Волоконный лазер непрерывного действия мощностью 100 кВт промышленного класса

В статье представлен промышленный волоконный лазер мощностью 101,3 кВт, 1070 нм. Уникальными характеристиками лазера являются рекордная эффективность энергопотребления 35,4% и превосходное качество луча, при этом произведение радиуса пучка в фокусе на его угловую расходимость в дальнем поле (BPP) не превышает 16 мм x мрад при использовании подающего волокна 300 мкм x 10 м, и около 25 мм x мрад при использовании технического волокна 500 нм x 50 м. Лазерная система имеет компактные размеры, а общий вес не превышает 3600 кг. Также в статье обсуждаются возможные области применения таких систем и увеличения мощности волоконных лазеров.

Введение

На период выхода статьи (2013 г.) мощность непрерывных волоконных лазеров достигала сотни киловатт. Стремительный прогресс в этой области обусловлен уникальной способностью волокон из плавленого кварца передавать высокую оптическую мощность. Последние достижения являются результатом усовершенствования лазерных компонентов: активных и пассивных волокон, мощных диодов накачки высокой яркости, усовершенствованных волоконных комбинаторов. В данной статье представлен первый в мире промышленный волоконный лазер мощностью 100 кВт. Единственный возможный аналог мощностью 100 кВт был произведен компанией Northrop Grumman в 2009 году. Твердотельный лазер с выходной мощностью 105,5 кВт работал непрерывно в течение 5 минут и по эффективности не соответствовал прибору промышленного класса.

Структура лазера

Оптическая структура лазера мощностью 100 кВт основана на полностью волоконной системе, последовательно разработанной IPG Photonics. Этот метод включает параллельное объединение одномодовых иттербиевых волоконных лазеров 1070 нм. Схема позволяет соединять несколько одномодовых или многомодовых волокон в выходное многомодовое волокно. Подход основан на использовании комбинаторов, изготовленных по технологии сварки с волокном. Параллельное объединение одномодовых волоконных лазеров также позволяет спроектировать модульную систему, в которой количество лазерных модулей можно регулировать в соответствии с желаемым уровнем мощности. Оптическая схема волоконного лазера мощностью 100 кВт приведена ниже. 90 лазерных модулей выходной мощностью 1,2 кВт разделены на 6 групп. Каждая группа содержит 15 модулей. Излучение 15 модулей соединяется в многомодовое волокно 100 мкм с помощью комбинирующего элемента 19-к-1. Всего имеется 6 модулей субкомбинирования с комбинирующими элементами 19-к-1. Элемент 7-к-1 в главном модуле комбинирования позволяет соединять излучение от модулей суб-комбинирования в волокно 300 мкм. Разъем высокой мощности завершает подающее волокно длиной 300 мкм х 10 м.

Специально разработанное устройство ввода лазерного излучения в волокно основано на линзах из плавленого кварца диаметром 85 мм. Увеличенные размеры линз позволяют уменьшить плотность мощности на поверхностях линз и избежать возможных повреждений.

Для лазера доступны способы эксплуатации как с подающим, так и с техническим волокном. Оптическая конфигурация подающих волокон следующая:

•           Подающее волокно имеет диаметр сердцевины 300 мкм и длину 10 м;

•           Техническое волокно имеет диаметр сердцевины 500 мкм и длину 50 м.

Лазер собран в компактном корпусе общим объемом 5,4 м³ и площадью 2,9 м². Общий вес не превышает 3600 кг. Компактный размер сочетается с надежной конструкцией.

Рисунок 1. Общий вид (слева) и оптические схемы волоконного лазера мощностью 100 кВт (справа)

Характеристики лазера

Выходная мощность демонстрирует линейную зависимость от тока. Измеренная полная мощность составляет 101,3 кВт. Энергопотребление при максимальной мощности составляет 286 кВт, что соответствует КПД лазера 35,4%. Нестабильность выходной мощности при полной мощности составляет ± 0,2% в течение 30 минут. Измерения мощности были выполнены с помощью технического волокна 500 мкм х 50 м и подтвердили надежность устройства ввода лазерного излучения в волокно. Лазер работал на полную мощность в общей сложности более 40 часов. Никаких признаков вынужденного комбинационного рассеяния или других нелинейных эффектов не наблюдалось вплоть до достижения максимальной мощности. Спектральные характеристики: центральная длина волны 1070,5 нм и ширина спектральной линии 4,7 нм.

Рисунок 2. Зависимость выходной мощности лазера от тока (слева) и проверка стабильности выходной мощности лазера (справа)

Результаты измерений BPP представлены ниже. Значение BPP не превышает 16 мм x мрад при использовании подающего волокна 300 мкм x 10 м. Линзы устройства ввода лазерного излучения в волокно имеют оптическое увеличение M = 1,1, что позволяет уменьшить расходимость выходного излучения. В результате BPP, измеренный при использовании технического волокна на полной мощности, составляет около 25 мм х мрад.

Таблица 1

Рисунок 3. BPP, измеренный при использовании подающего волокна, коллимирующей линзы 180 мм и фокусирующей линзы 410 мм (слева), и BPP, измеренный при использовании технического волокна на полной мощности, коллимирующей линзы 180 мм и фокусирующей линзы 410 мм (справа)

Лазер продемонстрировал отличные переходные характеристики. Модуляция до 5 кГц возможна как в цифровом, так и в аналоговом режимах работы. Время включения составляет 40 мкс, время выключения – 25 мкс. 

Рисунок 4. Выходной спектр лазера, измеренный с помощью технического волокна на полной мощности (слева), и модуляция выходной мощности 5 кГц (справа, синяя линия: сигнал модуляции, красная линия: выходной сигнал лазера)

Вывод

В работе продемонстрирован иттербиевый волоконный лазер непрерывного действия промышленного класса с выходной мощностью более 100 кВт. Лазерное излучение имеет стабильные и воспроизводимые параметры; качество луча не зависит от выходной мощности. Лазерная система отвечает всем требованиям промышленного применения. Волоконный лазер мощностью 100 кВт можно использовать для обработки материалов, в тяжелой промышленности и на сварочном производстве.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ