Les lasers sont un outil fascinant et varié de la technologie moderne. Saviez-vous qu'il existe plus de dix types de lasers différents, chacun ayant des applications uniques ? Des procédures médicales aux systèmes de communication de pointe, ces lasers sont classés en fonction de leur mode de fonctionnement, de leur longueur d'onde et de leurs matériaux dopants. Dans cet article, nous allons explorer les caractéristiques et les utilisations des différents lasers, en expliquant comment chaque type de laser peut être utile à différents secteurs d'activité. Préparez-vous à découvrir comment ces faisceaux de lumière transforment notre monde !
Il existe de nombreuses méthodes de classification pour les lasers à fibreLes plus courantes sont classées en fonction du mode de fonctionnement, de la gamme de bandes et des éléments de terre rare moyennement dopés.
Lasers sont généralement nommés selon une ou deux de ces trois catégories.
Par exemple, la série YLM-QCW de l'IPG est traduite en lasers à fibre dopée à l'ytterbium quasi continus.
Les lasers à fibre ont un large éventail d'applications.
Les différents lasers subdivisés ont des caractéristiques différentes et des domaines d'application adaptés.
Par exemple, la bande infrarouge moyenne est sans danger pour les yeux humains et peut être fortement absorbée par l'eau. Il s'agit d'une source laser médicale idéale ;
La fibre dopée à l'erbium peut ouvrir la fenêtre de la communication par fibre optique grâce à sa longueur d'onde appropriée, qui est largement utilisée dans le domaine de la communication par fibre optique ;
En raison de sa visibilité, le laser vert est essentiel dans le domaine du divertissement et de la projection.
Fig. 1. Diagramme d'application de la subdivision laser et classification correspondant aux industries concernées
En fonction du mode de fonctionnement, les lasers à fibre peuvent être divisés en lasers à fibre à verrouillage de mode, lasers à fibre à commutation Q, lasers à fibre quasi-continus et lasers à fibre continus.
Les approches techniques permettant de réaliser des lasers à fibre pulsés comprennent principalement la technologie de commutation Q, la technologie de verrouillage de mode et la technologie d'amplification de la puissance d'oscillation principale (MOPA) de la source d'ensemencement.
La technologie de verrouillage de mode permet d'obtenir femtoseconde ou picoseconde La puissance de crête de l'impulsion est élevée, généralement de l'ordre du mégawatt, mais la puissance moyenne de l'impulsion de sortie est faible ;
Fig. 2 Mode de fonctionnement et largeur d'impulsion du laser à fibre
La sortie du laser CW est continue, ce qui est largement utilisé dans les domaines suivants découpe au laser, le soudage et le bardage.
La source de pompe laser fournit continuellement de l'énergie et produit une sortie laser pendant une longue période, afin d'obtenir un laser continu.
Le nombre de particules dans chaque niveau d'énergie et le champ de rayonnement dans la cavité ont une distribution stable.
Sa caractéristique de fonctionnement est que l'excitation du matériau de travail et la sortie laser correspondante peuvent être effectuées en continu sur une longue période de temps.
Le laser à fibre excité par une source de lumière continue est un laser à fibre continu.
Par rapport à d'autres les types de lasersLes lasers à fibre continue peuvent atteindre une puissance relativement élevée. IPG a produit un laser à fibre continue monomode de 20000 watts, qui est souvent utilisé dans les domaines de la découpe laser, du soudage et du rechargement.
Le laser quasi CW peut fonctionner en mode continu et en mode impulsionnel à puissance de crête élevée en même temps.
Selon le site officiel de l'IPG, la puissance de crête et la puissance moyenne d'un laser CW traditionnel sont toujours identiques en mode CW et CW/modulation, tandis que la puissance de crête d'un laser quasi CW en mode pulsé est 10 fois plus élevée que la puissance moyenne.
Par conséquent, des impulsions microsecondes et millisecondes à haute énergie peuvent être générées à des fréquences de répétition allant de dizaines de hertz à des milliers de hertz, et une puissance moyenne et une puissance de crête de plusieurs kilowatts peuvent être réalisées.
Le laser à fibre Quasi CW offrira une efficacité de conversion électro-optique plus élevée et améliorera considérablement la vitesse de traitement et l'efficacité de la production.
Comparé à d'autres systèmes laser, le laser à fibre quasi CW peut décupler l'efficacité de la conversion photoélectrique et atteindre une efficacité de conversion électro-optique supérieure à 30% dans le cadre d'un schéma de refroidissement passif.
Grâce à sa puissance moyenne élevée et à son taux de répétition des impulsions, sa vitesse de traitement est 3 à 4 fois supérieure à celle de la plupart des lasers.
La réduction significative du coût de l'énergie, l'absence de consommables et de pièces de rechange, la faible demande de maintenance et l'absence de temps de préchauffage permettront d'optimiser les coûts.
Les lasers à fibre pulsés sont divisés en lasers à fibre à commutation Q et lasers à fibre à verrouillage de mode.
La technologie de commutation Q consiste à comprimer l'énergie laser dans un court intervalle de temps pour former une sortie laser avec une puissance de crête élevée et une largeur d'impulsion étroite.
Le principe du Q-switching est d'ajouter au laser un dispositif permettant d'ajuster les pertes.
Dans la plupart des zones temporelles, la perte du laser est très importante et il n'y a pratiquement pas d'émission de lumière.
En peu de temps, réduire la perte de l'appareil, de manière à ce que le laser émette une impulsion courte avec une forte intensité.
Le Q-switch est le dispositif central de la technologie Q-switched, qui permet de réaliser des lasers à fibre Q-switched de manière active ou passive.
Le laser à fibre à impulsion Q-switché présente les caractéristiques suivantes : puissance de crête élevée, énergie d'impulsion unique élevée et diamètre de spot optionnel.
Il est largement utilisé dans le marquage, le traitement de précision, le marquage graphique, la gravure profonde, la découpe de précision des tôles, le perçage et d'autres domaines des métaux non ferreux, de l'or, de l'argent, du cuivre, de l'aluminium et des matériaux non hautement réfléchissants. matériau : acier inoxydable.
En ce qui concerne l'application du marquage, par rapport au CO2 laser, le coût est moins élevé et les performances sont plus stables.
Le laser à fibre à impulsions à mode verrouillé génère des impulsions ultracourtes par verrouillage de mode actif ou passif.
Limitée par le temps de réponse du modulateur, la largeur d'impulsion générée par le verrouillage du mode actif est importante, généralement de l'ordre de la picoseconde ;
Le verrouillage de mode passif utilise des dispositifs de verrouillage de mode passif avec un temps de réponse court et peut produire des impulsions femtosecondes.
Le principe de base du verrouillage de mode consiste à prendre des mesures appropriées pour que les modes longitudinaux mutuellement indépendants du résonateur aient une certaine relation de phase.
Même si la différence de phase des modes longitudinaux adjacents est constante, le laser émettra des impulsions avec une largeur d'impulsion extrêmement étroite et une puissance de crête élevée.
Le laser à impulsion à mode bloqué présente les avantages d'une excellente qualité de faisceau, d'une largeur d'impulsion ultra courte et d'une énergie d'impulsion élevée.
Il convient au micro-usinage de divers matériaux, notamment le métal, le verre, la céramique, le silicium et les plastiques.
Dans le domaine médical, les lasers à verrouillage de mode sont également utilisés dans les scalpels laser ou la chirurgie ophtalmique.
Par exemple, les effets photochimiques sont également utilisés pour certains soins de la peau.
En raison des caractéristiques des impulsions courtes et de la puissance de crête élevée, les lasers à verrouillage de mode sont largement utilisés dans diverses méthodes d'imagerie, de microscopie et de spectroscopie.
Ils sont également utilisés dans les domaines de la mesure d'échantillonnage électro-optique, de la mesure de distance, de la mesure de fréquence et de la synchronisation sur les circuits électroniques intégrés.
Le laser directement émis par le laser à fibre est principalement une lumière proche de l'infrarouge dont la longueur d'onde est comprise entre 960nm et 2,05μm.
Selon l'ordre des longueurs d'onde, de la plus courte à la plus longue, la catégorie des lasers couvre tous les types de lasers, des rayons X à l'infrarouge lointain, avec des longueurs d'onde allant de 0,001 nm à 1 000 microns.
Parmi eux, le laser directement émis par le laser à fibre se situe principalement dans la partie proche de l'infrarouge.
Cependant, afin de répondre aux besoins de différentes applications, les lasers à fibre peuvent émettre de la lumière visible en doublant la fréquence, et la principale application est la lumière verte ;
La lumière infrarouge moyenne peut être émise en dopant le fluorure dans la fibre optique.
Fig.3 Liste des différentes longueurs d'onde des fibres optiques
Tableau 1. Lasers par longueur d'onde
| Nom | Gamme de longueurs d'onde | Principaux produits |
| Laser à infrarouge lointain | 30 ~ 1000 microns | Moléculaire laser à gazlaser à électrons libres |
| Laser à infrarouge moyen | 3 ~ 30 microns | Laser à gaz moléculaire CO2 |
| Laser proche infrarouge | 0,76 ~ 3 microns | Laser à fibre, laser à diode à semi-conducteur CaAs, laser à gaz partiel |
| Laser visibleLaser proche infrarouge | 380 nm ~ 780 nm | Laser à rubis, laser He Ne, laser à ions argon, laser à ions krypton |
| Laser proche de l'ultraviolet | 200 nm ≈ 400 nm | Laser moléculaire à l'azote, laser à excimère au fluorure de xénon, laser à excimère au fluorure de krypton (KrF) |
| Laser ultraviolet à vide | 5 nm ~ 200 nm | Laser à excimère à hydrogène (H), laser à excimère à xénon (Xe) |
| Laser à rayons X | 0,001 nm ~ 5 nm |
La longueur d'onde du laser infrarouge moyen est principalement comprise entre 23 microns et 3,9 microns, ce qui nécessite une fibre de verre fluorée dopée avec des ions de terres rares pour l'excitation.
Le spectre de fluorescence généré par la transition infrarouge du laser à fibre dans la figure ci-dessous montre que l'ion dopé à l'holmium (Ho3 +) et l'ion dopé à l'erbium (Er3 +) peuvent être directement générés en étant excités dans des conditions de milieu appropriées.
Le laser à fibre de verre fluorée a une efficacité et une puissance de sortie élevées dans la bande de 2,3 ~ 3,5μm, tandis que la longueur d'onde est supérieure à 3,5μm.
Il existe très peu de matériaux capables de répondre à la faible énergie de phonon requise pour la transmission par fibre optique et le rayonnement de transition des ions de terres rares.
Le laser à fibre simple dopée Ho3 + fluorure produit un laser à bande de 3,9μm à basse température, qui est la plus grande longueur d'onde de sortie directe à l'heure actuelle.
Fig.4 Relation entre la puissance de sortie maximale et la longueur d'onde d'émission de différents lasers à fibre à ions de terres rares
Grâce à ses caractéristiques de longueur d'onde, le laser infrarouge moyen peut ouvrir la fenêtre atmosphérique et est largement utilisé pour le guidage, le positionnement et la mesure par laser.
Dans le domaine militaire, l'application de l'énergie directionnelle du laser et la transmission à longue distance par la fenêtre de transmission atmosphérique nécessitent une forte énergie de faisceau.
Dans la contre-mesure des missiles infrarouges, le laser infrarouge moyen peut obtenir la fenêtre de transmission atmosphérique de la bande 3 ~ 5μm.
Le laser à fibre infrarouge moyen, avec une puissance de sortie monomode de plusieurs kilowatts, peut être largement utilisé dans les plates-formes de guerre de la défense nationale, telles que les missiles de croisière, le guidage des fusées et la reconnaissance de l'espace aérien par les drones.
Le laser à fibre à infrarouge moyen a été largement utilisé dans le domaine médical en raison de sa forte directivité et de sa sécurité pour l'œil humain.
La bande du laser infrarouge moyen est sans danger pour les yeux humains et peut être fortement absorbée par l'eau.
En raison de la forte directionnalité du laser, la profondeur de pénétration des tissus peut être faible et la zone de dommage physique peut être très petite lors de la chirurgie au laser, ce qui permet d'obtenir une grande précision.
Dans la médecine moderne, le laser à infrarouge moyen utilise principalement l'effet photothermique pour traiter ou éliminer les tissus malades.
Il a été largement utilisé en orthopédie, en gastro-entérologie et en urologie.
Il est devenu une source de lumière laser médicale idéale pour l'ablation et la découpe des tissus urinaires, la vaporisation et l'ablation d'organes défectueux.
Lors de la découpe de tissus riches en lipides, en os et en protéines, l'utilisation d'un laser infrarouge moyen provoque des dommages mineurs.
Le laser à fibre peut produire une lumière verte en doublant la fréquence.
Bien que le laser à fibre verte à fréquence doublée ne soit pas un laser à fibre verte au sens strict, car son milieu d'activation ne libère pas directement le faisceau laser de 532 nm, ce type de laser à fibre fournit une gamme étroite de durée d'impulsion et de fréquence de répétition allant jusqu'à 600 kHz.
La source laser à haute luminosité spectrale favorise une conversion efficace, réalisant une efficacité de conversion de 84% et une efficacité de conversion électro-optique de plus de 20%.
Il est possible de passer à une puissance élevée à 355 et 266 nm.
Le laser vert est largement utilisé dans les domaines de l'imprimerie, du traitement médical, du stockage de données, de l'armée, de la biologie et autres.
Par exemple, le laser à fibre verte d'IPG peut être utilisé pour l'imagerie des particules, la mesure de la vitesse et la visualisation des flux, le diagnostic d'image et la chirurgie, la capture optique et les pinces optiques, la fabrication de cellules solaires, l'inspection de la fabrication et le contrôle de la qualité, l'holographie et l'interférométrie, les divertissements et la projection, etc.
Le laser à fibre utilise principalement la fibre dopée avec des éléments de terre rare comme moyen de gain, et différents éléments de terre rare correspondent à différentes longueurs d'onde de travail.
La fibre dopée consiste à ajouter des impuretés, telles que des ions de terres rares, dans le cœur de la fibre, ce qui entraîne une modification de la fibre et un effet laser.
Le principe de fonctionnement est le suivant : la lumière de la pompe est d'abord couplée au milieu de gain dopé avec des ions de terres rares par l'intermédiaire du système de couplage, puis les ions de terres rares dans le noyau dopé absorbent l'énergie des photons de la pompe et produisent une transition de niveau d'énergie.
Par exemple, les ions de terres rares tels que l'erbium (Er3 +), le praséodyme (Pr3 +), le thulium (Tm3 +), le néodyme (Nd3 +) et l'ytterbium (Yb3 +) peuvent être utilisés comme dopants pour fabriquer des fibres optiques, puis des amplificateurs à fibre dopée (XDFA) et des lasers à fibre (XDFL).
Les différents éléments de terre rare fonctionnent dans des gammes de longueurs d'onde différentes, mais ils se situent dans la gamme du proche infrarouge.
Fig. 5 Longueurs d'onde de fonctionnement des ions de terres rares dans les noyaux couramment dopés.
Le laser à fibre dopée à l'ytterbium s'est rapidement développé en raison de sa grande stabilité, de la bonne qualité de son faisceau et de sa grande efficacité en termes de pente.
La fibre dopée à l'ytterbium présente de nombreux avantages.
Le laser à fibre développé à partir d'une fibre dopée à l'ytterbium présente une efficacité de pente et une efficacité de conversion optique élevées, et peut obtenir une sortie laser de grande puissance dans la bande 1m.
C'est pourquoi il a fait l'objet d'une grande attention et s'est développé rapidement.
Il est devenu la principale force directrice de l'industrie du laser et a de bonnes perspectives d'application dans le traitement industriel, le traitement médical, la défense nationale et d'autres domaines.
La plupart des produits laser de Ruike laser utilisent des fibres dopées à l'ytterbium.
Tableau 2. Comparaison des principaux produits de fibres optiques dopées au miroir des entreprises nationales et étrangères
| Entreprise | Adopter la technologie | Statut du produit / prix | Diamètre du noyau（ μ m） | Diamètre du revêtement | Ouverture numérique du noyau NA |
| Nufern | Fibre dopée à miroir à très grand champ de mode (trois gaines) | VendreUSD 1030 / M | 290.0±20.0 | 400±18 | 0.110±0.010 |
| Nuit | Fibre dopée à l'ytterbium à double gaine et à grand champ de mode | Vendre | 20.0±1.5 | 400±10.0 | 0.070±0.005 |
| Fibre optique Changfei | Fibre d'ytterbium à double gaine avec grand champ de mode | Vendre | 20.0±2.0 | 400±15.0 | 0.06±0.01 |
| Technologie des balises | Fibre dopée à l'ytterbium à double enveloppe | Vendre | 20.0±2.0 | 400±5.0 | 0.075±0.005 |
| Wuhan Ruixin | Fibre dopée à l'ytterbium à double gaine et à grand champ de mode | Vendre | 20.0±1.5 | 400.0±10.0 | 0.065±0.005 |
Les lasers à fibre dopée à l'ytterbium sont principalement utilisés dans les lasers continus et les lasers à commutation Q par impulsion.
Grâce à la structure simple du niveau d'énergie de l'ion ytterbium et à la faible perte de particules, le laser présente une efficacité de conversion élevée et un faible effet thermique en cas de fonctionnement à haute puissance, et la largeur de bande de gain est importante (975nm ~ 1200nm).
En même temps, la durée de vie de l'ion ytterbium au niveau supérieur est relativement longue, environ 1 milliseconde.
Ces facteurs sont favorables à la technologie Q-switching.
C'est pourquoi le laser à impulsions a permis de réaliser des impulsions ultracourtes.
En ce qui concerne les lasers à ondes entretenues, la puissance de sortie des lasers à fibre dopés à l'ytterbium a atteint l'ordre de 10000 watts.
Le laser à fibre dopée à l'erbium présente les caractéristiques suivantes : longueur d'onde sûre et énergie d'impulsion très élevée. Le laser à fibre dopée à l'erbium peut fonctionner en mode unique, avec une largeur de ligne extrêmement étroite, une bonne monochromaticité et une bonne stabilité.
L'ion Erbium a une large largeur de bande de gain, qui peut aggraver l'oscillation multimode dans la cavité laser, afin de réaliser un laser à impulsions ultracourtes.
En raison de ses caractéristiques uniques en matière de sécurité oculaire ("sécurité oculaire" signifie que le laser d'une longueur d'onde de 1,5 μm est nettement inférieur au seuil d'endommagement de l'œil humain), il a un large éventail d'applications pratiques dans les domaines de la communication optique en espace libre, du lidar, de la détection environnementale, de l'étalonnage des pièces à usiner et du traitement industriel.
La fibre dopée à l'erbium a été largement utilisée dans le domaine de la communication par fibre optique en raison de sa longueur d'onde appropriée.
La fibre dopée à l'erbium ayant un gain élevé à la longueur d'onde de 1550 nm, son profil spectral de gain d'environ 40 nm correspond à la meilleure fenêtre de faible perte dans la communication par fibre optique, ce qui présente une valeur d'application potentielle.
Le laser à fibre dopé au thulium présente les caractéristiques suivantes : seuil bas, efficacité élevée et bonne qualité de faisceau.
Le laser à fibre dopée au thulium est le point chaud de la recherche sur le laser à fibre dans le domaine de la longueur d'onde sans danger pour les yeux humains, et le laser à fibre dopée au thulium peut fonctionner dans la bande S (150 - 75 mm).
Il joue un rôle très important dans le développement de l'espace de fréquences des ressources de communication potentielles et dans l'amélioration de la capacité du système de communication par fibre optique.
Les lasers à fibre dopée au thulium à commutation Q et continue ont atteint une puissance moyenne plus élevée au cours des dernières années.
Aujourd'hui, un certain nombre de fournisseurs sont en mesure de proposer des lasers à impulsion commerciaux d'une puissance moyenne de 10W.
Le laser à fibre dopé au thulium est largement utilisé dans le traitement médical par laser, le lidar, la télédétection par lumière spatiale et d'autres domaines.
La longueur d'onde de sortie du laser à fibre dopée au thulium est d'environ 2μm.
La bande d'absorption forte de l'eau liquide est d'environ 1950 nm, ce qui est proche de la longueur d'onde du laser à fibre Thulium standard, de sorte que les caractéristiques d'absorption sont considérablement améliorées.
L'eau existe généralement dans de nombreux composés organiques et inorganiques, ce qui signifie qu'un grand nombre de matériaux améliorent les caractéristiques d'absorption dans la gamme spectrale des 2μm.
Par conséquent, le laser à fibre dopé au thulium est considéré comme une source de lumière idéale pour la médecine, la sécurité oculaire, l'optique ultrarapide, la télédétection à courte portée et la biologie, et présente de bonnes perspectives de développement.
Parallèlement, dans le domaine de la médecine, le laser à fibre dopée au thulium a également de nombreuses applications, notamment la vaporisation accélérée, la technologie de coupe ultrafine et l'hémostase par coagulation en médecine.
Le laser à fibre dopée au thulium de haute puissance peut non seulement être utilisé pour la longueur d'onde sûre des yeux humains et la source de lumière lidar, mais aussi comme source de pompage du laser à cristal à l'état solide pour réaliser davantage la sortie du laser infrarouge avec une longueur d'onde plus longue.
Fig. 6 Caractéristiques d'absorption de l'eau liquide à différentes longueurs d'onde
Le laser à fibre présente des avantages exceptionnels en termes de performances et un effet de substitution évident.
Le laser à dioxyde de carbone est une sorte de laser moléculaire.
Il s'agit de l'un des lasers à ondes entretenues de grande puissance les plus courants.
Le matériau principal est la molécule de dioxyde de carbone.
La structure principale du CO2 Le laser comprend un tube laser, un résonateur optique, une alimentation électrique et une pompe.
La principale caractéristique est que la puissance de sortie est importante et qu'il est possible de travailler en continu, mais la structure est complexe, le volume est important et la maintenance est difficile.
Fig. 7 Structure du laser à dioxyde de carbone
L'inversion du nombre de particules est la clé de la luminescence du laser au dioxyde de carbone.
Les substances actives du laser à dioxyde de carbone comprennent le dioxyde de carbone, l'azote et l'hélium. Lorsque l'alimentation en courant continu est activée, les molécules d'azote dans le gaz mixte sont excitées par l'impact des électrons.
Lorsque les molécules d'azote excitées entrent en collision avec les molécules de dioxyde de carbone, elles transfèrent de l'énergie aux molécules de dioxyde de carbone, de sorte que les molécules de dioxyde de carbone passent d'un niveau de basse énergie à un niveau de haute énergie pour former une inversion du nombre de particules et émettre un laser.
Fig.8 Schéma du processus d'émission du laser à dioxyde de carbone
Le laser à fibre optique et le laser à dioxyde de carbone ont leurs propres avantages ; il convient donc de choisir des outils différents en fonction des besoins.
Parmi les technologies de découpe largement utilisées à l'heure actuelle, le laser à fibre et le laser à CO2 ont leurs propres avantages et inconvénients face aux exigences spécifiques de l'application.
Ils ne peuvent pas se remplacer complètement l'un l'autre, mais doivent se compléter et coexister.
En ce qui concerne le traitement des types de matériaux, en raison de l'effet d'absorption, les lasers à fibre ne conviennent pas à la découpe de matériaux nonmatériaux métalliquestandis que les émissions conventionnelles de CO2 ne sont pas adaptés à la découpe de matériaux à forte réflectivité tels que le cuivre et l'aluminium ;
En ce qui concerne la vitesse de coupe, les émissions de CO2 a des avantages pour les tôles d'une épaisseur > 6 mm, tandis que le laser à fibre coupe la tôle plus rapidement ;
La pièce doit être pénétrée avant la découpe au laser, et la vitesse de perforation du CO2 est nettement plus rapide que celle du laser à fibre ;
En ce qui concerne la qualité de la section de coupe, le CO2 est meilleur que le laser à fibre dans son ensemble.
Tableau 3. Comparaison entre le laser à fibre et le laser à dioxyde de carbone
| Laser à fibre | Laser à dioxyde de carbone | |
| Matériau de coupe | Les matériaux non métalliques ne peuvent pas être coupés | Les matériaux hautement réfléchissants sont peu adaptables |
| Vitesse de coupe | Avantages évidents en dessous de 3 mm | Le dioxyde de carbone a un avantage lorsqu'il est supérieur à 6 mm. |
| Efficacité de la pénétration | La vitesse est relativement lente | Plus l'épaisseur est importante, plus l'avantage est évident |
| Qualité de la section | Légèrement moins bien | Meilleure rugosité et verticalité |
Le laser à fibre a une efficacité de conversion de la lumière plus élevée et un coût plus faible.
Selon les calculs, le coût d'utilisation du laser à fibre est de 23,4 yuans/heure, le coût d'utilisation du laser à dioxyde de carbone est de 39,1 yuans/heure, dont le coût de l'énergie du laser à fibre est de 7 yuans/heure, le coût du refroidissement de l'eau est de 8,4 yuans/heure, et les autres coûts sont de 8 yuans/heure ;
Le coût de l'énergie du laser à dioxyde de carbone est de 21 yuans par heure, le coût du refroidissement de l'eau est de 12,6 yuans par heure et les autres coûts sont de 5,5 yuans par heure.
Tableau 4. Comparaison des coûts entre le laser à fibre et le laser à dioxyde de carbone
| Laser à fibre | Laser à dioxyde de carbone | |
| Puissance (kw) | 3 | 3 |
| Efficacité de la conversion de la lumière | 30% | 10% |
| Consommation électrique (kw) | 10 | 30 |
| Prix de l'électricité (yuan / kWh) | 1 | 1 |
| Durée de la charge | 70% | 70% |
| Coût de l'électricité (yuan / heure) | 7 | 21 |
| Puissance de l'équipement de refroidissement de l'eau (kw) | 12 | 18 |
| Prix de l'électricité (yuan / kWh) | 1 | 1 |
| Durée de la charge | 70% | 70% |
| Coût du refroidissement de l'eau (yuan / heure) | 8.4 | 12.6 |
| Coût des consommables (yuan / heure) | 3 | 2.5 |
| Coût de consommation du module (yuan / heure) | 5 | |
| Coût des médias (yuan / heure) | 1 | |
| Solution conventionnelle par points (yuan / heure) | 2 | |
| Autres coûts (yuan / heure) | 8 | 5.5 |
| Coût d'utilisation (yuan / heure) | 23.4 | 39.1 |
Le laser YAG fait généralement référence au laser Nd. Le laser YAG (cristal de grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au rubidium) appartient à la catégorie des lasers Nd. laser à semi-conducteurs.
La teneur en atomes de rubidium dans le cristal est de 0,6 ~ 1,1%, ce qui peut produire un laser pulsé ou un laser continu, et la lumière émise est infrarouge avec une longueur d'onde de 1,064μm.
Le laser Nd. Le laser YAG utilise souvent une lampe au krypton ou au xénon comme lampe de pompage, car seules quelques longueurs d'onde spécifiques de la lumière de pompage seront absorbées par les ions Nd, et la plus grande partie de l'énergie sera convertie en énergie thermique.
En général, l'efficacité de la conversion énergétique du laser YAG est faible.
Fig. 9 Structure simple du laser Nd : YAG
Avec le développement du laser à fibre, le laser YAG pourrait être progressivement remplacé.
Le laser YAG est principalement utilisé pour la découpe et la processus de soudage dans l'industrie, mais avec le développement du laser à fibre, le laser YAG pourrait être progressivement remplacé par le laser à fibre.
Dans le domaine de la découpe, le laser YAG a un faible coût d'achat et peut découper des matériaux très réfléchissants, mais il a une faible puissance de traitement, un taux de consommation d'énergie élevé et un faible rendement énergétique. coupe lente tandis que le laser à fibre présente une efficacité énergétique élevée, sans réglage ni maintenance ;
Dans le domaine du soudage, après l'apparition du laser à fibre quasi continu, il a commencé à remplacer rapidement le laser Nd : YAG pulsé.
Par rapport au laser YAG, le laser à fibre quasi CW peut fournir une énergie d'impulsion de plusieurs joules à des dizaines de joules sous une largeur d'impulsion de la microseconde à la milliseconde.
Sa puissance moyenne élevée et sa fréquence de répétition des impulsions améliorent considérablement la vitesse de traitement et l'efficacité de la production.
Cela équivaut à avoir les avantages de forage et de soudage du laser YAG et la capacité de découpe du laser CO2 laser en même temps.
Son champ d'application est plus large.
Tableau 5. Laser YAG vs. laser à fibre
| Laser | Laser YAG | Laser à fibre |
| Composition principale | Lampe-pompe, Nd : YAG, système résonnant | Pompe à semi-conducteur, système de résonance à fibre optique, système de transmission |
| efficacité de la prise murale | 4%~5% | À propos de 30% |
| Angle d'usinage | Faible coût d'achat, possibilité de découper des matériaux très réfléchissants | La puissance de coupe est élevée, l'efficacité est rapide et la puissance élevée peut être réalisée dans un petit boîtier. |
| Perspective des coûts | La technologie mature est relativement bon marché | Avec le développement progressif de la technologie, la consommation d'énergie est faible. |
| Angle d'entretien | Pas de lentille optique, pas de réglage ni d'entretien |
Lasers à semi-conducteursLes diodes laser utilisent des matériaux semi-conducteurs comme matériaux de travail.
Les matériaux de travail courants sont l'arséniure de gallium et le sulfure de cadmium.
Il existe trois modes d'excitation : l'injection électrique, l'excitation par faisceau d'électrons et le pompage optique.
Les principaux avantages des lasers à semi-conducteurs sont leur faible volume, leur faible efficacité et leur forte consommation d'énergie.
Ils sont largement utilisés dans la communication laser, la thérapie laser et d'autres domaines.
En outre, les lasers à semi-conducteurs sont généralement utilisés comme source de pompage des lasers à fibre.
Si l'on prend l'exemple du laser à semi-conducteur à injection électrique, le GaAS (arséniure de gallium), l'InAS (arséniure d'indium), l'Insb (antimoniure d'indium) et d'autres matériaux sont généralement ajoutés au matériau semi-conducteur pour fabriquer une diode à jonction de surface à semi-conducteur.
Lorsqu'un courant suffisamment important est injecté dans la diode, les électrons (chargés négativement) et les trous (chargés positivement) de la région active centrale se combinent spontanément et libèrent l'énergie excédentaire sous forme de photons.
Ensuite, le laser est formé après le criblage et l'amplification du résonateur.
Fig. 10 Schéma de la structure simple d'un laser à semi-conducteur
Le laser à semi-conducteur direct présente des caractéristiques évidentes et un large éventail d'applications en aval.
Le laser direct à semi-conducteur a une structure compacte, un faible coût de maintenance et une efficacité de conversion électro-optique allant jusqu'à 47%. Il est principalement utilisé dans l'industrie pour le soudage et le revêtement.
Les lasers à semi-conducteurs de faible puissance sont principalement utilisés pour le soudage du plastique et de l'étain.
Grâce au soudage de sortie par fibre optique, il est possible de réaliser des opérations à distance sans contact, ce qui est pratique pour l'intégration dans une ligne de production automatique ;
Les semi-conducteurs directs de la classe des kilowatts peuvent être utilisés pour le revêtement et le soudage de quincaillerie.
Il présente les caractéristiques suivantes : large spot lumineux et taux de conversion électro-optique élevé.
En dehors de l'industrie, les lasers à semi-conducteurs sont également largement utilisés dans les domaines militaire, de l'information, de la médecine et des sciences de la vie.
Tableau 6. Applications des lasers à semi-conducteurs directs
| Champ d'application | Demande de lotissement | Scénario d'application |
| L'industrie | Soudage | Transformation du plastique, soudage de matériel |
| Revêtement | Acier, aérospatiale | |
| Militaire | Radar | Système Lidar, système d'identification et de correction automatique |
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Les lasers à semi-conducteurs ont un potentiel pour les applications de traitement, mais ils sont limités par des défauts techniques.
La recherche montre que le laser direct à semi-conducteur a un fort potentiel d'application dans le traitement des matériaux et qu'il offre une vitesse et une qualité de coupe supérieures à celles du laser à fibre et du laser à dioxyde de carbone.
Toutefois, le principal inconvénient des lasers à semi-conducteurs est la faible qualité de leur faisceau à des températures élevées. puissance du laser.
À l'heure actuelle, les lasers industriels pour semi-conducteurs sont limités à quelques traitements, tels que la galvanoplastie, brasage et de plus en plus de soudures à haute puissance.
Il est donc peu probable que les lasers à semi-conducteurs révolutionnent l'ensemble du domaine du traitement des matériaux ou remplacent d'autres sources lumineuses au cours des prochaines années.
Tableau 7. Comparaison des procédés de découpe du laser à semi-conducteur direct, du laser à fibre et du laser à dioxyde de carbone
| Laser direct à semi-conducteur | Laser à fibre | Laser à dioxyde de carbone | |
| Bande commune（ μ m） | 0.97 | 1.07 | 10.6 |
| Taux de conversion électro-optique | 47% | 30% | 10% |
| Absorption du métal | 0.97 | 1.07 | 10.6 |
| Découpe de feuilles vitesse | 47% | 30% | 10% |
| Épaisseur de coupe maximale (mm) | 15 | 12 | 25 |
| Qualité de coupe (au-dessus de 4 mm) | plus élevé | plus élevé | Plus bas |
| Qualité du faisceau de sortie | Le plus rapide | Plus rapide | Le plus lent |
D'après l'analyse ci-dessus, nous estimons que, par rapport aux émissions de CO2 et le laser YAG, le laser à fibre présente des avantages évidents en termes de coût et d'application, ou sera progressivement remplacé.
En même temps, les lasers à semi-conducteurs sont toujours limités par le goulot d'étranglement technique.
À l'heure actuelle, elles ont des limites et il est peu probable qu'elles remplacent les autres sources de lumière dans les prochaines années.
Il existe donc un large espace pour l'amélioration de la perméabilité des lasers à fibre.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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