Heb je je ooit afgevraagd hoe lasers, een wonder van moderne technologie, worden geclassificeerd? In dit artikel worden vier belangrijke methoden onderzocht om lasers te categoriseren op basis van hun werksubstantie, energie-uitvoergolfvorm, golflengte en vermogen. Je komt meer te weten over verschillende soorten lasers, zoals gas, vastestof en halfgeleider, en begrijpt hun unieke toepassingen in industrieën variërend van communicatie tot materiaalverwerking. Ontdek hoe deze krachtige lichtbundels op maat worden gemaakt voor verschillende technologische behoeften.
Laser wordt beschouwd als een van de vier grote uitvindingen van de 20e eeuw. In tegenstelling tot natuurlijk licht is laserlicht een door mensen gemaakte uitvinding, gebaseerd op de kwantumtheorie.
Wat laserlicht onderscheidt van natuurlijk licht zijn de unieke eigenschappen en het proces waarmee het wordt gegenereerd. Laser wordt vaak "het snelste mes, het helderste licht en de nauwkeurigste liniaal" genoemd.
Vergeleken met natuurlijk licht is laserlicht zeer intens, zeer monochromatisch, zeer coherent en zeer gericht.
Laserlicht is het resultaat van atomair gestimuleerde straling. Wanneer de atomen worden aangeslagen door de energie van de pompbron, kunnen ze overgaan naar een hoogenergetische toestand. Als ze een extern foton met een specifieke frequentie tegenkomen, zullen ze een identiek foton vrijgeven. Dit proces zorgt ervoor dat meer atomen overgaan en hetzelfde foton produceren, wat resulteert in gestimuleerde straling en de productie van laserlicht.
De frequentie, fase, voortplantingsrichting en polarisatietoestand van de fotonen die worden geproduceerd door gestimuleerde straling en externe fotonen zijn precies hetzelfde. Daarom heeft laserlicht de unieke eigenschappen van hoge intensiteit, hoge monochromaticiteit, hoge coherentie en hoge richtingsgevoeligheid.
Schematisch diagram van de overgang van atoomenergieniveau
Schematisch diagram van het gestimuleerde stralingsproces
Het commerciële gebruik van lasertechnologie begon in de jaren 1970 en heeft zich sindsdien snel ontwikkeld. In 1917 stelde Einstein voor het eerst het concept van gestimuleerde straling voor. De eerste robijn vastestoflaser werd geïntroduceerd in 1960.
In de jaren 1970 kwam de lasertechnologie in het commerciële tijdperk en is sindsdien blijven groeien en uitbreiden. Na het bestuderen van de interactie tussen laserstralen en materie is de toepassing van lasertechnologie verbreed en uitgebreid, met name in de industriële sector. In de jaren 1990, industriële toepassingen van laser technologie kwam in een fase van razendsnelle ontwikkeling.
Ontwikkelingsgeschiedenis van lasertechnologie
De hoge intensiteit, goede monochromaticiteit, goede coherentie en goede richtbaarheid van laserlicht bepalen de twee belangrijkste toepassingsscenario's: energielaser en informatielaser.
Energielaser:
Lasertechnologie staat bekend om zijn hoge energiedichtheid, waardoor het ideaal is voor verschillende toepassingen zoals materiaalverwerking, wapens, medische behandeling en andere.
Informatie laser:
De goede monochromaticiteit en directiviteit van laser maken het geschikt voor informatieoverdracht (optische communicatie) en afstandsmeting (optische meting). Optische communicatie heeft verschillende voordelen ten opzichte van traditionele elektrische communicatie, zoals de hoge capaciteit, de mogelijkheden voor transmissie over lange afstanden, de verbeterde vertrouwelijkheid en het lage gewicht.
Laserbewerking is een uitstekend voorbeeld van precisieverwerkingstechnologie, waarvan de groei grotendeels wordt gedreven door de vervanging van traditionele verwerkingsmethoden.
Vergeleken met andere bewerkingsmethoden biedt laserbewerking verschillende voordelen, zoals hoge efficiëntie, hoge precisie, laag energieverbruik, minimale materiaalvervorming en eenvoudige controle.
Deze voordelen kunnen worden toegeschreven aan twee belangrijke kenmerken van laser verwerking: contactloze bewerking en hoge energiedichtheid.
Contactloos bewerken:
Bij laserbewerking voltooit de warmte die gegenereerd wordt door de interactie tussen de laser en het materiaal de bewerking, zonder fysiek contact tussen het bewerkingsgereedschap en het materiaal. Dit elimineert de effecten van kracht op het verwerkte materiaal en resulteert in relatief lage restspanning. Bovendien zorgt de kleine diameter van de laserstraal voor een hoge precisie.
Hoge energiedichtheid:
De vermogensdichtheid van laserbewerking kan meer dan 107W/cm^2 bereiken, wat duizenden of zelfs tienduizenden keren hoger is dan andere bewerkingsmethoden zoals vlam en vlamboog. Door deze hogere vermogensdichtheid kan de laser een klein gebied op het materiaal bewerken zonder het omliggende gebied aan te tasten, wat leidt tot een hogere verwerkingsnauwkeurigheid en efficiëntie.
Meerpuntsvoordeel
De laser is een cruciaal onderdeel bij het genereren van laserlicht en is het kernonderdeel van laserapparatuur.
De waarde van de laser maakt meestal 20-40% uit van de totale waarde van een complete set laserbewerkingsapparatuur, en in sommige gevallen kan dit zelfs nog hoger zijn.
De laser is waar de processen van pompen en gestimuleerde straling plaatsvinden. Een typische laser bestaat uit verschillende onderdelen, waaronder het werkmateriaal van de laser (dat energie uitzendt), de pompbron (die energie levert) en de optische resonator (die de voortplanting van energie vergemakkelijkt).
Basisstructuurschema van laser
Er zijn verschillende methoden om lasers te classificeren, maar vier daarvan worden het meest gebruikt:
Werkstof:
Lasers kunnen worden ingedeeld op basis van het type werkstof dat ze gebruiken, waaronder gaslasers, vaste lasers, vloeibare (kleurstof)lasers, halfgeleiderlasers, excimerlasers en andere.
Gaslasers gebruiken gas als werkmateriaal. Voorbeelden van veelgebruikte gaslasers zijn CO2 lasers, He-Ne lasers, argon-ion lasers, He-Cd lasers, koperdamplasers en verschillende excimer lasers. CO2 lasers worden vooral veel gebruikt in de industrie.
CO2 laser
Lasers in vaste toestand:
In vastestoflasers worden metaalionen die een gestimuleerde emissie kunnen produceren gedoteerd in een kristal en gebruikt als werkmateriaal. Veel gebruikte kristallen zijn robijn, korund, aluminiumgranaat (algemeen bekend als YAG), calciumwolframaat, calciumfluoride, yttriumaluminaat en lanthaanbyllaat. Momenteel is YAG het meest gebruikte kristal in vastestoflasers.
Solid-state laser
Vloeibare laser:
Bij vloeibare lasers is de werkstof een oplossing die gevormd wordt door organische kleurstoffen op te lossen in vloeistoffen zoals ethanol, methanol of water.
Halfgeleiderlasers:
Halfgeleiderlasers, ook bekend als laserdioden, gebruiken halfgeleidermaterialen als werkmateriaal, zoals galliumarsenide (GaAs), cadmiumsulfide (CDS), indiumfosfide (INP) en zinksulfide (ZnS).
Halfgeleiderlasers
Vezellaser:
Een fiberlaser gebruikt glasvezel gedoteerd met zeldzame aardelementen als werkmateriaal. Vezellasers zijn lasers die vezels gebruiken als medium voor het genereren van laserlicht.
Vezellaser
Vezellaser staat bekend als de "3e generatie laser" vanwege de uitzonderlijke prestaties:
(1) Het kleine volume, de flexibiliteit, de lage verhouding tussen volume en oppervlak en de hoge foto-elektrische omzettingssnelheid van de vezel resulteren in een vezellaser die geminiaturiseerd, geïntensiveerd en zeer efficiënt is in termen van warmteafvoer en foto-elektrische omzetting.
(2) De laseruitvoer van een vezellaser kan direct uit de vezel worden verkregen, waardoor de vezellaser zeer geschikt is voor verwerkingstoepassingen in elke ruimte.
(3) De structuur van de vezellaser, zonder optische lenzen in de resonantieholte, biedt voordelen zoals gebruiksgemak, weinig onderhoud en hoge stabiliteit.
(4) De straalkwaliteit van een fiberlaser is ook uitzonderlijk.
| Soorten lasers | Typisch type | Lasergolflengte | Maximaal uitgangsvermogen | Energieomzettingsefficiëntie | Kenmerken |
| Gaslaser | CO2 laser | Ongeveer 10,6um infrarood | 1-20 kW | 8%～10% | Goede monochromaticiteit en hoge energieomzettingsefficiëntie |
| Vloeibare laser | 6G kleurstoflaser | UV tot IR | – | 5%～20% | De golflengte aan de uitgang is continu instelbaar, het energieomzettingsvermogen is hoog, gemakkelijk te bereiden en goedkoop. |
| Solid-state lasers | YAG / robijn laser | Zichtbaar tot nabij infrarood | 0,5-5kw | 0,5%～1% | Laag uitgangsvermogen, lage energieconversiesnelheid en goede monochromaticiteit. |
| Halfgeleiderlasers | GaAs diodelaser | 100nm-1,65um | 0,5-20 kW, tweedimensionale array kan 350 kW bereiken | 20% - 40%, laboratorium 70% | Hoog energieomzettingsvermogen, klein volume, licht van gewicht, eenvoudige structuur, lange levensduur en slechte monochromaticiteit. |
| Vezellaser | Gepulseerde / CW vezellaser | 1,46um-1,65um | 0,5-20 kW | 30%-40% | Miniaturisatie, intensivering, hoge omzettingsefficiëntie, hoge energie-output, hoge straalkwaliteit, geen optische collimatie en minder onderhoud. |
Lasers kunnen worden onderverdeeld in drie types: continue laser, gepulseerde laser en quasi-continue laser.
Gepulseerde lasers kunnen verder worden ingedeeld op basis van de pulsbreedte: millisecondenlaser, microsecondenlaser, nanosecondenlaser, picoseconde laserfemtosecond laser en attosecond laser.
Continue laser:
Dit type laser geeft tijdens het gebruik continu een stabiele energiegolfvorm af met een hoog vermogen. Hij is geschikt voor het verwerken van materialen met een groot volume en een hoog smeltpunt, zoals metalen platen.
Gepulseerde laser:
Gepulseerde lasers kunnen verder worden onderverdeeld in milliseconde lasers, microseconde lasers, nanoseconde lasers, picoseconde lasers, femtoseconde lasers en attoseconde lasers, afhankelijk van de pulsbreedte. Femtoseconde- en attoseconde-lasers worden gewoonlijk ultrasnelle lasers genoemd.
Hoewel het vermogen van gepulseerde lasers lager is dan dat van continue lasers, is de bewerkingsnauwkeurigheid hoger. Als algemene regel geldt: hoe smaller de pulsbreedte, hoe hoger de bewerkingsnauwkeurigheid.
Quasi-continue laser:
Dit type laser houdt het midden tussen een continue laser en een gepulseerde laser, waarbij een hoogenergetische laser herhaaldelijk kan worden afgegeven binnen een bepaalde periode.
| Classificatiemethode | Laser categorie | Kenmerken |
|---|---|---|
| Indeling naar werkmodus | CW-laser | De excitatie van het werkmateriaal en de bijbehorende laseroutput kunnen continu worden uitgevoerd in een lang tijdsbereik |
| Gepulseerde laser | Dit is een laser met een enkele laserpulsbreedte van minder dan 0,25 seconden die slechts eenmaal werkt met een bepaald interval. Hij heeft een groot piekvermogen en is geschikt voor lasermarkeren, snijden en afstandsbepaling. | |
| Classificatie op pulsbreedte | Milliseconde (MS) laser | 10-3S |
| Microseconde (VS) laser | 10-6S | |
| Nanoseconde (NS) laser | 10-9S | |
| Picoseconde (PS) laser | 10-12S | |
| Femtoseconde (FS) laser | 10-15S |
Lasers kunnen op basis van hun golflengte worden onderverdeeld in verschillende types: Röntgenlasers, ultraviolette lasers, infraroodlasers, zichtbare lasers, enz.
Lasers kunnen op basis van hun vermogen worden onderverdeeld in drie categorieën: lasers met een laag vermogen (1500W).
Classificatie van lasers
Enkele van de belangrijkste laserleveranciers op de markt zijn Coherent, IPG Photonics, n-Light, Newport Corporation, TRUMPF, Rofin (nu een dochteronderneming van Coherent), DILAS, SPI Lasers (nu eigendom van TRUMPF), Mitsubishi Electric, Kawasaki Heavy Industries, MAX Photonics, JPT Optoelectronics, Raycus Vezellasers, Fei Bo Laser, Guoke Laser, Anpin Laser en HFB Laser.
U kunt ook de bovenste fabrikanten van lasersnijmachines ter referentie.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO