01Introduzione
Attualmente sono stati sviluppati diversi tipi di sistemi di emissione del fascio, che essenzialmente guidano il fascio dalla sorgente luminosa all'area di applicazione. Nella maggior parte dei casi, la sorgente luminosa utilizzata è un qualche tipo di laser, ad esempio, nella lavorazione laser dei materiali, è necessario guidare l'uscita di un laser industriale sul pezzo in lavorazione in modo che sia esposto al laser. Nella lavorazione industriale, i sistemi di consegna del raggio vengono solitamente utilizzati insieme alla tecnologia robotica. Tipicamente, la testa di lavorazione laser sul braccio robotico è alimentata da un laser stazionario. Un altro approccio consiste nel montare un laser sufficientemente compatto e robusto direttamente sul braccio robotico per ridurre al minimo la lunghezza del percorso del raggio richiesto e massimizzare la mobilità. Il vantaggio dei sistemi di erogazione del raggio è che consentono di posizionare la sorgente laser in un'area protetta e di facile manutenzione piuttosto che vicino all'area di applicazione. Inoltre, i sistemi di erogazione mobili consentono anche di spostare il raggio laser su una vasta area senza spostare il laser pesante stesso. Tuttavia, per i sistemi di erogazione di fasci lunghi, potrebbero esserci anche alcuni inconvenienti, come perdita di potenza ottica, limitazioni dovute a effetti non lineari o problemi di ampliamento degli impulsi (per impulsi ultracorti).
02Sistema di trasmissione del raggio spaziale gratuito-
Il raggio di uscita-nello spazio libero di un laser può essere guidato utilizzando specchi. Se si utilizzano specchi dielettrici di alta-qualità e-riflettività elevata, è possibile gestire livelli di potenza ottica estremamente elevati. Anche quando sono necessari più specchi, la loro velocità di trasmissione (la percentuale tra potenza in uscita e potenza in ingresso) può essere molto vicina al 100%. Gli specchi dielettrici sono efficaci solo entro un intervallo di lunghezze d'onda limitato. Pertanto, tali apparecchiature sono solitamente prodotte per tipi specifici di laser, adatte per laser Nd:YAG e Yb:YAG a lunghezze d'onda di 1064 nm e 1030 nm, ma non utilizzabili a lunghezze d'onda di 1500 nm o 2000 nm. Tuttavia, sul mercato sono disponibili specchi per un'ampia gamma di lunghezze d'onda, dall'ultravioletto (ad esempio, laser ad eccimeri), alla gamma visibile (ad esempio, laser Yb:YAG con frequenza-raddoppiata) e alla gamma dell'infrarosso (ad esempio, laser CO2). Il sistema di trasmissione del raggio più semplice ha un percorso del raggio fisso, che ad esempio comporta solo una o due deflessioni di 90 gradi per dirigere il raggio originariamente orizzontale verso il basso sul pezzo in lavorazione. L'intero percorso del raggio è racchiuso in un sistema di condotti ermetici, alla fine del quale si trova la testa di lavorazione laser. Il percorso può essere modificato sostituendo gli elementi di tenuta, ma non può essere modificato durante il funzionamento.
Una classica soluzione di trasmissione del fascio nello spazio libero- è il braccio dello specchio incernierato, in cui un percorso luminoso mobile viene ottenuto attraverso specchi integrati nel braccio riflettente incernierato. Il design del giunto garantisce che si muova solo quando viene applicata una coppia minima; altrimenti rimane in posizione. Il peso dei componenti può essere compensato mediante contrappesi, molle o altri mezzi, facilitando le regolazioni della posizione. Per ottenere un movimento fluido e una posizione stabile del raggio, evitando problemi quali deriva e vibrazioni, i dispositivi optomeccanici utilizzati devono essere estremamente precisi. All'estremità del sistema ottico di trasmissione del raggio viene tipicamente collegato un dispositivo ottico, come una cuffia, una testa di elaborazione laser fissa o una testa di scansione. Solitamente il raggio è focalizzato sull'area di applicazione, mentre in altri casi illumina un'area target più ampia.
03 Sistema di trasmissione del raggio in fibra ottica La trasmissione in fibra ottica è un metodo altamente flessibile per fornire raggi laser. In genere, le fibre utilizzate per la trasmissione laser sono incapsulate in cavi ottici protettivi che includono una guaina esterna per proteggere le fibre fragili e possono anche integrare funzionalità aggiuntive, come un sistema di monitoraggio dei cavi integrato-in grado di rilevare in tempo reale la perdita di laser dovuta a danni accidentali alla fibra. La fibra di quarzo, come la più comune fibra di vetro ottico, può fornire energia luminosa con una perdita di trasmissione molto bassa su uno specifico intervallo di lunghezze d'onda, con distanze di trasmissione di diversi metri o anche oltre. La sua gamma di lunghezze d'onda copre la regione del vicino-infrarosso dove opera la maggior parte dei laser industriali. Tuttavia, anche i limiti di questo materiale sono evidenti. Nelle applicazioni ad alta-potenza, le fibre di quarzo hanno capacità di trasmissione limitate nella gamma dell'ultravioletto (come i laser ad eccimeri) e nella gamma dell'infrarosso lontano. Un tipico esempio è che per un laser a CO₂ con una lunghezza d'onda di 10600 nm, attualmente non esistono quasi fibre mature in grado di trasmettere efficacemente il suo raggio ad alta-potenza, e i bracci articolati sono una soluzione comunemente utilizzata in questo campo. Maggiore è la potenza ottica da trasmettere, maggiore deve essere il diametro del nucleo della fibra. Ciò serve in parte a ridurre la densità di potenza all'interno del nucleo per evitare danni e in parte a corrispondere al prodotto dei parametri del fascio (BPP) più ampio tipicamente associato alle sorgenti laser ad alta-potenza. Per accoppiare efficacemente il laser alla fibra, la fibra necessita di un'apertura numerica (NA) sufficientemente grande, che è determinata dalla differenza di indice di rifrazione tra il nucleo e il rivestimento. La combinazione di un grande diametro del nucleo e di un elevato NA porta a un gran numero di modalità guidate, rendendo estremamente complessa la propagazione del fascio all'interno della fibra. Anche se la perdita ottica complessiva è ridotta, la ridistribuzione dell’energia tra le diverse modalità spesso porta a una diminuzione della luminosità del fascio, comunemente definita qualità del fascio ridotta. Le uscite in fibra sono generalmente dotate di elementi ottici aggiuntivi, come teste di elaborazione o teste di scansione. Essenzialmente, questa testa determina la posizione e la direzione del raggio e il semplice spostamento del cavo in fibra ha un impatto minimo sulle caratteristiche del raggio. Tuttavia, piegare la fibra provoca facilmente un accoppiamento modale, che altera la distribuzione di potenza tra i modi della fibra, influenzando sia la divergenza del fascio dalla fibra che il "centroide" della distribuzione dell'intensità all'uscita della fibra, portando potenzialmente a un corrispondente calo della qualità del fascio in uscita.
