Development of a 60W pulsed fiber laser amplifier for materials processing
Malzeme işleme için 60W darbeli fiber lazer yükselteci geliştirilmesi
- Tez No: 368914
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ALPAN BEK, DOÇ. DR. ASAF BEHZAT ŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Günümüzde fiber lazer teknolojisi, uygulamalı fiziğin en hızlı gelişen alanlarından bir tanesidir. Kompakt olarak tasarlanabilmesi, esnek ve taşınabilirliği, yüksek ışın kalitesi, hassas malzeme işleme kabiliyeti, yüksek verimlilikte çalışması, su ile soğutma gerektirmemesi, düşük bakım maliyetine sahip olması gibi önemli pratik avantajları bu gelişmedeki en önemli etkenler arasındadır. Endüstriyel olarak geliştirilen ve malzeme işlemek için kullanılan nanosaniye mertebesindeki darbelere sahip fiber lazer sistemlerinin neredeyse tamamına yakını Q-Switch konfigürasyonuna sahiptir. Malzeme işleme uygulamalarındaki tekrar frekansı, darbe enerjisi ve darbe süresi gibi önemli parametreler Q-Switch sistemlerde birbirinden bağımsız olarak ayarlanamamaktadır. Bu çalışmada malzeme işleme uygulamalarında kullanılmak üzere, iterbiyum katkılı, tümleşik, 60 W ortalama güce ve 20 kW'dan fazla tepe gücüne sahip, 1 µm dalga boyunda çalışan bir lazer kaynağı geliştirilmiş, lazerin çeşitli malzemeler üzerindeki etkisi incelenmiştir. MOPA mimarisi ile tasarlanan sistemde elektronik olarak modüle edilen bir lazer diyod aracılığıyla üretilen darbeler, tasarlanan yükselteçlerle bir kaç mW güç seviyesinden 60 W ortalama güce çıkartılmıştır. Q-Switch tasarımdan farklı olarak MOPA mimarisi bizlere darbe süresinin tekrar frekansından ve ortalama güçten bağımsız olarak ayarlanabilmesi imkanını vermiştir. Sistemden elde edilen lazerin ışın kalitesi neredeyse kırınımla sınırlı olup M2 ~ 1,5 seviyelerindedir. Sistem, fiberle tümleşik ve 100 kHz tekrar freakansında 0.6 mJ darbe enerjisine sahip olup, minimum 30 ns'ye kadar darbe süresine sahip lazer ışını üretebilmektedir. Çok kademeli tasarım sayesinde kendiliğinden yükseltilmiş ışıma (amplified spontaneous emission) baskılanmış ve son yükselteçte %76 optik verimlilik elde edilmiştir. Lazer yükselticinin geliştirilme aşamasının ardından, uygun maliyetlilik göz önüne alınarak sistemin endüstriyelleşmesi sağlanmıştır. Lazerin yükseltecinin oluşturulması sırasında kullanılan komponentler termal etkileri azaltabilecek şekilde dizayn edilen kompakt bir yapı içerisinde muhafaza edilerek son ürün haline getirilmiştir. Geliştirilen fiber lazer yükselteci, muadillerine göre birçok özgün özellik barındırmaktadır. Lazerle malzeme işleme uygulamalarında, yüksek kararlılık ve ışın kalitesi verimli işleme sonuçlarını kullanıcıyı sağlamaktadır. Düşük çekirdek yarıçaplı aktif ve pasif fiberler ve optimizasyonu yapılan fiber kaynakları ile elde edilen yüksek ışın kalitesi ile iyi bir odaklama imkanı sağlanmıştır. Malzeme ve lazer etkileşiminde, gücün etki ettiği alan (yoğunluk) işlemin sonucunu belirleyen yegane unsurlardan birisi olup, yüksek ışın kalitesi ile küçük bir alana etki malze işleme kalitesini arttırmaktadır. Sistemin farklı malzemeler üzerindeki işleme verimliliğini ve yeteneğini anlamak için mikrodelme, güneş hücresi kenar izolasyonu, derin kazıma ve renkli markalama gibi uygulamalar gerçekleştirilip lazer parametrelerinin bu uygulamalar üzerindeki etkisi tartışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Fiber lasers have the advantage of high beam quality, high efficiency, small size, air cooling and therefore much interest in the development of high power fiber laser systems have arisen recently in the world. Almost all commercially developed fiber lasers with nanosecond pulse duration, that are being used for material processing, are Q-switched systems. Vital parameters in the material processing such as repetition rate, pulse energy and pulse duration are correlated with each other and they cannot be adjusted independently in the Q-switch mechanism. In this study, ytterbium doped all-fiber laser amplifier with 60 W average power and more than 20 kW peak power at 1 µm wavelength was developed, and its potential for processing of different material types is investigated. This master-oscillator power-amplifier (MOPA) architectured system is composed of pulses, produced by an electronically pumped diode, and amplified by a series of fiber amplifiers. In contrast with Q-switch lasers, MOPA architecture allows us to adjust pulse duration, repetition rate and power independently. Beam quality is nearly diffraction limited, and the typical M2 value is1.5. The system is an all-fiber one where the maximum pulse energy achieved at 100 kHz repetition rate is 0.6 mJ and minimum pulse duration is ~30 ns at this energy level. Due to multi-stage architecture and special precautions, the system works without a high amplified spontaneous emission (ASE) level and shows an optical efficiency of 76%. After development of the laser amplifier, and certification of its materials processing capability, an industrial prototype was configured by taking the cost-efficiency into account . The laser components were placed into a compact case which has a simple design for thermal cooling. The developed industrial laser amplifier prototype has several unique properties with respect to other equivalent MOPA design fiber lasers. In material processing, high stability and high beam quality lead to high consistency. Reduced diameters of active and passive fiber cores and specially optimized fiber splices, which are used in the system architecture, result with higher beam quality thus the focusing is superior to many contemporary commercial lasers. As the intensity (areal power density) is the physical quantity that drives the nature of interaction of laser output with materials, the developed system offers long operation life-time due to its capability of operation at lower power levels than its contemporaries. In order to demonstrate the efficiency and the ability of processing various different kinds of materials with the developed laser amplifier system, a multitude of processing applications such as micro drilling, solar cell edge isolation, deep engraving and color marking were tested on metal, semiconductor and insulator surfaces and the results are discussing in relationship with various system operation parameters.
Benzer Tezler
- Avrupa Birliği sürecinde bölgesel kalkınma politikaları ve Avrupa Birliği hibe projelerinin katkıları
Regional development policies in the process of European Union and contributions of European Union grant projects
ORUÇ REİS KESEMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EkonomiBeykent Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİH ZEKİ İMAMOĞLU
- Hidrojen-brom akış pilleri için yüksek performanslı ve dayanıklı elektrotların B/N katkılı karbon siyahı yapılar ile geliştirilmesi
Development of high performance and durable electrodes for hydrogen-bromine flow batteries with B/N doped carbon black structures
BÜŞRANUR DUMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
EnerjiOndokuz Mayıs ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERKER FIÇICILAR
- Preliminary design of an electric propulsion system for lunar nanosatellite mission
Nano uydulu ay görevinde kullanılacak bir elektrik itki sisteminin ön tasarımı
EMİNE ÇALIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Effect of RF magnetron sputtering parameters on electrochromic properties of nickel oxide thin films
RF magnetron sıçratma parametrelerinin nikel oksit ince filmlerin elektrokromik özelliklerine etkisi
ECE KURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ZAYİM
DOÇ. DR. MUSTAFA ALTUN
- Farklı oryantasyonlardaki kompozit malzemelerin mekanik özelliklerine deniz suyu etkisinin incelenmesi
Investigation of sea water effect on mechanical properties of composite materials in different orientations
ERCÜMENT UĞUR YÜNCÜOĞLU
Doktora
Türkçe
2020
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYUP BAĞCI