Твердотельные лазеры
Твердотельные лазеры (ТТЛ)
Лазеры этого класса за последние годы получили сильный импульс развития благодаря успехам полупроводниковой технологии, позволившей создать надежные лазерные диоды высокой мощности для накачки ТТЛ.
ТТЛ со стержневой геометрией активной среды [8, 19,59,78-82] достигли мощности 8 кВт при оптическом качестве 12-25 мммрад. ТТЛ с диодной накачкой достигли кпд «от розетки» до 10% при качестве излучения 12 мммрад, в сравнении с 3% и 25 мммрад для ТТЛ с ламповой накачкой, что позволило применить для транспортировки излучения оптоволокно диаметром 300мкм. Они применяются в операциях резки и сварки трехмерных изделий из листовой стали (в режиме непрерывной генерации), резки алюминиевых сплавов, и в операциях очистки поверхности (в режиме модуляции добротности).
ТТЛ с дисковой геометрией активной среды [19,59,83] генерируют излучение мощностью до 4 кВт при кпд «от розетки» до 20% и качестве излучения 7-8 мммрад. Они получили применение в операциях сварки и резки нержавеющей стали, с подачей излучения по оптоволокну (ø 150 мкм), включая применение в робототехнических системах для чистовой сварки трехмерных изделий.
В последние годы быстрое развитие получил новый вид ТТЛ – волоконные лазеры высокой мощности [8,59,84-94]. Активная среда этих лазеров представляет собой световод из стекла, допированного Yb (λ=1080 нм) или Er+Yb (λ=1565 нм). Диаметр световода ø=20÷50 мкм; он окружен двумя прозрачными (из стекла) оболочками – волноводом для излучения накачки, поступающего по всей внешней поверхности оболочки от диодных лазерных линеек через специально нанесенные структуры типа брэгговских решеток. Преимущества волоконных лазеров – высокое качество излучения из-за отсутствия линзового эффекта в активной среде при нагреве в процессе накачки; высокая (до 85%) энергетическая эффективность генерации; хороший теплосъем даже при воздушном охлаждении лазеров мультикиловаттного уровня мощности, благодаря чему отсутствует тепловая линза в одномодовом волокне. «Волоконные лазеры имеют высокую надежность и способность работать в любых условиях, в том числе в мобильных полевых системах, органически вписывающуюся волоконную доставку излучения к объекту воздействия, рекордно малые габариты, уникальный ресурс. По выходной мощности они приблизились к мощным СО2-лазерам, а по полному кпд их превзошли. В волоконных лазерах автоматически решена проблема юстировки, оптический тракт не имеет воздушных промежутков, чувствительных к попаданию пыли и влаги. Брэгговские решетки-отражатели резонатора наносятся внутри световода, чтобы избавиться от внешних зеркал с проблемой их юстировки, и в результате волоконный лазер превосходит по параметрам и эксплуатационным свойствам аналоги на кристаллах» [92]. Волоконные лазеры малой мощности (10-100 Вт) обладают высоким качеством излучения и высокой надежностью, благодаря чему они нашли широкое применение в маркировке[19]. По этим же данным, коммерчески доступны волоконные лазеры мощностью до 0,8 кВт, с оптическим качеством, составляющем два дифракционных предела.
На сайте [90] заявляется о наличии в коммерческом выпуске волоконных лазеров мощностью до 10 кВт. В настоящее время технология волоконных лазеров высокой мощности еще находится в стадии доработок, а сами лазеры довольно дороги, вследствие чего они приобретаются не всеми индустриальными пользователями. В последнее время рынок мощных волоконных лазеров стремительно расширяется [77,93,94], с ростом объема продаж до 50% за год (2005/2004). Преимущества этих лазеров расширяют сферу применений технологий ЛMМ, что должно отразиться на увеличении общего объема лазерного рынка. В последнее время стали интенсивно развиваться конструкции диодных лазеров прямого действия (ДЛ) [19,59, 95-102, 186]. По информации [102], объем лазерной головки диодного лазера мощностью 4кВт составляет около 30 дм3, ресурс 10000 час., длина волны излучения 808 нм, кпд «от розетки»: 15%. На рынке представлены [59] индустриальные системы ДЛ с мощностью излучения до 4 кВт. Качество излучения ДЛ пока невелико: размер фокального пятна составляет от 1,1х1,3 мм до 1,1х1,7 мм. Тем не менее, ДЛ уже находят применения в широком спектре технологий: сварка нержавеющей стали (1,2 мм; 5м/мин); сварка полимеров, термоупрочнение поверхности, наплавка, пайка [96, 19]. Прогнозируются большие перспективы применений ДЛ в процессах обработки материалов, не требующих высокого качества излучения. Это обусловлено их высоким кпд «от розетки» (ожидается достижение кпд до 30-50%), компактностью лазерной головки, малым расходов охлаждающей воды., что в совокупности приводит к невысокой стоимости эксплуатации ДЛ и к низким капзатратам.
