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光纤传输系统助力工业超快激光加工

从空芯光纤到超快光束传输系统
  一套基于光纤的光束传输系统一般包括了光束发射系统,一段集成了光纤的光缆和一个加工头。光束发射系统(beam launching system,简称BLS)是一套激光耦合装置,是将激光源输出的激光聚焦到光纤端部。这将最大限度的
  提高激光传输效率,并且改善了光纤输出端的光束质量。由于聚焦后的光斑十分微小,校准范围只有几微米,对整套系统的机械定位和稳定性都提出了很高的要求。根据激光源的不同,光学系统的发散角接近衍射极限,焦点位置为高斯能量分布。但无论如何,满足这样的机械稳定性和成像质量要求,从目前的大功率连续激光耦合技术来看,都已经非常成熟。
  内部的光纤本身受到了极好的保护,外部坚固的套管禁得起工业常见的机器人或龙门机构百万次的弯曲。机械应力被减少到最小,即使是在充满颗粒的粗加工环境。灰尘和水分不允许进入光纤内部,不然会降低性能甚至造成光纤的损毁。
  在光缆接头的端部有一面保护玻璃可以保证内部的密封性,它距光纤端有一定的安全距离,避免被脉冲能量破坏其镀膜或材料。光缆内部封闭的腔体可以充满洁净空气或其他任意气体,可以有一定的正压力或是完全抽真空。光纤本身的夹持部件提供了良好的热接触,可选的水冷功能可以在高功率级别提供有效的散热。精确的光纤端面校准考虑了更换光缆时的产生的误差,在更换同款光缆时几乎不需要对输出焦点进行再次微调。
  一种新型的法兰接口提供了极高的机械重复精度和快速的连接。同时,O型密封圈提供了有效的安全保护,以保证在一般工业制造环境下运行。另外在光学方面,该光缆可具有与高功率连续光缆相同的安全功能,保护套管可以保证当内部光纤断裂时不会有任何激光外泄。同样根据工业标准,对光纤断裂、接口连接和耦合状态监测等功能也是具备的。
  应用于工业超快激光
  将这套光纤传输系统与现有工业超快激光系统匹配后,一系列的性能评估显示出这项新技术的巨大潜力,测试激光器覆盖了3至200瓦的功率范围,300飞秒至10皮秒的面宽范围,3至250微焦的脉冲能量范围。选用合适的光束发射系统并经过调校,该光缆可以被用于绝大部分的超快激光器。脉宽在飞秒级别,功率在几百瓦,脉冲能量在几百毫焦的超快激光在3至5米长的光纤中可以实现高于90%传输率。在不同功率等级耦合效率是恒定不变的,到光纤端面的焦点漂移可忽略不计,所以根据应用可以进行快速的功率调制。仅有的物理限制包括当脉冲能量过高时会损坏光纤端面,平均功率达到一定极限时光纤由于传输损耗而过热,以及当过高的峰值功率产生的非线性效应会造成脉冲波形的缺陷。

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