01Introduktion
Olika typer av stråltillförselsystem har för närvarande utvecklats, som i huvudsak leder strålen från ljuskällan till applikationsområdet. I de flesta fall är ljuskällan som används någon typ av laser, till exempel vid lasermaterialbearbetning är det nödvändigt att styra utsignalen från en industriell laser till arbetsstycket så att det exponeras för lasern. Inom industriell bearbetning används vanligtvis strålavgivningssystem i kombination med robotteknologi. Vanligtvis matas laserbehandlingshuvudet på robotarmen av en stationär laser. Ett annat tillvägagångssätt är att montera en tillräckligt kompakt och robust laser direkt på robotarmen för att minimera längden på strålbanan som krävs och maximera rörligheten. Fördelen med strålavgivningssystem är att de tillåter att laserkällan placeras i ett skyddat och lättskött område snarare än nära applikationsområdet. Dessutom tillåter rörliga leveranssystem att laserstrålen kan flyttas över ett stort område utan att själva den tunga lasern flyttas. Men för system för leverans av långa strålar kan det också finnas vissa nackdelar, såsom optisk effektförlust, begränsningar på grund av olinjära effekter eller problem med pulsbreddning (för ultrakorta pulser).
02Free-Rymdstråleöverföringssystem
Den fria-utgående strålen från en laser kan styras med hjälp av speglar. Om dielektriska speglar med hög-kvalitet och hög-reflektivitet används kan extremt höga optiska effektnivåer hanteras. Även när flera speglar krävs kan deras överföringshastighet (andelen uteffekt till ineffekt) vara mycket nära 100 %. Dielektriska speglar är effektiva endast inom ett begränsat våglängdsområde. Därför tillverkas sådan utrustning vanligtvis för specifika typer av lasrar, lämpliga för Nd:YAG- och Yb:YAG-lasrar vid våglängder på 1064nm och 1030nm, men kan inte användas vid våglängder på 1500nm eller 2000nm. Det finns dock speglar på marknaden för ett brett spektrum av våglängder, från ultraviolett (t.ex. excimerlasrar), till det synliga området (t.ex. frekvens-dubblerade Yb:YAG-lasrar) och till det infraröda området (t.ex. CO2-lasrar). Det enklaste strålöverföringssystemet har en fast strålbana, t.ex. involverar endast en eller två 90 graders avböjningar för att rikta den ursprungliga horisontella strålen nedåt mot arbetsstycket. Hela strålbanan är innesluten i ett lufttätt ledningssystem, vid vars ände finns laserbehandlingshuvudet. Banan kan modifieras genom att byta ut tätningselement, men kan inte ändras under drift.
En klassisk fri-lösning för överföring av rymdstråle är den gångjärnsförsedda spegelarmen, där en rörlig ljusbana uppnås genom speglar integrerade i den gångjärnsförsedda reflekterande armen. Ledkonstruktionen säkerställer att den bara rör sig när ett minimalt vridmoment appliceras; annars förblir den på plats. Komponenternas vikt kan kompenseras med motvikter, fjädrar eller andra medel, vilket gör positionsjusteringar enklare. För att uppnå jämna rörelser och en stabil strålposition, för att undvika problem som drift och vibrationer, måste de optomekaniska enheterna som används vara mycket exakta. I slutet av det optiska strålöverföringssystemet är en optisk anordning typiskt ansluten, såsom ett headset, ett fast laserbehandlingshuvud eller ett skanningshuvud. Vanligtvis är strålen fokuserad på applikationsområdet, medan den i andra fall lyser upp ett större målområde.
03 Fiberoptisk strålöverföringssystem Fiberoptisk transmission är en mycket flexibel metod för att leverera laserstrålar. Vanligtvis är fibrerna som används för laseröverföring inkapslade i skyddande optiska kablar som inkluderar en yttre mantel för att skydda de ömtåliga fibrerna och kan även integrera ytterligare funktioner, såsom ett inbyggt-kabelövervakningssystem som kan upptäcka laserläckage på grund av oavsiktlig fiberskada i realtid. Kvartsfiber, som den vanligaste optiska glasfibern, kan leverera ljusenergi med mycket låg överföringsförlust över ett specifikt våglängdsområde, med överföringsavstånd på flera meter eller ännu längre. Dess våglängdsområde täcker det nära-infraröda området där de flesta industriella lasrar fungerar. Men begränsningarna för detta material är också uppenbara. I hög-tillämpningar har kvartsfibrer begränsade överföringsförmåga i det ultravioletta området (som excimerlasrar) och det fjärr-infraröda området. Ett typiskt exempel är att för en CO₂-laser med en våglängd på 10 600 nm finns det för närvarande nästan inga mogna fibrer som effektivt kan överföra dess-högeffektstråle, och ledade armar är en vanlig lösning inom detta område. Ju högre optisk effekt som ska överföras, desto större måste fiberkärnans diameter vara. Detta är dels för att minska effekttätheten inuti kärnan för att förhindra skador och dels för att matcha den större strålparameterprodukten (BPP) som vanligtvis förknippas med högeffektlaserkällor. För att effektivt koppla in lasern i fibern behöver fibern en tillräckligt stor numerisk apertur (NA), som bestäms av skillnaden i brytningsindex mellan kärnan och beklädnaden. Kombinationen av en stor kärndiameter och hög NA leder till ett stort antal styrda lägen, vilket gör strålens utbredning inom fibern extremt komplex. Även om den totala optiska förlusten är liten, leder energiomfördelning mellan olika lägen ofta till minskad strålens ljusstyrka, vanligen kallad reducerad strålkvalitet. Fiberutgångar är vanligtvis utrustade med ytterligare optiska element, såsom bearbetningshuvuden eller skanningshuvuden. I huvudsak bestämmer detta huvud strålens position och riktning, och att bara flytta fiberkabeln har liten inverkan på strålens egenskaper. Böjning av fibern orsakar dock lätt modkoppling, vilket förändrar effektfördelningen mellan fiberlägen, vilket påverkar både stråldivergensen från fibern och "tyngdpunkten" för intensitetsfördelningen vid fiberutgången, vilket potentiellt leder till en motsvarande minskning av utsignalens strålkvalitet.
