cermin logam yang dilindungi seperti emas, aluminium dan perak mungkin merupakan pilihan yang cocok untuk aplikasi tertentu di mana 100% reflektifitas tidak diperlukan. Mereka tersedia dan murah. Namun, bahkan dengan lapisan pelindung, pelapis logam lunak dan pada akhirnya akan tergores atau terkorosi jika tidak ditangani dengan benar. Sebagai alternatif, cermin dielektrik multilayer berlapis keras, tahan lama, dan sangat reflektif baik pada kejadian normal atau 45 ° (lihat gambar 4). Mereka memiliki ambang kerusakan melebihi 20J / cm2 dalam sistem berdenyut 10-20ns dan karenanya tidak boleh menurunkan atau menimbulkan kerusakan ketika digunakan dalam pengaturan laser serat pulsed atau CW. Meskipun tidak terlalu broadband, cermin standar dielektrik yang dirancang untuk 1064nm Nd: sistem YAG masih akan mencerminkan> 99% pada 1075nm atau 1080nm.
6. Kesimpulan
CVI telah memperkenalkan jajaran cermin baru yang dirancang khusus untuk digunakan dengan sistem laser serat. Selain itu, CVI telah menambahkan panjang gelombang laser serat yang paling umum ke lini produk yang ada termasuk pelapis AR untuk optik transmisif, seperti waveplates, lensa, dan jendela, serta pelapis reflektif untuk beamsplitter, reflektor parsial, skrup keluaran, dan cermin.
Produsen laser serat terus mendorong batas teknologinya, meningkatkan daya CW dan energi pulsa yang tersedia secara komersial. Kualitas balok yang sangat baik ditambah dengan energi yang lebih tinggi akan terus menempatkan peningkatan permintaan pada komponen optik yang digunakan dalam sistem ini. Spesifikasi utama untuk komponen ini akan mencakup bahan substrat, ambang kerusakan, dan kualitas permukaan.
