Des fibres de livraison plus longues avec le suppresseur de diffusion Raman (RSS)
Le 05 oct. 2021
Catégorie : Lasers Haute Puissance
Les machines de découpe de métal à laser à fibre avec distribution fibrée du faisceau laser doivent avoir une fibre de sortie suffisamment longue pour accéder à tous les emplacements ciblés sur la pièce à découper.
Apprenez-en plus sur les avantages du Suppresseur de Diffusion Raman (RSS) pour permettre des fibres plus longues dans les systèmes de coupe multi-kW à haut débit.
Diffusion Raman stimulée : un défi majeur pour les concepteurs de lasers à fibre industriels
Avec la tendance croissante à l'augmentation du débit des machines de découpe à laser à fibre, des défis de conception laser se posent pour une découpe plus rapide de pièces plus grandes et plus épaisses. Comment est-il possible de fournir plus de puissance sur de plus longues distances sans trop compromettre la qualité du faisceau ? Un problème est la gestion de la diffusion Raman stimulée (SRS), qui est exacerbée lorsqu'une puissance optique élevée traverse de longues fibres.
Le SRS est une limitation bien connue de la mise à l'échelle de la puissance des lasers à fibre pour les applications de traitement des matériaux ; il a des effets néfastes sur l'efficacité, la stabilité et la fiabilité du laser. Le SRS croît de manière exponentielle lorsque la puissance de sortie du laser dépasse un certain niveau, également appelé seuil SRS, qui dépend de la conception du laser et des cas d'utilisation.
Les photons SRS peuvent être générés à plusieurs endroits de la chaîne optique et s'accumulent généralement le long de la chaîne, y compris dans la fibre de distribution. Le SRS peut déstabiliser l'émission laser, entravant la stabilité et la fiabilité du processus de coupe du métal. Dans le pire des cas, certains composants du module laser à fibre seront endommagés.
Supprimer le SRS à la source avec les réseaux de Bragg sur fibre
Plusieurs stratégies existent pour augmenter le seuil SRS dans les systèmes laser à haute puissance; cependant, ces stratégies impliquent souvent des compromis dans la qualité du faisceau ou d'autres niveaux de performance laser. Ils compromettent également la gestion d'autres limitations de mise à l'échelle de la puissance, telles que l'instabilité du mode transversal (TMI)[1]. Le moyen le plus efficace de traiter le SRS est d'empêcher son accumulation, en particulier lorsque de longues fibres doivent être utilisées. C'était l'état d'esprit des ingénieurs de TeraXion lorsqu'ils ont développé le RSS.
Le RSS de TeraXion supprime le SRS à la source à l'aide de la technologie brevetée CTFBG (Chirped Tilted Fiber Bragg Grating) [2] qui bloque les photons SRS et les redirige vers la gaine de la fibre (Figure 1), où ils peuvent être absorbés à l'aide d'un suppresseur de mode de gaine (CMS), qui est typiquement présent à la sortie de la cavité laser à fibre.
Figure 1. Illustration du principe de fonctionnement du RSS basé sur la technologie CTFBG brevetée de TeraXion.
En insérant le RSS juste après le CMS, le SRS est supprimé avant qu'il n'entre dans la fibre de livraison, limitant ainsi l'accumulation de SRS supplémentaire dans cette dernière. En conséquence, des fibres de livraison plus longues peuvent être utilisées dans des systèmes de découpe laser avec des niveaux de puissance plus élevés et des diamètres de coeur plus petits.
L'efficacité du RSS pour permettre de longues fibres de livraison deviendra évidente en examinant les résultats obtenus avec la configuration illustrée à la figure 2.
Figure 2. Représentation schématique de la configuration expérimentale.
Différentes longueurs de fibre de livraison (20/400) ont été ajoutées à la sortie d'un oscillateur laser à fibre. La puissance de sortie du laser a été augmentée jusqu'à ce que l'on observe l'apparition d'instabilités dues au SRS. L'expérience a été réalisée avec et sans RSS inséré après le CMS afin de comparer les niveaux de puissance de sortie de sécurité maximum pouvant être atteints dans les deux cas. Les résultats sont présentés dans la figure 3.
Figure 3. Puissance de sortie maximale réalisable en fonction de la longueur de la fibre en aval de l'OC, avec et sans RSS.
Le RSS a permis de maintenir la puissance de sortie à une valeur maximale presque constante pour des longueurs de fibre jusqu'à 37 mètres en aval de la cavité laser, soit jusqu'à 50 % de puissance de plus que sans RSS. En raison de la nature non linéaire du SRS, cette différence et, par conséquent, les avantages du RSS, devraient augmenter avec la puissance de sortie.
Conclusion
En bref, si vous recherchez des solutions pour concevoir des lasers à fibre multi-kW avec de longs câbles de livraison pour des applications de découpe de métal à haut débit avec laser à fibre, introduire le RSS dans votre boîte à outils est certainement une décision intelligente. Non seulement vous serez en mesure d'offrir des performances exceptionnelles à vos clients, mais vous pourrez également attirer leur attention en leur offrant un laser à toute épreuve avec des résultats de coupe constants pendant des milliers d'heures.
Pour plus d’informations
Pour des questions, des exigences spécifiques ou pour en savoir plus sur les produits de TeraXion, contactez-nous à info@teraxion.com.
[1] P. Deladurantaye, Le SRS reste un enjeu de développement majeur pour les lasers à fibre multikilowatt utilisés dans les applications industrielles, Laser Focus World, mai 2021, pp. 42-22
[2] Brevets délivrés : US10393955 et US10663654. Brevets en instance : US20200333529 et CA2971601