光學隔離器可改善脈衝光纖雷射的雕刻性能
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光學隔離器可改善脈衝光纖雷射的雕刻性能

引言:脈衝光纖雷射已經成為標記和雕刻各種金屬的主要雷射源。來自被標記或雕刻的部分的背反射的有害影響是眾所周知的。這些影響包括光束質量下降,標記或雕刻質量差以及損壞雷射本身。如Figure 1所示,背反射可以達到很高的水平,在某些情況下接近90%。因此,脈衝光纖雷射輸出端的光隔離器,特別是對於平均功率≥20W的光纖,已經成為脈衝光纖雷射不可或缺的部分。此外,當與脈衝光纖雷射一起使用以進行標記和雕刻時,光學隔離器可能會暴露於各種操作條件下。本文著眼於其中的一些條件及其對光學隔離器性能以及標記和雕刻質量的影響。

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測試設置:Figure 2是所用測試設置的照片。測試中使用了EOT的50W和高能光學隔離器。測試雷射是SPI 20W SM G3雷射。

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測試結果:當光束聚焦和未聚焦時,在隔離器上進行測試。

 

1. 用聚焦的激光束標記金屬時,激光的三個主要方面會影響標記的質量:束功率,脈衝重複率和束焦點。要創建質量標記,必須有足夠的功率來燒蝕金屬。這由平均功率設定點和脈衝重複率控制。Figure 3顯示了雕刻所需的功率以及各種金屬雕刻停止的頻率。隨著重複頻率的降低,每個脈衝的峰值功率都會增加。一旦有足夠的功率,就必須將其聚焦到最小的光斑尺寸,以提供足夠高的功率密度以去除材料。因此,激光的聚焦對於確保質量標記至關重要。如果激光沒有聚焦,則樣品上幾乎沒有標記。

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當處理激光時,對精確聚焦的光束的需求提出了兩個挑戰。最初,當光束完全聚焦時,最大量的光會反射離開樣品,然後再回到光纖芯中。為了解決這個問題,有必要提供一種隔離器,該隔離器可以阻止背向反射而不會過熱,從而保護光纖和激光。當光束失焦時,出現第二個挑戰。發生這種情況時,後向反射光束大於孔徑。結果,附著在隔離器上的擴束組件會變熱,這會導致熱膨脹和焦點偏移。此焦點轉移問題將在下面更全面地討論。

 

2. 當光束失焦時,焦點偏移可能成為問題。當來自樣品的後向反射光束太大而無法乾淨地進入隔離器並撞擊到隔離器的擴束組件時,會發生焦點偏移,從而導致溫度升高。這會導致光束擴展組件的熱膨脹,從而使光學系統發生位移並導致焦點偏移。隨著時間的流逝,這可能會對焦點偏移產生倍增作用。使用激光的時間越長,光束擴展組件加熱的次數就越多,並且焦點偏移也會越大。當光束不在焦點上時,雕刻最初可能是可接受的,但是隨著時間的流逝,熱效應將不斷降低雕刻質量。為了解決這個問題,必須注意確保光束正確聚焦在要雕刻的樣品上。Figure 4 顯示了三分鐘後隔離器的溫度差異,其中激光對準了焦點,然後又聚焦了激光(焦點上方4mm)。當激光失焦時,溫度變化會大得多,這會導致更多的散焦和進一步發熱,這可能是失控的情況。

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高隔離度對於確保隔離器甚至可以雕刻出最具反射性的金屬也很重要。在各種金屬的試驗中,發現在雕刻金屬時,由於金屬吸收的能量可防止回反射,因此返回隔離器的功率相對較低。但是,在雕刻開始之前的小窗口中,或者如果功率太低而無法雕刻,測試表明,在嘗試雕刻拋光的銅時,多達90%的正向功率可以使其回到隔離器中。第一頁上的圖1說明了在功率剛好低於雕刻閾值的情況下,各種金屬的前向功率與後向反射功率的關係。如圖5所示,雕刻所需的功率最大。

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結論:已經證明,背反射可以達到發射功率的90%。此外,已經表明,無論激光束聚焦還是聚焦都可能影響隔離器的性能。因此,重要的是要有一個光隔離器,無論光束是否聚焦,它都可以處理高水平的背反射。EOT的50W和高能光學隔離器在聚焦和離焦條件下都經受住了高水平的背向反射,同時保持了高水平的隔離度。EOT光學隔離器還確保使用脈衝光纖雷射的雕刻系統具有廣泛的應用範圍,並能夠承受最苛刻的工作條件。