3. Состав, устройство и работа установки

На рис. 2 приведена блок-схема лазерной установки, дающая представление о функциональной связи входящих в неё элементов.

Рис. 2. Блок-схема лазерной установки

Волоконный лазер состоит из модуля накачки, световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированное оптическое волокно — сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки. Конструкция резонатора обычно определяется техническим заданием, но можно выделить наиболее распространенные классы: резонаторы типа Фабри-Перо и кольцевые резонаторы. В промышленных установках для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке.

Рис. 3. Оптическая система с волоконным лазером: 1 — сердцевина, легированная активным элементом, диаметр 6–8 мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное покрытие; 5 — лазерные диоды оптической накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор света; 10 — фокусирующая оптическая система

Активное волокно

Рис. 4. Схема строения активного волокна

Высокая прозрачность кварца — основного материала для оптических волокон — обеспечивается насыщенными состояниями энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые легированием, превращают кварц в поглощающую среду. Подобрав мощность излучения накачки, в такой среде можно создать инверсное состояние заселённостей энергетических уровней (то есть, высокоэнергетические уровни будут заполнены больше, чем основной). Исходя из требований на резонансную частоту (инфракрасный диапазон для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Вследствие различной вероятности переходов на основной уровень с подуровней метастабильного уровня, эффективность генерации или усиления отличается для различных длин волн в рабочем диапазоне. Степень легирования редкоземельными ионами обычно зависит от длины изготовляемого активного волокна.

Накачка

Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной (так называемое волокно с двойным покрытием).

Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая — из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом, первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. Эффективное возбуждение ионов редкоземельных элементов достигается подбором диаметров активной сердцевины и волновода накачки. По такой технологии можно получить выходную мощность порядка 100 Вт.

Сканирующее устройство

В таблице 1 представлены основные параметры сканатора.

Параметр	Значение
Фокусное расстояние, мм	254 (длиннофокусный)
Апертура сканатора, мм	7
Скорость сканирования, м/с	3
Поле сканирования, мм	160 х 160

Излучение входит в сканирующее устройство через входное отверстие (апертуру).

При помощи отклоняющих зеркал на гальванометрических сканаторах входящий луч может быть направлен в любую точку рабочего поля. Положение сфокусированного луча на рабочем поле определяется углами поворота зеркал на гальванометрических сканаторах.

Рис. 5 - Оптическая схема работы сканатора. 1 – входящее излучение, 2,4 –отклоняющие зеркала, 3,5 –двигатель сканатора, 6 – FΘ – линза, 7 – выходное излучение, 8 – область обработки

После отражения от зеркала второго сканатора лазерный луч попадает на FΘ линзу. FΘ линза фокусирует параллельный пучок излучения в изображения в месте обработки. Она обеспечивает точную пропорциональность между углом падения луча на линзу и положением сфокусированного изображения в точки в месте обработки. Квадратное поле обработки испытывает положительно-отрицательное поле искажения из-за положения луча на зеркалах и линзе. При этом поле искажения должно компенсироваться управлением привода.

Сканатор спроектирован под параллельный входной пучок с максимальным диаметром, равным размеру входной апертуры. Таким образом, входящий пучок не может превышать заданного размера.

Рис. 6 Внешний вид установки