Первый прямой диодный лазер для резки и сварки металла

Источник: Physorg

Диодные лазеры, используемые в лазерных указках, сканерах штрих-кодов, DVD-плеерах и других маломощных приложениях — самые доступные, эффективные, компактные и недорогие лазеры. На протяжении многих лет предпринимались попытки усилить яркость этих лазеров для промышленных приложений, таких, как сварка и резка металла. Но повышение мощности, как правило, означает снижение качества пучка, или фокуса. И луч никогда не становился достаточно интенсивным, чтобы расплавить металл. Теперь специалисты Массачусетского технологического института (США) занимаются коммерциализацией лазерной системы с мультикиловатным диодом TeraBlade. Мощности диода хватает, чтобы резать и сваривать листы нержавеющей стали толщиной до половины дюйма (около 2 см). При этом он обладает большей эффективностью, чем другие промышленные лазеры, используемые в настоящее время.

TeraBlade работает на новой технике масштабирования мощности, разработанной в МТИ. Технология получила название WBC (wavelength beam combining, объединение некогерентных излучений). Как поясняет один из разработчиков, г-н Робин Хуан, одиночные диодные лазеры могут испускать свет в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазоне, причем излучение плотно сосредоточено на очень маленьком участке, но с небольшой мощностью. Перекрытие множества подобных пучков с разными длинами волн, однако, производит луч, который фокусируется на маленькой площади с большой интенсивностью. И количество световых пучков, работающих с перекрытием, может быть довольно большим. В основе системы TeraBlade — модуль, который содержит массив диодных лазеров, объектив преобразования, дифракционную решетку и выходную линзу.

Свет от диодных лазеров проходит через преобразующую линзу и падает на дифракционную решетку (стеклянную пластину с большим количеством параллельных бороздок). Решетка накладывает лучи друг на друга в одном и том же направлении, усиливая их мощность. По словам г-на Хуана, TeraBlade представляет собой третье поколение промышленных лазеров. Первое поколение, созданное несколько десятилетий назад — это лазеры, в которых электричество проходит через углекислый газ, чтобы произвести свет. Они могут быть очень мощными, но размер установки сравним с размерами грузового автомобиля, а эффективность не превышает 20%. Потом появились твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSS). В этих лазерах энергия от диода, перед преобразованием в луч, проходит через специальную среду (чаще всего — особый кристалл). Они работают с эффективностью до 30%.

Но TeraBlade — это прямой диодный лазер, в котором энергия  преобразуется в свет непосредственно в диодах. Стадия DPSS пропускается и энергия экономится. Лазер работает с мощностью около 2 600 МВт/см2 и эффективностью 40%. Есть несколько других систем прямых мультикиловаттных диодных лазеров, но они работают на другой популярной технике масштабирования мощности — пространственное объединение лучей — которая соединяет пучки с одинаковыми длинами волн. Но по мере увеличения числа диодных лазеров качество пучка ухудшается, получается большое пятно фокуса с низкой интенсивностью излучения. TeraBlade выводит луч примерно в 100 раз ярче, чем эти широкомасштабные лазерные модели. Компания, занимающаяся коммерциализацией технологии, разработала промышленный вариант системы TeraBlade, который представляет собой куб с длиной ребра 3 фута. Она поставляется в несколькими лазерными двигателями, управляющим компьютером, источником питания и выходной головкой для сварки и резки.