Статья посвящена разработке волоконного лазера с высоким качеством излучения, имеющего большое количество практических применений. В ней приведены результаты исследований качества пучка, спектра излучения и параметров лазера в импульсном режиме работы.
Введение
Рынок высокомощных лазеров постоянно растет, спрос повышается, чему способствует появление новых оптических схем, активных волокон, что позволяет расширить диапазон длин волн генерации, увеличить выходную мощность, сохранить качество пучка и повысить КПД [1]. Волоконные лазеры высокой мощности составляют основную часть отечественных установок для промышленных применений.
Специалисты АО «ЛЛС» совместно с ФГУП «РФЯЦ–ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина» приняли решение о разработке одномодового волоконного лазера с высоким качеством пучка и мощностью 1 кВт.
Задача формировалась из трех основных пунктов:
развитие отечественных лазерно-оптических технологий в России;
укрепление политики импортозамещения в стране;
разработка и реализация волоконного лазера, который не будет уступать по характеристикам аналогам мировых производителей.
Этапы работы
Для создания продукта был проведен анализ конкурентов, рынка сбыта и перспективы развития данного проекта.
Специалистами РФЯЦ–ВНИИТФ были разработаны оптическая и электрическая схемы источника лазерного излучения, определены требуемые характеристики компонентов, которые могли бы обеспечить высокую мощность в сочетании с высоким качеством пучка и надежностью.
Для обеспечения высокой надежности, стабильности и требуемых выходных параметров излучения лазера на этапе подбора компонентов инженерами АО «ЛЛС» был сделан выбор в пользу производителей, подтверждающих качество выпускаемых пассивных волоконно-оптических компонентов стандартизированными (регламентированными) тестами. Это вместе с осуществляемым входным контролем на предпроизводственном этапе позволило добиться необходимых характеристик лазера.
В конечном итоге был создан источник излучения, не уступающий по техническим параметрам имеющимся мировым аналогам (рис. 1).
Рис. 1. Одномодовый волоконный лазер LLS-YFLSM‑1000
Впервые новый источник излучения был представлен в рамках Всероссийской конференции по волоконной оптике (ВКВо‑2019), которая проходила в Перми 08–11 октября 2019 года.
Ключевые характеристики
На данный момент в линейке представлена модель серии LLS-YFLSM‑1000, являющаяся наиболее востребованной в реалиях рынка. Это модель с 1 кВт уровнем мощности. Источник излучения может работать как в непрерывном режиме, так и с возможностью модуляции с частотой не менее 5 кГц. Мощность излучения 1 кВт достигается в резонаторе без усилительных каскадов, а используемое волокно позволяет достичь высокого уровня качества выходного излучения.
Разработанный источник излучения обладает следующими параметрами, не уступающими зарубежным аналогам: возможность перестройки мощности, возможность выбора длины волны в диапазоне 1070–1090 нм. При этом он обладает малым весом — 40 кг. LLS-YFLSM‑1000 имеет QBH-разъем и программное управление, что обеспечивает легкую интеграцию в большинство промышленных установок.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Длина волны генерируемого лазерного излучения | 1070–1090 нм (в зависимости от ВБР) |
| Оптическая мощность генерируемого лазерного излучения | 1000 Вт |
| Диапазон регулировки мощности | 10–100%, с шагом 1 |
| Мода излучения | Одномодовый, ТЕМ00 |
| Качество пучка, М2 | 1,1–1,2 |
|
Фронт нарастания/спада оптической мощности (от 0 до 100%, от 100 до 0%) |
<100 мкс |
| Тип оптического разъема | QBH с водяным охлаждением |
| Режимы генерации | Непрерывный, c возможностью модуляции |
| Максимальная частота модуляции | Не менее 5 кГц |
| Питание | 220 В, 50 Гц |
| Максимальная потребляемая электрическая мощность | 3500 Вт |
| Масса | 40 кг |
| Габариты ( Ш×Г×В) | 483×770×140 мм (3U 19" Rack) |
| Длина волны пилотного лазера | 630–660 нм |
| Мощность излучения пилотного лазера | 1 мВт |
Тестирование основных параметров волоконного лазера LLS-YFLSM‑1000
Тестирование оптической эффективности
Контроль мощности лазерного излучения производится по ГОСТ Р ИСО 11554–2008 при помощи измерителя мощности Ophir серии L1500W-BB‑50 прямыми измерениями. В ходе испытаний было получено 74% квантовой эффективности, что является достаточно высоким показателем в сравнении с коммерчески доступными системами (рис. 2).
Рис. 2. Дифференциальный КПД
Тестирование спектра выходного излучения
По результатам тестирования спектра выходного излучения, представленного на рис. 3, ширина спектра составила Δλ = 0,5 нм по уровню FWHM.
Рис. 3. Спектр выходного излучения лазера
Измерение параметра М2
Измерение коэффициента распространения производится по ГОСТ Р ИСО 11146–1-2008. Диаметр лазерного пучка измеряется методом ножа Фуко по ГОСТ Р ИСО 11146–3-2008. Профиль пучка определяется с помощью профилометра Ophir серии BeamWatch.
Основной параметр, на который делается акцент, это качество пучка M2, составляющее 1.1 –1.15 (рис. 4). Параметр M2 на сегодняшний день является наиболее популярным для представления качества излучения и определяется как деление параметра ВВР (beam parameter product) на дифракционный предел λ/п. Это позволяет не только охарактеризовать качество выходного пучка, но и описать изменение радиуса пучка вдоль луча [2].
M2 = BPP / BPP0 (1)
BPP = R×α, (2)
где R — радиус перетяжки пучка, α — половина угла расходимости.
BPP0 = λ / п , (3)
где λ — длина волны генерируемого излучения.
Рис. 4. Зона перетяжки
Тестирование параметров импульсного излучения
Испытания проводились согласно ГОСТ Р ИСО 11554–2008. Измерения проводились при помощи фотоприемника ФД‑256 и осциллографа TekTronix серии TDS3000 с полосой пропускания 500 МГц (рис. 5).
Рис. 5. Результат работы волоконного лазера в импульсном режиме
Тут стоит отметить, что в случае работы в режиме модуляции можно наблюдать крутые фронты импульса, что позволяет использовать источник излучения в аддитивных технологиях, требующих быстрого воздействия на материал.
Применение
LLS-YFLSM‑1000 может применяться в аддитивных технологиях, резке высокоотражающих материалов, передаче направленной энергии и научных проектах, где используется излучение высокой мощности.
Заключение
В настоящий момент АО «ЛЛС» планирует наращивать экспорт и развивать новые направления в разработке источников излучения. Более того, совместно с ФГУП «РФЯЦ–ВНИИТФ» идет подготовка к серийному производству волоконных лазеров серии LLS-YFLSM с расширением линейки по мощности до 1500 Вт.
Главными преимуществами созданного источника излучения являются полностью российская разработка и сборка, проверенные производители комплектующих, высокое качество излучения, а также промышленный дизайн, совместимый со стандартными установками.
На сегодняшний день совершена поставка лазера LLS-YFLSM‑1000 во Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений в качестве мощного источника излучения.
С целью увеличения качества обслуживания клиентов АО «ЛЛС», в скором времени планируется открытие и формирование собственного сервисного центра для гарантийного и пост-гарантийного обслуживания поставляемых лазеров, что позволит максимально быстро восстанавливать работоспособность устройств в случае поломки.
Литература
1. What goes up ANNUAL LASER MARKET REVIEW & FORECAST 2019 / GAIL OVERTON, ALLEN NOGEE, DAVID BELFORTE, JOHN WALLACE, BARBARA GEFVERT // Laser Focus World, January 2019. P. 40–45, 47, 49–54, 56–58, 60–61, 64–65. Г. Овертон, А. Ноджи, Д. Бельфорте, Б. Геверт. ПЕРЕВОД: Мировой лазерный рынок в 2018‑м и прогноз на 2019‑й. // ЛазерИнформ. 2019. № 5 (644). С. 1–8.
2. А. К. Потемкин, Е. А. Хазанов, Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 11. 1042–1044.
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 1-2020
