Misurazione della generazione di calore del laser a fibra e suo utilizzo per l'ottimizzazione al fine di produrre una maggiore potenza

Storia delle applicazioni presso il Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science, Università di Tokyo

La convenienza economica dell'introduzione di termocamere è elevata se si considerano i rischi di danni alle apparecchiature.

L’autore di questa storia è Reza Amani, professore associato a progetto presso il Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science, Università di Tokyo.

Il Dott. Reza Amani utilizza termocamere per misurare il calore generato su una fibra di guadagno di un laser a fibra, evitando così danni alle apparecchiature o lesioni agli operatori dovute a eventuali rotture che possono verificarsi al superamento dei limiti di temperatura. Queste telecamere possono aiutare a istruire gli studenti durante gli esperimenti, migliorare la sicurezza degli operatori nelle applicazioni in loco, migliorare le prestazioni delle apparecchiature, ecc.

Reza Amani
Professore associato a progetto

Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science, Università di Tokyo

Monitoraggio dell'aumento della temperatura per evitare danni alle fibre

Il Dott. Reza Amani si occupa della ricerca che contribuisce ai campi della chimica fisica attraverso lo sviluppo di laser ad alta potenza e che mira a una maggiore collaborazione con il settore. La lavorazione laser viene introdotta nel settore dei semiconduttori e in molti altri settori. Consente la lavorazione di un'ampia gamma di materiali e consente una lavorazione ultra fine ad alta precisione. In particolare, i laser a fibra su cui sta lavorando il Dott. Amani hanno un’elevata efficienza di conversione energetica ed eccellono in termini di stabilità e affidabilità. Inoltre, poiché la luce è confinata nelle fibre, non richiedono una camera bianca e spiccano per alcuni vantaggi quali il controllo elettrico e la facilità di manipolazione.

“Il nucleo della fibra ottica, noto come ‘fibra di guadagno’, è arricchito con Er (erbio) e Yb (itterbio). Un'uscita laser di 22 W o più può essere acquisita in modalità singola, ma la fibra viene prontamente riscaldata dopo l'eccitazione. Quando la fibra raggiunge una certa temperatura, si espande fino a esplodere. Se ciò dovesse accadere, le apparecchiature diventano inutilizzabili e vi è il rischio di lesioni”.

Per evitare tali rischi, è necessario misurare il calore generato sulla fibra di guadagno del laser a fibra interrompendo l’esperimento prima che venga raggiunto il limite di temperatura e che la plastica esterna del rivestimento (di acrilato) venga distrutta. Tuttavia, quando si crea una fibra di guadagno, non è noto quando supera il limite di temperatura. Uno strumento per monitorare l'aumento di temperatura è la termocamera Teledyne FLIR.

Fibra di guadagno arricchita con ioni Er e Yb. Questa fibra di guadagno è accoppiata con un laser di eccitazione multimodale da 976 nm per la realizzazione di un risonatore. Può quindi oscillare con la lunghezza d'onda centrale di 1.560 nm per emettere un laser monomodale di 22 W o più. Tale dispositivo laser può essere applicato all'elaborazione laser, all'eccitazione di un laser a medio infrarosso, a un campo di comunicazione ottica, ecc.

Quando la fibra di guadagno è arricchita con ioni Er-Yb, viene generata una luce fluorescente verde. Più forte è la luce fluorescente, maggiori saranno l’assorbimento del laser di eccitazione e la quantità di calore generato.

Scegli Teledyne FLIR ad alta risoluzione per un’analisi semplice

Il Dott. Amani afferma di aver cercato di effettuare misurazioni con una termocamera disponibile in laboratorio; tuttavia, la risoluzione in pixel non era sufficiente e i valori misurati erano inferiori a quelli effettivi, rendendo la termocamera praticamente inutile.

“Nel mio lavoro precedente, ho studiato i laser a disco sottile e ho utilizzato una termocamera FLIR ad alto numero di pixel. Pertanto, conosco molto bene i vantaggi delle telecamere FLIR. La fibra può raggiungere uno spessore di soli 250 μm, inclusa la parte esterna in plastica, nota come rivestimento in acrilato. In assenza di una risoluzione elevata, non possiamo misurare con precisione le temperature. Quando ho accettato il mio ruolo attuale un anno fa e ho avviato il mio laboratorio, a causa del budget limitato, ho scelto FLIR E54. Ha una risoluzione soddisfacente e può essere acquistata a un prezzo accademico”.

Un altro motivo che mi ha spinto a scegliere Teledyne FLIR è che i dati acquisiti possono essere analizzati su un PC. “Basta importare i dati immagine acquisiti su un PC per condurre un’ampia varietà di analisi. È difficile giudicare con precisione il punto in cui il calore viene generato semplicemente osservando i dati sul posto, ma, importando i dati su un PC, possiamo eseguire analisi più dettagliate. Questo è ovviamente un vantaggio”.

Termocamera portatile

FLIR E54

FLIR E54 è la prima termocamera portatile FLIR in grado di rilevare la distribuzione della temperatura in oggetti con differenze di temperatura con una risoluzione a infrarossi di 320 × 240 pixel. La correzione delle immagini con tecnologia MSX® produce le immagini più nitide della categoria. Il teleobiettivo intercambiabile e gli obiettivi grandangolari sono utili per condurre indagini in diversi scenari. Inoltre, collegandosi al software per PC, è possibile analizzare e registrare le variazioni di temperatura in serie temporali come video.

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Identificazione dei limiti di calore e delle procedure per l'ottimizzazione

“Utilizziamo anche una termocoppia e altri termometri a contatto, ma grazie alla termocamera siamo ora in grado di capire quali parti tendono ad avere temperature elevate, in base alle distribuzioni di temperatura”.

La temperatura di resistenza superiore della fibra di guadagno è specificata come 80 °C. Poiché la termocamera è in grado di misurare con precisione le distribuzioni di temperatura, la fibra può essere utilizzata fino a 110 °C utilizzando un sistema di raffreddamento portatile per ridurre il calore. Ora è possibile identificare i limiti di calore e le procedure di ottimizzazione, eliminando così rischi come danni alle apparecchiature e lesioni all'operatore.

“Rispetto ad altri Paesi economicamente avanzati, ritengo che in Giappone i budget per la ricerca siano limitati. In altri Paesi, le termocamere sono uno strumento comunemente utilizzato in molti ambiti. Penso che anche in Giappone si dovrebbe investire maggiormente sul loro utilizzo per la ricerca e lo sviluppo. Se, durante la ricerca, la fibra utilizzata venisse distrutta a causa del superamento del limite di calore, dovremmo riacquistare l’apparecchiatura a un costo di circa 300.000 yen. Ecco perché l'introduzione delle termocamere è da considerarsi economicamente conveniente”.

Il settore ha diversi requisiti, tra cui la lavorazione di materiali diversi con un unico laser. La lavorazione di più materiali richiede un aumento della potenza in uscita che può portare al problema della generazione di calore. Le telecamere a infrarossi come i modelli FLIR Exx-Series sono ideali per la misurazione termica in queste situazioni e possono fornire dati utili per la ricerca laser futura.