ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР ДЛЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
FIBER LASER FOR ADDITIVE TECHNOLOGIES

Изобретение относится к приборам для генерации с использованием стимулированного излучения когерентных электромагнитных волн и может быть использовано в установках селективного плавления металлических порошков и для обработки металлических материалов, а именно к волоконным лазерам для аддитивных технологий.
Волоконные лазеры приобрели популярность в промышленности для резки, обработки материалов, а также аддитивных технологий. Наиболее востребованными здесь являются иттербиевые волоконные лазеры, способные генерировать излучение с длиной волны ~1 мкм, качеством излучения близким к дифракционному и оптической мощности до 1 кВт.
При разработке волоконных лазеров для аддитивных технологий необходимо учитывать, что лазер должен обладать малыми массогабаритными параметрами, высокой выходной мощностью излучения, временем нарастания и спада выходной мощности излучения менее 100 мкс, высокой эффективностью и высокой надежностью.
Известно техническое решение, описанное в патенте на изобретение №2421855, опубл. 20.06.2011 г., МПК H01S 3/06, под названием «Волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, волоконный усилитель и волоконный лазер». В известном техническом решении волокно содержит сердцевину, включающую в себя редкоземельный элемент, внутреннюю оболочку, окружающую сердцевину, и внешнюю оболочку, окружающую внутреннюю оболочку. Внешняя оболочка представляет собой полимерную оболочку. Внутренняя оболочка имеет многоугольное поперечное сечение, которое не обладает вращательной симметрией второго порядка, так что форма границы между внутренней оболочкой и внешней оболочкой является многоугольной и не обладает вращательной симметрией второго порядка. Разность между максимальным внешним диаметром и минимальным внешним диаметром многоугольного поперечного сечения внутренней оболочки составляет 6% или менее от среднего внешнего диаметра. Многоугольное поперечное сечение внутренней оболочки имеет 15 или менее сторон. Волокно может применяться в качестве усиливающей излучение среды в составе волоконного лазера или усилителя. Технический результат заключается в обеспечении низкого уровня спиральной моды.
К недостаткам этого устройства следует отнести наличие пластины с несколькими нагревательными элементами для нагрева активного элемента, что усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа устройства является техническое решение, описанное в патенте на изобретение №2717254, опубл. 19.03.2020 г., МПК H01S 3/06, под названием «Волоконный лазер для накачки активных элементов». Известное техническое решение включает блок питания, излучатель, с активным элементом в виде активного волоконного световода, не менее чем один источник диодной накачки, в качестве которых использованы лазерные диоды, оборудованный эмиттерами, оптоволоконные объединители накачки, резонатор, образованный селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, теплоотводящую пластину и волоконный вывод излучения.
К недостаткам этого устройства следует отнести ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные наличием пластины с несколькими нагревательными элементами для нагрева активного элемента, что также усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики.
Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей, а именно качества излучения при мощности излучения 1 кВт, обеспечение фронта нарастания и спада мощности оптического излучения менее 100 мкс, уменьшение массогабаритных характеристик и улучшение компоновки составляющих элементов лазера.
2
Технический результат, заключается в том, что улучшено качество излучения до М<1.2 за счет использования волокна с диаметром сердцевины не более 20 мкм, высокая выходная мощность излучения обеспечена за счет размещения необходимого количества модулей накачки высокой яркости, улучшен теплоотвод за счет теплоотводящей пластины с каналами для охладителя, снижены массогабаритные параметры за счет улучшенной компоновки составляющих элементов лазера, разместив модули накачки высокой яркости и элементы оптической схемы на одной плите с двух сторон, удалось обеспечить фронт нарастания и спада мощности оптического излучения менее 100 мкс.
Указанный технический результат достигается тем, что волоконный лазер для аддитивных технологий, включающий блок питания, излучатель, с активным элементом в виде активного волоконного световода, не менее чем один источник диодной накачки, в качестве которых использованы лазерные диоды, оборудованный эмиттерами, оптоволоконные объединители накачки, резонатор, образованный селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, теплоотводящую пластину и волоконный вывод излучения, согласно изобретению, снабжен волоконно-оптическими фильтрами излучения, распространяющегося по оболочке активного элемента, селективные зеркала выполнены глухим и выходным, последнее с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 10%, волоконный вывод излучения оснащен защитным устройством, предотвращающим обратное рассеяние излучения и снижающим плотность оптической мощности на торце волоконного вывода излучения, источники диодной накачки выполнены в виде модулей накачки высокой яркости, теплоотводящая пластина выполнена с внутренними каналами для охладителя и оборудована элементами оптической схемы с противоположных сторон, на одной из которых расположены источники диодной накачки, драйверы лазерных диодов с фронтом нарастания тока не более 100 мкс, а на противоположной-резонатор, оптоволоконные объединители накачки, волоконно-оптические фильтры излучения, активный элемент, в качестве которого использовано оптическое волокно с диаметром сердцевины не более 20 мкм и числовой апертурой NA, соответствующей соотношению
V=2a⋅NA⋅π/λ<3,5,
где V - параметр, характеризующий количество мод излучения,
а - радиус сердцевины оптического волокна;
λ - длина волны излучения.
Кроме того, каналы теплоотводящей пластины соединены последовательно или параллельно.
Кроме того, модули накачки выполнены из набора лазерных диодов.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:
на фиг. 1. представлена функциональная схема волоконного лазера;
на фиг. 2. представлена теплоотводящая пластина со стороны модулей накачки;
на фиг. 3. представлена теплоотводящая пластина со стороны лазерного блока;
на фиг. 4. представлены результаты измерения мощности излучения;
на фиг. 5. представлена осциллограмма фронта нарастания и спада мощности оптического излучения;
2
на фиг. 6. представлены результаты измерения параметра М.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - блок питания;
2 - излучатель
3 - активный элемент (активный волоконный световод);
4 - источник диодной накачки (лазерный диод накачки);
5 - оптоволоконные объединители накачки;
6 - резонатор;
7 - глухое селективное зеркало;
8 - выходное селективное зеркало;
9 - эмиттеры;
10 - теплоотводящая пластина;
11 - штуцер для ввода охладителя в теплоотводящую пластину;
12 - штуцер для вывода охладителя из теплоотводящей пластины;
13 - драйвер лазерных диодов;
14 - волоконно-оптический фильтр излучения;
15 - волоконный вывод излучения;
16 - волоконный выход с защитным устройством;
17 - каналы внутри теплоотводящей пластины для распространения охладителя.
Функциональная схема волоконного лазера для накачки активных элементов содержит (фиг. 1) блок питания 1, излучатель 2, вход которого электрически связан с первым выходом блока питания 1, включающий оптически связанные активный элемент 3, выполненный в виде активного волоконного световода, источник диодной накачки 4 выполнен в виде модулей накачки высокой яркости, состоящих из набора лазерных диодов. Также волоконный лазер для аддитивных технологий оборудован оптоволоконными объединителями накачки 5, резонатором 6, образованным селективными зеркалами глухим 7 и выходным 8, с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 10%, выполненными в виде волоконных брегговских решеток. Источник диодной накачки 4 оборудован эмиттерами 9 (фиг. 2), теплоотводящая пластина 10 (фиг. 2, фиг. 3) выполнена с внутренними каналами 17 для охладителя, вводимого через штуцер 11 для ввода охладителя в теплоотводящую пластину 10, и выводимого через штуцер 12 для вывода охладителя из теплоотводящей пластины 10, и оборудована элементами оптической схемы с противоположных сторон, на одной из которых расположены источники диодной накачки 4 (в виде модулей накачки высокой яркости), драйверы лазерных диодов 13 с фронтом нарастания тока не более 100 мкс, а на противоположной - резонатор 6, оптоволоконные объединители накачки 5, волоконно-оптические фильтры излучения 14, активный элемент 3, в качестве которого использовано оптическое волокно с диаметром сердцевины не более 20 мкм и числовой апертурой NA, соответствующей соотношению V=2a⋅NA⋅π/λ<3,5.
Устройство работает следующим образом.
Накачка активного элемента 3 осуществляется источником диодной накачки 4(модулями накачки высокой яркости) через волоконно-оптические объединители накачки 5, лазерное излучение, генерируемое в резонаторе 6, образованным волоконными брегговскими решетками 7 и 8, выводят через волоконно-оптического выход излучения 15, который оборудован защитным устройством 16, предотвращающим обратное рассеяние излучения и снижающим плотность оптической мощности на торце оптического волокна активного элемента 3. Волоконно-оптические фильтры излучения 14 обеспечивают отсутствие непоглощенного излучения накачки в распространяемом далее лазерном излучении. Для генерации излучения накачки на лазерные модули накачки 4 подается ток от драйверов лазерных диодов 13. Подача тока осуществляется по команде от блока питания 1. Для отвода тепла, которое образуется в процессе работы волоконного лазера, через штуцер 11 внутрь теплоотводящей пластины 10 подается охладитель. Охладитель, распространяясь по каналам 17, снимает тепло с теплоотводящей пластины 10 и выводится через штуцер 12. Расход охладителя должен быть достаточен для отвода тепла, например, не менее 8 л/мин. Температуру охладителя выбирают из интервала, обеспечивающую работоспособность волоконного лазера, например, от 15°С до 25°С. Активный элемент 3, в качестве которого использовано оптическое волокно, выбрано с диаметром сердцевины не более 20 мкм, например, 20 мкм, и числовой апертурой NA, соответствующей соотношению V=2a⋅NA⋅π/λ<3,5.
2
На предприятии был проэкспериментирован волоконный лазер для аддитивных технологий, состоящий из блока питания 1, излучателя 2, электрически связанным с блоком питания 1. Источники диодной накачки 4, оборудованные эмиттерами 9 мощностью 150 Вт каждый, в количестве 10 шт. с помощью оптоволоконных объединителей накачки 5 соединяли с активным элементом 3. Излучение источников диодной накачки 4 обеспечивает инверсию населенностей в активном элементе 3, а глухое 7 и выходное 8 селективные зеркала, образуя резонатор 6, обеспечивают генерацию лазерного излучения. Волоконно-оптические фильтры излучения 14 обеспечили отсутствие непоглощенного излучения накачки в распространяемом далее лазерном излучении. Лазерное излучение выводится через волоконный выход 15 с защитным устройством 16. Выходная мощность излучения при использовании 10 шт. источников диодной накачки 4 мощностью 150 Вт каждый составила 1000 Вт (фиг. 4). Драйверы лазерных диодов 13 обеспечили фронт нарастания и спада мощности излучения менее 100 мкс (фиг. 5). Использование волокна с диаметром сердцевины 14 мкм и числовой апертурой NA=0,07 обеспечило значение параметра V=2,85. При этом значение параметра качества излучения М=1,1 (фиг. 6). Для обеспечения необходимого теплоотвода источники диодной накачки 4 располагали на теплоотводящей пластине 10 (фиг. 2), которая имела внутренние каналы 17 для охладителя. В качестве охладителя использовали воду с температурой 20°С, которую вводили в теплоотводящую пластину 10 через штуцер 11 и выводили из теплоотводящей пластины 10 через штуцер 12. Расход воды составил 10 л/мин.
Заявляемое техническое решение позволило: добиться качества излучения М=1.1 за счет использования волокна с диаметром сердцевины 14 мкм и числовой апертурой NA=0,07, обеспечить выходную мощность излучения 1000 Вт и необходимый теплоотвод за счет теплоотводящей пластины с каналами для охладителя, снизить массо-габаритные параметры за счет улучшенной компоновки составляющих элементов лазера, разместив модули накачки высокой яркости и элементы оптической схемы на одной плите с двух сторон, обеспечить фронт нарастания и спада мощности оптического излучения менее 100 мкс.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность волоконного лазера и способность достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».