01Giới thiệu
Các loại hệ thống phân phối chùm tia khác nhau hiện đã được phát triển, về cơ bản dẫn hướng chùm tia từ nguồn sáng đến khu vực ứng dụng. Trong hầu hết các trường hợp, nguồn sáng được sử dụng là một số loại laser, ví dụ, trong xử lý vật liệu laser, cần phải dẫn đầu ra của tia laser công nghiệp đến phôi để nó tiếp xúc với tia laser. Trong xử lý công nghiệp, hệ thống phân phối chùm tia thường được sử dụng kết hợp với công nghệ robot. Thông thường, đầu xử lý laser trên cánh tay robot được cung cấp bởi một tia laser cố định. Một cách tiếp cận khác là gắn trực tiếp một tia laser đủ nhỏ gọn và mạnh mẽ lên cánh tay robot để giảm thiểu độ dài đường truyền tia cần thiết và tối đa hóa tính di động. Ưu điểm của hệ thống phân phối chùm tia là chúng cho phép đặt nguồn laser ở khu vực được bảo vệ và dễ bảo trì thay vì ở gần khu vực ứng dụng. Ngoài ra, hệ thống phân phối di động cũng cho phép di chuyển chùm tia laser trên một khu vực rộng lớn mà không cần di chuyển chính tia laser nặng. Tuy nhiên, đối với hệ thống phân phối chùm tia dài, cũng có thể có một số nhược điểm, chẳng hạn như tổn hao công suất quang, hạn chế do hiệu ứng phi tuyến hoặc các vấn đề mở rộng xung (đối với xung cực ngắn).
02Miễn phí{1}}Hệ thống truyền chùm tia không gian
Chùm tia đầu ra trong không gian trống của tia laze có thể được dẫn hướng bằng gương. Nếu sử dụng gương điện môi có-chất lượng cao, có độ phản xạ cao- thì có thể xử lý được mức năng lượng quang học cực cao. Ngay cả khi cần nhiều gương, tốc độ truyền của chúng (tỷ lệ công suất đầu ra trên công suất đầu vào) có thể rất gần 100%. Gương điện môi chỉ có hiệu quả trong phạm vi bước sóng giới hạn. Do đó, thiết bị như vậy thường được sản xuất cho các loại laser cụ thể, phù hợp với laser Nd:YAG và Yb:YAG ở bước sóng 1064nm và 1030nm, nhưng không thể hoạt động ở bước sóng 1500nm hoặc 2000nm. Tuy nhiên, gương hiện có trên thị trường với nhiều bước sóng khác nhau, từ tia cực tím (ví dụ: laser excimer), đến phạm vi khả kiến (ví dụ: laser Yb:YAG nhân đôi tần số) và đến phạm vi hồng ngoại (ví dụ: laser CO2). Hệ thống truyền chùm tia đơn giản nhất có đường truyền chùm tia cố định, ví dụ chỉ bao gồm một hoặc hai độ lệch 90 độ để hướng chùm tia ngang ban đầu hướng xuống phôi. Toàn bộ đường truyền tia được bao bọc trong một hệ thống ống dẫn kín khí, ở cuối ống dẫn là đầu xử lý laser. Đường dẫn có thể được sửa đổi bằng cách thay thế các phần tử bịt kín, nhưng không thể thay đổi trong quá trình vận hành.
Giải pháp truyền chùm tia không gian tự do cổ điển{0}}là cánh tay gương có bản lề, trong đó đường ánh sáng có thể di chuyển được đạt được thông qua gương được tích hợp vào cánh tay phản chiếu có bản lề. Thiết kế khớp nối đảm bảo rằng nó chỉ di chuyển khi áp dụng mô-men xoắn tối thiểu; nếu không, nó vẫn ở vị trí. Trọng lượng của các bộ phận có thể được bù bằng đối trọng, lò xo hoặc các phương tiện khác, giúp việc điều chỉnh vị trí dễ dàng hơn. Để đạt được chuyển động mượt mà và vị trí chùm tia ổn định, tránh các vấn đề như trôi và rung, các thiết bị cơ quang được sử dụng phải có độ chính xác cao. Ở phần cuối của hệ thống quang truyền chùm tia, một thiết bị quang học thường được kết nối, chẳng hạn như tai nghe, đầu xử lý laser cố định hoặc đầu quét. Thông thường, chùm tia được tập trung vào khu vực ứng dụng, trong khi trong các trường hợp khác, nó chiếu sáng khu vực mục tiêu lớn hơn.
03 Hệ thống truyền chùm tia sợi quang Truyền dẫn sợi quang là một phương pháp rất linh hoạt để truyền chùm tia laser. Thông thường, các sợi được sử dụng để truyền tia laze được bọc trong cáp quang bảo vệ có vỏ bọc bên ngoài để bảo vệ các sợi mỏng manh và cũng có thể tích hợp các tính năng bổ sung, chẳng hạn như hệ thống giám sát cáp tích hợp- có thể phát hiện rò rỉ tia laze do sợi quang vô tình bị hỏng trong thời gian thực. Sợi thạch anh, là loại sợi thủy tinh quang học phổ biến nhất, có thể cung cấp năng lượng ánh sáng với mức suy hao truyền dẫn rất thấp trong một phạm vi bước sóng cụ thể, với khoảng cách truyền dẫn vài mét hoặc thậm chí xa hơn. Phạm vi bước sóng của nó bao phủ vùng-hồng ngoại gần, nơi hầu hết các tia laser công nghiệp đều hoạt động. Tuy nhiên, những hạn chế của loại vật liệu này cũng hiện rõ. Trong các ứng dụng có công suất-cao, sợi thạch anh có khả năng truyền dẫn hạn chế trong phạm vi tia cực tím (chẳng hạn như laser kích thích) và phạm vi-hồng ngoại xa. Một ví dụ điển hình là đối với laser CO₂ có bước sóng 10600 nm, hiện tại hầu như không có sợi trưởng thành nào có khả năng truyền chùm tia năng lượng cao{12}cao một cách hiệu quả và cánh tay có khớp nối là giải pháp thường được sử dụng trong lĩnh vực này. Công suất quang truyền đi càng cao thì đường kính lõi sợi quang càng lớn. Điều này một phần là để giảm mật độ năng lượng trong lõi nhằm ngăn ngừa hư hỏng và một phần là để phù hợp với sản phẩm tham số chùm tia (BPP) lớn hơn thường đi kèm với các nguồn laser công suất cao. Để ghép tia laser vào sợi quang một cách hiệu quả, sợi quang cần có khẩu độ số (NA) đủ lớn, được xác định bởi chênh lệch chiết suất giữa lõi và lớp bọc. Sự kết hợp giữa đường kính lõi lớn và NA cao dẫn đến một số lượng lớn các chế độ dẫn hướng, khiến cho việc truyền chùm tia trong sợi trở nên cực kỳ phức tạp. Ngay cả khi tổn thất quang tổng thể là nhỏ, sự phân bổ lại năng lượng giữa các chế độ khác nhau thường dẫn đến độ sáng của chùm tia giảm, thường được gọi là chất lượng chùm tia giảm. Đầu ra sợi quang thường được trang bị thêm các bộ phận quang học bổ sung, chẳng hạn như đầu xử lý hoặc đầu quét. Về cơ bản, đầu này xác định vị trí và hướng của chùm tia và việc chỉ di chuyển cáp quang sẽ ít ảnh hưởng đến đặc tính của chùm tia. Tuy nhiên, việc uốn cong sợi dễ dàng gây ra sự ghép nối chế độ, làm thay đổi sự phân bố công suất giữa các chế độ sợi, ảnh hưởng đến cả sự phân kỳ chùm tia từ sợi và 'trọng tâm' của phân bố cường độ ở đầu ra sợi, có khả năng dẫn đến sự suy giảm tương ứng về chất lượng chùm tia đầu ra.
