Ve své podstatě jde o typ laseru, ve kterém ke generování záření dochází v jádru optického vlákna dopovaného prvky ze skupiny lanthanoidů (někdy se označují i jako prvky vzácných zemin). Na dopování se nejčastěji užívá erbia nebo ytterbia, případně obou těchto látek společně, častý je i praseodym.
Přitom tato vlákna mohou mít různou podobu, tedy většinou jde o průřez středního vlákna, který je čtvercový, obdélníkový apod. a tím dává vlastní specifikaci laserového paprsku i vlastní individuální užití. Optické vlákno vláknových laserů tak v podstatě odpovídá svou funkcí úloze krystalu u pevnolátkových laserů, tedy vytváří se v něm laserový paprsek a optické vlákno funguje jako optický zesilovač. Pozor na význam vláknový laser, kde je generován laserový paprsek ve vlákně a na druhý typ laserů, kde se pouze přenáší výkon v pasivním vlákně z místa A - zdroje laseru, do místa B - skenovací hlavy. Pasivní vlákno na přenos laserového výkonu není princip vláknového laseru.
Princip spočívá v single-mode diode pumping, které emitují výkon (malým optickým vláknem) na stranu optického multi mode vlákna (složeného vlákna s větším průměrem) a vytváří budící světlo, které je absorbováno v ytterbium atomech v single mode optického vlákna - tzv. aktivní optické vlákno. A nyní laicky řečeno - optické vlákno je aktivní, tedy nepřenáší pouze výkon z laserových diod, ale zvyšuje tento výkon. Budící diody svítí do velkého optického vlákna a světelný tok působí na vlákno, které je umístěné uvnitř tohoto velkého vlákna. Vnitřní vlákno obsahuje právě aktivní prvek a tím je ytterbium. Budící optické diody mají jinou vlnovou délku, než je výsledný paprsek laseru, který vznikne v aktivním vlákně umístěném ve středu velkého / tlustého vlákna. Více diod dokáže pumpovat v optickém vlákně vysokou energii s perfektní kvalitou paprsku. Je zde ještě jeden velmi důležitý princip pro získání laserového paprsku a tou je vysoce výkonný optický zesilovač. Optický zesilovač konvertuje malý světelný signál z budících diod do výkonného paprsku, často tisíckrát silnější, ale identický jako originál. Zvětšení výkonu se dosáhne použitím, také, více laserových diod. Je zajímavé, že teplo generované v optickém vlákně je odváděno velkou plochou a není potřeba aktivní chlazení. Protože aktivní vlákno může jen podporovat přenos laseru, kvalita paprsku není závislá na pracovním výkonu laseru.
K emisi laseru slouží podnět z laserových čerpacích diod a aktivní optické vlákno. Většina známých fiber glass laserů pracuje v 1550 nm erbium-doped fiber zesilovačů. Pro značení se používají lasery 1062 nm v pulzním módu (frekvence od 20 kHz až 250 kHz) nebo v kontinuálním módu. Místo dvou rovnoběžných zrcadel jsou zde použity Braggovské mřížky. Jedná se o struktury vytvořené přímo na jádře optického vlákna zapsáním UV záření periodické změny indexu lomu. Takovéto změny indexu lomu vytvářejí v optickém vlákně „zrcátka", která odrážejí pouze danou vlnovou délku optického záření. Jsou zde vynechány mechanické prvky - zrcátka, které měly ztráty přeměnou energie na teplo, byly náchylné na mechanické poškození, citlivé na teplotu, přesné umístění, nastavení rezonanční frekvence atd., proto je fiber glass laser zcela vhodný pro průmyslové použití a je mechanicky velmi odolný. Odolnost na vibrace je mnohem vyšší, protože nemá mechanický rezonanční obvod tvořený více mechanickými zrcátky.
Díky jednoduchosti je zde zabezpečen vysoce spolehlivý a poškození odolný laserový systém. Účinnost vláknových laserů se pohybuje okolo 25% v převodu elektrické energie na laser a okolo 50% účinnosti pro optika-optika. Nemá tak velké ztráty, a proto je možné jej chladit pouze vzduchem. Také z pohledu kvality laserového paprsku a jeho koherentnosti se dosahuje velmi dobrých výsledků, které umožňují zaostření do velmi malého bodu. Ve všeobecnosti laser s optickými vlákny má nejnižší provozní náklady a nejvyšší kvalitu laserového paprsku. Naopak energie pulsu je nižší v porovnání s pevnolátkovými lasery.
Výhody vláknových laserů
Už jen při letmém srovnání principů různých laserů vychází pro vláknové lasery řada předností:
- u vláknových laserů dochází k ještě vhodnějšímu a intenzivnějšímu způsobu chlazení, než mají např. pevnolátkové lasery. U vláknových laserů chlazení vzduchem působí na vlákno po celé jeho i několikametrové délce. Často jsou ve značícím laseru vlákna délek 30 m apod., ve kterých se generuje laserový paprsek.
- vláknové lasery nepotřebují ani nastavování rezonátorů či speciální optiku, jinak nutnou u pevnolátkových typů laserů při navazování výkonu laseru do výstupního přenosového optického vlákna. Vláknový laser vygeneruje laserový paprsek přímo v optickém vlákně a pak jej ve stejném vlákně vede až ke skenovací hlavě. Naopak pevnolátkový laser vygeneruje laserový paprsek v krystalu a následuje speciální optika na transformaci paprsku do pasivního optického vlákna, které pouze přenáší výkon.
- kompaktní provedení vláknového laseru vyžaduje jen nízký příkon - jen 1 % oproti požadovanému příkonu u výbojkami čerpaných pevnolátkových laserů. Pokud je pevnolátkový laser čerpaný / buzený polovodičovými diodami, tak je poměr příkonu a výkonu větší, ale stále je mnohem efektivnější a ekonomičtější vláknový laser oproti pevnolátkovému laseru.
- vynikající je i kvalita paprsku. Při výkonu 100 W je možné dosáhnout fokusace paprsku i pod 5 μm, což představuje intenzitu záření přes 109 W.cm-2. Se skenovací optikou a výslednou F-Theta čočkou je možné vyrábět velmi silné vláknové značící a gravírovací lasery se spotem na materiál okolo 0,01 mm.
- životnost vláknového laseru se odhaduje a je vyzkoušena okolo 150.000 hodin. Naopak pevnolátkové lasery mají životnost okolo 10.000 hodin až 20.000 hodin, pak se musí u pevnolátkových laserů vyměnit budící diody a často se zjistí poškození i rezonátoru se zrcadly, což je velmi drahá záležitost. Naopak vláknový laser nemá v rezonančním obvodu žádnou optiku, jen Braggovy mřížky a tak není co poškodit.
- na značení a gravírování se výkonově používají lasery o energii pulsu pro pulsní lasery typicky okolo 1 mJ (od 0,5 mJ do 2 mJ) a s délkou pulsu 30 až 100 ns.
- délka pulsu je pro značící lasery od 20 ns do 100 ns a většinou se mění s požadovanou frekvencí spínání.
- frekvence u pulsních laserů je od 10 kHz do 250 kHz a lze mít vláknové lasery i v kontinuálním módu CW.
- vysoká spolehlivost vláknového laseru, jeho dlouhodobá stabilita paprsku a stabilita výkonu, která je okolo 1%.
Vedoucí postavení v oblasti vláknových laserů má dnes americká firma IPG Photonics Corp. s asi 90% obsazením trhu a s výkonovou nabídkou pulzních a kontinuálních laserů od 10 W až po 20 kW, následovaná britskou SPI Southampton Proton Inc. a německou JDS Uniphase GmbH. Laserový značící systém SOLARIS, který dodává společnost Leonardo technology s.r.o. používá pro vláknové lasery zdroje převážně od společnosti IPG s níž má dlouhodobou spolupráci.
POZOR na pasivní přenos laserového paprsku také optickými vlákny - nejde o vláknový laser!
Tento princip laseru, používající také optické vlákna, nemá nic společného s aktivním optickým vláknem ve vláknových laserech. Vláknový laser vytváří laserový paprsek v aktivním optickém vlákně, které je dvojité a tedy i drahé. Nicméně je potřeba si dávat pozor na firmy, které tvrdí, že mají také vláknový laser, ale v principu jde o pevnolátkový laser, kde je pasivní „obyčejné" optické vlákno pro přenos laserového výkonu ze zdroje do skenovací hlavy.
Pevnolátkový laser, který má mezi pevnolátkovým zdrojem laseru a optickou hlavou pasivní optické vlákno, tak zde optické vlákno zabezpečuje pouze přenos výkonu z laserového zdroje (krystalu) do skenovací hlavy. Zde se jedná, laicky řečeno, o „vodič" laserového paprsku a nezesiluje se laserový paprsek. Naopak v pasivním laserovém vlákně dochází k útlumu laserového paprsku a problémům s napojením mezi laserovým zdrojem a optickým vláknem, kdy se v místě přechodu ztrácí výkon.
Vláknový laser, který není vláknový laser?
Jde o lasery, které jsou často představeny jako vláknové lasery, ale jejich vlákno je pouze optický přenos výkonu z jednoho místa na druhé, tedy ze zdroje laseru do skenovací hlavy. Toto vlákno je pasivní a nezvyšuje výkon z laserového zdroje. Opravdový vláknový laser má aktivní optické vlákno, které je dvojité a do jeho středu je pumpován diodový laserový zdroj, který v optickém vláknu dopovaném ytterbiem vytváří výsledný laserový paprsek, který je na jiné vlnové délce a o vyšším výkonu. Tento princip s aktivním optickým vláknem je skutečný vláknový laser.
Více informací naleznete na: www.LT.cz
