اكتشف أكثر من 10 أنواع من الليزر لتطبيقات مختلفة

تتمتع ليزر الألياف بمجموعة واسعة من التطبيقات، ويمكن أن تلبي أنواع التقسيمات الفرعية الاحتياجات الخاصة.

هناك العديد من طرق التصنيف ل ليزر الأليافمن بينها الأكثر شيوعًا مصنفة حسب وضع العمل ونطاق النطاق والعناصر الأرضية النادرة المخدرة المتوسطة.

الليزر عادةً ما يتم تسميتها وفقًا لواحدة أو اثنتين من هذه الفئات الثلاث.

على سبيل المثال، تُترجم سلسلة YLM-QCW من IPG إلى ليزر ألياف الليزر المخدرة باليتربيوم شبه المستمر.

تتميز ليزر الألياف بمجموعة واسعة من التطبيقات.

تتميز أجهزة الليزر المقسمة المختلفة بخصائص مختلفة ومجالات تطبيق مناسبة.

على سبيل المثال، يعتبر نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة آمنًا للعين البشرية ويمكن امتصاصه بقوة في الماء. وهو مصدر ليزر طبي مثالي;

يمكن للألياف المخدرة بالإربيوم أن تفتح نافذة اتصالات الألياف الضوئية بسبب طولها الموجي المناسب، والذي يستخدم على نطاق واسع في مجال اتصالات الألياف الضوئية;

نظراً لوضوحه، فإن الليزر الأخضر ضروري في الترفيه والعرض.

الشكل 1 مخطط تطبيق التقسيم الفرعي لليزر والتصنيف المقابل للصناعات ذات الصلة

قوة الذروة لليزر النبضي عالية وسرعة معالجة الليزر شبه المستمر سريعة.

وفقًا لوضع العمل، يمكن تقسيم ليزرات الألياف إلى ليزرات الألياف ذات القفل النمطي، وليزرات الألياف ذات التبديل الكمي وليزرات الألياف شبه المستمرة وليزرات الألياف المستمرة.

تشمل الأساليب التقنية لتحقيق ليزر الألياف النبضية النبضية بشكل أساسي تقنية التبديل الكمي وتقنية قفل الوضع وتقنية تضخيم طاقة التذبذب الرئيسية لمصدر البذور (MOPA).

يمكن أن تحقق تقنية قفل الوضع فيمتو ثانية أو بيكو ثانية يكون خرج النبضة، وتكون طاقة ذروة النبضة عالية، وعادةً ما تكون في حدود ميجاوات، ولكن متوسط طاقة النبضة الناتجة منخفضة;

• يمكن الحصول على ليزر الألياف الليزرية المحولة ليزر نبضي بعرض نبضي يبلغ نانوثانية، وقوة قصوى تبلغ كيلوواط وطاقة نبضية تبلغ ميجا جول.
• عرض النبضة لليزر شبه المستمر هو ميكروثانية، ويتم تزويد الليزر المستمر بالطاقة باستمرار من مصدر المضخة لإنتاج خرج الليزر لفترة طويلة.

الشكل 2 وضع العمل وعرض النبضة لليزر الليفي

ليزر الألياف CW هو المنتج الرئيسي لليزر عالي الطاقة.

إخراج الليزر من الليزر CW مستمر، والذي يستخدم على نطاق واسع في مجالات القطع بالليزرواللحام والتكسية.

يوفر مصدر مضخة الليزر الطاقة باستمرار وينتج خرج الليزر لفترة طويلة، وذلك للحصول على ليزر مستمر.

يكون لعدد الجسيمات في كل مستوى طاقة ومجال الإشعاع في التجويف توزيع مستقر.

خاصية عملها هي أنه يمكن تنفيذ إثارة مادة العمل وإخراج الليزر المقابل بشكل مستمر في نطاق زمني طويل.

الليزر الليفي المثار بواسطة مصدر ضوء مستمر هو ليزر ليفي مستمر.

بالمقارنة مع types of lasers، يمكن أن يحقق ليزر الألياف المستمر طاقة عالية نسبيًا. وقد أنتجت شركة IPG ليزر الألياف الليزرية المستمر أحادي الوضع بقدرة 20000 واط، والذي يستخدم غالبًا في مجالات القطع بالليزر واللحام والكسوة.

يمكن أن يعمل ليزر الألياف شبه CW في وضعين، مما يحسن سرعة المعالجة بشكل كبير

يمكن أن يعمل الليزر شبه CW في وضع النبض المستمر والعالي الذروة في نفس الوقت.

وفقًا للموقع الرسمي لشركة IPG، فإن طاقة الذروة ومتوسط طاقة الليزر التقليدي CW هي نفسها دائمًا في وضع CW و CW / التعديل، في حين أن طاقة الذروة لليزر شبه CW في وضع النبض أعلى 10 مرات من متوسط الطاقة.

لذلك، يمكن توليد نبضات ميكروثانية وميلي ثانية ذات طاقة عالية بترددات تكرار تتراوح بين عشرات الهرتز وآلاف الهرتز، ويمكن تحقيق متوسط طاقة وذروة طاقة تصل إلى عدة كيلووات.

سيوفر ليزر الألياف شبه CW كفاءة تحويل كهروضوئية أعلى ويحسن بشكل كبير من سرعة المعالجة وكفاءة الإنتاج.

بالمقارنة مع أنظمة الليزر الأخرى، يمكن أن يوفر ليزر الألياف شبه CW شبه CW ليزر الألياف الضوئية زيادة كفاءة التحويل الكهروضوئي عشر مرات، ويمكن أن يحقق أكثر من 30% كفاءة تحويل كهروضوئية في ظل مخطط التبريد السلبي.

ونظرًا لارتفاع متوسط قوته ومعدل تكرار النبضات، فإن سرعة معالجته تبلغ 3-4 أضعاف سرعة معظم أجهزة الليزر.

ستؤدي تكلفة الطاقة المنخفضة بشكل كبير، وعدم وجود مواد مستهلكة وقطع غيار، وانخفاض الطلب على الصيانة وعدم الحاجة إلى وقت التسخين المسبق إلى تحسين التكلفة.

يمكن لليزر الألياف الليفي النبضي ضغط الطاقة وإخراج طاقة الذروة.

تنقسم ليزرات الألياف الليزرية النبضية إلى ليزرات الألياف ذات التبديل الكمي وليزرات الألياف ذات التأمين، وهي تنقسم إلى ليزرات الألياف ذات التأمين، وليزرات الألياف ذات التأمين، وليزرات الألياف ذات الوضع.

تتمثل تقنية التبديل الكمي في ضغط طاقة الليزر في فترة زمنية قصيرة لتكوين خرج ليزر بقدرة قصوى عالية وعرض نبضي ضيق.

مبدأ التبديل الكمي هو إضافة جهاز قابل لتعديل الفقد في الليزر.

في معظم المناطق الزمنية، يكون فقدان الليزر كبيرًا جدًا في معظم المناطق الزمنية ولا يوجد تقريبًا أي ناتج ضوئي.

في وقت قصير، قلل من فقدان الجهاز، وذلك لجعل إخراج الليزر نبضة قصيرة ذات كثافة عالية.

Q-switch هو الجهاز الأساسي لتقنية Q-switched، والذي يمكن أن يحقق ليزر الألياف Q-switched بطريقة نشطة أو سلبية.

يتميز ليزر الألياف الليفية النبضية ذات النبض الكمي بخصائص طاقة الذروة العالية وطاقة النبضة الواحدة العالية وقطر البقعة الاختياري.

يستخدم على نطاق واسع في وضع العلامات، والمعالجة الدقيقة، ووضع العلامات الرسومية، والنقش العميق، والقطع الدقيق للصفائح والحفر وغيرها من المجالات غير المعدنية والذهب والفضة والنحاس والألومنيوم والصفائح غير عالية الانعكاس مادة الفولاذ المقاوم للصدأ.

من حيث تطبيق الوسم، مقارنةً بـ CO₂ الليزر، التكلفة أقل والأداء أكثر استقرارًا.

يولد ليزر الألياف الليفي النبضي المقفل الوضع نبضات فائقة القصر عن طريق قفل الوضع النشط أو قفل الوضع السلبي.

يكون عرض النبضة الناتجة عن قفل الوضع النشط محدودًا بزمن استجابة المغير، ويكون عرض النبضة المتولدة عن قفل الوضع النشط واسعًا، وعمومًا في حدود البيكو ثانية;

يستخدم قفل الوضع السلبي أجهزة قفل الوضع السلبي ذات زمن استجابة قصير ويمكنها إنتاج نبضات فيمتو ثانية.

المبدأ المختصر لقفل النمط هو اتخاذ التدابير المناسبة لجعل الأنماط الطولية المستقلة بشكل متبادل في الرنان لها علاقة معينة في الطور.

حتى إذا كان فرق الطور بين الأنماط الطولية المتجاورة ثابتًا، فسيخرج الليزر نبضات ذات عرض نبضي ضيق للغاية وقدرة قصوى عالية.

يتميز ليزر النبض المقفل بالوضع بمزايا جودة الحزمة الممتازة وعرض النبضة القصير جدًا وطاقة النبضة العالية.

وهي مناسبة للتصنيع المجهري لمختلف المواد، بما في ذلك المعادن والزجاج والسيراميك والسيليكون والبلاستيك.

في المجال الطبي، تُستخدم أشعة الليزر ذات القفل النمطي أيضاً في مشرط الليزر أو جراحة العيون.

على سبيل المثال، تُستخدم التأثيرات الكيميائية الضوئية أيضًا في بعض عمليات العناية بالبشرة.

نظرًا لخصائص النبضات القصيرة وقوة الذروة العالية، تُستخدم أشعة الليزر ذات القفل النمطي على نطاق واسع في مختلف طرق التصوير والفحص المجهري والتحليل الطيفي.

كما أنها تُستخدم في مجالات قياس العينات الكهربائية الضوئية وقياس المسافة وقياس التردد والتوقيت على الدوائر الإلكترونية المتكاملة.

الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء هو السائد، والضوء الأخضر وضوء الأشعة تحت الحمراء البعيدة لهما خصائصهما الخاصة.

يكون ناتج الليزر مباشرةً بواسطة ليزر الألياف في الغالب ضوءًا قريبًا من الأشعة تحت الحمراء بطول موجي يتراوح بين 960 نانومتر و2.05 ميكرومتر.

وفقًا لترتيب الطول الموجي من القصير إلى الطويل، تغطي فئة الليزر جميع أنواع الليزر من الأشعة السينية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة، بأطوال موجية تتراوح من 0.001 نانومتر إلى 1000 ميكرون.

من بينها، يكون إخراج الليزر مباشرة بواسطة ليزر الألياف بشكل أساسي في الجزء القريب من الأشعة تحت الحمراء.

ومع ذلك، من أجل تلبية احتياجات التطبيقات المختلفة، يمكن لأشعة الليزر الليفي إخراج الضوء المرئي من خلال مضاعفة التردد، والتطبيق الرئيسي هو الضوء الأخضر;

يمكن إخراج ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة عن طريق تناول الفلورايد في الألياف الضوئية.

الشكل 3 قائمة بأطوال موجات الألياف الضوئية المختلفة

الجدول 1. الليزر حسب الطول الموجي

يعتبر ليزر الألياف الليفية بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة آمنًا على عيون الإنسان وهو مصدر ليزر طبي مثالي.

يتراوح الطول الموجي لليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة بشكل أساسي من 23 ميكرون إلى 3.9 ميكرون، وهو ما يحتاج إلى وسط من الألياف الزجاجية الفلورية المخدرة بأيونات أرضية نادرة للإثارة.

من طيف التألق الناتج عن الانتقال بالأشعة تحت الحمراء لليزر الليفي في الشكل أدناه، يمكن ملاحظة أن أيون الهولميوم المخدر (Ho3 +) والأيون المخدر بالإربيوم (Er3 +) يمكن توليدهما مباشرةً من خلال إثارتهما في ظروف وسط مناسب.

يتميز ليزر الألياف الزجاجية الفلورايدية بكفاءة عالية وطاقة خرج عالية في نطاق 2.3 ~ 3.5 ميكرومتر، في حين أن الطول الموجي أكثر من 3.5 ميكرومتر.

هناك عدد قليل جدًا من المواد التي يمكنها تلبية طاقة الفونونات المنخفضة المطلوبة لنقل الألياف الضوئية والإشعاع الانتقالي للأيونات الأرضية النادرة.

ينتج ليزر الألياف الليفية Ho3 + الفلورايد المخدر الأحادي هو3 + ليزر الألياف الفلورية 3.9 ميكرومتر عند درجة حرارة منخفضة، وهو أطول طول موجي للإخراج المباشر في الوقت الحاضر.

الشكل 4 العلاقة بين طاقة الخرج القصوى والطول الموجي للانبعاثات لمختلف أنواع ليزر الأيونات الأرضية النادرة

نظرًا لخصائص طوله الموجي، يمكن لليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة أن يفتح نافذة الغلاف الجوي ويستخدم على نطاق واسع في التوجيه بالليزر وتحديد المواقع والقياس.

في الشؤون العسكرية، يتطلب تطبيق الطاقة الموجهة لليزر والإرسال لمسافات طويلة عبر نافذة الإرسال الجوي طاقة شعاع قوية.

في التدبير المضاد للصواريخ بالأشعة تحت الحمراء، يمكن لليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة الحصول على نافذة انتقال في الغلاف الجوي من 3 ~ 5 ميكرومتر.

قد يُستخدم ليزر الألياف الليفية المتوسط بالأشعة تحت الحمراء مع عدة كيلووات من الخرج أحادي الوضع على نطاق واسع في منصات الدفاع الوطني الحربية مثل الصواريخ المضادة للصاروخ كروز وتوجيه الصواريخ واستطلاع المجال الجوي للطائرات بدون طيار.

تم استخدام ليزر ألياف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة على نطاق واسع في المجال الطبي بسبب توجيهه القوي وسلامة عين الإنسان.

نطاق ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة آمن لعين الإنسان ويمكن امتصاصه بقوة في الماء.

نظرًا للاتجاهية القوية لليزر، يمكن أن يكون عمق اختراق الأنسجة ضحلًا ويمكن أن تكون منطقة الضرر المادي صغيرة جدًا في جراحة الليزر، وذلك لتحقيق دقة عالية.

في الطب الحديث، يستخدم ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة في التطبيقات الطبية بشكل أساسي التأثير الحراري الضوئي لعلاج أو استئصال الأنسجة المريضة.

وقد استخدم على نطاق واسع في جراحة العظام والجهاز الهضمي والمسالك البولية.

لقد أصبح مصدر ضوء الليزر الطبي المثالي لاستئصال وقطع الأنسجة البولية والتبخير وإزالة الأعضاء الفاشلة.

في عملية قطع الأنسجة الغنية بالدهون والعظام والبروتين، فإن استخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة سيسبب ضرراً طفيفاً.

يتميز ليزر الألياف الخضراء بالسطوع الطيفي العالي وكفاءة التحويل 84%

يمكن أن يحصل ليزر الألياف على ناتج الضوء الأخضر عن طريق مضاعفة التردد.

على الرغم من أن ليزر الألياف الخضراء المضاعفة التردد ليس ليزر ألياف خضراء بالمعنى الدقيق للكلمة، لأن وسيط التنشيط الخاص به لا يطلق مباشرة شعاع الليزر 532 نانومتر، فإن هذا النوع من ليزر الألياف يوفر نطاقًا ضيقًا من مدة النبض وتردد التكرار حتى 600 كيلو هرتز.

يعمل مصدر الليزر ذو السطوع الطيفي العالي على تعزيز كفاءة التحويل وتحقيق كفاءة تحويل 84% وكفاءة تحويل كهروضوئية أكثر من 20%. 

من الممكن الترقية إلى طاقة عالية عند 355 و266 نانومتر.

يُستخدم الليزر الأخضر على نطاق واسع في الطباعة والعلاج الطبي وتخزين البيانات والجيش والبيولوجيا وغيرها من المجالات.

على سبيل المثال، يمكن استخدام ليزر الألياف الخضراء من IPG في تصوير الجسيمات، وقياس السرعة / تصور التدفق، وتشخيص الصور والجراحة، والالتقاط البصري / الملاقط الضوئية، وتصنيع الخلايا الشمسية، وفحص التصنيع ومراقبة الجودة، والتصوير المجسم وقياس التداخل، والترفيه والإسقاط، وما إلى ذلك.

الألياف المخدرة بالإيتربيوم هي المهيمنة، والألياف المخدرة بالثوليوم المخدرة بالإربيوم لها طول موجي خاص بها.

يستخدم ليزر الألياف بشكل أساسي الألياف المخدرة بعناصر أرضية نادرة كوسيط كسب، وتتوافق العناصر الأرضية النادرة المختلفة مع أطوال موجية مختلفة للعمل.

تتمثل الألياف المخدرة في إضافة شوائب، مثل الأيونات الأرضية النادرة، إلى قلب الألياف، مما يؤدي إلى تعديل الألياف وإظهار تأثير الليزر.

ويتمثل مبدأ العمل في أن ضوء المضخة يقترن أولاً في وسط الكسب المخدّر بأيونات أرضية نادرة من خلال نظام الاقتران، ثم تمتص الأيونات الأرضية النادرة في القلب المخدّر طاقة فوتون المضخة وتنتج انتقالاً في مستوى الطاقة.

على سبيل المثال، يمكن استخدام الأيونات الأرضية النادرة مثل الإربيوم (Er3 +) والبراسيوديميوم (Pr3 +) والثوليوم (Tm3 +) والنيوديميوم (Nd3 +) والإيتربيوم (Ytterbium (Yb3 +) كمواد منشّطة لصنع الألياف الضوئية، ومن ثم تحويلها إلى مضخم ألياف مخدرة (XDFA) وليزر ليفي (XDFL).

تعمل العناصر الأرضية النادرة المختلفة في نطاقات أطوال موجية مختلفة، لكنها في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.

الشكل 5 الأطوال الموجية التشغيلية للأيونات الأرضية النادرة في النوى المخدرة عادة.

ليزر الألياف المخدرة بالإيتربيوم هو القوة الرائدة في صناعة الليزر.

لقد تطور ليزر الألياف المخدرة بالإيتربيوم بسرعة بسبب ثباته العالي وجودة الشعاع الجيد وكفاءة الانحدار العالية.

تتميز الألياف المخدرة بالإيتربيوم بالعديد من المزايا.

يتميز ليزر الألياف الذي تم تطويره بواسطة الألياف المخدرة بالإيتربيوم بكفاءة انحدار عالية وكفاءة تحويل بصري بصري، ويمكنه الحصول على خرج ليزر عالي الطاقة في نطاق 1 متر.

لذلك، فقد اجتذبت اهتمامًا واسعًا وتطورت بسرعة.

لقد أصبحت القوة الموجهة الرئيسية في صناعة الليزر ولها آفاق تطبيق جيدة في المعالجة الصناعية والعلاج الطبي والدفاع الوطني وغيرها من المجالات.

تستخدم معظم منتجات الليزر من ليزر Ruike الألياف المخدرة بالإيتربيوم.

الجدول 2. مقارنة بين منتجات الألياف الضوئية الرئيسية المخدرة بالمرآة للشركات المحلية والأجنبية

تُستخدم ليزرات الألياف المخدرة بالإيتربيوم بشكل أساسي في الليزرات المستمرة والليزرات النبضية ذات التبديل الكمي.

نظرًا لبساطة هيكل مستوى الطاقة البسيط لأيون الإيتربيوم وفقدان الجسيمات الصغير، فإن الليزر يتمتع بكفاءة تحويل عالية وتأثير حراري منخفض في ظل التشغيل عالي الطاقة، وعرض نطاق الكسب كبير (975 نانومتر ~ 1200 نانومتر).

وفي الوقت نفسه، فإن عمر المستوى العلوي لأيون الإيتربيوم طويل نسبيًا، وعادةً ما يكون حوالي 1 ميلي ثانية.

هذه العوامل مواتية لتقنية التبديل الكمي.

ولذلك، تم تحقيق خرج نبضي فائق القصر في الليزر النبضي.

في جانب ليزر CW، وصلت طاقة خرج ليزر الألياف المخدرة باليتربيوم المشبعة باليتربيوم إلى 10000 واط.

ليزر الألياف المشبعة بالإربيوم هو نافذة اتصالات ألياف بصرية فريدة من نوعها

يتميز ليزر الألياف المخدرة بالإربيوم بخصائص الطول الموجي الآمن وطاقة النبضات العالية جدًا. يمكن أن يحقق ليزر الألياف المشبعة بالإربيوم عملية أحادية الوضع، مع عرض خطي ضيق للغاية وأحادية اللون جيدة وثبات.

يحتوي أيون الإربيوم على عرض نطاق كسب واسع، والذي يمكن أن يؤدي إلى تفاقم التذبذب متعدد الأوضاع في تجويف الليزر، وذلك لتحقيق ليزر النبضات القصيرة للغاية.

نظرًا لخصائصه الفريدة لسلامة العين البشرية ("سلامة العين البشرية" تشير إلى أن الليزر بطول موجة 1.5 ميكرومتر أقل بكثير من عتبة تلف العين البشرية)، فإن له مجموعة واسعة من التطبيقات العملية في مجالات الاتصالات البصرية في الفضاء الحر، والليدار، والكشف البيئي، ومعايرة قطع العمل، والمعالجة الصناعية.

تم استخدام الألياف المخدرة بالإربيوم على نطاق واسع في مجال اتصالات الألياف الضوئية بسبب طولها الموجي المناسب.

نظرًا لأن الألياف المشبعة بالإربيوم تتمتع بكسب عالٍ عند الطول الموجي 1550 نانومتر، فإن المظهر الطيفي لكسبها البالغ حوالي 40 نانومتر يتوافق مع أفضل نافذة للخسارة المنخفضة في اتصالات الألياف الضوئية، والتي لها قيمة تطبيقية محتملة.

يمكن لليزر الليفي المشبع بالثوليوم أن يحسن خصائص امتصاص المواد المائية

يتميز ليزر الألياف المخدرة بالثوليوم بخصائص العتبة المنخفضة والكفاءة العالية وجودة الشعاع الجيدة.

ليزر الألياف الليفية المشبعة بالثوليوم هو نقطة البحث الساخنة لليزر الليفي في مجال الطول الموجي الآمن للعين البشرية، ويمكن أن يعمل ليزر الألياف الليفية المشبعة بالثوليوم في النطاق S (150 - 75 مم).

يلعب دورًا مهمًا للغاية في تطوير حيز التردد لموارد الاتصالات المحتملة وتحسين قدرة نظام اتصالات الألياف الضوئية.

لقد تطورت ليزرات الألياف الليزرية المخدرة بالثيوليوم ذات التبديل الكمي والمستمرة إلى متوسط طاقة أعلى في السنوات القليلة الماضية.

والآن يمكن لعدد معين من الموردين توفير أجهزة ليزر نبضي تجاري بمتوسط طاقة 10 وات.

يستخدم ليزر الألياف المشبعة بالثيوليوم على نطاق واسع في العلاج الطبي بالليزر والليدار والاستشعار عن بعد بضوء الفضاء وغيرها من المجالات.

يبلغ الطول الموجي لخرج ليزر الألياف الليفية المشبعة بالثوليوم حوالي 2 ميكرومتر.

يبلغ نطاق الامتصاص القوي للماء السائل حوالي 1950 نانومتر، وهو قريب من الطول الموجي لليزر ألياف الثوليوم القياسي، وبالتالي فإن خصائص الامتصاص تتحسن بشكل كبير.

ويوجد الماء بشكل عام في العديد من المركبات العضوية وغير العضوية، مما يعني أن عددًا كبيرًا من المواد يحسن خصائص الامتصاص في النطاق الطيفي 2 ميكرومتر.

لذلك، يعتبر ليزر الألياف المشبعة بالثيوليوم مصدرًا مثاليًا للضوء في الطب وسلامة العين والبصريات فائقة السرعة والاستشعار عن بعد قصير المدى وعلم الأحياء، وله آفاق تطوير جيدة.

في الوقت نفسه، في مجال الطب، فإن ليزر الألياف المشبعة بالثوليوم له أيضًا العديد من التطبيقات، بما في ذلك التبخير السريع، وتكنولوجيا القطع الدقيق للغاية، وإرقاء التخثر في الطب.

لا يمكن استخدام ليزر الألياف الليزرية المخدرة بالثوليوم عالي الطاقة فقط من أجل الطول الموجي الآمن للعين البشرية ومصدر ضوء الليدار، ولكن يمكن استخدامه أيضًا كمصدر ضخ لليزر البلوري الصلب لتحقيق المزيد من إخراج ليزر الأشعة تحت الحمراء بطول موجي أطول.

الشكل 6 خصائص امتصاص الماء السائل عند أطوال موجية مختلفة

يتميز ليزر الألياف بمزايا أداء متميزة وتأثير استبدال واضح.

يتميز ليزر ثاني أكسيد الكربون بكفاءة تحويل الضوء المنخفضة والتكلفة العالية.

ليزر ثاني أكسيد الكربون هو نوع من الليزر الجزيئي.

إنه أحد أشعة الليزر CW الشائعة عالية الطاقة.

المادة الرئيسية هي جزيء ثاني أكسيد الكربون.

الهيكل الرئيسي لـ CO₂ يتضمن الليزر أنبوب الليزر والمرنان البصري ومصدر الطاقة والمضخة.

الميزة الرئيسية هي أن طاقة الخرج كبيرة ويمكن تحقيق العمل المستمر، ولكن الهيكل معقد، والحجم كبير والصيانة صعبة.

الشكل 7 هيكل ليزر ثاني أكسيد الكربون

إن انعكاس عدد الجسيمات هو مفتاح تلألؤ ليزر ثاني أكسيد الكربون.

تشمل المواد العاملة في ليزر ثاني أكسيد الكربون ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيليوم. بعد إدخال مصدر طاقة التيار المستمر، تُستثار جزيئات النيتروجين في الغاز المختلط بواسطة تأثير الإلكترون.

عندما تتصادم جزيئات النيتروجين المثارة مع جزيئات ثاني أكسيد الكربون، فإنها تنقل الطاقة إلى جزيئات ثاني أكسيد الكربون، بحيث تنتقل جزيئات ثاني أكسيد الكربون من مستوى الطاقة المنخفض إلى مستوى الطاقة المرتفع لتشكل انعكاس عدد الجسيمات وتبعث الليزر.

الشكل 8 رسم تخطيطي لعملية انبعاث ليزر ثاني أكسيد الكربون

تتميز الألياف الضوئية وليزر ثاني أكسيد الكربون بمزاياها الخاصة، لذلك يجب اختيار أدوات مختلفة وفقًا للاحتياجات المختلفة.

من تكنولوجيا القطع التي تستخدم على نطاق واسع في الوقت الحاضر، ليزر الألياف وثاني أكسيد الكربون₂ الليزر له مزاياه وعيوبه في مواجهة متطلبات التطبيق المحددة.

لا يمكن أن يحل أحدهما محل الآخر تمامًا، بل يجب أن يتكاملان ويتعايشان معًا.

فيما يتعلق بأنواع مواد المعالجة، نظرًا لتأثير الامتصاص، فإن ليزر الألياف غير مناسب للقطع غيرمواد معدنيةفي حين أن ثاني أكسيد الكربون التقليدي₂ الليزر غير مناسب لقطع المواد ذات الانعكاسية العالية مثل النحاس والألومنيوم;

فيما يتعلق بسرعة القطع، فإن ثاني أكسيد الكربون₂ لها مزايا في الصفيحة ذات السماكة > 6 مم، بينما يقطع ليزر الألياف الصفيحة بشكل أسرع;

يجب أن تكون قطعة العمل مخترقة قبل القطع بالليزر، وسرعة التثقيب في CO₂ أسرع بكثير من ليزر الألياف;

فيما يتعلق بجودة قسم القطع، فإن CO₂ الليزر أفضل من ليزر الألياف ككل.

الجدول 3. مقارنة بين ليزر الألياف وليزر ثاني أكسيد الكربون

يتميز ليزر الألياف بكفاءة أعلى في تحويل الضوء وتكلفة أقل.

وفقًا للحساب، تبلغ تكلفة استخدام ليزر الألياف 23.4 يوان / ساعة، وتكلفة استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون 39.1 يوان / ساعة، من بينها تكلفة طاقة ليزر الألياف 7 يوان / ساعة، وتكلفة تبريد الماء 8.4 يوان / ساعة، والتكاليف الأخرى 8 يوان / ساعة;

وتبلغ تكلفة طاقة ليزر ثاني أكسيد الكربون 21 يوان/ساعة، وتكلفة تبريد الماء 12.6 يوان/ساعة، والتكاليف الأخرى 5.5 يوان/ساعة.

الجدول 4. مقارنة التكلفة بين ليزر الألياف وليزر ثاني أكسيد الكربون

يتميز ليزر YAG بكفاءة تحويل طاقة منخفضة أو يتم استبداله تدريجيًا.

يشير ليزر YAG بشكل عام إلى Nd. YAG (بلورة عقيق الألومنيوم الإيتريوم المخدرة بالروبيديوم) إلى ليزر الحالة الصلبة.

محتوى ذرات الروبيديوم في البلورة هو 0.6 ~ 1.1%، والتي يمكن أن تنتج ليزر نابض أو ليزر مستمر، والضوء المنبعث هو الأشعة تحت الحمراء بطول موجة 1.064 ميكرومتر.

غالبًا ما يستخدم ليزر Nd. وغالبًا ما يستخدم ليزر YAG مصباح الكريبتون أو الزينون كمصباح مضخة، لأن أيونات Nd ستمتص القليل فقط من ضوء المضخة ذات الطول الموجي المحدد، وسيتم تحويل معظم الطاقة إلى طاقة حرارية.

بشكل عام، تكون كفاءة تحويل الطاقة في ليزر YAG منخفضة.

الشكل 9 الهيكل البسيط لليزر Nd: YAG

مع تطور ليزر الألياف، يمكن استبدال ليزر YAG تدريجيًا.

يستخدم ليزر YAG بشكل أساسي في القطع و عملية اللحام في الصناعة، ولكن مع تطور ليزر الألياف، قد يتم استبدال ليزر YAG تدريجيًا بليزر الألياف.

في مجال القطع، يتميز ليزر YAG بتكلفة شراء منخفضة ويمكنه قطع المواد العاكسة العالية، ولكن لديه طاقة معالجة منخفضة ونسبة استهلاك عالية للطاقة و التقطيع البطيء السرعة، بينما يتميز ليزر الألياف بكفاءة طاقة عالية، ولا يحتاج إلى تعديل وصيانة;

في مجال اللحام، بعد ظهور ليزر الألياف الليفية شبه المستمرة، بدأ يحل بسرعة محل ليزر Nd: YAG النبضي.

بالمقارنة مع ليزر YAG، يمكن أن يوفر ليزر الألياف شبه CW طاقة نبضية تتراوح من عدة جول إلى عشرات الجول تحت عرض النبضة من ميكروثانية إلى ميلي ثانية.

يعمل متوسط قوته العالية وتردد تكرار النبض على تحسين سرعة المعالجة وكفاءة الإنتاج بشكل كبير.

إنه يعادل الحصول على مزايا الحفر واللحام بالليزر YAG وقدرة القطع بالليزر YAG وقدرة القطع بالليزر CO₂ الليزر في الوقت نفسه.

لديها مجموعة واسعة من التطبيقات.

الجدول 5. ليزر YAG مقابل ليزر الألياف

لا تزال هناك قيود في تكنولوجيا أشباه الموصلات الليزرية في هذه المرحلة

ليزر أشباه الموصلات، والمعروفة أيضًا باسم صمامات الليزر الثنائية، تستخدم مواد شبه موصلة كمواد عاملة.

تشمل مواد العمل الشائعة زرنيخيد الغاليوم وكبريتيد الكادميوم.

هناك ثلاثة أنماط للإثارة: الحقن الكهربائي، وإثارة شعاع الإلكترون والضخ البصري.

تتمثل المزايا الرئيسية لأشباه الموصلات الليزرية في صغر الحجم والكفاءة المنخفضة والاستهلاك العالي للطاقة.

وتستخدم على نطاق واسع في الاتصالات بالليزر والعلاج بالليزر وغيرها من المجالات.

بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما تُستخدم أشباه الموصلات الليزرية كمصدر لمضخة الليزر الليفي.

إذا أخذنا ليزر أشباه الموصلات بالحقن الكهربائي كمثال، عادةً ما يتم إضافة GaAS (زرنيخيد الغاليوم) و InAS (زرنيخيد الإنديوم) و Insb (إنديوم أنتييمونيد) ومواد أخرى إلى مادة أشباه الموصلات لصنع صمام ثنائي الوصلة السطحية لأشباه الموصلات.

عندما يتم حقن تيار كبير بما فيه الكفاية في الصمام الثنائي، فإن الإلكترونات (سالبة الشحنة) والثقوب (موجبة الشحنة) في المنطقة النشطة الوسطى ستتجمع تلقائيًا وتطلق الطاقة الزائدة في شكل فوتونات.

بعد ذلك، يتم تشكيل الليزر بعد فحص المرنان وتضخيمه.

الشكل 10 رسم تخطيطي للبنية البسيطة لليزر أشباه الموصلات

يتميز ليزر أشباه الموصلات المباشر بخصائص واضحة ومجموعة واسعة من التطبيقات النهائية.

يتميز ليزر أشباه الموصلات المباشر بهيكل مدمج وتكلفة صيانة منخفضة وكفاءة تحويل كهروضوئية تصل إلى 47%. يستخدم بشكل رئيسي في الصناعة للحام والكسوة.

تُستخدم ليزر أشباه الموصلات منخفضة الطاقة بشكل أساسي في لحام البلاستيك ولحام القصدير.

من خلال اللحام بإخراج الألياف الضوئية، يتم تحقيق التشغيل عن بُعد بدون تلامس، وهو أمر مناسب للتكامل مع خط الإنتاج الأوتوماتيكي;

يمكن استخدام أشباه الموصلات المباشرة من فئة الكيلوواط في اللحام بالكسوة والأجهزة.

يتميز بخصائص بقعة الضوء الكبيرة ومعدل التحويل الكهربائي البصري العالي.

في المجال خارج نطاق الصناعة، تُستخدم أشباه الموصلات الليزرية أيضاً على نطاق واسع في المجالات العسكرية والمعلوماتية والطبية وعلوم الحياة.

الجدول 6. تطبيقات الليزر المباشر لأشباه الموصلات

تتمتع أشباه الموصلات الليزرية بإمكانيات لتطبيقات المعالجة، ولكنها محدودة بسبب العيوب التقنية.

يُظهر البحث أن ليزر أشباه الموصلات المباشر لديه إمكانات قوية في تطبيقات معالجة المواد، ولديه سرعة قطع وجودة قطع أفضل من ليزر الألياف وليزر ثاني أكسيد الكربون.

ومع ذلك، فإن أكبر عيب في أشباه الموصلات الليزرية هو انخفاض جودة الشعاع عند مستويات عالية طاقة الليزر.

في الوقت الحاضر، يقتصر ليزر أشباه الموصلات الصناعي على عدد قليل من المعالجات، مثل الطلاء الكهربائي, اللحام بالنحاس والمزيد والمزيد من اللحام عالي الطاقة.

ولذلك، من غير المرجح أن تحدث أشباه الموصلات الليزرية ثورة في مجال معالجة المواد بأكمله أو تحل محل مصادر الضوء الأخرى في السنوات القليلة المقبلة.

الجدول 7. مقارنة بين عمليات القطع بالليزر المباشر لأشباه الموصلات وليزر الألياف وليزر ثاني أكسيد الكربون

وفقًا للتحليل أعلاه، نعتقد أنه بالمقارنة مع ثاني أكسيد الكربون₂ الليزر وليزر YAG، فإن ليزر الألياف له مزايا واضحة من حيث التكلفة والتطبيق، أو سيتم استبداله تدريجيًا.

وفي الوقت نفسه، لا تزال أشباه الموصلات الليزرية محدودة بسبب العائق التقني.

في الوقت الحاضر، لها قيود في الوقت الحاضر ومن غير المرجح أن تحل محل مصادر الضوء الأخرى في السنوات القليلة المقبلة.

لذلك، هناك مساحة واسعة لتحسين نفاذية ألياف الليزر الليزرية.