Messung der Wärmeerzeugung des Faserlasers und deren Verwendung zur Optimierung der Erzeugung einer höheren Leistung

Anwendungsbericht vom Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science, Universität Tokio

Die Kosteneffizienz der Einführung von Wärmebildkameras ist hoch, wenn man die Risiken von Geräteschäden berücksichtigt.

Dieser Bericht stammt von Reza Amani, Project Associate Professor vom Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science an der Universität Tokio.

Dr. Reza Amani verwendet Wärmebildkameras, um die Wärme zu messen, die in der Verstärkungsfaser eines Faserlasers erzeugt wird. Dadurch können Geräte- oder Personenschäden durch zu hohe Temperaturen aufgrund eines Defekts verhindert werden. Diese Kameras können dabei unterstützen, den Studenten während der Experimente Anweisungen zu geben, um die Sicherheit für die Bediener bei Anwendungen vor Ort zu erhöhen, die Leistung der Ausrüstung zu verbessern usw.

Reza Amani
Project Associate Professor

Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science, Universität Tokio

Überwachung von Temperaturerhöhungen, um Schäden an Fasern zu vermeiden

Dr. Reza Amani ist an Forschungsarbeiten beteiligt, die nicht nur durch die Entwicklung von Hochleistungslasern zum Studium der physikalischen Chemie beitragen, sondern auch eine stärkere Zusammenarbeit mit der Industrie anstreben. Die Laserverarbeitung wird in der Halbleiterindustrie und in vielen anderen Branchen eingeführt. Diese eignet sich für eine Vielzahl von Materialien und ermöglicht eine hochpräzise, ultrafeine Verarbeitung. Insbesondere die Faserlaser, an denen Dr. Amani arbeitet, haben eine hohe Energieeffizienz und zeichnen sich durch Stabilität und Zuverlässigkeit aus. Da Licht in den Fasern eingeschlossen ist, benötigt es keinen Reinraum und die Vorteile wie elektrische Steuerung und einfache Handhabung machen das System interessant.

„Der Kern der Glasfaser, der als Gain Fiber (Verstärkungsfaser) bezeichnet wird, ist mit Er (Erbium) und Yb (Ytterbium) dotiert. Eine Laserausgangsleistung von 22 W oder mehr kann im Singlemode erreicht werden, aber die Faser wird sofort nach der Anregung erwärmt. Wenn die Faser eine bestimmte Temperatur erreicht, schwillt sie an und birst am Ende. In diesem Fall wird die Ausrüstung nutzlos und es besteht Verletzungsgefahr.“

Um solche Risiken zu vermeiden, ist es notwendig, die Wärme zu messen, die auf der Verstärkungsfaser des Faserlasers erzeugt wird, und das Experiment muss gestoppt werden, bevor die Temperaturgrenze erreicht und der äußere Kunststoff des Mantels (Acrylatbeschichtung) zerstört wird. Bei der Herstellung der Verstärkungsfaser weiß man jedoch nicht, wann diese die Temperaturgrenze überschreitet. Um den Temperaturanstieg zu überwachen, wurde die Teledyne FLIR-Wärmebildkamera eingeführt.

Verstärkungsfaser, dotiert mit Er- und Yb-Ionen. Diese Verstärkungsfaser ist mit einem 976-nm-Anregungslaser im Multimodus gekoppelt, um einen Resonator herzustellen. Diese kann dann mit der zentralen Wellenlänge von 1.560 nm oszillieren, um einen Singlemode-Laser von 22 W oder mehr auszugeben. Ein solches Lasergerät kann für die Laserverarbeitung, die Anregung eines Mittelinfrarotlasers, die optische Kommunikation usw. angewendet werden.

Wenn die Verstärkungsfaser mit Er-Yb-Ionen dotiert ist, wird ein grünes fluoreszierendes Licht erzeugt. Je stärker das fluoreszierende Licht ist, desto höher wird die Absorption des Anregungslasers und die Wärmeerzeugung.

Entscheiden Sie sich für die Teledyne FLIR mit hoher Auflösung und für einfache Analysen

Dr. Amani erklärt, man habe versucht, Messungen mit einer Wärmebildkamera durchzuführen, die im Labor vorhanden war. Diese hatte jedoch eine niedrige Pixelzahl und aufgrund der begrenzten Bildauflösung waren die gemessenen Werte niedriger als die tatsächlichen Werte, was sie praktisch nutzlos machte.

„In meiner vorherigen Arbeit habe ich Scheibenlaser studiert und eine Wärmebildkamera mit hoher Pixelzahl von FLIR verwendet. Daher weiß ich viel über die Vorteile von FLIR-Kameras. Die Faser ist bis zu 250 μm dünn, einschließlich des externen Kunststoffteils, der Acrylatbeschichtung. Ohne eine gewisse Auflösung können wir die Temperaturen nicht genau messen. Ich habe jedoch vor einem Jahr meine derzeitige Position übernommen und gerade mein Labor in Betrieb genommen. Aufgrund des begrenzten Budgets habe ich mich für die FLIR E54 entschieden. Diese hat eine ordentliche Auflösung und ist für einen Preis erhältlich, den sich Universitäten leisten können.“

Ein weiterer Grund für die Entscheidung für Teledyne FLIR war, dass die erfassten Daten auf einem PC analysiert werden können. „Wir importieren die aufgenommenen Bilddaten auf einen PC und führen eine Vielzahl von Analysen durch. Es ist schwierig, genau zu beurteilen, wo die Wärmeerzeugung stattfindet, wenn man sich die Daten nur vor Ort ansieht, aber durch den Import von Daten auf einen PC können wir sie genauer analysieren. Das ist natürlich ein Vorteil.“

Tragbare Wärmebildkamera

FLIR E54

Die FLIR E54 ist die erste tragbare Wärmebildkamera von FLIR. Sie kann die Temperaturverteilung von Objekten mit Temperaturunterschieden in einer Infrarotauflösung von 320 × 240 Pixel erkennen. Die Bildkorrektur mit MSX® erzeugt die schärfsten Bilder in dieser Klasse. Austauschbare Tele- und Weitwinkelobjektive sind für Untersuchungen in verschiedenen Szenarien nützlich. Darüber hinaus ist es durch die Verbindung mit der PC-Software möglich, Temperaturänderungen in Zeitreihen als Video zu analysieren und aufzuzeichnen.

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Identifizierung von Wärmegrenzen und Verfahren zur Optimierung

„Wir verwenden auch ein Thermoelement und andere Kontaktthermometer, aber dank der Wärmebildkamera können wir jetzt basierend auf Temperaturverteilungen herausfinden, welche Teile zu hohen Temperaturen neigen.“

Die obere Temperaturbeständigkeit der Verstärkungsfaser wird mit 80 °C angegeben. Da die Kamera die Temperaturverteilungen präzise messen kann, kann die Faser mit bis zu 110 °C verwendet werden, wenn die Wärme ordnungsgemäß mit einem Kühler abgeleitet wird. Es ist nun möglich, Wärmegrenzen und Verfahren zur Optimierung zu identifizieren und so Risiken wie Geräte- und Personenschäden zu eliminieren.

„Ich habe das Gefühl, dass die Forschungsbudgets in Japan im Vergleich zu anderen Industriestaaten begrenzt sind. In anderen Ländern sind Wärmebildkameras ein gängiges Werkzeug, das überall verwendet wird. Ich denke, diese sollten in Japan häufiger für Forschung und Entwicklung verwendet werden. Wenn die in dieser Forschung verwendete Faser durch Überschreiten einer Wärmegrenze zerstört wird, müssen wir die Ausrüstung, die etwa 300.000 Yen kostet, erneut kaufen. In Anbetracht dessen ist die Kosteneffizienz von Wärmebildkameras nicht so schlecht.“

Die Industrie hat unterschiedliche Anforderungen, einschließlich der Verarbeitung verschiedener Materialien mit einem einzigen Laser. Die Verarbeitung mehrerer Materialien erfordert eine Erhöhung der Ausgangsleistung, was zu einem Problem mit der Wärmeerzeugung führen kann. Infrarotkameras wie die FLIR Exx-Serie sind in diesen Situationen für thermische Messungen hilfreich und können nützliche Daten für die zukünftige Laserforschung liefern.