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光束共享技术大幅提高超快激光的利用率

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光束共享技术(激光束分配使用)是目前工业级固体激光器中最先进的光纤传输技术。有两种光束共享方法:分时共享和能量共享。
 
  分时共享是指在不同的加工工序或工作平台之间,交替使用同一台激光器做光源。通常单一应用的光源使用时间仅占激光器总开机时间的10%-20%,通过分时共享可以提高激光器的利用率。
 
  能量共享是将激光分束,用于多种加工应用。激光分束可以将能量均分也可以非均分,可以分成两束也可以分成多束。当激光功率足够高时,可以实现多工件并行加工,也可以对来自不同方向的工件实现同质量加工,或者防止不一致的热形变产生。
 
  光束共享可以通过提高激光能量的利用率来节省开支,降低成本。光束共享技术为工业级固体激光器在全球市场中的成功应用贡献了巨大力量,这也让工业级固体激光器在市场中的占比,要高于灯泵激光器、碟片激光器、光纤激光器和半导体激光器。
 
  在引入光纤传输(FBD)技术之前,超快激光一直通过自由空间传输。使用空芯光纤在空气或真空中传输超快激光,一方面可以克服损伤壁垒(损伤壁垒会阻止超快激光在阶跃折射率光纤中传输);另一方面可以降低一些非线性效应(如色散和光谱展宽等),使皮秒和飞秒激光脉冲在传输时不发生变化。
 
  当使用自由空间传输时,必须尽可能减少对光束传输路径的干扰,因此一般要求激光源要放置在加工平台附近。有了光纤传输,激光集成的概念就发生了变化。这样,短脉冲激光系统也可以实现分时共享和能量共享。
 
  使用光束共享的工业级固体激光系统,输出的通常是多模激光,因此当用光纤传输时,对光学机械公差的要求要低得多。然而,当用光纤传输超快激光时,需要非常精确地将单模激光耦合到空芯光纤的微结构中。稳定的光耦合是成功实现光纤传输的前提条件,因此要保证光束耦合进光纤头的公差限制在几个微米以内,光束指向性的变化要限制在毫弧度以内。
 
  光束共享需要在耦合光路中引入光学元件。通常用于能量共享的光学元件在光路中是固定不动的,而用于时间共享的光学元件是可移动的。光路中,用于光束偏转的任何可移动部件的位置偏差,即便是在微弧度范围内,都能对单模激光在光纤中的耦合效率产生很大影响(见图1)。

图1:光束共享的公差要求。


Movablemirror——可移动偏转镜
Laser beam——激光束
Deflected laserbeam——偏转光束
Beam launchingoptics——光束输出元件
Fiber tip——光纤端头

 

实现光束共享的挑战在于:需要设计一种光束偏转元件,一方面能够满足公差要求,另一方面要求在产品使用周期内保持性能不变,这就意味着在不同的操作条件,光束偏转元件的开关次数能够达到1000万到1亿次。
 
系统组件

  分时镜模块是分时共享系统的关键部件。用于偏转光束的镜片安装在电机驱动的旋转轴上,通过这种方法,可以保证偏转镜可重复地将激光耦合到光纤端头的同一位置(见图2)。系统内其余的传感装置可以随时探测光束位置,确保激光安全使用。


图2:分时镜模块。


Position detectors:位置探测器
Beam passing:光束路径
Mirror mount:镜架
Mirror:镜片
Deflected beam:偏转光束
Rotary axis:旋转轴

 

图3a是一个双路分时系统,它可以将超快激光耦合到两个独立的光路中。该系统还包含了光束稳定功能,可以补偿激光系统使用过程中的光束指向变化或系统的热沉降。此外,通过增加分时镜模块、光束传输及和光缆等部件,分时系统可以扩展更多的输出端口。
 
  这种光束分时系统已经在多个场合安装使用,能够搭载100W的飞秒激光使用。光束耦合效率和光束质量不受分时系统的影响,相当于直接用光纤耦合超快激光。图3b分别列出了5m和10m长光缆的输出功率。对于这两根光缆,系统传输率都超过了90%。和预期的一样,10m长的光缆传输率略低,这是由空心光纤的内在损耗造成的。

图3:双路分时共享的光束输出系统(a和b)及分时共享系统的性能数据(c)。


Auto alignment:自动准直
Input laser beam:输入光束
Time-sharing mirror module:分时镜系统
Beam path 光路
Beam exit:光束出口
Coupled laser light cables:耦合光缆
Power out:输出功率
Minutes:分钟
 
  对于能量共享,难点在于设置各路光束的能量比为想要的值,如果需要,还要设置微调功能。分光比的调节是利用偏振分束镜调节入射光的偏振来实现的。涂层对于分束镜特别重要,必须保证光束在每个输出端,保持与分光比无关的高光束质量。图4为双路能量共享光束传输系统,两束光能量比可以在40:60和60:40之间连续调节。通过增加更多的分束元件,该系统也可以扩展出更多的输出端口。


图4:双路能量共享系统。

 

现在,超快激光的光纤传输系统,已经通过光束共享技术得到了增强。在不同的工作平台及加工工件之间灵活地共享激光,不仅能降低激光器的安装成本,而且还可以通过光缆外接另一个激光源。当其中一个激光源出现故障时,加工平台仍然可以正常工作。(尽管可能会增加整个工作周期)。
 
  光束共享系统是为将来实施符合激光安全标准的光束出口状态指示器和光纤连续性系统而设计的,这样就可以在工件加工过程中,将4级激光辐射直接限制在激光单元内。随着工业级超快激光的功率越来越高,在光纤传输中使用光束共享技术,可以大大提高激光系统的利用效率。

 

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