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Fast marking by solid state laser : development of a laser source optimized to the highest process productivity

Foresti, Nicola (2012) In Lund Reports in Atomic Physics PHYM01 20121
Atomic Physics
Abstract (Italian)
Estratto in lingua italiana
Questo lavoro di tesi `e stato svolto presso l’azienda SEI S.p.A. di Curno, in provincia di Bergamo, dal marzo 2007 al novembre 2008. La SEI S.p.A. realizza macchine laser per applicazioni industriali, in particolare taglio e marcatura di una svariata gamma di materiali. I laser utilizzati in SEI sono di quattro tipi: CO2, Nd:YAG, UV ed in fibra. Di questi, i laser in Nd:YAG sono assemblati internamente, mentre i restanti sono acquistati da fornitori terzi. Scopo di questo lavoro `e realizzare una sorgente laser a stato solido,
pompata a diodi, che sia adatta per applicazioni di marcatura di precisione, alta qualit`a ed alta produttivit`a. L’azienda richiede che vengano soddisfatti i seguenti requisiti:
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Estratto in lingua italiana
Questo lavoro di tesi `e stato svolto presso l’azienda SEI S.p.A. di Curno, in provincia di Bergamo, dal marzo 2007 al novembre 2008. La SEI S.p.A. realizza macchine laser per applicazioni industriali, in particolare taglio e marcatura di una svariata gamma di materiali. I laser utilizzati in SEI sono di quattro tipi: CO2, Nd:YAG, UV ed in fibra. Di questi, i laser in Nd:YAG sono assemblati internamente, mentre i restanti sono acquistati da fornitori terzi. Scopo di questo lavoro `e realizzare una sorgente laser a stato solido,
pompata a diodi, che sia adatta per applicazioni di marcatura di precisione, alta qualit`a ed alta produttivit`a. L’azienda richiede che vengano soddisfatti i seguenti requisiti:
. Una potenza in uscita di almeno 10 W in regime continuo
. Un modo laser con M2 < 2 .Impulsi brevi ad alta ripetibilit`a in regime di Q-switch
. Raffreddamento ad aria
. Dimensioni compatte
. Alta affidabilit`a per utilizzo in ambito industriale

Si `e scelto di sviluppare una sorgente in Nd:YVO4 in configurazione
a pompaggio longitudinale. Il pompaggio longitudinale garantisce un’alta qualit`a del fascio laser, mentre la scelta del cristallo in vanadato soddisfa le necessit`a di lavoro ad elevata frequenza di ripetizione degli impulsi. Lo scopo `e realizzare una sorgente che abbia dei vantaggi evidenti rispetto ai pi`u diffusi laser in fibra, come, per esempio, la possibilit`a di effettuare scale di grigi, maggiore irradianza e costo inferiore. Sono state inoltre valutate le
potenzialit`a di un cristallo in Nd:GdVO4, che presenta interessanti propriet`a fisiche, ma di cui ci sono pochi studi in letteratura.

Questo lavoro `e strutturato in sette capitoli. Dopo il capitolo introduttivo, i capitoli 2 e 3 descrivono lo stato dell’arte nella tecnologia laser per marcatura. Il quarto capitolo `e una rielaborazione di articoli di letteratura riguardo lo studio teorico di laser a stato solido. Gli ultimi tre capitoli descrivono il lavoro sperimentale ed i risultati ottenuti.

Il capitolo 2 descrive i principali vantaggi della marcatura laser rispetto le tecnologie tradizionali. Vengono spiegati i principi fisici che sottostanno al processo di marcatura. Partendo da considerazioni empiriche, vengono estrapolati i parametri fisci ottimali per un marcatore laser.
Il terzo capitolo descrive brevemente i laser pi`u comuni per applicazioni di marcatura, cio`e, i laser a CO2, in fibra ed a stato solido. Di quest’ultima categoria in particolare vengono descritti e paragonati pi`u in dettaglio i cristalli di Nd:YAG, Nd:YVO4 e Nd:GdVO4. Inoltre, vengono descritte alcune tecniche di pompaggio ottico, e si descrive il funzionamento dei diodi laser.
Infine, date le considerazioni precedenti, si compie la scelta sulla tipologia di laser da sviluppare.
Nel quarto capitolo viene presentata un’analisi teorica dei laser a stato solido pompati longitudinalmente. Obiettivo dell’analisi `e di individuare i parametri ottimali per massimizzare l’efficienza ottica e la qualit`a del fascio.
Il design del risonatore viene inoltre studiato, tenendo in considerazione il fenomeno della lente termica. Si compie una analisi per il calcolo della stabilit` a e sensitivit`a della cavit`a risonante. Il capitolo 5 si concentra sulla realizzazione della sorgente. L’analisi teorica del capitolo quarto `e applicata al caso pratico. In primo luogo, il diodo di pompaggio viene scelto e caratterizzato. Di seguito, i parametri ottimali per l’accoppiamento del fascio di pompa sono derivati dalla qualit`a del fascio di pompa stesso. Successivamente, vengono stimate la stabilit`a e la sensitivit`a del risonatore. Infine, viene compiuta una scelta sulle propriet`a del mezzo attivo, con lo scopo di minimizzare gli effetti termici.
Nel capitolo 6 vengono elencati i risultati sperimentali. Inizialmente viene realizzato un sistema raffreddato ad acqua, dopodich`e, lo stesso sistema viene convertito con raffreddamento a celle di Peltier, al fine di valutare le differenze di prestazione. Si vede come i due sistemi abbiano efficienze ottiche simili, attorno al 64%. Viene introdotta una correzione sperimentale alla formula di Innocenzi per il calcolo della focale termica, in quanto i valori predetti non si avvicinano alle misure sperimentali. La qualit`a del fascio laser `e ritenuta accettabile (M2 = 1.8) e vengono proposte soluzioni per migliorare ulteriormente questo valore. Viene sperimentato anche un cristallo di Nd:GdVO4, che mostra per`o prestazioni inferiori rispetto al vandato. Infine,
vengono confrontate le potenze di picco di diverse sorgenti laser, e sievidenzia come il vanadato fornisca le potenze maggiori ad alte frequenze. Nel capitolo 6 vengono discussi i risultati e gli sviluppi futuri. Si sottolinea come sia stato possibile raggiungere un’emissione di 17 W in continua in configurazione end-pumped grazie all’uso di un cristallo lungo ed a basso drogaggio. Un ulteriore sviluppo del prototipo iniziale ha condotto alla commercializzazione di un sistema laser da marcatura, compatto, integrato, raffreddato ad aria, chiamato Laser3, con potenza di uscita di 12 W ed M2 < 1.5. Poco dopo `e stato realizzata ed immessa sul mercato la versione
potenziata a 20 W. Ad oggi, SEI ha venduto pi`u di 200 Laser3 in tutto il mondo e sono in fase prototipale una versione da 30 W ed un laser verde generato tramite seconda armonica da questa stessa sorgente (vedere il lavoro di tesi di M. Epis [1]). (Less)
Abstract
In the past decades, the laser technology market for industrial material processing has grown by double digits. Nowadays, material processing by high power laser represents the almost irreplaceable solution for many needs. The company SEI S.p.A., based in Curno, Italy, requested a solid-state laser suitable for fast marking application. A Nd:YVO4 crystal in end-pumped configuration was chosen in order to guarantee high performances, high quality and low cost. A study of the resonating cavity was made and thermal lensing was taken into account. The original solution here adopted, i.e., a low-doped (0.2 at. %) and relatively long (10 mm) crystal, allowed to reduce
damaging thermal effects and to reach up to 17 W power in CW operation.
... (More)
In the past decades, the laser technology market for industrial material processing has grown by double digits. Nowadays, material processing by high power laser represents the almost irreplaceable solution for many needs. The company SEI S.p.A., based in Curno, Italy, requested a solid-state laser suitable for fast marking application. A Nd:YVO4 crystal in end-pumped configuration was chosen in order to guarantee high performances, high quality and low cost. A study of the resonating cavity was made and thermal lensing was taken into account. The original solution here adopted, i.e., a low-doped (0.2 at. %) and relatively long (10 mm) crystal, allowed to reduce
damaging thermal effects and to reach up to 17 W power in CW operation.
Finally, a laser with quality factor M2 = 1.8 and peak powers of 9 kW at 50 kHz in Q-switched regime was realized. This first prototype was then improved and today commercialized under the name “Laser3”. More than 200 units have been sold so far. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Foresti, Nicola
supervisor
organization
course
PHYM01 20121
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
high power laser
publication/series
Lund Reports in Atomic Physics
report number
LRAP-460
language
English
id
2542776
date added to LUP
2012-05-21 17:11:11
date last changed
2012-11-12 22:38:15
@misc{2542776,
  abstract     = {In the past decades, the laser technology market for industrial material processing has grown by double digits. Nowadays, material processing by high power laser represents the almost irreplaceable solution for many needs. The company SEI S.p.A., based in Curno, Italy, requested a solid-state laser suitable for fast marking application. A Nd:YVO4 crystal in end-pumped configuration was chosen in order to guarantee high performances, high quality and low cost. A study of the resonating cavity was made and thermal lensing was taken into account. The original solution here adopted, i.e., a low-doped (0.2 at. %) and relatively long (10 mm) crystal, allowed to reduce
damaging thermal effects and to reach up to 17 W power in CW operation.
Finally, a laser with quality factor M2 = 1.8 and peak powers of 9 kW at 50 kHz in Q-switched regime was realized. This first prototype was then improved and today commercialized under the name “Laser3”. More than 200 units have been sold so far.},
  author       = {Foresti, Nicola},
  keyword      = {high power laser},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Reports in Atomic Physics},
  title        = {Fast marking by solid state laser : development of a laser source optimized to the highest process productivity},
  year         = {2012},
}