Viac ako 16 rokov riešime projekty priemyslového značenia.

Princíp vláknového - FIBER LASERU

História Fiber Glass laseru (laser s optickými vláknami) siaha k samému počiatku vývoja laseru v roku 1963 a k osobe Eliase Snitzera, kedy prvýkrát popísal technológiu cladding pumped laserov.

Budiaci svetelný lúč bol namierený do optického vlákna a práve tu efektívnou metódou k vytvoreniu laseru s použitím cladding funkcie (skladanie lúčov do jedného vlákna) objavil vo spoločnosti IRE Polus v Moskve Valentin Gapontsev a Igor Samartsev. Fiber laser – Vláknový laser vyžadoval absolvovanie ešte dvoma dekádami vývoja skôr, než bol predstavený komerčnej verejnosti v roku 1980. V roku 1990 bol veľký skok z miliwattového výkonu do wattovej triedy laserov (4 W erbium-doped fiber laser) a potom v roku 1996 v priemyslovej kvalite použitá 10 wattová trieda laserov, predstavená IPG Photonics a neskôr potom i firmami ako Polaroid, Spectra Diode Labs (teraz JDS Uniphase) a Spectra Physics. Prechod do 100 W triedy laserov nasledoval v roku 2000 spoločnosťou IPG. Teraz sa výkony pohybujú v desiatkach kilowattov a fiber glass lasery nahradzujú klasické YAG lasery, tiež pre svoju kvalitu laserového lúču.

ilearning 16

Vo svojej podstate ide o typ laseru, v ktorom ku generovaniu žiarenia dochádza v jadre optického vlákna dopovaného prvkami zo skupiny lanthanoidov (niekedy sa označujú i ako prvky vzácnych zemín). Na dopovanie sa najčastejšie užíva erbia alebo ytterbia, prípadne obe tieto látky spoločne, častý je i praseodym. Pritom tieto vlákna môžu mať rôznu podobu, teda väčšinou ide o prierez stredného vlákna, ktorý je štvorcový, obdĺžnikový a pod. a tým dáva vlastnú špecifikáciu laserového lúču i vlastné individuálne užitie. Optické vlákno vláknových laserov tak v podstate odpovedá svojou funkciou úlohe kryštálu u pevnolátkových laserov, teda vytvára sa v ňom laserový lúč a optické vlákno funguje ako optický zosilňovač (u pevnolátkových a polovodičových laserov sa optických vlákien užíva naproti tomu iba k prenosu lúča od miesta jeho zdroja na miesto užitia – pozor na význam Vláknový laser, kedy je generovaný laserový lúč v aktívnom optickom vlákne a na druhý typ laseru, kde sa iba prenáša výkon v pasívnom vlákne z miesta A – zdroju laseru, do miesta B – skenovacej hlavy. Pasívne vlákno na prenos laserového výkonu nie je princíp Vláknového laseru. Viac nižšie v článku.

Princíp spočíva v single-mode diode pumping (veľkoplošné MM-multi mode čerpacie diódy), ktoré emitujú výkon (malým optickým vláknom) na stranu optického multi mode vlákna (zloženého vlákna s väčším priemerom) a vytvára budiace svetlo, ktoré je absorbované v ytterbium atómoch v single mode optického vlákna – tzn. aktívne optické vlákno. A teraz laicky povedané – optické vlákno je aktívne, teda neprenáša iba výkon z laserových diód, ale zvyšuje tento výkon. V praxi si môžeme predstaviť stredové optické vlákno, ktoré je obklopené druhým vláknom, tak ako by v jednom tučnom vlákne bolo ešte jedno menšie. Budiace diódy svietia do veľkého optického vlákna a svetelný tok pôsobí na vlákno, ktoré je umiestnené vnútri tohto veľkého vlákna. Vnútorné vlákno obsahuje práve aktívny prvok a tým je ytterbium (ako u pevnovláknového laseru, kde je pevná tyčka kryštálu dopovaného tiež ytterbiom). Budiace optické diódy majú inú vlnovú dĺžku – budiaca vlnová dĺžka laseru – než je výsledný lúč laseru, ktorý vznikne v aktívnom vlákne umiestnenom v strede veľkého/tučného vlákna. Viac diód dokáže pumpovať v optickom vlákne vysokú energiu s perfektnou kvalitou lúča. Je tu ešte jeden veľmi dôležitý princíp pre získanie laserového lúča a tým je vysoko výkonný optický zosilňovač. Optický zosilňovač konvertuje malý svetelný signál z budiacich diód do výkonného lúču, často tisíckrát silnejší, ale identický ako originál. Zväčšenie výkonu sa taktiež dosiahne použitím viac laserových diód. Je zaujímavé, že teplo generované v optickom vlákne je odvádzané veľkou plochou a nie je potreba aktívne chladenie. Pretože aktívne vlákno môže iba podporovať a podporiť prenos laseru, kvalita lúču nie je závislá na pracovnom výkonu laseru.

ilearning 17
K emisii laseru slúži podnet z laserových čerpacích diód a aktívne optické vlákno. Väčšina známych fiber glass laserov pracuje v 1550 nm erbium-doped fiber zosilňovačov. Pre značenie sa používajú lasery 1062 nm v pulzom móde (frekvencia od kHz až kHz) alebo v kontinuálnom móde. Namiesto dvoch rovnobežných zrkadiel sú tu použité Braggovské mriežky. Jedná sa o štruktúry (laicky povedané o zárezy) vytvorené priamo na jadre optického vlákna zapísaním UV žiarenia periodickej zmeny indexu lomu (laicky UV laser urobí zmenu štruktúry vlákna a na tej zmene sa odrazí lúč, ako keď sa na hladkom zrkadle urobí ryha, je tu iný lom svetla). Takéto zmeny indexu lomu vytvárajú v optickom vlákne „zrkadlá“, ktoré odrážajú iba danú vlnovou dĺžku optického žiarenia. Sú tu vynechané mechanické prvky – zrkadlá, ktoré mali stratu premenou energie na teplo, boli náchylné na mechanické poškodenie, citlivé na teplotu, presné umiestnenie, nastavenie rezonančnej frekvencie atď., preto je fiber glass laser celkom vhodný pre priemyslové použitie a je mechanicky veľmi odolný až tak, ako je odolné optické vlákno. Odolnosť na vibrácie je omnoho väčšia, pretože nemá mechanický rezonančný obvod tvorený viacerými mechanickými zrkadlami.
Vďaka jednoduchosti je tu zabezpečený vysoko spoľahlivý a poškodeniu odolný laserový systém. Prevádzková doba života je s použitím veľkoplošných diód viac, než 150. 000 hod. Účinnosť vláknových laserov sa pohybuje okolo 25% v prevode elektrickej energie na laser a okolo 50% účinnosti pre Optika-Optika. Nemá tak veľké straty, a preto je možné ho chladiť iba vzduchom. Tiež z pohľadu kvality laserového lúča a jeho koherentnosti sa dosahuje veľmi dobrých výsledkov, ktoré umožňujú zaostrenie do veľmi malého bodu. Vo všeobecnosti laser s optickými vláknami má najnižšie prevádzkové náklady a najvyššiu kvalitu laserového lúču. Naopak energie pulzu je nižšia v porovnaní s pevnolátkovými lasermi.

ilearning 18

Výhody vláknových laserov

Už iba pri letmom porovnaní princípov rôznych laserov vychádza pre vláknové lasery rada predností:

  • u vláknových laserov dochádza k ešte vhodnejšiemu a intenzívnejšiemu spôsobu chladenia, než majú napr. pevnolátkové lasery. U vláknových laserov chladenie vzduchu pôsobí na vlákno po celej jeho i niekoľkokrát metrovej dĺžke. Často sú v značiacom laseri vlákna dĺžok 30 m a pod. v ktorých sa generuje laserový lúč.
  • vláknové lasery nepotrebujú ani nastavovanie rezonátoru či špeciálnu optiku, inak nutnú u pevnolátkových typov laserov pri nadväzovaní výkonu laseru do výstupného prenosového optického vlákna. Vláknový laser vygeneruje laserový lúč priamo v optickom vlákne a potom ho v rovnakom vlákne vedie až ku skenovacej hlave. Naopak pevnolátkový laser vygeneruje laserový lúč v kryštáli a nasleduje špeciálna optika na transformáciu lúča do pasívneho optického vlákna, ktoré iba prenáša výkon, toto je princíp pevnolátkového laseru (pasívne optické vlákno nie je princípom vláknového laseru).
  • kompaktné prevedenie vláknového laseru vyžaduje iba nízky príkon – iba 1% oproti požadovanému príkonu u výbojkami čerpaných pevnolátkových laserov. Pokiaľ je pevnolátkový laser čerpaný/budení polovodičovými diódami, tak je pomer príkonu a výkonu väčší, ale stále je omnoho efektívnejší a ekonomickejší vláknový laser oproti pevnolátkovému laseru.
  • vynikajúca je i kvalita lúča. Pri výkone 100 W je možné dosiahnuť fokusáciu lúča i pod 5 μm, čo predstavuje intenzitu žiarenia 109 W.cm-2. So skenovacou optikou a výslednou F-Theta lens je možné vyrábať veľmi silné vláknové značiace a gravírovacie lasery so spotom na materiál okolo 0,01 mm.
  • životnosť vláknového laseru sa odhaduje a je vyskúšaná okolo 150.000 hodín. Naopak pevnolátkové lasery majú životnosť okolo 10.000 hodín až 20.000 hodín, potom sa musia u pevnolátkových vymeniť budiace diódy a často sa zistí poškodenie i rezonátoru so zrkadlami, čo je veľmi drahá záležitosť. Naopak vláknový laser nemá v rezonančnom obvode žiadnu optiku, iba Braggove mriežky a tak nie je čo poškodiť.
  • na značenie a gravírovanie sa výkonovo používajú lasery o energii pulzu pre pulzné lasery typicky okolo 1 mJ (od 0,5 mJ do 2 mJ) a s dĺžkou pulzu 30 až 100 ns.
  • dĺžka pulzu je pre značiace lasery od 20 do 100 ns a väčšinou sa mení s požadovanou frekvenciou spínania.
  • frekvencia u pulzných laserov je od 10 do 250 kHz a vláknové lasery môžu byť i v kontinuálnom móde CW.
  • vysoká spoľahlivosť vláknového laseru, jeho dlhodobá stabilita lúču (zvlášť u kontinuálnych CW laserov) a stabilita výkonu, ktorá je okolo 1%.

Vedúce postavenie v oblasti vláknových laserov má dnes americká firma IPG Photonics Corp. s asi 90% obsadením trhu a s výkonovou ponukou pulzných a kontinuálnych laserov od 10 W až po 20 kW, nasledovaná britskou Southampton Proton Inc. a nemeckou JDS Uniphase GmbH. Solaris Laser používa pre vláknové lasery zdroje prevažne od spoločnosti IPG, s ňou má dlhodobú spoluprácu.
POZOR na pasívny prenos laserového lúča tiež optickými vláknami – nejde o vláknový laser!
Tento princíp laseru, požívajúci tiež optické vlákna, nemá nič spoločné s aktívnym optickým vláknom vo vláknových laseroch. Vláknový laser vytvára laserový lúč v aktívnom optickom vlákne, ktoré je dvojité a teda i drahé. Viac-menej je potrebné si dávať pozor na firmy, ktoré tvrdia, že majú tiež vláknový laser, ale v princípe ide o pevnolátkový laser, kde je pasívne „obyčajné“ optické vlákno pre prenos laserového výkonu zo zdroja do skenovacej hlavy. Pozor na tieto firmy, ktoré vám nepovedia pravdu.
Pevnolátkový laser, ktorý ma medzi pevnolátkovým zdrojom laseru a optickou hlavou pasívne optické vlákno, tak tu optické vlákno zabezpečuje iba prenos výkonu z laserového zdroja (kryštálu) do skenovacej hlavy. Jedná sa tu, laicky povedané, o „vodič“ laserového lúča a nezosilňuje sa laserový lúč (nie je tu dvojité aktívne optické vlákno). Naopak v pasívnom laserovom vlákne dochádza k útlmu laserového lúča a problémom s napojením medzi laserovým zdrojom a optický vláknom, keď sa v mieste prechodu stráca výkon. Pevnolátkový laser s optickým vláknom slúžiacim na flexibilný prenos laserového lúča NENÍ vláknový laser v pravom slova zmyslu, kedy NEDOCHÁDZA 
k vytváraniu laserového lúča v aktívnom optickom vlákne, iba prenesie výkon ako vodičom z jedného zdroja na spotrebič a to so stratami.

ilearning 19

Vláknový laser, ktorý nie je vláknový laser?

Ide o lasery, ktoré sú často predstavované ako vláknové lasery, ale ich vlákno je iba optický prenos výkonu z jedného miesta na druhé, teda zo zdroja laseru do skenovacej hlavy. Toto vlákno je pasívne a nezvyšuje výkon laserového zdroja. Skutočný vláknový laser má aktívne optické vlákno, ktoré je dvojité a do stredu je pumpovaný diódový laserový zdroj, ktorý v optickom vlákne dopovanom ytterbiom vytvára výsledný laserový lúč, ktorý je na inej vlnovej dĺžke a o vyššom výkone. Tento princíp s aktívnym optickým vláknom je skutočný vláknový laser.

Je nutné mať optický izolátor v laseroch, inak odrazený výkon môže prejsť späť a jeho nárast môže poškodiť celkovú konštrukciu laseru (prepáli sa napríklad vlákno).

Máme riešenie na mieru pre každého!

Elektrotechnika, potravinárstvo, nápojový priemysel, automotive, chémia, kozmetika, mliekarenstvo, zdravotníctvo.

Dohodnite si schôdzku

Aby sme vám zaistili lepšie užívateľské prostredie, používa tento web súbory cookie. Používaním webu s ich užívaním súhlasíte. Akceptovať