01Inleiding
Er zijn momenteel verschillende soorten straalafgiftesystemen ontwikkeld, die de straal in essentie van de lichtbron naar het toepassingsgebied leiden. In de meeste gevallen is de gebruikte lichtbron een soort laser. Bij de verwerking van lasermateriaal is het bijvoorbeeld noodzakelijk om de uitvoer van een industriële laser naar het werkstuk te leiden, zodat dit wordt blootgesteld aan de laser. Bij industriële verwerking worden straalafgiftesystemen meestal gebruikt in combinatie met robottechnologie. Normaal gesproken wordt de laserverwerkingskop op de robotarm gevoed door een stationaire laser. Een andere benadering is om een voldoende compacte en robuuste laser rechtstreeks op de robotarm te monteren om de benodigde lengte van het straalpad te minimaliseren en de mobiliteit te maximaliseren. Het voordeel van systemen voor straalafgifte is dat de laserbron hierdoor in een beschermd en gemakkelijk te onderhouden gebied kan worden geplaatst in plaats van in de buurt van het toepassingsgebied. Bovendien maken beweegbare afleversystemen het ook mogelijk dat de laserstraal over een groot gebied wordt verplaatst zonder de zware laser zelf te verplaatsen. Voor systemen voor het leveren van lange bundels kunnen er echter ook enkele nadelen zijn, zoals optisch vermogensverlies, beperkingen als gevolg van niet-lineaire effecten of problemen met pulsverbreding (voor ultrakorte pulsen).
02Gratis-Space Beam-transmissiesysteem
De vrije -ruimte-uitvoerstraal van een laser kan worden geleid met behulp van spiegels. Als diëlektrische spiegels van hoge-kwaliteit en hoge- reflectiviteit worden gebruikt, kunnen extreem hoge optische vermogensniveaus worden gehanteerd. Zelfs als er meerdere spiegels nodig zijn, kan hun transmissiesnelheid (het percentage uitgangsvermogen ten opzichte van het ingangsvermogen) zeer dicht bij de 100% liggen. Diëlektrische spiegels zijn alleen effectief binnen een beperkt golflengtebereik. Daarom wordt dergelijke apparatuur gewoonlijk vervaardigd voor specifieke typen lasers, geschikt voor Nd:YAG- en Yb:YAG-lasers bij golflengten van 1064 nm en 1030 nm, maar niet bruikbaar bij golflengten van 1500 nm of 2000 nm. Er zijn echter spiegels op de markt verkrijgbaar voor een breed scala aan golflengten, van ultraviolet (bijv. excimerlasers), tot het zichtbare bereik (bijv. frequentie-verdubbelde Yb:YAG-lasers) en tot het infraroodbereik (bijv. CO2-lasers). Het eenvoudigste straaltransmissiesysteem heeft een vast straalpad, waarbij bijvoorbeeld slechts één of twee afbuigingen van 90 graden nodig zijn om de oorspronkelijk horizontale straal naar beneden op het werkstuk te richten. Het gehele straalpad is ingesloten in een luchtdicht leidingsysteem, aan het einde bevindt zich de laserbewerkingskop. Het traject kan worden gewijzigd door het vervangen van afdichtingselementen, maar kan tijdens bedrijf niet worden gewijzigd.
Een klassieke oplossing voor vrije-bundeltransmissie in de ruimte is de scharnierende spiegelarm, waarbij een beweegbaar lichtpad wordt bereikt via spiegels die in de scharnierende reflecterende arm zijn geïntegreerd. Het gewrichtsontwerp zorgt ervoor dat het alleen beweegt als er een minimaal koppel wordt uitgeoefend; anders blijft het op zijn plaats. Het gewicht van de componenten kan worden gecompenseerd door contragewichten, veren of andere middelen, waardoor positieaanpassingen eenvoudiger worden. Om soepele bewegingen en een stabiele straalpositie te bereiken, waarbij problemen als drift en trillingen worden vermeden, moeten de gebruikte optomechanische apparaten zeer nauwkeurig zijn. Aan het uiteinde van het optische systeem voor straaltransmissie is doorgaans een optisch apparaat aangesloten, zoals een hoofdtelefoon, een vaste laserverwerkingskop of een scankop. Meestal is de straal gericht op het toepassingsgebied, terwijl hij in andere gevallen een groter doelgebied verlicht.
03 Glasvezeltransmissiesysteem Glasvezeltransmissie is een zeer flexibele methode voor het leveren van laserstralen. Normaal gesproken zijn de vezels die worden gebruikt voor lasertransmissie ingekapseld in beschermende optische kabels die een buitenmantel hebben om de kwetsbare vezels te beschermen en die ook extra functies kunnen bevatten, zoals een ingebouwd-kabelbewakingssysteem dat in realtime kan detecteren dat de laser lekt als gevolg van onbedoelde vezelbeschadiging. Kwartsvezel, de meest voorkomende optische glasvezel, kan lichtenergie leveren met een zeer laag transmissieverlies over een specifiek golflengtebereik, met transmissieafstanden van enkele meters of zelfs verder. Het golflengtebereik beslaat het nabije-infrarode gebied waar de meeste industriële lasers werken. De beperkingen van dit materiaal zijn echter ook duidelijk. In toepassingen met hoog-vermogen hebben kwartsvezels beperkte transmissiemogelijkheden in het ultraviolette bereik (zoals excimeerlasers) en het verre- infraroodbereik. Een typisch voorbeeld is dat er voor een CO₂-laser met een golflengte van 10.600 nm momenteel bijna geen volwassen vezels zijn die in staat zijn de bundel met hoog-vermogen effectief over te brengen, en gelede armen zijn een veelgebruikte oplossing op dit gebied. Hoe hoger het optische vermogen dat moet worden overgedragen, hoe groter de diameter van de vezelkern moet zijn. Dit is deels bedoeld om de vermogensdichtheid in de kern te verminderen om schade te voorkomen en deels om te voldoen aan het grotere bundelparameterproduct (BPP) dat doorgaans wordt geassocieerd met laserbronnen met hoog vermogen. Om de laser effectief in de vezel te kunnen koppelen, heeft de vezel een voldoende grote numerieke apertuur (NA) nodig, die wordt bepaald door het brekingsindexverschil tussen de kern en de bekleding. De combinatie van een grote kerndiameter en hoge NA leidt tot een groot aantal geleide modi, waardoor de voortplanting van de bundel binnen de vezel uiterst complex is. Zelfs als het totale optische verlies klein is, leidt energieherverdeling tussen verschillende modi vaak tot een verminderde bundelhelderheid, gewoonlijk aangeduid als verminderde bundelkwaliteit. Vezeluitgangen zijn doorgaans uitgerust met extra optische elementen, zoals verwerkingskoppen of scankoppen. In wezen bepaalt deze kop de positie en richting van de bundel, en het louter verplaatsen van de glasvezelkabel heeft weinig invloed op de eigenschappen van de bundel. Het buigen van de vezel veroorzaakt echter gemakkelijk moduskoppeling, waardoor de vermogensverdeling tussen de vezelmodi verandert, waardoor zowel de straaldivergentie van de vezel als het 'zwaartepunt' van de intensiteitsverdeling aan de vezeluitgang wordt beïnvloed, wat mogelijk kan leiden tot een overeenkomstige afname van de kwaliteit van de uitgangsbundel.
