لیزر دیود ترکیب طول موجی ([۱]WBC) تزویج شده با فیبر نوری، اولین لیزر دیود با کاربرد مستقیم است که درخشندگی کافی برای برش و جوشکاری فلز را دارد. اگرچه لیزر دیودها پر بازده‌ترین لیزرها هستند، ولی درخشندگی‌شان در برابر لیزرهای چند کیلوواتی مورد استفاده در صنعت نسبتاً کم است. نوآوری بنیادی آزمایشگاه ملی لینکلن در روش WBC زمینه را برای ایجاد سیستمی فراهم کرده است که درخشندگی لازم برای استفاده در صنعت را دارد (شکل ۱).
تعاریف
شدت در برابر درخشندگی
برای برش و جوشکاری لیزری، درخشندگی باریکه لیزر کانونی شده باید به اندازه‌ای زیاد باشد تا دما در محل مورد نظر به اندازه کافی بالا رفته و فلز را ذوب کند. یک باریکه لیزری موازی شده با توان P، قطر باریکه D و واگرایی زاویه‌ای θ در میدان دور توصیف می‌شود. واضح است زمانی‌که باریکه لیزر توسط یک سیستم اپتیکی تغییر شکل داده می‌شود، حاصلضرب Dθ ثابت باقی می‌ماند؛ هنگام کانونی کردن، باریکه در یک لکه d=Dθ/φ کانونی می‌شود که φ زاویه کانونی است. در این صورت شدت موضعی، I=P/d2، می‌تواند به‌صورت I = P (Φ/(Dθ))۲ = BΦ۲ بیان شود که B = P/(Dθ)۲ به‌عنوان درخشندگی باریکه لیزر تعریف می‌شود. بنابراین در یک سیستم اپتیکی با زاویه کانونی φ، شدت موضعی متناسب با درخشندگی لیزر در نظر گرفته می‌شود. در نتیجه درخشنگی (نه فقط توان) شدت قابل حصول را تعیین می‌کند.
روش ترکیب طول موجی باریکه (WBC)
ترکیب طول موجی فضایی، چشمه‌های طول موجی متفاوت را در یک تک باریکه ادغام می‌کند. درخشندگی این تک باریکه در مقایسه با یک چشمه تک طول موجی، یک مرتبه توانی بهبود می‌یابد. بار لیزر[۲] دیود بخش اساسی لیزر دیودهای تزویج شده با فیبر نوری است. یک بار لیزر دیود معمولاً از یک آرایه از لیزرهای نیمه‌هادی گسیل از لبه تشکیل می‌شود که با جریان الکتریکی راه اندازی می‌شوند.
چیدمان نمونه
از نظر مفهومی، WBC می‌تواند به‌عنوان برهم‌نهی فضایی تعداد زیادی از لیزر دیودهای دارای کاواک خارجی تلقی شود. برای سادگی، سه کاواک خارجی مستقل در شکل ۲ نشان داده شده است. هر چشمه با رنگی متفاوت (قرمز، سبز و آبی) رسم شده که به یک مشخصه طول موجی متمایز برای لیزر دیود دارای کاواک خارجی اشاره می‌کند. هر کاواک از یک المان تقویت لیزری با پوشش ضد بازتاب و عدسی‌شکل، یک عدسی تبدیل[۳]، یک توری پراش و یک خروجی تشکیل می‌شود. شکل ۳ یک نمونه سیستم اپتیکی رومیزی WBCرا نشان می‌دهد.
توری پراش ویژگی تبدیل زاویه به طول موج را دارد که در این چیدمان بوسیله عدسی تبدیل، به هر یک از لیزر دیودهای آرایه با طول موج متفاوت اجازه بازخورد می‌دهد. بازخورد کاواک خارجی توسط آینه تزویج‌گر خروجی انجام می‌پذیرد. روش WBC موجب افزایش درخشندگی آرایه لیزر دیود می‌شود زیرا نور لیزر دیودها در خروجی بطور فضایی همپوشانی شده و بدون افت کیفیت باریکه خروجی هر یک از لیزر دیودها، توان خروجی توسط لیزر دیودهای موجود در آرایه افزایش می‌یابد.
هنگامی‌که اندازه آرایه لیزر دیود افزایش یابد، هم توان و هم درخشندگی باریکه خروجی زیاد می‌شود. باید توجه کرد تعداد لیزر دیودهایی که ترکیب می‌شوند به‌خاطر پهنای باند محیط بهره نیمه‌هادی و پهنای باند اختصاصی به هر یک از لیزر دیودها (پراکندگی و تفکیک‌پذیری توری)، محدود است.
تجاری‌سازی
فناوری توصیف شده در بالا توسط شرکت ترادیود استفاده شده تا اولین لیزر دیود با کاربرد مستقیم را بسازد که به اندازه کافی درخشنده باشد تا فلز را برش و جوش دهد. شکل ۱ دهانه خروجی سیستم لیزری ۱ کیلو واتی برش مذکور را نشان می‌دهد که در حال برش یک صفحه استیل ۲۶/۰ اینچی است. سیستم کامل در یک رک استاندارد ۱۹ اینچی نصب شده است. لیزر در یک محفظه استیل ضد زنگ نصب شده است. سیستم همچنین شامل چیلر، لوله چند راهه، کامپیوتر کنترل کننده، منابع تغذیه، واحد توزیع توان و کلید اضطراری می‌شود. خروجی لیزر دیود با یک فیبر نوری فرایندی با مغزی ۲۰۰ میکرومتر تزویج می‌شود که به یک کانکتور LLK-B منتهی شده است. خروجی فیبر LLK-B به یک نازل تزویج می‌شود که می‌تواند برای فرایند جوش و برش پیکر بندی شود.
کاربردهای صنعتی
لیزرهای چند کیلو واتی در برش، جوشکاری و کاربری‌های صنعتی دیگر که باریکه لیزر شدت بالا جهت افزایش دمای ماده بصورت موضعی استفاده می‌شود، کاربرد دارند. این لیزرهای چند کیلو واتی شامل لیزرهای دیسک، حالت جامد کپه‌ای، فیبری و CO2 می‌شود.
در گذشته لیزر دیودها به تنهایی، با وجود تعداد زیادی از ویژگی‌های جذاب (کم هزینه، فشرده و طول موج متنوع)، در توان و درخشندگی محدودیت داشتند. محدوده توانی یک تک چیپ لیزر دیود تقریباً ۱ وات است و آرایه‌های لیزر دیود پر توان مرسوم، باریکه‌هایی با درخشندگی لازم را فراهم نمی‌کنند.
در مقایسه با فناوری‌های لیزر دیود چند کیلو واتی با کاربرد مستقیم ، رویکرد WBC مزیت مهم افزایش یک مرتبه توانی درخشندگی در برابر دیگر لیزر دیودهای با کاربرد مستقیم را فراهم می‌کند. توجه شود که این درخشندگی زیاد در فناوری WBC است که موجب برش و جوش فلز می‌شود.
در حال حاضر لیزرهای حالت جامد، فیبری و CO2 در صنعت استفاده می‌شوند زیرا می‌توانند باریکه‌های درخشان (توان بالا با پراش نزدیک) تولید کنند. در مقایسه با لیزرهای دیگر، فناوری WBC لیزر دیود، مزیت‌های زیر را دارد:
- بازدهی بیشتر در مقایسه با لیزرهای دیگر
- خرابی کمتر
- پایداری در مقابل بازخورد نوری بدون برنامه‌ریزی شده (در صورتی‌که بازخورد نوری از نمونه فلزی هنگام برش رخ دهد، از کار نمی‌افتد.)
- هزینه نسبتاً پایین
- تنوع طول موجی
فناوری WBC درخشندگی بالا، بازدهی و اطمینان‌پذیری را با توان ترکیب می‌کند تا اهداف لیزرهای صنعتی رایج را اجرا کند. لیزر دیودهای کاربرد مستقیم با فناوری WBC در طول زمان می‌توانند جایگزین لیزرهای دیسک و فیبری شوند.
مرجع
www.ll.mit.edu
[۱] wavelength beam-combining
[2] Diode-laser bar
[3] Transform lens