Промышленные волоконные лазеры – выбор дня

Оригинал статьи вы можете найти на сайте ntoire-polus.ru

Во второй половине 90-х годов прошлого века — начале века нынешнего в лазерной технике произошла революция, явившаяся следствием быстрого развития волоконных лазеров и усилителей, своими параметрами, надежностью и ресурсом существенно превосходящих лазеры на кристаллах с ламповой и полупроводниковой накачкой. В настоящее время волоконные лазеры перестали быть экзотикой и все шире применяются в различных отраслях промышленности, в медицине и научном приборостроении. На их долю приходится уже около четверти всех твердотельных лазеров, выпускаемых в мире. Производством волоконных лазеров, в силу новизны этого направления лазерной техники, занимаются лишь несколько компаний в мире. В России промышленные волоконные лазеры выпускает только НТО «ИРЭ-Полюс» (г. Фрязино, Московской обл.), входящая в IPG Photonics Corp. — международную научно-производственную группу российского происхождения. На долю IPG приходится более 75% мирового объема выпуска волоконных лазеров, при этом большинство типов волоконных лазеров, представляющих наибольший интерес для промышленности, в частности, киловаттного диапазона мощности, производит только IPG.

НТО «ИРЭ-Полюс» предлагает следующие типы волоконных лазеров для технологических применений.

Импульсные лазеры

Основная область их применения — поверхностная маркировка и гравировка на металлах. Они также используются для прецизионной резки. НТО «ИРЭ-Полюс» выпускает две основные модели: — 10 Вт лазер с энергией импульсов до 0.5 мДж, модель ИЛИ-0,5-100-20-10; — 20 Вт лазер с энергией импульсов до 1 мДж, модель ИЛИ-1-100-20-20. Обе модели работают на длине волны 1.07 мкм, имеют принудительное воздушное охлаждение и выполнены в корпусе с размерами 215?95?286 мм. Питание — постоянным напряжением 24 В, потребление — до 4,5 А для 10 Вт модели и до 6 А для 20 Вт. Длительность импульсов излучения составляет от 60 до 120 нс, частота их повторения — от 20 кГц до 100 кГц. Импульсные волоконные лазеры имеют кабель доставки длиной до 3 м с оптическим изолятором и коллиматором на выходе. Оптическое качество M2 выходного пучка составляет 1,6...2. Спрос на импульсные волоконные лазеры быстро растет, что объясняется их высокими характеристиками, большим ресурсом и простотой эксплуатации.

Непрерывные лазеры средней мощности (5–100 Вт)

Такие лазеры применяются для резки, сварки и гравировки тонких металлов, а также для обработки пластиков и резины. Они используются в полиграфии при изготовлении печатных форм. В медицине они нашли применение в хирургии, термодинамической терапии, ЛОР и косметологии. В технологических установках используются лазеры с длиной волны 1.07 мкм, в медицинских — 1.07 мкм, 1.56 мкм и 1.9 мкм. Доставка излучения осуществляется по одномодовому волокну, поэтому выходные пучки близки к гауссовым — значение M2 не превышает 1,2. Волоконный кабель доставки оканчивается оптическим разъемом или коллиматором. Модуляция излучения осуществляется за счет модуляции тока накачки, достижимые частоты модуляции — до нескольких десятков кГц. Лазеры этого диапазона мощности поставляются НТО «ИРЭ-Полюс», как правило, в OEM исполнении и имеют либо воздушное охлаждение, либо предназначены для установки на радиатор.

Мощные лазеры (0.1–10 кВт)

Лазеры этого диапазона мощности применяются в основном в металлообработке — для резки, сварки, наплавки, спекания порошков, термообработки. Существуют также и другие интересные приложения, такие как очистка поверхностей, удаление краски, резка камня, керамики и бетона. Длина волны таких лазеров равна 1.07 мкм, хотя возможно использование и других длин волн — 1.5 мкм или 1.9 мкм.

Предлагаемые заказчикам лазеры мощностью до 1 кВт имеют одномодовый выход с пространственными характеристиками излучения, близкими к идеальным гауссовым. Это обеспечивает отличные условия для использования длиннофокусной оптики, формирующей узкие перетяжки большой длины.

Более мощные лазеры — от 1 кВт до 10 кВт — относятся к классу маломодовых. Выходное транспортное волокно таких лазеров имеет диаметр от 50 мкм до 150 мкм при качестве выходных пучков BPP от 2 до 7 мм*мрад. Модуляция излучения осуществляется за счет модуляции тока накачки с частотой до нескольких кГц.

Эти лазеры характеризуются очень высоким КПД (25–30%), в 2–3 раза превосходящим лучшие промышленные CO2 лазеры. Для охлаждения лазеров используются чиллеры с внутренним водяным или антифризовым контуром и теплосбросом в воздух или внешний водяной контур.

Поставка волоконных лазеров этого диапазона мощности осуществляется в России с 2002 года. На данный момент это наиболее интересное и динамично развивающееся направление развития волоконных лазеров для промышленных применений.

Сверхмощные волоконные лазеры (свыше 10 кВт)

Единственная компания в мире, имеющая опыт производства волоконных лазеров такого уровня мощности — международная группа IPG. Интерес к сверхмощным лазерам возрастает по мере накопления опыта их эксплуатации и наработки соответствующих технологий. Основная область их применения — сварка металлов больших толщин в судостроении и нефтегазовой отрасли. Они также рассматриваются как основа перспективных технологий при бурении и обустройстве скважин, а также для добычи газа из залежей газового конденсата на морском шельфе. Для подобных задач потребуются лазеры мощностью несколько сот кВт.

Диодные системы средней и большой мощности (5–5000 Вт)

Излучение диодов накачки, применяемых в волоконных лазерах, само может использоваться для ряда технологических и медицинских задач. В волоконных лазерах IPG применяются пигтейлированные лазерные диоды мощностью до 25 Вт с длиной волны около 0.97 мкм. КПД лазерных диодов превышает 50%, что позволяет создавать на их основе диодные системы с результирующим КПД свыше 40%. Диаметр выходного волокна в зависимости от мощности составляет от 100 до 600 мкм.

Наиболее широко диодные лазерные модули используются в медицинских хирургических аппаратах, в том числе для эндо- и лапароскопических операций, с выходной мощностью от 5 до 50 Вт.

В промышленности диодные системы применяются для тех задач, где не требуются высокие пространственные характеристики выходных пучков, главным образом для поверхностной термообработки металлов — закалки, отжига, наплавки. Хотя стоимость диодных систем ниже стоимости волоконных лазеров той же мощности, а КПД выше, они не обладают универсальностью волоконных лазеров, к тому же выходные оптические системы для них оказываются обычно более сложными и дорогими. Поэтому применение мощных диодных систем ограничено.

НТО «ИРЭ-Полюс»
11.05.2007