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(技術的な乾物:MOPAパルスレーザーの電力削減周波数ポイント)

Posted by: Yoyokuo 2021-12-05 (技術的な乾物:MOPAパルスレーザーの電力削減周波数ポイント) はコメントを受け付けていません

「「電力削減周波数ポイントは、パルスレーザーでは非常に重要な概念です。 これは、レーザーが特定のパルス幅で最大定格平均出力を出力できる場合の繰り返し周波数の下限として定義されます。 つまり、この周波数ポイントより下では、電力が100%に設定されていても、実際の出力電力は定格電力よりも低くなります。 低電力周波数ポイントの存在は、レーザー自体の動的プロセスによって決定されます。低電力周波数ポイントを正確に理解することは、レーザー加工技術の実践を正しく導くのに役立ちます。

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電力削減周波数ポイントは、パルスレーザーでは非常に重要な概念です。 これは、レーザーが特定のパルス幅で最大定格平均出力を出力できる場合の繰り返し周波数の下限として定義されます。 つまり、この周波数ポイントより下では、電力が100%に設定されていても、実際の出力電力は定格電力よりも低くなります。 低電力周波数ポイントの存在は、レーザー自体の動的プロセスによって決定されます。低電力周波数ポイントを正確に理解することは、レーザー加工技術の実践を正しく導くのに役立ちます。 Guangzhi TechnologyのMOPAナノ秒パルスファイバーレーザーの説明には、各パルス幅に対応する電力削減周波数ポイントが示されています。 これらのデータを注意深く読むことで、プロセス最適化の方向性をより迅速に見つけることができます。

パルスレーザーでは、電力削減周波数ポイントの存在は、主に2つの物理的効果によって制限されます。 1つは、出力できる最大パルスエネルギーを制限するゲイン媒体の飽和増幅効果であり、もう1つは、出力できる最大出力を制限する非線形効果です。 パルスピークパワー。

パワーダウン周波数ポイントを超えると、レーザー増幅器のポンプが連続的に動作して、隣接するパルス間隔(T)内で、ドープされた希土類イオンを基底状態から励起状態に励起し、ポンプのエネルギー貯蔵を実現します。 このとき、エネルギーを抽出する信号灯がなく、ダムの水位が上がるのと同じように、利得媒体のエネルギー貯蔵量が増えます。 信号パルスが誘導放出プロセスを通過した後、ダムがゲートを開いて水を放出し、洪水のピークを形成するのと同じように、上部エネルギーレベルのイオンが同じ波長と方向で放出されてパルス増幅を実現します。

技術的な乾物:MOPAパルスレーザーの電力削減周波数ポイント
図1レーザー誘導吸収、自然放出、および誘導放出プロセス

図1に示すように、ポンプ誘導吸収と信号誘導放出に加えて、励起状態のイオンは自発放射によって失われ続けるため、エネルギー貯蔵が無制限に増加することはありません。 これは、光の方向の断面のエネルギー貯蔵密度を制限する物理量です。 これは飽和磁束(Fsat)であり、主に信号レーザー周波数(v)の位置での吸収断面積(σabs)と発光断面積(σem)によって決定されます。 飽和磁束と光ファイバー面積(Af)の積が飽和エネルギー(Esat)です。 物理的には、Estは、レーザーゲインが小信号ゲインの1 / e(〜37%)に減少したときの入力パルスエネルギーです。

技術的な乾物:MOPAパルスレーザーの電力削減周波数ポイント

信号パルスエネルギーがEstatよりもはるかに低い場合、レーザーゲインは高く、レーザーは小信号増幅領域で動作します。 Estatよりも大きい場合、レーザーゲインは徐々にゼロまで減少し、レーザーは飽和増幅領域で動作します。 イッテルビウムファイバーレーザーでは、1064nmでの吸収断面積と発光断面積はそれぞれ0.0064pm2と0.3978pm2です。 20μmコアファイバの場合、飽和エネルギーは約0.6mJであり、30μmコアファイバの場合、飽和エネルギーは約1.3です。 100μmの超大型モードフィールドファイバの飽和エネルギーは約mJで14.5mJです。 現在のパルスファイバーレーザーの最大出力エネルギーは、基本的に飽和エネルギーと同等であることがわかります。 飽和エネルギーを超えると、パルスは増幅されますが、ゲインはどんどん小さくなり、ゆっくりとゼロに近づきます。 定格出力30Wのパルスレーザーで推定すると、一般的な光学効率は60%、つまり必要なポンプ出力は50W、915nmから1064nmまでの量子効率は86%、2mJのエネルギー貯蔵は2mJ / 86%/ 50W =46μsです。 パルス周期として46μsをとると、対応する周波数は22kHzです。

実際、MOPAパルスレーザーでは、通常、200nsを超える長いパルスのみが公称最大エネルギー出力に到達できます。 パルス幅が短いほど、最大出力エネルギーは小さくなります。 同じエネルギーの下で、パルス幅が短いほど、ピークパワーが高くなり、ピークパワーが特定のしきい値よりも高くなると、ファイバに重大な非線形効果が発生します。 したがって、最大パルスエネルギーを制限することに加えて、MOPAレーザーにはピーク値という重要な制限があります。 電力、標準値は10kWです。

従来のMOPAファイバーレーザーでは、一般的な非線形効果には、自己位相変調(SPM)、交差位相変調(XPM)、4光波混合(FWM)、および誘導ラマン散乱(SRS)が含まれます。 これらの非線形効果の直接的な結果は、スペクトルを広げることです。 スペクトルが広すぎるレーザーは、アクロマティック設計のない光学系を通過し、異なる波長の焦点位置と焦点スポットサイズが異なり、処理効果に直接影響します。 さらに、非線形効果は、レーザービームの品質の低下や物理的損傷を引き起こす可能性もあります。 Guangzhi Technologyは、レーザーの設計スキームとデバイスの選択を合理的に最適化することにより、ユーザー向けの従来のモデルよりもはるかに高いピークパワーでレーザーをカスタマイズできます。

テクニカルドライグッズ:MOPAパルスレーザーの電力削減周波数ポイント
図2パルスレーザーパワー低減周波数ポイントの概略図

図2に示すように、パルスレーザー出力低減の周波数ポイントの重要性は次のように要約されます。

(1)レーザーは、レーザーの最大動作周波数(fmax)より低く、電力低減周波数ポイント(f0)より高い最大平均出力(Pmax)で動作できます。 このセクションで出力されるパルスエネルギー(E)は、Pmax / fに等しくなります。 周波数が高いほど、単一パルスエネルギーは低くなります。

(2)パワーダウン周波数ポイントより下では、レーザーが出力できる最大電力(P)は、実際の動作繰り返し周波数にほぼ直線的に減少します。つまり、P = Pmax * f / f0、たとえば、動作繰り返し周波数です。電力削減周波数ポイントの半分に削減されます。対応する最大出力電力は定格電力の半分にすぎず、単一パルスエネルギーE = P / f = Pmax / f0、つまり、単一パルスエネルギーは基本的に変更されません。低減された電力周波数ポイントより上で作業する場合と比較して。 この直線性は概算であり、実際の状況はより複雑になる可能性があることを指摘しておく必要がありますが、単純な見積もりとしては十分です。

(3)長いパルスのパワーダウン周波数は、短いパルスのパワーダウン周波数よりも小さくなります。 たとえば、Guangzhi TechnologyのYFL-PN-GM-80-Lレーザーでは、250ns以上に対応するパワーダウン周波数ポイントは53kHzです。 短いほど、電力削減の頻度が高くなります。 これは、ピークパワーによって制限されるため、長いパルスで抽出できる単一パルスエネルギーが高くなるためです。

実際のプロセス最適化プロセスでは、電力削減周波数ポイントより下の再周波数パラメータはいつ使用されますか? 簡単に言えば、過度の平均電力の代わりにパルスエネルギーまたはピーク電力が必要な場合、つまり、処理効果を確保するために単一パルスエネルギーまたはピーク電力が必要ですが、過度の熱効果を回避するために平均電力を減らす必要があります。 例えば、3C製品の加工によく使われる陽極酸化アルミニウムシートの酸化物層を破壊する過程では、酸化物層を破壊するために一定のパルスエネルギーが必要ですが、平均出力が高すぎると熱効果が発生します。材料が変形し、背面に凸包が形成されます。

多くの場合、レーザー洗浄などのパルスエネルギー効果を最大化するために、レーザーを低い電力周波数で直接操作することができます。 一部のサンプルの校正実験では、電力削減周波数ポイントから検証を開始することも可能です。 効果が得られる場合、または処理が過剰に処理される場合は、プロセス要件を満たす境界パラメータが見つかるまで、エネルギーを適切に削減する必要があります。

MOPAパルスレーザーを除いて、Qスイッチレーザーまたは超高速レーザーがパワーダウン周波数ポイントについて言及することはめったにありません。 これは、このようなレーザーのパルス幅が固定されており、パワーダウン周波数ポイントより上の動作周波数帯域しか開かないためです。 たとえば、Qスイッチレーザーは一般に30kHz〜80kHzで動作しますが、超高速レーザーは100kH〜1MHzで動作します。 ここでの周波数の下限は、このタイプのレーザーのパワーダウン周波数ポイントにも近いものです。 MOPAパルスレーザーは、繰り返し周波数を調整できる範囲が広く、基本的に、単一パルスエネルギーとピークパワーが低減されたパワー周波数で変化しないことを保証できます。 それは重要な利点です。 このパフォーマンスの利点を正しく習得し、柔軟に適用することで、お客様はレーザーのパフォーマンスを十分に発揮できるようになります。