Волоконный лазер устройство. Волоконный лазер, его преимущества

Изучение проблемы лазерной резки металлов необходимо начать с рассмотрения физических основ работы лазера. Поскольку далее в работе все исследования точности лазерной резки тонколистовых материалов будут проводиться на лазерном комплексе, использующем иттербиевый волоконный лазер, рассмотрим устройство волоконных лазеров.

Лазер – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Волоконные лазеры были разработаны сравнительно недавно, в 1980-х годах. В настоящее время известны модели волоконных технологических лазеров мощностью до 20 кВт. Их спектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм. Использование таких лазеров позволяет обеспечить различные временные характеристики излучения.

В последнее время волоконные лазеры активно вытесняют традиционные лазеры из таких областей применения лазерной техники, как, например, лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать. Их используют в лазерных дальномера и трехмерных локаторах, аппаратуре для телекоммуникаций, в медицинских установках и т.д.

Основными типами волоконных лазеров являются непрерывные одномодовые лазеры, в том числе однополяризационные и одночастотные; импульсные волоконные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а также в произвольном режиме модуляции; перенастраиваемые волоконные лазеры; сверхлюминисцентные волоконные лазеры; мощные непрерывные многомодовые волоконные лазеры.

Принцип работы лазера основан на пропускании света фотодиода по волокну большой протяженности. Волоконный лазер состоит из модуля накачки (как правило, широкополосные светодиоды или лазерные диоды), световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированнное оптическое волокно - сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки. Конструкция резонатора обычно определяется техническим заданием, но можно выделить наиболее распространенные классы: резонаторы типа Фабри - Перо и кольцевые резонаторы. В промышленных установках для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке. На рис. 1.2 показана упрощенная схема устройства волоконного лазера.

Рис. 1.2. Типичная схема волоконного лазера.

1 - активное волокно; 2 - брэгговские зеркала; 3 - блок накачки.

Основной материал для активного оптического волокна – кварц. Высокая прозрачность кварца обеспечивается насыщенными состояниями энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые легированием, превращают кварц в поглощающую среду. Подобрав мощность излучения накачки, в такой среде можно создать инверсное состояние заселённостей энергетических уровней (то есть, высокоэнергетические уровни будут заполнены больше, чем основной). Исходя из требований на резонансную частоту (инфракрасный диапазон для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространённых типов волокон являетсяэрбиевое, используемое в лазерных и усилительных системах, рабочий диапазон которых лежит в интервале длин волн 1530-1565 нм. Вследствие различной вероятности переходов на основной уровень с подуровней метастабильного уровня, эффективность генерации или усиления отличается для различных длин волн в рабочем диапазоне. Степень легирования редкоземельными ионами обычно зависит от длины изготовляемого активного волокна. В пределах до нескольких десятков метров она может составлять от десятков до тысяч ppm, а в случае километровых длин - 1 ppm и менее.

Брэгговские зеркала – распределённый брэгговский отражатель - это слоистая структура, в которой коэффициент преломленияматериала периодически изменяется в одном пространственном направлении (перпендикулярно слоям).

Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной (так называемое волокно с двойным покрытием). Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая - из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом, первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. На рис. 1.3 показана схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.

Рис. 1.3. Схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.

К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров являются опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.

Волоконные лазеры проигрывают твердотельным в сферах применения, где требуется высокая стабильность поляризации, а использование сохраняющего поляризацию волокна затруднено по различным причинам. Твердотельные лазеры не могут быть заменены волоконными в спектральном диапазоне 0,7-1,0 мкм. Они также имеют больший потенциал для наращивания выходной мощности импульса по сравнению с волоконными. Однако волоконные лазеры показывают хорошие результаты на длинах волн, где не существует достаточно хороших активных сред или зеркал для лазеров иных конструкций, и позволяют с меньшими сложностями реализовывать некоторые лазерные схемы наподобие up-конверсии.

Под волоконными лазерами понимают твердотельные лазеры с оптической накачкой, активным элементом в которых является волоконный световод с добавками лазерных активаторов. Наиболее перспективными для световодных систем являются лазеры на волокнах, активированных ионами неодима Ионы неодима имеют две основные лазерные линии с центральными длинами волн мкм и мкм, лежащими в спектральном диапазоне, где потери и дисперсия света в кварцевых волокнах минимальны.

Рис. 4.11. Зависимость длины ретрансляционного участка от скорости передачи информации для ступенчатого световода с затуханием для мкм:

1 - для лазерного диода (спад характеристики на участке ВС обусловлен межмодовой дисперсией) 2 - для сбетоизлучающего диода (спад характеристики обусловлен на участке широким спектром диода, на участке - дополнительно спадом частотной характеристики)

Спектральные характеристики усиления неодима практически не зависят от внешних условий, темпер атурный дрейф длины волны, соответствующей максимуму усилений ионов неодима, равен тогда как для полупроводниковых сред этот параметр составляет Волоконная конструкция излучателя позволяет с помощью стандартных разъемов эффективно вводить излучение в волоконные световоды, в том числе и одномодовые.

Несмотря на эти достоинства и, как будет показано ниже, широкие функциональные возможности, волоконные лазеры до сих пор не вышли из стадии исследований. Объясняется это тем, что при создании волоконно-оптических систем многие задачи решались с использованием хорошо разработанных полупроводниковых излучателей, особенно во внедряемых в первую очередь достаточно простых системах, где определяющую роль играет одно из основных преимуществ полупроводниковых источников - возможность прямой модуляции интенсивности излучения током накачки. В твердотельных лазерах, в частности в лазерах на средах, активированных неодимом, скоростная модуляция интенсивности излучения изменением мощности накачки принципиально невозможна в силу сравнительно большого времени продольной релаксации. Невозможность быстрого «включения» инверсной населенности ограничивает частоты прямой модуляции значениями Гц. Развитие световодных систем, особенно перспективных систем ближайшего будущего с когерентным приемом и многоканальным спектральным

уплотнением стимулирует разработки волоконных лазеров, которые могут использоваться не только как генераторы, но и как усилители света.

Существующие конструкции волоконных лазеров можно разделить на три группы. В волоконных лазерах первой группы используются жгуты из нескольких волокон большой длины и мощная накачка импульсными газоразрядными лампами . Положительная обратная связь в таких конструкциях образуется за счет отражения света от торцов волокон и обратного рассеяния на микроизгибах и неоднородностях.

Рис. 4.12. Конструкции волоконных лазеров а - с торцовой накачкой; б - с поперечной накачкой дляволокон малого диаметра, в-с непосредственной укладкой волокон на линейку - излучающая площадка - зеркало резонатора лазера, прозрачное для излучения , 13 - активное волокно, 5 - зеркало резонатора; 6 - оптический клей, 8 - отражатель, 9 - стеклянный цилиидр, 10, 12 - радиаторы; 11, 14 - линейки СИД

Ламповая накачка позволяет реализовать высокие коэффициенты усиления за один проход, однако требует применения систем жидкостного принудительного охлаждения и громоздких блоков питания, что, по-видимому, делает малореальным создание малогабаритных устройств. Определенные перспективы в этом смысле могут заключаться в применении газоразрядных микроламп . К достоинствам конструкций с ламповой накачкой следует отнести возможность использования их в качестве оптических усилителей бегущей волны и регенеративных усилителей с достаточно высоким (~30-40 дБ) усилением.

В конструкциях волоконных лазеров второй группы используются короткие отрезки монокристаллических и стеклянных волокон, активированных ионами неодима. Накачка производится через торец волокна полупроводниковым лазером или СИД. Достаточно высокая эффективность накачки достигается в результате согласования спектра излучения полупроводникового излучателя на ДГС GaAlAs с одной из интенсивных линий поглощения неодима с центральной длиной волны около

0,81 мкм. Схематически конструкция волоконных лазеров второй группы изображена на рис. 4.12, а. Вследствие малого коэффициента усиления активной среды резонатор лазера образуется

диэлектрическими зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Такую конструкцию имеют лазеры на монокристаллическом волокне из алюмоиттриевого граната с неодимом стеклянных кварцевых волокнах с неодимом . Имеются сообщения о генерации с торцовой накачкой криптоновым лазером в кристаллическом волокне и с накачкой аргоновым лазером в волокне из рубина Лучшие результаты были получены при использовании кристалла имеющего волоконную геометрию, длиной 0,5 см и диаметром 80 мкм. Внешний резонатор (рис. 4.12, а) был образован зеркалами с диэлектрическим покрытием, одно из которых имело коэффициент отражения для лазерного излучения с мкм и всего лишь для излучения накачки, второе зеркало с таким же высоким коэффициентом отражения для лазерного излучения достаточно хорошо отражало свет накачки Зеркала были расположены практически вплотную к торцам волокна. Накачка осуществлялась поверхностным СИД на с диаметром излучающей площадки 85 мкм. Пороговая мощность накачки составляла

Основные достоинства волоконных лазеров такой конструкции - малые потребляемая мощность и габаритные размеры. Основные недостатки: торцовая схема накачки не позволяет использовать отрезки волокна с длиной более 1 см, что ограничивает выходную мощность. Кроме того, технология изготовления и юстировки этих лазеров сложна, а наличие СИД накачки у одного из торцов усложняет использование лазера в качестве усилителя оптических сигналов.

Многовитковые волоконные лазеры с поперечной накачкой линейками СИД (рис. представляют конструкции третьей группы . На линейку СИД укладывается несколько витков стеклянного волокна, сердцевина которого активирована ионами неодима. Конструкция в определенной мере сочетает достоинства волоконных лазеров первой и второй групп и лишена большей части их недостатков. Применение в качестве источников накачки полупроводниковых излучателей делает такие системы достаточно малогабаритными, использование поперечной схемы накачки и длинных отрезков волокна позволяет получить достаточно большое усиление за один проход. Ввиду малого диаметра волоконных световодов в схеме с поперечной накачкой эффективным является использование волокон из стекол с высокой концентрацией ионов неодима и соответственно с большим коэффициентом поглощения света накачки. Такими свойствами обладают волокна, выполненные из ультрафосфатов неодима . Многовитковая укладка волокна на линейки светодиодов может быть выполнена разными способами . Так, отрезок волокна многократно протягивается сквозь стеклянный цилиндр диаметром около 1 мм (рис. 4.12, б), на наружную поверхность которого нанесено отражающее покрытие для

увеличения эффективности использования излучения накачки. Этот способ предпочтителен для волокон с малым внешним диаметром ( мкм). Волокна большего диаметра могут быть уложены на линейку СИД виток к витку (рис. 4.12, в). Обе конструкции могут использоваться как оптические усилители бегущей волны, при этом один из концов световода является входом усилителя, второй - выходом. Нанесение зеркальных покрытий на торцы волокон позволяет осуществлять лазерную генерацию с волоконным резонатором Фабри - Перо.

Особенности лазерных процессов в активных волоконных световодах определяются наличием специфической лазерной генерации в отсутствие положительной обратной связи.

Рис. 4.13. Волоконный световод: а - с активной сердцевиной и пассивной обо» лочкой; б - с пассивной сердцевиной и активной оболочкой (2)

В этом состоит основное отличие волоконных лазеров от лазеров на объемных активных элементах. Чтобы пояснить сущность этого процесса, близкого к режиму суперлюминесценции в полупроводниковых СИД, рассмотрим некоторый элементарный участок световода, в котором создана инверсная населенность (рис. 4.13, а). Спонтанное излучение происходит равновероятно во всех направлениях, однако излучение, сосредоточенное в двух конусах углов, имеющих общую с волокном ось и определяемых углом раскрыва 20, не выходит из сердцевины. Здесь

где - соответственно показатели преломления сердцевины и оболочки Это излучение возбуждает собственные колебания (моды) световода, которые усиливаются посредством стимулированного излучения в процессе распространения по волокну вправо и влево (рис. 4.13, а). Та же картина наблюдается для любого другого элементарного участка активной сердцевины световода. На выходе такого волоконного источника света расходимость излучения приближенно определяется числовой апертурой волокна

До тех пор пока интенсивность световых волн, распространяющихся навстречу друг другу в активном световоде, значительно меньше величины, насыщающей усиление, встречные волны независимы, равно как независимы и энергии, переносимые различными модами световода. В этих условиях процесс усиления спонтанного излучения за счет вынужденного описывается хорошо известными уравнениями лазерного усилителя без насыщения и с учетом спонтанного излучения. Спектральная плотность мощности излучения в одной моде на выходе активного участка световода длиной (рис. 4.13, а) равна

Здесь - постоянная Планка; - частота световых колебаний; - населенности верхнего и нижнего лазерных уровней; - коэффициента усиления на единицу длины, где - коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода; - нормированная форма спектральной линии усиления; с - скорость света. Максимальная генерируемая мощность может ограничиваться либо длиной световода либо, как и в лазерах с резонаторами, насыщением. Естественно, что в процессе усиления происходит сужение спектра генерации по сравнению со спектром люминесценции за счет того, что спектральные компоненты в центре линии усиливаются больше. Ширина спектра определяется усилением и формой причем спектр излучения из-за отсутствия резонатора является сплошным.

Рассматриваемый специфический световодный лазерный процесс имеет три существенных аспекта .

1. Активный волоконный световод может использоваться как источник света без оптического резонатора.

2. При создании волоконных лазеров по традиционной схеме с резонатором необходимо учитывать, что рассмотренный процесс может привести к насыщению усиления за один проход, в результате чего обратная связь потеряет смысл. В этом случае значения и необходимо выбирать так, чтобы была далека от значения, насыщающего усиление.

3. В волоконных оптических усилителях генерация света в результате рассмотренного процесса является основным источником шума. Спектральная плотность мощности шума в одной моде, пересчитанная на вход усилителя, как следует из формулы (4.12), равна

В четырехуровневой системе, каковой является схема лазерных уровней неодима, обычно и при больших усилениях

В объемных усилителях шум усиленного спонтанного излучения издавна считается принципиально неустранимым (см., например, работу ), однако в волоконных усилителях возможно значительное снижение его уровня при использовании световода, изображенного на рис. 4.13, 6. Одномодовое волокно, сердцевина которого изготовлена из кварцевого стекла с добавкой, повышающей показатель преломления, например имеет оболочку из стекла, активированного ионами неодима. Создание инверсной населенисстн в оболочке приводит к усилению моды сердцевины с эффективным коэффициентом усиления

где - коэффициент усиления в оболочке; - часть мощности моды сердцевины, которая распространяется в оболочке; Р - общая мощность, переносимая этой модой. Соотношение меняется от 0,99 до 0,1 при изменении параметра волокна от 0,6 до 2,4048 . При сердцевина начинает эффективно направлять основную моду путем локализации ее поля вблизи себя, возбуждается вторая мода. Формула получена тем же способом, что и выражение для коэффициента затухания волокна с оболочкой, в которой происходят потери излучения уступают по своим качествам волоконным. Существенными недостатками первых являются температурная нестабильность линии усиления ( для мкм), значительные потери при стыковке одномодовых волоконных световодов с планарным световодом усилителя и высокий уровень мощности шума - излучения суперлюминесценцни.

Волоконные лазеры открывают возможности для создания новых типов ВОД. Чувствительный элемент, которым является волоконный световод, представляет собой здесь часть волоконного кольцевого или линейного резонатора лазера.

Рис. 4.14. Одночастотные волоконные лазеры с распределенной обратной связью (а) и брэгговскими зеркалами (б): 1 - активная сердцевина; 2 - оболочка с периодической структурой

Изменение фазы световых колебаний под действием внешних факторов приводит в лазерах к изменению частот генерации различных мод. Информация о внешних воздействиях содержится в изменении частоты межмодовых биений. На основе волоконного лазера с кольцевым резонатором, который реализуется сваркой концов световода или разъемным их соединением, достаточно просто создать малогабаритный лазерный волоконный гироскоп.

Стабильные одночастотные волоконные лазеры могут быть выполнены в виде конструкции с распределенной обратной связью или с распределенным брэгговским отражением. Для этого на определенных участках волокна одним из способов, которые будут описаны ниже (см. п. 4.8), создается волоконный отражающий спектральный фильтр (рис. 4.14). Такие источники могут использоваться в фазовых ВОД.

Использование суперлюминесцентных волоконных лазеров позволяет упростить конструкцию пассивных волоконных гироскопов и повысить их чувствительность за счет снижения уровня шумов, вызванных наличием объемных элементов. В кольцевых интерферометрах гироскопах уровень шумов снижается при уменьшении длины когерентности излучения источника и числа объемных элементов (см. п. 3.6). В волоконном источнике легко добиться, чтобы длина когерентности излучения была больше, чем разность хода встречных волн интерферометра, обусловленная вращением и невзаимными эффектами. Суперлюминесцентные волоконные лазеры имеют ширину спектра нм и достаточно высокую импульсную мощность Такой источник

соединяется с волоконным кольцевым интерферометром с помощью стандартных, ответвителей.

Перевод Сергея Рогалева

Под термином «оптоволоконный лазер» обычно понимается лазер с оптическим волокном в качестве усиливающей среды, хотя некоторые лазеры с полупроводниковой усиливающей средой и волоконным резонатором также назвают оптоволоконными лазерами. В большинстве случаев усиливающей средой оптоволоконных лазеров является волокно, допированное редкоземными ионами, такими как эрбий (Er 3+), неодим (Nd 3+), иттербий (Yb 3+), тулий (Tm 3+) или празеодимий (Pr 3+). Для накачки используются один или несколько лазерных диодов.

Резонатор оптоволоконного лазера

Для создания линейного резонатора оптоволоконного лазера, необходимо использовать некоторый отражатель (зеркало), или же создать кольцевой резонатор (кольцевой оптоволоконный лазер).

В линейных резонаторах оптоволоконного лазера используются различные типы зеркал:

· В простых лабораторных установках обычные диэлектрические зеркала могут прикрепляться к перпендикулярно сколотым концам волокна, как показано в рисунке 1. Этот подход, однако, не очень практичен для массового производства и также не очень надежен.

· Френелевское отражение от торца волокна часто достаточно для использования в качестве выходного зеркала резонатора волоконного лазера. На Рис. 2 приведен пример.

· Также возможно внести диэлектрические покрытия непосредственно на концах волокна, обычно методом напыления. Такие покрытия могут использоваться для отражения в широком диапазоне.

· Во многих волоконных лазерах используются волоконные брэгговские решетки, сформированные непосредственно в легированном волокне, или в нелегированном волокне, спаянным с активным слоем. Рисунок 3 показывает лазер распределенным брэгговским отражателем (РБО лазер) с двумя волоконными решетками, но есть также лазеры с распределенной обратной связью с одной решеткой в легированных волокнах со сдвигом фазы в середине.

· Лучшие характеристики по мощности можно получить за счет использования коллиматора на выходе света из волокна и отражения его обратно с помощью диэлектрического зеркала (рис. 4). Интенсивность на зеркале значительно снижается из-за гораздо большей площади пучка. Однако, небольшое смещение может привести к существенным потерям при отражении, поляризационно-зависимые потери и т.д.

· Другой вариант заключается в использовании зеркала в форме петли волокна (рис. 5), на основе волоконной муфты (например, с коэффициентом разделения 50:50) и куска пассивного волокна.

Большинство волоконных лазеров накачиваются одним или несколькими диодными лазерами с волоконными выходами (излучение лазерного диода вводится в волокно). Накачка света может осуществляться непосредственно в сердцевину, или во внутреннюю оболочку волокна в мощных лазерах.

В ранее опубликованных статьях по тестированию технологического потенциала, волоконный лазер был разобран наиболее эффективное технологическое применение, а именно: резка, сварка, закалка, перфорация и очистка поверхности. Всё это может делать волоконный лазер.

Однако менеджерам и технологам промышленных предприятий крайне важно понимать помимо этого и экономические аспекты внедрения волоконного лазера в современных лазерных технологиях. Итак, давайте обсудим экономические вопросы про волоконный лазер, возникающие во время оценки проектов технического перевооружения.

Сразу необходимо отметить: отличия очень важны, так как новый волоконный лазер обладает целым рядом технических свойств и особенностей, из-за которых переносить на новую технику опыт применения классических лазеров не совсем корректно. Именно поэтому целесообразно начать, что такое волоконный лазер, прежде всего, с изложений данных особенностей и отличий.

Волоконный лазер:

Уникальный ресурс современных излучателей (более 100 000 часов с вероятностью продления ресурса при относительно небольших затратах) и практически нулевые эксплуатационные затраты. Обязательно с учетом фактического исключения части амортизации через ЕСН и НДС в существующей налоговой системе. Так как это может быть чрезвычайно важным экономическим фактором (т. е. часть амортизации остается непосредственно в вашем распоряжении потому что – не используется).

Минимальные затраты и время на подготовку помещения и пуско-наладку. Волоконный лазер в процессе пусконаладки называется термином «инсталляция».

Волоконный лазер, его невероятная универсальность лазерного источника. Как правило, волоконный лазер это образец источника «чистой» лучевой энергии, поэтому в нем самом практически нет технологической специфики, то есть – при диверсификации либо другой перестройке производства, волоконный лазер можно переориентировать с одного технологического процесса на иной. Такой источник можно даже назвать, конечно (с оговорками) – ликвидным, в том значении, что он сохраняет ценность и стоимость сам по себе. Отсюда начинают развиваться определенные сервисы обмена лазеров и лизинга (по этим вопросам целесообразнее всего контактировать напрямую с производителем).

Волоконный лазер, его главные характеристики:

Его вероятность наращивания мощности. Можно купить волоконный лазер с конструктивным запасом, к примеру, при поставке на мощность в 700 Вт, а затем просто докупить специальные блоки накачки, тем самым увеличить мощность, например, до 2400 Вт. При этом в производственной системе (процесс установки дополнительных блоков продолжается не более 3-х часов) – практически не нужно ничего менять. Это позволяет достаточно существенно снизить начальные капитальные вложения, а также нарастить производительность в необходимый для вашего производства момент.

Транспортировка излучения непосредственно по оптическому кабелю, длина которого составляет от 10 до 100 метров, в значительной степени упрощает проектирование, а так же компоновку технологических систем в целом. Можно использовать огромнейший ассортимент промышленной робототехники. Стоит отметить, что для осуществления некоторых производственных задач требуется всего лишь 3 компонента, а именно – волоконный лазер/технологическая головка/промышленный робот. Конечно, при отсутствии опыта все равно потребуются услуги фирмы-интегратора, однако суммарные затраты на организацию специфической производственной системы существенно снизятся.

Волоконный лазер это многофункциональный и многоцелевой технологический участок для максимальной загрузки лазерного источника. Естественно это не совсем легко как может показаться на первый взгляд, но вполне реально. А ввиду важности этой вероятности мы обсудим ее далее.

Вопрос специалистов и кадров в целом. Волоконный лазер избавляет предприятие от нужды содержать целый штат специалистов со знаниями сферы оптики, вакуумных систем и электрических разрядов. Волоконный лазер, для эксплуатации его ничего не требуется, так как обучение оператора занимает всего времени не более 1-ой недели. Конечно, это не избавит предприятие от потребности в грамотных технологах, но это уже другой вопрос, который непосредственно к самому лазеру совершенно не имеет отношения. Вполне можно задействовать существующий персонал и заодно обрести более качественный уровень производственной эффективности эффективности.

Волоконный лазер, его базовые технологии:

Эти 7 пунктов сами по себе способны вызвать высокий интерес к новому современному оборудованию. Для усиления эффекта следует перечислить некоторые базовые технологии:

лазерная резка металлов. Речь идет не только о классическом раскрое листа, но и весьма объемная резка, к примеру, с применением промышленных роботов;
лазерная перфорация (фильтрующие элементы, сетки) ;
лазерная сварка. Прежде всего, это шовная стыковая сварка высокой производительности без использования разделок кромок и присадочных материалов. Но сегодня технологи достаточно стремительно развивают гибридные процессы, то есть – комбинированные схемы сварки совмещением лазерного пучка и соответственно электрической дуги;
лазерная закалка (термообработка) – это процесс, который обеспечивает локальную закалку определенных фрагментов детали без основательного термического влияния на деталь;1
лазерная наплавка – это аналог действия дуговой наплавки, отличающийся высокой локальностью и точностью;
лазерная очистка от покрытий и загрязнений. Самый экологически чистый метод очистки, причем бесконтактный который потенциально способен конкурировать с массовыми технологиями, например, такими как пескоструйная чистка.

Переходя непосредственно к экономическим аспектам, стоит заметить что волоконный лазер, его система в настоящее время на порядок дороже классических лазеров СО2 и поэтому цена самого лазера составляет обычно значительную часть технологической системы в целом.
Волоконный лазер, в его минимальный набор входит: оборудования предназначенного для выполнения технологической операции лазером входят:

волоконный лазер обязательно с указанной стоимостью руб./кВт;
волоконный лазер имеет специальную лазерную технологическую головку, которая формирует поток излучения, а также потоки иных веществ непосредственно в зоне обработки;
манипулятор (роботизированный) для перемещения изделия или лазерной головки, а так же для общего и тщательного управления процессом. Если же применить уже готовый и универсальный волоконный лазер, соответственно затраты будут напрямую зависеть от комплектации и конечно же бренда.

Волоконный лазер его минимальный набор для лазерной технологической системы таков: 1 – лазер, 2 – технологическая головка, 3 – оптический кабель, 4 – манипулятор.

Таким образом, на технологическую систему обладающую мощностью в 1000 Вт, базовая сумма капитальных расходов составит примерно около 6 млн. руб. РФ. На самом деле это еще не все затраты, так как необходимо еще учесть затраты на программное обеспечение, на интеграцию, подготовку помещения и производства. Поэтому наиболее разумным для простоты расчетов будет предположить, что себестоимость вложений в целом – волоконный лазер, составит ориентировочно 2 цены. Подобная пропорция наблюдается в частности по лазерным станкам предназначенных для раскроя металла. Волоконный лазер обладает мощностью в 2000 Вт варьируются от 12-ти до 14-ти миллионов российских рублей. При этом лазерное раскройное оборудование представляет собой довольно-таки большую комплексную систему, имеющую большие габариты. Однако благодаря серийности и стандартной, хорошо обкатанной технологии – цена заметно снижается.

В прочих технологических процессах (например, таких как сварка, закалка) комплекс такого оборудования может быть значительно проще, но здесь стоит учесть, что на данном этапе такие технологии совершенно не пакетированы в типовые серийные комплексы (то есть в этом случае возникнут затраты на технологию и инжиниринг, причем весьма существенные). Поэтому коэффициент х2 для широкого класса использований при средней степени автоматизации (т. е. процесс обработки автоматический, а загрузка-выгрузка или полуавтоматическая или ручная) – может быть оправданным.

Экономика лазерных технологий путем анализа 2-х тестовых производственных задач

Рассмотрим первую производственную задачу, про волоконный лазер:

Итак, в качестве 1-ой тестовой задачи давайте рассмотрим массовое производство деталей цилиндрической геометрии, в которых потребно выполнить сварку 2-х полукорпусов в единый (цельный) герметичный корпус. Это стандартная задача изготовления различного вида фильтров. Сталь толщиной в 0,5-1 мм, при этом средний диаметр изделия составляет 60 мм. Цель задачи – максимальный производительный объем при минимальной себестоимости изделия.

Под эту задачу сама производственная система синтезируется практически автоматически. Для быстрой лазерной сварки подобного изделия нужно с помощью волоконного лазера мощностью примерно в 700 Вт (т. е. линейная скорость сварки составляет, порядка 50 мм/сек.), необходима довольно-таки простая сварочная головка, вращатель изделия (автоматизированный) и соответственно система загрузки-выгрузки заготовки. Для системы загрузки возможно применение простейшего лоткового питателя. Волоконный лазер, предполагается, что изделия, предназначенные под сварку, предварительно уже собраны рабочими. Однако в зависимости от уровня качества непосредственно заготовок (калибровка размеров) вполне может понадобиться система коррекции по стыку изделий – положения сварочной головки. В целом расходы на разработку и соответственно изготовление такой достаточно несложной системы укладываются примерно в 5 млн. руб.

Можно сделать небольшой вывод, после изложенного текста:

Экономические параметры системы значительно ухудшаются при уменьшении уровня загрузки оборудования и конечно персонала: при выпуске, к примеру, 10% изделий/деталей от предельной цифры производственного процесса себестоимость просто-напросто вырастет в 10 раз. Таким образом, в обоих случаях недогруженное достаточно дорогое оборудование и соответственно персонал сидит без работы.
В плане себестоимости так же ничего не дает и отказ от автоматизации: переход к неавтоматизированным технологическим процессам тоже увеличит себестоимость изделий, причем резко. Это произойдет из-за общего снижения производительности труда.
Использование лазерной технологии позволяет «выиграть» только лишь при максимальной загрузке (или хотя бы при близкой к максимуму) производственной системы и выгодной непосредственно для условий самого производства, причем крупносерийного. Чрезвычайно важным для подобных производств является высокое качество процесса лазерной обработки (т. е. воспроизводимость и стабильность).

Понятно, что для крупносерийных задач окупаемость сварки волоконный лазер может быть довольно-таки быстрой благодаря резкому росту общей производительности.

Рассмотрим вторую производственную задачу, про волоконный лазер:

Как правило, для многих реальных предприятий характерна существенно меньшая серийность, поэтому будет постоянно возникать проблема загрузки источника для лазера.

К примеру, некое предприятие изготавливает комплексное изделие, которое состоит из цилиндрического корпуса и к нему необходимо приварить крышку с мощным элементом крепления, а непосредственно к самой крышке еще нужно приварить 2 элемента. Внутри такого изделия также имеется шток, функционирующий в режиме истирания, поэтому требующий упрочнения, а так же фильтр для жидкости, исполненный в виде кольца к которому припаяна металлическая сетка. Предполагаемая серийность подобных изделий – 100 000 в год.

При типовой базовой технологии изготовления изделий применяются такие технологические процессы как:

изготовление поковок предназначенных для головки имеющей проушину;
сложная механизированная обработка поковки;
вырезка отверстий (нескольких) в корпусе механическим методом;
вварка в отверстия необходимых деталей;
приварка головки к основному корпусу – ручная дуговая, наблюдается большой процент брака, причиной которого является, в том числе и нарушения геометрии (т. е. смещение оси головки и оси цилиндра);
объемная закалка штока, хромирование и шлифовка;
вырезка кольцевой сетки;
последующая припайка сетки по внешнему и внутреннему контуру (достаточно трудно автоматизируемый процесс с высоким уровнем брака).

Изделие данной тестовой задачи: 1 – корпус, 2 – крышка, 3 – привариваемая деталь, 4 – кольцо с отверстиями, 5 – фильтрующая сетка. Волоконный лазер:

Можно ли применять волоконный лазер для выполнения либо упрощения технологического процесса в производстве такого изделия? Суть идеи состоит в следующем: использовать волоконный лазер непосредственно в режиме деления времени, тем самым загружать его ресурс разнохарактерными операциями. С технической точки зрения такая возможность существует, однако технические аспекты этого, мы обсудим в конце повествования.

По параметрам лазерной технологии волоконный лазер из базы данных мы оцениваем, прежде всего, то, что нам понадобится лазерный источник мощностью в 1500 Вт. Это, безусловно, минимальная мощность, которая требуется для надежной сварки элементов. Так как планируется многофункциональное применение лазера, то цена робототехнического оборудования, как правило, должна быть выше.

Необходимо упомянуть и крайне важное интегральное преимущество: рост уровня качества изделия является чрезвычайно важным и значимым конкурентным фактором непосредственно на рынке сбыта, что позволяет занять значительную его долю.

Стоит особенно подчеркнуть, что волоконный лазер его утилитарная осуществимость всех планируемых технологических процессов при использовании его уже проходила соответствующее тестирование и предварительные экспериментальные данные этих процессов – имеются.

Таким образом: волоконный лазер, его комплексное использование набора лазерных технологий вполне реально может дать довольно-таки большой суммарный эффект, но при условии, если лазерное оборудование будет полностью загружено!

Себестоимость лазерного варианта производства рассчитана только лишь при заниженном значении расходов промышленного предприятия, но при честном расчете стоимости минуты отлично видно, что запас рентабельности такого проекта настолько велик и очевиден, что он существенно выгоден даже при больших нормативах накладных расходов – и это факт!

Стоит также отметить волоконный лазер: проектант лазерной системы может предложить поделить технологическую функциональность на 2 лазерных комплекса ассиметрично (т. е. не поровну)- 1-й лазерный комплекс выполняет исключительно вырезку отверстий и сварочные работы, а 2-й остальные операции по изготовлению фильтров и закалке штоков. Либо же может оставить только лишь первый комплекс, который выполняет операции по первым двум факторам, ввиду их основного вклада в прибыльность проекта в целом. Волоконный лазер, эти решения однозначно будут определяться во многом так же и техническими моментами, а именно вопросами: «Как именно реализовывается многофункциональность?» - «Действительно ли это можно воплотить технически?» - «К каким непосредственно проблемам это может привести?». Рассмотрим варианты и возможности.

Волоконный лазер и его применение:

Использование робота с помещенной на его манипуляторе головкой лазера для предоставленной тестовой задачи – вполне удачное решение. В первую очередь робот способен автоматически с минимальной тратой времени на переходы осуществить приварку кольца к основной крышке со всех 4-ех сторон, а во время изготовления элементарного роторного позиционера продукции со съемом и ручной установкой будут минимизированы также и потери времени непосредственно на загрузку-выгрузку. Что, конечно же, правильно и для остальных операций резки и сварки.

Применение универсальных роботов обладает тем преимуществом, что затраты на проектирование, а затем изготовление нестандартного технологического оснащения и оснастки – практически исключаются. Так как основная тяжесть производственной подготовки ложится именно на подготовку определенных программ для робота, то есть его эффективности.

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОПОСТОВЫХ УЧАСТКОВ.

Данное решение требует разработки абсолютно для всех технологических операций отдельного технологического поста, который снабжен узкофункциональным манипулятором. Вслед за завершением определенной операции лазерная головка, соединенная оптическим кабелем с лазером, переустанавливается на иной технологический пост, переналаживается соответственно на другую операцию, выполняющуюся на этой же либо иной партии изделий.

Следом за завершением определенной операции волоконный лазер его лазерная головка, соединенная оптическим кабелем с лазером, переустанавливается на иной технологический пост, переналаживается соответственно на другую операцию и осуществляется обработка другой операции, выполняющаяся на этой же либо иной партии изделий.

Волоконный лазер, к огромному сожалению, иметь персональные лазерные технологические головки на разных постах пока что не представляется возможным. Так как отстыковка от головки оптического кабеля в цеховых условиях строго запрещена по причине запыленности, потому как малейшая пылинка из оптического волокна, при попадании на оптический выход, как правило, приводит этот выход к безвозвратному разрушению. Решение данной проблемы с нетерпением ждут все предприятия с подобным оборудованием, и возможно уже в ближайшем будущем оно все-таки будет найдено.

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ

Новая возможность, в настоящее время еще редко используемая. Главная суть ее в следующем: можно приобрести определенный спец-коммутатор лазерного пучка, соединенный своим входом с лазером, а на отдельных постах несколькими выходами с технологическими головками. Переключение излучения происходит достаточно быстро между постами, и такая система способна свести к минимуму утраты времени на смену изделий и технологические переходы.

Для этого система верхнего уровня обязана обеспечивать диспетчерские функции, а также распределять ресурсы лазерного источника непосредственно по запросам этих технологических постов. Так как в расчетах для формирования мы полагали: время загрузки-выгрузки, по меньшей мере, равно времени операции, в таком случае при применении подобного мультиплексора для реализации тестовой программы производства примерно 100 000 изделий будет достаточно всего одного лазера.

Себестоимость такого мультиплексора около 1-2 млн. руб. Кроме того, нужно отметить, что волоконный лазер можно заказать уже со встроенным мультиплексором, имеющим несколько выходов.

Пожалуй, единственный недостаток заключается – это, что мультиплексор немного ухудшает качество излучения (т. е. на выходе доводится использовать волокно гораздо большего сечения), однако это критично лишь при лазерной резке. Волоконный лазер,его подобная система является наиболее оптимальной и целесообразной. На мультиплексор дополнительные капитальные затраты многократно компенсируются благодаря уровню загрузки лазера.

Итак: 1 – лазер, 2 – оптический коммутатор, 3 – головки (технологические), 4 – технологические посты, 5 – центральная система управления.

Еще один важный вопрос, связанный с универсальностью самих лазерных головок: Если планируется использование промышленного робота или многопостового участка, то лазерная головка обязательно должна обладать свойством универсальности (то есть, уметь выполнять различные технологические процессы). На сегодняшний день западные производители подобных головок не выпускают!

Однако такая техника уже существует: в скором времени начнется серийное производство – универсальной перестраиваемой головки, которая может выполнять весь базовый спектр технологических операций с применением излучения волоконных лазеров (сварка, резка, закалка, перфорация). Адаптация головки к какой-либо конкретной операции осуществляется и за счет автоматического преобразования оптической системы, и за счет сменной технологической насадки (т. е. ее замены), которая крепится по принципу известного магнитного подвеса.

Волоконный лазер, его преимущества:

Оценки показывают: волоконный лазер располагает значительным экономическим потенциалом.

Высокая рентабельность волоконный лазер, проектов основанных на современных лазерах – обеспечивается исключительно при максимальной загрузке оборудования, то есть за счет достаточно существенной надежности и уникальности ресурса новых лазеров технически возможно.
Довольно-таки существенную перспективу могут иметь непосредственно многофункциональные технологические участки, обладающие разделением ресурса источника лазера.
Несмотря на значительные капиталовложения, окупаемость лазерного оборудования и лазерных технологических систем в целом – может быть весьма и весьма быстрой вплоть до 1-1,5 года.

Рис. 1.2. Типичная схема волоконного лазера.

1 - активное волокно; 2 - брэгговские зеркала; 3 - блок накачки.