Haben Sie sich jemals gefragt, wie Laser, ein Wunderwerk der modernen Technik, klassifiziert werden? In diesem Artikel werden vier wichtige Methoden zur Kategorisierung von Lasern auf der Grundlage ihrer Arbeitssubstanz, der Wellenform der Energieabgabe, der Wellenlänge und der Leistung untersucht. Sie erfahren mehr über verschiedene Lasertypen wie Gas-, Festkörper- und Halbleiterlaser und lernen ihre einzigartigen Anwendungen in verschiedenen Branchen kennen, von der Kommunikation bis zur Materialbearbeitung. Tauchen Sie ein und entdecken Sie, wie diese leistungsstarken Lichtstrahlen auf verschiedene technologische Anforderungen zugeschnitten sind.
Der Laser gilt als eine der vier großen Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Im Gegensatz zu natürlichem Licht ist Laserlicht eine von Menschen gemachte Erfindung, die auf der Quantentheorie beruht.
Was Laserlicht von natürlichem Licht unterscheidet, sind seine einzigartigen Eigenschaften und das Verfahren, mit dem es erzeugt wird. Der Laser wird oft als "das schnellste Messer, das hellste Licht und das genaueste Lineal" bezeichnet.
Im Vergleich zu natürlichem Licht ist Laserlicht sehr intensiv, sehr monochromatisch, sehr kohärent und sehr gerichtet.
Laserlicht ist das Ergebnis einer atomar stimulierten Strahlung. Wenn die Atome durch die Energie der Pumpquelle angeregt werden, können sie in einen hochenergetischen Zustand übergehen. Wenn sie auf ein externes Photon mit einer bestimmten Frequenz treffen, setzen sie ein identisches Photon frei. Dieser Prozess veranlasst weitere Atome zum Übergang und zur Erzeugung desselben Photons, was zu stimulierter Strahlung und der Erzeugung von Laserlicht führt.
Frequenz, Phase, Ausbreitungsrichtung und Polarisationszustand der durch stimulierte Strahlung und externe Photonen erzeugten Photonen sind genau gleich, weshalb Laserlicht die einzigartigen Eigenschaften hoher Intensität, hoher Monochromatizität, hoher Kohärenz und hoher Richtwirkung aufweist.
Schematische Darstellung des Übergangs der Energieniveaus von Atomen
Schematische Darstellung des Prozesses der stimulierten Strahlung
Die kommerzielle Nutzung der Lasertechnologie begann in den 1970er Jahren und hat sich seitdem rasant entwickelt. Im Jahr 1917 schlug Einstein erstmals das Konzept der stimulierten Strahlung vor. Der erste Rubin der Welt Festkörperlaser wurde 1960 eingeführt.
In den 1970er Jahren begann die kommerzielle Nutzung der Lasertechnologie, die seither stetig wächst und sich ausbreitet. Nach der Erforschung der Wechselwirkung zwischen Laserstrahlen und Materie hat sich die Anwendung der Lasertechnologie vor allem im industriellen Bereich erweitert und ausgebaut. In den 1990er Jahren, Industrielle Anwendungen des Lasers Die Technologie trat in eine Phase der rasanten Entwicklung ein.
Entwicklungsgeschichte der Lasertechnik
Die hohe Intensität, die gute Monochromatizität, die gute Kohärenz und die gute Richtwirkung des Laserlichts bestimmen seine beiden Hauptanwendungsbereiche: Energielaser und Informationslaser.
Energie-Laser:
Die Lasertechnologie ist für ihre hohe Energiedichte bekannt, die sie für verschiedene Anwendungen wie Materialbearbeitung, Waffen, medizinische Behandlung und andere ideal macht.
Informationslaser:
Aufgrund seiner guten Monochromatizität und Richtwirkung eignet sich der Laser für die Informationsübertragung (optische Kommunikation) und die Entfernungsmessung (optische Messung). Die optische Kommunikation hat gegenüber der herkömmlichen elektrischen Kommunikation mehrere Vorteile, z. B. die hohe Kapazität, die Möglichkeit der Übertragung über große Entfernungen, die verbesserte Vertraulichkeit und das geringe Gewicht.
Laserbearbeitung ist ein Paradebeispiel für die Präzisionsverarbeitungstechnologie, deren Wachstum weitgehend auf die Ablösung traditioneller Verarbeitungsmethoden zurückzuführen ist.
Im Vergleich zu anderen Bearbeitungsmethoden bietet die Laserbearbeitung mehrere Vorteile, darunter hohe Effizienz, hohe Präzision, geringer Energieverbrauch, minimale Materialverformung und einfache Kontrolle.
Diese Vorteile lassen sich auf zwei wesentliche Faktoren zurückführen Eigenschaften des Lasers Bearbeitung: Berührungslose Bearbeitung und hohe Energiedichte.
Berührungslose Bearbeitung:
Bei der Laserbearbeitung erfolgt die Bearbeitung durch die Wärme, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem Material entsteht, ohne dass es zu einem physischen Kontakt zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem Material kommt. Dadurch werden Krafteinwirkungen auf das zu bearbeitende Material eliminiert und relativ geringe Eigenspannung. Außerdem ermöglicht der kleine Durchmesser des Laserstrahls eine hohe Präzision.
Hohe Energiedichte:
Die Leistungsdichte der Laserbearbeitung kann mehr als 107 W/cm^2 erreichen, was Tausende oder sogar Zehntausende Male höher ist als bei anderen Bearbeitungsmethoden wie Flammen und Lichtbogen. Dank dieser höheren Leistungsdichte kann der Laser einen kleinen Bereich des Materials bearbeiten, ohne die Umgebung zu beeinträchtigen, was zu einer höheren Bearbeitungsgenauigkeit und Effizienz führt.
Mehrpunkt-Vorteil
Der Laser ist eine entscheidende Komponente bei der Erzeugung von Laserlicht und bildet das Herzstück der Laserausrüstung.
Der Wert des Lasers macht in der Regel 20-40% des Gesamtwertes einer kompletten Laserbearbeitungsanlage aus, und in einigen Fällen kann er sogar noch höher sein.
Der Laser ist der Ort, an dem die Prozesse des Pumpens und der stimulierten Strahlung ablaufen. Ein typischer Laser besteht aus mehreren Teilen, darunter das Lasermaterial (das Energie emittiert), die Pumpquelle (die Energie liefert) und der optische Resonator (der die Ausbreitung der Energie ermöglicht).
Grundlegendes Strukturdiagramm des Lasers
Es gibt mehrere Methoden zur Klassifizierung von Lasern, aber vier davon sind die am häufigsten verwendeten:
Arbeitssubstanz:
Laser können nach der Art der verwendeten Arbeitssubstanz eingeteilt werden: Gaslaser, Festkörperlaser, Flüssigkeitslaser (Farbstofflaser), Halbleiterlaser, Excimerlaser und andere.
Gaslaser verwenden Gas als Arbeitsmaterial. Beispiele für gängige Gaslaser sind CO2 Lasern, He-Ne-Lasern, Argon-Ionen-Lasern, He-Cd-Lasern, Kupferdampflasern und verschiedenen Excimer-Lasern. CO2 Laser werden besonders häufig in der Industrie eingesetzt.
CO2 Laser
Festkörperlaser:
Bei Festkörperlasern werden Metallionen, die zur Erzeugung stimulierter Emission fähig sind, in einen Kristall dotiert und als Arbeitsmaterial verwendet. Zu den häufig verwendeten Kristallen gehören Rubin, Korund, Aluminiumgranat (allgemein als YAG bekannt), Kalziumwolframat, Kalziumfluorid, Yttriumaluminat und Lanthanberyllat. Derzeit ist YAG der am häufigsten verwendete Kristall in Festkörperlasern.
Festkörperlaser
Flüssig-Laser:
Bei Flüssiglasern ist die Arbeitssubstanz eine Lösung, die durch das Auflösen von organischen Farbstoffen in Flüssigkeiten wie Ethanol, Methanol oder Wasser entsteht.
Halbleiterlaser:
Halbleiterlaser, auch Laserdioden genannt, verwenden Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumsulfid (CDS), Indiumphosphid (INP) und Zinksulfid (ZnS) als Arbeitsmaterial.
Halbleiterlaser
Faserlaser:
Ein Faserlaser verwendet Glasfasern, die mit Seltenen Erden dotiert sind, als Arbeitsmaterial. Faserlaser sind Laser, die Fasern als Medium für die Erzeugung von Laserlicht verwenden.
Faserlaser
Der Faserlaser ist aufgrund seiner außergewöhnlichen Leistung als "Laser der 3. Generation" bekannt:
(1) Das geringe Volumen, die Flexibilität, das niedrige Volumen-zu-Fläche-Verhältnis und die hohe photoelektrische Umwandlungsrate der Faser führen zu einem Faserlaser, der miniaturisiert, verstärkt und in Bezug auf die Wärmeabfuhr und die photoelektrische Umwandlung hocheffizient ist.
(2) Die Laserleistung eines Faserlasers kann direkt aus der Faser gewonnen werden, so dass der Faserlaser in hohem Maße für Bearbeitungsanwendungen in jedem Raum geeignet ist.
(3) Die Struktur des Faserlasers, die ohne optische Linsen im Resonanzraum auskommt, bietet Vorteile wie einfache Handhabung, geringe Wartung und hohe Stabilität.
(4) Die Strahlqualität eines Faserlasers ist ebenfalls außergewöhnlich.
| Arten von Lasern | Typischer Typ | Laser-Wellenlänge | Maximale Ausgangsleistung | Effizienz der Energieumwandlung | Eigenschaften |
| Gaslaser | CO2 Laser | Über 10,6um Infrarot | 1-20kw | 8%～10% | Gute Monochromatizität und hohe Energieumwandlungseffizienz |
| Flüssigkeitslaser | 6G-Farbstofflaser | UV bis IR | – | 5%～20% | Die Ausgangswellenlänge ist stufenlos einstellbar, die Energieumwandlungsleistung ist hoch, einfach vorzubereiten und kostengünstig |
| Festkörperlaser | YAG/Rubin-Laser | Sichtbares bis nahes Infrarot | 0,5-5 kW | 0.5%～1% | Geringe Ausgangsleistung, geringe Energieumwandlungsrate und gute Monochromatizität. |
| Halbleiterlaser | GaAs-Diodenlaser | 100nm-1,65um | 0,5-20 kW, zweidimensionale Anordnung kann 350 kW erreichen | 20% - 40%, Labor 70% | Hohe Energieumwandlungsleistung, kleines Volumen, geringes Gewicht, einfache Struktur, lange Lebensdauer und geringe Monochromatizität. |
| Faserlaser | Gepulster / CW-Faserlaser | 1.46um-1.65um | 0,5-20kw | 30%-40% | Miniaturisierung, Verstärkung, hohe Umwandlungseffizienz, hohe Energieausbeute, hohe Strahlqualität, keine optische Kollimation und weniger Wartung. |
Es gibt drei Arten von Lasern: kontinuierliche Laser, gepulste Laser und quasi-kontinuierliche Laser.
Gepulste Laser können anhand der Pulsbreite weiter unterteilt werden: Millisekundenlaser, Mikrosekundenlaser, Nanosekundenlaser, Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser und Attosekundenlaser.
Kontinuierlicher Laser:
Dieser Lasertyp gibt während des Betriebs kontinuierlich eine stabile Energiewellenform mit hoher Leistung ab. Er eignet sich für die Bearbeitung von Materialien mit großem Volumen und hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Metallplatten.
Gepulster Laser:
Gepulste Laser lassen sich je nach Pulsbreite in Millisekundenlaser, Mikrosekundenlaser, Nanosekundenlaser, Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser und Attosekundenlaser unterteilen. Femtosekunden- und Attosekundenlaser werden gemeinhin als ultraschnelle Laser bezeichnet.
Während die Leistung von gepulsten Lasern im Vergleich zu kontinuierlichen Lasern geringer ist, ist die Bearbeitungsgenauigkeit höher. Im Allgemeinen gilt: Je schmaler die Pulsbreite, desto höher die Bearbeitungsgenauigkeit.
Quasi-kontinuierlicher Laser:
Dieser Lasertyp liegt zwischen einem Dauerlaser und einem gepulsten Laser, bei dem innerhalb eines bestimmten Zeitraums wiederholt hochenergetische Laserstrahlung abgegeben werden kann.
| Klassifizierungsverfahren | Kategorie Laser | Eigenschaften |
|---|---|---|
| Klassifizierung nach Arbeitsmodus | CW-Laser | Die Anregung des Arbeitsmaterials und die entsprechende Laserleistung kann kontinuierlich in einem großen Zeitbereich erfolgen |
| Gepulster Laser | Es handelt sich um einen Laser mit einer einzelnen Laserpulsdauer von weniger als 0,25 Sekunden, der nur einmal in einem bestimmten Intervall arbeitet. Er hat eine große Ausgangsspitzenleistung und eignet sich für die Lasermarkierung, das Schneiden und die Entfernungsmessung. | |
| Klassifizierung nach Impulsbreite | Millisekunden-Laser (MS) | 10-3S |
| Mikrosekunden-Laser (US) | 10-6S | |
| Nanosekunden-Laser (NS) | 10-9S | |
| Pikosekunden-Laser (PS) | 10-12S | |
| Femtosekunden-Laser (FS) | 10-15S |
Laser können je nach ihrer Wellenlänge in verschiedene Typen eingeteilt werden: Röntgenlaser, Ultraviolettlaser, Infrarotlaser, sichtbare Laser usw.
Laser lassen sich nach ihrer Leistung in drei Kategorien einteilen: Laser mit geringer Leistung (1500W).
Klassifizierung von Lasern
Zu den wichtigsten Laserherstellern auf dem Markt gehören Coherent, IPG Photonics, n-Light, Newport Corporation, TRUMPF, Rofin (jetzt eine Tochtergesellschaft von Coherent), DILAS, SPI Lasers (jetzt im Besitz von TRUMPF), Mitsubishi Electric, Kawasaki Heavy Industries, MAX Photonics und JPT Optoelectronics, Raycus Faserlaser, Fei Bo Laser, Guoke Laser, Anpin Laser und HFB Laser.
Sie können sich auch auf den oberen Hersteller von Laserschneidmaschinen als Referenz.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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