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Más de 10 tipos de láser para distintas aplicaciones

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Los láseres de fibra óptica tienen una amplia gama de aplicaciones, y los tipos de subdivisión pueden satisfacer necesidades especiales.

Existen muchos métodos de clasificación para láseres de fibraentre los que los más comunes se clasifican por modo de trabajo, rango de banda y elementos de tierras raras medianamente dopados.

Láseres suelen denominarse según una o dos de estas tres categorías.

Por ejemplo, la serie YLM-QCW de IPG se traduce en láseres casi continuos de fibra dopada con iterbio.

Los láseres de fibra óptica tienen una amplia gama de aplicaciones.

Los distintos láseres subdivididos tienen características y campos de aplicación diferentes.

Por ejemplo, la banda infrarroja media es segura para los ojos humanos y puede absorberse fuertemente en el agua. Es una fuente de láser médica ideal;

La fibra dopada con erbio puede abrir la ventana de la comunicación por fibra óptica debido a su longitud de onda adecuada, que se utiliza ampliamente en el campo de la comunicación por fibra óptica;

Por su visibilidad, el láser verde es esencial en el entretenimiento y la proyección.

Fig. 1 Diagrama de aplicación de la subdivisión láser y clasificación correspondiente a las industrias pertinentes

Diagrama de aplicación de la subdivisión láser y clasificación correspondiente a las industrias pertinentes

La potencia pico del láser pulsado es alta y la velocidad de procesamiento del láser casi continuo es rápida.

Según el modo de funcionamiento, los láseres de fibra pueden dividirse en láseres de fibra de modo bloqueado, láseres de fibra de conmutación Q, láseres de fibra casi continua y láseres de fibra continua.

Los enfoques técnicos para realizar pulsos láser de fibra incluyen principalmente la tecnología de conmutación Q, la tecnología de bloqueo de modo y la tecnología de amplificación de potencia de oscilación principal (MOPA) de fuente semilla.

La tecnología de bloqueo de modo puede lograr femtosegundo o picosegundo y la potencia pico del pulso es alta, generalmente del orden de megavatios, pero la potencia media del pulso de salida es baja;

  • Conmutado láser de fibra puede obtener un láser pulsado con una anchura de pulso de nanosegundo, una potencia pico de kilovatio y una energía de pulso de megajulio.
  • La anchura de pulso del láser casi continuo es de microsegundos, y la fuente de bombeo suministra energía al láser continuo de forma continua para producir una salida láser durante mucho tiempo.

Fig. 2 Modo de trabajo y anchura de pulso del láser de fibra

Modo de trabajo y anchura de pulso del láser de fibra

El láser de fibra CW es el principal producto del láser de alta potencia.

La salida láser del láser CW es continua, por lo que se utiliza ampliamente en los campos de corte por lásersoldadura y revestimiento.

La fuente de bombeo láser suministra energía de forma continua y produce salida láser durante mucho tiempo, para obtener láser continuo.

El número de partículas en cada nivel de energía y el campo de radiación en la cavidad tienen una distribución estable.

Su característica de funcionamiento es que la excitación del material de trabajo y la correspondiente salida láser pueden llevarse a cabo de forma continua en un largo intervalo de tiempo.

El láser de fibra excitado por una fuente de luz continua es un láser de fibra continua.

En comparación con otros tipos de láserLos láseres de fibra continua pueden alcanzar potencias relativamente altas. IPG ha fabricado un láser de fibra continua monomodo de 20000 vatios, que suele utilizarse en los campos del corte por láser, la soldadura y el revestimiento.

El láser de fibra cuasi CW puede funcionar en dos modos, lo que puede mejorar significativamente la velocidad de procesamiento

El láser cuasi CW puede funcionar en modo continuo y de impulsos de alta potencia de pico al mismo tiempo.

Según la web oficial de IPG, la potencia pico y la potencia media del láser CW tradicional son siempre las mismas en modo CW y CW / modulación, mientras que la potencia pico del láser cuasi CW en modo pulsado es 10 veces superior a la potencia media.

Por lo tanto, se pueden generar pulsos de microsegundos y milisegundos con alta energía a frecuencias de repetición de decenas de hercios a miles de hercios, y se puede alcanzar una potencia media y una potencia de pico de varios kilovatios.

El láser de fibra cuasi CW proporcionará una mayor eficiencia de conversión electroóptica y mejorará significativamente la velocidad de procesamiento y la eficiencia de producción.

En comparación con otros sistemas láser, el láser de fibra cuasi CW puede proporcionar un incremento diez veces mayor de la eficiencia de conversión fotoeléctrica, y puede alcanzar una eficiencia de conversión electro-óptica superior a 30% bajo un esquema de refrigeración pasiva.

Gracias a su elevada potencia media y frecuencia de repetición de impulsos, su velocidad de procesamiento es 3-4 veces superior a la de la mayoría de los láseres.

El coste de energía significativamente reducido, la ausencia de consumibles y piezas de repuesto, la baja demanda de mantenimiento y la no necesidad de tiempo de precalentamiento permitirán optimizar los costes.

El láser de fibra pulsada puede comprimir la energía y emitir picos de potencia.

Los láseres de fibra pulsada se dividen en láseres de fibra de conmutación Q y láseres de fibra de modo bloqueado.

La tecnología de conmutación Q consiste en comprimir la energía láser en un intervalo de tiempo corto para formar una salida láser con una potencia de pico elevada y una anchura de pulso estrecha.

El principio de la conmutación Q consiste en añadir un dispositivo de pérdidas ajustables al láser.

En la mayoría de las zonas horarias, la pérdida del láser es muy grande y casi no hay salida de luz.

En poco tiempo, reducir la pérdida del dispositivo, para que el láser emita un pulso corto de alta intensidad.

Q-switch es el dispositivo central de la tecnología Q-switched, que puede realizar láser de fibra Q-switched de forma activa o pasiva.

El láser de fibra de pulso Q-switched tiene las características de alta potencia de pico, alta energía de pulso único y diámetro de punto opcional.

Se utiliza ampliamente en el marcado, procesamiento de precisión, marcado gráfico, grabado profundo, corte de precisión de láminas, perforación y otros campos no metálicos, oro, plata, cobre, aluminio y no de alta reflexión. material acero inoxidable.

En cuanto a la aplicación del marcado, en comparación con el CO2 láser, el coste es menor y el rendimiento es más estable.

El láser de fibra de pulso de modo bloqueado genera pulsos ultracortos mediante bloqueo de modo activo o bloqueo de modo pasivo.

Limitado por el tiempo de respuesta del modulador, el ancho de pulso generado por el bloqueo de modo activo es amplio, generalmente del orden del picosegundo;

El bloqueo de modo pasivo utiliza dispositivos de bloqueo de modo pasivo con un tiempo de respuesta corto y puede producir pulsos de femtosegundos.

El breve principio del bloqueo de modos consiste en tomar las medidas adecuadas para que los modos longitudinales mutuamente independientes del resonador tengan una determinada relación en fase.

Aunque la diferencia de fase de los modos longitudinales adyacentes sea constante, el láser emitirá pulsos con una anchura de pulso extremadamente estrecha y una potencia de pico elevada.

El láser de impulsos de modo bloqueado presenta las ventajas de una excelente calidad del haz, una anchura de impulso ultracorta y una elevada energía de impulso.

Es adecuado para el micromecanizado de diversos materiales, como metal, vidrio, cerámica, silicio y plásticos.

En el campo médico, los láseres de modo bloqueado también se utilizan en bisturíes láser o cirugía oftalmológica.

Por ejemplo, los efectos fotoquímicos también se utilizan para algunos cuidados de la piel.

Debido a las características de pulso corto y alta potencia de pico, los láseres de modo bloqueado se utilizan ampliamente en diversos métodos de imagen, microscopía y espectroscopía.

También se utilizan en los campos de medición de muestreo electroóptico, medición de distancia, medición de frecuencia y temporización en circuitos electrónicos integrados.

La luz infrarroja cercana es la corriente principal, y la luz verde y la luz infrarroja lejana tienen sus propias características.

El láser emitido directamente por el láser de fibra es principalmente luz infrarroja cercana con longitud de onda entre 960nm-2,05μm.

Según el orden de longitud de onda, de corto a largo, la categoría láser abarca todo tipo de láseres, desde los rayos X hasta el infrarrojo lejano, con longitudes de onda que van de 0,001 nm a 1.000 micras.

Entre ellos, el láser emitido directamente por el láser de fibra se encuentra principalmente en la parte del infrarrojo cercano.

Sin embargo, para satisfacer las necesidades de diferentes aplicaciones, los láseres de fibra pueden emitir luz visible mediante la duplicación de frecuencia, y su principal aplicación es la luz verde;

Se puede emitir luz infrarroja media dopando fluoruro en la fibra óptica.

Fig.3 Lista de las diferentes longitudes de onda de la fibra óptica

Lista de las diferentes longitudes de onda de la fibra óptica

Tabla 1. Láseres por longitud de onda

Nombre Longitud de onda Productos principales
Láser infrarrojo lejano 30 ~ 1000 micras Molecular láser de gasláser de electrones libres 
Láser infrarrojo medio 3 ~ 30 micras Láser de gas molecular CO2 
Láser de infrarrojo cercano 0,76 ~ 3 micras Láser de fibra, láser de diodo semiconductor CaAs, láser de gas parcial 
Láser visibleLáser infrarrojo cercano 380 nm ~ 780 nm Láser de rubí, láser de He Ne, láser de iones de argón, láser de iones de criptón 
Láser ultravioleta cercano 200 nm ≈ 400 nm Láser molecular de nitrógeno, láser excimer de fluoruro de xenón, láser excimer de fluoruro de criptón (KrF) 
Láser ultravioleta de vacío 5 nm ~ 200 nm Láser de excímero de hidrógeno (H), láser de excímero de xenón (Xe) 
Láser de rayos X 0,001 nm ~ 5 nm  

El láser de fibra infrarrojo medio es seguro para los ojos humanos y es una fuente de láser médica ideal.

La longitud de onda del láser de infrarrojo medio es principalmente de entre 23 micras y 3,9 micras, y necesita un medio de fibra de vidrio fluorado dopado con iones de tierras raras para excitarse.

A partir del espectro de fluorescencia generado por la transición infrarroja del láser de fibra en la figura siguiente, se puede observar que el ion dopado con holmio (Ho3 +) y el ion dopado con erbio (Er3 +) se pueden generar directamente al ser excitados en condiciones adecuadas del medio.

El láser de fibra de vidrio fluorado tiene una alta eficiencia y potencia de salida en la banda de 2,3 ~ 3,5μm, mientras que la longitud de onda es superior a 3,5μm.

Hay muy pocos materiales que puedan satisfacer la baja energía fonónica necesaria para la transmisión por fibra óptica y la radiación de transición de iones de tierras raras.

El láser de fibra de Ho3 + fluoruro dopado simple produce un láser de banda de 3,9μm a baja temperatura, que es la mayor longitud de onda de salida directa en la actualidad.

Fig.4 Relación entre la potencia máxima de salida y la longitud de onda de emisión de diferentes láseres de fibra de iones de tierras raras

Relación entre la potencia máxima de salida y la longitud de onda de emisión de diferentes láseres de fibra de iones de tierras raras

Debido a sus características de longitud de onda, el láser infrarrojo medio puede abrir la ventana atmosférica y se utiliza ampliamente en guiado láser, posicionamiento y medición.

En asuntos militares, la aplicación de la energía direccional del láser y la transmisión a larga distancia a través de la ventana de transmisión atmosférica requieren una fuerte energía del haz.

En la contramedida de misiles infrarrojos, el láser infrarrojo medio puede obtener la ventana de transmisión atmosférica de la banda de 3 ~ 5μm.

El láser de fibra de infrarrojos medios con varios kilovatios de salida monomodo puede seguir utilizándose ampliamente en plataformas bélicas de defensa nacional, como misiles anti crucero, guiado de cohetes y reconocimiento del espacio aéreo de vehículos aéreos no tripulados.

El láser de fibra de infrarrojo medio se ha utilizado ampliamente en el campo de la medicina por su gran directividad y seguridad para el ojo humano.

La banda del láser infrarrojo medio es segura para los ojos humanos y puede absorberse fuertemente en el agua.

Debido a la fuerte direccionalidad del láser, la profundidad de penetración en el tejido puede ser poco profunda y la zona de daño físico puede ser muy pequeña en la cirugía láser, para conseguir una gran precisión.

En la medicina moderna, el láser de infrarrojo medio en aplicaciones médicas utiliza principalmente el efecto fototérmico para tratar o ablacionar tejidos enfermos.

Se ha utilizado ampliamente en ortopedia, gastroenterología y urología.

Se ha convertido en una fuente de luz láser médica ideal para ablacionar y cortar tejidos urinarios, vaporizar y extirpar órganos fallidos.

En el proceso de corte de tejido rico en lípidos, hueso y proteínas, el uso de láser infrarrojo medio causará daños menores.

El láser de fibra verde tiene un alto brillo espectral y una eficiencia de conversión de 84%

El láser de fibra puede obtener una salida de luz verde duplicando la frecuencia.

Aunque el láser de fibra verde de frecuencia duplicada no es un láser de fibra verde en sentido estricto, ya que su medio de activación no libera directamente el haz láser de 532 nm, este tipo de láser de fibra proporciona una estrecha gama de duración de pulso y frecuencia de repetición de hasta 600 kHz.

La fuente láser con alto brillo espectral promueve una conversión eficiente, logrando una eficiencia de conversión de 84% y más de 20% de eficiencia de conversión electro-óptica. 

Es factible pasar a alta potencia a 355 y 266 nm.

El láser verde se utiliza ampliamente en impresión, tratamiento médico, almacenamiento de datos, militar, biología y otros campos.

Por ejemplo, el láser de fibra verde de IPG puede utilizarse en imágenes de partículas, medición de velocidad / visualización de flujos, diagnóstico por imagen y cirugía, captura óptica / pinzas ópticas, fabricación de células solares, inspección y control de calidad de fabricación, holografía e interferometría, entretenimiento y proyección, etc.

La fibra dopada con iterbio es dominante, y la fibra dopada con erbio y tulio tiene su propia longitud de onda de trabajo.

El láser de fibra utiliza principalmente la fibra dopada con elementos de tierras raras como medio de ganancia, y diferentes elementos de tierras raras corresponden a diferentes longitudes de onda de trabajo.

La fibra dopada consiste en añadir impurezas, como iones de tierras raras, en el núcleo de la fibra, lo que provocará la modificación de la fibra y mostrará el efecto láser.

El principio de funcionamiento es que la luz de bombeo se acopla primero al medio de ganancia dopado con iones de tierras raras a través del sistema de acoplamiento y, a continuación, los iones de tierras raras del núcleo dopado absorben la energía del fotón de bombeo y producen la transición de nivel de energía.

Por ejemplo, los iones de tierras raras como el erbio (Er3 +), el praseodimio (Pr3 +), el tulio (Tm3 +), el neodimio (Nd3 +) y el iterbio (Yb3 +) pueden utilizarse como dopantes para fabricar fibras ópticas y, a continuación, convertirse en amplificador de fibra dopada (XDFA) y láser de fibra (XDFL).

Los distintos elementos de tierras raras funcionan en diferentes rangos de longitud de onda, pero se encuentran en la gama del infrarrojo cercano.

Fig. 5 Longitudes de onda de funcionamiento de los iones de tierras raras en los núcleos comúnmente dopados.

Longitudes de onda de funcionamiento de los iones de tierras raras en núcleos comúnmente dopados.

El láser de fibra dopada con iterbio es la fuerza líder en la industria del láser.

El láser de fibra dopada con iterbio se ha desarrollado rápidamente debido a su gran estabilidad, buena calidad del haz y alta eficiencia de pendiente.

La fibra dopada con iterbio tiene muchas ventajas.

El láser de fibra desarrollado por fibra dopada con iterbio tiene una alta eficiencia de pendiente y eficiencia de conversión óptica, y puede obtener una salida láser de alta potencia en la banda de 1m.

Por ello, ha atraído una gran atención y se ha desarrollado rápidamente.

Se ha convertido en la principal fuerza motriz de la industria del láser y tiene buenas perspectivas de aplicación en el procesamiento industrial, el tratamiento médico, la defensa nacional y otros campos.

La mayoría de los productos láser de Ruike láser utilizan fibra dopada con iterbio.

Tabla 2. Comparación de los principales productos de fibra óptica dopada con espejo de empresas nacionales y extranjeras

EmpresaAdoptar la tecnologíaEstado del producto / precioDiámetro del núcleo( μ m)Diámetro del revestimientoApertura numérica del núcleo NA
NufernFibra dopada con espejo de campo de modo supergrande (tres revestimientos) SellUSD 1030 / M290.0±20.0400±180.110±0.010
NIightFibra dopada con iterbio de doble revestimiento con gran campo de modoVender20.0±1.5400±10.00.070±0.005
Fibra óptica ChangfeiFibra de iterbio de doble revestimiento con gran campo modalVender20.0±2.0400±15.00.06±0.01
Tecnología BeaconFibra dopada con iterbio de doble revestimientoVender20.0±2.0400±5.00.075±0.005
Wuhan RuixinFibra dopada con iterbio de doble revestimiento con gran campo de modoVender20.0±1.5400.0±10.00.065±0.005

Los láseres de fibra dopada con iterbio se utilizan principalmente en láseres continuos y láseres de pulsos de conmutación Q.

Debido a la sencilla estructura de niveles de energía del ion de iterbio y a la escasa pérdida de partículas, el láser presenta una elevada eficiencia de conversión y un bajo efecto térmico en funcionamiento a alta potencia, y el ancho de banda de ganancia es amplio (975 nm ~ 1200 nm).

Al mismo tiempo, la vida en el nivel superior del ion de iterbio es relativamente larga, normalmente alrededor de 1 milisegundo.

Estos factores favorecen la tecnología de conmutación Q.

Por lo tanto, la salida de pulsos ultracortos se ha realizado en láser de pulso.

En el aspecto del láser CW, la potencia de salida del láser de fibra dopada con iterbio ha alcanzado el orden de los 10000 vatios.

El láser de fibra dopada con erbio es una ventana de comunicación de fibra óptica única

El láser de fibra dopada con erbio se caracteriza por una longitud de onda segura y una energía de impulsos muy elevada. El láser de fibra dopada con erbio puede funcionar en modo único, con un ancho de línea extremadamente estrecho, buena monocromaticidad y estabilidad.

El ion erbio tiene un amplio ancho de banda de ganancia, lo que puede agravar la oscilación multimodo en la cavidad del láser, a fin de realizar un láser de pulso ultracorto.

Debido a sus características únicas para la seguridad del ojo humano ("seguridad del ojo humano" se refiere a que el láser con la longitud de onda de 1,5 μm es significativamente inferior al umbral de daño del ojo humano), tiene una amplia gama de aplicaciones prácticas en los campos de la comunicación óptica en el espacio libre, lidar, detección medioambiental, calibración de piezas de trabajo y procesamiento industrial.

La fibra dopada con erbio se ha utilizado ampliamente en el campo de la comunicación por fibra óptica debido a su longitud de onda adecuada.

Dado que la fibra dopada con erbio tiene una alta ganancia en la longitud de onda de 1550 nm, su perfil espectral de ganancia de unos 40 nm corresponde a la mejor ventana de baja pérdida en la comunicación por fibra óptica, lo que tiene un valor potencial de aplicación.

El láser de fibra dopada con tulio puede mejorar las características de absorción de los materiales acuosos

El láser de fibra dopada con tulio se caracteriza por un umbral bajo, un alto rendimiento y una buena calidad del haz.

El láser de fibra dopada con tulio es el punto caliente de la investigación del láser de fibra en el campo de la longitud de onda segura para los ojos humanos, y el láser de fibra dopada con tulio puede funcionar en la banda S (150 - 75 mm).

Desempeña un papel muy importante en el desarrollo del espacio de frecuencias de los recursos de comunicación potenciales y en la mejora de la capacidad del sistema de comunicación por fibra óptica.

En los últimos años, los láseres de fibra continua dopados con tulio y de conmutación Q han alcanzado potencias medias más elevadas.

En la actualidad, un cierto número de proveedores pueden suministrar láseres de impulsos comerciales con una potencia media de 10 W.

El láser de fibra dopada con tulio se utiliza ampliamente en tratamientos médicos con láser, lidar, teledetección de luz espacial y otros campos.

La longitud de onda de salida del láser de fibra dopada con tulio es de aproximadamente 2μm.

La banda de fuerte absorción del agua líquida es de unos 1950 nm, cercana a la longitud de onda del láser de fibra de tulio estándar, por lo que las características de absorción mejoran notablemente.

El agua existe generalmente en muchos compuestos orgánicos e inorgánicos, lo que significa que un gran número de materiales mejoran las características de absorción en el rango espectral de 2μm.

Por lo tanto, el láser de fibra dopada con tulio se considera una fuente de luz ideal para la medicina, la seguridad ocular, la óptica ultrarrápida, la teledetección de corto alcance y la biología, y tiene buenas perspectivas de desarrollo.

Al mismo tiempo, en el campo de la medicina, el láser de fibra dopada con tulio también tiene muchas aplicaciones, como la vaporización acelerada, la tecnología de corte ultrafino y la hemostasia de coagulación en medicina.

El láser de fibra dopada con tulio de alta potencia no sólo puede utilizarse para la longitud de onda segura de los ojos humanos y la fuente de luz lidar, sino también como fuente de bombeo del láser de cristal de estado sólido para obtener una salida de láser infrarrojo de mayor longitud de onda.

Fig. 6 Características de absorción del agua líquida a diferentes longitudes de onda

Características de absorción del agua líquida a diferentes longitudes de onda

El láser de fibra tiene unas ventajas de rendimiento excepcionales y un efecto de sustitución evidente.

El láser de dióxido de carbono tiene una baja eficacia de conversión de la luz y un coste elevado.

El láser de dióxido de carbono es un tipo de láser molecular.

Es uno de los láseres de onda continua de alta potencia más comunes.

El material principal es la molécula de dióxido de carbono.

La estructura principal del CO2 láser incluye tubo láser, resonador óptico, fuente de alimentación y bomba.

La característica principal es que la potencia de salida es grande y se puede realizar un trabajo continuo, pero la estructura es compleja, el volumen es grande y el mantenimiento es difícil.

Fig. 7 Estructura del láser de dióxido de carbono

Estructura del láser de dióxido de carbono

La inversión del número de partículas es la clave de la luminiscencia del láser de dióxido de carbono.

Las sustancias de trabajo en el láser de dióxido de carbono incluyen dióxido de carbono, nitrógeno y helio. Tras la entrada de la fuente de alimentación de corriente continua, las moléculas de nitrógeno del gas mezclado se excitarán por impacto de electrones.

Cuando las moléculas de nitrógeno excitadas colisionan con las moléculas de dióxido de carbono, transfieren energía a las moléculas de dióxido de carbono, de modo que las moléculas de dióxido de carbono pasan de un nivel de baja energía a un nivel de alta energía para formar la inversión del número de partículas y emitir láser.

Fig.8 Diagrama esquemático del proceso de emisión del láser de dióxido de carbono

Diagrama esquemático del proceso de emisión del láser de dióxido de carbono

La fibra óptica y el láser de dióxido de carbono tienen sus propias ventajas, por lo que deben seleccionarse diferentes herramientas en función de las distintas necesidades.

De las tecnologías de corte más utilizadas en la actualidad, el láser de fibra y el láser de CO2 láser tienen sus propias ventajas e inconvenientes frente a los requisitos específicos de cada aplicación.

No pueden sustituirse por completo, sino que deben complementarse y coexistir.

En cuanto a los tipos de material de procesamiento, debido al efecto de absorción, los láseres de fibra no son adecuados para el corte de materiales no metálicos.materiales metálicosmientras que el CO2 no son adecuados para cortar materiales de alta reflectividad, como el cobre y el aluminio;

En cuanto a la velocidad de corte, el CO2 tiene ventajas en la chapa con espesor > 6 mm, mientras que el láser de fibra corta la chapa más rápidamente;

Es necesario penetrar en la pieza antes del corte por láser, y la velocidad de perforación del CO2 es significativamente más rápido que el del láser de fibra;

En cuanto a la calidad de la sección de corte, el CO2 láser es mejor que el láser de fibra en su conjunto.

Tabla 3. Comparación entre el láser de fibra y el láser de dióxido de carbono

 Láser de fibra Láser de dióxido de carbono 
Material de corte Los materiales no metálicos no se pueden cortar Los materiales altamente reflectantes tienen poca adaptabilidad 
Velocidad de corte Ventajas evidentes por debajo de 3 mm El dióxido de carbono tiene ventaja cuando es superior a 6 mm.
Eficacia de la penetración La velocidad es relativamente lenta Cuanto mayor es el grosor, más evidente es la ventaja 
Calidad de la sección Ligeramente peorMejor rugosidad y verticalidad 

El láser de fibra tiene mayor eficacia de conversión de la luz y menor coste.

Según el cálculo, el coste de uso del láser de fibra es de 23,4 yuanes / hora, el coste de uso del láser de dióxido de carbono es de 39,1 yuanes / hora, entre los cuales el coste de energía del láser de fibra es de 7 yuanes / hora, el coste de refrigeración del agua es de 8,4 yuanes / hora, y otros costes son de 8 yuanes / hora;

El coste de energía del láser de dióxido de carbono es de 21 yuanes / hora, el coste de refrigeración por agua es de 12,6 yuanes / hora, y otros costes son de 5,5 yuanes / hora.

Tabla 4. Comparación de costes entre el láser de fibra y el láser de dióxido de carbono

 Láser de fibra Láser de dióxido de carbono
Potencia (kw) 3
Eficacia de conversión de la luz 30% 10%
Consumo de energía (kw) 1030
Precio de la electricidad (yuanes / kWh) 11
Duración de la carga 70%70%
Coste de la energía (yuanes / hora) 721
Potencia del equipo de refrigeración por agua (kw) 1218
Precio de la electricidad (yuanes / kWh) 11
Duración de la carga 70%70%
Coste de la refrigeración por agua (yuanes / hora) 8.412.6
Coste de los consumibles (yuanes / hora)32.5
Coste de consumo del módulo (yuanes / hora) 5 
Coste de los medios (yuanes / hora)  1
Solución puntual convencional (yuanes / hora)  2
Otros costes (yuanes / hora) 85.5
Coste de utilización (yuanes / hora) 23.439.1

El láser YAG tiene una baja eficiencia de conversión de energía o se sustituye gradualmente.

El láser YAG se refiere generalmente al láser Nd. El láser YAG (cristal de granate de aluminio e itrio dopado con rubidio) pertenece a láser de estado sólido.

El contenido de átomos de rubidio en el cristal es de 0,6 ~ 1,1%, que puede producir láser pulsado o láser continuo, y la luz emitida es infrarroja con una longitud de onda de 1,064μm.

El láser Nd. El láser YAG suele utilizar una lámpara de criptón o xenón como lámpara de bombeo, ya que sólo unos pocos iones de Nd absorben la luz de bombeo de longitud de onda específica, y la mayor parte de la energía se convierte en energía térmica.

En general, la eficiencia de conversión de energía del láser YAG es baja.

Fig. 9 Estructura simple del láser Nd: YAG

Estructura sencilla del láser Nd: YAG

Con el desarrollo del láser de fibra, el láser YAG puede ser sustituido gradualmente.

El láser YAG se utiliza principalmente en el corte y proceso de soldadura en la industria, pero con el desarrollo del láser de fibra, el láser YAG puede ser sustituido gradualmente por el láser de fibra.

En el campo del corte, el láser YAG tiene un bajo coste de adquisición y puede cortar materiales muy reflectantes, pero tiene una baja potencia de procesamiento, un alto ratio de consumo de energía y corte lento velocidad, mientras que el láser de fibra tiene una alta eficiencia de potencia, sin ajuste y mantenimiento;

En el campo de la soldadura, tras la aparición del láser de fibra casi continua, empezó a sustituir rápidamente al láser Nd:YAG pulsado.

En comparación con el láser YAG, el láser de fibra cuasi CW puede proporcionar una energía de pulso de varios julios a decenas de julios con una anchura de pulso de microsegundo a milisegundo.

Su elevada potencia media y frecuencia de repetición de impulsos mejoran significativamente la velocidad de procesamiento y la eficacia de la producción.

Equivale a tener las ventajas de perforación y soldadura del láser YAG y la capacidad de corte del láser de CO2 láser al mismo tiempo.

Su campo de aplicación es más amplio.

Tabla 5. Láser YAG frente a láser de fibra

LáserLáser YAGLáser de fibra
Composición principalLámpara de bombeo, Nd: YAG, sistema resonanteBomba semiconductora, sistema de resonancia de fibra óptica, sistema de transmisión
eficiencia del enchufe de pared4%~5%Acerca de 30%
Ángulo de mecanizadoBajo coste de adquisición, capaz de cortar materiales altamente reflectantesLa potencia de corte es alta, la eficiencia es rápida y la alta potencia puede realizarse en un paquete pequeño.
Perspectiva de costesLa tecnología madura es relativamente barataCon el desarrollo gradual de la tecnología, el consumo de energía es pequeño
Ángulo de mantenimiento Sin lente óptica, sin ajuste ni mantenimiento

La tecnología láser de semiconductores sigue teniendo limitaciones en la actualidad

Láseres semiconductorestambién conocidos como diodos láser, utilizan materiales semiconductores como materiales de trabajo.

Los materiales de trabajo más comunes son el arseniuro de galio y el sulfuro de cadmio.

Existen tres modos de excitación: inyección eléctrica, excitación por haz de electrones y bombeo óptico.

Las principales ventajas de los láseres semiconductores son su pequeño volumen, su bajo rendimiento y su elevado consumo de energía.

Se utilizan ampliamente en la comunicación por láser, la terapia por láser y otros campos.

Además, los láseres semiconductores suelen utilizarse como fuente de bombeo de los láseres de fibra.

Tomando como ejemplo el láser semiconductor de inyección eléctrica, se suelen añadir GaAS (arseniuro de galio), InAS (arseniuro de indio), Insb (antimonuro de indio) y otros materiales al material semiconductor para fabricar un diodo semiconductor de unión superficial.

Cuando se inyecta una corriente suficientemente grande en el diodo, los electrones (cargados negativamente) y los huecos (cargados positivamente) de la región activa central se componen espontáneamente y liberan el exceso de energía en forma de fotones.

A continuación, se forma el láser tras el apantallamiento y la amplificación del resonador.

Fig. 10 Diagrama esquemático de la estructura simple de un láser semiconductor

Diagrama esquemático de la estructura simple de un láser semiconductor

El láser semiconductor directo tiene características evidentes y una amplia gama de aplicaciones posteriores.

El láser semiconductor directo tiene una estructura compacta, un bajo coste de mantenimiento y una eficacia de conversión electroóptica de hasta 47%. Se utiliza principalmente en la industria para soldadura y revestimiento.

Los láseres semiconductores de baja potencia se utilizan principalmente en la soldadura de plásticos y estaño.

A través de la soldadura de salida de fibra óptica, se realiza la operación remota sin contacto, que es conveniente para la integración con la línea de producción automática;

El semiconductor directo de clase kilovatio puede utilizarse para la soldadura de revestimientos y herrajes.

Tiene las características de gran punto luminoso y alta tasa de conversión electroóptica.

Al margen de la industria, los láseres semiconductores también se utilizan ampliamente en los ámbitos militar, de la información, médico y de las ciencias de la vida.

Tabla 6. Aplicaciones del láser semiconductor directo

CampoSolicitud de subdivisiónEscenario de aplicación
IndustriaSoldaduraTransformación de plásticos, soldadura de herrajes
RevestimientoAcero, aeroespacial
MilitarRadarSistema Lidar, sistema automático de identificación y corrección
Guía y espoletaGuiado por rayo láser, puntería láser y puntería de advertencia
InformaciónComunicación de señalesFuente de luz de comunicación por fibra óptica
Búsqueda de informaciónAnálisis espectral, computación óptica y red neuronal óptica
Asistencia médicaFuncionamiento clínicoResección de tejidos blandos y unión de tejidos
Investigación en ciencias de la vidaPinzas ópticas

Los láseres semiconductores tienen potencial para aplicaciones de procesamiento, pero están limitados por defectos técnicos.

La investigación demuestra que el láser semiconductor directo tiene un gran potencial de aplicación en el procesamiento de materiales y presenta una velocidad y una calidad de corte mejores que el láser de fibra y el láser de dióxido de carbono.

Sin embargo, la mayor desventaja de los láseres semiconductores es la baja calidad de su haz a altas temperaturas. potencia del láser.

En la actualidad, los láseres de semiconductores industriales se limitan a unos pocos procesos, como la galvanoplastia, soldadura y cada vez más soldadura de alta potencia.

Por tanto, es poco probable que los láseres semiconductores revolucionen todo el campo del procesamiento de materiales o sustituyan a otras fuentes de luz en los próximos años.

Tabla 7. Comparación de los procesos de corte del láser semiconductor directo, el láser de fibra y el láser de dióxido de carbono

 Láser semiconductor directoLáser de fibraLáser de dióxido de carbono
Banda común( μ m)0.971.0710.6
Tasa de conversión electroóptica47%30%10%
Absortividad de los metales0.971.0710.6
Corte de hojas velocidad47%30%10%
Espesor máximo de corte (mm)151225
Calidad de corte (superior a 4 mm)superiorsuperiorBaja
Calidad del haz de salidaMás rápidoMás rápidoEl más lento

Según el análisis anterior, creemos que en comparación con las emisiones de CO2 láser y el láser YAG, el láser de fibra tiene ventajas evidentes de coste y aplicación, o será sustituido gradualmente.

Al mismo tiempo, los láseres semiconductores siguen estando limitados por el cuello de botella técnico.

En la actualidad, tienen limitaciones y es poco probable que sustituyan a otras fuentes de luz en los próximos años.

Por lo tanto, existe un amplio espacio para la mejora de la permeabilidad del láser de fibra.

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