ÓPTICA PARA APLICAÇÕES A LASER DE FIBRA
Os lasers de fibra encontraram um nicho de processamento e pesquisa em que os lasers Nd: YAG são muito caros ou possuem propriedades de feixe indesejáveis (por exemplo, grandes valores M2). Os usuários de lasers de fibra podem estar preocupados com a permutabilidade de seu suprimento existente de componentes ópticos ou como especificar novas ópticas. Este artigo aborda essas áreas de preocupação e destaca quais características devem ser especificadas com muito cuidado.
Os lasers de fibra estão ganhando terreno em diversas aplicações, como perfuração, soldagem, corte de chapas, marcação a laser e micro-usinagem precisa. Os cientistas da pesquisa também os consideram muito úteis como fontes, devido às suas pequenas pegadas e aos baixos valores de M2. O sucesso dos lasers de fibra é baseado na combinação única de características de feixe indisponíveis de outras fontes na mesma faixa de comprimento de onda: operação opcional em CW ou pulsada, controle de polarização (aleatória, linear ou circular), largura de banda espectral estreita e valores TEM00 M2 próximos 1 Com essa melhoria dos lasers M2 sobre Nd: YAG, densidades de energia significativamente mais altas podem ser obtidas. São possíveis vigas mais focadas, resultando em imagens mais nítidas para marcação e cortes mais finos para micro-usinagem. As distâncias de trabalho de fabricação também podem ser aumentadas. Assim, o mercado espera enfrentar uma demanda crescente em componentes ópticos dedicados projetados para aplicações de laser de fibra.
1 Efeitos da qualidade do feixe
O processo de seleção de componentes é fortemente influenciado pelas altas densidades de potência alcançáveis com lasers de fibra. A cavidade óptica de um laser de fibra é o núcleo de fibra que pode ser projetado para minimizar o número de modos, permitindo assim que os fabricantes produzam lasers comercialmente com M2 = 1,05. M2 é a proporção do produto de divergência de diâmetro multimodo do feixe de laser para o produto de divergência de diâmetro de feixe de difração ideal (TEM00) ideal:
Onde Θ0 é a divergência do feixe em miliradianos e w0 é a largura da cintura do feixe de saída (se o feixe for circular, w0 poderá ser substituído pelo diâmetro do feixe d0). Ou para o diâmetro do ponto focal alcançável d0:
A Figura 1 ilustra os parâmetros usados na equação (2). Os fabricantes de laser de fibra normalmente fornecem uma cabeça de entrega de feixe com uma saída colimada entre 5 mm e 20 mm de diâmetro (D0). Os cálculos mostram que um diâmetro de ponto focal teórico d0 de 10μm é possível com uma lente de distância focal de 19mm. Portanto, para um laser de fibra de 50W a 1075nm, o feixe focalizado possui uma tremenda densidade de potência óptica
Mais combinações são fornecidas na tabela 1. Embora a óptica da direção da viga nunca veja um ponto perfeitamente focado, há um fator de segurança que o engenheiro de projeto desejará levar em consideração; essas densidades de potência limitadas por difração e alta podem colidir com elementos ópticos durante o alinhamento.
Para lasers de fibra pulsada de baixa energia e lasers CW de faixa média (da ordem de 1 a 5W de potência média), o vidro N-BK7 da Schott chott.de) é um material de substrato adequado e barato para a óptica refletiva e transmissiva, onde a energia na superfície óptica é <50mw> O N-BK7 é um vidro óptico de coroa de borossilicato com alta homogeneidade e alta transmissão no visível e no infravermelho próximo. Revestimentos anti-reflexo (AR) podem ser usados em janelas, lentes e refletores parciais para aumentar a transmissão geral através do componente. Nessas energias, revestimentos AR de banda estreita (camada “V”) ou revestimentos AR de banda larga de múltiplas camadas podem ser usados para reduzir a refletividade por superfície de cerca de 4% a <0,25% em="" um="" único="" comprimento="" de="" onda="" ou=""><0,5% em="" uma="" largura="" de="" banda="" de="" 250="" a="" 400="" nm="" para="" sistemas="" a="" laser="" ajustáveis="" (veja="" a="" figura="">
Os revestimentos “V” de banda estreita são revestimentos anti-reflexos dielétricos de multicamadas (geralmente duas camadas) que atingem a refletância mínima teórica em uma faixa estreita de comprimentos de onda. A refletância aumenta rapidamente em ambos os lados deste mínimo, dando-lhe uma forma de "V" no gráfico de refletividade versus comprimento de onda. Os fabricantes americanos geralmente usam a terminologia “V-coat” ou “laserline” para diferenciar esse revestimento de suas ofertas de banda larga de AR.
Outra opção de material para uso com os lasers de fibra de 1-5W é o vidro N-SF11 da Schott, que possui um índice de refração n = 1,754 a 1060 nm, superior ao do N-BK7 (1,507). Isso fornece flexibilidade se uma lente com uma distância focal curta for necessária para a aplicação. Como o N-SF11 e o N-BK7 têm coeficientes de expansão térmica na faixa de 8 × 10-6 / ° C, a sílica fundida é a escolha preferida do material do substrato, se a estabilidade térmica é importante. A sílica fundida possui um coeficiente de expansão térmica de apenas 0,57 × 10-6 / ° C, uma ordem de magnitude mais estável que os outros materiais ópticos. Os fabricantes de laser de fibra recomendam sílica fundida para óptica transmissiva para uso com saídas a laser de fibra superiores a 50W. Por exemplo, a Southampton Photonics, Inc. pioptics.com) recomenda fortemente o uso de sílica fundida para aplicações de laser de fibra devido ao seu limiar de dano a laser significativamente mais alto. Possui propriedades transmissivas semelhantes às do N-BK7 de 500-2000nm, mas é mais estável termicamente e possui limites mais altos de danos para os sistemas pulsado e CW. IPG Photonics pgphotonics.com) recomenda sílica fundida de grau IR para lasers de fibra classificados acima de 1kW. Novamente, os revestimentos AR podem ser usados para reduzir os reflexos da superfície, mas para energias mais altas, é melhor usar apenas revestimentos AR de várias camadas com revestimento em “V”, que suportam até 1 MW / cm2 ou mais.
2 Lentes
Em certas aplicações, como imagens de armadilhas ópticas, é fundamental manter a qualidade da imagem em todo o caminho do feixe. Embora as lentes singlete, em sílica fundida ou material N-BK7, sejam adequadas para aplicações simples de direcionamento de vigas, as lentes aplanáticas em dupleto ou tripleto podem ser mais adequadas para minimizar erros de frente de onda transmitidos. Essas lentes foram projetadas para minimizar dois erros monocromáticos de frente de onda denominados Aberração Esférica e Coma. A Aberração Esférica é axialmente simétrica e ocorre quando os raios colimados que passam através das zonas externas da lente focam a uma distância diferente da lente dos raios que passam através da zona central. Coma é uma distorção de frente de onda não simétrica fora do eixo que aumenta linearmente com o ângulo do campo ou a distância do eixo principal. Em conjunto, essas aberrações distorcem a frente de onda transmitida através da lente e fazem com que o ponto focal fique de forma irregular e / ou desfocada.
Os designs de lentes duplas e triplas podem utilizar os materiais de substrato listados anteriormente ou outros materiais, dependendo dos critérios específicos de design. Eles são otimizados para um único comprimento de onda e geralmente são espaçados no ar para minimizar a distorção adicional da frente de onda induzida pelo cimento entre as superfícies de vidro. O espaçamento entre os elementos também permite maior flexibilidade no design, porque as superfícies adjacentes não precisam ter curvaturas correspondentes. Em vez disso, cada uma das quatro a seis superfícies pode ser otimizada independentemente, a fim de minimizar o coma e as aberrações esféricas através do conjunto completo da lente. Os conjuntos de lentes cimentadas devem ser evitados para maximizar o limiar geral de danos e a vida útil do componente.
3 Largura de banda espectral estreita
A faixa de comprimento de onda de um laser de fibra é determinada pela arquitetura de bombeamento do fabricante e pelos dopantes utilizados na cavidade do laser de fibra ativa. As faixas típicas de comprimento de onda são: 780-800nm para doping de érbio,
1030-1120nm para o itérbio, 1530-1600nm para o érbio-itérbio e 1800-2100nm para o túlio. A largura de banda de um laser de fibra é normalmente definida por grades de Bragg de fibra. Os fabricantes de laser de fibra especificarão um intervalo no qual o usuário final poderá selecionar um comprimento de onda específico. A largura de banda real de cada laser é de apenas 1-2 nm. Isso pode ser um detalhe importante ao escolher componentes, como placas de onda de ordem superior, que funcionam corretamente apenas em uma largura de banda estreita.
4 Ótica de polarização
Largura de banda e densidade de energia são as características de feixe mais importantes a serem conhecidas ao escolher entre vários polarizadores e placas de onda. Os polarizadores lineares de polímero não devem ser utilizados com energias superiores a 1W / cm2. Os polarizadores de cubo cimentado estão disponíveis em projetos de banda estreita e banda larga, mas os limiares de dano são limitados pelo epóxi interno. Embora alguns cimentos ópticos possam suportar densidades de potência do laser de 500W / cm2, os fabricantes de laser de fibra recomendam evitar a óptica cimentada para lasers de fibra classificados acima de 50W. Acima desse nível, é necessário mudar para um projeto de cubo polarizador com espaçamento de ar ou contato óptico, que normalmente pode lidar com mais de 1 MW / cm2 de luz laser CW.
Para uma placa de onda de quartzo de cristal de ordem múltipla próxima a 1 mm de espessura, uma variação de 2 nm no comprimento de onda pode fazer a diferença entre uma placa de onda excelente e uma peça inaceitável. Uma placa de onda λ / 4 de 1 mm de espessura projetada para 1082nm seria realmente uma placa de onda de 0,23λ a 1084nm, ou λ / 50 desligada. Como alternativa, uma placa de onda composta de ordem zero projetada para os mesmos dois comprimentos de onda alteraria o retardo entre as duas por <λ 1000="" ondas,="" o="" que="" está="" dentro="" dos="" limites="" de="" medição=""> As placas de onda de ordem zero funcionam muito bem acima de ± 40-70nm do comprimento de onda do projeto e são adequadas para sistemas de laser ajustáveis, bem como para aqueles com largura de banda de linha de laser> 1nm (consulte a figura 3).
5 espelhos
Componentes padrão - ou seja, projetos de revestimento existentes - para outras linhas de laser podem não corresponder suficientemente bem aos novos comprimentos de onda e potências de laser de fibra para um desempenho ideal. Para sistemas de energia muito baixa, revestimentos de espelho de metal protegidos, como ouro, alumínio e prata, podem ser opções adequadas para certas aplicações em que não é necessária 100% de refletividade. Eles são facilmente disponíveis e baratos. No entanto, mesmo com as camadas protetoras, os revestimentos de metal são macios e, eventualmente, serão arranhados ou corroídos se não forem manuseados adequadamente. Como alternativa, os espelhos dielétricos multicamadas são revestidos, duráveis e altamente refletivos, com incidência normal ou 45 ° (consulte a figura 4). Eles possuem limiares de dano superiores a 20J / cm2 em sistemas pulsados de 10 a 20ns e, portanto, não devem degradar ou incorrer em danos quando usados em configurações de laser de fibra pulsada ou CW. Embora não seja particularmente banda larga, um espelho dielétrico padrão projetado para sistemas Nd: YAG de 1064nm ainda refletirá> 99% a 1075nm ou 1080nm.
6. Conclusão
A CVI introduziu uma nova linha de espelhos projetados especificamente para uso com sistemas de laser de fibra. Além disso, o CVI adicionou os comprimentos de onda de laser de fibra mais comuns às linhas de produtos existentes, incluindo revestimentos AR para óptica transmissiva, como placas de onda, lentes e janelas, além de revestimentos refletivos para separadores de vigas, refletores parciais, acopladores de saída e espelhos.
Os fabricantes de laser de fibra continuam a ampliar os limites de sua tecnologia, aumentando a potência CW e a energia pulsada comercialmente disponíveis. A excelente qualidade do feixe, juntamente com as energias mais altas, continuará a exigir cada vez mais os componentes ópticos usados nesses sistemas. As principais especificações para esses componentes incluem material do substrato, limiar de danos e qualidade da superfície.
