ویژگی های منحصر به فرد سورس GW

مزایای سورس GW

هنگام معرفی سورس های لیزر فایبر، شما اغلب مقادیر 976 نانومتر و 915 نانومتر را در مورد پمپاژ سورس می شنوید،

اما این اعداد به چه معنا هستند؟

در ادامه این مفاهیم را برای شما توضیح می دهیم.

 

اصول اولیه لیزرهای فایبر

لیزرهای فایبر از سه عنصر اصلی تشکیل شده اند:

• منبع پمپاژ
• محیط بهره
• رزوناتور

 

ساختار اصلی منبع پمپاژ و محیط بهره

منبع پمپاژ به طور کلی یک  لیزر دیود نیمه هادی و محیط بهره نیز یک فایبر دوپ شده با عناصر خاکی کمیاب (معمولا فایبر دوپ شده با ایتربیوم، YDF) است.

رزوناتور به طور کلی از FBG و فایبر تشکیل شده است. نور پمپاژ تولید شده توسط چندین لیزر دیود از طریق کمباینر از ابتدا و انتهای رزوناتور وارد می شود. پس از جذب نور پمپ، در فایبر گین وارونگی جمعیت رخ می دهد و تشعشع لیزری ایجاد می کند. پس از تحریک و تقویت تابش تولید شده، خروجی لیزر پایدار توسط کوپلر تشکیل می شود.

 

 

ساختار اصلی رزوناتور

رزوناتور فایبر عمدتاً از سه قسمت تشکیل شده است:

• HR FBG(High Reflection Fiber Brog Grating) توری براگ با بازتاب بالا
• فایبر دوپ شده ایتربیوم
• LR FBG(Low Reflection Fiber Brog Grating) توری براگ با بازتاب کم

 

فوتون‌ها بین دو FBG به عقب و جلو بازتاب می‌شوند و به طور مکرر از محیط بهره عبور می‌کنند و با هر بار عبور فوتون‌های جدید را تحریک می‌کند و در نتیجه پرتویی پرتوان تر به وجود می‌آید و درنهایت فقط نوری با طول موج خاص می تواند از توری با بازتاب کم خارج شود.

 

 

پس از درک ساختار و اصول اساسی فوق، به ویژگی های فایبر گین می پردازیم.

 

پمپ 915 نانومتری بهتر است یا 976 نانومتری؟

در طول دهه گذشته، با بهبود مستمر منابع پمپ و ساختار لیزرها، فناوری لیزر فایبر تا حد زیادی پیشرفت کرده است و از فایبر نوری دوپ شده (YDF-Laser) به دلیل راندمان تبدیل الکتریکی – اپتیکی بالا، کیفیت پرتو و پایداری بهتر به طور گسترده در تحقیقات صنعتی، علمی و … استفاده می شود.

 

طیف جذبی مواد فلزی مختلف

 

لیزرهای فایبر تک مد پرتوان امروزی، مدت‌هاست که قادر به پیاده‌سازی توان خروجی در سطح KW هستند که این مساله باعث شده است این لیزرها در زمینه پردازش فلزات کاربردی شوند. در شرایطی که توان خروجی یکسان باشد، لیزر فایبر با طول موج 1 میکرون (مبتنی بر فایبر دوپ شده با ایتربیوم) به دلیل تفاوت در جذب آن، کارایی قابل توجهی در پردازش مواد فلزی نسبت به لیزرCO2 باطول موج 10 میکرونی دارد. از شکل بالا مشاهده می‌شود که جذب طیفی بیشتر مواد فلزی با افزایش طول موج کاهش می یابد یعنی مثلا جذب آهن در طول موج 1070 نانومتر تقریباً 6 برابر بیشتر از میزان جذب آهن در طول موج 10600 نانومتر است.

 

شکل زیر طیف جذب و انتشار فایبر دوپ شده با ایتربیوم را نشان می دهد. به وضوح می توان مشاهده کرد که دو پیک جذب قوی در طول موج 915 نانومتر و 976 نانومتر وجود دارد. بنابراین لیزرهای فایبر دوپ شده با ایتربیوم معمولاً باند نور پمپاژ 915 نانومتر یا 975 نانومتر را جذب می کنند. البته پیک جذب در 975 نانومتر بالاتر است و تقریباً 3 برابر 915 نانومتر می باشد.

 

 

جذب نسبی فایبر آلومینوسیلیکات و فسفوسیلیکات (YB) در طیف 800-1100 نانومتر

 

از آنجایی که فایبر دوپ شده با ایتربیوم دارای جذب بسیار قوی برای نور در طول موج های 976 نانومتر و 915 نانومتر می باشد، چنین لیزرهایی عمدتاً توسط لیزرهای نیمه هادی یا لیزرهای دیود که این طول موج را ساطع می کنند ، پمپ می شوند. شکل بالا جذب نسبی دو فایبر معمولی دوپ شده با ایتربیوم را برای طیف 800-1100 نانومتر نشان می دهد و فایبرهای آلاییده شده با ایتربیوم پیک های جذب مشخصی که نزدیک به 915 نانومتر و 976 نانومتر می باشد، دارند. جذب امواج نوری 976 نانومتری در فایبر آلومینوسیلیکات تقریباً سه برابر موج نوری 915 نانومتر است و نرخ جذب امواج نوری 976 نانومتری در فسفوسیلیکات تقریباً 5 برابر موج نوری 915 نانومتر است.

چنین تفاوت بزرگی در جذب به این معنی است که این نوع لیزر می تواند با استفاده از فناوری پمپاژ 976 نانومتر، راندمان تبدیل نور پمپ به نور خروجی بالاتری را به دست آورد. در عین حال، جذب بالاتر همچنین به این معنی است که طول فایبر را می توان به طور موثر کاهش داد و در نتیجه اثرات غیرخطی مضر را تا حد معینی محدود کرد و از بین برد.

 

چرا سایر برندها از فناوری پمپ 915 نانومتری استفاده می کنند؟

درحالی که فایبر دوپ شده با ایتربیوم جذب نور بهتری در طول موج 976 نانومتر و نرخ تبدیل نور پمپاژ به نور خروجی بالاتری دارد، چرا بیشتر لیزرها قبلا و اکنون از منابع پمپ 915 نانومتری استفاده می کردند؟

با نگاهی دقیق به شکل بالا، می‌توان دریافت: درست است پیک جذب در 976 نانومتر نسبتاً زیاد است اما باریک است؛ در حالی که پیک جذب در 915 نانومتر نسبتاً کم و گسترده است. عرض طیف جذب در طول موج 915 نانومتر تقریباً 5 برابر 976 نانومتر است. یعنی برای 976 نانومتر، یک تغییر جزئی در طول موج لیزر دیود، می تواند به طور جدی بر میزان جذب تأثیر بگذارد.

طول موج خروجی لیزر دیود با دما تغییر می کند. به طور معمول، ضریب رانش دما حدود 0.31 نانومتر بر درجه سانتی گراد است. یعنی تغییر دما تأثیر زیادی بر عملکرد لیزر دارد.

 

از منظر تبدیل انرژی، لیزر شامل سه تبدیل زیر است:

①الکتریسیته 220V/380V از طریق منبع تغذیه به سطوح مختلف ولتاژ تبدیل می شود تا لیزر دیود را فعال کند.

②لیزر دیود انرژی الکتریکی را به نور لیزر تبدیل می کند

③نور لیزر دیود توسط محیط بهره تقویت می شود و سپس خروجی لیزر را خواهیم داشت.

در سه فرآیند تبدیلی فوق مقدار معینی اتلاف انرژی وجود دارد و بیشتر انرژی از دست رفته به گرما تبدیل می شود. تغییر دما نه تنها بر جذب نور لیزر دیود توسط فایبر دوپ شده با ایتربیوم تأثیر می گذارد و راندمان کاری لیزر را کاهش می دهد، بلکه بخشی از نور لیزر دیود که جذب نشده باعث آسیب به سایر اجزای مسیر اپتیکی نیز می شود.

با این حال، پیک جذب فایبر دوپ شده با ایتربیوم در باند 915 نانومتری گسترده‌تر است، تغییر طول موج لیزر دیود تأثیر کمی بر بازده نهایی جذب دارد، لیزر پایدارتر است و کنترل آن برای طراحی لیزر فایبر آسان‌تر است. بنابراین، طرح پمپاژ 915 نانومتری به طور گسترده در بازار لیزر فایبر در گذشته استفاده شده است.

 

معایب پمپ 915 نانومتری

با افزایش توان لیزرهای فایبر، معایب استفاده از منابع پمپاژ 915 نانومتری بیش از پیش برجسته می شود. با توجه به راندمان جذب پایین فایبر دوپ شده با ایتربیوم در طول موج 915 نانومتر، به منظور افزایش توان خروجی لیزر، باید از پمپ 915 نانومتری بیشتری استفاده کرد.

این به این معنی است:

① افزایش حجم و وزن دستگاه لیزر

② مصرف برق بیشتر

③ به علت تولید گرمای بیشتر، چیلر قوی تری مورد نیاز است

④ طراحی کلی لیزر دشوارتر است

 

هنگامی که توان خروجی به سطح معینی می رسد، پیاده سازی طرح پمپاژ 915 نانومتری بسیار پیچیده می شود. بنابراین، لیزرهای فایبر پرتوان باید طرح پمپاژ موثرتری را اتخاذ کنند و پمپاژ 976 نانومتری بیشتر مورد پسند است.

 

چرا فناوری پمپ 976 نانومتری بهتر است؟

• 976 نانومتر راندمان تبدیل نور لیزر دیود به نور خروجی بالاتری دارد.
• 976 نانومتر راندمان تبدیل الکترواپتیکال بالاتری دارد.

 

از آنجایی که جذب در طول موج 976 نانومتر 3 برابر 915 نانومتر است، لیزر 1070 نانومتری مورد نظر ما با همان توان تولید می‌شود و نور لیزر دیود 976 نانومتری کمتر مصرف می‌شود. نور لیزر دیود از انرژی الکتریکی حاصل می شود، به این معنی که لیزر دیود 976 نانومتری انرژی الکتریکی کمتری مصرف می کند، راندمان تبدیل فوتوالکتریک بالاتری دارد و کارآمدتر است و باعث صرفه جویی در انرژی می شود. تجزیه و تحلیل ها نشان داده است که راندمان تبدیل الکترواپتیکال طول موج 915 نانومتر حدود 30٪ است در حالی که راندمان تبدیل الکترواپتیکال طول موج 976 نانومتر پمپ سورس GW می تواند به بیش از 42٪ برسد.

طبق فرضیه کوانتومی پلانک: فوتون ها دارای انرژی هستند و مقدار انرژی به فرکانس v (یعنی متقابل طول موج) بستگی دارد. هر چه طول موج کوچکتر باشد فرکانس بیشتر و انرژی بیشتر است. زمانی که یون ایتربیوم نور لیزر دیود 915 نانومتری یا 976 نانومتری را جذب کرده و لیزر 1070 نانومتری ساطع می کند، اتلاف انرژی رخ می دهد که به آن اتلاف کوانتومی می گوییم. انرژی از دست رفته مستقیماً گرما تولید می کند و بر پایداری لیزر تأثیر می گذارد.

سورس GW جزو معدود برندهایی است که در آن از فناوری پمپ 976 نانومتری استفاده شده است.

 

خنک سازی سورس GW

همانطور که در بالا ذکر شد، با افزایش تدریجی توان لیزر فایبر، کنترل حرارت لیزر دیود اهمیت ویژه ای پیدا می کند. انجام اقدامات موثر برای کنترل دینامیکی حرارت داخلی لیزر و سرکوب تولید اثرات حرارتی به یک عامل کلیدی برای عملکرد پایدار لیزر دیود 976 نانومتر تبدیل شده است.

گرمایش لیزر فایبر عمدتاً از دو قسمت لیزر دیود و فایبر دوپ شده با ایتربیوم حاصل می شود. سورس GW به طور خلاقانه ای از دو طرف جلو و پشت صفحه خنک کننده آب برای جداسازی لیزر دیود و فایبر دوپ شده با ایتربیوم در دو طرف استفاده می کند و همزمان چند فن بر روی سطح خنک کننده آب نصب می شود. این خنک کننده ها می توانند تعادل دما و رطوبت داخلی را تسریع کنند، اتلاف گرمای سیستم را تسریع کنند و نقاط داغ محلی را کاهش دهند.

لیزرهای فایبر از اتصال فیوژن برای اتصال اجزای فایبر استفاده می کنند. برای اینکه لیزر به اهداف با توان بالاتر دست یابد، اتصال باکیفیت فایبر بسیار مهم است. اتلاف در محل اتصال منجر به کاهش راندمان، کاهش کیفیت پرتو و آسیب به لیزر دیود، فایبر و اجزای آن می شود.

از آنجایی که لیزرهای فایبر معمولاً به صورت صنعتی در محیطی با دمای بالا، رطوبت بالا و گرد و غبار استفاده می شوند، فایبر گین و نقاط اتصالش در این محیط برای مدت طولانی کهنه می شوند که بر کیفیت پرتو و راندمان خروجی تأثیر می گذارد. ساختار پیچه فایبر که به صورت دو طرفه با طول موج 976 نانومتر پمپ می شود و  توسط سورس GW توسعه یافته است، از یک حلقه آب بندی و یک پوشش برای آب بندی فایبر داخلی و نقاط اتصالش در پیچه استفاده می کند.

 

تکنولوژی ABR سورس GW

علاوه بر این، چگالی انرژی نور در طول موج 976 نانومتر بالا است، بنابراین نور برگشتی از سطح ماده احتمال آسیب رساندن به اجزای اصلی داخلی را دارد، بنابراین پردازش آنها نیز بسیار مهم است. تکنولوژی ABR ضد انعکاس بالا سورس GW با طراحی دستگاه‌های سلب نور باقیمانده و برگشتی در موقعیت‌های اصلی داخل لیزر، مشکل آسیب دیدگی دستگاه را از نظر فنی حل کرده و عملکرد پایدار لیزرهای پرتوان را تضمین می‌کند.

 

ارزش اقتصادی 976 نانومتر در راندمان بالا و صرفه جویی در انرژی سورس GW

به عنوان مثال یک لیزر پرتوان 12 کیلوواتی از فناوری 976 نانومتری سورس GW ، در مقایسه با لیزرهای پمپی 915 نانومتری دیگر با همان توان سایر رقبا، در محیط کاربری مشابه، دارای صرفه جویی در مصرف انرژی بیش از 60000 یوان در سال است (تخمین زده شده در جدول زیر). امروزه قیمت لیزرهای پرتوان به طور مداوم در حال کاهش است و مزیت رقابتی آن بسیار آشکار است.

 

 

این نکته را باید در نظر گرفت که اگرچه روش پمپاژ 976 نانومتری دارای نرخ جذب بالاتر و راندمان تبدیل نوری است که می تواند به طور موثر طول فایبر بهره را کاهش دهد و اثرات مضر را کاهش دهد، اما پردازش فایبر و جفت شدن آن در پمپاژ 976 نانومتری نسبت به پمپاژ 915 نانومتر از نظر فنی دشوارتر است. علاوه بر این، طیف جذب فایبر دوپ شده با ایتربیوم در محدوده 976 نانومتر بسیار باریک است و تغییر طول موج ناشی از نوسان دمای لیزر دیود می تواند به راحتی منجر به توان خروجی لیزر ناپایدار شود.

این فناوری پمپ دارای الزامات بسیار دقیق سیستم مدیریت حرارتی لیزر است. به همین دلیل، تنها چند تولید کننده لیزر مانند IPG آلمان، ایالات متحده Coherent-Rofin، و GW ایالات متحده و سایر تولیدکنندگان از منبع پمپ 976 نانومتری در لیزرهای صنعتی در مقیاس بزرگ استفاده می کنند.

جهت مشاوره و خرید انواع سورس های لیزری و سورس GW با ما در ارتباط باشید.

این مقاله در بخش تحقیق و پژوهش شرکت اپتیک پرداز گردآوری شده است و استفاده از آن با ذکرمنبع بلامانع است.