Исследование применимости теории лазерной оптики для описания преобразования пучка излучения многомодового волоконного лазера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование применимости теории лазерной оптики для описания преобразования пучка излучения многомодового волоконного лазера

П.А. Носов,

А.Ф. Ширанков,

А.Г. Григорьянц,

Р.С. Третьяков

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Экспериментальные и теоретические исследования подтвердили - излучение волоконного лазера описывается параметрами гауссовых пучков, а его распространение в пространстве и преобразование оптической системой происходит согласно теории лазерной оптики для когерентного излучения.

В настоящее время лазерные технологии широко используют волоконные лазеры с мощностью излучения нескольких единиц и даже десятков киловатт в непрерывном режиме. Такие лазеры не являются одномодовыми и пучок выходного излучения имеет расходимость, существенно превышающую дифракционный предел [1-3].

Мощные волоконные лазеры имеют модульную конструкцию. Они состоят из набора параллельных одномодовых активных волноводов, расположенных внутри одного многомодового волновода. Число одномодовых активных волноводов пропорционально мощности излучения, например, при мощности 4 кВт число одномодовых волноводов составляет 7 шт. Для пространственного перемешивания излучения всех одномодовых активных волноводов используют многомодовый волновод, называемый транспортным.

Для преобразования исходного пучка излучения к пучку с требуемыми в рабочей области параметрами в лазерных технологических головках применяют оптическую систему. Для разработки лазерно-оптических систем, формирующих пучки когерентного излучения, используют теорию лазерной оптики [4-7].

Принцип формирования излучения мощными волоконными лазерами не позволяет однозначно ответить на вопрос: распространение пучка излучения мощного волоконного лазера в свободном пространстве и через оптическую систему подчиняется теории лазерной или классической оптики? Без выяснения этого вопроса нельзя приступать к разработке современных высокоэффективных оптических систем лазерных технологических головок с мощными волоконными лазерами.

Напомним параметры лазерного пучка, которые хорошо известны из литературы [2-4]. На рис. 1 приведено продольное сечение лазерного пучка, распространяющегося вдоль оси , а также его поперечное сечение. Пучок имеет перетяжку диаметром . Огибающей лазерного пучка по уровню 86,5% полного потока является однополостный гиперболоид вращения [2,4]. Зависимости диаметра огибающей лазерного пучка и радиуса кривизны его волнового фронта от координаты описываются следующими формулами [2,4]:

Здесь используется характерная длина перетяжки пучка или как говорят специалисты по лазерной технологии обработки материала глубина фокусировки пучка. Эта величина определяется параметром конфокальности пучка . Удвоенное значение параметра конфокальности определяет так называемую «длину ближней зоны» лазерного пучка. Для характеристики лазерного пучка в дальней зоне вводят параметр угловой расходимости , который определяют как угол между асимптотами гиперболы (см. рис. 1).

Рис. 1. Пространственная структура и параметры лазерного пучка

Качество пучка - одна из основных характеристик лазеров, от которой во многом зависит производительность и точность лазерных технологических операций. Причем качество пучка и мощность лазерного излучения - зависимые параметры. Например, для лазеров малой мощности в непрерывном режиме генерации (до нескольких сотен ватт) получить предельно высокое качество пучка значительно легче, чем для лазеров высокой мощности (более 1 кВт). Чтобы характеризовать лазеры, качество пучка которых далеко от идеального (в т.ч. мощных волоконных лазеров) производители лазеров широко используют параметр (Beam Parameter Product), [мм•мрад] [1,3]: В этом соотношении - длина волны лазерного излучения; - безразмерный параметр, определяющий для реального пучка и идеального гауссова пучка моды отличие в произведениях диаметра перетяжки на угловую расходимость. Поэтому иногда говорят о «критерий ». Для идеального гауссова пучка , а для реального пучка - .

Введённый зарубежными специалистами параметр также имеет российский аналог - инвариант лазерного пучка, который определяется как произведение полудиаметра перетяжки на половину угловой расходимости пучка [4]: где - показатель преломления среды; константа определяется длиной волны и модовым составом излучения гауссова пучка и в частном случае идеального гауссова пучка равна .

Отношение параметров лазерного пучка после преобразования через ЛОС должно подчиняться теории лазерной (а не классической) оптики:

Экспериментальные исследования проводилось для иттербиевого волоконного лазера серии ЛС-4-К производства ООО НТО «ИРЭ-Полюс» (максимальная выходная мощность излучения в непрерывном режиме 4 кВт, длина волны излучения 1070 нм) [8]. Для лазера с диаметрами волокон 50 мкм и 100 мкм проводились измерения пространственного распределения плотности мощности излучения вдоль оси пучка после его прохождения через узлы оптической системы технологической головки немецкой фирмы Precitec:

1. коллимирующий узел COL CO 30C F125 ( мм, двухлинзовый объектив, просветляющее покрытие на 1064 нм);

2. фокусирующий узел YK52 ( мм, двухлинзовый объектив, просветляющее покрытие на 1064 нм) - при установке волокна диаметром 50 мкм;

3. фокусирующий узел YС50 ( мм, однолинзовый объектив, просветляющее покрытие на 1064 нм) - при установке волокна диаметром 100 мкм.

Регистрация распределения плотности мощности излучения в различных сечениях пучка проводилась прибором для высокомощных лазеров Prometec LASERSCOPE UFF 100. По полученным распределениям плотности мощности определялся размер (полудиаметр) лазерного пучка используя два способа: 1) метод моментов; 2) расчетом размера зоны, где сосредоточено 86,5% полного потока лазерного пучка. Поскольку по результатам обработки результатов измерений оба способа дали практически одинаковый результат, в дальнейшем размер пучка определялся вторым способом.

По результатам измерений размера пучка в различных сечениях на разных участках оптической системы лазерной головки фирмы Precitec определялись пространственные параметры лазерного пучка: размер перетяжки, положение перетяжки, параметр конфокальности, угловая расходимость, параметры и .

Обработку результатов измерений можно проводить различными методами, например, методом наименьших квадратов. Тогда результаты измерений нужно аппроксимировать гиперболической зависимостью вида [9] в которой - коэффициенты, подлежащие определению по данным измерений. По этим коэффициентам рассчитывались все пространственные параметры пучка: размер перетяжки пучка ; положение перетяжки пучка относительно выбранной опорной плоскости ; параметр конфокальности пучка ; полная угловая расходимость пучка и параметр пучка.

Угловая расходимость и параметр конфокальности входного пучка (на выходе волокна) были рассчитаны по формулам [1-3], в которых - полудиаметр жилы волокна. При диаметре волокна 50 мкм и паспортном значении параметра мм•мрад [8] для исследуемого волоконного лазера получаем значения: рад, мм.

Для проверки этих параметров были проведены измерения пространственной структуры пучка после коллиматора и в том числе в задней фокальной плоскости коллиматора (рис. 2а). Так при мощности излучения 2700 Вт и диаметре волокна 50 мкм размер пучка в этой плоскости составил мм, что соответствует угловой расходимости пучка рад. Это значение практически совпадает с паспортной угловой расходимостью.

Помимо этого, чтобы проверить справедливость применения законов лазерной оптики при преобразовании оптической системой лазерного пучка были проведены аналогичные измерения распределения плотности мощности излучения на выходе коллиматора, дефокусированного в продольном направлении на величину мм. Смещение коллиматора позволило сформировать сходящийся пучок (см. рис. 2б). Эти измерения проводились в окрестности перетяжки пучка на расстоянии 70 мм от начального положения. По результатам обработки измерений после дефокусированного коллиматора определены пространственные параметры преобразованного пучка: положение и размер перетяжки пучка, параметр конфокальности, угловая расходимость и параметр BPP пучка.

Кроме того были проведены измерения лазерного пучка после фокусирующего узла. На рис. 2в приведены результаты этих измерений и аппроксимирующая их гиперболическая зависимость. В результате обработки этих измерений также были определены все пространственные параметры пучка на выходе фокусирующего узла. Все они также подчиняются соотношению (1) для лазерной оптики.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований позволяют сделать следующие выводы:

Многомодовое излучение мощного волоконного лазера серии ЛС-4-К описывается параметрами гауссовых пучков: размером и положением перетяжки, конфокальным параметром, угловой расходимостью. Качество лазерного пучка описывается значением инварианта или параметрами и .

Распространение лазерного пучка в пространстве и его преобразование оптической системой происходит согласно теории лазерной оптики для когерентного излучения.

Рис. 2. Результаты измерений размера пучка внутри оптической системы лазерной головки и их аппроксимация: а - на выходе коллиматора в штатном положении; б - на выходе дефокусированного коллиматора; в - на выходе фокусирующего узла

Список литературы

1. Zervas M.N. High power ytterbium-doped fiber lasers - Fundamentals and applications // International Journal of Modern Physics B. Vol. 28, Issue 12, Article number 1442009 (2014).

2. Johnston Jr. T.F. Beam propagation (M²) measurement made as easy as it gets: The four-cuts method // Applied Optics, Vol. 37, Issue 21, pp. 4840-4850 (1998).

3. Григорьянц А.Г., Васильцов В.В. Пространственная структура излучения мощных волноводных и волоконных лазеров для технологий. Инженерный журнал: наука и инновации, 2012, № 6. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/laser/223.html (дата обращения: 10.12.2013).

4. Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчёт оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. 152 с.

5. Аниканов А.Г., Пахомов И.И., Ширанков А.Ф. Структурный синтез лазерных оптических систем при ограничениях их параметров // Оптический журнал. 2010. Т. 77, №2. С. 30-36.

6. Пахомов И.И., Ширанков А.Ф., Носов П.А. Описание, расчёт и анализ искажений многомодовых лазерных пучков // Оптический журнал. 2010. Т. 77, №2. С. 37-43.

7. Носов П.А., Павлов В.Ю., Пахомов И.И., Ширанков А.Ф. Аберрационный синтез оптических систем, предназначенных для преобразования лазерных пучков // Оптический журнал. 2011. Т. 78, №9. С. 34-44.

8. Основные характеристики промышленных волоконных лазеров. URL: http://www.ntoire-polus.ru/HP%20fiber%20laser.pdf (Дата обращения: 15.09.2014)

9. ISO 11146-1:2005. «Lasers and laser-related equipment. Test methods for laser beam widths, divergence angles and propagation ratios - Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams». ISO, 2005.

Размещено на Allbest.ru