Увеличение мощности лазера. Масштабирование мощности лазеров: методы, преимущества и ограничения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое масштабирование мощности лазеров. Какие существуют методы увеличения мощности лазеров без потери качества луча. В чем преимущества и ограничения различных подходов к масштабированию мощности лазеров.

Содержание

Что такое масштабирование мощности лазеров

Масштабирование мощности лазеров — это процедура значительного увеличения выходной мощности лазера без потери других важных параметров, таких как качество луча. При этом должны соблюдаться следующие условия:

Сохраняется качество луча и другие ключевые характеристики
Не используются произвольно улучшенные компоненты (например, источники накачки с очень высокой яркостью)
Отсутствуют жесткие ограничения в виде чрезмерных температур, интенсивностей или нелинейных эффектов

Таким образом, простое увеличение мощности за счет ухудшения других параметров или использования более мощных компонентов не является истинным масштабированием мощности лазера.

Методы масштабирования мощности лазеров

Существует несколько основных подходов к масштабированию мощности лазеров:

1. Объединение лучей нескольких лазеров

Этот метод заключается в комбинировании лучей от нескольких независимых лазеров. Основные варианты:

Простое размещение лучей рядом друг с другом — увеличивает мощность, но ухудшает качество луча
Объединение с помощью поляризаторов — позволяет объединить 2 луча без потери качества
Спектральное объединение лучей — комбинирование лазеров с разными длинами волн
Когерентное сложение лучей — требует точной синхронизации фаз лазеров

2. Увеличение размера активной среды

При увеличении размера активной среды лазера пропорционально можно увеличить мощность накачки и выходную мощность. Этот метод используется в:

Тонкодисковых лазерах — увеличение диаметра диска
Волоконных лазерах — увеличение длины и диаметра волокна
Планарных волноводных лазерах

3. Использование новых геометрий активной среды

Разработка новых конфигураций активной среды, обеспечивающих эффективный теплоотвод и масштабирование. Примеры:

Тонкодисковые лазеры
Лазеры с инерционным охлаждением
Лазеры с жидкостным охлаждением активной среды

Преимущества масштабирования мощности лазеров

Основные преимущества методов истинного масштабирования мощности лазеров:

Возможность существенного увеличения мощности без потери качества луча
Сохранение высокой яркости (яркости) лазерного излучения
Улучшение эффективности по сравнению с простым увеличением количества лазеров
Возможность создания лазеров с очень высокой выходной мощностью (киловатты и выше)
Снижение стоимости в расчете на единицу мощности при увеличении масштаба

Ограничения масштабирования мощности лазеров

Однако любые методы масштабирования мощности лазеров имеют свои ограничения:

Тепловые эффекты в активной среде при очень высоких мощностях
Нелинейные оптические эффекты при высоких интенсивностях излучения
Механические напряжения в оптических элементах
Ограничения по мощности доступных источников накачки
Усиленное спонтанное излучение в активной среде большого объема
Сложность юстировки многолучевых систем

Поэтому для каждой конкретной лазерной системы существует предел масштабирования мощности, определяемый совокупностью различных факторов.

Области применения мощных лазеров

Развитие методов масштабирования мощности позволяет создавать все более мощные лазерные системы, которые находят применение в различных областях:

Промышленная обработка материалов (резка, сварка, термообработка)
Аддитивные технологии (3D-печать металлами)

Военные применения (лазерное оружие)
Научные исследования (термоядерный синтез, ускорители частиц)
Лазерные дисплеи и проекторы
Лазерная очистка поверхностей

Заключение

Масштабирование мощности лазеров — это ключевая технология, позволяющая создавать все более мощные и эффективные лазерные системы. Основные подходы включают объединение лучей, увеличение размеров активной среды и разработку новых геометрий. Несмотря на определенные ограничения, методы масштабирования мощности обеспечивают создание лазеров с выходной мощностью в сотни киловатт и выше при сохранении высокого качества излучения. Это открывает новые возможности применения мощных лазеров в промышленности, науке и других областях.

модули 405 nm на 1000 и 1500 mW

Здравствуйте. В своём сегодняшнем обзоре я расскажу о двух лазерных модулях для гравёра с потребляемой мощностью 1 и 1,5 Ватт. Я планировал сделать апгрейд своего лазерного гравёра, обзор на который был опубликован мной здесь ранее. Но не всё оказалось так однозначно. И создание обзора вызвало больше вопросов, чем ответов на них. Поэтому надеюсь на ваши советы в комментариях. Добро пожаловать под кат.

Я не специалист в лазерах и лазерный гравёр – мой первый опыт в этой области. Но я знаю, что здесь много увлечённых людей, которые смогут помочь советом и направить на путь истинный. )

Идея апгрейда возникла во время гравировки русского языка на клавиатуре, обзор на которую у меня тоже был на этом сайте:

Захотелось делать подобное побыстрее. А быстрее – значит нужен лазер большей мощности. Напомню, лазер в моём гравёре на 0,5 Ватт.

Начну с лазерного модуля на 1 Ватт, ссылка на который находится в заголовке обзора.

Specifications:
Material: Metal
Light Color: Blue-violet
Power: 1000mW
Wave Length: 405nm
Working Voltage: 5V
Item Size: 4.2 * 2.4 * 2cm / 1.65 * 0.94 * 0.79in
Item Weight: 42g / 1.5oz
Package Size: 10 * 6.5 * 2cm / 3.94 * 2.56 * 0.79in
Package Weight: 48g / 1.7oz

В комплект к модулю входит отвёртка и винты для крепления:

Сам лазерный модуль сразу вставлен в радиатор:

Вот эти два винта крепят лазерный модуль внутри радиатора:

Крепёжные отверстия на радиаторе для крепления на гравере:

Фокусировочная линза лазера:

Модуль на 1 Ватт точно такого же размера, как и на 0,5 Ватт:

Лазерный модуль крепится к гравёру двумя винтами:

Результаты испытаний будут в конце обзора, а пока откручиваем два винта и вынимаем лазерный модуль на 1 Ватт из радиатора:

Этот радиатор потребуется для лазерного модуля на 1,5 Ватта.

Вот ссылка на этот лазерный модуль на 1,5 Ватта стоимостью US$ 16.99: www.tomtop.com/p-e2184.html

В комплект не входят крепеж, отвёртка и радиатор, как в случае с лазером на 1 Ватт. Поставляется лазерный модуль на 1,5 Ватта в пакетике:

Вот его краткие характеристики со страницы магазина:

Specifications:
Material: Metal
Light Color: Violet
Power: 1500mW
Wave Length: 405nm
Input Voltage: 4.5-5V
Laser Working Temperature: 500°C
Item Size: 1 * 4.5cm / 0.39 * 1.77in(D * H)
Item Weight: 18g / 0.65oz
Package Size: 9 * 6.5 * 1cm / 3.54 * 2.56 * 0.39in
Package Weight: 19g / 0.67oz

Сверху лазерный модуль на 1 Ватт, снизу – на 1,5:

Лазерный модуль на 1,5 Ватта – немного длиннее одноваттного.

Устанавливаю лазер на 1,5 Ватт в радиатор:

И закрепляю в гравёре.

И вот результаты испытаний, а вместе с ними и вопросы.

Каким лазером сделаны картинки на картонке подписано над картинками. Настройки гравера – не менялись, скорость выжигания одна и та же:

Вот картонка на просвет:

Естественно, это совсем не то, что я ожидал.

Я измерял потребление гравёра от сети во время работы всех трёх лазерных модулей.

Вот потребление гравёра с лазерным модулем на 0,5 Ватт:

Логично было бы предположить, что установка более мощного лазерного модуля если не увеличит потребление, но никак уж не уменьшит ниже этого уровня. Однако, при установке лазерного модуля на 1 Ватт потребление гравёра упало на 1 Ватт:

А при установке лазерного модуля на 1,5 Ватта – потребление гравёра падает ещё на 0,5 Ватт:

Я измерил напряжение и ток, идущие непосредственно на лазерный модуль в 1,5 Ватт. Получается вообще какая-то ерунда:

Или гравёр не может обеспечить нужный ток для более мощного лазера, но почему тогда падает потребление? Или это программное ограничение? Учитывая то, что такие гравёры как мой, продаются и с другой мощностью лазеров, как раз 1 и 1,5 Ватт. Или запитать лазер от отдельного источника, поскольку, если это прошивка – то найти её будет более чем проблематично. Только вот тогда какой драйвер для лазера лучше использовать?

Надеюсь на ваши советы.

Для лазерного модуля на 1500mW существует купон HXF5OFF с ним цена составит $16.14.

Заранее спасибо за ваши советы.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Практическое использование лазера мощностью 5,5 Вт / О технике и электронике / iXBT Live

Рассказ о практическом применении в домашних условиях лазерного гравировального станка с рабочей площадью формата А3 после замены лазера c 2500mW на лазер с заявленной мощностью уже на 5500mW. Из обзора можно будет узнать, за сколько проходов такой лазер способен прожечь 3 мм и 4 мм фанеру, что для этого нужно и главное – что потом с этим делать.

Основным посылом к модернизации послужило желание вырезания поделок из фанеры. Хотя изначально, перед приобретением первого варианта, существовала необходимость лишь в резке фигурок из фетра, с чем, кстати сказать, предыдущий лазер справлялся отлично, в период проведения тестирования выяснилось, что и фанеру он тоже режет, но для этого требуется сравнительно много времени. Идея замены витала в воздухе не очень долго и скоро воплотилась в реальный заказ. Лазер поставляется в комплекте с блоком питания.

На корпусе лазера, представляющем собой по сути один сплошной радиатор, присутствует наклейка с указанием необходимого для него напряжения и выдаваемой мощности.

Блок питания рассчитан на 12v и 5А.

Использовать лазер можно «из коробки», т.к. плата управления уже встроена и расположена над кулером охлаждения радиатора. Для включения необходимо лишь подключить блок питания. После этого лазер включится на максимальной мощности. Для включения минимального режима служит одна единственная кнопочка на плате.

Судя по характеристикам, длина волны лазера составляет 450nm, цвет луча – синий. Совместного фото нового лазера со старым я, к сожалению, не сделал, но если в общем, то в первую очередь разница отчетливо заметна в размерах. Скорее всего, это связано с размером радиатора, который выглядит значительно больше и внушительнее. Кроме того, размер регулировочной части фокусной линзы также стал примерно в два раза больше.

Вот так выглядит лазер в установленном виде. Здесь же видно, что дополнительный кулер, препятствующий оседанию дыма на линзе лазера все таки был закреплен на каретке и теперь перемещается вместе с лазером. Вес его незначителен и пока это никак негативно не повлияло на работу шаговых двигателей.

Для крепления использована деталька от детского железного конструктора. При достаточной жесткости она довольно пластична, поэтому можно легко подобрать необходимый угол наклона кулера для конкретной ситуации.

Вместе с лазером были заказаны вот такие малюсенькие радиаторы(10х10 мм) на самоклеющейся основе.

Радиаторы приобретались для установки на двух микросхемках платы лазера, т.к. при работе устройства они довольно ощутимо нагреваются и были опасения за их состояние.

Первые тестовые испытания показали, что лазер действительно мощнее предыдущего, это с учетом одного и того же подхода к процедуре резки. То есть, как это ни странно констатировать, но «на глаз» мощность действительно увеличена примерно в два раза. Т.е. то, что на лазере в 2500mW резалось за 6-8 проходов теперь режется за 3-4. Но это пока… (об этом чуть позже). Первой толковой поделкой, по просьбе знакомых, попробовали сделать так называемую «медальницу».

Т.е. это вроде тематической вешалки для медалей. Поскольку станку по силам пока только фанера «тройка», то решили сделать две заготовки и затем, склеив их между собой, добиться необходимой прочности. На фото ниже видно, что первая попытка была не очень удачной, а все потому, что не всегда понятно, прорезалась фигура целиком или нет, к тому же, на это очень сильно влияет изгиб фанеры, которая не всегда является идеально ровной.

В конце концов, со второй попытки желаемое получилось, но суть в данном случае не в этом.

А в том, что устав каждый раз искать, на что положить заготовку, чтобы было видно снизу, насколько хорошо она прорезалась, было принято решение заколхозить какую-нибудь специальную приспособу для этих целей.

Модернизация станка

Потренировавшись, еще на предыдущем лазере в вырезании плоских поделок, давно хотелось попробовать сделать что то действительно полезное и интересное, например что то из разряда коробочек-шкатулочек. Но дело это, как Вы понимаете, не совсем простое, то есть конечно принцип тот же самый что и всегда – надо нарезать детальки и потом их соединить, но поскольку деталек получается достаточно много, то точность чертежа должна быть достаточной для того, чтобы по концовке работы не пришлось все выбрасывать, т.к. не получается их состыковать. К тому же, возвращаясь опять же к количеству деталек остро встает вопрос автоматизации резки с точки зрения необходимости выполнения нескольких проходов.

Далее я немного расскажу о создании интересной поделки из фанеры – шкатулки-книжки. Вот исходное (не мое) фото такой шкатулки.

Коробочка-шкатулка в общем то получилась, вырезалась она за 5 проходов (пятый это на всякий случай, для закрепления так сказать). Но почему то никак не покидало ощущение, что я делаю что то не совсем правильно, т.к. все таки хотелось большей производительности. Немного поразмыслив, мне в голову пришла одна интересная идея. Возможно скажу давно общепринятый факт, но пока лично не встречал подобного подхода, поэтому прошу заранее извинить.

Фокус про «Фокус»

Спойлер Итак, давайте вспомним, по какому принципу как правило настраивается фокусировочная линза лазера? При включенном на минимальной мощности лазере необходимо вращать регулировку фокуса линзы добиваясь на предполагаемой к обработке поверхности минимального размера пятна лазера и превращая его в идеале в точку. В данном случае минимальный размер пятна гарантирует нам максимальную мощность лазера, все казалось бы, правильно.

Но наблюдая за процессом резки меня сильно смущало то, что практически идеальный рез вначале процесса, к концу становился каким то слабым, местами даже не дорезая фанеру снизу. Так вот, если Вы еще не догадались к чему я веду, поясняю. При углублении лазера в фанеру тем самым получается, что с каждым проходом увеличивается расстояние от лазера до поверхности и при этом происходит что? — расфокусировка луча с неизбежным падением его мощности в конечной точке. Так и получается: чем глубже, тем хуже. Если так, то тогда напротив, сфокусировав луч немного ниже поверхности реза мы должны добиться увеличения мощности лазера ближе к противоположной поверхности. Для проверки своей теории я попробовал сфокусировать луч не на самой фанерке, а на поверхности под ней заранее предполагая, что ничего путного их этого не получится, т.к. пятно на фанерке должно было получиться не совсем маленьким и рез поэтому должен по идее сильно обугливаться. Но случилось чудо! Фанера тройка прорезается за два прохода до состояния «самовываливания», скорость реза при этом, согласно параметрам Бэнбокса составляла значение 150.

Но как всегда что? Не обошлось без нюансов. Главный из них состоит в том, что фанера должна лежать абсолютно ровно во всей плоскости реза, поэтому ее обязательно нужно притягивать. Вот в качестве примера два кружка, которые резались при одних и тех же параметрах. В первом случае фанера, даже при относительной «ровности», не притягивалась к направляющим и получился вот такой ужас.

Раздобыл небольшой кусок 4 мм фанерки. Попробовал прожечь. Получилось за три прохода до «самовываливания». Принцип фокусировки тот же, что и описан выше — по направляющей под фанеркой.

Удовлетворившись наконец полученным результатом мне захотелось продолжить свои эксперименты в области шкатулкостроения, целью которых является создание какой-нибудь красотищи. Но путь этот надо сказать весьма труден и тернист. После изготовления шкатулки-книжки я попытался подготовить чертежик под желаемые для себя размеры, но быстро понял, что хотя задача эта вполне себе выполнима, но вот затрачиваемое на это время ну совсем мне не понравилось. Дело в том, что необходимо очень тщательно подходить к размерам всех деталек чертежа чтобы потом они и стыковались в нужных местах и не вываливались при этом, ну и все это плюс зависит от сложности самой конструкции. В общем повозившись пару дней, я понял, что лень в очередной раз победила и стал искать способы автоматизации данного процесса. В среде людей, занимающихся вырезанием на мощных лазерных CO2-станках (от 40Вт) большой популярностью пользуется разработка чертежей в Corel Draw для которого существуют специализированные программы-макросы, способные строить различные чертежи коробочек по задаваемым пользователем параметрам.

Встречаются как бесплатные так и платные разработки. Задавшись целью создания красивой резной шкатулки, я быстро понял, что среди бесплатных программ ловить особенно нечего, так как практически все они заточены лишь на простые модельки коробочек. В результате поиска удалось натолкнуться на весьма хорошую разработку под названием «Конструктор Шкатулок». Конструктор Шкатулок представляет собой макрос под Corel Draw для быстрого проектирования различных объемных конструкций из листового материала (в основном – дерева). На специализированном форуме данному макросу посвящено отдельное обсуждение, в котором сам разработчик принимает активное участие. Кстати о разработчике, надо отдать ему должное, т.к. такого подробного и доступного для восприятия руководства пользователя, я давно не видел. Достаточно его просто внимательно почитать и уже начинает складываться впечатление, что сам пользуешься этой программой пару недель. Далее я не буду подробно рассказывать, что и для чего предназначено в программе, т.к. сделать это лучше, чем уже описано в руководстве все равно не получится. Существует бесплатная версия подобного макроса под названием «Конструктор коробок», но по довольно утилитарному названию несложно догадаться для чего он предназначен и если, к примеру, творческая составляющая коробки Вас не особо интересует, то данный макрос вполне подойдет. Скачав, установив и посмотрев что к чему в бесплатной версии, а также внимательно почитав вышеуказанное руководство я понял, что платная версия – это именно то, что нужно в моем случае. Сразу отмечу, что стоимость полноценной программы оказалась не настолько высокой как я думал, и сопоставима со стоимостью одной-двух шкатулок, сделанных по созданным с ее помощью чертежам. К тому же в преддверии новогодних праздников автор предоставляет на нее скидку. Короче купил я этот макрос. Установки как платной так и бесплатной версии макроса как таковой не требуется, достаточно просто скопировать файл в специализированную папку Корела до его запуска (в моем случае это «C:\Program Files (x86)\Corel\CorelDRAW Graphics Suite X8\Draw\GMS\»). Далее необходимо запустить Корел и перейти в соответствующие пункты меню, как показано на картинках ниже.

Для первого раза я решил попробовать сделать простую коробочку, но с открывающейся на петельках крышечкой. Для этого необходимо выбрать желаемый тип изделия из предложенного списка.

Делаем коробочку с крышечкой

Ну вот, настало наконец время замахнуться на что-то красивое и резное – приступаем к изготовлению шкатулки.

Делаем резную шкатулку

Покрываем шкатулку морилкой и получаем вот такую красоту. Покрыть лаком пока руки еще не дошли.

В заключение хотел рассказать о еще одной интересной возможности использования лазера. Мы же еще не забыли, что это не просто средство для резки? Он же еще и гравирует. А кто сказал, что гравировка должна быть просто плоской картинкой? А что если попробовать гравировать с меньшей скоростью, что тогда получится?

Глубокая гравировка

Видео с демонстрацией работы лазера

Отмечу, что конечно при резке больших деталей сложно хорошо притянуть заготовку по всей плоскости и в таких местах не всегда получается прорезать за два прохода, но в целом с применением вышеописанного способа фокусировки картина получается вполне приемлемая.

Вот такой вот он, лазер на 5,5Вт.

В продаже также есть готовый комплект лазерного станка 5500mW для самостоятельной сборки, кроме того стали появляться уже более мощные станки на 10000mW, которые, как заявляется, способны делать гравировку на металлических поверхностях.

Кстати, можно существенно сэкономить и вернуть % от покупки с помощью Кэшбэк-сервиса.

Спасибо за внимание и всем добра.

Рейтинг ТОП 7 лучших лазерных граверов: какой выбрать

Лазерная гравировка может стать и увлекательным хобби, и прибыльным бизнесом. Для нанесения надписей и изображений на твердые поверхности используют специальные устройства – граверы. Они выжигают верхний слой материала с помощью лазера, усиленного через линзы. В этой статье мы собрали семь лучших устройств, доступных на рынке.

Виды граверов

При поиске гравера покупатели могут наткнуться на несколько разновидностей этих устройств. Выделяют такие виды, как:

аккумуляторные граверы;
электрические;
граверы с гибким валом;
лазерные граверы;
газовые;
твердотельные.

Каждый вид гравера обладает особыми характеристиками и используется в индивидуальных случаях.

Для чего нужен

Главное назначение граверов – обработка твердотельных материалов. В зависимости от вида гравера он может обработать дерево, камень, стекло и металл. Помимо нанесения надписей и изображений. с помощью этих машин можно шлифовать, фрезеровать, резать и сверлить. Обширный функционал устройства обеспечивают различные насадки. Применяются граверы главным образом для точечной и деликатной обработки, в частности, в ювелирном и часовом деле, декоре, дизайне.

Рейтинг ТОП 8 лучших лазерных граверов

Для отбора лучших моделей граверов мы обратились к отзывам покупателей. Решение о включении устройства в рейтинг принималось на основе выставленных средних оценок покупателей. Итоговый список выглядит таким образом:

Gistroy;
KKMOON Engraving Machine;
Moski-MSQ Laser AS-5;
Wolike Mini 3000mW;
Neje DK-8-KZ;
Moski-MSQ CNC-2418;
Vassal 5065;
Feungsake PD271.

Рассмотрим каждую модель по отдельности.

Gistroy

Портативный лазерный станок отличается своей надежностью и качеством материалов, о чем говорит стальная конструкция и профессиональные японские светодиоды, рассчитанные на 10000 часов работы. Наносить гравировку возможно на практически

RP Photonics Encyclopedia — масштабирование мощности лазеров, масштабируемость, масштабирование яркости, яркость, процедура масштабирования, мощный лазер, тонкий диск, волоконные лазеры

Энциклопедия> буква P> масштабирование мощности лазеров

Определение: процедура значительного увеличения выходной мощности лазеров

Альтернативные термины: масштабирование сияния, масштабирование яркости

Немецкий язык: Leistungsskalierung von Lasern

Категории: лазеры, методы

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

Начнем с предупреждения: термин масштабирование мощности часто используется довольно неуместно, имея в виду не что иное, как улучшение выходной мощности лазера каким-либо образом. Фактическое значение этого термина должно включать в себя гораздо больше, чем это [7]: четко определенная систематическая процедура масштабирования , которая позволяет существенно и многократно увеличивать выходную мощность , не усугубляя основные проблемы , то есть

без потери других важных рабочих параметров, таких как качество луча,
, не полагаясь на произвольно улучшенные системные компоненты (например,г. источники накачки с произвольно высокой яркостью) и
, не врезаясь в более или менее твердую стену, например в виде чрезмерных пиковых температур или температурных градиентов, вредных уровней оптической интенсивности или чрезмерных нелинейных эффектов

Например, это , а не масштабирование мощности, когда выходная мощность лазера увеличивается следующими способами:

путем параллельного размещения нескольких излучателей, при этом качество луча снижается с увеличением количества излучателей
путем объединения поляризационных пучков (поляризационная связь) двух диодов накачки или путем криогенного охлаждения усиливающей среды (поскольку такие меры нельзя повторить)
с использованием диода накачки с большей яркостью
в результате конструктивных изменений, в результате которых критический компонент снижается с 40% до 80% порога повреждения

Масштабирование сияния — хороший альтернативный термин.

Если мощность увеличивается при сохранении качества луча (и выполняются некоторые другие условия, как обсуждается ниже), можно также использовать термин масштабирование яркости (или масштабирование яркости). Для многих лазерных приложений увеличенная мощность лазера действительно полезна только в том случае, если также увеличивается яркость.

Только для определенных лазерных архитектур с масштабируемой мощностью предоставляется истинная масштабируемость мощности. Истинная масштабируемость связана с четко определенной процедурой масштабирования , которая точно определяет e.г. как удвоить выходную мощность, исходя из заданной рабочей конструкции. Например, форма такой процедуры масштабирования может быть следующей: чтобы удвоить выходную мощность, удвоить мощность накачки, применить ее к удвоенной площади моды в усиливающей среде, уменьшить параметр X наполовину при сохранении параметра Y Постоянная ; это удвоит выходную мощность без увеличения вредного воздействия Z .

Рисунок 1: Процедура масштабирования (SP) позволяет, например, модифицировать конструкцию лазера так, чтобы его выходная мощность удваивалась, при этом соблюдаются некоторые другие ограничения (см. текст).

Конечно, любая процедура масштабирования мощности в конечном итоге достигнет некоторых ограничений, предотвращая масштабирование до произвольно больших мощностей. Однако масштабируемость мощности системы, по крайней мере, обеспечивает широкий диапазон возможностей, в которых относительно легко добиться прогресса.

Методы масштабирования мощности

Концептуально простым, хотя и не очень привлекательным примером масштабирования мощности было бы совмещение коллимированных лучей независимо работающих лазеров рядом друг с другом. Таким образом, можно достичь практически неограниченного количества выходной мощности, просто комбинируя необходимое количество лазеров.Однако даже несмотря на то, что суммарная мощность увеличивается пропорционально количеству лазеров, качество луча комбинированного выхода снижается (поскольку площадь луча увеличивается, а расходимость луча остается постоянной), а яркость (яркость) в лучшем случае остается на уровне уровень одиночного лазера.

Таким образом, легко увидеть, что методы масштабирования мощности, которые сохраняют качество луча, очень желательны. Для объединения лучей с несколькими лазерами [6] лучи должны быть наложены так, чтобы получился единственный выходной луч с аналогичными параметрами.Всего для двух лучей, имеющих четко определенные состояния поляризации, может быть достаточно простого поляризатора (например, поляризационного куба) (→ пучок поляризации, объединяющий ), но этот метод нельзя повторить, поскольку он приводит к неполяризованному пучку. Для большого количества комбинированных балок существуют различные методы:

(Подробнее см. Статью о совмещении лучей.)

Такие методы позволяют масштабировать выходную мощность без ухудшения качества луча, но все же за счет увеличения количества компонентов.Другие методы масштабирования мощности основаны на конструкции одного мощного лазера. Однако не каждый тип лазера подходит для точного масштабирования мощности. Например, простой стержневой лазер с торцевой или боковой накачкой будет проявлять все более серьезные тепловые эффекты при увеличении мощности накачки. Изменение области моды в этом случае не помогает: в то время как больший луч накачки снижает фокусирующую способность тепловой линзы, больший режим лазера более чувствителен к линзированию, так что качество луча и, в конечном итоге, также снижается энергоэффективность.

Хорошим примером конструкции лазера с масштабированием мощности является лазер на тонком диске [1]. В данном случае масштабируемость мощности обусловлена особой геометрией с продольным тепловым потоком. В широком диапазоне выходных мощностей масштабирование мощности возможно только за счет увеличения площади моды в усиливающей среде (тонком диске) пропорционально мощности накачки и выходной мощности. Если применяется эта процедура масштабирования, максимальное отклонение температуры в диске существенно не увеличивается, так как охлаждаемая площадь увеличивается пропорционально мощности. Более того, фокусирующая способность тепловизионной линзы, возникающая из-за поперечного градиента температуры, даже снижается для моделей с более высоким оптическим увеличением; это просто компенсирует тот факт, что большая мода лазера более чувствительна к линзированию. Таким образом, выходная мощность может быть увеличена до тех пор, пока другие эффекты не ограничат производительность — например, эффекты, связанные с механическим напряжением в диске, которое увеличивается с увеличением мощности, или усиленным спонтанным излучением в поперечном направлении, что в конечном итоге ограничит мощность, достижимую от один диск.Такие эффекты можно существенно уменьшить, например, с помощью составного (легированного / нелегированного) диска. Бывшая исследовательская группа автора продемонстрировала, что даже лазеры на тонких дисках с пассивной синхронизацией мод можно масштабировать по мощности в широком диапазоне.

Slab-лазеры также предлагались как технология с масштабированием мощности. Подобно лазерам на тонких дисках, охлаждаемая область лазерной пластины масштабируется для более высоких мощностей, так что повышение температуры, температурный градиент и индуцированное напряжение не нужно увеличивать для более высоких мощностей [4].Однако эффективное извлечение мощности с высоким качеством луча является проблемой. Работу, близкую к дифракционно-ограниченной, будет все труднее достичь по мере увеличения мощности.

Метод промежуточного масштабирования, который также иногда используется, увеличивает количество лазерных головок, но использует их в одном лазерном резонаторе. Можно ожидать, что комбинированный эффект искажения луча в лазерных головках вскоре испортит качество луча, но есть так называемые периодические резонаторы [2], где это не так.Тем не менее количество используемых лазерных головок обычно довольно ограничено практическими факторами.

Волоконные лазеры и усилители: как насчет масштабируемости мощности?

Интересный вопрос: можно ли масштабировать мощность волоконных лазеров и усилителей с накачкой оболочки. Общий ответ невозможен из-за множества применяемых методов и зависимости от конкретных требований, например с точки зрения формата вывода (непрерывный, возможно, с узкой полосой пропускания, импульсный и т. д.)) и качества луча.

Это не вариант масштабирования реальной мощности для увеличения выходной мощности при сохранении постоянной площади моды, потому что это увеличивает оптическую интенсивность. Интенсивность в существующих мощных волоконных лазерах и усилителях уже очень высока — на порядки выше, чем, например, в лазерах на тонких дисках, и не так уж далеко от допустимых пределов. Следовательно, область режима также должна быть увеличена. Однако область моды ограничена порядком 1000–3000 мкм ² для одномодовых сердечников, и работа с оптимизированными многомодовыми сердечниками также не позволяет значительно увеличить модовые области, пока требуется работа, близкая к дифракционно-ограниченной.

Различные другие факторы также могут повлиять на масштабируемость — например, ввод мощности накачки в концы волокна. Для заданной яркости диодов накачки увеличение мощности требует увеличения внутреннего диаметра оболочки. Это снижает поглощение насоса на единицу длины. Чтобы компенсировать это, необходимо либо также увеличить диаметр сердцевины (в конечном итоге ухудшить качество луча), либо увеличить длину волокна. Последнее делает нелинейные эффекты более серьезными, что может иметь или не иметь значения в зависимости от обстоятельств.В некоторой степени эффективная нелинейность может быть уменьшена за счет использования более высоколегированных волокон, которые могут быть короче. Однако это ограничено не только возможными эффектами гашения, но и допустимой тепловой нагрузкой на метр волокна.

Огромный прогресс в работе мощных оптоволоконных устройств с дифракционным ограничением, достигнутый в последние годы, не является само по себе доказательством масштабируемости мощности, а скорее должен рассматриваться как результат систематической оптимизации, включающей значительно улучшенные диоды накачки и формирователи пучка, новые методы передачи мощности накачки в волокна, оптимизированные волокна с двойной оболочкой с большими модовыми площадями и улучшенное понимание того, как идеально соответствовать всем параметрам конструкции для достижения оптимальных характеристик. В отличие от настоящей процедуры масштабирования мощности, этот прогресс опирался на постоянно улучшаемые компоненты и привел к значительному увеличению оптической интенсивности в волокнах, а также к гораздо более высоким тепловым нагрузкам на метр. Следовательно, следует ожидать, что огромный прогресс, достигнутый в последние годы, вскоре будет существенно замедлен, когда особенно нелинейности станут слишком сильными.

Конечно, все еще существует возможность комбинирования лучей на выходе нескольких или даже многих волокон, но за счет потери некоторых значительных преимуществ однокомпонентных устройств.

Заключительные замечания

Мы видели, что концепция масштабирования мощности в осмысленном смысле должна основываться на четко определенной и повторяемой процедуре масштабирования. Если дана такая истинная масштабируемость мощности, характеристики лазера могут быть увеличены в широком диапазоне выходных мощностей, не полагаясь на новые материалы (например, с более высоким порогом повреждения), произвольно улучшенные компоненты (например, диоды накачки с более высокой яркостью) или дополнительные изобретения ( например, чтобы держать под контролем тепловые эффекты). Однако большинство используемых до сих пор лазерных архитектур не масштабируемы по мощности в таком смысле, по крайней мере, не за пределы уже реализованных уровней мощности, и когда требуется высокое качество луча.

Следует подчеркнуть, что масштабируемость мощности некоторых лазерных архитектур сильно зависит от различных граничных условий, таких как требования в отношении качества луча и выходного формата (импульсный или непрерывный). Например, мощные волоконные лазеры и усилители могут масштабироваться в режиме многих киловатт при условии, что не требуется высокое качество луча.Кроме того, нелинейные эффекты могут быть гораздо более серьезными для устройств, которые используются в импульсном режиме, и в таких случаях могут испортить масштабируемость.

Соображения масштабирования мощности, применяемые либо ко всей лазерной архитектуре, либо к отдельным аспектам, особенно полезны для оценки потенциала некоторой архитектуры или техники для применения в режимах мощности, которые еще не были экспериментально исследованы. Некоторые аспекты могут демонстрировать благоприятные свойства масштабирования, так что они не вызовут значительных проблем при высоких уровнях мощности, даже если соответствующие эффекты не являются незначительными в устройствах малой или средней мощности.Другие аспекты или методы, демонстрирующие менее благоприятное поведение при масштабировании, могут стать очень вредными на высоких уровнях мощности, даже если их влияние незначительно в устройствах малой или средней мощности. Надлежащий анализ таких вопросов в контексте масштабируемости, основанный на подробном качественном и количественном понимании всех соответствующих физических эффектов (и, возможно, обогащенный возможностями моделирования), очевидно, приводит к предсказательной способности, которая выходит далеко за рамки простой экстраполяции недавний технический прогресс.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, свяжитесь с ним e.г. по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если позже вы откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1]	A. Giesen et al. , «Масштабируемая концепция мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой», Прил. Phys.B 58, 363 (1994), DOI: 10.1007 / BF01081875
[2]	Дж. М. Эгглстон, «Периодический резонатор для масштабирования средней мощности твердотельных лазеров со стабильным резонатором», IEEE J. Quantum Electron. 24 (9), 1821 (1998), DOI: 10,1109 / 3,7121
[3]	K. Contag et al. , “Теоретическое моделирование и экспериментальные исследования тонкого дискового Yb: YAG-лазера с диодной накачкой”, Quantum Electron. 29 (8), 697 (1999), DOI: 10.1070 / QE1999v029n08ABEH001555
[4]	T.S. Rutherford et al. , «Квазитрехуровневые пластинчатые лазеры с краевой накачкой: конструкция и масштабирование мощности», IEEE J. Quantum Electron. 36 (2), 205 (2000), DOI: 10,1109 / 3,823467
[5]	R. Paschotta et al. , «Лазеры с пассивной синхронизацией мод с диодной накачкой и высокой средней мощностью», Прил. Phys. B 70, S25 (2000), DOI: 10.1007 / s003400000269
[6]	T. Y. Fan, «Объединение лазерных лучей для мощных источников с высокой яркостью», J. Sel.Верхний. Quantum Electron. 11 (3), 567 (2005), doi: 10.1109 / JSTQE.2005.850241
[7]	Р. Пашотта, «Масштабируемость мощности как точная концепция для оценки лазерных архитектур», документ в открытом доступе на arXiv .org, см. arXiv: 0711.3987v1

(Предлагайте дополнительную литературу!)

См. Также: мощные лазеры, тепловое линзирование, стержневые лазеры, лазеры на тонких дисках, волоконные лазеры, волоконные усилители, яркость, The Photonics Spotlight 21.09.2006, The Photonics Spotlight 2007-09-07, The Photonics Spotlight 2007 -12-03, The Photonics Spotlight 2009-09-19
и другие статьи в категориях лазеры, методы

Если вам нравится эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.г. через соцсети:

Эти кнопки общего доступа реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь необходимый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о масштабировании мощности лазеров  
 в  
 Энциклопедия RP Photonics

С изображением предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
  = "article">

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/power_scaling_of_lasers.html 
, статья «Масштаб мощности лазеров» в энциклопедии RP Photonics]

Почему следует сотрудничать с IPG Photonics

Е. Щербаков, В. Фомин, А. Абрамов, А. Ферин, Д. Мочалов, Валентин П. Гапонцев, «Промышленный волоконный лазер непрерывного действия мощностью 100 кВт», представленный на Advanced Твердотельные лазеры, 2013 г. , Париж, Франция, 27 октября — 1 ноября 2013 г.

Компания IPG поставила первый коммерческий лазер мощностью 100 кВт для NADEX Laser R&D (город Нагоя, Япония) для сварки металлических деталей толщиной 300 мм.

Laser Focus World , 12.06.2013

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ: волоконный лазер мощностью 100 кВт, измеритель мощности для промышленности

Промышленный лазер с излучением 1070,5 нм, габариты которого составляют всего 1,86 × 3,6 × 0,8 м и масса 3600 кг, является частью усилий по созданию надежной производственной среды на основе лазера с использованием готового оборудования. .

Лазер был разработан для тяжелых условий эксплуатации, таких как судостроение (мобильная резка и сварка), удаленная сварка и резка крупногабаритных изделий в полевых условиях, резка и сверление сверхтвердых горных пород и бетона, изготовление компонентов для атомные электростанции и другие тяжелые промышленные предприятия для сварки и резки с глубоким проплавлением.

Выходной сигнал лазера направляется в питающее волокно длиной 10 м и диаметром 300 мкм; этот выходной сигнал, в свою очередь, может быть подключен к технологическому волокну длиной 50 м и диаметром 500 мкм для удаленной доставки выходного сигнала лазера. Имея оптическую мощность 101,3 кВт на выходном конце технологического волокна и потребляемую электрическую мощность 286 кВт, вся система имеет высокий КПД от розетки — 35,4%.

Лазер состоит из 90 отдельных лазерных модулей, каждый с 1.Оптическая мощность 4 кВт и качество луча ( M ²) 1,05. Шесть интегрированных сумматоров «волокно-волокно» с соотношением 19 к 1 составляют первый этап объединения лучей; вторая ступень содержит один комбайнер 7-к-1 для волокна-волокна. Измеренное значение произведения параметров луча (BPP) луча, выходящего из питающего волокна, составляет менее 16 мм * мрад, в то время как BPP луча, выходящего из технологического волокна (удаленной доставки), составляет 25 мм * мрад.

Оптическая мощность лазера изменяется не более чем на 0.2% среднеквадратичного значения (RMS) за 30 минут, говорит Маркевич. Кроме того, в выходном спектре нет заметных нелинейных эффектов даже при максимальной мощности. Лазер включается через 40 мкс и выключается через 25 мкс, и его можно модулировать цифровым или аналоговым способом с частотой до 5 кГц. Всю систему легко транспортировать.

Источники и решения для волоконных лазеров

Пользователи могут сэкономить значительную экономию за счет использования волоконных лазеров в своем производстве. Сумма, которую вы можете сэкономить, зависит от многих факторов, включая ваш текущий процесс, материалы, производственную среду, затраты на электроэнергию и рабочую силу.Вот часть экономии:

а. Более высокий КПД: Волоконные лазеры обладают непревзойденной эффективностью по сравнению с существующими традиционными лазерными технологиями:

Тип	дюбель КПД
Волоконный лазер на иттербии (Yb)	40% + (> 50% для серии ECO )
ИАГ с ламповой накачкой	1,5-2%
ИАГ с диодной накачкой	10-20%
Диск	15-25%
CO2	5-10%

Калькулятор экономии энергии

г. Охлаждение: Эффективность волоконного лазера также способствует снижению требований к охлаждению, что способствует снижению потребления электроэнергии. Волоконным лазерам меньшей мощности требуется только воздушное охлаждение. Волоконный лазер с более высокой мощностью требует водяного охлаждения, которое обычно проще и дешевле, чем для эквивалентных альтернативных лазерных технологий. Охлаждение также зависит от конкретной производственной среды.

г. Расходные материалы / Запасные части: Благодаря высокоэффективной конструкции волоконных лазеров (лучшее управление тепловым режимом) и использованию в наших волоконных лазерах одноэмиттерных диодов накачки телекоммуникационного уровня, вы можете сэкономить на запасных частях (например, лампах и диодных стержнях). ), время простоя труда и производства.Срок службы многих ламп и диодных стержней, используемых в YAG, составляет 2 000 часов и 20 000 часов соответственно. Это часть MTBF диодов IPG с одним эмиттером> 100 000 часов, что означает, что в течение всего срока службы волоконного лазера вам не придется заменять диоды. В полностью твердотельной конструкции лазеров IPG «волокно-волокно» вы экономите еще больше, потому что нет оптики, которую нужно регулировать или обслуживать, например, зеркал резонаторов, кристаллов, жидкостей и фильтров, как в обычных лазерах.

г. Техническое обслуживание: Волоконные лазеры не требуют обслуживания или требуют минимального обслуживания, в зависимости от выходной мощности и других факторов, по сравнению с обычными лазерами. Нет оптики для юстировки и времени прогрева, а также расходных материалов / запасных частей. В результате вы можете существенно сэкономить на обслуживании.

e. Капитальные затраты: С волоконными лазерами один и тот же лазер может резать, сваривать и сверлить, что позволяет снизить инвестиционные затраты по сравнению с покупкой и обслуживанием различных лазеров и лазерных систем для каждой из этих функций.

ф. Экономия на налогах:

Раздел 179 Налогового кодекса США позволяет компаниям вычитать полную покупную цену соответствующего оборудования и / или программного обеспечения, приобретенных или профинансированных в течение налогового года. Это означает, что если вы покупаете (или берете в аренду) соответствующее оборудование, вы можете вычесть ПОЛНУЮ ЦЕНУ ПОКУПКИ из своего валового дохода. Это стимул, созданный правительством США, чтобы побудить предприятия покупать оборудование и инвестировать в себя. См. Последнюю информацию о капитальных закупках и амортизации бонусов в Раздел 179 .

Пришло время приобрести волоконный лазер IPG, систему волоконного лазера или заменить старый лазерный источник новым энергоэффективным волоконным лазером. Правительство США предоставило вам некоторые стимулы в виде вычета , раздел 179, ; пожалуйста, посетите веб-сайт Раздел 179 для получения более подробной информации.

Заявление об ограничении ответственности: Это не налоговая консультация. Проконсультируйтесь со своим налоговым консультантом по вопросам налогообложения и применимости к вашему бизнесу и обстоятельствам.Любые советы, содержащиеся в этом документе, не предназначены для использования и не могут быть использованы вами (или любым другим налогоплательщиком) для избежания штрафов в соответствии с Налоговым кодексом 1986 года с поправками.

Close
Таблица расстояний лазерной опасности — Факты лазерной безопасности

В таблице ниже указаны опасные расстояния для выбранных типов потребительских лазеров, а также для различных параметров, таких как цвет луча, распространение луча и мощность.
Кроме того, текст под диаграммой описывает, как расходимость (распространение луча), мощность и длина волны (цвет) влияют на эти опасные расстояния.Текст также был воспроизведен на этой странице для удобства чтения.
Дополнительные сведения см. На веб-страницах Расчеты лазерной безопасности для расстояний, угрожающих глазам и визуальным помехам, и Основные принципы опасности лазерного луча для авиации.
Щелкните диаграмму, чтобы увеличить ее
Щелкните диаграмму, чтобы увеличить ее
Как расхождение влияет на опасные расстояния

Если расходимость лазера (разброс луча) увеличивается, опасные расстояния напрямую уменьшаются.Например, удвоение расхождения уменьшит опасные расстояния вдвое:

Цвет указывает на относительную опасность: красный = потенциальная травма, зеленый = маловероятная травма. По мнению экспертов по безопасности, за пределами номинального опасного расстояния для глаз вероятность получения травмы «исчезающе мала».

На приведенных выше диаграммах показано, что NOHD уменьшается вдвое, но это сокращение также применяется к расстояниям, опасным для кожи и пожара, и к расстояниям визуальных помех (слепота, блики и отвлечение).Удвоение расходимости лазера уменьшит все эти опасные расстояния вдвое.
Обычно, чем мощнее лазер, тем больше типичная расходимость лазера. Расхождение можно улучшить (сделать более плотным), используя линзу или лучшую конструкцию самого лазера.
Как мощность лазера влияет на опасные расстояния

Если мощность лазера увеличивается, опасные расстояния увеличиваются на квадратный корень из увеличения мощности. Переход от 5 мВт до 500 мВт — это увеличение мощности в 100 раз, но опасные расстояния становятся только в 10 раз больше.(Квадратный корень из 100 равен 10.)

Однако учтите, что в целом, чем выше мощность лазера, тем выше расходимость. Поскольку луч распространяется быстрее, плотность мощности (освещенность) падает. Это помогает сделать луч безопаснее и, следовательно, короче NOHD, по сравнению с ситуацией, когда расходимость не увеличивается с увеличением мощности лазера.
Оба этих эффекта — хорошая новость для пилотов и других людей, озабоченных увеличением мощности лазера. Поскольку потребители получают более мощные лазеры, опасные расстояния (NOHD, визуальные помехи) увеличиваются меньше, чем можно было бы ожидать.Лазер в 100 раз мощнее не в 100 раз опаснее; это «всего» в 10 раз опаснее, если предположить, что расхождение такое же. А поскольку расходимость обычно увеличивается с увеличением мощности, луч может быть еще менее опасным из-за увеличенного рассеяния.
Как длина волны влияет на опасные расстояния

Для видимых лазеров длина волны (цвет) не влияет на расстояние для опасности для глаз (NOHD), опасность для кожи или опасность пожара. Но длина волны влияет на три расстояния визуальной интерференции: слепоту, ослепление и отвлечение.
Человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому свету 555 нм. Этот цвет будет казаться самым ярким и наиболее отвлекающим для пилотов по сравнению с другими цветами эквивалентного лазера (например, имеющего такую же мощность и расходимость).
Большинство бытовых лазеров излучают зеленый свет на длине волны 532 нм. Это кажется глазу только на 88% ярче света 555 нм. Поскольку это очень распространено, мы будем использовать 532 зеленого в качестве базовой линии для «самого яркого доступного лазера» в следующих расчетах:
По сравнению со светом 532 нм, обычная длина волны красного цвета 635 нм выглядит только на 27% ярче.Это имеет эффект квадратного корня на расстояниях визуальных помех. Зеленый лазер 532 кажется в 4 раза ярче красного лазера 635, но расстояние визуальной интерференции зеленого только в 2 раза больше красного. (Квадратный корень из 4 равен 2.)
По сравнению со светом 532 нм, обычная длина волны синего цвета 445 нм выглядит ярче всего на 3,5%. Опять же, на расстояниях есть эффект квадратного корня. Зеленый лазер 532 кажется в 29 раз ярче синего лазера 445, но расстояние визуальной интерференции для зеленого составляет всего 5.В 4 раза длиннее синих расстояний. (Квадратный корень из 29 равен 5,4.)
На схемах ниже показано, как цвет луча влияет на расстояние визуальной интерференции. Обратите внимание, что, поскольку все три лазера имеют одинаковую мощность и расходимость, NOHD для них будет одинаковым — только расстояния визуальной интерференции будут меняться в зависимости от длины волны.

Некоторые примеры лазеров

На приведенной ниже диаграмме показано, как мощность и цвет влияют на опасные расстояния. Для сравнения, все лазеры имеют расходимость в 1 миллирадиан, хотя в реальном мире расходимость обычно увеличивается с увеличением мощности.Вот несколько интересных моментов, на которые следует обратить внимание:
Сравнивая две верхние полосы, мы видим, как цвет влияет на расстояние визуальной интерференции. Красная указка мощностью 1 мВт имеет яркость 255 футов по сравнению с тем же зеленым лазером, который может вызывать блики на расстоянии 490 футов.
Точно так же две нижние полоски показывают, что зеленый лазер имеет гораздо более длинные визуальные интерференционные расстояния, чем синий лазер, даже если они имеют одинаковую мощность и, следовательно, одинаковое расстояние NOHD.
Сравнивая зеленый указатель 5 мВт с зеленым указателем 500 мВт, мы видим, как мощность влияет на опасные расстояния.Лазер мощностью 500 мВт в 100 раз мощнее, но расстояние до яркости только в 10 раз больше. Хотя цифры не показаны на этой диаграмме, такой же эффект происходит с NOHD. NOHD лазера мощностью 500 мВт всего в 10 раз больше NOHD лазера 5 мВт, несмотря на то, что он в 100 раз мощнее.

Щелкните диаграмму, чтобы увеличить

Щелкните диаграмму, чтобы увеличить

Перейти к началу
Безопасность лазерной указки — Сравнение различных опасностей лазеров
Исчерпывающий ресурс по безопасному и ответственному использованию лазера
Сравнение опасностей различных лазеров
На приведенных ниже диаграммах сравнивается расстояние опасности повреждения глаз и три расстояния опасности визуальных помех для различных потребительских лазерных указок и портативных устройств. На диаграммах показано много интересных принципов авиационной / лазерной безопасности, например, как красные и синие лазеры имеют меньшее опасное расстояние, чем эквивалентные зеленые лазеры.
Также эти диаграммы уникальны. Нам неизвестно какое-либо другое визуальное сравнение различных лазеров, которое также точно отображает пропорциональные расстояния для повреждения глаз (NOHD), слепоты (SZED), ослепления (CZED) и отвлечения (LFZED).
Почему эта страница?

Эта веб-страница была написана для того, чтобы пилоты, регулирующие органы и другие лица могли получить важную справочную информацию.Как указано внизу этой страницы:
Фактом является то, что лазерное освещение пилота может быть опасным. Лазерные инциденты должны быть уменьшены насколько возможно. Когда пилоты находятся в критической фазе полета, такой как посадка, взлет или работа вертолета, у них не должно быть нарушений внимания и / или зрения. С другой стороны, пилотов необходимо заверить в том, что вероятность травмы глаза (повреждения сетчатки глаза) практически отсутствует. Они также должны знать, как «распознавать и восстанавливать» от отвлекающих или ухудшающих зрение источников света.

Сравнение 10 лазеров с четырьмя классами опасности

Мы будем сравнивать эти лазеры:
Мы выбрали 1 мВт и 5 мВт , потому что во многих юрисдикциях они представляют законный предел для лазеров указатели. Например, в Великобритании предел составляет 1 мВт, что соответствует классу 2. В США предел составляет 5 мВт, что соответствует классу 3R. (Технически класс 2 меньше 1 мВт, а класс 3R меньше 5 мВт, но для удобства мы будем использовать значения 1 и 5 мВт.)
Затем мы выбрали ряд лазеров класса 3B: 25, 125 и 250 мВт . Они представляют собой карманные компьютеры с большей мощностью, которые легко доступны в Интернете. Стоимость составляет примерно от 25 до 150 долларов США.
Лазер мощностью 500 мВт соответствует самому низкому пределу Класса 4, самой опасной классификации лазеров.
Зеленый и синий лазеры мощностью 1 Вт являются одними из самых мощных портативных лазеров, широко доступных в настоящее время (конец 2011 г.).

Предполагая, что все лазеры излучают плотные лучи 1 мрад

Опасные расстояния на диаграммах сознательно консервативны.Цифры предполагают, что у лазеров есть узкие узкие лучи с низкой расходимостью в 1 миллирадиан. Это достижимо для указателей меньшей мощности. Однако потребительские портативные лазеры мощностью более 300 милливатт обычно имеют расходимость 1,5 или 2 миллирадиана. Это уменьшит опасные расстояния в 1,5 или 2 раза (например, сделает опасные расстояния короче и, следовательно, безопаснее).
Поскольку мы хотим сравнить «яблоки с яблоками», мы использовали расхождение в 1 миллирадиан для диаграмм на этой странице.Опять же, имейте в виду, что это наихудший случай (дает большие опасные расстояния) для более мощных лазеров.
Вот первая диаграмма, показывающая расстояния опасности повреждения глаз и визуальных помех, в морских милях:

Щелкните диаграмму, чтобы увеличить ее
Принцип № 1: Наиболее значительные опасности относительно близки к лазеру

На этой шкале трудно увидеть опасности при приближении: травма глаза (черный), слепота (красный) и блики (оранжевый). Это демонстрирует первый принцип: наиболее серьезные опасности находятся относительно близко к лазеру. Помните об этом, когда вы слышите что-то вроде «Лазер мощностью 1 Вт опасен на расстояние 25,5 морских миль». Хотя на таком расстоянии отвлекает внимание , более значительные опасности ослепления и слепоты находятся в пределах 2,5 миль, а опасность повреждения глаз — в пределах 733 футов.
Это одна из причин, почему подавляющее большинство отчетов FAA о лазерных инцидентах связано с взлетами, посадками и полетами вертолетов.Лазеры на относительно близком расстоянии кажутся более яркими и, следовательно, более разрушительными.
Принцип № 2: Отвлечение всегда составляет 90% от общего расстояния визуальной опасности

Еще один интересный принцип заключается в том, что для всех видимых лазеров отвлечение всегда составляет 90% от общего расстояния визуальной опасности. Другими словами, слепота всегда составляет первые 2,2% от общего расстояния опасности для зрения, блики всегда составляют следующие 7,8%, а отвлечение всегда составляет оставшиеся 90%.
Это приводит к быстрой подсказке.Если кто-то скажет: «Этот 1-ваттный лазер представляет опасность на расстоянии 25,5 морских миль», вы можете мгновенно вычислить, что опасность слепоты и ослепления будет в пределах первых 10% (2,5 морских мили). Оставшееся опасное расстояние (23 мили) будет отвлечением. Это правило 10/90 относится к опасностям визуальных помех (, а не — опасность повреждения глаз) любого типа видимого лазера.
Увеличение на более близком расстоянии

На схемах выше трудно увидеть опасность травмы глаз, слепоты и ослепления вблизи.Итак, в нижней части следующей диаграммы мы увеличиваем левую 1/8 шкалы. Обратите внимание, что мы также меняем единицы измерения с морских миль на футы.

Щелкните диаграмму, чтобы увеличить ее. Щелкните здесь , чтобы увидеть увеличенную версию только верхней части (расстояния в морских милях), и щелкните здесь , чтобы просмотреть увеличенную версию только нижней части (расстояния в футах).
Примечание для внимательных читателей (например, на LaserPointerForums.com): Некоторые наблюдательные люди заметили, что для синего портативного устройства мощностью 1 Вт не указано расстояние слепоты от вспышки (например, нет красной части на нижней панели). Это потому, что расстояние слепоты этого лазера составляет всего 646 футов. Это меньше, чем 733 фута, что является опасным для глаз. Вот как об этом думать. Синий цвет лазера кажется человеческому глазу относительно тусклым. За пределами 646 футов он не кажется достаточно ярким, чтобы вызвать слепоту, но все же находится на расстоянии 733 фута, на котором существует опасность повреждения глаз.

Опасности для глаз в сравнении с опасностями визуальных помех

Принцип № 3: Опасность повреждения глаз зависит только от мощности и расхождения; опасность визуальных помех также зависит от цвета.

Если взглянуть на зеленый и синий лазеры на 1 Вт крупным планом, можно увидеть другой принцип. Обратите внимание, что у них обоих одинаковое расстояние опасности повреждения глаз — 733 фута. Тем не менее, они имеют совершенно разные расстояния опасности визуальных помех. Как показано ниже, наладонник мощностью 1 ватт может вызывать блики на расстоянии 15 509 футов, а синий наладонник мощностью 1 Вт может светить на расстоянии не более 2867 футов.
Это иллюстрирует, как для потребительских лазерных указателей и карманных компьютеров опасность повреждения глаз зависит только от мощности и расходимости лазера. Это не зависит от цвета. Однако опасность визуальных помех — слепота, ослепление и отвлечение — также зависит от цвета (длины волны) лазера.
Влияние цветов

Красный на 633 нм и зеленый на 532 нм

На приведенной ниже диаграмме сравнивается красный лазер мощностью 5 милливатт (длина волны 633 нм) с эквивалентным зеленым лазером мощностью 5 мВт (длина волны 532 нм).Как видите, красный лазер имеет расстояние опасности визуальных помех, которое составляет примерно половину расстояния от зеленого лазера:
Принцип №4: Зеленый лазер представляет большую опасность для зрения, чем эквивалентный красный или синий лазер

Человек глаз наиболее чувствителен к зеленому свету. Таблица ниже показывает это более точно. Длины волн увеличиваются от синего слева до красного справа.
Зеленый свет на 555 нм является наиболее заметным (100%). Большинство зеленых потребительских лазерных указок и карманных компьютеров излучают свет с длиной волны 532 нм.Это воспринимается как 88% яркости по сравнению с потенциальным максимумом (свет 555 нм). Для красного света на длине волны 633 нм глаз видит его всего на 24% ярче, чем свет 555 нм.

Эта кривая цветовой чувствительности построена непосредственно из таблицы коэффициентов визуальной коррекции, используемой FAA в Информационном проспекте 70-1 для оценки работы лазера на открытом воздухе

Зеленый на 532 нм против синего на 445 нм

Здесь представляет собой сравнение двух ручных лазеров мощностью 1 Вт.Один зеленый при 532 нм (видимая яркость 88%), а другой синий при 445 нм (кажущаяся яркость 3%). Зеленый имеет дальность визуальной опасности 25,5 м. Мили, в то время как тот же лазер в синем цвете имеет опасную дистанцию только 4,8 м. Расстояние видимой опасности зеленого лазера в 5,3 раза больше, чем у синего лазера.
Принцип № 5: Влияние цвета лазера на расстояние визуальной опасности не является линейным. Это квадратный корень из разницы цветовой видимости двух лазеров.

Если один лазер в два раза виднее другого, это не означает, что расстояния визуальной опасности также в два раза больше.Фактически, расстояние визуальной опасности будет квадратным корнем из разницы в цвете; или в 1,4 раза больше (1,4 — квадратный корень из 2).
Чтобы увидеть это более точно, взгляните на диаграмму выше, сравнивающую 1-ваттные лазеры. Зеленый лазер мощностью 1 Вт с видимой яркостью 88% имеет опасное расстояние для зрения 25,5 м. Мили, а синий лазер мощностью 1 Вт с кажущейся яркостью 3% имеет опасное расстояние для зрения 4,8 м. Мили. Разница в видимой яркости составляет 88/3 или 29 раз, но только 25,5 / 4.Разница расстояний опасности визуальных помех в 8 или 5,3 раза. Квадратный корень из 29 равен 5,4. (Расчет отличается на 0,1, поскольку на диаграммах используются округленные, а не точные числа.)
Это также объясняет, почему в примере с красным и зеленым указателями мощностью 5 мВт зеленое опасное расстояние (1,8 м. Мили) примерно вдвое больше, чем у красный (0,9 м. мили), хотя зеленый лазерный свет в четыре раза видимее для глаза, чем красный (88% против 23%).
Мы поднимаем это в первую очередь, чтобы показать, что расчеты лазерной опасности не всегда интуитивно понятны.Несмотря на то, что цвет зеленого лазера в 4 раза ярче, чем у красного лазера с той же мощностью и расходимостью, это увеличивает расстояние визуальной опасности только в 2 раза (квадратный корень из 4).
По мере того, как лазеры становятся более мощными, опасность возрастает медленнее.

Теперь давайте сравним два лазера одного цвета и расхождения, но разной мощности. На диаграмме ниже показаны лазер мощностью 5 мВт и эквивалентный лазер мощностью 500 мВт. Обратите внимание, что увеличение мощности в 100 раз, но увеличение опасности отвлечения только в 10 раз (1. 8 морских миль против 18 морских миль):
Принцип № 6: Влияние мощности лазера на опасные расстояния не является линейным. По мере увеличения мощности лазера опасность увеличивается медленнее.

Схема показывает, что существует , а не линейная зависимость между мощностью и опасным расстоянием. Вместо этого опасное расстояние увеличивается как квадратный корень разности мощностей. В приведенном выше примере мощность увеличилась в 100 раз (от 5 до 500 мВт), но расстояние опасности отвлечения увеличилось на квадратный корень из 100, или в 10 раз.
Это важный принцип. Это тоже хорошая новость для пилотов. Поскольку потребительские лазеры продолжают становиться все более мощными, опасность возрастает не линейно.
Таблица ниже показывает это более точно. У видимого лазера мощностью 100 мВт расстояние повреждения глаза (NOHD) составляет 231 фут. Если NOHD увеличивается линейно вместе с мощностью, то для лазера мощностью 1000 мВт (в 10 раз больше мощности) NOHD будет 2310 футов (в 10 раз больше исходного NOHD). Точно так же для лазера мощностью 2000 мВт NOHD будет 4630 футов (в 20 раз больше исходного NOHD).Это показано пунктирной синей прямой линией.
Однако NOHD не увеличивает линейно , а не . Фактический NOHD для лазера мощностью 1000 мВт составляет 733 фута, а для лазера мощностью 2000 мВт — 1037 футов. Это показано сплошной черной линией. Как видите, опасность возрастает гораздо медленнее. От 100 мВт до 1000 мВт (в 10 раз больше мощности) фактическое увеличение опасности составляет всего 3,2 раза — квадратный корень из 10. От 100 мВт до 2000 мВт (в 20 раз больше мощности) фактическое увеличение составляет всего 4.5 умноженное на квадратный корень из 20.
Это соотношение сохраняется для любого опасного расстояния: травма глаза (NOHD), слепота, слепота и отвлечение. По мере увеличения мощности лазера опасное расстояние будет увеличиваться медленнее. В частности, увеличение опасности всегда является квадратным корнем из увеличения мощности.
Сравнение теоретических и реальных расстояний лазерной опасности

Самый известный синий лазер мощностью 1 Вт — это Wicked Lasers Spyder III Arctic, представленный в июне 2010 года. В середине 2011 года Wicked Lasers выпустила зеленую версию Spyder III Krypton.

Хотя они продаются как лазеры мощностью 1 Вт (1000 мВт), фактическая мощность находится в диапазоне 700-900 мВт. Кроме того, расходимость луча составляет в лучшем случае 1,5 миллирадиана, что больше, чем 1 мрад, использованный на всех диаграммах выше. Эти факторы сократят опасные расстояния, что сделает ситуацию для пилотов более безопасной.
Это показано на следующей диаграмме. Он сравнивает теоретические лазеры мощностью 1 Вт и 1 мрад с реальными лазерами Wicked «1 Вт»:
Вот аналогичная диаграмма, сравнивающая только два лазера Wicked «1 Вт»:
Принцип № 7: Реальные лазерные опасности могут иметь меньшее опасное расстояние, чем расчеты «наихудшего случая»

Как показывает диаграмма выше, может быть существенная разница между тем, как работает идеальный лазер, и тем, как работает настоящий лазер.В реальном мире лазеры часто не достигают максимального заявленного выходного значения. Кроме того, узкий луч в 1 миллирадиан трудно достичь для портативных лазеров потребительского класса класса 3B и 4. Чем выше мощность, тем качественнее нужен дизайн и оптика.
(Лазеры могут иметь неправильную маркировку со стороны излишка, однако. Лазер может быть на более мощным, чем указано на этикетке, на мощнее, чем указано на этикетке. Фактическая выходная мощность может отличаться от указанной на этикетке. из-за проблем с контролем качества и даже из-за преднамеренной или незаконной неправильной маркировки.)
[Ожидается, что на декабрь 2011 г .: дополнительные диаграммы дивергенции и подробные диаграммы NOHD.]

Источники

Откуда на диаграммах расстояния от

Расстояния на диаграмме взяты из стандартной лазерной безопасности источники и расчеты Федерального управления гражданской авиации США, использованные для оценки работы лазеров на открытом воздухе (Консультативный циркуляр 70-1).
Для расстояний до глаз используется Номинальное опасное расстояние для глаз (NOHD). Для видимых лазеров, таких как указатели и портативные устройства, максимально допустимая экспозиция составляет 2,54 милливатт на квадратный сантиметр.

NOHD — это стандартная концепция лазерной безопасности. Он отображает «номинальное», а не фактическое расстояние, на котором лазер считается безопасным для глаз. Имейте в виду, что NOHD включает коэффициент безопасности примерно 2/3. Пример: для лазера видимого диапазона мощностью 1 Вт и 1 миллирадиан с NOHD 733 фута это означает, что в идеальных условиях лазер имеет 50% шанс вызвать минимально обнаруживаемое поражение сетчатки в глазу на расстоянии 1/3 расстояния NOHD, или 244 ноги.Оставшиеся 2/3 расстояния (489 футов) дают дополнительный коэффициент безопасности. Очевидно, что чем больше расстояние от лазера, тем меньше вероятность травмы глаза. На высоте 733 фута практически невозможно вызвать поражение сетчатки глаза.
Для слепоты используется расстояние выдержки в чувствительной зоне FAA. Максимально допустимое воздействие в этой области составляет 0,1 милливатт (100 микроватт) на квадратный сантиметр.
Для бликов используется расстояние воздействия FAA в критической зоне.Максимально допустимое воздействие в этой области составляет 0,005 милливатт (5 микроватт) на квадратный сантиметр.
Для отвлечения внимания используется дистанция воздействия зоны, свободной от лазерного излучения, FAA. Максимально допустимое воздействие в этой области составляет 0,00005 милливатт (50 нановатт) на квадратный сантиметр.

Зоны полетов в воздушном пространстве FAA

Источник: Консультативный циркуляр FAA 70-1
Сравнение с некоторыми другими диаграммами лазерной опасности

Как отмечалось во вводных параграфах, диаграммы на этой странице уникальны.Они показывают правильные пропорции повреждений глаза и опасные для зрения расстояния для ряда лазеров.
Иногда можно увидеть «схематические» диаграммы, на которых неточно указаны расстояния. Возьмем, к примеру, этот слайд PowerPoint, который несколько лет назад использовался в презентации по безопасности:
Этот слайд производит ложное впечатление — поэтому нам пришлось добавить красный кружок / косую черту и красное примечание с предупреждением внизу. На этом слайде все расстояния неверно пропорциональны.Например, опасное для глаз расстояние и потенциальное повреждение сетчатки неправильно отображаются как примерно 1/4 от общего опасного расстояния. Кроме того, расстояния между остаточным изображением (слепота), ярким светом и испугом (отвлечение) показаны примерно одинаковыми, что также неверно.
Чтобы продемонстрировать истинные опасные расстояния, мы наложили одну из черно-красно-оранжево-желтых полос с приведенных выше диаграмм:
Опасное расстояние для синяка глаза и расстояние для слепоты при красной вспышке едва видны.Хорошо видны только оранжевые блики и желтые отвлекающие расстояния. (Фактические значения расстояния не имеют значения. Нас интересуют пропорциональные расстояния для четырех опасностей, которые для видимых лазеров любого данного цвета всегда одинаковы.)
Комментарий редакции: Почему важна правильная, научная информация

Мы Надеюсь, что, представив точные диаграммы, люди будут лучше понимать реальные опасности лазеров. Для пилотов это может помочь им понять, что самые серьезные опасности находятся очень близко к лазеру.Они должны понимать, что для 90% диапазона опасности луча это отвлечение, а не нарушение зрения.
Точно так же расстояние опасности повреждения глаз (NOHD) не означает, что лазер может или даже способен нанести травму на всем расстоянии. Помните, что коэффициент запаса прочности составляет около 2/3. Если пилот поражен лазером на 1/3 NOHD, существует 50% -ная вероятность того, что в худшем случае возникнет обнаруживаемое поражение сетчатки (и лазер, и глаз пилота не двигаются относительно каждого из них). разное).
Вот пример: для лазера мощностью 1 Вт с NOHD 733 фута вероятность 50% в худшем случае составляет 244 фута (1/3 от 733). Примерно на высоте 500 футов (примерно 2/3 из 733) вероятность минимальной травмы практически отсутствует.
Это факт, что лазерное освещение пилота может быть опасным. Лазерные инциденты должны быть уменьшены насколько возможно. Когда пилоты находятся в критической фазе полета, такой как посадка, взлет или работа вертолета, у них не должно быть нарушений внимания и / или зрения.С другой стороны, пилотов необходимо заверить в том, что вероятность травмы глаза (повреждения сетчатки глаза) практически отсутствует. Они также должны знать, как «распознать и оправиться» от отвлекающего или ухудшающего зрение освещения.
MLS Лазерная терапия | Новейшие лазеры
Запатентованный импульс MLS был разработан в результате почти трех десятилетий научных исследований, в ходе которых изучались биологические и терапевтические эффекты различных компонентов и методов излучения.
Кафедры биологии Туринского университета (Италия) и Университета Падуи (Бразилия), а также кафедра анатомии и клиника ортопедии в Университете Падуи изучили и подтвердили выдающуюся эффективность лазерной терапии MLS. .
Чтобы прочитать научный отчет MLS, щелкните здесь.
Сборник исследований, демонстрирующих эффективность лазерной терапии MLS, можно прочитать здесь: MLS ^® Laser Therapy — Инновации основаны на результатах
Допуск FDA
Диодные лазеры «семейства Mphi» — Mphi, Mphi5, Mphi Orange
Подтверждено разделом 510 (k) 9 ноября 2011 г., номер K111901
Заключение: «Диодный лазер семейства ASA Mphi — безопасное и эффективное устройство для указанных показаний.”
Показания к применению: «Диодный лазер ASA ‘Mphi Family’ предназначен для местного нагрева с целью повышения температуры тканей для временного облегчения мышечной и суставной боли и жесткости, боли при артрите или мышечного спазма, временного усиление местного кровообращения и / или способствование расслаблению мышц ».
Диодные лазеры «семейства MLS» — MLS Mix5, MLS M1, MLS M6
Подтверждено разделом 510 (k) 26 августа 2005 г., номер K051922
Заключение: «Диодный лазер MLSFamily» является безопасным и эффективным устройством по указанным показаниям.”
Показания к применению: «Диодный лазер семейства MLS предназначен для местного нагрева с целью повышения температуры тканей для временного облегчения боли в мышцах и суставах, жесткости, боли при артрите или мышечного спазма, временного увеличения в местном кровообращении и / или способствуя расслаблению мышц ».
Патент
MLS Laser Therapy запатентовано.
Патент США, № US 8,251,982 B2
Дата патента: 28 августа 2012 г.
Аннотация:
«Аппараты и способы применения лазерной энергии в лечебных целях (например,g., облегчение боли и / или воспаления в тканях). Синхронизация двух пространственно перекрывающихся форм энергии с близко расположенными осями излучения и конкретными модальностями излучения может во многих случаях обеспечить усиленный или даже синергетический эффект в облегчении или лечении множества острых и / или хронических состояний (например, боли и воспаления), поражающих данная ткань.