Волоконные лазеры в технологиях машиностроения
Покупка
Тематика:
Технология машиностроения
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 68
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4129-7
Артикул: 805051.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Дано описание основных типов волоконных лазеров, применяемых в машиностроительных технологиях, представлены типы фокусирующих головок и рассмотрены некоторые технологии применения излучения волоконных лазеров (резка, сварка, микрообработка). Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курсы «Физика технологических лазеров», «Фокусирующие системы лазерных технологических установок», «Технология изготовления оптических элементов и узлов лазерных технологических комплексов».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 12.03.01: Приборостроение
- 12.03.02: Оптотехника
- 12.03.05: Лазерная техника и лазерные технологии
- 15.03.01: Машиностроение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Ю. В. Голубенко, А. В. Богданов, И. В. Куликов Волоконные лазеры в технологиях машиностроения Учебное пособие
УДК 621.375.826 ББК 32.86-5 Г62 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/41/book1001.html Факультет «Машиностроительные технологии» Кафедра «Лазерные технологии в машиностроении» Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия Рецензенты: д-р техн. наук, главный специалист филиала ЦЭНКИ «Мотор» Е. Ф. Ищенко; канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Системы автоматического управления» МГТУ им. Н. Э. Баумана Д. В. Креопалов Голубенко, Ю. В. Волоконные лазеры в технологиях машиностроения : учебное пособие / Ю. В. Голубенко, А. В. Богданов, И. В. Куликов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 64, [4] с. : ил. ISBN 978-5-7038-4129-7 Дано описание основных типов волоконных лазеров, применяемых в машиностроительных технологиях, представлены типы фокусирующих го- ловок и рассмотрены некоторые технологии применения излучения воло- конных лазеров (резка, сварка, микрообработка). Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курсы «Физика технологических лазеров», «Фокусирующие системы лазерных технологи- ческих установок», «Технология изготовления оптических элементов и уз- лов лазерных технологических комплексов». УДК 621.375.826 ББК 32.86-5 © МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-4129-7 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 Г62
Предисловие Волоконные лазеры — новый тип лазеров, предназначенных для объектов техники будущего. Волоконные лазеры являются од- ним из наиболее ярких достижений современной квантовой элек- троники. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Преимущества волоконных лазеров по срав- нению с традиционными квантовыми излучателями позволяют использовать их наравне с обычными лазерами, а в некоторых случаях и вместо них. В начале развития волоконной оптики ее основной задачей яв- лялось создание волоконных световодов как пассивной среды для передачи информации. Однако, как и в любой другой развиваю- щейся области науки, в процессе решения первоначальной задачи удалось выявить другие возможности волоконной оптики, которые привели к расширению круга изучаемых объектов и явлений, что, в свою очередь, позволило расширить область возможных приме- нений волоконных световодов и устройств на их основе. Разработка и применение этих перспективных лазеров для производства конкурентоспособной продукции отраслями отече- ственного машиностроения позволит существенно улучшить экс- плуатационные характеристики изделий, главным образом лими- тирующих общую надежность конечной продукции, и повысить промышленные показатели ресурсосбережения. Наряду с разработкой и совершенствованием технологии при- менения требуется дальнейшее формирование общих принципов конструирования и накопление опыта эксплуатации. Темпы роста применения волоконных лазеров в современной промышленности обусловливают потребность в высококвалифицированных специа- листах, владеющих знаниями и навыками работы с этими установ- ками и лазерными комплексами.
Образовательные стандарты третьего поколения предполагают переход к компетентностному подходу в реализации образова- тельных программ высшего образования. При обучении по маши- ностроительным направлениям на первый план выходит формиро- вание у студентов профессионально значимых компетентностей в инновационной и технологической профессиональной деятельно- сти, которая определяется способностью получения технологиче- ски новых или улучшенных продуктов (процессов) на основе со- временных технологий. Использование результатов современных научных исследований и рассмотрение передовых инновационных технологий на уровне подготовки студента позволят обеспечить формирование востребованного условиями современности специ- алиста. Обоснованность профильной подготовки, направленной на приобретение компетенций в области лазерных технологий и лазе- ростроения, неоспорима. Консолидация научно-практических до- стижений с внедрением в образовательный процесс в полном объ- еме может удовлетворить предъявляемые требования к развитию инновационно-технологической деятельности, востребованной современностью. Учебное пособие содержит значительный объем сконцентриро- ванной информации по применению таких лазеров. В гл. 1 дан об- зор продукции ведущих фирм, представленной сегодня на рынке. Вопросам функциональности лазерных головок посвящена гл. 2. В гл. 3 рассмотрены вопросы применения волоконных лазеров. Представлены некоторые параметры процессов лазерной обработ- ки материалов. Пособие предназначено для студентов, изучающих курсы «Фи- зика технологических лазеров», «Фокусирующие системы лазер- ных технологических установок», «Технология изготовления оптических элементов и узлов лазерных технологических ком- плексов» (специальность 1502067065), выполняющих курсовые и дипломные проекты и квалификационные работы. Также оно бу- дет полезно научным работникам, преподавателям и инженерно- техническим работникам, специализирующимся в области лазер- ных технологий.
Введение В наши дни ни одно из стратегически важных технологических направлений в мире не обходится без использования лазеров при обработке материалов. Лазерные технологии активно применяют- ся в электронном машиностроении, автомобилестроении, атомной, космической, авиационной и судостроительной промышленности, медицине и практически во всех направлениях оборонного произ- водства. Лазерная техника играет центральную роль в происходящих в последнее время изменениях технологического уклада, которые связаны с резким повышением гибкости и мобильности производ- ства, увеличением энергоэффективности, снижением издержек и одновременно выходом на новый уровень качества продукции. Лазерные технологии обработки материалов в современном производстве закономерно пользуются большим спросом как у крупных производителей, так и в малых фирмах. Они обеспечива- ют ряд преимуществ, непосредственно влияющих на потребитель- ские характеристики продукции: позволяют повысить качество, производительность, снизить себестоимость, обеспечить экологи- ческую чистоту производства, а по некоторым направлениям до- стичь максимальных технических и экономических результатов. При этом современные лазерные технологические комплексы энергоэффективны и позволяют легко перестраивать технологиче- ский процесс, а гибкость и возможность унификации лазерного оборудования почти не имеют аналогов. Таким образом, сегодня лазерные технологии во многом опре- деляют развитие практически всех отраслей современной про- мышленности. Поэтому степень развития и темпы развития лазер- ных технологий в любой стране однозначно ее отражают мощь, статус и технологическое положение на мировом рынке [1].
1. ВОЛОКОННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЛАЗЕРЫ В настоящее время волоконные лазеры выпускают следующие компании: 1) Videojet, CША (http://www.videojet.com); 2) Coherent, США (http://www.coherent.com); 3) Quantel Group, Франция (http://www.quantel-laser.com); 4) Rofin, США (http://www.rofin.com); 5) NKT Photonics, Дания (http://www.nktphotonics.com); 6) Toptica Photonics AG, Германия (http://www.toptica.com); 7) MPB Communications, Канада (http://www.mpbc.ca); 8) Fibercore, США (http://www.fibercore.com); 9) SPI Lasers, Великобритания (http://www.spilasers.com); 10) Multiwave, Португалия (http://www.multiwavephotonics.com); 11) Menlo Systems GmbH, Германия (http://www.menlosystems.com); 12) Leukos, Франция (http://www.leukos-systems.com); 13) Fianium, Великобритания (http://www.fianium.com); 14) IPG Photonics, США (http://www.ipgphotonics.com). И хотя перечисленные компании имеют различную специали- зацию, объединяет их наличие в производимых устройствах воло- конных лазеров, имеющих различные значения основных характе- ристик и разное назначение. В приведенном выше перечне представлены относительно крупные компании и небольшие фирмы, имеющие уникальные разработки в области волоконных лазеров и реализующие свою продукцию на рынке. Продукцию компаний, выпускающих лазеры для промышлен- ного применения, рассмотрим более подробно. Среди продукции компаний, не выпускающих мощные промышленные модели, вы- берем наиболее интересные (или имеющие наименьшее число ана- логов).
1.1. Продукция компании Videojet Основная специализация компании в сфере лазерных техноло- гий — производство лазерных установок для маркировки, пре- имущественно на основе CO2-лазеров. Компания Videojet также выпускает мелкосимвольные капле- струйные принтеры, термотрансферные принтеры, аппликаторы и принтеры-аппликаторы для этикеток, расходные материалы для этих устройств, графические системы. В качестве примера производимых компанией волоконных ла- зеров можно назвать установки для лазерной маркировки моделей Videojet 7210&7310. В них применяются волоконные лазеры мощ- ностью 10 Вт (модель 7210) и 20 Вт (модель 7310). Отличительные особенности устройств: • компактность; • отсутствие потребности во внешнем компьютерном управле- нии (это экономит место на производственной линии и повышает надежность работы); • потребляемая мощность менее 300 В⋅А. Заявленное применение — маркировка сложных поверхностей металлических и пластмассовых изделий. 1.2. Продукция компании Coherent Основная специализация компании в сфере лазерных техноло- гий — производство лазерных установок для научного и промыш- ленного применения. В ассортименте имеются CO2-лазеры, экси- мерные, волоконные, твердотельные лазеры. Компания Coherent также производит измерительное оборудова- ние для определения различных параметров лазерного излучения. В качестве примеров производимых компанией волоконных лазеров можно назвать лазеры серии Talisker: • модель Talisker Ultra 355-4 мощностью 4 Вт, работающая на длине волны 355 нм; • модель Talisker Ultra 532-8 мощностью 8 Вт, работающая на длине волны 532 нм; • модель Talisker Ultra 1064-16 мощностью 16 Вт, работающая на длине волны 1064 нм.
Отличительные особенности продукции данной компании: • наличие моделей с различными длинами волн, что расширяет спектр обрабатываемых материалов; • импульсный режим работы с генерацией пикосекундных им- пульсов. Заявленное применение — лазерная микрообработка (резка, сверление и др.) изделий малой толщины из металла и кремния, высокоточная обработка стекла (скрайбирование) и др. 1.3. Продукция компании Quantel Основная специализация компании в сфере лазерных технологий — производство твердотельных лазерных установок, преимущественно на основе алюмоиттриевого граната, обогащенного неодимом (Nd:YAG). Компания Quantel также производит волоконные лазеры, перестраиваемые лазеры, различные лазеры для медицинских нужд. В качестве примера производимых компанией волоконных лазеров можно назвать иттербиевые лазеры серии Ylia: • Ylia M10 (мощность 10 Вт); • Ylia М20, Ylia М20EG, Ylia М20HF (мощность 20 Вт); • Ylia 30EG (мощность 30 Вт). Отличительные особенности данных устройств: • легко интегрируются; • время задержки не превышает 9 мкс. Заявленное применение — гравировка, маркировка, лазерная микрообработка, обработка поверхности, подгонка резисторов. 1.4. Продукция компании Rofin Основная специализация компании в сфере лазерных технологий — производство промышленных лазеров (СО2-, твердотельных, волоконных), а также специализированных комплексов на их основе. Компания Quantel также выпускает диодные лазеры и лабора- торное лазерное оборудование. В качестве примера производимых компанией волоконных ла- зеров можно назвать лазеры серий FL (500…6000 Вт), Star Fiber
(100…600 Вт), PowerLine-F (20…50 Вт) и LASAG (50 Вт). Накачка всех лазерных установок осуществляется диодными лазерами. Расходимость луча лазера серии FL не превышает: • 0,4 мм⋅мрад у моделей мощностью 500, 750, 1000 Вт (при ис- пользовании волокна диаметром 20 мкм); • 2,5 мм⋅мрад у моделей мощностью 500, 750, 1000, 2000, 3000 и 4000 Вт (при использовании волокна диаметром 50 мкм); • 10 мм⋅мрад у модели мощностью 6000 Вт (при использовании волокна диаметром 200 мкм). Отличительные особенности устройств: • в серии FL имеются лазеры в компактном исполнении для ин- теграции в технологические комплексы, а также лазеры, работаю- щие в одномодовом и многомодовых режимах; • в серии Star Fiber предусмотрен автоматический контроль па- раметров излучения в зависимости от скорости процесса; лазеры этой серии могут выпускаться в компактных корпусах; • серия PowerLine-F отличается компактными размерами и воз- душным охлаждением; Лазерные установки серии LASAG могут работать как в одно- модовом, так и в многомодовых режимах, предусмотрено их воз- душное охлаждение. Заявленное применение: • серия FL — резка, сварка, термическая обработка металлов, дистанционная резка; • серия StarFiber — прецизионная резка и сварка металлов; • серия PowerLine-F — маркировка, гравировка, травление, скрайбирование, резка, изоляция краев, обрезка, структурирование и др.; • серия LASAG — прецизионная резка твердых материалов (сапфир, керамика), перфорация с большим соотношением сторон. 1.5. Продукция компании NKT Photonics Основная специализация компании в сфере лазерных техноло- гий — производство фотонных кристаллических волокон, воло- конных лазеров невысокой мощности, лазеров, реализующих из- лучение непрерывного спектра (т. е. Supercontinuum), оптических параметрических осцилляторов.
В качестве примеров производимых компанией волоконных лазеров можно назвать модели Koheras Basic OEM, Koheras Ad- justiK Benchtop, Koheras AcoustiK Benchtop, Koheras BoostiK OEM, Koheras BoostiK. Технические характеристики лазера Koheras Е15: • излучение лазера — непрерывное одночастотное; • центральная длина волны — 8 каналов в диапазоне 1530…1565 нм; • качество пучка М2 < 1,05; • выходная мощность до 50 мВт; • фазовые шумы на 1 м оптического пути 2,0 мрад / Гц при 100 Гц, 0,8 мрад / Гц при 1 кГц, 0,4 мрад / Гц при 10 кГц; • относительная интенсивность шума 3 МГц; • оптическое соотношение сигнал/шум более 50 дБ (в зависи- мости от длины волны); • рабочие температуры 15…40 °C. Отличительные особенности устройств: • низкие шумы; • высокая точность частоты; • доступно много длин волн; • компактный дизайн. Заявленное применение — источники излучения в квантовой оптике, источники накачки в нелинейной оптике, эталоны для во- локонных лазеров, источники излучения в метрологии и системах светового обнаружения и распознавания дальности (ЛИДАР). 1.6. Продукция компании Toptica Photonics AG Основная специализация компании в сфере лазерных техно- логий — производство диодных и волоконных лазеров (эрбиевых и иттербиевых), измерителей длины волны, терагерцевых лазе- ров, лазерных диодов. В качестве примера производимых компа- нией волоконных лазеров можно назвать фемтосекундные лазер- ные установки серии FemtoFiber Pro, FemtoFerb 1560, пикосекундные лазерные установки серии PicoFyb, многоцвет- ный лазер iChrome TVIS. Технические характеристики лазеров приведены в табл. 1.1.
Доступ онлайн
В корзину