ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ История мощных

ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

История мощных волоконных лазеров Предпосылки Изобретение ВЛ 1963 E. Snitzer Изобретение полностью волоконной технологии (ВТ) 1974 1987 Maurer J. Kafka Кристаллы, ММ и ОМ волокно Демонстрация первого (ВТ) волоконного лазера 1989 Polaroid 100 м. Вт; 1, 06 мкм Первая демонстрация ваттного DC волоконного лазера 02. 1990 В. П. Гапонцев ASSL; CLEO-90 3, 9 Вт; 1, 54 мкм Экспериментальный лазер на Ndактивированном волокне 1992 В. П. Гапонцев Minelli, S-Hampton 1 Вт Экспериментальный лазер на Ndактивированном волокне 1993 Polaroid 5 Вт Разработка и выход на рынок с первыми волоконными лазерами и усилителями 1993 1994 1995 IPG 0, 1 -0, 3 Вт ус. Er СW 5 Вт, Er 10 Вт Yb Экспериментальный лазер на Ndактивированном волокне 1995 Turneman 9, 6 Вт 1 фаза

История мощных волоконных лазеров 2 фаза Вывод на рынок гаммы CW и импульсных волоконных лазеров 1995 2001 IPG Laser, Германия 10 -200 Вт CW Yb, Er, Tm, Рамановские 1 м. Дж импульсный Концепция и демонстрация киловаттных волоконных лазеров 1999 В. П. Гапонцев 1, 5 к. Вт Разработка и вывод на рынок гаммы киловаттных волоконных лазеров 2002 2004 IPG-laser Photonics Полюс IPGИРЭ- 0, 3 -2 к. Вт ОМ 1 -40 к. Вт ММ 1 к. Вт - импульсный Квалификация киловаттных волоконных лазеров для различных промышленных и других применений 2004 2005 IPG-laser Photonics Полюс IPGИРЭ- 0, 3 -2 к. Вт ОМ 1 -36 к. Вт ММ 0, 1 -0, 5 к. Вт – имп. 0, 1 -0, 2 к. Вт Tm 3 фаза

История мощных волоконных лазеров 4 фаза Массовые поставки киловаттных волоконных ОЕМ лазеров 2006 IPG-laser IPG-Photonics ИРЭ-Полюс 1 -20 к. Вт CW Вытеснение СО 2 и АИГ: Nd лазеров в применениях, связанных с резкой и сваркой металлов 2006 2010 IPG-laser IPG-Photonics ИРЭ-Полюс 90% рынка сварки и 50% рынка резки Разработка новых мощных и сверхмощных лазеров, их квалификация и массовые поставки 2006 2010 IPG-laser IPG-Photonics ИРЭ-Полюс 50 -500 к. Вт CW Yb 5 -10 к. Вт ОМ 1 -10 к. Вт ср. мощности, 100+ импульсной 1 к. Вт одночастотный 20 МВт имп, 10 к. Вт ср. 20100 Вт видимого 10 -50 Вт УФ 10100 Вт средний ИК Разработка новых массовых применений 2006 2015 IPG-laser IPG-Photonics ИРЭ-Полюс

Преимущества активированного волокна перед кристаллами 1. Большее усиление 2. Широкий спектр 3. Очень низкие вносимые потери 10 – 60 д. Б (х 10 -100) 80 – 400 нм (х 50 -200) (х 10) 4. Нет проблем с термооптикой 5. Идеальное качество луча 6. Малая занимаемая площадь 7. Большой температурный диапазон 8. Низкая стоимость (М 2 < 1, 05) ( в 5… 100 раз) (-1000…+1500 С) (в сотни раз дешевле)

Простейшая конфигурация волоконного лазера Активный световод Точка сварки Выходное излучение Внутриволоконные Брегговские решетки Полупроводниковый излучатель Сечения различных волоконных световодов 4 а а) б) 1 б 3 а 2 а 1 а 2 б 1 а – сердцевина волоконного световода, содержащая редкоземельный элемент; 2 а – первая оболочка; 3 а – вторая оболочка; 4 а – защитная оболочка. 1 б – активный световод, с сердцевиной, содержащей редкоземельный элемент; 2 б – пассивные световоды; 3 б – общая вторая оболочка; 4 б – защитная оболочка. Диаметр сердцевины одномодового волоконного световода – (5 – 10) мкм. Диаметр сердцевины многомодового волоконного световода – (50 – 100) мкм. 3 б 4 б

Активные добавки волоконных световодов Редкоземельные элементы, используемые для создания активных волоконных световодов, и спектральные области их люминесценции. Активный ион Область люминесценции (мкм) Nd 3+ (неодим) 0, 92 – 0, 94 1, 05 – 1, 1 1, 34 Yb 3+ (иттербий) 0, 98 – 1, 16 Er 3+ (эрбий) 1, 53 – 1, 6 Tm 3+ (тулий) 1, 7 – 1, 9 Ho 3+ (гольмий) 1, 9 – 2, 1

Схемы энергетических уровней ионов редкоземельных элементов и используемые оптические переходы Энергия (103 см-1) 14 12 10 4 F 5/2 4 F 3/2 5 J 5 4 F 3 F 6 6 4 I 11/2 4 I 9/2 4 3 H 7 4 I 13/2 0 4 3 H 5 J 2 g f e 5/2 4 I 13/2 4 I 15/2 4 5 4 I 11/2 5 J 8 6 3 H 4 I 9/2 5 J 4 I 15/2 8 Nd+3 Ho+3 Er+3 4 F b a 7/2 Tm+3 d c Yb+3 = 1, 06 мкм = 0, 92 мкм = 1, 34 мкм в = 0, 5 мс н = 0, 8 мкм Гольмий (Ho 3+) 4 I 11/2 4 I 9/2 3/2 4 F 4 I 3/2 13/2 5 J 7 8 = 2 мкм в = 0, 5 мс н = 1, 15 мкм Эрбий (Er 3+) 4 I 4 13/2 I 15/2 = 1, 53 1, 6 мкм в = 10 12 мс н = 0, 98 мкм и н = 1, 45 1, 48 мкм Тулий (Tm 3+) 3 H = 1, 85 2, 1 мкм в = 0, 2 мс н = 0, 79 мкм (3 F 4 ) и н = 1, 45 1, 48 мкм (3 H 5 ) Иттербий (Yb 3+) 4 F Неодим (Nd 3+) 4 F 4 F 3/2 4 3 H 5/2 6 4 F 7/2 1=0, 978 0, 982 мкм (g c, f c) 1=1, 03 1, 2 мкм (g d, f d, e c) в = 0, 8 мс 1 н = 0, 915 мкм (a g, a f) 2 н = 0, 976 мкм (a e)

ВЛ с одномодовой накачкой Защитная оболочка Линза Одномодовый лазерный диод M 1 Активированная световедущая жила M 2 Оптическое волокно

ВЛ с торцевой многомодовой накачкой Защитная оболочка Линза Многомодовый лазерный диод M 1 Оптическое волокно Активированная световедущая жила M 2 Светоотражающая оболочка

ВЛ с боковой многомодовой накачкой Защитная оболочка M 1 Оптическое волокно Активированная световедущая жила M 2 Светоотражающая оболочка Линза Многомодовый лазерный диод

ВЛ с многопортовой накачкой «Глухая» волоконная решетка >99% Активное оптическое волокно Устройство ввода излучения в активное волокно Волоконный объединитель накачки Многомодовые лазерные диоды накачки Выходная волоконная решетка 10%

Схема накачки ВЛ с использованием пассивных световодов Накачка Волоконный световод Общая оболочка Защитная оболочка

Лазерные диоды для накачки n n n Первое поколение 2004 -2005 Мощность 5 -8 Вт в 100 мкм волокне, NA<0. 12 NA – числовая апертура Срок службы > 200, 000 час. Второе поколение 2006 Мощность 15 – 20 Вт в 100 мкм волокне, NA<0. 11 Срок службы > 200, 000 час. Третье поколение 2007 -2008 Мощность 30 – 50 Вт в 100 мкм волокне, NA<0. 11 Срок службы > 200, 000 час.

30 Вт диодные модули для накачки

Фотоиндуцированные брэгговские решетки показателя преломления Основные характеристики решетки: 2 1 Схема волоконной решетки показателя преломления 1 – фоточувствительная сердцевина 2 – кварцевая оболочка Типичные параметры брэгговской решетки: L = 5 мм, δn = 8 х10 -4, Λ = 0, 4 мкм → R ~ 0, 99 на λ = 1136 нм и Δλ = 0, 4 нм - период модуляции показателя преломления Λ ; - величина наведенного изменения показателя преломления δn ; - число штрихов или длина решетки L ; - спектральная ширина Δλbr ; - коэффициент отражения R ; λbr = 2 nef Λ nef – эффективный показатель преломления основной моды световода R = th 2 (k. L) k - коэффициент связи , k = π η δn ∕ λbr η - доля мощности основной моды, распространяющейся по области , в которой наведено изменение показателя преломления. δn ≈ ( 10 -4 ÷ 10 -3 ) n Δλbr = 2 λbr Λ ∕ L [ 1 + (k. L∕ π)2 ]½ Δλbr ≈ 10 -6 λbr

Методы изготовления брэгговских решеток показателя преломления. УФ излучение Фазовая маска Цилиндрическая линза Зеркало α Зеркало φ Световод α Схема записи решеток с использованием интерферометра Ллойда. Схема записи брэгговских решеток с помощью фазовой маски. В качестве источника излучения используется вторая гармоника аргонового лазера (λ=244 нм) В качестве источника излучения используются эксимерные лазеры Kr. F (248 нм) и Ar. F (193 нм)

Основные типы волоконных лазеров 1. Непрерывные одномодовые лазеры в том числе однополяризационные и одночастотные. 2. Импульсные волоконные лазеры работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а так же с произвольным режимом модуляции. 3. Перестраиваемые волоконные лазеры 4. Мощные непрерывные многомодовые волоконные лазеры

IPG производит более чем 400 различных типов волоконных лазеров Выходная мощность излучения, Вт

Импульсные Yb волоконные лазеры Оптические характеристики Параметры Длина волны, нм Ширина спектра, нм MOPFA 1070 5 Поляризация случайная Диаметр луча, мкм 7 Качество излучения М 2 <1, 3 Средняя выходная мощность, Вт >20 Энергия в импульсе, м. Дж 0, 5 -0, 8 Частота повторения, к. Гц 1 -100 Длительность импульса, нс 1 -40 Пиковая мощность, к. Вт 10 -100 Q-swich 1070 5 случайная 6 <1, 5 >200 2 -3 1 -200 50 -500 1 -20

Импульсно-периодические Yb ВЛ Параметры Параметр Стандарт Качество луча, М 2 < 1, 3 Повышенная имп. мощность < 1, 3 Длительность импульса, нс ~ 100 30 200 -300 Пиковая мощность, к. Вт до 10 до 30 Средняя мощность, Вт до 50 до 200 >20 >20 Возд. Вода Подавление обратного отражения, д. Б Охлаждение Мощный < 3, 5 Применения q Стабильная качественная маркировка q Сверление керамики q Маркировка отражающих, труднообрабатываемых материалов (медь) и пластиков

Форма импульса и зависимость выходной мощности излучения от накачки для импульсно – периодического лазера

1995 : Первый поставленный импульсный волоконный лазер

Импульсно-периодические волоконные Yb лазеры YLPM-0. 5/40/20 лазер на Yb-активированном волокне с пиковой мощностью до 1 м. Дж Гибкость характеристик при использовании схемы «задающий генератор – мощный усилитель»

200 Вт импульсный Yb ВЛ Применения: q Скрайбирование кремния q Высокоскоростная маркировка Резка тонкой металлической фольги q

Импульсный Tm волоконный лазер - Длительность импульсов 150. . . 400 нс - Средняя мощность до 20 Вт - Энергия импульса 1 м. Дж - Частота повторения 5. . . 20 к. Гц - Пиковая мощность до 10 к. Вт - Одномодовый выход - Диапазон работы 1850. . . 2000 нм - Накачка Er лазером 1550 нм

Er импульсный волоконный лазер l «Безопасный для глаз» диапазон 1550 нм l Пиковая мощность 0. 5. . . 50 к. Вт l Частота повторения 5. . . 100 к. Гц l Длительность импульсов 1. . . 10 нс l Внешняя синхронизация l Компактная конструкция l Возможность бортового и полевого исполнения

2 -20 пс, 60 к. Вт импульсной мощности волоконный Yb лазер PC Генератор Мощный усилитель Контр. Ширины импульса PC Форма импульса 3. 2 пс 33 MГц импульсы 1 ms/div Применения • Микрообработка • Медицина • Литография, изготовление масок Схема - МОРА • Средняя мощность до 50 Вт • Перестройка 1050 -1090 nm • Регулировка длительности • Без компенсации дисперсии • Высокая стабильность • Возможно до >100 к. Вт Ширина линии

30 Вт, 770 – 780 нм, ЛП, ВЛ с узкой линией Импульсный (нс или пс) с активной модуляцией одномодовый задающий Еr лазер • Однопроходное преобразование в КТР с КПД 80 -90% EDFA PPKTP 30 W 775 nm RF LD Lens BS Применения • Маркировка • Медицина • Разделение изотопов • Навигация • Преобразование в ультрафиолет

Основные характеристики - Средняя мощность на 775 нм 30 (50) Вт - Нестабильность выходной мощности в пределах 1. 2% - Ширина спектра выходного излучения < 0. 04 нм - Высокое качество луча, M 2 = 1. 1 - Диапазон рабочих температур от – 10 o. C до +50 o. C - Коэффициент поляризации излучения >40 d. B

Однопроходная ГЧГ в LBO Yb/Er pump source LBO PPKTP Output fiber 1550 nm 775 nm 388 nm Основные характеристики кристалла - Размеры: 3 x 15 mm - deff=0. 8 pm/V -Q=900, f=34. 40

Непрерывный волоконный лазер YLR-100 (100 Вт) Размеры: 460 x 175 x 420 мм; Масса: 5 кг

Рост мощности промышленных лазеров H. Schluter, Tumpf Inc. In Photonics Spectra, June 2003 F

380 W Fiber Laser Module

20 k. W Ytterbium Fiber Laser Optical Switch 20 k. W CW Laser Configuration - 57 x 380 W Laser Modules Interfaces: Inter. Bus, Ethernet, Modem, Fast Analog Control

Advanced 10 k. W Fiber Laser, Model YLR-10000 -S 160 cm YLR-10 K-S Serie YLR-2000 120 cm Pmax = 10, 5 k. W Output fiber core =150 m BPP ~9. 5 mm x mrad = 1070 nm WP efficiency = 32% Multimode Diode Pumped MTBF > 100. 000 h Fiber delivery – 200 m 36 months warranty

Линейка промышленных волоконных лазеров

Волоконные лазеры YLR-20000 YLR-10000 Номинальная мощность 10. 0 к. Вт Номинальная мощность 20. 0 к. Вт Максимальная мощность 11. 0 к. Вт Максимальная мощность 21. 0 к. Вт Длина волны 1070 нм Диаметр волокна Длина волокна BPP 100 (150* ) мкм до 200 м < 4. 1 (5. 8*) мм x мрад Диаметр волокна 200 мкм Длина волокна до 50 м BPP Размер основания 800 x 860 мм Foot Print Высота 1500 мм высота Мощность охладителя КПД 32 к. Вт > 28% 1070 нм 11 мм x мрад 800 x 1. 460 мм 1. 500 мм Мощность охладителя 64 к. Вт КПД > 28%

Волоконный лазер YLR-30000 Технические характеристики n Мощность n 30 к. Вт Диаметр волокна 200 мкм Занимаемая площадь 2280 x 806 мм Потребление max. 105 к. Вт КПД ~ 30% n Масса n n n 1200 кг

Модуляция мощного ВЛ Частота модуляции 100 Гц Выходная мощность 6. 7 к. Вт

Модуляция мощного ВЛ Частота модуляции 1 к. Гц Выходная мощность 6. 7 к. Вт

Передача мощного излучения по волоконному световоду Диаметр светонесущей жилы 300 мкм 6 6 Волокно 3 м 5 4 4 Волокно 100 м 3 2 2 1 0 0 0 20 40 60 80 Ток через диоды, % 100 Выходная мощность, k. W 7

Рабочий тест 6 к. Вт ВЛ ВЛ с водяным охлаждением 60 5000 50 4000 40 3000 30 2000 20 1000 10 6000 Output power, W 70 Temperature (°C) 7000 0 0 50 100 150 200 250 Operation tme, hrs i 300 350 400 0 450

Применения волоконных лазеров Маркировка и гравировка Телекоммуникации Сварка труб Оборона (разминирование) Во всех областях применения волоконные лазеры несут улучшения и преимущества! Продукция заказчиков Медицинская промышленность Автомобилестроение, судостроение и другие области машиностроения Медицина

Современное состояние применения ВЛ Внедрено * телеком– Verizon, Bell Southe, Siemens, Alcatel, Fujitsu and oth. * космос – межспутниковая связь, проект «Марс» и др. * оборона –дистанционное разминирование * вагоностроение * маркировка, резка, сварка и пр. Внедряется * чистовая сварка кузовов * дистанционная резка * полевая сварка трубопроводов * аэрокосмическая промышленность – сварка алюминиевых несущих корпусов * судостроение – мобильная «на судне» резка и сварка * атомная индустрия * проект «ITERA»

Микрообработка

Дистационная резка металла Время прошивки 100 отв. Толщина, мкм 50 1, 17 100 1, 92 200 Вырезание прокладки автомобильного двигателя Время, с 2, 55

Маркировка и гравировка

Маркировка волоконными лазерами

Сварка выводов батарей: медь со сталью и алюминий с алюминием 3 к. Вт

Роботизированный комплекс с YLR-5000 для дистанционной сварки Поставлен для тестирования 16. 07. 04 KUKA Schweissanlagen Gmb. H Мощность 5. 3 к. Вт Транспортное волокно 100 мкм Длина волокна 50 м BPP 4. 2 мм x мрад Диаметр пятна в 1. 4 м 0, 6 мм

Волоконный лазер в судостроении Монфалкон, Италия Первая поставка сварочного портала с волоконным лазером 10 к. Вт для гибридной сварки в производстве. Верфь Финкантиери в Монфалконе, 2007 г.

Мобильная установка для сварки труб Премьер-министр Индии М. Сигх и канцлер ФРГ А. Мерке около отрезка трубы нефтепровода, сваренной с помощью волоконного лазера IPG. Ганновер, 2006 г.

Комплекс для сварки трубопроводов в работе

Волоконный лазер IPG для дистанционного разминирования Top: the latest version of ZEUS is equipped with a 2 k. W fiber laser that is mounted onto the roof of an adapted Humvee armoured vehicle. Bottom left: ZEUS has spent six months proving its worth in Afganistan where it neutralized a total of 210 explosives. Bottom right: one of the big benefits of ZEUS is that it is compact and light enough to be deployed by helicopter or cargo plane. OLE. March 2005

Сварка

Aluminum Welding Test – YLR-6500 Welding of the thick metal plates 8 mm aluminum welding, speed 3, 3 m/min

Overlap Joint ( Zinc coated Steel ) Three-sheet joint: Steel (Zn coated) 2 + 2 mm P= 6. 9 k. W v= 2. 75 m/min gap 0, 3 mm Steel (Zn coated) 1. 5 + 1. 5 mm P= 6. 9 k. W v= 3. 5 m/min gap 0, 3 mm

Сравнение качества луча ВЛ и СО 2 лазеров

Резка бетона Мощность излучения 3, 5 к. Вт Скорость резки около 1 мм/мин

Извлечение газа из гидрата метана Структура гидрата метана Месторождения гидрата метана 1 л гидрата метана дает 168 л газа Запасы гидрата метана предположительно > 80000 объемов мировых запасов газа

Оптические телекоммуникации Применения n n Кабельное телевидение n Сети широкополосного доступа n Потребители Программа «Волокно к дому» Сверхширокополосные сети магистральной связи Потребители СНГ МТС(Р) (2005) 1000 км, 10 узл. , 4 канала Комстар(Р)(2005) 200 км, 4 узл. , 4 канала Иркутск-Энерго (2006) 700 км 12 узл. , 5 кан. СЗТ (Р) (2006) 960 км, 13 узл. 8 кан. СЗТ (Р) (2007) 4600 км. 107 узл. 24 кан. Каз. Транс. Ойл (Казахстан) (2004) 2400 км, 35 узл. 2 кан. (2005) 1450 км, 18 узл. , 2 кан. (2006) 550 км, 18 узл. , 2 кан. Каз. Транс. Ком (Казахстан) (2005) 2200 км, 8 узл. 2 кан.

Передача излучения ВЛ на большие расстояния Передача излучения мощностью 5 к. Вт через многомодовое волокно длиной 1 км ( потери < 13%)

Лазерные скальпели на основе волоконных лазеров не требуют мощного питания и громоздких систем охлаждения, не используют высоких напряжений. Они надежны, просты в управлении. Лазерный скальпель в эндоскопическом отделении, ДГКБ № 20 им. Тимирязева, Москва Лазерный скальпель в ЛОР операционной, Морозовская ДГКБ, Москва

Сравнение лазеров различных типов

Волоконные лазеры - прорывная технология Революционный скачек, аналогичный созданию микропроцессоров и РС в компьютерной технике и интегральных схем в электронике n Принципиально новая технологическая платформа с громадным потенциалом n Рекордные мощности излучения ( до 50 -100 к. Ватт ) n Уникальное качество излучения ( теоретический предел ) n Впервые неограниченный выбор длин волн излучения n Рекордные эффективности ( до 35% или в 3 -10 раз лучше чем обычные лазеры ) n Впервые полностью монолитный (интегральный ) дизайн n Впервые не требует постоянного технического обслуживания при пользовании n Уникальная компактность и нечувствительноссть к окружающим условиям

Достоинства волоконных лазеров 1. Интегральная технология (не требуется юстировок, устойчивы к пыли, влаге и механическим воздействиям). 2. Малые габариты. 3. Высокий КПД. 4. Высокая надежность. 5. Простые требования к техническому обслуживанию. 6. Исходно решен вопрос доставки излучения по волоконному световоду. 7. Потенциально низкая стоимость.

Мировой рынок волоконных лазеров JDSU 2% SPI 3. 2% Остальные 11. 7% Kyopsis 4. 1% Nufern 4% IPG 75%

Состав IPG London, England Burbach, Germany Москва, Россия Daejon, South Korea Tokyo, Japan Milan, Italy Oxford, USA Bangalore, India Производство, разработки, продажи n Производство, продажи Продажи n > 32 000 кв. м. производственных и офисных помещений 750 сотрудников

IPG - мировой лидер в области мощных волоконных лазеров n n n n - Первыми разработали. - Первыми вывели на рынок. - Первыми опробовали для различных промышленных применений, включая макро и микрообработку. - Разработала и продает сотни уникальных лазеров, большинство из которых до сих пор не имеет аналогов. - Обладает уникальным мощным, гибким, легко тиражируемым высокотехнологичным производством. - Поставлено заказчикам более 18000 лазеров, что на порядок больше, чем поставили все остальные вместе взятые. - Занимает на рынке волоконных лазеров более 75% стоимости и 85% от количества произведенных.

Заключение Волоконные лазеры являются уникальным инструментом, открывающими новую эру в обработке материалов Волоконные лазеры превосходят все существующие лазерные технологии в части: уровня мощности, качества пучка, занимаемой площади, расстояния доставки излучения, ресурса работы и стоимости эксплуатации Волоконные лазеры благодаря своим преимуществам займут наибольший сектор рынка лазерного промышленного оборудования Портативность и возможность выбора длины волоконных лазеров позволят реализовать новые эффективные применения недоступные для других типов ныне существующих лазеров

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!