MOPAパルスレーザーのパワー低下の周波数

パルスレーザーでは、パワーリダクション周波数ポイントは非常に重要な概念であり、特定のパルス幅で最大定格平均パワーを出力できる場合の繰り返し周波数の下限と定義されています。 つまり、この周波数ポイントより下では、電力が100％に設定されていても、実際の出力電力は定格電力よりも低くなります。 低電力周波数ポイントの存在は、レーザー自体の動的プロセスによって決定されます。低電力周波数ポイントを正確に理解することは、レーザー加工技術の実践を正しく導くのに役立ちます。 Guangzhi TechnologyのMOPAナノ秒パルスファイバーレーザーのマニュアルには、各パルス幅に対応する電力削減周波数ポイントが記載されています。これらのデータを注意深く読むと、プロセス最適化の方向性をより迅速に見つけることができます。

パルスレーザーでは、パワーリダクション周波数ポイントの存在は主に2つの物理的効果によって制限されます.1つは出力できる最大パルスエネルギーを制限するゲイン媒体の飽和増幅効果であり、もう1つは非線形効果です。出力できる最大出力を制限します。パルスピーク電力。

パワーダウン周波数ポイントを超えると、レーザー増幅器のポンプが連続的に動作して、ドープされた希土類イオンを基底状態から隣接するパルス間隔（T）内で励起状態に励起し、揚水発電を実現します。エネルギーを抽出する信号光がなく、ダムの水位が上昇するのと同じように、利得媒体のエネルギー貯蔵が増加します。 信号パルスが誘導放出プロセスを通過した後、ダムがゲートを開いて水を放出し、洪水のピークを形成するのと同じように、上部エネルギーレベルのイオンが同じ波長と方向で放出するように誘導されてパルス増幅を実現します。
励起誘導吸収と信号誘導放出に加えて、励起状態のイオンは自発放射線によって失われ続けるため、エネルギー貯蔵は無期限に増加することはありません。光の方向は飽和磁束（Fsat）と呼ばれ、主に信号レーザー周波数（v）の位置での吸収断面積（σabs）と発光断面積（σem）によって決定されます。飽和磁束と光ファイバー面積（Af）の積が飽和エネルギー（Esat）です。物理的には、Estは、レーザーゲインが小信号ゲインの1 / e（〜37％）に減少したときの入力パルスエネルギーです。

信号パルスエネルギーがEstatよりもはるかに低い場合、レーザーゲインは高く、レーザーは小信号増幅ゾーンで動作します。Estatよりも大きい場合、レーザーゲインは徐々にゼロに減少し、レーザーは飽和増幅で動作します。ゾーン。イッテルビウムドープファイバーレーザーでは、1064nmでの吸収断面積と発光断面積はそれぞれ0.0064pm ^ 2と0.3978pm ^ 2です。20μmコアファイバーの場合、飽和エネルギーは約0.6mJです。30μmコアファイバーの場合、飽和エネルギーは約0.6mJです。エネルギーは約1.3mJで、100μmの超大型モードフィールドファイバの飽和エネルギーは14.5mJです。現在のパルスファイバーレーザーの最大出力エネルギーは、基本的に飽和エネルギーと同等であることがわかります。飽和エネルギーを超えると、パルスは増幅されますが、ゲインはどんどん小さくなり、ゆっくりとゼロに近づきます。定格出力30Wのパルスレーザーで推定すると、標準的な光効率は60％、つまり必要なポンプ光出力は50W、915nmから1064nmまでの量子効率は86％、2mJを完了するのに必要な時間エネルギー貯蔵量は2mJ / 86％/ 50W =46μsです。パルス周期として46μsをとると、対応する周波数は22kHzです。

実際、MOPAパルスレーザーでは、通常、200nsを超える長いパルスのみが公称最大エネルギー出力に到達できます。パルス幅が短いほど、最大出力エネルギーは小さくなります。同じエネルギーの下で、パルス幅が短いほど、ピークパワーが高くなり、ピークパワーが特定のしきい値よりも高くなると、ファイバに大きな非線形効果が発生します。したがって、MOPAレーザーは、最大パルスエネルギーを制限するだけでなく、ピーク値である重要な制限。電力、標準値は10kWです。従来のMOPAファイバーレーザーでは、一般的な非線形効果には、自己位相変調（SPM）、交差位相変調（XPM）、4光波混合（FWM）、および誘導ラマン散乱（SRS）が含まれます。これらの非線形効果の直接的な結果は、スペクトルを広げることです。スペクトルが広すぎるレーザーは、アクロマティック設計のない光学システムを通過し、異なる波長の焦点位置と焦点スポットサイズが異なり、処理効果に直接影響します。さらに、非線形効果は、レーザービームの品質の低下や物理的損傷を引き起こす可能性もあります。 Guangzhi Technologyは、レーザーの設計スキームとデバイスの選択を合理的に最適化することにより、ユーザー向けの従来のモデルよりもはるかに高いピークパワーでレーザーをカスタマイズできます。
パルスレーザーパワー低減周波数ポイントの重要性は次のように要約されます。

（1）レーザーは、レーザーの最大動作周波数（fmax）より低く、電力低減周波数ポイント（f0）より高い最大平均出力（Pmax）で動作できます。このセクションで出力されるパルスエネルギー（E）は、次のようになります。 Pmax / f。周波数が高いほど、単一パルスエネルギーは低くなります。

（2）パワーダウン周波数ポイントより下では、レーザーが出力できる最大パワー（P）は、実際の動作周波数にほぼ直線的に減少します。つまり、P = Pmax * f / f、たとえば、動作再周波数はパワーダウン周波数ポイントの半分に減少します。対応する最大出力電力は定格電力の半分にすぎず、単一パルスエネルギーE = P / f = Pmax / f、つまり単一パルスエネルギー低減された電力周波数ポイントを超えて作業する場合と比較して、基本的に変更されません。この直線性は概算であり、実際の状況はより複雑になる可能性があることを指摘しておく必要がありますが、単純な見積もりとしては十分です。

（3）長いパルスの電力削減周波数は、短いパルスの電力削減周波数よりも小さい。たとえば、Guangzhi TechnologyのYFL-PN-GM-80-Lレーザーでは、250ns以上に対応する電力削減周波数ポイントは53kHzであり、パルスが短いほど、電力削減の頻度が高くなります。これは、ピークパワーによって制限されるため、長いパルスで抽出できる単一パルスエネルギーが高くなるためです。

実際のプロセス最適化プロセスでは、電力削減周波数ポイントより下の再周波数パラメータはいつ使用されますか？簡単に言えば、過剰な平均電力の代わりにパルスエネルギーまたはピーク電力が必要な場合、つまり、処理効果を確保するために単一パルスエネルギーまたはピーク電力が必要ですが、過度の熱効果を回避するために平均電力を減らす必要があります。たとえば、3C製品の加工でよく使われる陽極酸化アルミニウムシートの酸化物層を破壊する過程では、酸化物層を破壊するために一定のパルスエネルギーが必要ですが、平均出力が高すぎると、熱効果により、材料が変形し、背面に凸包が形成されます。

多くの場合、レーザー洗浄などのパルスエネルギー効果を最大化するために、レーザーを低い電力周波数で直接操作することができます。一部のサンプルの校正実験では、電力削減周波数ポイントから検証を開始することもできます。効果が得られる場合、または処理が過剰に処理される場合は、境界パラメータが満たされるまでエネルギーを適切に削減する必要があります。プロセス要件が見つかりました。

MOPAパルスレーザーを除いて、Qスイッチレーザーまたは超高速レーザーがパワーダウン周波数ポイントについて言及することはめったにありません。これは、このようなレーザーのパルス幅が固定されており、パワーダウン周波数ポイントより上の動作周波数帯域しか開かないためです。たとえば、Qスイッチレーザーは一般に30kHz〜80kHzで動作しますが、超高速レーザーは100kH〜1MHzで動作します。ここでの周波数の下限は、このようなレーザーのパワーダウン周波数ポイントにも近いです。 MOPAパルスレーザーは繰り返し周波数の調整範囲が広く、基本的に単一パルスエネルギーとピークパワーを低減されたパワー周波数で変化させないようにすることができます。これは重要な利点です。このパフォーマンスの利点を正しく習得し、柔軟に適用することで、お客様の改善に役立ちますレーザーの性能を十分に発揮してください。