Лазер волоконный кольцевой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра физических основ электронной техники

Курсовой проект

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Тема: «Лазер волоконный кольцевой»

По дисциплине: «Проектирование и технология изготовления оптоэлектронного и лазерного оборудования»

Выполнил: Руководители:

Ст.гр. ОТ-11-1 Проф. Мачехин Ю.П.

Федоров Р.В. Доп. Афанасьева О.В.

Доц. Кухтин М.П.

Харьков 2014

Реферат

Пояснительная записка курсового проекта содержит: 22с., 7 рисунков

3 чертежа, 5 источников, 5 приложений.

Объект исследования - Лазер волоконный кольцевой.

Целью курсового проекта является ознакомление с волоконным лазером, получение знаний в области технологии его изготовления; изготовления оптического элемента данного лазера. Приобретение практических навыков инженерной работы, которые необходимы при создании конструкций оптоэлектронных устройств, а также при решении конкретных технических задач.

Изучить принцип работы волоконного лазера, разобраться в его конструкции и в характеристиках лазера.

Вторая часть работы включает в себя описание технические и технологические особенности изготовления данного лазера.

Реферат

Пояснювальна записка курсового проекту міститься: 22с., 7 малюнків 3 чертежа, 5 джерел, 5 додатків.

Об'єкт дослідження - Лазер волоконний кільцевий.

Метою курсового проекту є ознайомлення з волоконним лазером, отримання знань в області технології його виготовлення; виготовлення оптичного елемента даного лазера. Придбання практичних навичок інженерної роботи, які необхідні при створенні конструкцій оптоелектронних пристроїв, а також при вирішенні конкретних технічних завдань.

Вивчити принцип роботи волоконного лазера, розібратися в його конструкції і в характеристиках лазера.

Друга частина роботи включає в себе опис технічні та технологічні особливості виготовлення даного лазера

ОПТОВОЛОКНО, ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ З'ЄДНУВАЧ, ВІДГЛАЖУВАЧ

Abstract

Explanatory note of the course project contains: 22c., 7 figures 3chertezha 5 sources,5 applications.

Open research - Fiber ring laser

The aim of the course project is to introduce the fiber laser, the acquisition of knowledge in the technology of its manufacture; manufacturing an optical element of the laser. The acquisition of practical skills of engineering work required when creating designs of optoelectronic devices, and the solution of specific technical problems.

Examine the working principle of the fiber laser, to understand its structure and characteristics of the laser.

The second part includes a description of the technical and technological features of the manufacture of the laser.

OPTICAL FIBERS, OPTICAL FIBER CONNECTOR, COUPLERS

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

2. Технологические операции по изготовлению кольцевого волоконного лазера

3. Технологические операции по изготовлению оптического коннектора

Выводы

Список использованных источников

Введение

В качестве промышленных источников для лазерной сварки и резки долгое время использовались два основных типа лазеров - газовые СО2 и твердотельные YAG.

Но, время не стоит на месте. В следствии чего на рынок уверенно входит самый новейший тип лазеров - волоконный, и по всем признакам следует ожидать очень серьезных, даже революционных изменений на рынке лазерных технологий.

В настоящее время производство линейки волоконных лазеров активно развивается. Лазер, как источник оптического излучения, используется во всех областях науки и техники. В ряде областей он стал незаменимым инструментом для научных исследований, разработок приборов и технологических процессов. Успех лазера стал возможен благодаря уникальным свойствам оптического (светового) излучения, которое он дает.

Эти устройства имеют невысокую стоимость, компактны, удобны для сопряжения с магистральным волокном при минимуме вносимых потерь. Сегодня эти устройства достигли уровня характеристик, в первую очередь, мощности, надежности, позволяющих с успехом использовать их для решения различных задач лазерной обработки материалов.

1. Аналитический обзор

Совершенствование волоконно-оптической техники привело к созданию нового типа устройств: оптических усилителей и лазеров на так называемых активных волокнах, то есть волокнах, легированных редкоземельными элементами.

Первые волоконные лазеры были созданы на кварцевых волокнах, легированных ионами неодима. В настоящее время генерация получена в кварцевых волокнах, легированных неодимом , эрбием , иттербием , туллием , празеодимом . Волоконный лазер конструктивно принципиально отличается от классических лазеров. Активным элементом этого лазера является кварцевое оптическое волокно, которое в нашем случае легировано эрбием.

Накачка волоконного активного элемента осуществляется специальными лазерными диодами. Мощные волоконные лазеры, поэтому представляют собой стойку с накачивающими модулями по 200 или 350 Вт светового выхода, внутри которых содержится десятки таких первичных диодов[1].

В самом общем случае оптическая схема кольцевого волоконного лазера, в котором может развиваться режим синхронизации мод выглядит следующим образом:

Рисунок 1.1 Схема кольцевого волоконного лазера

Накачка на длине волны центра линии поглощения Er³⁺ - 980 нм осуществляется через WDM разветвитель и должна быть стабильной во времени, в противном случае возникнут проблемы с устойчивостью режима синхронизации мод. Поскольку полоса усиления волокна активированного Er³⁺ составляет величину порядка 100 нм, то основное условие для реализации режима синхронизации мод выполняется:

Рисунок 1.2 Основные функциональные устройства

Классического резонатора в этом лазере нет, точнее он выполнен интегральной технологией на самом оптоволоконном резонаторе, излучение выводится из лазера по оптоволоконному кабелю и так доставляется прямо к технологической головке. Про все заботы с юстировкой оптической системы пользователь вообще может забыть. Разработаны принципиальные решения, создана инфраструктура серийного производства всех компонентов таких лазеров - лазерных диодов, активных волокон, всех узлов оптической стыковки, и.т.п. Из конструктивных особенностей следуют основные новые свойства: -Полное отсутствие мало ресурсных элементов, ресурс диодов накачки не менее 50000 часов, а в ближайшее время эту цифру производитель на уровне 100000 часов.

Такой же общий ресурс, связанный с тем, что в лазере нет локальных энергетически высоконагруженных мест, отсюда не критичность к качеству охлаждения. Создан ряд волоконных одномодовых непрерывных Yb-, Er--Yb- и Nd-лазеров на световодах сложной конструкции (несколько световодов на основе кварцевого стекла находятся в оптическом контакте друг с другом и окружены общей полимерной оболочкой).

Рисунок 1.3 Схема лазера

Такая конструкция позволяет вводить излучение от нескольких источников накачки в один активный световод, что обеспечивает увеличение выходной мощности волоконного лазера[2]. Рассмотрены волоконные Yb-лазеры с выходной мощностью более 50 Вт при эффективности около 65%, волоконные Er--Yb-лазеры на длину волны 1.608 мкм с накачкой в полосу поглощения Yb и впервые реализованные на световодах подобной конструкции волоконные Nd-лазеры с длинами волн генерации в области 0.92 и 1.06 мкм.

Волокна для волоконных лазеров и усилителей. Легированные эрбием оптические волокна разработаны для эрбиевых волоконных усилителей (EDFA) с широким диапазоном требований к техническим характеристикам предназначенных для DWDM, CATV и других применений телесвязи. EDFA усилители включает усилители мощности, предусилители и линейные усилители для C- и L-диапазонов.

В типичном эрбиевом волоконном усилителе, легированное эрбием волокно накачивается лазерным диодом с длиной волны 980 nm (или 1480nm), чтобы обеспечить усиление в диапазоне1550 nm. Эрбиевое волокно должно быть выполнено таким, чтобы обеспечить максимальную эффективность поглощения накачки с длиной волны 980 nm, а также оптимальное усиление сигнала в 1550 nm. Это выполняется созданием волокна с высокой числовой апертурой с типичным значением от 0.23 до 0.25, чтобы достигнуть приемлемого совмещения областей поля накачки и поля сигнала. Длина волны отсечки волокна имеет также критическое значение в его конструкции, поскольку это определяет длину волны, на которой волокно должно работать в одномодовом режиме[4].

Типичное эрбиевое волокно имеет такую длину волны отсечки, которая гарантирует, что накачка будет распространяться в одномодовом режиме, обеспечивающем максимальное перекрытие между областью поля и областью пребывания эрбиевых ионов в сердцевины волокна. Особенностью волоконных лазеров является то, что они работают только в непрерывном режиме, так как волокно не может выдерживать гигантские импульсы излучения. При длине волны 1,06 мкм такое излучение весьма эффективно при обработке различных материалов и в совокупности с простотой и надежностью волоконного лазера делает всю систему наиболее целесообразной для технологического применения. Лазеры на оптических волокнах, легированных ионами редкоземельных элементов, с оптической накачкой обладают рядом преимуществ: благодаря волоконной структуре волоконные лазеры имеют низкие пороги генерации;- их удобно использовать в качестве источников излучения ВОСП из-за простоты сопряжения с волокном линии; эффективно использование направленных разветвителей для расщепления пучка, так как при этом исключаются дифракционные потери на апертурах объемных элементов.

2. Технологические операции по изготовлению волоконного кольцевого лазера

Выше было описано основные параметры и характеристики волоконного лазера.

Рисунок 2.1 Конструкция кольцевого волоконного лазера

Волоконные лазеры содержат рабочее тело, в виде кварцевого оптоволокна, легированного редкоземельными металлами (, ,,,) а накачка его осуществляется полупроводниковыми излучателями, специальными лазерными излучение из волоконного лазера выводится по оптическому кабелю. В нашем случае мы рассматриваем кварцевое оптоволокно легированное эрбием. Так, как волоконный лазер в большей его части состоит из оптического волокна, первой операцией по его изготовлению стоит выделить изготовление его волокон, а именно оптического и эрбиевого волокна. Потом они будут соединятся между собой и с другими элементами. Волоконный резонатор сконструирован из волокна SMF28 (с отрицательной дисперсией) длинной 1,2 метра, затем использовался мультиплексор (WDM), ответвитель используется для подачи излучения накачки от полупроводникового диода, а также используется 1 метр волокна легированного эрбием. Это дает нам возможность сделать частоту импульсов 48,2 МГц. Существует 3 дисперсионных сегмента для длинны волны 1,5 мкм, по оценкам -0,023,-0,007, и 0,075± 0,005 пкс/м, соответственно, а чистая дисперсия резонатора была оценена как 0,016 ± 0,005 пкс/м Для того, чтобы импульс в системе не расширялся по времени, необходимо компенсировать положительную дисперсию активного эрбиевого волокна,отрицательной дисперсией волокна типа SMF28. В данной системе используется 1 метр активного эрбиевого волокна, это означает для компенсации положительной дисперсии необходимо использовать 1,2 метра волокна SMF28. Дисперсии объемных компонентов, по оценкам, будет незначительной. Волокно легированное эрбием имеет потери при накачке 80 дБ/м на 980 мкм диаметром сердцевины 2,5 мкм.

Далее необходимо изготовить пластину из органического стекла, на которой будет крепиться вся конструкция нашего лазера. После нужно настроить фазовые пластины для режима синхронизации мод и понять, что волокно должно быть зафиксировано в определенном положении иначе малейшее его перемещение или изгиб изменит поляризацию, что приведет к потере режима синхронизации мод.

Установим на пластину из органического стекла уже изготовленное эрбиевое волокно(1м), которое заматываем в катушку. Соединяем стороны волокна эрбия и оптического волокна с помощью коннекторов, которые у нас являются оптическим элементом и подробную технологию изготовления мы рассмотримпозже. Устанавливаем на эрбиевом и оптическом волокне с двух сторон коннекторы и соединяем волокна между собой.

Позже нужно изготовить радиаторную подставку для лазера накачки и установить ее на уже установленную нами пластину из органического стекла. Теперь установим лазер накачки. Накачка системы происходит на длине волны 980нм при помощи полупроводникового лазера мощностью до 300 мВт. Выходная мощность примерно на 70-80% меньше мощности накачки.

Рисунок 2.2 Схема Кольцевого лазера

Лазер может работать в прямом (как показано на рисунке 2.2) либо обратном направлении за счет выбора порядка объемных компонентов. Для режима обратного направления, наблюдается надежный самозапускающийся режим синхронизации мод, при входной мощности накачки 380 мВт выходная мощность 23 мВт. Пульсации мощности могут достигать 180 мВт при падении мощности накачки и 10,5 мВт.

После запуска системы фазовые пластины нужно настроить так чтобы получить оптимальную форму импульса и спектра. Далее нужно изготовить, а затем установить ответвитель (разветвитель) WDM и соединить его с лазером накачки. Далее установим разветвитель для SMF28 волокна, который выводит излучение из кольцевого волоконного резонатора и присоединяем к нему, с помощью коннектора, оптическое волокно

Затем нужно изготовить и установить меж оптоволоконные соединители. На данный момент существует две широко применяемые технологии передачи сигнала в оптоволоконном соединителе, это:

Рисунок 2.3 Метод ButtJoint

ButtJoint - основан на принципе физического контактирования волокон соединяемых оптоволоконных кабелей. Волокно фиксируется в циркониевых керамических втулках (наконечниках), фронтальная плоскость наконечника полируется, к ней предъявляются высокие требования по чистоте поскольку малейшее загрязнение поверхности может значительно ухудшить качество сигнала. Наконечник крепится в оптоволоконном контакте- стержне. Как правило наконечник в стержне подпружинен, что обеспечивает плотный контакт при сочленении.

Рисунок 2.4 Метод ExpandedBeam

ExpandedBeam - технология основана на бесконтактной передаче сигнала в соединителе. Луч света из оптоволокна попадает на сферическую линзу, расширяется и сводится в параллельный пучок. Световой поток проходит через воздушную среду внутри сочлененных соединителей и фокусируется сферической линзой на оптоволокне второго соединителя.

И присоединяем к меж оптоволоконным соединителям оптическое волокно SMF28 с помощью коннекторов. Далее нужно изготовить специальные зажимы, с помощью которых мы закрепим наше волокно к органическому волокну, пластине.

3. Технологические операции по изготовлению оптического коннектора

После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей).

Основными деталями любого оптического коннектора являются: центратор (ferrule - штекерный штифт),корпус коннектора, обжимнаягильза, защитный колпачок.

Для начала нам нужно изготовить центратор, который представляет из себя прецизионную втулку с отверстием для волокна в середине. Внешний диаметр этой втулки обычно равен 2,5 мм.с выпуклой (R~20 мм) торцевой поверхностью, которая обеспечивает физический контакт состыкованных световодов. Его изготавливают с жесткими допусками на геометрические параметры. Все это позволяет получить низкий уровень потерь и минимум обратных отражений. Радиус наконечника обеспечивает физический контакт стыкуемыхсветоводов. Для защиты торца волокна от повреждений при прокручивании в момент установки применяется боковой ключ, входящий в паз розетки, вилка на розетке фиксируется подпружиненным байонетным замком. В современных малогабаритных коннекторах (например LC) применяют центраторы с внешним диаметром 1,25 мм. От качества и точности изготовления центратора зависит качество оптического коннектора..Далее нам необходимо сделать штифты. Штифты могут быть металлические, керамические и даже пластмассовыми. Лучшим материалом для центратора считается керамика на основе диоксидациркония. Оптическое волокно надёжно фиксируется в центраторе оптического коннектора и торец центратора с волокном тщательно приполировывается.

Изготавливаем корпус разъема из никелированной латуни. Преимуществом коннектора есть резьбовое соединение которое обеспечивает хорошее соединие. Для фиксации на адаптере разъем снабдим гайкой с резьбой М8 * 0.75, которую мы должны установить. Далее требуется изготовить полимерный хвостовик коннектора, который будет предназначен для его идентификации и защиты оптоволокна. После изготавливаем и устанавливаем обжимную гильзу и защитный колпачок. Далее нам необходимо подготовить кабель. На этом этапе мы отрезаем нужное количество пачкорда и начинаем его разделку. Очень важно перед разделкой надеть на пачкорд фиксаторы для коннекторов. В зависимости от вида коннекторов они могут разниться, но в большинстве своём это металлические кольца, которые идут совместно с термоусадкой, или прорезиненными ухватами. После того как мы надели зажимы, нам необходимо отметить длину зачищаемого участка. Для разного вида коннекторов она своя,. После того как зачистили верхний слой нашего пачкорда нам надо обрезать карбоволоконную оплётку. Обрезается она не полностью, а так, чтобы зажать его в зажимный механизм коннектора (просунуть между кольцом и выступающей частью коннектора)..Далее инструментом для зачистки пачкорда счищаем второй слой защитного покрытия. После нужно выполнить заливку и обжимку коннектора. Заливаем коннектор получившимся у нас составом. Для этого опускаем иглу в пластиковую трубочку на заднем торце коннектора и выдавливаем туда клей до полного заполнения трубочки. Удобно для этого засунуть иглу на полную глубину, и потом вытаскивать её по мере заполнения. Эта тактика позволяет избежать образование воздушного пузыря. Таким же образом заполняем пространство внутри коннектора вокруг пластиковой трубки. Далее просовываем волокно и не зачищенную часть пачкорда в коннектор. Снаружи волокно карбоновая оплётка должна окутывать фиксаторную часть коннектора. После этого надвигаем фиксирующее кольцо на карбоволокно и зажимаем его в специальном климпере. После того как мы обжали коннектор наносим на его лицевую часть маленькую капельку эпоксидного клея. Эта капелька должна защитить торчащее волокно при обрезке. После выполняется сушка и обрезка волокна. Заготовленный коннектор помещается в предварительно разогретую печь. Обычно достаточно включить печь перед началом работ. Рабочей поверхностью печи является металлический параллелепипед с просверленными в нём отверстиями разного диаметра. В зависимости от типа коннекторов изменяются размеры этих отверстий. Подготовленные коннекторы опустите в отверстия соответствующего диаметра.. Как пластиковые так и железные коннекторы опускаются в нагревательную полость полностью. Участки провода и пластиковые ухваты остаются вне печи. Процесс сушки занимает 5 минут. Очень важно не передержать коннекторы, иначе вам ждут большие неприятности при шлифовке. Эпоксидный клей сильно затвердеет и шлифовка одного коннектора будет занимать порядка 1-2 часов, также во много раз возрастут затраты шлифовальной бумаги. Также страшно недодержать коннектор, при этом эпоксидный клей внутри него не затвердеет нужным образом и мы можем получить проблемы на первичном слое, когда излом происходит за передней кромкой ферула. Также увеличивается вероятность получить излом внутри коннектора.По истечению 5 минут осторожно достаньте коннекторы, дайте им остыть. Капелька эпоксидного клея, которую мы наносили на кончик ферула коннектора, должна потемнеть и затвердеть. Убедившись что кончик стекловолокна всё ещё цел, срежем его специальным скалывателем. Для этого достаточно провести им по границе с капелькой эпоксидного клея и немного надавить. После того как скололи кончики стекловолокна, можно приступать к шлифовке.

Выводы

лазер волокно оптический коннектор

Волоконный лазер является наилучшим преобразователем лазерной энергии, он эффективен, технологичен, имеет существенные преимущества перед другими лазерными установками и наивысший эффективный КПД. В последнее волоконные лазеры являются наиболее востребованными среди других видов лазеров.

Измеренные значения для эффективного КПД показывают прямую зависимость от типа лазера, применяемого при сварке. Основное отличие между лазерами - их длина волны. Много физических процессов, имеющих место при передаче энергии, зависят от длины волны, особенно напрямую зависит от длины волны поглощение лазерного излучения чистыми поверхностями металла, например, при самом коротко волновом волоконном лазере самое высокое поглощение.

Использование волоконного лазера всегда обеспечивает самые высокие значения эффективного КПД. Эти сведения также подтверждаются более высокими скоростями сварки с волоконным лазером по сравнению сNd:YAG - лазером и - лазером такой же мощности.

Список использованных источников

1. Павел Гулькин. Россияне утерли нос гигантам лазеростроения - CNews.ru: Аналитика - 16.06.2003 www.cnews.ru/newcom/index.shtml?2003/06/16/145278.

2. Валентин Гапонцев. Интервью - iOwe.ru ione.ru/scripts/forprint.asp?id=13339.

3. Bill Shiner. High-power fiber lasers impact material processing - Industrial Laser Solutions February, 2003 http://ils.pennnet.com/home.cfm.

4. Alabama Laser. Hybrid Welding with Fiber Lasers - www.alspi.com/weldhybrid.htm.

5. Fiber lasers accepted in shipbuilding industry - Industrial Laser, January 2004 http://ils.pennnet.com/home.cfm.

Размещено на Allbest.ru