Mezclador/combinador de haz para láser de CO2, teoría y ejemplos.

Optical power combiner for CO2 laser systems.

Mezclador óptico de láser de CO2

Estas últimas semanas ha coincidido que hemos cambiado algunos equipos láser de alta potencia, que en utilizan 2 tubos láser de bajo precio, típicos de cristal y tensión DC, capaces de producir entre 280 y 320W para el modelo de la imágen.

Existen varios métodos para aumentar la potencia de un tubo simple de láser de CO2 de cristal.
Existe una limitación física y práctica del porqué no se pueden hacer láser de un solo tubo de más de 150W de potencia o hasta 180W, y es que la distancia entre espejos debe ser tan grande que se hace imposible el transporte fácilmente, y además si hay que importarlo de China, traer con Barco, etc… es muy probable que lleguen rotos.

Uno de los métodos simples, es usar un mezclador o combinador de haz, del cual hablo en esta entrada.

Otro método es el MOPA, donde se van uniendo varios láser para amplificar la potencia del láser, aunque hay varios configuraciones. La más fácil es unir mecánicamente el láser con los espejos y hacer una cavidad entre los espejos finales lo más largo posible.

Ejemplo de tubos dobles y triples buscando por google.

Desmontando un equipo averiado:

Mezclador óptico para láser CO2
Espejo de salida del conjunto del láser doble.
Mezclador óptico para láser CO2
Carcasa por la parte trasera, tomas de alta tensión DC.
Mezclador óptico para láser CO2
Vista de la salida de los dos láser de CO2, y el mezclador de haz que suma los dos haces doblando así la potencia.
Mezclador óptico para láser CO2
Vista interior del mezclador de haz, sigue leyendo para ver la explicación y teoría de funcionamiento.
Nota 1: Este equipo se instaló nuevo en Agosto de 2017, y ha fallado a Julio de 2018, no ha llegado a un año de trabajo, en jornadas de 8 horas diarias.
Nota 2: Este combinador o mezclador de haz solo funciona con láser polarizados, más abajo de la entrada hay la explicación.

Las siguiente imágenes son de un equipo láser doble de la marca GSI LUMONICS, y su mezclador de haz.

Mezclador óptico para láser CO2
Conjunto doble láser GSI
Mezclador óptico para láser CO2
Vista sin la cubierta del mezclador.
Mezclador óptico para láser CO2
Otra vista sin la cubierta.
Mezclador óptico para láser CO2
Láser de alta calidad GSI, ha trabajado más de 10 años, perdiendo algo de prestaciones, pero todavía dando unos 70W por láser, el conjunto proporciona una salida de potencia de 140W.

Teoria de funcionamiento.

Para poder polarizar estos láser de cristal con alimentación en DC perpendicularmente al eje óptico, la única forma es que los espejos en el interior sean polarizados.

Un espejo plano polarizado es muy caro de fabricar y no soportan altas densidades de energía.
Para solucionar este problema se puede utilizar una ventana normal en ángulo de Brewster

De esta forma internamente el láser, en cada rebote del haz, se van disipando la parte del haz no polarizado y solamente amplificará la luz polarizada.

Un ejemplo con flechas de los diferentes caminos y ángulos de polarización en un láser Synrad DUO, J45-5:

Mezclador optico láser de CO2
Teoría y camino de los dos haces polarizados en diferente ángulo para poder mezclarse en la salida y doblar así la potencia final sin sacrificar calidad del haz. De un Synrad J48-5

Resumiendo:

El mezclador óptico se utiliza mucho en sistemas láser de RF, ya que son de muy larga duración y mecánicamente son muy robustos para ensamblar un sistema cerrado, con alta calidad, y baja tasa de fallos.

El uso de un mezclador con un láser de vidrio de baja calidad, provoca que la tasa de fallo se doble, ya que son dos sistemas en paralelo, por lo que es muy probable que uno de los dos láser acabe fallando antes de la vida estimada en horas, por probabilidad.

La ventana de un sistema doble paralelo, es que cuando se estropee un láser, todavía se podrá trabajar a bajo rendimiento con el otro, o después de haber hecho una mínima reparación para seguir funcionando con uno de los dos.
La otra ventaja es el precio, en comparación de un sistema de RF de alta potencia.

Si se emplean materiales de alta calidad:

Entonces la cosa cambia, el equipo de GSI LUMONICS ha trabajado 13 años y todavía conserva potencia para ir trabajando, por lo que aunque el precio es más elevado, compensa buscar una buena marca y así evitar tener que cambiar el sistema cada 2.000 o 4.000 horas, cuando GSI ha durado más de 20.000 horas y todavía funcionando.

 

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