Vi siete mai chiesti come fa una tecnologia all'avanguardia a raggiungere una tale precisione? I laser a fibre, una meraviglia dell'ingegneria moderna, utilizzano fibre di vetro drogate con terre rare per generare fasci laser altamente efficienti e versatili. In questo articolo scoprirete i meccanismi che stanno alla base dei laser a fibra, ne esplorerete i vari tipi e comprenderete le loro numerose applicazioni industriali. Dal taglio ad alta potenza alla marcatura delicata, scoprirete come i laser in fibra stanno rivoluzionando i processi produttivi e cosa li rende superiori alle tecnologie laser tradizionali. Immergetevi per scoprire il futuro della tecnologia laser.
Un laser a fibre si riferisce a un laser che utilizza fibre di vetro drogate con elementi di terre rare come mezzo di guadagno.
Può essere sviluppato sulla base degli amplificatori in fibra: sotto l'azione della luce di pompa, si forma facilmente un'alta densità di potenza nella fibra, causando l'"inversione di popolazione" dei livelli di energia del laser nel materiale laser.
Quando si aggiunge un circuito di retroazione positiva appropriato (che forma una cavità risonante), si può formare un'uscita di oscillazione laser.
In base ai tipi di materiali in fibra, i laser in fibra possono essere suddivisi in:
(1) Laser a fibra di cristallo.
Il materiale di lavoro è la fibra di cristallo laser, compresi i laser a fibra di rubino a cristallo singolo e i laser a fibra di Nd3+: YAG a cristallo singolo, tra gli altri.
(2) Laser a fibre ottiche non lineari.
I tipi principali comprendono i laser in fibra a diffusione Raman stimolata e i laser in fibra a diffusione Brillouin stimolata.
(3) Laser in fibra drogata con terre rare.
Il materiale di base della fibra è il vetro e gli ioni di terre rare vengono drogati nella fibra per attivarla, creando così un laser a fibra.
(4) Laser in fibra di plastica.
I coloranti laser vengono drogati nel nucleo o nel rivestimento delle fibre di plastica per creare laser a fibra.
Come rappresentante della tecnologia laser di terza generazione, i laser a fibra presentano i seguenti vantaggi:
L'avvento delle fibre a doppio rivestimento rappresenta senza dubbio un'importante svolta nel campo delle fibre, rendendo possibile la fabbricazione di laser in fibra ad alta potenza e di amplificatori ottici ad alta potenza.
Da quando, nel 1988, E Snitzer ha descritto per la prima volta i laser in fibra con pompaggio a cladding, la tecnologia di pompaggio a cladding è stata ampiamente applicata ai laser in fibra e agli amplificatori in fibra, diventando il metodo preferito per produrre laser in fibra ad alta potenza.
La tecnologia di pompaggio del rivestimento è composta da quattro strati:
Nucleo in fibra ①;
Rivestimento interno ②;
③ rivestimento esterno;
Strato protettivo ④.
La luce di pompa viene accoppiata al rivestimento interno (che generalmente adotta una struttura irregolare, tra cui ellittica, quadrata, a fiore di prugna, a forma di D, esagonale, ecc.), la luce viene riflessa avanti e indietro tra il rivestimento interno e quello esterno (generalmente progettato per essere circolare) e viene assorbita dal nucleo della fibra monomodale dopo molteplici attraversamenti.
Questa struttura non richiede che la luce di pompa sia un laser monomodale e può pompare l'intera lunghezza della fibra, per cui è possibile scegliere un array di diodi laser multimodali ad alta potenza come sorgente di pompa, accoppiando indirettamente più di 70% dell'energia di pompa nel nucleo della fibra, migliorando notevolmente l'efficienza di pompaggio.
Le caratteristiche della tecnologia di pompaggio dei rivestimenti determinano le straordinarie prestazioni di questo prodotto. tipo di laser:
(1) Alta potenza
Un gruppo di diodi di pompa multimodali può emettere 100 watt di potenza ottica e l'impostazione in parallelo di più diodi di pompa multimodali consente di progettare laser in fibra con uscita ad alta potenza.
(2) Non è necessario un raffreddatore termoelettrico
Questo diodo multimodale ad alta potenza e ad ampio raggio può funzionare a temperature elevate, richiedendo solo un semplice raffreddamento ad aria, a basso costo.
(3) Ampia gamma di lunghezze d'onda di pompaggio
La fibra di rivestimento attiva drogata con elementi di terre rare di erbio/itterbio nei laser in fibra ad alta potenza ha un intervallo di assorbimento delle onde luminose ampio e piatto (930-970 nm), pertanto i diodi di pompa non richiedono alcun tipo di dispositivo di stabilizzazione della lunghezza d'onda.
(4) Alta efficienza
La luce di pompa attraversa più volte il nucleo della fibra monomodale e quindi il suo utilizzo è elevato.
(5) Alta affidabilità
I diodi pompa multimodali sono molto più stabili dei diodi pompa monomodali. La loro area geometricamente ampia determina una bassa densità di potenza ottica e una bassa densità di corrente attraverso l'area attiva, garantendo ai diodi pompa una durata operativa affidabile di oltre 1 milione di ore.
Attualmente, le tecnologie per ottenere laser in fibra pompati dal cladding possono essere suddivise in tre categorie principali: pompaggio a cavità lineare single-end, pompaggio a cavità lineare double-end e laser in fibra a cavità anulare a doppio rivestimento per tutta la fibra. Da questi tre tipi di base è possibile espandere diversi tipi di laser a fibra a doppio rivestimento.
Un documento dell'OFC-2002 ha adottato una struttura per ottenere un nuovo tipo di laser in fibra pompato dal cladding con una potenza di uscita di 3,8W, una soglia di 1,7W e un'efficienza di pendenza fino a 85%.
In termini di tecnologia di prodotto, è emersa l'azienda americana IPG, che ha sviluppato un laser in fibra a doppio rivestimento drogato con erbio da 700W e ha annunciato il lancio di un laser in fibra da 2000W.
Il laser a fibra di impulsi, con la sua eccellente qualità del fascio, l'affidabilità, il più lungo tempo di assenza di manutenzione, la più alta efficienza complessiva di conversione elettro-ottica, la frequenza di ripetizione degli impulsi, le dimensioni più ridotte, l'uso più semplice e flessibile senza raffreddamento ad acqua e il più basso costo operativo, lo rende l'unica scelta per la marcatura laser ad alta velocità e ad alta precisione.
Un sistema di marcatura laser in fibra può essere composto da uno o due laser in fibra da 25W, una o due teste di scansione per guidare la luce sul pezzo e un computer industriale per controllare le teste di scansione. Questo design è più di quattro volte più efficiente rispetto all'utilizzo di un laser da 50W suddiviso in due teste di scansione.
La lavorazione dei materiali con i laser a fibra è un processo di trattamento termico basato su parti del materiale che assorbono l'energia laser. La luce laser con una lunghezza d'onda di circa 1um è facilmente assorbita da metalli, plastiche e materiali ceramici.
La sagomatura o piegatura laser in fibra è una tecnologia utilizzata per modificare la curvatura di lastre metalliche o ceramiche dure.
Il riscaldamento concentrato e il rapido autotaglio portano alla deformazione plastica dell'area riscaldata dal laser, modificando in modo permanente la curvatura del pezzo da lavorare.
Con il continuo aumento della potenza, i laser a fibra vengono applicati su larga scala nel taglio industriale. Ad esempio, l'utilizzo di un laser a fibra continua a taglio rapido per il microtaglio di tubi arteriosi in acciaio inossidabile.
Grazie all'elevata qualità del fascio, i laser a fibra possono raggiungere un diametro di fuoco molto ridotto e, di conseguenza, piccole dimensioni. larghezza del taglioche stabilisce nuovi standard nel settore dei dispositivi medici.
Inoltre, i laser in fibra occupano una posizione insostituibile nel campo delle comunicazioni ottiche perché la loro lunghezza d'onda copre le due principali finestre di comunicazione a 1,3μm e 1,5μm.
Il successo dello sviluppo dei laser in fibra a doppio rivestimento ad alta potenza ha portato a una rapida espansione della domanda di mercato nel campo della lavorazione laser.
L'ambito specifico e le prestazioni richieste dai laser a fibra nel campo della lavorazione laser sono i seguenti:
Inoltre, con lo sviluppo della tecnologia di scrittura del reticolo di Bragg in fibra ultravioletta e del pompaggio del cladding, i laser in fibra a conversione di lunghezza d'onda con uscita nell'UV, nel blu, nel verde, nel rosso e nel vicino infrarosso sono ampiamente utilizzati nell'archiviazione dei dati, nella visualizzazione a colori e nella diagnosi medica a fluorescenza come sorgenti luminose pratiche a stato solido.
I laser in fibra con uscita a lunghezza d'onda nell'infrarosso lontano, grazie alla loro struttura compatta e flessibile, all'energia e alla lunghezza d'onda sintonizzabili, trovano applicazione anche in campi come la medicina laser e la bioingegneria.
Le prime ricerche sui laser si sono concentrate principalmente sull'emissione di impulsi brevi e sull'espansione della gamma di lunghezze d'onda sintonizzabili.
Oggi, il rapido sviluppo e il progresso delle tecnologie Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) e Optical Time Division Multiplexing stanno accelerando e stimolando il progresso della tecnologia laser in fibra a più lunghezze d'onda e dei laser in fibra supercontinuum.
Nel frattempo, l'avvento dei laser in fibra a più lunghezze d'onda e dei laser in fibra supercontinuum offre una soluzione ideale per implementare una trasmissione DWDM o OTDM a basso costo e a Tb/s.
Dal punto di vista della loro implementazione tecnologica, l'uso dell'emissione spontanea amplificata da EDFA, femtosecondo tecnologia a impulsi e diodi superluminescenti.
Come rappresentante della tecnologia laser di terza generazione, i laser a fibra possiedono una superiorità tecnica senza pari rispetto agli altri laser.
Tuttavia, nel breve termine, riteniamo che i laser in fibra si concentreranno principalmente sulle applicazioni di fascia alta. Con la diffusione dei laser in fibra, la riduzione dei costi e l'aumento della capacità di produzione, essi potrebbero sostituire gran parte dei laser CO2 ad alta potenza e la maggior parte dei laser YAG in tutto il mondo.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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