Generacija ultrakratkih laserskih pulzov za zelo hitro in visoko prilagodljivo vzporedno mikro-procesiranje

Unikatna lastnost laserjev z ultrakratkimi pulzi je, da omogočajo zelo natančne mikro obdelave  skoraj vseh materialov. Z njimi lahko zelo natančno odstranimo del materiala, ne da bi povzročili škodo v okolici. Žal pa je obdelava materialov s takšnimi laserji relativno počasna in ne more zadostiti potrebam po zelo hitrem procesiranju (industrija 4.0) in ob enem ne omogoča hitre prilagodljivosti proces.

Da bi laserski obdelovalni sistem to omogočal, bi potreboval vir ultrakratkih pulzov in velikih povprečnih moči (območje kW) in razdelitev izhodnega žarka za vzporedno procesiranje. Takšni laserji morajo biti tudi zelo zanesljivi, da jih lahko vključimo v industrijsko okolje delujoče 24/7. Vlakenska tehnologija omogoča ne samo visoko zanesljivost, ampak tudi veliko kvaliteto žarka, zelo velike energijske izkoristke in delovanje brez vzdrževanja. Te prednosti so se že pokazale pri vlakenskih laserjih, ki delujejo v kontinuiranem načinu z močmi precej preko 1 kW in se že uporabljajo v sodobnih sistemih.

Žal se enake tehnologije ne da direktno uporabiti v laserjih velikih moči za generiranje ultrakratkih pulzov, zaradi dveh glavnih omejitev. Prvo predstavljajo nelinearni pojavi (SPM, SRS,…) ki nastanejo v optičnih vlaknih in omejijo vršno moč ultrakratkih pulzov in posledično njihovo energijo. Drugo omejitev predstavljajo prečne nestabilnosti rodu (TMI), ki omejujejo povprečno moč. Te omejitve se da zaobiti s novimi pristopi k laserski zasnovi, ki so predlagani v tem projektu.

Z reševanjem problema hitrega procesiranja z ultrakratkimi pulzi se trenutno ukvarjata dva ključna EU Horizon 2020 projekta (MultiFlex in Multipoint). Oba projekta predvidita rešitev v razvoju laserjev ultrakratkih pulzov z energijo reda mJ in velikih izhodnih moči preko 1 kW osnovanih na trdinski tehnologiji ter kompleksnega razdelilnika žarka, s čimer bi dosegli vzporedno procesiranje (nekaj 10 žarkov) z optimalno energijo za obdelovalni proces. Laserski žarek bo po izhodu iz laserja razdeljen na več vzporednih žarkov s precej nižjo energijo na pulz, ki bo primerljiva z optimalno energijo, potrebno za obdelavo materiala. Delitev izhodnega laserskega žarka na tak način potrebuje zelo sofisticirano enoto, osnovano na prostostoječi optiki in kontrolni elektroniki, ki mora biti natančno sinhronizirana z laserskim virom. V povzetku rešitve lahko rečemo, da imajo namen realizirati zelo sposoben sistem, vendar gre za zelo kompleksno rešitev.

V projektni prijavi predlagamo popolnoma drugačno rešitev originalnega problema učinkovitega telo hitrega procesiranja z uporabo vlakenski laserjev. Ključna razlika je, kje bomo razdelili žarek. V nasprotju z zgoraj omenjenimi projekti predlagamo razdelitev žarka znotraj laserja, s čimer bi razvili večkanalni laser z več izhodnimi stopnjami.  Glavna prednost naše rešitve je, da v tem primeru ni potrebno ojačevati laserskih pulzov do visokih energij, kar je glavni razlog, da se poveča kompleksnost in nastopijo težave (zaradi nelinearnih pojavov).  Energija tako generiranih pulzov bi bila tudi direktno prilagojena obdelovalnemu procesu, v nasprotju z laserjem z veliko izhodno energijo, katerega žarek se šele na izstopu razdeli na primerno število žarkov.

Glavne prednosti predlaganega pristopa so:

1. Zadostuje samo ena enota, ki lahko direktno generira več izhodnih žarkov, potrebnih za več- žarkovno obdelavo.
2. Večkanalni pristop omogoča tako relativno nizko energijo laserskih pulzov, kot tudi povprečno moč na kanal. Posledično lahko v tem primeru uporabimo tehnologijo optičnih vlaken, ki nudi številne prednosti.
3. Krmiljenje vsakega kanala posebej (povprečna moč in pulzi na zahtevo) je lahko pri relativno nizkih močeh bolj učinkovito (na primer na vhodu v vsak močnostni ojačevalnik) – uporabimo lahko modulator majhnih moči in velikih hitrosti.
4. Kanale lahko krmilimo neodvisno, z visoko prostostno stopnjo.

Faze projekta in njihova realizacija:

DS1        Skupna veja laserja – vzbujevalni vir

DS2        Raziskave kompaktne izvedbe hitre modulacije

DS3        Močnostni ojačevalnik

DS4        Večkanalni pristop

DS5        Vodenje projekta in širitev rezultatov