01 مقدمه
انواع مختلفی از سیستم های تحویل پرتو در حال حاضر توسعه یافته اند که اساسا پرتو را از منبع نور به منطقه کاربردی هدایت می کنند. در اغلب موارد منبع نور مورد استفاده نوعی لیزر است، به عنوان مثال در پردازش مواد لیزری باید خروجی لیزر صنعتی به قطعه کار هدایت شود تا در معرض لیزر قرار گیرد. در فرآوری صنعتی، سیستمهای تحویل پرتو معمولاً همراه با فناوری روباتیک استفاده میشوند. به طور معمول، سر پردازش لیزری روی بازوی رباتیک توسط یک لیزر ثابت تامین می شود. روش دیگر نصب یک لیزر به اندازه کافی فشرده و قوی به طور مستقیم بر روی بازوی رباتیک است تا طول مسیر پرتو مورد نیاز را به حداقل برساند و تحرک را به حداکثر برساند. مزیت سیستم های انتقال پرتو این است که به منبع لیزر اجازه می دهد تا در یک منطقه محافظت شده و نگهداری آسان به جای نزدیک منطقه کاربردی قرار گیرد. علاوه بر این، سیستم های تحویل متحرک همچنین اجازه می دهد پرتو لیزر در یک منطقه بزرگ بدون حرکت لیزر سنگین حرکت کند. با این حال، برای سیستمهای ارسال پرتوهای بلند، ممکن است معایبی نیز وجود داشته باشد، مانند افت توان نوری، محدودیتهای ناشی از اثرات غیرخطی، یا مسائل گسترش پالس (برای پالسهای فوق کوتاه).
02-سیستم انتقال پرتو فضایی رایگان
با استفاده از آینه می توان پرتوی فضای آزاد خروجی لیزر را هدایت کرد. در صورت استفاده از آینههای دیالکتریک با کیفیت-بالا-با انعکاس{3}، سطوح توان نوری بسیار بالایی قابل کنترل است. حتی زمانی که چندین آینه مورد نیاز است، نرخ انتقال آنها (درصد توان خروجی به توان ورودی) می تواند بسیار نزدیک به 100٪ باشد. آینه های دی الکتریک فقط در محدوده طول موج محدودی موثر هستند. بنابراین، چنین تجهیزاتی معمولاً برای انواع خاصی از لیزرها، مناسب برای لیزرهای Nd:YAG و Yb:YAG در طول موجهای 1064 نانومتر و 1030 نانومتر ساخته میشوند، اما در طول موجهای 1500 نانومتر یا 2000 نانومتر قابل اجرا نیستند. با این حال، آینهها برای طیف گستردهای از طولموجها، از ماوراء بنفش (مثلاً لیزرهای اکسایمر)، تا محدوده مرئی (مثلاً لیزرهای فرکانس{17} دوبل Yb:YAG) و محدوده مادون قرمز (مثلاً لیزرهای CO2) در بازار موجود هستند. ساده ترین سیستم انتقال تیر دارای یک مسیر پرتو ثابت است، برای مثال شامل تنها یک یا دو انحراف 90 درجه برای هدایت پرتو افقی اولیه به سمت پایین به قطعه کار است. کل مسیر پرتو در یک سیستم مجرای هوادار محصور شده است که در انتهای آن سر پردازش لیزری قرار دارد. مسیر را می توان با جایگزینی عناصر آب بندی تغییر داد، اما نمی توان آن را در طول عملیات تغییر داد.
یک راه حل کلاسیک انتقال پرتو فضایی رایگان، بازوی آینه لولایی است که در آن یک مسیر نور متحرک از طریق آینه های ادغام شده در بازوی بازتابنده لولایی به دست می آید. طراحی اتصال تضمین می کند که تنها زمانی حرکت می کند که حداقل گشتاور اعمال شود. در غیر این صورت، در موقعیت خود باقی می ماند. وزن قطعات را می توان با وزنه های تعادل، فنرها یا وسایل دیگر جبران کرد و تنظیم موقعیت را آسان تر کرد. برای دستیابی به حرکت صاف و موقعیت پرتو پایدار، اجتناب از مسائلی مانند رانش و لرزش، دستگاه های اپتومکانیکی مورد استفاده باید بسیار دقیق باشند. در انتهای سیستم نوری انتقال پرتو، معمولاً یک دستگاه نوری مانند یک هدست، یک هد پردازش لیزری ثابت یا یک هد اسکن متصل میشود. معمولاً پرتو بر روی ناحیه کاربردی متمرکز می شود، در حالی که در موارد دیگر منطقه هدف بزرگ تری را روشن می کند.
03 سیستم انتقال پرتو فیبر نوری انتقال فیبر نوری روشی بسیار انعطاف پذیر برای ارسال پرتوهای لیزر است. به طور معمول، فیبرهای مورد استفاده برای انتقال لیزر در کابلهای نوری محافظ کپسوله میشوند که شامل یک غلاف بیرونی برای محافظت از فیبرهای شکننده است و همچنین ممکن است ویژگیهای اضافی مانند سیستم نظارت کابلی داخلی- را در خود جای دهد که میتواند نشت لیزر را به دلیل آسیب تصادفی فیبر در زمان واقعی تشخیص دهد. فیبر کوارتز، به عنوان رایج ترین فیبر شیشه ای نوری، می تواند انرژی نوری را با تلفات انتقال بسیار کم در یک محدوده طول موج خاص، با فواصل انتقال چندین متر یا حتی بیشتر، ارائه دهد. محدوده طول موج آن ناحیه-مادون قرمز نزدیک را که اکثر لیزرهای صنعتی در آنجا کار می کنند، پوشش می دهد. با این حال، محدودیت های این ماده نیز مشهود است. در کاربردهای پرقدرت، الیاف کوارتز قابلیت انتقال محدودی در محدوده فرابنفش (مانند لیزرهای اکسایمر) و محدوده مادون قرمز دور دارند. یک مثال معمولی این است که برای لیزر CO2 با طول موج 10600 نانومتر، در حال حاضر تقریباً هیچ فیبر بالغی وجود ندارد که بتواند به طور مؤثر پرتوی توان بالا{12} آن را منتقل کند و بازوهای مفصلی راه حلی رایج در این زمینه هستند. هر چه توان نوری برای انتقال بیشتر باشد، قطر هسته فیبر باید بزرگتر باشد. این تا حدی برای کاهش چگالی توان در هسته برای جلوگیری از آسیب است و تا حدی برای مطابقت با محصول پارامتر پرتو بزرگتر (BPP) که معمولاً با منابع لیزری با قدرت{15} بالا مرتبط است. برای اتصال موثر لیزر به فیبر، فیبر به یک دیافراگم عددی به اندازه کافی بزرگ (NA) نیاز دارد که توسط اختلاف ضریب شکست بین هسته و روکش مشخص می شود. ترکیبی از قطر هسته بزرگ و NA بالا منجر به تعداد زیادی حالت هدایت شده می شود که انتشار پرتو در فیبر را بسیار پیچیده می کند. حتی اگر تلفات نوری کلی کم باشد، توزیع مجدد انرژی بین حالت های مختلف اغلب منجر به کاهش روشنایی پرتو می شود که معمولاً به عنوان کاهش کیفیت پرتو نامیده می شود. خروجی های فیبر معمولاً با عناصر نوری اضافی مانند هدهای پردازش یا هدهای اسکن مجهز هستند. اساساً این سر موقعیت و جهت تیر را تعیین می کند و صرفاً حرکت کابل فیبر تأثیر کمی بر ویژگی های تیر دارد. با این حال، خم شدن فیبر به راحتی باعث جفت شدن حالت می شود، که توزیع توان را در بین حالت های فیبر تغییر می دهد، و هم بر واگرایی پرتو از فیبر و هم بر "مرکز" توزیع شدت در خروجی فیبر تأثیر می گذارد و به طور بالقوه منجر به کاهش متناظر در کیفیت پرتو خروجی می شود.
