Прохождение накачивающего света через оптоволокно

На следующем этапе свет от лазерных диодов проходит через оптоволокно к лазерной среде. Оптоволокно состоит из двух основных компонентов: сердцевины и оболочки. Сердцевина, изготовленная из кварцевого стекла, обеспечивает путь для света. Эта сердцевина покрыта оболочкой, которая отражает весь свет обратно в сердцевину, когда тот достигает её. Таким образом, свет удерживается внутри сердцевины, что способствует его эффективному прохождению и минимизации потерь.

Оптоволоконные лазеры неизбежно теряют часть энергии в виде тепла, однако благодаря отличному соотношению площади поверхности к объёму обеспечивается эффективное рассеивание тепла, что минимизирует износ, связанный с нагревом. По мере дальнейшего прохождения через оптоволокно свет в конечном итоге достигает легированной части волокна, известной как лазерная резонаторная камера, где происходит дальнейшее усиление излучения.

Стимулированное излучение в лазерной резонаторной камере

Когда свет от лазерного диода достигает легированной части оптоволокна, он сталкивается с атомами редкоземельных элементов и возбуждает их электроны, переводя их на более высокий энергетический уровень. Со временем это приводит к инверсии населённости, что необходимо для создания лазерного излучения. Инверсия населённости — это состояние активной среды, при котором большее количество электронов находится в возбуждённом состоянии по сравнению с основным. Этот процесс противоположен нормальному состоянию, при котором лишь немногие атомы имеют возбужденные электроны.

Когда часть этих электронов возвращается на более низкий энергетический уровень, они испускают фотоны с определённой длиной волны. Эти фотоны взаимодействуют с другими возбуждёнными электронами, стимулируя их к излучению подобных фотонов и возвращению к их исходному уровню энергии. Именно этот физический процесс называется стимулированным излучением, что и заложено в акрониме LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Электроны, возвращающиеся в своё первоначальное состояние, вновь возбуждаются входящим светом от накачивающих диодов. В конечном итоге процесс достигает равновесия между возбуждёнными и релаксированными электронами, что обеспечивает стабильный поток исходного лазерного света. Этот свет в дальнейшем необходимо усилить и обработать для использования в различных приложениях.

Усиление исходного лазерного света в лазерный луч

Прежде чем использовать исходный лазерный свет из легированной части волокна в различных приложениях, его необходимо усилить. В оптоволоконных лазерах это достигается с помощью волоконных решёток Брэгга (Fibre Bragg Gratings, FBG). Эти решётки заменяют традиционные диэлектрические зеркала, выполняя функцию зеркал с различной отражательной способностью.

Свет многократно отражается между решётками Брэгга. Часть лазерного света проходит в одном направлении, в то время как оставшаяся часть отражается обратно в лазерную резонаторную камеру. Часть света, которая проходит через решётку, становится лазерным лучом. Этот луч затем направляется через осциллятор (а иногда и через комбайнер) для улучшения когерентности, после чего выводится в виде готового лазерного излучения, которое может использоваться в различных промышленных и технологических процессах.

Оптоволоконные лазеры превосходят CO2-лазеры почти по всем параметрам, за исключением начальной стоимости инвестиций. Например, CO2-лазеры не могут эффективно резать многие материалы, обладающие высокой отражательной способностью. Оптоволоконные лазеры, наоборот, отлично справляются с резкой таких металлов, как медь, латунь, алюминий и нержавеющая сталь. Оптоволоконный лазер также требует меньше энергии и обеспечивает более высокую эффективность. При этом операционные расходы снижаются в два раза, а скорость резки тонких металлов пятикратно возрастает по сравнению с CO2-лазерами.

Если буквально десять лет назад в ходу были станки мощностью 1, 1.5, 3 кВт, которые использовались для нанесения рисунков и резки тонкого листового металла. Для резки металла толще 5 мм приходилось использовать CO2-лазеры. Однако сейчас вполне доступны и востребованы лазеры мощностью 60, 80 кВт и даже 120кВт, режущие металл толщиной до 80 и даже до 100-150 миллиметров.

Оптоволоконный лазер также обеспечивает лучшее качество луча, более высокую надёжность, меньший углеродный след, более быстрое время запуска, более длительный срок службы и возможность удалённой обработки. Он требует меньше обслуживания, так как в конструкции отсутствуют зеркала и линзы. В случае CO2-лазеров выравнивание зеркал обычно требует участия профессионала или специального обучения оператора.

Кроме того, для гравировки с помощью оптоволоконного лазера не требуется использование керамического маркировочного состава, как в случае с CO2-лазером. Хотя оптоволоконные лазеры требуют больших начальных инвестиций по сравнению с CO2-лазерами, они всё же являются более экономически эффективным решением в долгосрочной перспективе благодаря более низкой совокупной стоимости владения (TCO).