01 Introducció
Actualment s'han desenvolupat diferents tipus de sistemes de lliurament del feix, que bàsicament guien el feix des de la font de llum fins a l'àrea d'aplicació. En la majoria dels casos, la font de llum utilitzada és algun tipus de làser, per exemple, en el processament de materials làser, cal guiar la sortida d'un làser industrial a la peça de treball perquè quedi exposada al làser. En el processament industrial, els sistemes de lliurament de feixos s'utilitzen normalment juntament amb la tecnologia robòtica. Normalment, el capçal de processament làser del braç robòtic es subministra mitjançant un làser estacionari. Un altre enfocament és muntar un làser prou compacte i robust directament al braç robòtic per minimitzar la longitud del camí del feix requerit i maximitzar la mobilitat. L'avantatge dels sistemes de lliurament de feix és que permeten col·locar la font làser en una zona protegida i fàcil de mantenir en lloc de prop de l'àrea d'aplicació. A més, els sistemes de lliurament mòbils també permeten moure el raig làser sobre una gran àrea sense moure el làser pesat. Tanmateix, per als sistemes de lliurament de feix llarg, també hi pot haver alguns inconvenients, com ara la pèrdua de potència òptica, limitacions a causa d'efectes no lineals o problemes d'ampliació del pols (per a polsos ultracurts).
02Free-Sistema de transmissió de feix espacial
El feix de sortida d'-espai lliure d'un làser es pot guiar mitjançant miralls. Si s'utilitzen miralls dielèctrics d'alta-qualitat i alta-reflectivitat, es poden gestionar nivells de potència òptica extremadament elevats. Fins i tot quan es requereixen diversos miralls, la seva velocitat de transmissió (el percentatge de potència de sortida a potència d'entrada) pot ser molt propera al 100%. Els miralls dielèctrics només són efectius dins d'un rang limitat de longituds d'ona. Per tant, aquests equips solen fabricar-se per a tipus específics de làsers, adequats per a làsers Nd:YAG i Yb:YAG a longituds d'ona de 1064 nm i 1030 nm, però no operables a longituds d'ona de 1500 nm o 2000 nm. Tanmateix, hi ha miralls disponibles al mercat per a una àmplia gamma de longituds d'ona, des de l'ultraviolat (p. ex., làsers excímers), fins al rang visible (p. ex., làsers Yb:YAG de freqüència-doblat) i fins a l'interval infrarojo (p. ex., làsers de CO2). El sistema de transmissió del feix més senzill té un recorregut del feix fix, per exemple, només implica una o dues deflexions de 90 graus per dirigir el feix originalment horitzontal cap avall cap a la peça de treball. Tot el camí del feix està tancat en un sistema de conductes hermètics, al final del qual hi ha el capçal de processament làser. El camí es pot modificar substituint elements de segellat, però no es pot modificar durant el funcionament.
Una solució clàssica de transmissió de feix d'espai lliure-és el braç del mirall articulat, on s'aconsegueix un recorregut de llum mòbil a través de miralls integrats al braç reflectant articulat. El disseny de l'articulació garanteix que només es mou quan s'aplica un parell mínim; en cas contrari, roman en posició. El pes dels components es pot compensar amb contrapesos, molles o altres mitjans, facilitant els ajustos de posició. Per aconseguir un moviment suau i una posició estable del feix, evitant problemes com la deriva i la vibració, els dispositius optomecànics utilitzats han de ser molt precisos. Al final del sistema òptic de transmissió del feix, normalment es connecta un dispositiu òptic, com ara un auricular, un capçal de processament làser fix o un capçal d'escaneig. Normalment, el feix està enfocat a l'àrea d'aplicació, mentre que en altres casos il·lumina una àrea objectiu més gran.
03 Sistema de transmissió de raigs de fibra òptica La transmissió de fibra òptica és un mètode molt flexible per lliurar raigs làser. Normalment, les fibres utilitzades per a la transmissió del làser s'encapsulen en cables òptics protectors que inclouen una funda exterior per protegir les fibres fràgils i també poden integrar funcions addicionals, com ara un sistema de control de cable-integrat que pot detectar les fuites del làser a causa de danys accidentals a la fibra en temps real. La fibra de quars, com la fibra de vidre òptica més comuna, pot proporcionar energia lluminosa amb pèrdues de transmissió molt baixes en un rang de longitud d'ona específic, amb distàncies de transmissió de diversos metres o fins i tot més. El seu rang de longituds d'ona cobreix la regió de l'infraroig proper-on operen la majoria de làsers industrials. Tanmateix, les limitacions d'aquest material també són evidents. En aplicacions d'alta-potència, les fibres de quars tenen capacitats de transmissió limitades en el rang ultraviolat (com ara els làsers excímers) i el rang-infraroig llunyà. Un exemple típic és que per a un làser de CO₂ amb una longitud d'ona de 10600 nm, actualment gairebé no hi ha fibres madures capaços de transmetre eficaçment el seu feix de gran-potència, i els braços articulats són una solució d'ús habitual en aquest camp. Com més gran sigui la potència òptica a transmetre, més gran ha de ser el diàmetre del nucli de la fibra. Això és en part per reduir la densitat de potència dins del nucli per evitar danys i en part per fer coincidir el producte de paràmetres de feix més gran (BPP) que normalment s'associa amb fonts làser d'alta potència-. Per acoblar eficaçment el làser a la fibra, la fibra necessita una obertura numèrica (NA) prou gran, que ve determinada per la diferència d'índex de refracció entre el nucli i el revestiment. La combinació d'un gran diàmetre de nucli i NA alta condueix a un gran nombre de modes guiats, fent que la propagació del feix dins de la fibra sigui extremadament complexa. Fins i tot si la pèrdua òptica global és petita, la redistribució d'energia entre diferents modes sovint condueix a una disminució de la brillantor del feix, que es coneix habitualment com a qualitat del feix reduïda. Les sortides de fibra solen estar equipades amb elements òptics addicionals, com ara capçals de processament o capçals d'escaneig. Essencialment, aquest capçal determina la posició i la direcció del feix, i només moure el cable de fibra té poc impacte en les característiques del feix. No obstant això, la flexió de la fibra provoca fàcilment l'acoblament de modes, que altera la distribució de potència entre els modes de fibra, afectant tant la divergència del feix de la fibra com el "centroide" de la distribució d'intensitat a la sortida de la fibra, que pot provocar una disminució corresponent en la qualitat del feix de sortida.
