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Título : Diseño de un láser de fibra óptica de alta intensidad para mejoramiento del proceso de depósito supersónico laser
Autor : Dr. Álvarez Chávez, José Alfredo
Ing. Ortiz Neria, David Isaac
Palabras clave : fibra óptica
láser
Fecha de publicación : 30-jun-2011
Resumen : This thesis reports the characteristics of the design of laser generation by means of a double‐clad ytterbium‐doped optical fibre. An octagonal shape for the inner clad has been proposed to improve the energy pump absorption. The functioning scheme of the fibre laser (FL) follows the “all‐fibre” configuration utilizing Bragg gratings and multi‐mode couplers as reflector devices to inject the pump light. The laser was proposed to improve the Supersonic Laser Deposition (SLD) process, which has been used in the production of films based on metallic powders. Presently, the SLD employs a 4 kW FL of IPG Photonics and it does not reach the expected efficiency by the developers of this technique The low productivity is due to the low adherence that exists in the zones located close to the gas‐powder fingerprint that is left by the particle acceleration system of the SLD. For the above reason, the design of the FL was based on the analysis of the heating needs of three materials of interest: aluminium, low carbon steel and titanium. The result obtained was that the Gaussian beam profile is not adequate to achieve uniform heating, and it was found that Horseshoe profile produces better results. In order to accomplish the Horseshoe profile, two‐Axicon lens were employed to modify the beam emitted by the FL. Thus, the characteristics that the FL should posses to energize a substrate to 900°C were obtained. The results of the analysis of the FL by simulation show that the proposed fibre does not reach the heating power that the SLD needs.. It is necessary to modify the characteristics of the FL in order to raise the emission power levels and the emergence of nonlinear phenomena and thermo‐optic damage limits that can degrade the fibre. For this reason, it will be necessary to establish in future work the enhanced geometric profiles of the fibre and rare‐earth doping concentration in the core in order to validate the results presented here and to comply with requirements imposed by the SLD process. Due to the limited availability of the infrastructure where the SLD process is developed, the work achieved was also limited to simulation and the analysis of these results. However, they are of great help for the continuation of a deeper study of this subject.
Descripción : Esta tesis reporta las características de diseño de generación de luz láser por medio de una fibra óptica de doble revestimiento con núcleo dopado de iones de iterbio (Yb3+). El revestimiento interno de la fibra posee una geometría octagonal para mejoramiento de la absorción de la energía de bombeo. El esquema de funcionamiento del láser de fibra óptica (LFO) se propuso en la configuración “todo en fibra” utilizando rejillas de Bragg como elementos reflejantes de la cavidad y un acoplador multimodo para introducir la luz de bombeo. El láser reportado se propuso para el mejoramiento del proceso de Depósito Supersónico Láser (SLD), y es utilizado para la creación de películas en base a polvos metálicos. Actualmente el proceso utiliza un LFO de 4 kW de IPG Photonics, y no alcanza la eficiencia esperada por los desarrolladores de esta técnica. La baja productividad es debida a que existe baja adherencia en zonas localizadas en la periferia de la huella de gas‐polvo que deja el sistema de aceleración de partículas del SLD. Por lo anterior, el diseño del LFO se basó en el análisis de las necesidades de calentamiento de tres materiales de interés: aluminio, Acero bajo en carbono y Titanio. El resultado obtenido fue que el perfil de haz Gaussiano del LFO no es adecuado para lograr un calentamiento uniforme, y se encontró que el perfil de Herradura logra mejores resultados. Para lograr obtener este perfil de haz, se emplean dos lentes Axicon para modificar el haz que emite el LFO. De ello se obtuvieron las características que deber poseer el láser para energizar un substrato a 900°C. Los resultados del análisis de la fibra por simulación, arrojaron que la fibra propuesta no alcanza la potencia de calentamiento que necesita el SLD. Se requiere modificar las características para aumentar sus límites de potencia de emisión, y de aparición de fenómenos no lineales y daños térmicos que degradarían la fibra. Por lo tanto será necesario establecer en trabajos futuros las mejoras geométricas y de concentración de dopante para poder corroborar los resultados aquí presentados y cumplir con los requerimientos que impone el proceso SLD. Cabe mencionar que por disponibilidad de la infraestructura donde se desarrolla ésta técnica, el trabajo logrado se limitó a la obtención de simulaciones y el análisis de estos resultados. Que sin embargo, son de gran ayuda para la continuación de un estudio más profundo acerca del tema
URI : http://www.repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/12280
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