Alguma vez se perguntou como é que os lasers, uma maravilha da tecnologia moderna, são classificados? Este artigo explora quatro métodos principais para categorizar os lasers com base na sua substância de trabalho, forma de onda de saída de energia, comprimento de onda e potência. Ficará a conhecer os diferentes tipos de lasers, como os de gás, de estado sólido e de semicondutores, e compreenderá as suas aplicações únicas em indústrias que vão desde as comunicações ao processamento de materiais. Mergulhe para descobrir como estes poderosos feixes de luz são adaptados para atender a várias necessidades tecnológicas.
O laser é considerado uma das quatro grandes invenções do século XX. Ao contrário da luz natural, a luz laser é uma invenção humana baseada na teoria quântica.
O que distingue a luz laser da luz natural são as suas características únicas e o processo pelo qual é gerada. O laser é frequentemente referido como "a faca mais rápida, a luz mais brilhante e a régua mais precisa".
Em comparação com a luz natural, a luz laser é altamente intensa, altamente monocromática, altamente coerente e altamente direcional.
A luz laser é o resultado da radiação atómica estimulada. Quando os átomos são excitados pela energia da fonte de bombagem, podem transitar para um estado de alta energia. Se encontrarem um fotão externo com uma frequência específica, libertarão um fotão idêntico. Este processo faz com que mais átomos transitem e produzam o mesmo fotão, resultando em radiação estimulada e na produção de luz laser.
A frequência, a fase, a direção de propagação e o estado de polarização dos fotões produzidos pela radiação estimulada e pelos fotões externos são exatamente os mesmos, razão pela qual a luz laser tem as características únicas de alta intensidade, alta monocromaticidade, alta coerência e alta direccionalidade.
Diagrama esquemático da transição dos níveis de energia atómica
Diagrama esquemático do processo de radiação estimulada
A utilização comercial da tecnologia laser teve início na década de 1970 e, desde então, tem vindo a desenvolver-se rapidamente. Em 1917, Einstein propôs pela primeira vez o conceito de radiação estimulada. O primeiro laser de rubi do mundo laser de estado sólido foi introduzido em 1960.
Durante a década de 1970, a tecnologia laser entrou na era comercial e tem continuado a crescer e a expandir-se desde então. Após o estudo da interação entre os raios laser e a matéria, a aplicação da tecnologia laser alargou-se e expandiu-se, nomeadamente no sector industrial. Na década de 1990, aplicações industriais do laser a tecnologia entrou numa fase de desenvolvimento a alta velocidade.
História do desenvolvimento da tecnologia laser
A elevada intensidade, a boa monocromaticidade, a boa coerência e a boa directividade da luz laser determinam os seus dois principais cenários de aplicação: laser de energia e laser de informação.
Laser de energia:
A tecnologia laser é conhecida pela sua elevada densidade de energia, o que a torna ideal para várias aplicações, como o processamento de materiais, armas, tratamento médico, entre outras.
Laser de informação:
A boa monocromaticidade e directividade do laser tornam-no adequado para a transmissão de informações (comunicação ótica) e a medição de distâncias (medição ótica). A comunicação ótica tem várias vantagens em relação à comunicação eléctrica tradicional, tais como a sua elevada capacidade, capacidade de transmissão a longa distância, maior confidencialidade e leveza.
Processamento a laser é um excelente exemplo de tecnologia de processamento de precisão, sendo o seu crescimento largamente impulsionado pela substituição dos métodos de processamento tradicionais.
Em comparação com outros métodos de processamento, o processamento a laser oferece várias vantagens, incluindo alta eficiência, alta precisão, baixo consumo de energia, deformação mínima do material e facilidade de controlo.
Estas vantagens podem ser atribuídas a dois factores fundamentais características do laser processamento: maquinagem sem contacto e elevada densidade de energia.
Maquinação sem contacto:
No processamento a laser, o calor gerado pela interação entre o laser e o material completa o processamento, sem que haja contacto físico entre a ferramenta de processamento e o material. Este facto elimina os efeitos da força sobre o material processado e resulta num nível relativamente baixo de tensão residual. Para além disso, o pequeno diâmetro do feixe laser permite uma elevada precisão.
Elevada densidade energética:
A densidade de potência do processamento a laser pode atingir mais de 107W/cm^2, o que é milhares ou mesmo dezenas de milhares de vezes superior a outros métodos de processamento, como a chama e o arco. Esta densidade de potência mais elevada permite que o laser processe uma pequena área do material sem afetar a área circundante, conduzindo a uma maior precisão e eficiência do processamento.
Vantagem multiponto
O laser é um componente crucial na geração de luz laser e é o componente central do equipamento laser.
O valor do laser representa normalmente 20-40% do valor total de um conjunto completo de equipamento de processamento a laser e, nalguns casos, pode ser ainda mais elevado.
O laser é o local onde ocorrem os processos de bombagem e de radiação estimulada. Um laser típico é constituído por várias partes, incluindo o material de trabalho do laser (que emite energia), a fonte de bombagem (que fornece energia) e o ressoador ótico (que facilita a propagação da energia).
Diagrama da estrutura básica do laser
Existem vários métodos de classificação dos lasers, mas quatro deles são os mais utilizados:
Substância de trabalho:
Os lasers podem ser classificados com base no tipo de substância de trabalho que utilizam, incluindo lasers de gás, lasers sólidos, lasers líquidos (corantes), lasers de semicondutores, lasers de excímero e outros.
Os lasers de gás utilizam gás como material de trabalho. Exemplos de lasers de gás comuns incluem o CO2 lasers He-Ne, lasers de iões de árgon, lasers He-Cd, lasers de vapor de cobre e vários lasers de excímero. LASERS DE CO2 Os lasers são particularmente utilizados na indústria.
CO2 laser
Lasers de estado sólido:
Nos lasers de estado sólido, os iões metálicos capazes de produzir emissão estimulada são dopados num cristal e utilizados como material de trabalho. Os cristais normalmente utilizados incluem o rubi, o corindo, a granada de alumínio (vulgarmente conhecida por YAG), o tungstato de cálcio, o fluoreto de cálcio, o aluminato de ítrio e o berilato de lantânio. Atualmente, o YAG é o cristal mais utilizado nos lasers de estado sólido.
Laser de estado sólido
Laser líquido:
Nos lasers líquidos, a substância de trabalho é uma solução formada pela dissolução de corantes orgânicos em líquidos como o etanol, o metanol ou a água.
Lasers de semicondutores:
Os lasers de semicondutores, também conhecidos como díodos laser, utilizam materiais semicondutores como materiais de trabalho, como o arsenieto de gálio (GaAs), o sulfureto de cádmio (CDS), o fosforeto de índio (INP) e o sulfureto de zinco (ZnS).
Lasers de semicondutores
Laser de fibra:
Um laser de fibra utiliza fibra de vidro dopada com elementos de terras raras como material de trabalho. Os lasers de fibra são lasers que utilizam a fibra como meio para a geração de luz laser.
Laser de fibra
O laser de fibra é conhecido como o "laser de 3ª geração" devido ao seu desempenho excecional:
(1) O pequeno volume, a flexibilidade, a baixa relação volume/área e a elevada taxa de conversão fotoeléctrica da fibra resultam num laser de fibra que é miniaturizado, intensificado e altamente eficiente em termos de dissipação de calor e conversão fotoeléctrica.
(2) A saída de laser de um laser de fibra pode ser obtida diretamente a partir da fibra, tornando o laser de fibra altamente adaptável a aplicações de processamento em qualquer espaço.
(3) A estrutura do laser de fibra, que não possui lentes ópticas na cavidade ressonante, oferece vantagens como a facilidade de utilização, a baixa manutenção e a elevada estabilidade.
(4) A qualidade do feixe de um laser de fibra é também excecional.
| Tipos de laser | Tipo típico | Comprimento de onda do laser | Potência máxima de saída | Eficiência de conversão de energia | Características |
| Laser de gás | CO2 laser | Cerca de 10,6um de infravermelhos | 1-20kw | 8%～10% | Boa monocromaticidade e elevada eficiência de conversão de energia |
| Laser líquido | Laser de corante 6G | UV para IR | – | 5%～20% | O comprimento de onda de saída é continuamente ajustável, o poder de conversão de energia é elevado, fácil de preparar e barato |
| Lasers de estado sólido | YAG / laser de rubi | Infravermelhos visíveis a próximos | 0,5-5kw | 0.5%～1% | Baixa potência de saída, baixa taxa de conversão de energia e boa monocromaticidade. |
| Lasers de semicondutores | Laser de díodo GaAs | 100nm-1,65um | 0,5-20kw, a matriz bidimensional pode atingir 350kW | 20% - 40%, laboratório 70% | Elevada potência de conversão de energia, pequeno volume, peso leve, estrutura simples, longa vida útil e fraca monocromaticidade. |
| Laser de fibra | Laser de fibra pulsado / CW | 1,46um-1,65um | 0,5-20kw | 30%-40% | Miniaturização, intensificação, alta eficiência de conversão, alta saída de energia, alta qualidade de feixe, sem colimação ótica e menos manutenção. |
Os lasers podem ser classificados em três tipos: laser contínuo, laser pulsado e laser quase contínuo.
Os lasers pulsados podem ainda ser classificados com base na largura do impulso: laser de milissegundos, laser de microssegundos, laser de nanossegundos, laser de picossegundoslaser de femtossegundo e laser de attossegundo.
Laser contínuo:
Este tipo de laser emite uma forma de onda de energia estável e contínua durante a utilização, com elevada potência. É adequado para o processamento de materiais com grande volume e pontos de fusão elevados, tais como placas de metal.
Laser pulsado:
Os lasers pulsados podem ainda ser divididos em lasers de milissegundos, lasers de microssegundos, lasers de nanossegundos, lasers de picossegundos, lasers de femtossegundos e lasers de attossegundos, consoante a largura do impulso. Os lasers de femtossegundos e de attossegundos são normalmente designados lasers ultra-rápidos.
Embora a potência dos lasers pulsados seja menor em comparação com os lasers contínuos, a precisão da maquinação é maior. Regra geral, quanto mais estreita for a largura do impulso, maior será a precisão da maquinação.
Laser quase contínuo:
Este tipo de laser situa-se entre um laser contínuo e um laser pulsado, em que o laser de alta energia pode ser emitido repetidamente num determinado período.
| Método de classificação | Categoria de laser | Características |
|---|---|---|
| Classificação por modo de funcionamento | Laser CW | A excitação do material de trabalho e a saída de laser correspondente podem ser efectuadas continuamente num longo intervalo de tempo |
| Laser pulsado | Refere-se a um laser com uma largura de impulso laser única inferior a 0,25 segundos e que funciona apenas uma vez num determinado intervalo. Tem uma grande potência de pico de saída e é adequado para marcação a laser, corte e alcance. | |
| Classificação por largura de impulso | Laser de milissegundos (MS) | 10-3S |
| Laser de microssegundos (US) | 10-6S | |
| Laser de nanossegundos (NS) | 10-9S | |
| Laser de picossegundos (PS) | 10-12S | |
| Laser de femtosegundo (FS) | 10-15S |
Os lasers podem ser classificados em vários tipos com base no seu comprimento de onda: Lasers de raios X, lasers ultravioleta, lasers de infravermelhos, lasers visíveis, etc.
Os lasers podem ser divididos em três categorias com base na sua potência de saída: lasers de baixa potência (1500W).
Classificação dos lasers
Alguns dos principais fornecedores de lasers no mercado incluem a Coherent, a IPG Photonics, a n-Light, a Newport Corporation, a TRUMPF, a Rofin (atualmente uma filial da Coherent), a DILAS, a SPI Lasers (atualmente propriedade da TRUMPF), a Mitsubishi Electric, a Kawasaki Heavy Industries, a MAX Photonics e a JPT Optoelectronics, Raycus Lasers de fibra, Fei Bo Laser, Guoke Laser, Anpin Laser e HFB Laser.
Também pode consultar o topo fabricantes de máquinas de corte a laser para referência.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
PT 
EN 
ES 
FR 
RU 
DE 