I laser sono uno strumento affascinante e diversificato della tecnologia moderna. Sapevate che esistono oltre dieci tipi diversi di laser, ciascuno con applicazioni uniche? Dalle procedure mediche ai sistemi di comunicazione all'avanguardia, questi laser sono classificati in base alla modalità di funzionamento, alla lunghezza d'onda e ai materiali di drogaggio. In questo articolo esploreremo le caratteristiche e gli usi distintivi dei vari tipi di laser, fornendo approfondimenti su come ogni tipo può essere utile a diversi settori. Preparatevi a scoprire come questi fasci di luce stanno trasformando il nostro mondo!
Esistono molti metodi di classificazione per laser a fibratra cui i più comuni sono classificati per modalità di lavoro, intervallo di banda e elementi di terre rare mediamente drogati.
Laser sono solitamente denominati in base a una o due di queste tre categorie.
Ad esempio, la serie YLM-QCW di IPG viene tradotta in laser a fibra quasi continua drogata con itterbio.
I laser a fibra hanno un'ampia gamma di applicazioni.
I diversi laser suddivisi hanno caratteristiche diverse e campi di applicazione adeguati.
Ad esempio, la banda del medio infrarosso è sicura per gli occhi umani e può essere fortemente assorbita dall'acqua. È una sorgente laser medica ideale;
La fibra drogata di erbio può aprire la finestra della comunicazione in fibra ottica grazie alla sua lunghezza d'onda adatta, ampiamente utilizzata nel campo della comunicazione in fibra ottica;
Grazie alla sua visibilità, il laser verde è essenziale per l'intrattenimento e la proiezione.
Fig. 1 Schema di applicazione della suddivisione laser e classificazione corrispondente ai settori industriali interessati
In base alla modalità di funzionamento, i laser in fibra possono essere suddivisi in laser in fibra con blocco di modalità, laser in fibra Q-switched, laser in fibra quasi continua e laser in fibra continua.
Gli approcci tecnici per la realizzazione di laser a fibra pulsata includono principalmente la tecnologia Q-switching, la tecnologia di blocco della modalità e la tecnologia di amplificazione della potenza di oscillazione principale della sorgente seme (MOPA).
La tecnologia di blocco della modalità può raggiungere femtosecondi o picosecondi La potenza di picco dell'impulso è elevata, generalmente dell'ordine dei megawatt, ma la potenza media dell'impulso in uscita è bassa;
Fig. 2 Modalità di lavoro e larghezza d'impulso del laser a fibra
L'uscita del laser CW è continua ed è ampiamente utilizzata nei settori di taglio laser, saldatura e rivestimento.
La sorgente di pompa laser fornisce continuamente energia e produce un'uscita laser per un lungo periodo di tempo, in modo da ottenere un laser continuo.
Il numero di particelle in ciascun livello energetico e il campo di radiazione nella cavità hanno una distribuzione stabile.
La sua caratteristica di funzionamento è che l'eccitazione del materiale di lavoro e la corrispondente emissione laser possono essere effettuate in modo continuo in un lungo intervallo di tempo.
Il laser a fibra eccitato da una sorgente di luce continua è un laser a fibra continua.
Rispetto ad altri tipi di laserI laser a fibra continua possono raggiungere potenze relativamente elevate. IPG ha prodotto un laser a fibra continua monomodale da 20000 watt, spesso utilizzato nei settori del taglio laser, della saldatura e del rivestimento.
Il laser quasi CW può funzionare contemporaneamente in modalità continua e a impulsi ad alta potenza di picco.
Secondo il sito ufficiale di IPG, la potenza di picco e la potenza media del laser CW tradizionale sono sempre uguali in modalità CW e CW/modulazione, mentre la potenza di picco del laser quasi CW in modalità a impulsi è 10 volte superiore alla potenza media.
Pertanto, è possibile generare impulsi di microsecondi e millisecondi ad alta energia con frequenze di ripetizione da decine di hertz a migliaia di hertz e realizzare potenze medie e di picco di diversi kilowatt.
Il laser a fibra quasi CW fornirà una maggiore efficienza di conversione elettro-ottica e migliorerà significativamente la velocità di lavorazione e l'efficienza produttiva.
Rispetto ad altri sistemi laser, il laser in fibra quasi CW può fornire un aumento dell'efficienza di conversione fotoelettrica di dieci volte e può raggiungere un'efficienza di conversione elettro-ottica superiore a 30% con uno schema di raffreddamento passivo.
Grazie all'elevata potenza media e alla frequenza di ripetizione degli impulsi, la velocità di elaborazione è 3-4 volte superiore a quella della maggior parte dei laser.
Il costo energetico significativamente ridotto, l'assenza di materiali di consumo e parti di ricambio, la bassa richiesta di manutenzione e l'assenza di tempi di preriscaldamento consentiranno di ottimizzare i costi.
I laser a fibra pulsata si dividono in laser a fibra Q-switched e laser a fibra mode-locked.
La tecnologia Q-switching consiste nel comprimere l'energia laser in un breve intervallo di tempo per formare un'uscita laser con un'elevata potenza di picco e una stretta larghezza d'impulso.
Il principio del Q-switching consiste nell'aggiungere al laser un dispositivo di regolazione della perdita.
Nella maggior parte delle aree temporali, la perdita del laser è molto elevata e l'emissione di luce è quasi nulla.
In breve tempo, ridurre la perdita del dispositivo, in modo da rendere l'emissione del laser un breve impulso ad alta intensità.
Il Q-switch è il dispositivo centrale della tecnologia Q-switched, che può realizzare laser in fibra Q-switched in modo attivo o passivo.
Il laser in fibra Q-switched pulse ha le caratteristiche di elevata potenza di picco, alta energia del singolo impulso e diametro dello spot opzionale.
È ampiamente utilizzato nella marcatura, nella lavorazione di precisione, nella marcatura grafica, nell'incisione profonda, nel taglio di precisione delle lastre, nella foratura e in altri campi di metalli non metallici, oro, argento, rame, alluminio e non ad alta riflessione. materiale acciaio inox.
In termini di applicazione della marcatura, rispetto alla CO2 laser, il costo è inferiore e le prestazioni sono più stabili.
Il laser in fibra a impulsi bloccati in modalità genera impulsi ultracorti mediante il blocco attivo della modalità o il blocco passivo della modalità.
Limitata dal tempo di risposta del modulatore, la larghezza dell'impulso generato dal blocco della modalità attiva è ampia, generalmente dell'ordine del picosecondo;
Il blocco passivo della modalità utilizza dispositivi di blocco passivo della modalità con tempi di risposta brevi e può produrre impulsi di femtosecondi.
Il principio di base del blocco dei modi consiste nell'adottare misure appropriate per far sì che i modi longitudinali reciprocamente indipendenti nel risonatore abbiano una certa relazione di fase.
Anche se la differenza di fase dei modi longitudinali adiacenti è costante, il laser emette impulsi con una larghezza di impulso estremamente ridotta e una potenza di picco elevata.
Il laser a impulsi con blocco di modalità presenta i vantaggi di un'eccellente qualità del fascio, di una larghezza di impulso ultra breve e di un'elevata energia dell'impulso.
È adatto alla microlavorazione di vari materiali, tra cui metallo, vetro, ceramica, silicio e plastica.
In campo medico, i laser mode-locked sono utilizzati anche nei bisturi laser o nella chirurgia oftalmica.
Ad esempio, gli effetti fotochimici sono utilizzati anche per alcuni trattamenti della pelle.
Grazie alle caratteristiche di impulsi brevi e alta potenza di picco, i laser mode-locked sono ampiamente utilizzati in vari metodi di imaging, microscopia e spettroscopia.
Sono utilizzati anche nei settori della misurazione del campionamento elettro-ottico, della misurazione della distanza, della misurazione della frequenza e della temporizzazione sui circuiti elettronici integrati.
La luce emessa direttamente dal laser a fibra è per lo più luce nel vicino infrarosso con lunghezza d'onda compresa tra 960nm-2,05μm.
Secondo l'ordine di lunghezza d'onda, da corto a lungo, la categoria dei laser comprende tutti i tipi di laser, dai raggi X all'infrarosso lontano, con lunghezze d'onda che vanno da 0,001 nm a 1000 micron.
Tra questi, il laser emesso direttamente dal laser a fibra si colloca principalmente nel vicino infrarosso.
Tuttavia, per soddisfare le esigenze di diverse applicazioni, i laser a fibra possono emettere luce visibile attraverso il raddoppio della frequenza e l'applicazione principale è la luce verde;
La luce a medio infrarosso può essere emessa drogando il fluoruro nella fibra ottica.
Fig.3 Elenco delle diverse lunghezze d'onda delle fibre ottiche
Tabella 1. Laser per lunghezza d'onda
| Nome | Gamma di lunghezze d'onda | Prodotti principali |
| Laser a infrarossi lontani | 30 ~ 1000 micron | Molecolare laser a gas, laser a elettroni liberi |
| Laser a medio infrarosso | 3 ~ 30 micron | Laser a gas molecolare CO2 |
| Laser vicino all'infrarosso | 0,76 ~ 3 micron | Laser a fibra, laser a diodi a semiconduttore CaAs, laser a gas parziale |
| Laser visibileLaser nel vicino infrarosso | 380 nm ~ 780 nm | Laser a rubino, laser He Ne, laser a ioni di argon, laser a ioni di kripton |
| Laser quasi ultravioletto | 200 nm ≈ 400 nm | Laser molecolare ad azoto, laser ad eccimeri al fluoruro di xeno, laser ad eccimeri al fluoruro di kripton (KrF) |
| Laser ultravioletto a vuoto | 5 nm ~ 200 nm | Laser a eccimeri a idrogeno (H), laser a eccimeri a xeno (Xe) |
| Laser a raggi X | 0,001 nm ~ 5 nm |
La lunghezza d'onda del laser a medio infrarosso è principalmente di circa 23 micron a 3,9 micron, che necessita di un mezzo in fibra di vetro al fluoro drogato con ioni di terre rare per essere eccitato.
Dallo spettro di fluorescenza generato dalla transizione infrarossa del laser a fibra nella figura seguente, si può notare che lo ione drogato di olmio (Ho3 +) e lo ione drogato di erbio (Er3 +) possono essere generati direttamente dall'eccitazione in condizioni adeguate del mezzo.
Il laser in fibra di vetro fluorurata ha un'elevata efficienza e potenza di uscita nella banda di 2,3 ~ 3,5μm, mentre la lunghezza d'onda è superiore a 3,5μm.
Sono pochi i materiali in grado di soddisfare la bassa energia fonetica richiesta per la trasmissione di fibre ottiche e per la radiazione di transizione degli ioni delle terre rare.
Il laser in fibra Ho3 + fluoruro singolo drogato produce un laser a banda 3,9μm a bassa temperatura, che è la lunghezza d'onda più lunga attualmente disponibile per l'emissione diretta.
Fig.4 Relazione tra la massima potenza di uscita e la lunghezza d'onda di emissione di diversi laser a fibra di ioni di terre rare
Grazie alle sue caratteristiche di lunghezza d'onda, il laser a medio infrarosso può aprire la finestra atmosferica ed è ampiamente utilizzato nella guida laser, nel posizionamento e nella misurazione.
In ambito militare, l'applicazione dell'energia direzionale del laser e la trasmissione a lunga distanza attraverso la finestra di trasmissione atmosferica richiedono una forte energia del fascio.
Nella contromisura missilistica a infrarossi, il laser a medio infrarosso può ottenere la finestra di trasmissione atmosferica della banda 3 ~ 5μm.
Il laser in fibra a infrarossi medio con diversi kilowatt di uscita monomodale può essere ampiamente utilizzato nelle piattaforme belliche della difesa nazionale, come i missili anti-crociera, la guida dei razzi e la ricognizione dello spazio aereo degli UAV.
Il laser a fibra a medio infrarosso è stato ampiamente utilizzato in campo medico grazie alla sua forte direttività e alla sicurezza per gli occhi umani.
La banda del laser a medio infrarosso è sicura per gli occhi umani e può essere fortemente assorbita dall'acqua.
Grazie alla forte direzionalità del laser, la profondità di penetrazione dei tessuti può essere ridotta e l'area del danno fisico può essere molto piccola nella chirurgia laser, in modo da ottenere un'elevata precisione.
Nella medicina moderna, il laser a medio infrarosso utilizza principalmente l'effetto fototermico per trattare o ablare i tessuti malati.
È stato ampiamente utilizzato in ortopedia, gastroenterologia e urologia.
È diventata una sorgente di luce laser medica ideale per l'ablazione e il taglio dei tessuti urinari, la vaporizzazione e la rimozione di organi guasti.
Nel processo di taglio dei tessuti ricchi di lipidi, ossa e proteine, l'uso del laser a medio infrarosso provoca danni minori.
Il laser a fibra può ottenere un'emissione di luce verde raddoppiando la frequenza.
Sebbene il laser a fibra verde a frequenza raddoppiata non sia un laser a fibra verde in senso stretto, poiché il suo mezzo di attivazione non rilascia direttamente il raggio laser a 532 nm, questo tipo di laser a fibra fornisce una gamma ristretta di durata dell'impulso e frequenza di ripetizione fino a 600 kHz.
La sorgente laser ad alta luminosità spettrale favorisce una conversione efficiente, realizzando un'efficienza di conversione di 84% e un'efficienza di conversione elettro-ottica di oltre 20%.
È possibile passare ad alta potenza a 355 e 266 nm.
Il laser verde è ampiamente utilizzato nella stampa, nel trattamento medico, nell'archiviazione dei dati, nel settore militare, nella biologia e in altri campi.
Ad esempio, il laser a fibra verde di IPG può essere utilizzato per l'imaging delle particelle, la misurazione della velocità/visualizzazione del flusso, la diagnosi e la chirurgia delle immagini, la cattura ottica/le pinzette ottiche, la produzione di celle solari, l'ispezione della produzione e il controllo di qualità, l'olografia e l'interferometria, l'intrattenimento e la proiezione, ecc.
Il laser a fibra utilizza principalmente la fibra drogata con elementi di terre rare come mezzo di guadagno, e diversi elementi di terre rare corrispondono a diverse lunghezze d'onda di lavoro.
La fibra drogata consiste nell'aggiungere impurità, come gli ioni di terre rare, nel nucleo della fibra, con conseguente modifica della fibra ed effetto laser.
Il principio di funzionamento è che la luce di pompa viene prima accoppiata al mezzo di guadagno drogato con ioni di terre rare attraverso il sistema di accoppiamento, quindi gli ioni di terre rare nel nucleo drogato assorbono l'energia del fotone di pompa e producono una transizione di livello energetico.
Ad esempio, gli ioni di terre rare come l'erbio (Er3 +), il praseodimio (Pr3 +), il tulio (Tm3 +), il neodimio (Nd3 +) e l'itterbio (Yb3 +) possono essere utilizzati come droganti per la produzione di fibre ottiche, per poi essere trasformati in amplificatori in fibra drogata (XDFA) e laser in fibra (XDFL).
I diversi elementi delle terre rare lavorano in diversi intervalli di lunghezza d'onda, ma si collocano nella gamma del vicino infrarosso.
Fig. 5 Lunghezze d'onda operative degli ioni delle terre rare nei nuclei comunemente drogati.
Il laser in fibra drogato con itterbio si è sviluppato rapidamente grazie alla sua elevata stabilità, alla buona qualità del fascio e all'alta efficienza della pendenza.
La fibra drogata con itterbio presenta numerosi vantaggi.
Il laser a fibra sviluppato con fibra drogata di itterbio ha un'elevata efficienza di pendenza e di conversione ottica e può ottenere un'uscita laser ad alta potenza nella banda di 1m.
Pertanto, ha attirato un'ampia attenzione e si è sviluppata rapidamente.
È diventata la principale forza trainante dell'industria laser e ha buone prospettive di applicazione nella lavorazione industriale, nel trattamento medico, nella difesa nazionale e in altri campi.
La maggior parte dei prodotti laser di Ruike utilizza fibra drogata con itterbio.
Tabella 2. Confronto tra i principali prodotti in fibra ottica drogata a specchio di aziende nazionali e straniere
| Azienda | Adottare la tecnologia | Stato del prodotto / prezzo | Diametro del nucleo (μ m）) | Diametro del rivestimento | Apertura numerica del nucleo NA |
| Nufern | Fibra drogata a specchio a modalità super large (tre cladding) | VendereUSD 1030 / M | 290.0±20.0 | 400±18 | 0.110±0.010 |
| Notte | Fibra drogata di itterbio a doppio rivestimento con ampio campo di modalità | Vendere | 20.0±1.5 | 400±10.0 | 0.070±0.005 |
| Fibra ottica Changfei | Fibra di itterbio a doppio rivestimento con ampio campo di modalità | Vendere | 20.0±2.0 | 400±15.0 | 0.06±0.01 |
| Tecnologia Beacon | Fibra drogata con itterbio a doppio rivestimento | Vendere | 20.0±2.0 | 400±5.0 | 0.075±0.005 |
| Wuhan Ruixin | Fibra drogata di itterbio a doppio rivestimento con ampio campo di modalità | Vendere | 20.0±1.5 | 400.0±10.0 | 0.065±0.005 |
I laser in fibra drogati con itterbio sono utilizzati principalmente nei laser continui e nei laser Q-switched a impulsi.
Grazie alla semplice struttura dei livelli energetici dello ione itterbio e alla ridotta perdita di particelle, il laser presenta un'elevata efficienza di conversione e un basso effetto termico in condizioni di funzionamento ad alta potenza, mentre la larghezza di banda di guadagno è ampia (975 nm ~ 1200 nm).
Allo stesso tempo, la vita del livello superiore dello ione itterbio è relativamente lunga, di solito circa 1 millisecondo.
Questi fattori sono favorevoli alla tecnologia Q-switching.
Pertanto, nel laser a impulsi è stata realizzata un'uscita a impulsi ultracorti.
Per quanto riguarda il laser CW, la potenza di uscita del laser in fibra drogato con itterbio ha raggiunto l'ordine di 10000 watt.
Il laser in fibra drogato all'erbio ha le caratteristiche di lunghezza d'onda sicura e di altissima energia d'impulso. Il laser a fibra drogata di erbio può realizzare un funzionamento monomodale, con larghezza di linea estremamente ridotta, buona monocromaticità e stabilità.
Lo ione erbio ha un'ampia larghezza di banda di guadagno, che può aggravare l'oscillazione multimodale nella cavità laser, in modo da realizzare laser a impulsi ultracorti.
Grazie alle sue caratteristiche uniche per la sicurezza dell'occhio umano ("sicurezza dell'occhio umano" si riferisce al fatto che il laser con lunghezza d'onda di 1,5 μm è significativamente inferiore alla soglia di danno dell'occhio umano), ha un'ampia gamma di applicazioni pratiche nei campi della comunicazione ottica nello spazio libero, del lidar, del rilevamento ambientale, della calibrazione dei pezzi e della lavorazione industriale.
La fibra drogata di erbio è stata ampiamente utilizzata nel campo delle comunicazioni in fibra ottica grazie alla sua lunghezza d'onda adatta.
Poiché la fibra drogata con erbio ha un elevato guadagno alla lunghezza d'onda di 1550 nm, il suo profilo spettrale di guadagno di circa 40 nm corrisponde alla migliore finestra di bassa perdita nella comunicazione in fibra ottica, che ha un potenziale valore applicativo.
Il laser in fibra drogato al tulio ha le caratteristiche di bassa soglia, alta efficienza e buona qualità del fascio.
Il laser in fibra drogato al tulio è il punto caldo della ricerca sul laser in fibra nel campo delle lunghezze d'onda sicure per gli occhi umani e il laser in fibra drogato al tulio può funzionare in banda S (150-75 mm).
Svolge un ruolo molto importante nello sviluppo dello spazio di frequenza delle potenziali risorse di comunicazione e nel miglioramento della capacità del sistema di comunicazione a fibra ottica.
Negli ultimi anni i laser in fibra drogata di tulio Q-switched e continui si sono sviluppati fino a raggiungere potenze medie più elevate.
Oggi un certo numero di fornitori è in grado di fornire laser a impulsi commerciali con una potenza media di 10W.
Il laser in fibra drogato al tulio è ampiamente utilizzato nel trattamento medico laser, nel lidar, nel telerilevamento della luce nello spazio e in altri campi.
La lunghezza d'onda di uscita del laser in fibra drogato al tulio è di circa 2μm.
La forte banda di assorbimento dell'acqua liquida è di circa 1950 nm, vicina alla lunghezza d'onda del laser a fibra di tulio standard, per cui le caratteristiche di assorbimento sono notevolmente migliorate.
L'acqua è generalmente presente in molti composti organici e inorganici, il che significa che un gran numero di materiali migliora le caratteristiche di assorbimento nell'intervallo spettrale dei 2μm.
Pertanto, il laser in fibra drogato al tulio è considerato una sorgente luminosa ideale per la medicina, la sicurezza degli occhi, l'ottica ultraveloce, il telerilevamento a corto raggio e la biologia, e ha buone prospettive di sviluppo.
Allo stesso tempo, nel campo della medicina, il laser a fibra drogata di tulio ha anche molte applicazioni, tra cui la vaporizzazione accelerata, la tecnologia di taglio ultra-fine e l'emostasi di coagulazione in medicina.
Il laser in fibra drogato al tulio ad alta potenza può essere utilizzato non solo per la lunghezza d'onda sicura degli occhi umani e per la sorgente luminosa del lidar, ma anche come sorgente di pompaggio del laser a cristallo a stato solido per realizzare ulteriormente l'uscita del laser a infrarossi con lunghezza d'onda maggiore.
Fig. 6 Caratteristiche di assorbimento dell'acqua liquida a diverse lunghezze d'onda
Il laser a fibra presenta eccezionali vantaggi in termini di prestazioni e un evidente effetto di sostituzione.
Il laser ad anidride carbonica è un tipo di laser molecolare.
È uno dei comuni laser CW ad alta potenza.
Il materiale principale è la molecola di anidride carbonica.
La struttura principale della CO2 Il laser comprende il tubo laser, il risonatore ottico, l'alimentatore e la pompa.
La caratteristica principale è che la potenza in uscita è elevata e il lavoro continuo può essere realizzato, ma la struttura è complessa, il volume è grande e la manutenzione è difficile.
Fig. 7 Struttura del laser ad anidride carbonica
L'inversione del numero di particelle è la chiave della luminescenza del laser ad anidride carbonica.
Le sostanze di lavoro del laser ad anidride carbonica comprendono anidride carbonica, azoto ed elio. Una volta immessa l'alimentazione in corrente continua, le molecole di azoto presenti nel gas misto vengono eccitate dall'impatto degli elettroni.
Quando le molecole di azoto eccitate entrano in collisione con le molecole di anidride carbonica, trasferiscono energia alle molecole di anidride carbonica, in modo che le molecole di anidride carbonica passino da un livello di bassa energia a un livello di alta energia per formare un'inversione del numero di particelle ed emettere laser.
Fig.8 Schema del processo di emissione del laser ad anidride carbonica
La fibra ottica e il laser ad anidride carbonica presentano vantaggi propri, pertanto è necessario scegliere strumenti diversi in base alle diverse esigenze.
Tra le tecnologie di taglio attualmente ampiamente utilizzate, il laser a fibra e il laser a CO2 laser hanno i loro vantaggi e svantaggi a fronte di requisiti applicativi specifici.
Non possono sostituirsi completamente l'uno all'altro, ma devono completarsi e coesistere.
Per quanto riguarda i tipi di materiali da trattare, a causa dell'effetto di assorbimento, i laser a fibra non sono adatti al taglio di materiali non ferrosi.materiali metallici, mentre le convenzionali emissioni di CO2 I laser non sono adatti al taglio di materiali ad alta riflettività come il rame e l'alluminio;
In termini di velocità di taglio, le emissioni di CO2 ha vantaggi nella lastra con spessore > 6 mm, mentre il laser a fibra taglia la lastra più velocemente;
Il pezzo deve essere penetrato prima del taglio laser e la velocità di perforazione della CO2 è significativamente più veloce di quello del laser a fibra;
In termini di qualità della sezione di taglio, il CO2 laser è migliore del laser a fibra nel suo complesso.
Tabella 3. Confronto tra laser a fibra e laser ad anidride carbonica
| Laser a fibra | Laser ad anidride carbonica | |
| Materiale da taglio | I materiali non metallici non possono essere tagliati | I materiali altamente riflettenti hanno una scarsa adattabilità |
| Velocità di taglio | Vantaggi evidenti sotto i 3 mm | L'anidride carbonica ha un vantaggio quando è superiore a 6 mm. |
| Efficienza di penetrazione | La velocità è relativamente bassa | Quanto maggiore è lo spessore, tanto più evidente è il vantaggio. |
| Sezione qualità | Leggermente peggiore | Migliore rugosità e verticalità |
Il laser a fibra ha una maggiore efficienza di conversione della luce e un costo inferiore.
Secondo i calcoli, il costo di utilizzo del laser a fibra è di 23,4 yuan/ora, il costo di utilizzo del laser ad anidride carbonica è di 39,1 yuan/ora, tra cui il costo di alimentazione del laser a fibra è di 7 yuan/ora, il costo di raffreddamento dell'acqua è di 8,4 yuan/ora e altri costi sono di 8 yuan/ora;
Il costo della potenza del laser ad anidride carbonica è di 21 yuan/ora, il costo del raffreddamento ad acqua è di 12,6 yuan/ora e gli altri costi sono di 5,5 yuan/ora.
Tabella 4. Confronto dei costi tra laser a fibra e laser ad anidride carbonica
| Laser a fibra | Laser ad anidride carbonica | |
| Potenza (kw) | 3 | 3 |
| Efficienza di conversione della luce | 30% | 10% |
| Consumo di energia (kw) | 10 | 30 |
| Prezzo dell'elettricità (yuan / kWh) | 1 | 1 |
| Durata del carico | 70% | 70% |
| Costo dell'energia (yuan / ora) | 7 | 21 |
| Potenza dell'impianto di raffreddamento ad acqua (kw) | 12 | 18 |
| Prezzo dell'elettricità (yuan / kWh) | 1 | 1 |
| Durata del carico | 70% | 70% |
| Costo del raffreddamento ad acqua (yuan / ora) | 8.4 | 12.6 |
| Costo dei materiali di consumo (yuan / ora) | 3 | 2.5 |
| Costo di consumo del modulo (yuan / ora) | 5 | |
| Costo dei media (yuan / ora) | 1 | |
| Soluzione convenzionale a punti (yuan / ora) | 2 | |
| Altri costi (yuan / ora) | 8 | 5.5 |
| Costo di utilizzo (yuan / ora) | 23.4 | 39.1 |
Il laser YAG si riferisce generalmente al laser Nd. Il laser YAG (cristallo di ittrio e granato di alluminio drogato con rubidio) appartiene alla famiglia dei laser Nd. laser a stato solido.
Il contenuto di atomi di rubidio nel cristallo è di 0,6 ~ 1,1%, in grado di produrre laser a impulsi o laser continui, e la luce emessa è infrarossa con una lunghezza d'onda di 1,064μm.
Il laser Nd. Il laser YAG utilizza spesso una lampada al kripton o allo xeno come lampada di pompa, perché solo alcune specifiche lunghezze d'onda della luce di pompa vengono assorbite dagli ioni Nd, mentre la maggior parte dell'energia viene convertita in energia termica.
In generale, l'efficienza di conversione energetica del laser YAG è bassa.
Fig. 9 Struttura semplice del laser Nd: YAG
Con lo sviluppo del laser a fibra, il laser YAG potrebbe essere gradualmente sostituito.
Il laser YAG è utilizzato principalmente per il taglio e la processo di saldatura nell'industria, ma con lo sviluppo del laser a fibra, il laser YAG potrebbe essere gradualmente sostituito dal laser a fibra.
Nel campo del taglio, il laser YAG ha un basso costo d'acquisto e può tagliare materiali altamente riflettenti, ma ha una bassa potenza di elaborazione, un alto rapporto di consumo energetico e un'elevata capacità di taglio. taglio lento velocità, mentre il laser a fibre ottiche ha un'elevata efficienza di potenza, nessuna regolazione e manutenzione;
Nel campo della saldatura, dopo la comparsa del laser a fibra quasi continua, ha iniziato a sostituire rapidamente il laser Nd: YAG pulsato.
Rispetto al laser YAG, il laser in fibra quasi CW può fornire un'energia d'impulso da diversi joule a decine di joule con una larghezza d'impulso da microsecondo a millisecondo.
L'elevata potenza media e la frequenza di ripetizione degli impulsi migliorano notevolmente la velocità di lavorazione e l'efficienza produttiva.
Equivale ad avere i vantaggi di perforazione e saldatura del laser YAG e la capacità di taglio del laser CO2 laser allo stesso tempo.
Ha una gamma di applicazioni più ampia.
Tabella 5. Laser YAG vs. laser a fibra
| Laser | Laser YAG | Laser a fibra |
| Composizione principale | Lampada a pompa, Nd: YAG, sistema risonante | Pompa a semiconduttore, sistema di risonanza a fibra ottica, sistema di trasmissione |
| efficienza della spina a muro | 4%~5% | Informazioni su 30% |
| Angolo di lavorazione | Basso costo di acquisto, in grado di tagliare materiali altamente riflettenti | La potenza di taglio è elevata, l'efficienza è rapida e l'elevata potenza può essere realizzata in un pacchetto di dimensioni ridotte. |
| Prospettiva dei costi | La tecnologia matura è relativamente economica | Con il progressivo sviluppo della tecnologia, il consumo di energia è ridotto. |
| Angolo di manutenzione | Nessuna lente ottica, regolazione e manutenzione zero |
Laser a semiconduttore, noti anche come diodi laser, utilizzano materiali semiconduttori come materiali di lavoro.
I materiali di lavoro più comuni sono l'arseniuro di gallio e il solfuro di cadmio.
Esistono tre modalità di eccitazione: iniezione elettrica, eccitazione del fascio di elettroni e pompaggio ottico.
I principali vantaggi dei laser a semiconduttore sono il volume ridotto, la bassa efficienza e l'elevato consumo energetico.
Sono ampiamente utilizzati nella comunicazione laser, nella terapia laser e in altri campi.
Inoltre, i laser a semiconduttore sono solitamente utilizzati come sorgente di pompa dei laser a fibra.
Prendendo come esempio il laser a semiconduttore a iniezione elettrica, il GaAS (arseniuro di gallio), l'InAS (arseniuro di indio), l'Insb (antimoniuro di indio) e altri materiali vengono solitamente aggiunti al materiale semiconduttore per realizzare un diodo a giunzione superficiale a semiconduttore.
Quando nel diodo viene iniettata una corrente sufficientemente elevata, gli elettroni (carichi negativamente) e le buche (carichi positivamente) nella regione attiva centrale si compongono spontaneamente e rilasciano l'energia in eccesso sotto forma di fotoni.
Quindi, il laser si forma dopo la schermatura e l'amplificazione del risonatore.
Fig. 10 Schema della struttura semplice del laser a semiconduttore
Il laser a semiconduttore diretto ha caratteristiche evidenti e un'ampia gamma di applicazioni a valle.
Il laser a semiconduttore diretto ha una struttura compatta, bassi costi di manutenzione e un'efficienza di conversione elettro-ottica fino a 47%. Viene utilizzato principalmente nell'industria per la saldatura e il rivestimento.
I laser a semiconduttore a bassa potenza sono utilizzati principalmente per la saldatura della plastica e dello stagno.
Grazie alla saldatura in uscita a fibra ottica, è possibile realizzare un funzionamento a distanza senza contatto, comodo per l'integrazione con la linea di produzione automatica;
I semiconduttori diretti di classe Kilowatt possono essere utilizzati per la saldatura di rivestimenti e ferramenta.
Ha le caratteristiche di un grande punto luce e di un elevato tasso di conversione elettro-ottica.
Al di fuori dell'industria, i laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati anche in campo militare, informatico, medico e delle scienze della vita.
Tabella 6. Applicazioni del laser a semiconduttore diretto
| Campo | Domanda di suddivisione | Scenario di applicazione |
| Industria | Saldatura | Lavorazione della plastica, saldatura di ferramenta |
| Rivestimento | Acciaio, aerospaziale | |
| Militare | Radar | Sistema lidar, sistema di identificazione automatica e correzione |
| Guida e spoletta | Guida del raggio laser, puntamento laser e puntamento di avvertimento | |
| Informazioni | Comunicazione del segnale | Sorgente luminosa di comunicazione in fibra ottica |
| Ricerca di informazioni | Analisi spettrale, calcolo ottico e rete neurale ottica | |
| Assistenza medica | Funzionamento clinico | Resezione dei tessuti molli e Unione dei tessuti |
| Ricerca sulle scienze della vita | Pinzette ottiche |
I laser a semiconduttore hanno un potenziale per le applicazioni di lavorazione, ma sono limitati da difetti tecnici.
La ricerca dimostra che il laser a semiconduttore diretto ha un forte potenziale di applicazione per la lavorazione dei materiali e presenta una velocità e una qualità di taglio migliori rispetto al laser a fibra e al laser ad anidride carbonica.
Tuttavia, il principale svantaggio dei laser a semiconduttore è la bassa qualità del fascio ad alte temperature. potenza del laser.
Attualmente, i laser industriali per semiconduttori sono limitati a poche lavorazioni, come la galvanoplastica, brasatura e sempre più saldatura ad alta potenza.
Pertanto, è improbabile che i laser a semiconduttore rivoluzionino l'intero campo della lavorazione dei materiali o sostituiscano altre sorgenti luminose nei prossimi anni.
Tabella 7. Confronto dei processi di taglio del laser a semiconduttore diretto, del laser a fibra e del laser ad anidride carbonica
| Laser a semiconduttore diretto | Laser a fibra | Laser ad anidride carbonica | |
| Banda comune (μ m）) | 0.97 | 1.07 | 10.6 |
| Tasso di conversione elettro-ottica | 47% | 30% | 10% |
| Assorbenza del metallo | 0.97 | 1.07 | 10.6 |
| Taglio delle lastre velocità | 47% | 30% | 10% |
| Spessore massimo di taglio (mm) | 15 | 12 | 25 |
| Qualità di taglio (oltre 4 mm) | più alto | più alto | Più basso |
| Qualità del fascio di luce in uscita | Il più veloce | Più veloce | Il più lento |
In base all'analisi di cui sopra, riteniamo che rispetto alle emissioni di CO2 laser e il laser YAG, il laser in fibra presenta evidenti vantaggi in termini di costi e applicazioni, o sarà gradualmente sostituito.
Allo stesso tempo, i laser a semiconduttore sono ancora limitati dal collo di bottiglia tecnico.
Attualmente hanno dei limiti ed è improbabile che sostituiscano le altre fonti di luce nei prossimi anni.
Pertanto, esiste un ampio spazio per il miglioramento della permeabilità del laser a fibre.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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