Você já se perguntou como a tecnologia de ponta alcança tamanha precisão? Os lasers de fibra, uma maravilha da engenharia moderna, utilizam fibras de vidro dopadas com terras raras para gerar feixes de laser altamente eficientes e versáteis. Neste artigo, você descobrirá a mecânica por trás dos lasers de fibra, explorará seus vários tipos e entenderá suas inúmeras aplicações industriais. Do corte de alta potência à marcação delicada, saiba como os lasers de fibra estão revolucionando os processos de fabricação e o que os torna superiores às tecnologias de laser tradicionais. Mergulhe de cabeça para descobrir o futuro da tecnologia laser.
Um laser de fibra refere-se a um laser que usa fibras de vidro dopadas com elementos de terras raras como meio de ganho.
Ele pode ser desenvolvido com base em amplificadores de fibra: sob a ação da luz da bomba, a alta densidade de potência é facilmente formada na fibra, causando a "inversão de população" dos níveis de energia do laser no material de iluminação.
Quando um loop de feedback positivo apropriado (formando uma cavidade ressonante) é adicionado, a saída de oscilação do laser pode ser formada.
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 de laser, incluindo lasers de fibra de cristal único de rubi e lasers de fibra de cristal único de Nd3+: YAG, entre outros.
(2) Lasers de fibra óptica não linear.
Os principais tipos incluem lasers de fibra com dispersão Raman estimulada e lasers de fibra com dispersão Brillouin estimulada.
(3) Lasers de fibra dopados com terras raras.
O material de base da fibra é o vidro, e os íons de elementos de terras raras são dopados na fibra para ativá-la, criando assim um laser de fibra.
(4) Lasers de fibra plástica.
Os corantes de laser são dopados no núcleo ou no revestimento das fibras plásticas para criar lasers de fibra.
Como representante da tecnologia de 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 campo da fibra, tornando a fabricação de lasers de fibra de alta potência e amplificadores ópticos de alta potência uma realidade.
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 e amplificadores de fibra, tornando-se o método preferido para a produção de lasers de fibra de alta potência.
A tecnologia de bombeamento de revestimento consiste em quatro camadas:
①núcleo de fibra;
②revestimento interno;
③revestimento externo;
④camada protetora.
A luz da bomba é acoplada ao revestimento interno (que geralmente adota uma estrutura irregular, incluindo elíptica, quadrada, em forma de flor de ameixa, em forma de D, hexagonal, etc.), a luz é refletida para frente e para trás entre os revestimentos interno e externo (geralmente projetados para serem circulares) e é absorvida pelo núcleo da fibra monomodo após vários cruzamentos.
Essa estrutura não exige que a luz da bomba seja um laser monomodo e pode bombear todo o comprimento da fibra, de modo que uma matriz de diodos de laser multimodo de alta potência pode ser escolhida como fonte de bomba, acoplando indiretamente mais de 70% da energia da bomba no núcleo da fibra, melhorando muito a eficiência do bombeamento.
As características da tecnologia de bombeamento de revestimento determinam o seguinte desempenho excepcional dessa tecnologia tipo de laser:
(1) Alta potência
Um grupo de módulos de diodo de bomba multimodo pode emitir 100 watts de potência óptica, e a configuração paralela de vários diodos de bomba multimodo permite o projeto de lasers de fibra de saída de alta potência.
(2) Não há necessidade de resfriadores termoelétricos
Esse diodo multimodo de alta potência e ampla área pode operar em altas temperaturas, exigindo apenas um simples resfriamento a ar, que é de baixo custo.
(3) Ampla faixa de comprimento de onda de bombeamento
A fibra de revestimento ativo dopada com elementos de terras raras de érbio/itérbio em lasers de fibra de alta potência tem uma faixa de absorção de ondas de luz ampla e plana (930-970 nm), portanto, os diodos de bomba não exigem nenhum tipo de dispositivo de estabilização de comprimento de onda.
(4) Alta eficiência
A luz da bomba atravessa o núcleo da fibra monomodo várias vezes, portanto, sua utilização é alta.
(5) Alta confiabilidade
Os diodos de bomba multimodo são muito mais estáveis do que os diodos de bomba monomodo. Sua área geometricamente ampla resulta em baixa densidade de potência óptica e baixa densidade de corrente através da área ativa, proporcionando aos diodos de bomba uma vida útil operacional confiável 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. Diferentes tipos de lasers de fibra com revestimento duplo podem ser expandidos a partir desses três tipos básicos.
Um documento do OFC-2002 adotou uma estrutura para obter um novo tipo de laser de fibra bombeado por revestimento com uma potência de saída de 3,8 W, um limiar de 1,7 W e uma eficiência de inclinação de até 85%.
Em termos de tecnologia de produto, a empresa americana IPG se destacou, tendo desenvolvido um laser de fibra de revestimento duplo dopado com érbio de 700 W e anunciado o lançamento de um laser de fibra de 2.000 W.
O laser de fibra de pulso, com sua excelente qualidade de feixe, confiabilidade, maior tempo livre de manutenção, maior eficiência geral de conversão eletro-óptica, frequência de repetição de pulso, menor tamanho, uso mais simples e flexível sem resfriamento a água e menor custo operacional, faz dele a única opção para marcação a laser de alta velocidade e alta precisão.
Um sistema de marcação a laser de fibra pode consistir em um ou dois lasers de fibra de 25 W, um ou dois cabeçotes de escaneamento para guiar a luz até a peça de trabalho e um computador industrial para controlar os cabeçotes de escaneamento. Esse projeto é mais de quatro vezes mais eficiente do que usar um laser de 50 W dividido em dois cabeçotes de escaneamento.
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 do laser com um comprimento de onda de cerca de 1um é facilmente absorvida por metais, plásticos e materiais cerâmicos.
A modelagem ou curvatura a laser de fibra é uma tecnologia usada para alterar a curvatura de placas de metal ou de cerâmica dura.
O aquecimento concentrado e o rápido autocorte levam à deformação plástica na área aquecida pelo laser, alterando permanentemente a curvatura da peça de trabalho alvo.
Com o aumento contínuo da potência, os lasers de fibra estão sendo aplicados em grande escala no corte industrial. Por exemplo, o uso de um laser de fibra contínuo de corte rápido para microcorte de tubos arteriais de aço inoxidável.
Devido à sua alta qualidade de feixe, os lasers de fibra podem atingir um diâmetro de foco muito pequeno e, consequentemente, pequenos largura do corteA empresa é uma das maiores empresas do mundo, estabelecendo novos padrões no setor de dispositivos médicos.
Além disso, os lasers de fibra têm uma posição insubstituível no campo da comunicação óptica, pois seu comprimento de onda abrange duas janelas principais de comunicação, a 1,3 μm e 1,5 μm.
O desenvolvimento bem-sucedido de lasers de fibra de revestimento duplo de alta potência levou a uma rápida expansão da demanda do mercado no campo de processamento a laser.
O escopo específico e o desempenho necessário dos lasers de fibra no campo do processamento a laser são os seguintes:
Além disso, com o desenvolvimento da tecnologia de escrita de grade de Bragg de 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 usados em armazenamento de dados, exibição colorida e diagnóstico médico de fluorescência como fontes práticas de luz de estado sólido.
Os lasers de fibra com saída de comprimento de onda no infravermelho distante, devido à sua estrutura compacta e flexível, energia ajustável e comprimento de onda, também são aplicados em campos como medicina a laser e bioengenharia.
As primeiras pesquisas sobre lasers se concentraram principalmente na saída de pulsos curtos e na expansão da faixa de comprimento de onda sintonizável.
Atualmente, o rápido desenvolvimento e o progresso das tecnologias DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) e DWDM (Optical Time Division Multiplexing) estão acelerando e estimulando o avanço da tecnologia de laser de fibra de comprimento de onda múltiplo e dos lasers de fibra supercontínua.
Enquanto isso, o surgimento de lasers de fibra com vários comprimentos de onda e lasers de fibra supercontínua oferece uma solução ideal para implementar a transmissão DWDM ou OTDM de Tb/s de baixo custo.
Do ponto de vista de sua implementação tecnológica, o uso de emissão espontânea amplificada por EDFA, femtossegundo tecnologia de pulso e diodos superluminescentes foram relatados.
Como representante da tecnologia de laser de terceira geração, os lasers de fibra possuem uma superioridade técnica inigualável em relação a outros lasers.
Entretanto, no curto prazo, acreditamos que os lasers de fibra se concentrarão principalmente em aplicações de ponta. Com a popularização dos lasers de fibra, a redução do custo e o aumento da capacidade de produção, eles poderão eventualmente substituir uma grande parte dos lasers de CO2 de alta potência e a grande maioria dos lasers YAG em todo o mundo.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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