Напрямки розвитку волоконної оптики (стр. 2 из 7)

Перед прийняттям цього рішення був проаналізований досить тривалий досвід роботи систем LaserGraver з такими лазерами в умовах реальних виробництв флексографічних форм у деяких європейських клієнтів. Тому зараз вітчизняним користувачам фактично пропонується розв’язок, перевірений на заході, що, безумовно, представляє додатковий інтерес. Пропозиція вітчизняним поліграфістам цих сучасних лазерних систем, що відповідають прийнятим у даній області техніки світовим стандартам, стало можливим після того, як розвиток волоконних лазерів і розширення спектра їх застосування в промисловості дозволило знизити на них ціни. Тому з'явилася можливість створити доступні й вітчизняним флексографічним друкарям моделі устаткування.

На закінчення підсумуємо головні переваги лазерних систем запису зображень на цифровому фото полімері, побудованих на базі волоконного лазера з напівпровідниковим накачуванням:

· мале енергоспоживання, наприклад, системи LaserGraver являють собою практично офісну техніку, живлення якої здійснюється від звичайної розетки;

· ніякого водяного охолодження, для компонентів волоконного лазера досить повітряного охолодження;

· відсутність змінних елементів і профілактичних операцій з боку оператора;

· зручність для побудови багатопроменевих оптичних систем;

· висока надійність устаткування. [7]

Переваги:

· високий ККД до 40 % і більше;

· висока якість (мала розбіжність) випромінювання – до M²≈1.05 при вихідній потужності 100 Вт;

· можливість генерації як неперервного, так і коротких (до нс) імпульсів випромінювання з великою частотою (20 кГц і більше);

· рекордно великі потужності випромінювання - до 50 кВт ( в 2005 р.) і це не межа;

· ефективність генерації на багатьох довжинах хвиль (1.06 мкм (Nd, Yt), 1.56 мкм (Er), 1.75-2.0 мкм (Tu) і ін.) для обробки матеріалів (1.06 мкм), медицини (1.75-2.0 мкм) і зв'язку (1.56 мкм);

· зручність електричного керування тимчасовими й перемикальними характеристиками;

· електричне накачування (діодів) електроенергією з низькою напругою;

· природна волоконна доставка випромінювання;

· висока надійність і великий ресурс роботи більше 1 млн. годин;

· висока стабільність параметрів ± 2%, стійкість до механічних, теплових забруднень навколишнього середовища (пилу) та інших впливів;

· висока просторова й спектральна яскравість;

· малі масо габаритні розміри.

Потужні волоконні лазери на іттербії (λ = 1050 −1080 нм)

Основні характеристики:

Неперервний режим

· вихідна потужність - до 50 кВт;

· можлива модуляція вихідного випромінювання із частотою 5 кГц;

· ККД - 25 %;

· вихід - волокно 200 мкм;

· якість пучка — M²= 2,5 − 6 мрад;

· термін служби - > 100 кілогодин;

· габарити - 86х81х150 см;

· вага - 100 кг при 10 кВт.

Імпульсний режим:

· середня вихідна потужність - до 200 Вт;

· тривалість імпульсу - 30-100 нс;

· енергія в імпульсі – 0,5-2 мДж;

· частота проходження імпульсів - 20-100 кГц

· волоконний вихід;

· зовнішнє цифрове керування;

· компактний з повітряним охолодженням;

· колімований вихідний пучок з M²=1,4 − 5;

· термін служби - > 100 кілогодин;

· ККД - більше 10 %.

На рис. 1.4, 1.5 наведений зовнішній вигляд деяких типових вузлів волоконних лазерів.

Рис. 1.4.

Рис. 1.5.

Ведучий генератор (а), підсилювач (б) і вихідний коліматор волоконного лазера і загальний вид імпульсного лазера потужністю 200 Вт ( 1 - одномодове активне оптичне волокно, 2 – модуль напівпровідникового накачування). 700 Вт іттербієвий волоконний лазер неперервної дії (рис 1.4) і його робоча станція (рис 1.5). [8]

Потужні іттербієві лазери Лазерний обробний центр із 500 Вт, 1 кВт, 2 кВт. роботом для зварювання Al.

Таким чином, волоконні лазери з комплексу властивостей найбільш оптимальні для застосування в системах цифровий флексографії й у цьому, мабуть, головна причина знаходження ними все більшої популярності в цій області техніки. [7]

Розділ 2.Теоретичні основи волоконних лазерів

Оскільки активним елементом волоконного лазера є оптичне волокно, розглянемо механізми поширення оптичного випромінювання у волокні.

2.1 Поширення світла в оптичних волокнах

Принцип дії оптичного волокна базується на використанні відомих процесів відбивання i заломлення оптичної хвилі на межі розділу двох середовищ з різними оптичними властивостями. Оптичні властивості матеріалу залежать від показника заломлення. В однорідному середовищі електромагнітна хвиля розповсюджується прямолінійно, проте на межі зміни густини середовища її напрям i якісний склад змінюються. В спрощеному вapiaнтi розглянемо два середовища, що межують, з різною густиною. Розповсюджуючись в одному з них промінь може досягати поверхні іншого під деяким кутом а (до нормалі поверхні). При цьому хвиля частково відбивається в середовище з якого прийшла під кутом b i частково проникає в нове середовище в зміненому напрямі під кутом с. При падінні променя на межу розділудвох середовищ в загальному випадку з'являються заломлена i відбита хвилі.

Рис 2.1. Відбивання і заломлення променя на межі і заломлення відповідно розділу двох середовищ

Згідно закону Снелліуса кут падіння пов’язаний з кутами відбивання і заломлення наступним співвідношенням:

(2.1)

де

– показники заломлення двох середовищ; - кути падіння

Згідно фізичним законам поширення світла кут падіння променя рівний куту відбивання, тобто а= b .

У мipy збільшення кута падіння можна досягти такого стану, коли заломлений промінь починає ковзати по межі розділу середовищ без переходу в середовище з меншим показником заломлення. Кут падіння, при якому спостерігається такий ефект, називається граничним кутом повного внутрішнього відбивання, який можна знайти, виходячи з закону заломлення:

(2.2)

Для всіх кутів падіння, які перевищують граничний, матиме місце тільки відбивання, а заломлена хвиля буде відсутня.

Це явище називається повним внутрішнім відбиванням, воно закладене в основу передачі оптичного випромінювання по волокну.

Оптичні волокна, звичайно, мають круглий поперечний пepepiз i складаються з двох концентричних шарів діелектрика. В центрі розташовується серцевина з оптично більш густого скла, яка оточена оболонкою з скла з меншою оптичною густиною. Показник заломлення оптичної оболонки менш ніж на 1% менший показника заломлення серцевини.

Рис. 2.2. Будова оптичного волокна

На межі розділу серцевини i оболонки відбувається відбивання світла, яке поширюється вздовж oci волокна. Таким чином, серцевина служить для передачі електромагнітної енергії, оболонка призначена в основному для покращення умов відбивання на межі розділу серцевина/оболонка i захисту від випромінювання енергії в оточуюче середовище. Волокно має додаткову захисну оболонку навколо оптичної оболонки. Захисна оболонка (один або декілька шарів полімеру) оберігає серцевину i оптичну оболонку від дій, які можуть вплинути на їx оптичні властивості i не впливає на процес розповсюдження світла по волокну. [13]

2.2 Профіль показника заломлення

Існують декілька видів профілів показника заломлення, серед яких часто використовуються два: ступінчастий i градієнтний. Волокно з ступінчастим профілем має серцевину з однорідним показником заломлення.

При цьому присутній різкий стрибок показника заломлення на межі між серцевиною i оптичною оболонкою. У ступінчастому оптичному волокні промені світла спрямовуються внаслідок явища повного внутрішнього відбивання на межі серцевина/оболонка. Якщо кут падіння променя на межу оболонка-серцевина менший ніж критичний кут, то промінь заломлюється в оболонку i виходить з волокна.

Рис. 2.3. Поширення світла в оптичному волокні

2.3 Просторові параметри випромінювання волоконного лазера

Просторові параметри волоконного лазера визначаються геометричними розмірами оптичного волокна, профілем показника заломлення серцевини оптичного волокна, співвідношенням показників заломлення серцевини i оболонки, а також довжиною хвилі випромінювання.

Волоконні світловоди, в яких може поширюватися лише одна мода, на даний час є найбільш перспективними для активних середовищ волоконних лазерів.

Електричний та магнітний вектори Е i Н модового поля волоконного світловоду з круговою симетрією поперечного січення можна записати у вигляді:

, (2.3а)

. (2.3б)