01Introduksjon
Det er for tiden utviklet forskjellige typer stråleleveringssystemer, som i hovedsak leder strålen fra lyskilden til bruksområdet. I de fleste tilfeller er lyskilden som brukes en type laser, for eksempel ved behandling av lasermateriale er det nødvendig å lede utgangen fra en industriell laser til arbeidsstykket slik at det blir eksponert for laseren. I industriell prosessering brukes vanligvis stråleleveringssystemer i forbindelse med robotteknologi. Vanligvis forsynes laserbehandlingshodet på robotarmen av en stasjonær laser. En annen tilnærming er å montere en tilstrekkelig kompakt og robust laser direkte på robotarmen for å minimere lengden på strålebanen som kreves og maksimere mobiliteten. Fordelen med stråleleveringssystemer er at de lar laserkilden plasseres i et beskyttet og lett å vedlikeholde område i stedet for nær bruksområdet. I tillegg lar bevegelige leveringssystemer også laserstrålen flyttes over et stort område uten å flytte selve den tunge laseren. For langstråleleveringssystemer kan det imidlertid også være noen ulemper, for eksempel optisk effekttap, begrensninger på grunn av ikke-lineære effekter eller problemer med pulsutvidelse (for ultrakorte pulser).
02Free-Space Beam Transmission System
Den ledige-plassutgangsstrålen til en laser kan styres ved hjelp av speil. Hvis dielektriske speil av høy-kvalitet og høy-reflektivitet brukes, kan ekstremt høye optiske effektnivåer håndteres. Selv når det kreves flere speil, kan deres overføringshastighet (prosentandelen av utgangseffekt til inngangseffekt) være svært nær 100 %. Dielektriske speil er kun effektive innenfor et begrenset bølgelengdeområde. Derfor produseres slikt utstyr vanligvis for spesifikke typer lasere, egnet for Nd:YAG- og Yb:YAG-lasere ved bølgelengder på 1064nm og 1030nm, men kan ikke brukes ved bølgelengder på 1500nm eller 2000nm. Imidlertid er speil tilgjengelig på markedet for et bredt spekter av bølgelengder, fra ultrafiolett (f.eks. excimer-lasere), til det synlige området (f.eks. frekvens-doble Yb:YAG-lasere) og til det infrarøde området (f.eks. CO2-lasere). Det enkleste stråleoverføringssystemet har en fast strålebane, for eksempel involverer bare én eller to 90 graders avbøyninger for å rette den opprinnelig horisontale strålen nedover til arbeidsstykket. Hele strålebanen er innelukket i et lufttett ledningssystem, ved enden av dette er laserbehandlingshodet. Banen kan endres ved å erstatte tetningselementer, men kan ikke endres under drift.
En klassisk fri-løsning for romstråleoverføring er den hengslede speilarmen, der en bevegelig lysbane oppnås gjennom speil integrert i den hengslede reflekterende armen. Sammenføyningsdesignen sikrer at den bare beveger seg når et minimumsmoment påføres; ellers forblir den på plass. Vekten på komponentene kan kompenseres med motvekter, fjærer eller andre midler, noe som gjør posisjonsjusteringer enklere. For å oppnå jevn bevegelse og en stabil stråleposisjon, unngå problemer som drift og vibrasjoner, må de optomekaniske enhetene som brukes være svært presise. På slutten av det optiske stråleoverføringssystemet er en optisk enhet vanligvis koblet til, for eksempel et hodesett, et fast laserbehandlingshode eller et skannerhode. Vanligvis er strålen fokusert på bruksområdet, mens den i andre tilfeller lyser opp et større målområde.
03 Fiberoptisk stråleoverføringssystem Fiberoptisk overføring er en svært fleksibel metode for å levere laserstråler. Vanligvis er fibrene som brukes til laseroverføring innkapslet i beskyttende optiske kabler som inkluderer en ytre kappe for å beskytte de skjøre fibrene og kan også integrere tilleggsfunksjoner, for eksempel et innebygd kabelovervåkingssystem som kan oppdage laserlekkasje på grunn av utilsiktet fiberskade i sanntid. Kvartsfiber, som den vanligste optiske glassfiberen, kan levere lysenergi med svært lavt overføringstap over et spesifikt bølgelengdeområde, med overføringsavstander på flere meter eller enda lenger. Bølgelengdeområdet dekker det nære-infrarøde området der de fleste industrielle lasere opererer. Begrensningene til dette materialet er imidlertid også tydelige. I applikasjoner med høy-effekt har kvartsfibre begrenset overføringsevne i det ultrafiolette området (som eksimerlasere) og det fjernt-infrarøde området. Et typisk eksempel er at for en CO₂-laser med en bølgelengde på 10600 nm, er det for øyeblikket nesten ingen modne fibre som effektivt kan overføre dens høye{12}}kraftstråle, og leddede armer er en vanlig løsning på dette feltet. Jo høyere optisk kraft som skal overføres, desto større må fiberkjernediameteren være. Dette er dels for å redusere effekttettheten i kjernen for å forhindre skade, og dels for å matche det større stråleparameterproduktet (BPP) som vanligvis er knyttet til laserkilder med høy{15}}effekt. For å effektivt koble laseren inn i fiberen trenger fiberen en tilstrekkelig stor numerisk åpning (NA), som bestemmes av brytningsindeksforskjellen mellom kjernen og kledningen. Kombinasjonen av en stor kjernediameter og høy NA fører til et stort antall guidede moduser, noe som gjør stråleutbredelsen i fiberen ekstremt kompleks. Selv om det totale optiske tapet er lite, fører energiomfordeling mellom forskjellige moduser ofte til redusert strålelysstyrke, ofte referert til som redusert strålekvalitet. Fiberutganger er vanligvis utstyrt med ekstra optiske elementer, for eksempel prosesseringshoder eller skannehoder. I hovedsak bestemmer dette hodet posisjonen og retningen til strålen, og bare flytting av fiberkabelen har liten innvirkning på stråleegenskapene. Imidlertid forårsaker bøying av fiberen lett moduskobling, som endrer kraftfordelingen mellom fibermoduser, og påvirker både stråledivergensen fra fiberen og 'tyngdepunktet' til intensitetsfordelingen ved fiberutgangen, noe som potensielt kan føre til en tilsvarende nedgang i utgangsstrålekvaliteten.
