Os lasers de fibra têm uma vasta gama de aplicações, e os tipos de subdivisão podem satisfazer necessidades especiais. Existem muitos métodos de classificação para os lasers de fibra, entre os quais os mais comuns são classificados por modo de funcionamento, gama de bandas e elementos de terras raras com dopagem média. Os lasers são normalmente designados de acordo com uma ou duas destas três categorias [...]
Existem muitos métodos de classificação para lasers de fibraentre os quais os mais comuns são classificados por modo de funcionamento, gama de bandas e elementos de terras raras com dopagem média.
Lasers são geralmente designados de acordo com uma ou duas destas três categorias.
Por exemplo, a série YLM-QCW de IPG é traduzida em lasers quase contínuos de fibra dopada com itérbio.
Os lasers de fibra têm uma vasta gama de aplicações.
Os diferentes lasers subdivididos têm características diferentes e domínios de aplicação adequados.
Por exemplo, a banda de infravermelhos médios é segura para os olhos humanos e pode ser fortemente absorvida pela água. É uma fonte de laser médica ideal;
A fibra dopada com érbio pode abrir a janela da comunicação por fibra ótica devido ao seu comprimento de onda adequado, que é amplamente utilizado no domínio da comunicação por fibra ótica;
Devido à sua visibilidade, o laser verde é essencial no entretenimento e na projeção.
Fig. 1 Diagrama de aplicação da subdivisão do laser e classificação correspondente às indústrias relevantes
De acordo com o modo de funcionamento, os lasers de fibra podem ser divididos em lasers de fibra com bloqueio de modo, lasers de fibra com Q-switched, lasers de fibra quase contínua e lasers de fibra contínua.
As abordagens técnicas para a realização de laser de fibra pulsada incluem principalmente a tecnologia de Q-switching, a tecnologia de bloqueio de modo e a tecnologia de amplificação da potência de oscilação principal da fonte de semente (MOPA).
A tecnologia de bloqueio de modo pode alcançar femtossegundos ou picossegundos saída de impulsos e a potência de pico do impulso é elevada, geralmente da ordem dos megawatts, mas a potência média do impulso de saída é baixa;
Fig. 2 Modo de funcionamento e largura de impulso do laser de fibra
A saída de laser do laser CW é contínua, o que é amplamente utilizado nos campos de corte a laser, soldadura e revestimento.
A fonte de bomba de laser fornece continuamente energia e produz uma saída de laser durante um longo período de tempo, de modo a obter um laser contínuo.
O número de partículas em cada nível de energia e o campo de radiação na cavidade têm uma distribuição estável.
A sua caraterística de funcionamento é que a excitação do material de trabalho e a correspondente saída de laser podem ser efectuadas continuamente num longo intervalo de tempo.
O laser de fibra excitado por uma fonte de luz contínua é um laser de fibra contínua.
Em comparação com outros tipos de lasersOs lasers de fibra contínua podem atingir uma potência relativamente elevada. A IPG produziu um laser de fibra contínua de modo único de 20000 watts, que é frequentemente utilizado nos domínios do corte a laser, soldadura e revestimento.
O laser quase CW pode funcionar em modo contínuo e em modo de impulsos de alta potência de pico ao mesmo tempo.
De acordo com o sítio Web oficial do IPG, a potência de pico e a potência média do laser CW tradicional são sempre as mesmas no modo CW e CW/modulação, enquanto a potência de pico do laser quase CW no modo de impulsos é 10 vezes superior à potência média.
Por conseguinte, podem ser gerados impulsos de microssegundos e milissegundos com elevada energia a frequências de repetição de dezenas de hertz a milhares de Hertz, e podem ser atingidas potências médias e potências de pico de vários quilowatts.
O laser de fibra quase CW proporcionará uma maior eficiência de conversão electro-ótica e melhorará significativamente a velocidade de processamento e a eficiência da produção.
Em comparação com outros sistemas laser, o laser de fibra quase CW pode proporcionar um aumento de dez vezes na eficiência da conversão fotoeléctrica e pode atingir uma eficiência de conversão electro-ótica superior a 30% sob um esquema de arrefecimento passivo.
Devido à sua elevada potência média e taxa de repetição de impulsos, a sua velocidade de processamento é 3-4 vezes superior à da maioria dos lasers.
O custo de energia significativamente reduzido, a ausência de consumíveis e peças sobressalentes, a baixa necessidade de manutenção e a ausência de requisitos de tempo de pré-aquecimento conduzirão à otimização dos custos.
Os lasers de fibra pulsada dividem-se em lasers de fibra Q-switched e lasers de fibra com bloqueio de modo.
A tecnologia Q-switching consiste em comprimir a energia do laser num curto intervalo de tempo para formar uma saída de laser com uma potência de pico elevada e uma largura de impulso estreita.
O princípio do Q-switching consiste em adicionar um dispositivo de perda ajustável ao laser.
Na maioria das áreas temporais, a perda do laser é muito grande e quase não há saída de luz.
Num curto espaço de tempo, reduzir a perda do dispositivo, de modo a que o laser produza um impulso curto com elevada intensidade.
O Q-switch é o dispositivo central da tecnologia Q-switched, que pode realizar o laser de fibra Q-switched de forma ativa ou passiva.
O laser de fibra de pulso Q-switched tem as características de alta potência de pico, alta energia de pulso único e diâmetro de ponto opcional.
É amplamente utilizado na marcação, no processamento de precisão, na marcação gráfica, na gravação profunda, no corte de precisão de chapas, na perfuração e noutros domínios de materiais não metálicos, ouro, prata, cobre, alumínio e de reflexão não elevada material aço inoxidável.
Em termos de aplicação de marcação, em comparação com o CO2 laser, o custo é mais baixo e o desempenho é mais estável.
O laser de fibra de impulsos bloqueados por modo gera impulsos ultracurtos através do bloqueio ativo de modo ou do bloqueio passivo de modo.
Limitada pelo tempo de resposta do modulador, a largura de impulso gerada pelo bloqueio de modo ativo é grande, geralmente da ordem dos picossegundos;
O bloqueio de modo passivo utiliza dispositivos de bloqueio de modo passivo com um tempo de resposta curto e pode produzir impulsos de femtossegundos.
O princípio básico do bloqueio de modo consiste em tomar medidas adequadas para que os modos longitudinais mutuamente independentes no ressoador tenham uma determinada relação de fase.
Mesmo que a diferença de fase dos modos longitudinais adjacentes seja uma constante, o laser emitirá impulsos com uma largura de impulso extremamente estreita e uma potência de pico elevada.
O laser de impulsos com bloqueio de modo tem as vantagens de uma excelente qualidade de feixe, largura de impulso ultra-curta e elevada energia de impulso.
É adequado para a microusinagem de vários materiais, incluindo metal, vidro, cerâmica, silício e plásticos.
No domínio da medicina, os lasers com bloqueio de modo são também utilizados em bisturis laser ou em cirurgia oftálmica.
Por exemplo, os efeitos fotoquímicos são também utilizados para alguns cuidados da pele.
Devido às suas características de impulsos curtos e elevada potência de pico, os lasers com bloqueio de modo são amplamente utilizados em vários métodos de imagiologia, microscopia e espetroscopia.
São também utilizados nos domínios da medição electro-ótica de amostras, da medição de distâncias, da medição de frequências e da cronometragem em circuitos electrónicos integrados.
O laser emitido diretamente pelo laser de fibra é principalmente luz infravermelha próxima com comprimento de onda entre 960nm-2,05μm.
De acordo com a ordem do comprimento de onda, de curto a longo, a categoria laser abrange todos os tipos de lasers, desde os raios X até ao infravermelho distante, com comprimentos de onda que variam entre 0,001 nm e 1000 microns.
Entre eles, o laser emitido diretamente pelo laser de fibra situa-se principalmente na zona do infravermelho próximo.
No entanto, para satisfazer as necessidades de diferentes aplicações, os lasers de fibra podem emitir luz visível através da duplicação da frequência, sendo a principal aplicação a luz verde;
A luz infravermelha média pode ser emitida por dopagem de flúor na fibra ótica.
Fig.3 Lista dos diferentes comprimentos de onda das fibras ópticas
Tabela 1. Lasers por comprimento de onda
| Nome | Gama de comprimentos de onda | Principais produtos |
| Laser de infravermelhos distantes | 30 ~ 1000 microns | Molecular laser de gás, laser de electrões livres |
| Laser de infravermelhos médios | 3 ~ 30 microns | Laser de gás molecular CO2 |
| Laser de infravermelhos próximos | 0,76 ~ 3 microns | Laser de fibra, laser de díodo semicondutor CaAs, laser de gás parcial |
| Laser visívelLaser de infravermelhos próximos | 380 nm ~ 780 nm | Laser de rubi, laser de He Ne, laser de iões de árgon, laser de iões de crípton |
| Laser ultravioleta próximo | 200 nm ≈ 400 nm | Laser molecular de azoto, laser de excímero de fluoreto de xénon, laser de excímero de fluoreto de crípton (KrF) |
| Laser ultravioleta de vácuo | 5 nm ~ 200 nm | Laser de excímero de hidrogénio (H), laser de excímero de xénon (Xe) |
| Laser de raios X | 0,001 nm ~ 5 nm |
O comprimento de onda do laser de infravermelhos médios é principalmente de cerca de 23 microns a 3,9 microns, o que requer um meio de fibra de vidro de flúor dopado com iões de terras raras para excitar.
A partir do espetro de fluorescência gerado pela transição infravermelha do laser de fibra na figura abaixo, pode ver-se que o ião dopado com hólmio (Ho3 +) e o ião dopado com érbio (Er3 +) podem ser gerados diretamente ao serem excitados em condições médias adequadas.
O laser de fibra de vidro de flúor tem alta eficiência e potência de saída na faixa de 2,3 ~ 3,5μm, enquanto o comprimento de onda é superior a 3,5μm.
São muito poucos os materiais que podem satisfazer a baixa energia de fões necessária para a transmissão de fibras ópticas e a radiação de transição de iões de terras raras.
O laser de fibra de fluoreto Ho3 + dopado simples produz laser de banda de 3,9μm a baixa temperatura, que é o maior comprimento de onda de saída direta atualmente.
Fig.4 Relação entre a potência máxima de saída e o comprimento de onda de emissão de diferentes lasers de fibra de iões de terras raras
Devido às suas características de comprimento de onda, o laser de infravermelhos médios pode abrir a janela atmosférica e é amplamente utilizado na orientação, posicionamento e medição por laser.
Em assuntos militares, a aplicação da energia direcional do laser e a transmissão a longa distância através da janela de transmissão atmosférica requerem uma forte energia de feixe.
Na contramedida de mísseis infravermelhos, o laser infravermelho médio pode obter a janela de transmissão atmosférica da banda de 3 ~ 5μm.
O laser de fibra infravermelha média com vários quilowatts de saída monomodo pode ainda ser amplamente utilizado em plataformas de guerra de defesa nacional, como mísseis anti-cruzeiro, orientação de foguetes e reconhecimento do espaço aéreo de UAV.
O laser de fibra de infravermelhos médios tem sido amplamente utilizado na área médica devido à sua forte directividade e segurança para os olhos humanos.
A banda do laser de infravermelhos médios é segura para os olhos humanos e pode ser fortemente absorvida pela água.
Devido à forte direccionalidade do laser, a profundidade de penetração nos tecidos pode ser pouco profunda e a área de danos físicos pode ser muito pequena na cirurgia a laser, de modo a obter uma elevada precisão.
Na medicina moderna, o laser de infravermelhos médios em aplicações médicas utiliza principalmente o efeito fototérmico para tratar ou abater tecidos doentes.
Tem sido amplamente utilizado em ortopedia, gastroenterologia e urologia.
Tornou-se uma fonte de luz laser médica ideal para a ablação e corte de tecidos urinários, vaporização e remoção de órgãos falhados.
No processo de corte de tecidos ricos em lípidos, ossos e proteínas, a utilização do laser de infravermelhos médios provoca pequenos danos.
O laser de fibra pode obter uma saída de luz verde através da duplicação da frequência.
Embora o laser de fibra verde de frequência dupla não seja um laser de fibra verde no sentido estrito, porque o seu meio de ativação não liberta diretamente o feixe laser de 532 nm, este tipo de laser de fibra fornece uma gama estreita de duração de impulsos e frequência de repetição até 600kHz.
A fonte laser com elevada luminosidade espetral promove uma conversão eficiente, atingindo uma eficiência de conversão de 84% e uma eficiência de conversão electro-ótica superior a 20%.
É possível atualizar para alta potência a 355 e 266 nm.
O laser verde é amplamente utilizado na impressão, tratamento médico, armazenamento de dados, militar, biologia e outros domínios.
Por exemplo, o laser de fibra verde da IPG pode ser utilizado na imagiologia de partículas, medição de velocidade / visualização de fluxos, diagnóstico por imagem e cirurgia, captura ótica / pinças ópticas, fabrico de células solares, inspeção do fabrico e controlo de qualidade, holografia e interferometria, entretenimento e projeção, etc.
O laser de fibra utiliza principalmente a fibra dopada com elementos de terras raras como meio de ganho, e diferentes elementos de terras raras correspondem a diferentes comprimentos de onda de trabalho.
A fibra dopada consiste em adicionar impurezas, como iões de terras raras, ao núcleo da fibra, o que levará à modificação da fibra e mostrará o efeito laser.
O princípio de funcionamento é que a luz da bomba é primeiro acoplada ao meio de ganho dopado com iões de terras raras através do sistema de acoplamento e, em seguida, os iões de terras raras no núcleo dopado absorvem a energia do fotão da bomba e produzem uma transição de nível de energia.
Por exemplo, os iões de terras raras, como o érbio (Er3 +), o praseodímio (Pr3 +), o túlio (Tm3 +), o neodímio (Nd3 +) e o itérbio (Yb3 +) podem ser utilizados como dopantes para fabricar fibras ópticas e, em seguida, transformados em amplificadores de fibra dopada (XDFA) e lasers de fibra (XDFL).
Diferentes elementos de terras raras funcionam em diferentes gamas de comprimentos de onda, mas estão na gama dos infravermelhos próximos.
Fig. 5 Comprimentos de onda de funcionamento dos iões de terras raras em núcleos normalmente dopados.
O laser de fibra dopada com itérbio desenvolveu-se rapidamente devido à sua elevada estabilidade, boa qualidade do feixe e elevada eficiência de inclinação.
A fibra dopada com itérbio tem muitas vantagens.
O laser de fibra desenvolvido por fibra dopada com itérbio tem alta eficiência de inclinação e eficiência de conversão ótica ótica, e pode obter saída de laser de alta potência na banda de 1m.
Por conseguinte, atraiu grande atenção e desenvolveu-se rapidamente.
Tornou-se a principal força orientadora da indústria laser e tem boas perspectivas de aplicação no processamento industrial, tratamento médico, defesa nacional e outros domínios.
A maioria dos produtos laser da Ruike Laser utiliza fibra dopada com itérbio.
Quadro 2. Comparação dos principais produtos de fibra ótica dopada com espelho de empresas nacionais e estrangeiras
| Empresa | Adotar a tecnologia | Estado do produto / preço | Diâmetro do núcleo（ μ m） | Diâmetro do revestimento | Abertura numérica do núcleo NA |
| Nufern | Fibra dopada com espelho de campo de modo supergrande (três camadas) | VendaUSD 1030 / M | 290.0±20.0 | 400±18 | 0.110±0.010 |
| NInoite | Fibra dopada com itérbio de revestimento duplo com grande campo de modo | Vender | 20.0±1.5 | 400±10.0 | 0.070±0.005 |
| Fibra ótica Changfei | Fibra de itérbio de revestimento duplo com grande campo de modo | Vender | 20.0±2.0 | 400±15.0 | 0.06±0.01 |
| Tecnologia de balizas | Fibra dopada com itérbio de revestimento duplo | Vender | 20.0±2.0 | 400±5.0 | 0.075±0.005 |
| Wuhan Ruixin | Fibra dopada com itérbio de revestimento duplo com grande campo de modo | Vender | 20.0±1.5 | 400.0±10.0 | 0.065±0.005 |
Os lasers de fibra dopada com itérbio são principalmente utilizados em lasers contínuos e lasers de Q-switched de impulsos.
Devido à estrutura simples do nível de energia do ião de itérbio e à pequena perda de partículas, o laser tem uma elevada eficiência de conversão e um baixo efeito térmico em funcionamento a alta potência, e a largura de banda de ganho é grande (975nm ~ 1200nm).
Ao mesmo tempo, o tempo de vida do nível superior do ião de itérbio é relativamente longo, normalmente cerca de 1 milissegundo.
Estes factores são favoráveis à tecnologia Q-switching.
Por conseguinte, a saída de impulsos ultracurtos foi realizada num laser de impulsos.
No que respeita ao laser CW, a potência de saída do laser de fibra dopada com itérbio atingiu a ordem dos 10000 watts.
O laser de fibra dopada com érbio tem as características de comprimento de onda seguro e energia de impulso ultra-elevada. O laser de fibra dopada com érbio pode funcionar em modo único, com uma largura de linha extremamente estreita, boa monocromaticidade e estabilidade.
O ião de érbio tem uma grande largura de banda de ganho, o que pode agravar a oscilação multimodo na cavidade do laser, de modo a realizar um laser de impulsos ultracurtos.
Devido às suas características únicas de segurança para o olho humano ("segurança para o olho humano" refere-se ao facto de o laser com o comprimento de onda de 1,5 μm ser significativamente inferior ao limiar de lesão ocular humana), tem uma vasta gama de aplicações práticas nos domínios da comunicação ótica no espaço livre, lidar, deteção ambiental, calibração de peças de trabalho e processamento industrial.
A fibra dopada com érbio tem sido amplamente utilizada no domínio da comunicação por fibra ótica devido ao seu comprimento de onda adequado.
Como a fibra dopada com érbio tem um ganho elevado no comprimento de onda de 1550 nm, o seu perfil espetral de ganho de cerca de 40 nm corresponde à melhor janela de baixa perda na comunicação por fibra ótica, que tem um valor potencial de aplicação.
O laser de fibra dopada com túlio tem as características de baixo limiar, alta eficiência e boa qualidade de feixe.
O laser de fibra dopada com túlio é o ponto de acesso de investigação do laser de fibra no domínio do comprimento de onda seguro para os olhos humanos, e o laser de fibra dopada com túlio pode funcionar na banda S (150 - 75 mm).
Desempenha um papel muito importante no desenvolvimento do espaço de frequência dos potenciais recursos de comunicação e na melhoria da capacidade do sistema de comunicação por fibra ótica.
Os lasers de fibra dopada com túlio Q-switched e contínuos desenvolveram-se para potências médias mais elevadas nos últimos anos.
Atualmente, um certo número de fornecedores pode fornecer lasers de impulsos comerciais com uma potência média de 10W.
O laser de fibra dopada com túlio é amplamente utilizado em tratamentos médicos a laser, lidar, deteção remota de luz espacial e outros domínios.
O comprimento de onda de saída do laser de fibra dopada com túlio é de cerca de 2μm.
A banda de absorção forte da água líquida é de cerca de 1950 nm, que está próxima do comprimento de onda do laser de fibra de túlio normal, pelo que as características de absorção são significativamente melhoradas.
A água existe geralmente em muitos compostos orgânicos e inorgânicos, o que significa que um grande número de materiais melhora as características de absorção na gama espetral de 2μm.
Por conseguinte, o laser de fibra dopada com túlio é considerado uma fonte de luz ideal para a medicina, a segurança ocular, a ótica ultra-rápida, a deteção remota de curto alcance e a biologia, e tem boas perspectivas de desenvolvimento.
Ao mesmo tempo, no campo da medicina, o laser de fibra dopada com túlio também tem muitas aplicações, incluindo a vaporização acelerada, a tecnologia de corte ultrafino e a hemostase de coagulação na medicina.
O laser de fibra dopada com túlio de alta potência pode não só ser utilizado para o comprimento de onda seguro dos olhos humanos e fonte de luz lidar, mas também ser utilizado como fonte de bomba de laser de cristal de estado sólido para realizar ainda mais a saída de laser infravermelho com comprimento de onda mais longo.
Fig. 6 Características de absorção da água líquida em diferentes comprimentos de onda
O laser de fibra tem vantagens de desempenho excepcionais e um efeito de substituição óbvio.
O laser de dióxido de carbono é um tipo de laser molecular.
É um dos lasers CW comuns de alta potência.
O material principal é a molécula de dióxido de carbono.
A estrutura principal do CO2 O laser inclui o tubo laser, o ressoador ótico, a fonte de alimentação e a bomba.
A principal caraterística é que a potência de saída é grande e o trabalho contínuo pode ser realizado, mas a estrutura é complexa, o volume é grande e a manutenção é difícil.
Fig. 7 Estrutura do laser de dióxido de carbono
A inversão do número de partículas é a chave para a luminescência do laser de dióxido de carbono.
As substâncias de trabalho do laser de dióxido de carbono incluem o dióxido de carbono, o azoto e o hélio. Após a entrada da fonte de alimentação DC, as moléculas de azoto no gás misto serão excitadas pelo impacto dos electrões.
Quando as moléculas de azoto excitadas colidem com as moléculas de dióxido de carbono, transferem energia para as moléculas de dióxido de carbono, de modo que as moléculas de dióxido de carbono passam de um nível de baixa energia para um nível de alta energia, formando uma inversão do número de partículas e emitindo laser.
Fig.8 Diagrama esquemático do processo de emissão do laser de dióxido de carbono
A fibra ótica e o laser de dióxido de carbono têm as suas próprias vantagens, pelo que devem ser seleccionadas ferramentas diferentes de acordo com as diferentes necessidades.
Da tecnologia de corte que é amplamente utilizada atualmente, o laser de fibra e o laser de CO2 O laser tem as suas próprias vantagens e desvantagens face aos requisitos específicos da aplicação.
Não podem substituir-se completamente, mas devem complementar-se e coexistir.
Em termos de tipos de materiais de processamento, devido ao efeito de absorção, os lasers de fibra não são adequados para o corte de materiais nãomateriais metálicosenquanto que as emissões convencionais de CO2 não são adequados para cortar materiais de elevada refletividade, como o cobre e o alumínio;
Em termos de velocidade de corte, o CO2 tem vantagens na chapa com espessura > 6mm, enquanto o laser de fibra corta a chapa mais rapidamente;
A peça de trabalho precisa de ser penetrada antes do corte a laser, e a velocidade de perfuração do CO2 é significativamente mais rápida do que a do laser de fibra;
Em termos de qualidade da secção de corte, o CO2 é melhor do que o laser de fibra como um todo.
Tabela 3. Comparação entre o laser de fibra e o laser de dióxido de carbono
| Laser de fibra | Laser de dióxido de carbono | |
| Material de corte | Os materiais não metálicos não podem ser cortados | Os materiais altamente reflectores têm pouca adaptabilidade |
| Velocidade de corte | Vantagens óbvias abaixo de 3 mm | O dióxido de carbono tem uma vantagem quando é superior a 6 mm. |
| Eficiência de penetração | A velocidade é relativamente lenta | Quanto maior for a espessura, mais evidente é a vantagem |
| Qualidade da secção | Um pouco pior | Melhor rugosidade e verticalidade |
O laser de fibra tem maior eficiência de conversão de luz e menor custo.
De acordo com o cálculo, o custo de utilização do laser de fibra é de 23,4 yuan / hora, o custo de utilização do laser de dióxido de carbono é de 39,1 yuan / hora, entre os quais o custo de energia do laser de fibra é de 7 yuan / hora, o custo de arrefecimento da água é de 8,4 yuan / hora e outros custos são de 8 yuan / hora;
O custo da energia do laser de dióxido de carbono é de 21 yuan / hora, o custo do arrefecimento da água é de 12,6 yuan / hora e outros custos são de 5,5 yuan / hora.
Tabela 4. Comparação de custos entre o laser de fibra e o laser de dióxido de carbono
| Laser de fibra | Laser de dióxido de carbono | |
| Potência (kw) | 3 | 3 |
| Eficiência de conversão da luz | 30% | 10% |
| Consumo de energia (kw) | 10 | 30 |
| Preço da eletricidade (yuan / kWh) | 1 | 1 |
| Duração da carga | 70% | 70% |
| Custo da energia (yuan / hora) | 7 | 21 |
| Potência do equipamento de arrefecimento a água (kw) | 12 | 18 |
| Preço da eletricidade (yuan / kWh) | 1 | 1 |
| Duração da carga | 70% | 70% |
| Custo de arrefecimento da água (yuan / hora) | 8.4 | 12.6 |
| Custo dos consumíveis (yuan / hora) | 3 | 2.5 |
| Custo de consumo do módulo (yuan / hora) | 5 | |
| Custo dos meios de comunicação (yuan / hora) | 1 | |
| Solução pontual convencional (yuan / hora) | 2 | |
| Outros custos (yuan / hora) | 8 | 5.5 |
| Custo de utilização (yuan / hora) | 23.4 | 39.1 |
O laser YAG refere-se geralmente ao laser de Nd. O laser YAG (cristal de granada de ítrio e alumínio dopado com rubídio) pertence a laser de estado sólido.
O conteúdo de átomos de rubídio no cristal é de 0,6 ~ 1,1%, que pode produzir laser pulsado ou laser contínuo, e a luz emitida é infravermelha com um comprimento de onda de 1,064μm.
O laser Nd. O laser YAG utiliza frequentemente uma lâmpada de crípton ou de xénon como lâmpada de bombagem, porque apenas alguns comprimentos de onda específicos da luz da bomba serão absorvidos pelos iões de Nd, e a maior parte da energia será convertida em energia térmica.
Em geral, a eficiência de conversão de energia do laser YAG é baixa.
Fig. 9 Estrutura simples do laser Nd: YAG
Com o desenvolvimento do laser de fibra, o laser YAG pode ser gradualmente substituído.
O laser YAG é utilizado principalmente no corte e processo de soldadura na indústria, mas com o desenvolvimento do laser de fibra, o laser YAG pode ser gradualmente substituído pelo laser de fibra.
No domínio do corte, o laser YAG tem um baixo custo de aquisição e pode cortar materiais de elevada reflexão, mas tem um baixo poder de processamento, um elevado rácio de consumo de energia e corte lento velocidade, enquanto o laser de fibra tem uma elevada eficiência energética, não necessita de ajustamento e manutenção;
No domínio da soldadura, após o aparecimento do laser de fibra quase contínua, este começou a substituir rapidamente o laser Nd: YAG pulsado.
Em comparação com o laser YAG, o laser de fibra quase CW pode fornecer energia de impulso de vários joules a dezenas de joules com uma largura de impulso de microssegundos a milissegundos.
A sua elevada potência média e frequência de repetição de impulsos melhoram significativamente a velocidade de processamento e a eficiência da produção.
É equivalente a ter as vantagens de perfuração e de soldadura do laser YAG e a capacidade de corte do laser de CO2 laser ao mesmo tempo.
Tem uma gama mais alargada de aplicações.
Tabela 5. Laser YAG vs. laser de fibra
| Laser | laser YAG | Laser de fibra |
| Composição principal | Lâmpada de bomba, Nd: YAG, sistema ressonante | Bomba de semicondutor, sistema de ressonância de fibra ótica, sistema de transmissão |
| eficiência da ficha de parede | 4%~5% | Sobre o 30% |
| Ângulo de maquinagem | Baixo custo de aquisição, capaz de cortar materiais altamente reflectores | A potência de corte é elevada, a eficiência é rápida e a elevada potência pode ser obtida numa pequena embalagem |
| Perspetiva de custos | A tecnologia madura é relativamente barata | Com o desenvolvimento gradual da tecnologia, o consumo de energia é reduzido |
| Ângulo de manutenção | Sem lente ótica, sem regulação e sem manutenção |
Lasers de semicondutorestambém conhecidos como díodos laser, utilizam materiais semicondutores como materiais de trabalho.
Os materiais de trabalho mais comuns incluem o arsenieto de gálio e o sulfureto de cádmio.
Existem três modos de excitação: injeção eléctrica, excitação por feixe de electrões e bombagem ótica.
As principais vantagens dos lasers de semicondutores são o pequeno volume, a baixa eficiência e o elevado consumo de energia.
São amplamente utilizados na comunicação laser, na terapia laser e noutros domínios.
Além disso, os lasers de semicondutores são normalmente utilizados como fonte de bombagem dos lasers de fibra.
Tomando como exemplo o laser de semicondutores de injeção eléctrica, GaAS (arsenieto de gálio), InAS (arsenieto de índio), Insb (antimoneto de índio) e outros materiais são normalmente adicionados ao material semicondutor para fazer um díodo de junção de superfície semicondutor.
Quando é injectada uma corrente suficientemente grande no díodo, os electrões (com carga negativa) e os buracos (com carga positiva) na região ativa intermédia combinam-se espontaneamente e libertam o excesso de energia sob a forma de fotões.
Em seguida, o laser é formado após o rastreio e a amplificação do ressoador.
Fig. 10 Diagrama esquemático da estrutura simples de um laser de semicondutores
O laser direto de semicondutores tem características óbvias e uma vasta gama de aplicações a jusante.
O laser direto de semicondutores tem uma estrutura compacta, baixo custo de manutenção e uma eficiência de conversão electro-ótica de até 47%. É utilizado principalmente na indústria para soldadura e revestimento.
Os lasers semicondutores de baixa potência são utilizados principalmente na soldadura de plásticos e na soldadura de estanho.
Através da soldadura de saída de fibra ótica, é possível realizar uma operação remota sem contacto, o que é conveniente para a integração com a linha de produção automática;
O semicondutor direto da classe Kilowatt pode ser utilizado para soldadura de revestimento e de ferragens.
Tem as características de um grande ponto de luz e de uma elevada taxa de conversão electro-ótica.
Fora do sector industrial, os lasers de semicondutores são também amplamente utilizados nos sectores militar, da informação, médico e das ciências da vida.
Tabela 6. Aplicações de laser direto de semicondutores
| Campo | Pedido de subdivisão | Cenário de aplicação |
| Indústria | Soldadura | Processamento de plásticos, soldadura de ferragens |
| Revestimento | Aço, aeroespacial | |
| Militar | Radar | Sistema Lidar, sistema de identificação e correção automática |
| Orientação e espoleta | Orientação por feixe laser, pontaria laser e pontaria de aviso | |
| Informações | Comunicação de sinais | Fonte de luz para comunicação por fibra ótica |
| Pesquisa de informação | Análise espetral, computação ótica e rede neural ótica | |
| Cuidados médicos | Funcionamento clínico | Ressecção de tecidos moles e união de tecidos |
| Investigação no domínio das ciências da vida | Pinças ópticas |
Os lasers de semicondutores têm potencial para aplicações de processamento, mas são limitados por defeitos técnicos.
A investigação mostra que o laser direto de semicondutores tem um forte potencial de aplicação no processamento de materiais e tem melhor velocidade e qualidade de corte do que o laser de fibra e o laser de dióxido de carbono.
No entanto, a maior desvantagem dos lasers de semicondutores é a sua baixa qualidade de feixe a alta potência do laser.
Atualmente, os lasers industriais de semicondutores estão limitados a alguns processos, como a galvanoplastia, brasagem e cada vez mais soldadura de alta potência.
Por conseguinte, é pouco provável que os lasers de semicondutores venham a revolucionar todo o domínio do processamento de materiais ou a substituir outras fontes de luz nos próximos anos.
Tabela 7. Comparação dos processos de corte do laser direto de semicondutores, do laser de fibra e do laser de dióxido de carbono
| Laser direto de semicondutores | Laser de fibra | Laser de dióxido de carbono | |
| Banda comum（ μ m） | 0.97 | 1.07 | 10.6 |
| Taxa de conversão electro-ótica | 47% | 30% | 10% |
| Absorção metálica | 0.97 | 1.07 | 10.6 |
| Corte de chapa velocidade | 47% | 30% | 10% |
| Espessura máxima de corte (mm) | 15 | 12 | 25 |
| Qualidade de corte (acima de 4 mm) | superior | superior | Inferior |
| Qualidade do feixe de saída | Mais rápido | Mais rápido | Mais lento |
De acordo com a análise anterior, consideramos que, em comparação com as emissões de CO2 e o laser YAG, o laser de fibra tem vantagens óbvias em termos de custos e de aplicação, ou será gradualmente substituído.
Simultaneamente, os lasers de semicondutores continuam a estar limitados por um estrangulamento técnico.
Atualmente, têm limitações e não é provável que venham a substituir outras fontes de luz nos próximos anos.
Por conseguinte, existe um vasto espaço para melhorar a permeabilidade do laser de fibra.
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.
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