Os lasers são uma ferramenta fascinante e diversificada da tecnologia moderna. Você sabia que existem mais de dez tipos diferentes de lasers, cada um com aplicações exclusivas? De procedimentos médicos a sistemas de comunicação de ponta, esses lasers são classificados com base em seu modo de funcionamento, comprimento de onda e materiais de dopagem. Neste artigo, exploraremos os recursos e usos distintos de vários lasers, fornecendo informações sobre como cada tipo pode beneficiar diferentes setores. Prepare-se para descobrir como esses feixes de luz estão transformando o nosso mundo!
Existem muitos métodos de classificação para lasers de fibraentre os quais os mais comuns são classificados por modo de trabalho, faixa de banda e elementos de terras raras com dopagem média.
Lasers geralmente são nomeados de acordo com uma ou duas dessas três categorias.
Por exemplo, a série YLM-QCW de IPG é traduzida em lasers quase contínuos de fibra dopada com itérbio.
Os lasers de fibra têm uma ampla gama de aplicações.
Os diferentes lasers subdivididos têm características diferentes e campos de aplicação adequados.
Por exemplo, a faixa do infravermelho médio é segura para os olhos humanos e pode ser fortemente absorvida pela água. É uma fonte de laser médica ideal;
A fibra dopada com érbio pode abrir a janela da comunicação por fibra óptica devido ao seu comprimento de onda adequado, que é amplamente utilizado no campo da comunicação por fibra óptica;
Devido à sua visibilidade, o laser verde é essencial para o entretenimento e a projeção.
Fig. 1 Diagrama de aplicação da subdivisão a laser e classificação correspondente aos setores relevantes
De acordo com o modo de funcionamento, os lasers de fibra podem ser divididos em lasers de fibra com bloqueio de modo, lasers de fibra Q-switched, lasers de fibra quase contínua e lasers de fibra contínua.
As abordagens técnicas para a realização do laser de fibra pulsada incluem principalmente a tecnologia de Q-switching, a tecnologia de bloqueio de modo e a tecnologia de amplificação de potência de oscilação principal (MOPA) da fonte de semente.
A tecnologia de bloqueio de modo pode alcançar femtossegundo ou picossegundo saída de pulso, e a potência de pico do pulso é alta, geralmente da ordem de megawatts, mas a potência média do pulso de saída é baixa;
Fig. 2 Modo de trabalho e largura de pulso do laser de fibra
A saída do laser CW é contínua, o que é amplamente utilizado nas áreas de corte a lasersoldagem e revestimento.
A fonte de bomba de laser fornece energia continuamente e produz saída de laser por um longo período, de modo a obter um laser contínuo.
O número de partículas em cada nível de energia e o campo de radiação na cavidade têm uma distribuição estável.
Sua característica de trabalho é que a excitação do material de trabalho e a saída de laser correspondente podem ser realizadas continuamente em um longo intervalo de tempo.
O laser de fibra excitado por uma fonte de luz contínua é um laser de fibra contínua.
Em comparação com outros tipos de lasersOs lasers de fibra contínua podem atingir uma potência relativamente alta. A IPG produziu um laser de fibra contínua monomodo de 20.000 watts, que é usado com frequência nas áreas de corte a laser, soldagem e revestimento.
O laser quase CW pode funcionar no modo de pulso contínuo e de alta potência de pico ao mesmo tempo.
De acordo com o site oficial do IPG, a potência de pico e a potência média do laser CW tradicional são sempre as mesmas nos modos CW e CW/modulação, enquanto a potência de pico do laser quase CW no modo de pulso é 10 vezes maior do que a potência média.
Portanto, pulsos de microssegundos e milissegundos com alta energia podem ser gerados em frequências de repetição de dezenas de hertz a milhares de Hertz, e a potência média e a potência de pico de vários quilowatts podem ser obtidas.
O laser de fibra quase CW proporcionará maior eficiência de conversão eletro-óptica e melhorará significativamente a velocidade de processamento e a eficiência da produção.
Em comparação com outros sistemas de laser, o laser de fibra quase CW pode proporcionar um aumento de dez vezes na eficiência da conversão fotoelétrica e pode atingir uma eficiência de conversão eletro-óptica superior a 30% sob o esquema de resfriamento passivo.
Devido à sua alta potência média e à taxa de repetição de pulso, sua velocidade de processamento é de 3 a 4 vezes maior que a da maioria dos lasers.
O custo de energia significativamente reduzido, a ausência de consumíveis e peças sobressalentes, a baixa demanda de manutenção e a ausência de requisitos de tempo de pré-aquecimento levarão à otimização dos custos.
Os lasers de fibra pulsada são divididos em lasers de fibra Q-switched e lasers de fibra com bloqueio de modo.
A tecnologia Q-switching consiste em comprimir a energia do laser em um curto intervalo de tempo para formar uma saída de laser com alta potência de pico e largura de pulso estreita.
O princípio do Q-switching é adicionar um dispositivo de perda ajustável ao laser.
Na maioria das áreas de tempo, a perda do laser é muito grande e quase não há saída de luz.
Em um curto espaço de tempo, reduza a perda do dispositivo, para que o laser emita um pulso curto com alta intensidade.
O Q-switch é o dispositivo central da tecnologia Q-switched, que pode realizar o laser de fibra Q-switched de forma ativa ou passiva.
O laser de fibra de pulso Q-switched tem as características de alta potência de pico, alta energia de pulso único e diâmetro de ponto opcional.
É amplamente utilizado na marcação, no processamento de precisão, na marcação gráfica, na gravação profunda, no corte de precisão de chapas, na perfuração e em outros campos de materiais não metálicos, ouro, prata, cobre, alumínio e de não alta reflexão material aço inoxidável.
Em termos de aplicação de marcação, em comparação com o CO2 laser, o custo é menor e o desempenho é mais estável.
O laser de fibra de pulso com bloqueio de modo gera pulsos ultracurtos por meio de bloqueio de modo ativo ou bloqueio de modo passivo.
Limitada pelo tempo de resposta do modulador, a largura de pulso gerada pelo bloqueio de modo ativo é ampla, geralmente da ordem de picossegundos;
O bloqueio de modo passivo usa dispositivos de bloqueio de modo passivo com tempo de resposta curto e pode produzir pulsos de femtossegundos.
O princípio básico do bloqueio de modo é tomar as medidas adequadas para fazer com que os modos longitudinais mutuamente independentes no ressonador tenham uma determinada relação de fase.
Mesmo que a diferença de fase dos modos longitudinais adjacentes seja constante, o laser emitirá pulsos com largura de pulso extremamente estreita e alta potência de pico.
O laser de pulso com bloqueio de modo tem as vantagens de excelente qualidade de feixe, largura de pulso ultracurta e alta energia de pulso.
Ele é adequado para microusinagem de vários materiais, incluindo metal, vidro, cerâmica, silício e plásticos.
Na área médica, os lasers com bloqueio de modo também são usados em bisturis a laser ou em cirurgias oftálmicas.
Por exemplo, os efeitos fotoquímicos também são usados para alguns cuidados com a pele.
Devido às características de pulso curto e alta potência de pico, os lasers com bloqueio de modo são amplamente usados em vários métodos de imagem, microscopia e espectroscopia.
Eles também são usados nas áreas de medição de amostragem eletro-óptica, medição de distância, medição de frequência e temporização em circuitos eletrônicos integrados.
O laser emitido diretamente pelo laser de fibra é, em sua maioria, luz infravermelha próxima com comprimento de onda entre 960 nm e 2,05 μm.
De acordo com a ordem de comprimento de onda, de curto a longo, a categoria de laser abrange todos os tipos de lasers, de raios X a infravermelho distante, com comprimentos de onda que variam de 0,001 nm a 1000 mícrons.
Entre eles, o laser emitido diretamente pelo laser de fibra está principalmente na parte do infravermelho próximo.
Entretanto, para atender às necessidades de diferentes aplicações, os lasers de fibra podem emitir luz visível por meio da duplicação de frequência, e a principal aplicação é a luz verde;
A luz infravermelha média pode ser emitida pela dopagem de flúor na fibra óptica.
Fig.3 Lista de diferentes comprimentos de onda de fibra óptica
Tabela 1. Lasers por comprimento de onda
| Nome | Faixa de comprimento de onda | Principais produtos |
| Laser infravermelho distante | 30 ~ 1000 mícrons | Molecular laser de gás, laser de elétrons livres |
| Laser infravermelho médio | 3 ~ 30 mícrons | Laser de gás molecular CO2 |
| Laser infravermelho próximo | 0,76 ~ 3 mícrons | Laser de fibra, laser de diodo semicondutor CaAs, laser de gás parcial |
| Laser visívelLaser infravermelho próximo | 380 nm ~ 780 nm | Laser de rubi, laser de He Ne, laser de íons de argônio, laser de íons de criptônio |
| Laser ultravioleta próximo | 200 nm ≈ 400 nm | Laser molecular de nitrogênio, excimer laser de fluoreto de xenônio, excimer laser de fluoreto de criptônio (KrF) |
| Laser ultravioleta a vácuo | 5 nm ~ 200 nm | Laser excimer de hidrogênio (H), laser excimer de xenônio (Xe) |
| Laser de raios X | 0,001 nm ~ 5 nm |
O comprimento de onda do laser infravermelho médio é principalmente de cerca de 23 mícrons a 3,9 mícrons, o que requer um meio de fibra de vidro de flúor dopado com íons de terras raras para excitar.
A partir do espectro de fluorescência gerado pela transição infravermelha do laser de fibra na figura abaixo, pode-se observar que o íon dopado com hólmio (Ho3+) e o íon dopado com érbio (Er3+) podem ser gerados diretamente ao serem excitados sob condições adequadas do meio.
O laser de fibra de vidro com flúor tem alta eficiência e potência de saída na faixa de 2,3 a 3,5 μm, enquanto o comprimento de onda é superior a 3,5 μm.
Existem poucos materiais que podem atender à baixa energia de fônons necessária para a transmissão de fibra óptica e à radiação de transição de íons de terras raras.
O laser de fibra de fluoreto Ho3 + dopado simples produz um laser de banda de 3,9 μm em baixa temperatura, que é o maior comprimento de onda de saída direta atualmente.
Fig. 4 Relação entre a potência máxima de saída e o comprimento de onda de emissão de diferentes lasers de fibra de íons de terras raras
Devido às suas características de comprimento de onda, o laser infravermelho médio pode abrir a janela atmosférica e é amplamente utilizado em orientação, posicionamento e medição a laser.
Em assuntos militares, a aplicação da energia direcional do laser e a transmissão de longa distância por meio da janela de transmissão atmosférica exigem uma energia de feixe forte.
Na contramedida de mísseis infravermelhos, o laser infravermelho médio pode obter a janela de transmissão atmosférica da banda de 3 a 5μm.
O laser de fibra infravermelha médio com vários quilowatts de saída monomodo pode ser amplamente utilizado em plataformas de guerra de defesa nacional, como mísseis anti cruzeiro, orientação de foguetes e reconhecimento do espaço aéreo de VANTs.
O laser de fibra de infravermelho médio tem sido amplamente utilizado na área médica devido à sua forte diretividade e segurança para os olhos humanos.
A faixa do laser infravermelho médio é segura para os olhos humanos e pode ser fortemente absorvida pela água.
Devido à forte direcionalidade do laser, a profundidade de penetração do tecido pode ser rasa e a área de dano físico pode ser muito pequena na cirurgia a laser, de modo a obter alta precisão.
Na medicina moderna, o laser infravermelho médio em aplicações médicas usa principalmente o efeito fototérmico para tratar ou ablacionar tecidos doentes.
Ele tem sido amplamente utilizado em ortopedia, gastroenterologia e urologia.
Ele se tornou uma fonte de luz laser médica ideal para ablação e corte de tecidos urinários, vaporização e remoção de órgãos defeituosos.
No processo de corte de tecidos ricos em lipídios, ossos e proteínas, o uso do laser infravermelho médio causará pequenos danos.
O laser de fibra pode obter uma saída de luz verde por meio da duplicação de frequência.
Embora o laser de fibra verde com frequência duplicada não seja um laser de fibra verde no sentido estrito, porque seu meio de ativação não libera diretamente o feixe de laser de 532 nm, esse tipo de laser de fibra oferece uma faixa estreita de duração de pulso e frequência de repetição de até 600kHz.
A fonte de laser com alto brilho espectral promove uma conversão eficiente, alcançando uma eficiência de conversão de 84% e mais de 20% de eficiência de conversão eletro-óptica.
É possível fazer upgrade para alta potência em 355 e 266 nm.
O laser verde é amplamente utilizado em impressão, tratamento médico, armazenamento de dados, militar, biologia e outros campos.
Por exemplo, o laser de fibra verde da IPG pode ser usado em imagens de partículas, medição de velocidade/visualização de fluxo, diagnóstico por imagem e cirurgia, captura óptica/pinças ópticas, fabricação de células solares, inspeção de fabricação e controle de qualidade, holografia e interferometria, entretenimento e projeção, etc.
O laser de fibra usa principalmente a fibra dopada com elementos de terras raras como meio de ganho, e diferentes elementos de terras raras correspondem a diferentes comprimentos de onda de trabalho.
A fibra dopada consiste em adicionar impurezas, como íons de terras raras, no núcleo da fibra, o que levará à modificação da fibra e mostrará o efeito do laser.
O princípio de funcionamento é que a luz da bomba é primeiramente acoplada ao meio de ganho dopado com íons de terras raras por meio do sistema de acoplamento e, em seguida, os íons de terras raras no núcleo dopado absorvem a energia do fóton da bomba e produzem a transição do nível de energia.
Por exemplo, os íons de terras raras, como érbio (Er3+), praseodímio (Pr3+), túlio (Tm3+), neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+), podem ser usados como dopantes para fabricar fibras ópticas e, em seguida, transformados em amplificador de fibra dopada (XDFA) e laser de fibra (XDFL).
Diferentes elementos de terras raras funcionam em diferentes faixas de comprimento de onda, mas eles estão na faixa do infravermelho próximo.
Fig. 5 Comprimentos de onda de operação de íons de terras raras em núcleos comumente dopados.
O laser de fibra dopada com itérbio tem se desenvolvido rapidamente devido à sua alta estabilidade, boa qualidade de feixe e alta eficiência de inclinação.
A fibra dopada com itérbio tem muitas vantagens.
O laser de fibra desenvolvido com fibra dopada com itérbio tem alta eficiência de inclinação e eficiência de conversão óptica, e pode obter saída de laser de alta potência na banda de 1 m.
Portanto, ele atraiu muita atenção e se desenvolveu rapidamente.
Ele se tornou a principal força de orientação no setor de laser e tem boas perspectivas de aplicação em processamento industrial, tratamento médico, defesa nacional e outros campos.
A maioria dos produtos a laser da Ruike Laser usa fibra dopada com itérbio.
Tabela 2. Comparação dos principais produtos de fibra óptica dopada com espelho de empresas nacionais e estrangeiras
| Empresa | Adotar tecnologia | Status do produto / preço | Diâmetro do núcleo（ μ m） | Diâmetro do revestimento | Abertura numérica do núcleo NA |
| Nufern | Fibra dopada com espelho de campo de modo supergrande (três cladding) | VendaUSD 1030 / M | 290.0±20.0 | 400±18 | 0.110±0.010 |
| NOITE | Fibra dopada com itérbio de revestimento duplo com grande campo de modo | Vender | 20.0±1.5 | 400±10.0 | 0.070±0.005 |
| Fibra óptica Changfei | Fibra de itérbio de revestimento duplo com grande campo de modo | Vender | 20.0±2.0 | 400±15.0 | 0.06±0.01 |
| Tecnologia Beacon | Fibra dopada com itérbio de revestimento duplo | Vender | 20.0±2.0 | 400±5.0 | 0.075±0.005 |
| Wuhan Ruixin | Fibra dopada com itérbio de revestimento duplo com grande campo de modo | Vender | 20.0±1.5 | 400.0±10.0 | 0.065±0.005 |
Os lasers de fibra dopada com itérbio são usados principalmente em lasers contínuos e lasers de pulso Q-switched.
Devido à estrutura simples do nível de energia do íon de itérbio e à pequena perda de partículas, o laser tem alta eficiência de conversão e baixo efeito térmico sob operação de alta potência, e a largura de banda de ganho é grande (975 nm a 1.200 nm).
Ao mesmo tempo, a vida útil do nível superior do íon de itérbio é relativamente longa, geralmente cerca de 1 milissegundo.
Esses fatores favorecem a tecnologia Q-switching.
Portanto, a saída de pulso ultracurto foi realizada em um laser de pulso.
No aspecto do laser CW, a potência de saída do laser de fibra dopada com itérbio atingiu a ordem de 10.000 watts.
O laser de fibra dopada com érbio tem as características de comprimento de onda seguro e energia de pulso ultra-alta. O laser de fibra dopada com érbio pode realizar operações monomodo, com largura de linha extremamente estreita, boa monocromaticidade e estabilidade.
O íon de érbio tem uma ampla largura de banda de ganho, o que pode agravar a oscilação multimodo na cavidade do laser, de modo a realizar um laser de pulso ultracurto.
Devido às suas características exclusivas de segurança para os olhos humanos ("segurança para os olhos humanos" refere-se ao fato de que o laser com comprimento de onda de 1,5 μm é significativamente menor do que o limite de danos aos olhos humanos), ele tem uma ampla gama de aplicações práticas nos campos de comunicação óptica em espaço livre, lidar, detecção ambiental, calibração de peças de trabalho e processamento industrial.
A fibra dopada com érbio tem sido amplamente usada no campo da comunicação por fibra óptica devido ao seu comprimento de onda adequado.
Como a fibra dopada com érbio tem alto ganho no comprimento de onda de 1550 nm, seu perfil espectral de ganho de cerca de 40 nm corresponde à melhor janela de baixa perda na comunicação por fibra óptica, que tem valor potencial de aplicação.
O laser de fibra dopada com túlio tem as características de baixo limiar, alta eficiência e boa qualidade de feixe.
O laser de fibra dopada com túlio é o ponto de acesso de pesquisa do laser de fibra no campo do comprimento de onda seguro para os olhos humanos, e o laser de fibra dopada com túlio pode funcionar na banda S (150 a 75 mm).
Ele desempenha um papel muito importante no desenvolvimento do espaço de frequência dos recursos de comunicação em potencial e no aprimoramento da capacidade do sistema de comunicação por fibra óptica.
Nos últimos anos, os lasers de fibra dopada com túlio Q-switched e contínuos foram desenvolvidos para atingir uma potência média mais alta.
Atualmente, um certo número de fornecedores pode fornecer lasers de pulso comerciais com potência média de 10W.
O laser de fibra dopada com túlio é amplamente utilizado em tratamentos médicos a laser, lidar, sensoriamento remoto de luz espacial e outros campos.
O comprimento de onda de saída do laser de fibra dopada com túlio é de aproximadamente 2μm.
A banda de absorção forte da água líquida é de cerca de 1950 nm, que é próxima ao comprimento de onda do laser de fibra de túlio padrão, de modo que as características de absorção são significativamente aprimoradas.
A água geralmente existe em muitos compostos orgânicos e inorgânicos, o que significa que um grande número de materiais melhora as características de absorção na faixa espectral de 2μm.
Portanto, o laser de fibra dopada com túlio é considerado uma fonte de luz ideal para medicina, segurança ocular, óptica ultrarrápida, sensoriamento remoto de curto alcance e biologia, e tem uma boa perspectiva de desenvolvimento.
Ao mesmo tempo, no campo da medicina, o laser de fibra dopada com túlio também tem muitas aplicações, incluindo vaporização acelerada, tecnologia de corte ultrafino e hemostasia de coagulação na medicina.
O laser de fibra dopada com túlio de alta potência não só pode ser usado para o comprimento de onda seguro dos olhos humanos e para a fonte de luz lidar, como também pode ser usado como fonte de bomba de laser de cristal de estado sólido para realizar ainda mais a saída do laser infravermelho com comprimento de onda mais longo.
Fig. 6 Características de absorção da água líquida em diferentes comprimentos de onda
O laser de fibra tem vantagens de desempenho excepcionais e efeito de substituição óbvio.
O laser de dióxido de carbono é um tipo de laser molecular.
É um dos lasers CW comuns de alta potência.
O principal material é a molécula de dióxido de carbono.
A estrutura principal do CO2 O laser inclui o tubo do laser, o ressonador óptico, a fonte de alimentação e a bomba.
A principal característica é que a potência de saída é grande e o trabalho contínuo pode ser realizado, mas a estrutura é complexa, o volume é grande e a manutenção é difícil.
Fig. 7 Estrutura do laser de dióxido de carbono
A inversão do número de partículas é a chave para a luminescência do laser de dióxido de carbono.
As substâncias de trabalho no laser de dióxido de carbono incluem dióxido de carbono, nitrogênio e hélio. Após a entrada da fonte de alimentação CC, as moléculas de nitrogênio no gás misto serão excitadas pelo impacto de elétrons.
Quando as moléculas de nitrogênio excitadas colidem com as moléculas de dióxido de carbono, elas transferem energia para as moléculas de dióxido de carbono, de modo que as moléculas de dióxido de carbono passam do nível de baixa energia para o nível de alta energia, formando a inversão do número de partículas e emitindo laser.
Fig. 8 Diagrama esquemático do processo de emissão do laser de dióxido de carbono
A fibra óptica e o laser de dióxido de carbono têm suas próprias vantagens, portanto, ferramentas diferentes devem ser selecionadas de acordo com as diferentes necessidades.
Entre as tecnologias de corte amplamente utilizadas atualmente, o laser de fibra e o laser de CO2 O laser tem suas próprias vantagens e desvantagens em relação aos requisitos específicos da aplicação.
Eles não podem substituir completamente um ao outro, mas precisam se complementar e coexistir.
Em termos de tipos de materiais de processamento, devido ao efeito de absorção, os lasers de fibra não são adequados para o corte de materiais que não sejam de alta qualidade.materiais metálicosenquanto o CO2 não são adequados para cortar materiais de alta refletividade, como cobre e alumínio;
Em termos de velocidade de corte, o CO2 tem vantagens na chapa com espessura > 6 mm, enquanto o laser de fibra corta a chapa mais rapidamente;
A peça de trabalho precisa ser penetrada antes do corte a laser, e a velocidade de perfuração do CO2 é significativamente mais rápido do que o do laser de fibra;
Em termos de qualidade da seção de corte, o CO2 é melhor do que o laser de fibra como um todo.
Tabela 3. Comparação entre o laser de fibra e o laser de dióxido de carbono
| Laser de fibra | Laser de dióxido de carbono | |
| Material de corte | Materiais não metálicos não podem ser cortados | Materiais altamente refletivos têm pouca adaptabilidade |
| Velocidade de corte | Vantagens óbvias abaixo de 3 mm | O dióxido de carbono tem uma vantagem quando é maior que 6 mm. |
| Eficiência de penetração | A velocidade é relativamente lenta | Quanto maior a espessura, mais óbvia é a vantagem |
| Qualidade da seção | Um pouco pior | Melhor rugosidade e verticalidade |
O laser de fibra tem maior eficiência de conversão de luz e menor custo.
De acordo com o cálculo, o custo de uso do laser de fibra é de 23,4 yuans/hora, o custo de uso do laser de dióxido de carbono é de 39,1 yuans/hora, entre os quais o custo de energia do laser de fibra é de 7 yuans/hora, o custo de resfriamento da água é de 8,4 yuans/hora e outros custos são de 8 yuans/hora;
O custo de energia do laser de dióxido de carbono é de 21 yuans/hora, o custo de resfriamento da água é de 12,6 yuans/hora e outros custos são de 5,5 yuans/hora.
Tabela 4. Comparação de custos entre o laser de fibra e o laser de dióxido de carbono
| Laser de fibra | Laser de dióxido de carbono | |
| Potência (kw) | 3 | 3 |
| Eficiência de conversão de luz | 30% | 10% |
| Consumo de energia (kw) | 10 | 30 |
| Preço da eletricidade (yuan / kWh) | 1 | 1 |
| Duração da carga | 70% | 70% |
| Custo de energia (yuan / hora) | 7 | 21 |
| Potência do equipamento de resfriamento de água (kw) | 12 | 18 |
| Preço da eletricidade (yuan / kWh) | 1 | 1 |
| Duração da carga | 70% | 70% |
| Custo de resfriamento da água (yuan / hora) | 8.4 | 12.6 |
| Custo de consumíveis (yuan / hora) | 3 | 2.5 |
| Custo de consumo do módulo (yuan / hora) | 5 | |
| Custo de mídia (yuan / hora) | 1 | |
| Solução pontual convencional (yuan / hora) | 2 | |
| Outros custos (yuan / hora) | 8 | 5.5 |
| Custo de uso (yuan / hora) | 23.4 | 39.1 |
O laser YAG geralmente se refere ao laser Nd. O laser YAG (cristal de granada de ítrio e alumínio dopado com rubídio) pertence a laser de estado sólido.
O conteúdo de átomos de rubídio no cristal é de 0,6 a 1,1%, que pode produzir laser pulsado ou laser contínuo, e a luz emitida é infravermelha com comprimento de onda de 1,064μm.
O laser Nd. O laser YAG geralmente usa lâmpada de criptônio ou xenônio como lâmpada de bomba, porque apenas alguns comprimentos de onda específicos da luz da bomba serão absorvidos pelos íons de Nd, e a maior parte da energia será convertida em energia térmica.
Em geral, a eficiência de conversão de energia do laser YAG é baixa.
Fig. 9 Estrutura simples do laser Nd: YAG
Com o desenvolvimento do laser de fibra, o laser YAG pode ser substituído gradualmente.
O laser YAG é usado principalmente em corte e processo de soldagem no setor, mas com o desenvolvimento do laser de fibra, o laser YAG pode ser gradualmente substituído pelo laser de fibra.
No campo de corte, o laser YAG tem baixo custo de aquisição e pode cortar materiais altamente reflexivos, mas tem baixa potência de processamento, alta taxa de consumo de energia e corte lento enquanto o laser de fibra tem alta eficiência de energia, sem ajustes e manutenção;
No campo da soldagem, após o surgimento do laser de fibra quase contínuo, ele começou a substituir rapidamente o laser Nd: YAG pulsado.
Em comparação com o laser YAG, o laser de fibra quase CW pode fornecer energia de pulso de vários joules a dezenas de joules com uma largura de pulso de microssegundos a milissegundos.
Sua alta potência média e frequência de repetição de pulso melhoram significativamente a velocidade de processamento e a eficiência da produção.
Isso equivale a ter as vantagens de perfuração e de soldagem do laser YAG e a capacidade de corte do laser de CO2 laser ao mesmo tempo.
Ele tem uma gama maior de aplicações.
Tabela 5. Laser YAG vs. laser de fibra
| Laser | Laser YAG | Laser de fibra |
| Composição principal | Lâmpada de bomba, Nd: YAG, sistema ressonante | Bomba semicondutora, sistema de ressonância de fibra óptica, sistema de transmissão |
| eficiência do plugue de parede | 4%~5% | Sobre a 30% |
| Ângulo de usinagem | Baixo custo de aquisição, capaz de cortar materiais altamente refletivos | A potência de corte é alta, a eficiência é rápida e a alta potência pode ser obtida em um pacote pequeno |
| Perspectiva de custo | A tecnologia madura é relativamente barata | Com o desenvolvimento gradual da tecnologia, o consumo de energia é pequeno |
| Ângulo de manutenção | Sem lentes ópticas, sem ajustes e sem manutenção |
Lasers semicondutorestambém conhecidos como diodos de laser, usam materiais semicondutores como materiais de trabalho.
Entre os materiais de trabalho comuns estão o arseneto de gálio e o sulfeto de cádmio.
Há três modos de excitação: injeção elétrica, excitação por feixe de elétrons e bombeamento óptico.
As principais vantagens dos lasers semicondutores são o pequeno volume, a baixa eficiência e o alto consumo de energia.
Eles são amplamente utilizados em comunicação a laser, terapia a laser e outros campos.
Além disso, os lasers semicondutores são normalmente usados como fonte de bomba dos lasers de fibra.
Tomando o laser semicondutor de injeção elétrica como exemplo, GaAS (arsenieto de gálio), InAS (arsenieto de índio), Insb (antimoneto de índio) e outros materiais são geralmente adicionados ao material semicondutor para fazer um diodo de junção de superfície semicondutor.
Quando uma corrente grande o suficiente é injetada no diodo, os elétrons (carregados negativamente) e os buracos (carregados positivamente) na região ativa intermediária se combinam espontaneamente e liberam o excesso de energia na forma de fótons.
Em seguida, o laser é formado após o rastreamento e a amplificação do ressonador.
Fig. 10 Diagrama esquemático da estrutura simples do laser semicondutor
O laser semicondutor direto tem características óbvias e uma ampla gama de aplicações downstream.
O laser semicondutor direto tem estrutura compacta, baixo custo de manutenção e eficiência de conversão eletro-óptica de até 47%. É usado principalmente na indústria para soldagem e revestimento.
Os lasers semicondutores de baixa potência são usados principalmente em soldagem de plástico e soldagem de estanho.
Por meio da soldagem de saída de fibra óptica, a operação remota sem contato é realizada, o que é conveniente para a integração com a linha de produção automática;
O semicondutor direto da classe Kilowatt pode ser usado para soldagem de revestimento e hardware.
Ele tem as características de grande ponto de luz e alta taxa de conversão eletro-óptica.
Fora do setor industrial, os lasers semicondutores também são amplamente utilizados nas áreas militar, de informação, médica e de ciências da vida.
Tabela 6. Aplicações diretas de laser semicondutor
| Campo | Pedido de subdivisão | Cenário de aplicação |
| Setor | Soldagem | Processamento de plástico, soldagem de hardware |
| Revestimento | Aço, aeroespacial | |
| Militar | Radar | Sistema Lidar, sistema de identificação e correção automática |
| Orientação e espoleta | Orientação por feixe de laser, mira a laser e mira de aviso | |
| Informações | Comunicação de sinais | Fonte de luz para comunicação por fibra óptica |
| Pesquisa de informações | Análise espectral, computação óptica e rede neural óptica | |
| Cuidados médicos | Operação clínica | Ressecção de tecidos moles e união de tecidos |
| Pesquisa em ciências da vida | Pinças ópticas |
Os lasers semicondutores têm potencial para aplicações de processamento, mas são limitados por defeitos técnicos.
A pesquisa mostra que o laser semicondutor direto tem um grande potencial de aplicação no processamento de materiais e apresenta melhor velocidade e qualidade de corte do que o laser de fibra e o laser de dióxido de carbono.
No entanto, a maior desvantagem dos lasers semicondutores é sua baixa qualidade de feixe em altas potência do laser.
Atualmente, os lasers industriais de semicondutores estão limitados a poucos processamentos, como a galvanoplastia, brasagem e cada vez mais soldagem de alta potência.
Portanto, é improvável que os lasers de semicondutores revolucionem todo o campo de processamento de materiais ou substituam outras fontes de luz nos próximos anos.
Tabela 7. Comparação dos processos de corte do laser semicondutor direto, do laser de fibra e do laser de dióxido de carbono
| Laser semicondutor direto | Laser de fibra | Laser de dióxido de carbono | |
| Banda comum（μ m） | 0.97 | 1.07 | 10.6 |
| Taxa de conversão eletro-óptica | 47% | 30% | 10% |
| Absortividade do metal | 0.97 | 1.07 | 10.6 |
| Corte de chapas velocidade | 47% | 30% | 10% |
| Espessura máxima de corte (mm) | 15 | 12 | 25 |
| Qualidade de corte (acima de 4 mm) | maior | maior | Inferior |
| Qualidade do feixe de saída | Mais rápido | Mais rápido | Mais lento |
De acordo com a análise acima, acreditamos que, em comparação com o CO2 e YAG, o laser de fibra tem vantagens óbvias de custo e aplicação, ou será gradualmente substituído.
Ao mesmo tempo, os lasers semicondutores ainda são limitados pelo gargalo técnico.
No momento, elas têm limitações e é improvável que substituam outras fontes de luz nos próximos anos.
Portanto, há um amplo espaço para o aprimoramento da permeabilidade do laser de fibra.
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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