Já alguma vez se perguntou como é que a tecnologia de ponta consegue atingir tal precisão? Os lasers de fibra, uma maravilha da engenharia moderna, utilizam fibras de vidro dopadas com terras raras para gerar feixes laser altamente eficientes e versáteis. Neste artigo, irá descobrir a mecânica subjacente aos lasers de fibra, explorar os seus vários tipos e compreender as suas inúmeras aplicações industriais. Desde o corte de alta potência à marcação delicada, saiba como os lasers de fibra estão a revolucionar os processos de fabrico e o que os torna superiores às tecnologias laser tradicionais. Mergulhe para descobrir o futuro da tecnologia laser.
Um laser de fibra refere-se a um laser que utiliza fibras de vidro dopadas com elementos de terras raras como meio de ganho.
Pode ser desenvolvido com base nos amplificadores de fibra: sob a ação da luz da bomba, forma-se facilmente uma elevada densidade de potência na fibra, provocando a "inversão da população" dos níveis de energia do laser no material de iluminação.
Quando é adicionado um circuito de feedback positivo adequado (formando uma cavidade ressonante), pode formar-se uma saída de oscilação laser.
Com base nos tipos de materiais de fibra, os lasers de fibra podem ser divididos em:
(1) Lasers de fibra de cristal.
O material de trabalho é a fibra de cristal laser, incluindo lasers de fibra de cristal único de rubi e lasers de fibra de cristal único de Nd3+: YAG, entre outros.
(2) Lasers não lineares de fibra ótica.
Os principais tipos incluem lasers de fibra com dispersão Raman estimulada e lasers de fibra com dispersão de Brillouin estimulada.
(3) Lasers de fibra dopados com terras raras.
O material de base da fibra é o vidro, e os iões de elementos de terras raras são dopados na fibra para a ativar, criando assim um laser de fibra.
(4) Lasers de fibra de plástico.
Os corantes laser são dopados no núcleo ou no revestimento das fibras de plástico para criar lasers de fibra.
Como representante da tecnologia laser de terceira geração, os lasers de fibra têm as seguintes vantagens
O advento das fibras de revestimento duplo é, sem dúvida, um grande avanço no domínio das fibras, tornando realidade o fabrico de lasers de fibra de alta potência e de amplificadores ópticos de alta potência.
Desde que E. Snitzer descreveu pela primeira vez os lasers de fibra com bombeamento de revestimento em 1988, a tecnologia de bombeamento de revestimento tem sido amplamente aplicada a lasers de fibra e amplificadores de fibra, tornando-se o método preferido para produzir lasers de fibra de alta potência.
A tecnologia de bombagem de revestimento é constituída por quatro camadas:
①núcleo de fibra;
②revestimento interior;
③revestimento exterior;
④camada protetora.
A luz da bomba é acoplada ao revestimento interior (que geralmente adopta uma estrutura irregular, incluindo elíptica, quadrada, em forma de flor de ameixa, em forma de D, hexagonal, etc.), a luz é reflectida para trás e para a frente entre os revestimentos interior e exterior (geralmente concebidos para serem circulares), e é absorvida pelo núcleo da fibra monomodo após múltiplos cruzamentos.
Esta estrutura não requer que a luz da bomba seja um laser monomodo e pode bombear todo o comprimento da fibra, pelo que um conjunto de díodos laser multimodo de alta potência pode ser escolhido como fonte de bomba, acoplando indiretamente mais de 70% da energia da bomba ao núcleo da fibra, melhorando consideravelmente a eficiência do bombeamento.
As características da tecnologia de bombagem de revestimento determinam o seguinte desempenho excecional desta tecnologia tipo de laser:
(1) Alta potência
Um grupo de módulos de díodos de bomba multimodo pode emitir 100 watts de potência ótica, e a configuração paralela de múltiplos díodos de bomba multimodo permite a conceção de lasers de fibra de saída de alta potência.
(2) Não são necessários arrefecedores termoeléctricos
Este díodo multimodo de alta potência e de área alargada pode funcionar a altas temperaturas, necessitando apenas de um simples arrefecimento a ar, que é de baixo custo.
(3) Ampla gama de comprimentos de onda de bombagem
A fibra de revestimento ativo dopada com elementos de terras raras érbio/itérbio em lasers de fibra de alta potência tem uma gama de absorção de ondas luminosas ampla e plana (930-970nm), pelo que os díodos de bomba não necessitam de qualquer tipo de dispositivo de estabilização do comprimento de onda.
(4) Alta eficiência
A luz da bomba atravessa o núcleo da fibra monomodo várias vezes, pelo que a sua utilização é elevada.
(5) Elevada fiabilidade
Os díodos de bomba multimodo são muito mais estáveis do que os díodos de bomba monomodo. A sua área geometricamente ampla resulta numa baixa densidade de potência ótica e numa baixa densidade de corrente através da área ativa, dando aos díodos de bomba uma vida útil fiável de mais de 1 milhão de horas.
Atualmente, as tecnologias para obter lasers de fibra com bombeamento de revestimento podem ser divididas em três categorias principais: bombeamento de cavidade linear de extremidade única, bombeamento de cavidade linear de extremidade dupla e lasers de fibra de revestimento duplo com cavidade em anel em toda a fibra. A partir destes três tipos básicos, podem ser expandidos diferentes tipos de lasers de fibra com revestimento duplo.
Um documento do OFC-2002 adoptou uma estrutura para obter um novo tipo de laser de fibra com bombeamento de revestimento com uma potência de saída de 3,8 W, um limiar de 1,7 W e uma eficiência de inclinação até 85%.
Em termos de tecnologia de produto, destaca-se a empresa americana IPG, que desenvolveu um laser de fibra dupla dopada com érbio de 700W e anunciou o lançamento de um laser de fibra de 2000W.
O laser de fibra pulsada, com a sua excelente qualidade de feixe, fiabilidade, maior tempo sem manutenção, maior eficiência global de conversão electro-ótica, frequência de repetição de impulsos, tamanho mais pequeno, utilização mais simples e mais flexível sem arrefecimento a água e menor custo de funcionamento, torna-o a única escolha para marcação a laser de alta velocidade e alta precisão.
Um sistema de marcação por laser de fibra pode ser constituído por um ou dois lasers de fibra de 25W, uma ou duas cabeças de leitura para guiar a luz até à peça de trabalho e um computador industrial para controlar as cabeças de leitura. Esta conceção é mais de quatro vezes mais eficiente do que a utilização de um laser de 50W dividido em duas cabeças de leitura.
O processamento de materiais com lasers de fibra é um processo de tratamento térmico baseado em partes do material que absorvem a energia do laser. A luz laser com um comprimento de onda de cerca de 1um é facilmente absorvida por metais, plásticos e materiais cerâmicos.
A modelação ou dobragem por laser de fibra é uma tecnologia utilizada para alterar a curvatura de placas de metal ou de cerâmica dura.
O aquecimento concentrado e o rápido auto-corte levam à deformação plástica na área aquecida pelo laser, alterando permanentemente a curvatura da peça alvo.
Com o aumento contínuo da potência, os lasers de fibra estão a ser aplicados em grande escala no corte industrial. Por exemplo, a utilização de um laser de fibra contínua de corte rápido para micro-corte de tubos arteriais de aço inoxidável.
Devido à sua elevada qualidade de feixe, os lasers de fibra podem atingir um diâmetro de focagem muito pequeno e, consequentemente, pequenos largura do corteA empresa é uma das maiores empresas do sector dos dispositivos médicos, estabelecendo novas normas no sector.
Além disso, os lasers de fibra têm uma posição insubstituível no domínio da comunicação ótica, porque o seu comprimento de onda abrange duas janelas de comunicação principais, a 1,3μm e a 1,5μm.
O desenvolvimento bem sucedido dos lasers de fibra dupla de alta potência levou a uma rápida expansão da procura no mercado no domínio da processamento a laser.
O âmbito específico e o desempenho exigido dos lasers de fibra no domínio do processamento laser são os seguintes:
Além disso, com o desenvolvimento da tecnologia de escrita de grelha de Bragg em fibra ultravioleta e de bombeamento de revestimento, os lasers de fibra de conversão de comprimento de onda com saída em UV, azul, verde, vermelho e infravermelho próximo são amplamente utilizados no armazenamento de dados, visualização a cores e diagnóstico médico de fluorescência como fontes práticas de luz de estado sólido.
Os lasers de fibra com saída em comprimento de onda no infravermelho distante, devido à sua estrutura compacta e flexível, energia sintonizável e comprimento de onda, são também aplicados em domínios como a medicina laser e a bioengenharia.
A investigação inicial sobre lasers centrava-se principalmente na saída de impulsos curtos e na expansão da gama de comprimentos de onda sintonizáveis.
Atualmente, o rápido desenvolvimento e progresso das tecnologias de Multiplexagem Densa por Divisão de Comprimento de Onda (DWDM) e de Multiplexagem Ótica por Divisão de Tempo estão a acelerar e a estimular o avanço da tecnologia laser de fibra de comprimento de onda múltiplo e dos lasers de fibra de supercontínuo.
Entretanto, o aparecimento de lasers de fibra de comprimento de onda múltiplo e de lasers de fibra supercontínua constitui uma solução ideal para a implementação de uma transmissão DWDM ou OTDM de Tb/s de baixo custo.
Do ponto de vista da sua implementação tecnológica, a utilização da emissão espontânea amplificada por EDFA, femtossegundo tecnologia de impulsos e díodos superluminescentes.
Como representante da tecnologia laser de terceira geração, os lasers de fibra possuem uma superioridade técnica sem paralelo em relação a outros lasers.
No entanto, a curto prazo, acreditamos que os lasers de fibra se centrarão principalmente em aplicações topo de gama. Com a popularização dos lasers de fibra, a redução dos custos e o aumento da capacidade de produção, estes poderão vir a substituir uma grande parte dos lasers de CO2 de alta potência e a grande maioria dos lasers YAG a nível mundial.
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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