Как лазеры мощностью в несколько киловатт, используемые для промышленной резки, передаются по такому тонкому оптическому волокну?
Промышленная лазерная резка (мощностью от 1\text{ кВт} до десятков киловатт) осуществляется с помощью лазеров, которые могут передавать энергию через очень тонкие оптические волокна без разрушения собственным излучением благодаря сочетанию материаловедения, оптического проектирования и систем терморегулирования. Основные принципы этой технологии включают следующие аспекты:
1. Сверхчистый кварцевый материал и сверхнизкие объемные потери на поглощение
Физическая основа разрушения материала лазером — поглощение энергии с преобразованием ее в тепло. Если волокно не поглощает фотоны, энергия проходит насквозь, не вызывая повышения температуры:
- Синтетический диоксид кремния ( \text{SiO}_2 ) предельной чистоты： Промышленные волокна для передачи энергии изготавливаются из кварцевого стекла сверхвысокой чистоты. Концентрация гидроксильных групп ( \text{-OH} ) и примесей переходных металлов строго контролируется на чрезвычайно низком уровне (на уровне \text{ppb}).
- Сверхнизкие потери при передаче： В инфракрасном диапазоне, используемом в волоконных лазерах (примерно 1064\text{ нм} \sim 1080\text{ нм} ), потери на объемное поглощение в качественных кварцевых волокнах обычно составляют менее 1\text{ дБ/км} .
- Минимальное тепловыделение： При передаче киловаттного лазерного излучения на десятки метров, фактическое количество энергии, поглощаемое стеклом и преобразуемое в тепло, составляет всего несколько ватт. Эта энергия рассеивается равномерно по всей длине передачи, что приводит к незначительному пассивному нагреву самого волокна.
2. Увеличение площади модового поля: использование большесердечниковых волокон для передачи энергии
Повреждение среды лазером зависит от плотности мощности ( \text{Power Density} ）：
I = \frac{P}{A}
где P — мощность лазера, A — эффективная площадь сердцевины.
- Сердцевина одномодового волокна для связи обычно имеет диаметр всего около 9\ \mu\text{m} . Прямое введение нескольких киловатт лазерного излучения вызовет нелинейные оптические эффекты, такие как вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), а плотность мощности легко превысит порог оптического повреждения материала ( \sim 10\ \text{ГВт/см}^2 ).
- Для передачи высокой мощности в промышленности используются большесердечниковые волокна (Large-Core Fiber）。 Диаметр сердцевины типовых промышленных передающих волокон обычно составляет 50\ \mu\text{m} , 100\ \mu\text{m} , 200\ \mu\text{m} или даже больше. Эффективная площадь поперечного сечения увеличивается в десятки и сотни раз, благодаря чему плотность мощности внутри волокна остается в пределах безопасного порога для кварцевого стекла.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN) предлагает большесердечниковые волокна с повышенной термостойкостью, предназначенные для спектрального анализа и передачи энергии:
Ссылка на продукт: OFSCN® Polyimide Large-Core Optical Fiber
- Основные параметры： Диапазон рабочих температур от -200\ ^\circ\text{C} до +350\ ^\circ\text{C} ; доступны различные диаметры сердцевины/оболочки, включая 105/125\ \mu\text{m} , 200/220\ \mu\text{m} , 300/330\ \mu\text{m} , 400/440\ \mu\text{m} , 600/660\ \mu\text{m} , 800/880\ \mu\text{m} , охватывающие широкий спектральный диапазон от 200\text{ нм} до 2400\text{ нм} .
3. Технология защиты торца от пробоя: торцевая заглушка (End Cap)
Наиболее уязвимой частью высокомощного оптоволоконного тракта является интерфейс воздух-кварц (входной и выходной торцы волокна) . Из-за микроскопических механических дефектов, адсорбированных частиц и френелевского отражения, оптический порог пробоя на торцевых поверхностях обычно на 1–2 порядка ниже, чем внутри волокна:
- Сварка с кварцевой торцевой заглушкой без сердцевины： На конце кабеля для передачи высокой мощности обычно приваривается цилиндрический кварцевый блок без сердцевины (End Cap).
- Снижение плотности за счет расходимости пятна： Когда лазерное излучение из сердцевины входит в торцевую заглушку, пучок рассеивается внутри чистого кварца с присущим ему углом расходимости. К моменту достижения границы кварц-воздух диаметр пятна увеличивается в несколько раз, значительно снижая плотность мощности на торцевой поверхности до безопасного уровня и предотвращая выгорание торца.
4. Отведение света из оболочки (CPS) и активное жидкостное охлаждение
- Устройство отвода света из оболочки (Cladding Power Stripper, CPS)： При передаче или соединении мощного лазерного излучения часть рассеянного света может попасть в оболочку волокна. Если высокомодовое рассеянное излучение попадет в полимерное покрытие, оно может мгновенно обуглиться и сгореть. CPS безопасно отводит свет из оболочки в контролируемых условиях и рассеивает его.
- Высокомощные разъемы и жидкостное охлаждение： Промышленные передающие разъемы (например, разъемы QBH, QD) имеют встроенное металлическое основание с высокой теплопроводностью и каналы для циркуляции охлаждающей жидкости. Они обеспечивают активное охлаждение торцевой заглушки, диафрагмы и поглотителя обратного света, гарантируя стабильную выходную мощность лазера в течение длительного времени при мощности в несколько киловатт.