01 Εισαγωγή
Επί του παρόντος έχουν αναπτυχθεί διάφοροι τύποι συστημάτων παροχής δέσμης, τα οποία κατευθύνουν ουσιαστικά τη δέσμη από την πηγή φωτός στην περιοχή εφαρμογής. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η πηγή φωτός που χρησιμοποιείται είναι κάποιος τύπος λέιζερ, για παράδειγμα, στην επεξεργασία υλικού λέιζερ, είναι απαραίτητο να καθοδηγηθεί η έξοδος ενός βιομηχανικού λέιζερ στο τεμάχιο εργασίας, έτσι ώστε να εκτεθεί στο λέιζερ. Στη βιομηχανική επεξεργασία, τα συστήματα παράδοσης δέσμης χρησιμοποιούνται συνήθως σε συνδυασμό με τη ρομποτική τεχνολογία. Συνήθως, η κεφαλή επεξεργασίας λέιζερ στον ρομποτικό βραχίονα τροφοδοτείται από ένα σταθερό λέιζερ. Μια άλλη προσέγγιση είναι η τοποθέτηση ενός αρκετά συμπαγούς και στιβαρού λέιζερ απευθείας στον ρομποτικό βραχίονα για να ελαχιστοποιηθεί το μήκος της διαδρομής της δέσμης που απαιτείται και να μεγιστοποιηθεί η κινητικότητα. Το πλεονέκτημα των συστημάτων παροχής δέσμης είναι ότι επιτρέπουν στην πηγή λέιζερ να τοποθετηθεί σε προστατευμένη και εύκολη στη συντήρηση περιοχή παρά κοντά στην περιοχή εφαρμογής. Επιπλέον, τα κινητά συστήματα παροχής επιτρέπουν επίσης τη μετακίνηση της δέσμης λέιζερ σε μια μεγάλη περιοχή χωρίς να μετακινείται το ίδιο το βαρύ λέιζερ. Ωστόσο, για τα συστήματα παροχής μακράς δέσμης, μπορεί επίσης να υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα, όπως απώλεια οπτικής ισχύος, περιορισμοί λόγω μη γραμμικών επιδράσεων ή ζητήματα διεύρυνσης παλμού (για υπερμικρούς παλμούς).
02Δωρεάν-Σύστημα μετάδοσης διαστημικής δέσμης
Η δέσμη εξόδου ελεύθερου-χώρου ενός λέιζερ μπορεί να καθοδηγηθεί χρησιμοποιώντας καθρέφτες. Εάν χρησιμοποιούνται διηλεκτρικοί καθρέφτες υψηλής-ποιότητας, υψηλής-ανακλαστικότητας, μπορούν να αντιμετωπιστούν εξαιρετικά υψηλά επίπεδα οπτικής ισχύος. Ακόμη και όταν απαιτούνται πολλαπλοί καθρέφτες, ο ρυθμός μετάδοσής τους (το ποσοστό της ισχύος εξόδου προς την ισχύ εισόδου) μπορεί να είναι πολύ κοντά στο 100%. Τα διηλεκτρικά κάτοπτρα είναι αποτελεσματικά μόνο σε περιορισμένο εύρος μήκους κύματος. Επομένως, τέτοιος εξοπλισμός κατασκευάζεται συνήθως για συγκεκριμένους τύπους λέιζερ, κατάλληλους για λέιζερ Nd:YAG και Yb:YAG σε μήκη κύματος 1064nm και 1030nm, αλλά δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε μήκη κύματος 1500nm ή 2000nm. Ωστόσο, οι καθρέφτες είναι διαθέσιμοι στην αγορά για ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, από το υπεριώδες (π.χ. λέιζερ excimer), έως το ορατό εύρος (π.χ. λέιζερ διπλασιασμένων συχνοτήτων{17}Yb:YAG) και το εύρος υπερύθρων (π.χ. λέιζερ CO2). Το απλούστερο σύστημα μετάδοσης δέσμης έχει μια σταθερή διαδρομή δέσμης, για παράδειγμα που περιλαμβάνει μόνο μία ή δύο παραμορφώσεις 90 μοιρών για να κατευθύνει την αρχικά οριζόντια δέσμη προς τα κάτω στο τεμάχιο εργασίας. Ολόκληρη η διαδρομή δέσμης περικλείεται σε ένα αεροστεγές σύστημα αγωγών, στο τέλος του οποίου βρίσκεται η κεφαλή επεξεργασίας λέιζερ. Η διαδρομή μπορεί να τροποποιηθεί αντικαθιστώντας τα στοιχεία στεγανοποίησης, αλλά δεν μπορεί να τροποποιηθεί κατά τη λειτουργία.
Μια κλασική λύση μετάδοσης δωρεάν-διαστημικής δέσμης είναι ο αρθρωτός βραχίονας καθρέφτη, όπου επιτυγχάνεται μια κινητή διαδρομή φωτός μέσω καθρεπτών που είναι ενσωματωμένοι στον αρθρωτό ανακλαστικό βραχίονα. Ο σχεδιασμός της άρθρωσης εξασφαλίζει ότι κινείται μόνο όταν εφαρμόζεται ελάχιστη ροπή. διαφορετικά, παραμένει στη θέση του. Το βάρος των εξαρτημάτων μπορεί να αντισταθμιστεί με αντίβαρα, ελατήρια ή άλλα μέσα, διευκολύνοντας τις ρυθμίσεις της θέσης. Για να επιτευχθεί ομαλή κίνηση και σταθερή θέση δέσμης, αποφεύγοντας ζητήματα όπως η ολίσθηση και οι κραδασμοί, οι οπτομηχανικές συσκευές που χρησιμοποιούνται πρέπει να είναι υψηλής ακρίβειας. Στο τέλος του οπτικού συστήματος μετάδοσης δέσμης, συνήθως συνδέεται μια οπτική συσκευή, όπως ένα ακουστικό, μια σταθερή κεφαλή επεξεργασίας λέιζερ ή μια κεφαλή σάρωσης. Συνήθως, η δέσμη εστιάζεται στην περιοχή εφαρμογής, ενώ σε άλλες περιπτώσεις φωτίζει μεγαλύτερη περιοχή στόχο.
03 Σύστημα μετάδοσης δέσμης οπτικών ινών Η μετάδοση οπτικών ινών είναι μια εξαιρετικά ευέλικτη μέθοδος για την παροχή ακτίνων λέιζερ. Συνήθως, οι ίνες που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση λέιζερ είναι εγκλωβισμένες σε προστατευτικά οπτικά καλώδια που περιλαμβάνουν ένα εξωτερικό περίβλημα για την προστασία των εύθραυστων ινών και μπορεί επίσης να ενσωματώνουν πρόσθετα χαρακτηριστικά, όπως ένα ενσωματωμένο σύστημα παρακολούθησης καλωδίων που μπορεί να ανιχνεύσει τη διαρροή λέιζερ λόγω τυχαίας βλάβης ινών σε πραγματικό χρόνο. Η ίνα χαλαζία, ως η πιο κοινή οπτική ίνα γυαλιού, μπορεί να αποδώσει φωτεινή ενέργεια με πολύ χαμηλή απώλεια μετάδοσης σε ένα συγκεκριμένο εύρος μήκους κύματος, με αποστάσεις μετάδοσης πολλών μέτρων ή ακόμη περισσότερο. Το εύρος μήκους κύματος του καλύπτει την κοντινή-υπέρυθρη περιοχή όπου λειτουργούν τα περισσότερα βιομηχανικά λέιζερ. Ωστόσο, οι περιορισμοί αυτού του υλικού είναι επίσης εμφανείς. Σε εφαρμογές υψηλής ισχύος-, οι ίνες χαλαζία έχουν περιορισμένες δυνατότητες μετάδοσης στο εύρος υπεριώδους ακτινοβολίας (όπως τα λέιζερ excimer) και στο μακρινό εύρος-υπέρυθρων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ότι για ένα λέιζερ CO2 με μήκος κύματος 10600 nm, επί του παρόντος δεν υπάρχουν σχεδόν ώριμες ίνες ικανές να μεταδίδουν αποτελεσματικά την υψηλή δέσμη ισχύος του και οι αρθρωτοί βραχίονες είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη λύση σε αυτό το πεδίο. Όσο μεγαλύτερη είναι η οπτική ισχύς που πρέπει να μεταδοθεί, τόσο μεγαλύτερη πρέπει να είναι η διάμετρος του πυρήνα της ίνας. Αυτό γίνεται εν μέρει για τη μείωση της πυκνότητας ισχύος εντός του πυρήνα για την αποφυγή ζημιών και εν μέρει για την αντιστοίχιση του προϊόντος παραμέτρου μεγαλύτερης δέσμης (BPP) που συνήθως σχετίζεται με πηγές λέιζερ υψηλής{15}}ισχύς. Για να συνδεθεί αποτελεσματικά το λέιζερ στην ίνα, η ίνα χρειάζεται ένα αρκετά μεγάλο αριθμητικό άνοιγμα (NA), το οποίο καθορίζεται από τη διαφορά του δείκτη διάθλασης μεταξύ του πυρήνα και της επένδυσης. Ο συνδυασμός μεγάλης διαμέτρου πυρήνα και υψηλού ΝΑ οδηγεί σε μεγάλο αριθμό καθοδηγούμενων τρόπων, καθιστώντας τη διάδοση της δέσμης εντός της ίνας εξαιρετικά περίπλοκη. Ακόμα κι αν η συνολική οπτική απώλεια είναι μικρή, η ανακατανομή ενέργειας μεταξύ διαφορετικών τρόπων λειτουργίας οδηγεί συχνά σε μειωμένη φωτεινότητα δέσμης, που συνήθως αναφέρεται ως μειωμένη ποιότητα δέσμης. Οι έξοδοι ινών είναι συνήθως εξοπλισμένες με πρόσθετα οπτικά στοιχεία, όπως κεφαλές επεξεργασίας ή κεφαλές σάρωσης. Ουσιαστικά, αυτή η κεφαλή καθορίζει τη θέση και την κατεύθυνση της δέσμης, και η απλή μετακίνηση του καλωδίου ινών έχει μικρή επίδραση στα χαρακτηριστικά της δέσμης. Ωστόσο, η κάμψη της ίνας προκαλεί εύκολα σύζευξη τρόπου λειτουργίας, η οποία μεταβάλλει την κατανομή ισχύος μεταξύ των τρόπων ίνας, επηρεάζοντας τόσο την απόκλιση δέσμης από την ίνα όσο και το «κεντρικό» της κατανομής έντασης στην έξοδο της ίνας, οδηγώντας ενδεχομένως σε αντίστοιχη μείωση στην ποιότητα της δέσμης εξόδου.
