Технологии осаждения.

Многие оптические волокна изготавливают из заготовок. Заготовки изготавливают с помощью осаждения диоксида кремния и различных легирующих примесей из определенных химических элементов. Затем волокно вытягивают из заготовки.

Много технологий используется для изготовления заготовок. Среди них:

· MCVD (модифицированное химическое осаждение из газовой фазы);

· PMCVD (плазменное модифицированное химическое осаждение из газовой фазы);

· OVD (внешнее осаждение паров);

· AVD (осевое осаждение паров).

Химические элементы.

Кислород и тетрахлорид кремния взаимодействуя между собой, образуют диоксид кремния SiO₂ . Чистый диоксид кремния активируется одним из химичеких элементов такими как оксид бора В₂О₃, диоксид германия GeO₂ и оксидом фосфора P₂O₅ для изменения коэффициента преломления стекла.

Рис. 31 Структурная схема MCVD осаждения.

Рис. 33 MCVD осаждение.

Химические элементы смешиваются внутри стеклянной вращающейся трубки, закрепленной на токарном станке. Они взаимодействуют и чрезвычайно маленькие частицы германо- или фосфатосиликатных стекол осаждаются на внутренней стороне трубки. Перемещающаяся вдоль трубы горелка выполняет следующие функции:

· Вызывает реакцию, имеющую место в трубке;

· Расплавляет осажденный материал.

Заготовка осаждается слой за слоем, начиная со слоя оболочки и следующие за ним слои сердцевины.

Изменяя состав химических элементов, изменяется показатель преломления стекла. Когда осаждение закончено, трубку сжимают при температуре 2000⁰ С в заготовку из чистейшего кварца и сердцевины с различным составом. Затем заготовку помещают в печь для вытягивания волокна.

PCMVD

Рис. 33 Структурная схема PCMVD осаждения.

PCMVD подобно процессу MCVD. Отличие заключается в использовании плазмы вместо горелки. Плазма является зоной нагретых электрически ионизированных газов. Это обеспечивает достаточное количество тепла для увеличения скорости химической реакции внутри трубки и скорости осаждения.

Эта технология может использоваться для изготовления очень длинных волокон (50 км.).

Можно получать волокна, как со ступенчато, так и плавно изменяющимся показателем преломления.

Химические пары окисляются в пламени, в процессе называемом гидролиз.

Осаждение осуществляется с внешней стороны кварцевого стержня, также горелка перемещается вдоль стержня.

Когда осаждение заканчивается, стержень убирают и итоговую трубку термически сжимают.

Рис. 34 Структурная схема OVD осаждения.

Осаждение происходит на конце вращающегося кварцевого буля.

Можно получать волокна, как со ступенчато, так и плавно изменяющимся показателем преломления.

Рис. 35 Структурная схема AVD осаждения.



Процесс получения волокна из заготовок.

Рис. 36 Заготовка.

Все технологии осаждения производят заготовки. Они обычно 1 м. длиной и 2 см. диаметром, но эти размеры меняются производителем. Заготовка является одним шагом от получения оптического волокна. Этот шаг включает в себя процесс, называемый вытягиванием.

В течение последнего этапа производства много вещей происходит с волокном:

· Волокно вытягивают из заготовки;

· Проверяют его качество;

· Покрывают защитное покрытие;

· Наматывают его на катушку.

Рис. 37 Вытягивание волокна.



Рис. 38 Лазерный технологический комплекс для вытягивания волокна фирмы ВЕТА.

Конец заготовки нагревают в печи до температуры 2000⁰ С. Так как стекло размягчается, тонкая нить размягченного стекла падает под действием силы тяжести и остывает. Так как волокно вытягивается, его диаметр постоянно контролируется. Затем применяется пластиковое покрытие, до того как волокно соприкоснется с какими - либо компонентами. Покрытие защищает волокно от пыли и влаги. В конце волокно наматывают на катушку.



8. Общий состав оборудования лазерного технологического комплекса



9. Выбор лазерной системы и режима её работы

Опираясь на данные и результаты исследований, приведённые в иностранной литературе, можно сделать вывод о том, что использование нового типа излучателя - волоконного лазера имеет очень хорошие перспективы.

Изучив информацию об общей конструкции волоконных лазеров, мы принимаем решение, что нам необходимо спроектировать волоконный излучатель (активный модуль) мощностью 400 Вт, работающий в непрерывном режиме генерации ( преимуществом этого режима является реализация таких свойств, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения). Также сумматор излучения (комбайнер), т.к. для получения мощности 4 кВт нам необходимо вывести в одно волокно излучение десяти активных модулей. В результате проектирования нам необходимо получить следующие свойства излучателя:

1. Полное отсутствие малоресурсных элементов;

Ресурс диодов накачки не менее 50000 часов;

2. В лазере не должно быть локальных энергетически высоконагруженных мест;

3. Низковольтная конструкция, в лазере не должно быть напряжений более 24 В;

4. Нет оптического тракта передачи излучения к рабочей головке, излучение передается по оптическому кабелю;

5. Высокий КПД - 22-25%;

В качестве прототипа для проектирования выбираем лазер фирмы IPG мощностью излучения 5000 Вт YLS-5000. [4]



10. Структура волоконного световода

Структура волоконного световода с двойной оболочкой состоит из сердцевины, активированной ионами редкоземельных элементов (Nd³⁺, Er³⁺ , Yb³⁺), внутренней кварцевой оболочки, внешней полимерной оболочки с показателем преломления, меньшим, чем у внутренней, и защитной оболочки.

Возможны две принципиальные схемы возбуждения волоконных лазеров: в первой излучение накачки непосредственно вводится в активную сердцевину, а во второй (при использовании световода с двойной оболочкой) поступает во внешнюю светоотражающую оболочку и, испытывая на ней полное внутреннее отражение, распространяется по внутренней оболочке и сердцевине световода. При этом излучение накачки эффективно поглощается активными ионами, обеспечивая при наличии обратной связи, создаваемой оптическим резонатором, условия для возникновения генерации в сердцевине волокна с типичными поперечными размерами, которые могут изменяться от нескольких единиц до нескольких сотен микрометров.

Активный световод изготавливается MCVD-методом (метод химического осаждения из газовой фазы внутри опорной кварцевой трубки) с пропиткой сердцевины раствором солей активной примеси. Для формирования профиля показателя преломления сердцевины и для снижения потерь в световоде использовалось легирование GeO₂ и Al₂O₃.

Оптические волокна подразделяются на две основные группы. Волокно, в котором происходит отражение на границе Ядро - Оболочка, называется Многомодовым (Multimode fiber). Волокно, в котором луч распространяется без отражения, называется Одномодовым (Singlemode fiber).



10.1 Многомодовое волокно

· Многомодовое волокно имеет диаметр ядра много больше используемой длины волны.

· Преимущества - низкая цена активного оборудования, легкий монтаж.

· Недостатки - модальная дисперсия, высокое затухание.

· Типичный диаметр ядра многомодового волокна - 50мкм или 62.5 мкм.

· Внешний диаметр оптической оболочки многомодового волокна - 125 мкм.

Рис. 38 Схема прохождения излучения через многомодовое волокно.

10.2 Одномодовое волокно

· Одномодовое волокно имеет диаметр ядра соизмеримый с используемой длиной волны.

· Преимущества - низкое затухание, нулевая модальная дисперсия.

· Недостатки - высокая стоимость активного оборудования, высокая точность изготовления оконечного оборудования

· Широко применяется волокно с диаметром ядра 8-10 мкм и диаметром оптической оболочки 125 мкм.



Рис. 39 Схема прохождения излучения через одномодовое волокно.

Для получения мощностей в несколько сотен Вт (или несколько кВт) создаются блочные системы, в которых излучение отдельных одномодовых волоконных лазеров собирается в одно волокно.

Набор одномодовых излучений создает суммированное излучение также близкое к одномодовому. Особенностью волоконных лазеров является то, что они работают только в непрерывном и квазинепрерывном режиме, так как волокно не способно выдерживать гигантские импульсы излучения. Такое излучение при длине волны 1,07 мкм весьма эффективно для обработки материалов и в совокупности с простотой и надежностью волоконного лазера делает всю систему наиболее привлекательной для технологического применения.

Для увеличения мощности волоконных лазеров используют многомодовую активированную накачку и резонатор, представляющий из себя, зеркала на торцах волокна длиной до 100 м, скрученного в бухту.

Для мощных лазеров используется трехслойное стеклянное волокно, активированное редкоземельными элементами. [17]



11. Оптические потери при соединении волокон

Рис. 40 Внешние оптические потери при соединении волокон.

Рис. 41 Внутренние оптические потери при соединении волокон.



12. Соединение волокон сваркой

Рис. 42 Схема соединения оптических волокон сваркой.

Технология сварки волокон:

1) Сколоть волокна;

2) Зачистить концы волокон от внешней оболочки;

3) Оголенные сердцевины зачистить спиртом;

4) Уложить концы волокон в сварочный аппарат, оставив между ними небольшой зазор;

5) Дать дугу;

6) Визуально проверить качество соединения;

7) Прочистить соединение спиртом;

8) Поместить волокно в специальный жидкий полимер, имеющий более высокий коэффициент преломления;

9) Засветить под лампой;



13. Выбор типа активной среды

Длина волны излучения определяется типом легирующих ионов, а ширина спектра генерации зависит от материала, в который они внедрены. Используя различные редкоземельные элементы и подбирая состав волокна, можно получить большой набор генерируемых длин волн.

Генерация в волоконном лазере может происходить по трех- и четырехуровневой схеме (Nd³⁺ и Er³⁺ соответственно).

В трехуровневой схеме значительны потери на перепоглощение. Это накладывает ограничение на длину волокна: если она больше некоторой величины, при которой излучаемая из выходного торца энергия равна энергии насыщения (накачка насыщения - это энергия, при которой накачка не излучается за выходной торец волокна), то усиление снижается за счет перепоглощения в неинвертированной области. В четырехуровневой схеме усиление возрастает с длиной до тех пор, пока вся накачка не поглотится. Затем излучение будет распространяться без усиления или потерь в оставшемся отрезке волокна в чисто четырехуровневом случае.

Одно из основных преимуществ иттербиевых лазеров обусловлено близостью полос поглощения и люминесценции. Для иттербиевых лазеров, генерирующих на л = 1,07 мкм длина волны накачки л_р = 0,975 мкм. Следствием этого является то, что только 9% мощности накачки трансформируется в тепло, в то время как для Nd: YAG-лазера (л = 1,064 мкм, л_р = 0,81 мкм) этот показатель достигает 37%. Большая ширина линии поглощения обеспечивает малую критичность к длине волны накачки. Еще одним преимуществом иттербиевых лазеров при генерации больших мощностей является более высокая (по сравнению с неодимовым лазером) интенсивность насыщения (кВт/см²). Таким образом, в качестве легирующих ионов для нашего излучателя выбираем Yb³⁺.

Поскольку оптическая накачка идет по всей длине волокна, а также, из-за большого отношения площади боковой поверхности волоконного световода к его объему, отсутствуют, например, такие свойственные обычным твердотельным лазерам эффекты, как термолинза в кристалле, двулучепреломление, искажение волнового фронта, вследствие дефектов самого кристалла и др. Эти эффекты всегда были препятствием для достижения максимальных возможностей лазерной системы.

MCVD-метод позволяет выращивать волокна практически любой конфигурации и протяженностью, а, следовательно, увеличивать объем активированной сердцевины.

Значительная протяженность световода обеспечивает полное поглощение излучения накачки.



14. Система накачки и оптический резонатор

Принцип работы лазера основан на пропускании света диода по волокну большой протяженности. Использование диодной накачки позволяет повысить эффективность лазерной системы за счет накачки активной среды в определенную полосу поглощения, что позволяет снизить тепловую нагрузку на активную среду и повысить пространственные параметры излучения. Диодными лазерами можно добиться идеального согласования лазерных спектров.

Существует несколько схем оптических резонаторов для световодных лазеров, например схема, в которой зеркала резонатора наносятся непосредственно на отполированные торцы световода, или схема, в которой в качестве отражателей используются обычные диэлектрические зеркала, согласованные со световодом с помощью микрообъективов. Однако наиболее эффективным оказалось применение брэгговских зеркал (брэгговских решеток), "записываемых" непосредственно внутри световода и имеющих высокие коэффициенты отражения на фиксированных длинах волн. Сначала, локальный участок волокна выдерживается в водороде под давлением порядка 200 атм., а затем решетка создается голографическим способом при поперечном освещении волокна сквозь оболочку двумя когерентными УФ - пучками, формируя в сердцевине интерференционную картину.

1-Одномодовый фотодиод

2-Линза

3-Сфокусированное излучение

4-Активированное кварцевое волокно

5-Защита волокна

6-Оптическое кварцевое волокно

7-Лазерное излучение

Рис. 43 Одномодовый волоконный лазер.

1-Светодиоды

2-Фокусирующая линза

3-Оптическое кварцевое волокно

4-ктивированное волокно

5-Торцевое зеркало

6-Защита волокна

7-Лазерное излучение

Рис. 44 Волоконный лазер с активированной боковой накачкой.

Используем накачку через пассивный световод:

1- Активный световод (диаметр сердцевины 8 мкм, диаметр первой оболочки 125 мкм)

2- Пассивный световод для ввода накачки (диаметр - 125 мкм)

3- Излучение накачки от лазерных диодов

4- Световод GTWave

5- Брегговская решетка с R=99%

6- Брегговская решетка с R=10%

7- Выходное лазерное излучение

8- Отражающая полимерная оболочка

9- Защитная оболочка

Рис. 45 Оптическая схема активного волокна.



15. Разработка активного модуля

Так как наш разрабатываемый излучатель имеет большую мощность, то нам необходимо спроектировать лишь один активный модуль, который выдает 400 Вт средней мощности, и, путем установки в корпус излучателя и объединения 10 таких модулей, мы наберем нужную нам мощность.

Так как на инверсию идет 70% мощности лазерного диода, то мы можем подобрать и рассчитать количество диодов для накачки. Изучив рынок лазерных диодов, мы выбираем лазерные диоды фирмы JDSU 6398-L4t Series. Характеристики диодов представлены ниже. [18]

Характеристика	Единица измерения	Значение
Характеристики диода
Непрерывная выходная мощность	Вт	10
Числовая апертура		0,22
Длина волны	нм	976
Эффективность	%	48
Пороговый ток	мА	600
Рабочий ток диода	А	11,8
Рабочее напряжение диода	В	1,81
Сопротивление	Ом	0,04
Рекомендуемая рабочая температура	?С	25
Характеристики волокна
Диаметр сердцевины	мкм	105
Числовая апертура		0,22
Диаметр оболочки	мкм	125
Диаметр защитной оболочки	мкм	250
Длина выходного волокна	м	1

Таким образом, чтобы получить 400 Вт средней мощности, нам необходимо:

P_нак = Р / з = 400 / 0,7 = 571,56 Вт



Количество выбранных нами диодов:

N = P_нак / Р_диода = 572/10 = 57.2 шт.

Получаем, что для накачки активного волокна нам необходимо 58 лазерных диодов.

В качестве активной среды мы используем активное волокно, легированное Yb³⁺. Согласно данным о волокне (информация НТО "ИРЭ-Полюс"), с 1 см³ активной среды можно получить 500 кВт средней мощности. Диаметр легированной сердцевины составляет 8 мкм. Из этих данных можно вычислить необходимую длину активного волокна, чтобы с него снять 400 Вт. Таким образом, находим, что длина волокна для накачки составляет 15.9 м.

С целью повышения мощности введенной накачки используем световоды типа GTWave. Такие световоды представляют собой два или более световода на основе плавленого кварца, помещенные в одну отражающую оболочку из полимера с низким показателем преломления. Один из световодов является активным, имеющий легированную иттербием сердцевину. Остальные волокна (пассивные) из плавленого кварца, находятся по всей длине в оптическом контакте с активным и служат для ввода излучения накачки в активный световод.

В качестве зеркал резонатора будем использовать брэгговские решетки. Решетки будем записывать на концах активного световода. Первая решетка (глухое зеркало) будет иметь коэффициент отражения ~0,998, а вторая (выходное зеркало) ~0,1. Схема резонатора представлена ниже:



Рис. 46 Схема мощного волоконного лазера.

1-волоконные лазеры мощностью 400Вт (10шт)

2-мощный волоконный лазер

3-волокно, передающее суммарное излучение

4-фокусирующая система

5-обрабатываемая деталь

Активный модуль изготавливаем из алюминия для уменьшения массы конструкции и повышения коррозионной стойкости, а также для хорошего теплоотвода. Внутри фрезеруются каналы под змеевик охлаждения, по которому будет протекать дистиллят, что позволяет нам уносить тепло (до 2 кВт) и не создавать побочных локальных тепловых дефектов. Лазерные диоды, при креплении к основанию активного модуля укладываются на термопасту, что дает нам эффективный теплообмен.

Активный модуль также имеет свой интерфейс управления, по которому сигналы с компьютера оператора по кабелю Ethernet идут на промышленный компьютер, интегрированный в корпус излучателя, и далее по распределению на выбранный активный модуль или на все модуля (по выбору оператора). Также, в каждом активном модуле находится блок питания диодов накачки, таким образом, мы с компьютера можем управлять силой тока накачки, соответственно и мощностью излучения, каждого модуля в отдельности или всех сразу.



16. Соединение волокон и вывод в одно

Одной из основных проблем является объединение нескольких волокон в одно. Для маломощных лазерных диодов имеются серийные изделия (комбайнеры), которые позволяют объединять максимум четыре волокна с небольшими потерями (так как мощность излучения маленькая (мВт)). Они представляют собой небольшую, хорошо отъюстированную оптическую систему. Но нам необходимо объединить 10 выходных волокон лазерных диодов накачки, уровень мощности которых составляет 250 Вт средней мощности излучения, а также 5 выходных волокон из активных модулей с волокном лазерного диода красного диапазона, используемого в качестве пилотного лазера. Потери в 10 %, которые дают серийные комбайнеры, нас не устраивают.

По информации НТО "ИРЭ-Полюс", при сварке волокон потери излучения составляют менее 0,1 %. Соответственно потери при сварке волокон со средней мощностью излучения в 4 кВт составляют 3…4 Вт максимум, что является очень хорошим результатом, который нас вполне удовлетворяет. Также технология вытягивания волокна уже хорошо отработана. Исходя из вышеприведенной информации, для объединения излучения волокон, используем следующую технологию:

1) Зачищаем концы волокон от оболочки;

2) Сплетаем из волокон "косичку";

3) Под воздействием температуры вытягиваем волокно до обрыва;

4) Скалываем волокно в сечении с необходимым диаметром волокна;

5) Применяем технологию сварки для объединения полученного волокна с выходным;

Таким образом, мы можем объединить все волокна в одно при минимальных потерях.

Выходное волокно должно быть защищено металлорукавом от внешних повреждений и воздействий (далее кабель). Также, для безопасного и соосного соединения с оптической головой, оно должно иметь на своем конце разъем (далее коннектор). Выбирая длину кабеля, руководствуемся тем, что кабель нужно брать с запасом (выбираем 10 м), тем более на корпусе излучателя предусмотрены держатели бухты "лишнего" кабеля. Диаметр выходного волокна выбираем из принципа - чем меньше, тем в меньшее пятно обработки мы сможем сфокусировать лазерный пучок, соответственно выбираем диаметр выходного волокна равным 125 мкм.



17. Список используемой литературы

1. А.Г. Григорьянц, В.В. Васильцов Пространственная структура излучения мощных волоконных лазеров для технологий // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение".2012.Т.36.№2.С.1-3,С.5-7.

2. Сайт компании ROFIN: http://www.rofin.com

3. Сайт компании ТехноЛазер http://www.technolaser.ru/

4. Руководство пользователя YLS-5000, НТО ИРЭ-Полюс, 2006

5. Сайт компании ООО НПК Рапид http://www.npkrapid.ru/

6. Сайт компании НПФ Тета http://www.tetalaser.ru/

7. Сайт фирмы ОАО Стерлитамак-М.Т.Е. http://www.stanok-mte.ru/

8. Сайт фирмы Лазеры и Аппаратура ТМ http://www.laserapr.com/

9. Сайт компании ЗАО ВНИТЭП www.vnitep.ru

10. Сайт компании Лазерный центр МИФИ http://www.lascenter.mephi.ru/

11. Дианов Е. М., Белов А. В., Буфетов И. А. Мощный неодимовый одномодовый волоконный лазер // Квантовая электроника. 1997. Т. 24. №-1. С. 3-4.

12. Курков А. С., Карпов В. И., Лаптев А. Ю. Высокоэффективный волоконный лазер с накачкой в оболочку на основе иттербиевого световода и волоконной брэгговской решетки // Квантовая электроника. 1999. Т. 27. №-3. С. 239-240.

13. Курков А. С., Дианов Е. М. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. №-10. С. 881-900.

14. Буфетов И. А., Семёнов С. Л., Косолапов А. Ф. Иттербиевый волоконный лазер на основе световода с сердцевиной из высококонцентрированного Yb³⁺ - стекла // Квантовая электроника. 2006. Т. 36. №-3. С. 189-191.

15. Сайт компании OFTC http://www.oftc.usyd.edu.au

16. SignaMax - оптические технологии - приложение к лекциям по курсу "Фокусирующие системы ЛТУ", Богданов А.В.

17. Презентация "Мощные и сверхмощные волоконные лазеры производства IPG для промышленных применений" февраль, 2006 года.

18. Сайт фирмы JDSU http://www.jdsu.com/

19. Техническое описание чиллера Ultracool UC300-UC1700. http://www.donaldson.com/

Размещено на Allbest.ru

...