01Introducción
Actualmente se han desarrollado diferentes tipos de sistemas de emisión de haz, que básicamente guían el haz desde la fuente de luz hasta el área de aplicación. En la mayoría de los casos, la fuente de luz utilizada es algún tipo de láser; por ejemplo, en el procesamiento de materiales con láser, es necesario guiar la salida de un láser industrial hacia la pieza de trabajo para que quede expuesta al láser. En el procesamiento industrial, los sistemas de emisión de haces se suelen utilizar junto con la tecnología robótica. Normalmente, el cabezal de procesamiento láser del brazo robótico es alimentado por un láser estacionario. Otro enfoque consiste en montar un láser lo suficientemente compacto y robusto directamente en el brazo robótico para minimizar la longitud de la trayectoria del haz requerida y maximizar la movilidad. La ventaja de los sistemas de emisión de haz es que permiten colocar la fuente láser en un área protegida y fácil de mantener en lugar de cerca del área de aplicación. Además, los sistemas de emisión móviles también permiten mover el rayo láser sobre un área grande sin mover el pesado láser. Sin embargo, para los sistemas de emisión de haz largo, también puede haber algunos inconvenientes, como pérdida de potencia óptica, limitaciones debidas a efectos no lineales o problemas de ampliación del pulso (para pulsos ultracortos).
02Sistema de transmisión de haz espacial gratuito-
El rayo de salida en el espacio libre-de un láser se puede guiar mediante espejos. Si se utilizan espejos dieléctricos de alta-calidad y alta-reflectividad, se pueden manejar niveles de potencia óptica extremadamente altos. Incluso cuando se requieren múltiples espejos, su tasa de transmisión (el porcentaje de potencia de salida respecto a la potencia de entrada) puede estar muy cerca del 100%. Los espejos dieléctricos son efectivos sólo dentro de un rango limitado de longitudes de onda. Por lo tanto, dichos equipos suelen fabricarse para tipos específicos de láseres, adecuados para láseres Nd:YAG e Yb:YAG en longitudes de onda de 1064 nm y 1030 nm, pero no funcionan en longitudes de onda de 1500 nm o 2000 nm. Sin embargo, hay espejos disponibles en el mercado para una amplia gama de longitudes de onda, desde ultravioleta (por ejemplo, láseres excímeros) hasta el rango visible (por ejemplo, láseres Yb:YAG de frecuencia duplicada) y el rango infrarrojo (por ejemplo, láseres de CO2). El sistema de transmisión de haz más simple tiene una trayectoria de haz fija, que implica, por ejemplo, sólo una o dos desviaciones de 90 grados para dirigir el haz originalmente horizontal hacia abajo, hacia la pieza de trabajo. Todo el recorrido del haz está encerrado en un sistema de conductos hermético, en cuyo extremo se encuentra el cabezal de procesamiento láser. El recorrido se puede modificar reemplazando los elementos de sellado, pero no se puede modificar durante el funcionamiento.
Una solución clásica de transmisión de haz en espacio libre-es el brazo de espejo articulado, donde se logra una trayectoria de luz móvil a través de espejos integrados en el brazo reflectante articulado. El diseño de la junta garantiza que sólo se mueva cuando se aplica un par mínimo; de lo contrario, permanece en su posición. El peso de los componentes se puede compensar mediante contrapesos, resortes u otros medios, facilitando los ajustes de posición. Para lograr un movimiento suave y una posición estable del haz, evitando problemas como la deriva y la vibración, los dispositivos optomecánicos utilizados deben ser muy precisos. Al final del sistema óptico de transmisión del haz, normalmente se conecta un dispositivo óptico, como un auricular, un cabezal de procesamiento láser fijo o un cabezal de escaneo. Normalmente, el haz se centra en el área de aplicación, mientras que en otros casos ilumina un área objetivo más grande.
03 Sistema de transmisión de haz de fibra óptica La transmisión de fibra óptica es un método muy flexible para emitir rayos láser. Normalmente, las fibras utilizadas para la transmisión láser están encapsuladas en cables ópticos protectores que incluyen una funda exterior para proteger las fibras frágiles y también pueden integrar funciones adicionales, como un-sistema de monitoreo de cables integrado que puede detectar fugas de láser debido a daños accidentales a la fibra en tiempo real. La fibra de cuarzo, como fibra de vidrio óptica más común, puede emitir energía luminosa con una pérdida de transmisión muy baja en un rango de longitud de onda específico, con distancias de transmisión de varios metros o incluso más. Su rango de longitud de onda cubre la región del infrarrojo cercano-donde operan la mayoría de los láseres industriales. Sin embargo, las limitaciones de este material también son evidentes. En aplicaciones de alta-potencia, las fibras de cuarzo tienen capacidades de transmisión limitadas en el rango ultravioleta (como los láseres excimer) y en el rango del infrarrojo lejano-. Un ejemplo típico es que para un láser de CO₂ con una longitud de onda de 10600 nm, actualmente casi no hay fibras maduras capaces de transmitir eficazmente su haz de alta-potencia, y los brazos articulados son una solución comúnmente utilizada en este campo. Cuanto mayor sea la potencia óptica a transmitir, mayor deberá ser el diámetro del núcleo de la fibra. Esto es en parte para reducir la densidad de potencia dentro del núcleo para evitar daños y en parte para igualar el producto de parámetro de haz (BPP) más grande típicamente asociado con fuentes láser de alta-potencia. Para acoplar eficazmente el láser a la fibra, la fibra necesita una apertura numérica (NA) suficientemente grande, que está determinada por la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento. La combinación de un gran diámetro de núcleo y una alta NA conduce a una gran cantidad de modos guiados, lo que hace que la propagación del haz dentro de la fibra sea extremadamente compleja. Incluso si la pérdida óptica general es pequeña, la redistribución de energía entre diferentes modos a menudo conduce a una disminución del brillo del haz, lo que comúnmente se conoce como calidad reducida del haz. Las salidas de fibra suelen estar equipadas con elementos ópticos adicionales, como cabezales de procesamiento o cabezales de escaneo. Básicamente, este cabezal determina la posición y dirección del haz, y el simple hecho de mover el cable de fibra tiene poco impacto en las características del haz. Sin embargo, doblar la fibra provoca fácilmente un acoplamiento de modos, lo que altera la distribución de potencia entre los modos de la fibra, afectando tanto la divergencia del haz de la fibra como el "centroide" de la distribución de intensidad en la salida de la fibra, lo que potencialmente conduce a una disminución correspondiente en la calidad del haz de salida.
