O que é laser
O laser é considerado uma das quatro grandes invenções do século XX. Ao contrário da luz natural, a luz laser é uma invenção humana baseada na teoria quântica.
O que diferencia a luz laser da luz natural são suas características únicas e o processo pelo qual ela é gerada. O laser é frequentemente referido como “a faca mais rápida, a luz mais brilhante e a régua mais precisa”.
Comparada à luz natural, a luz laser é altamente intensa, altamente monocromática, altamente coerente e altamente direcional.
A luz laser é o resultado da radiação estimulada atômica. Quando os átomos são excitados pela energia da fonte da bomba, eles podem fazer a transição para um estado de alta energia. Se encontrarem um fóton externo com uma frequência específica, liberarão um fóton idêntico. Esse processo faz com que mais átomos façam a transição e produzam o mesmo fóton, resultando em radiação estimulada e na produção de luz laser.
A frequência, fase, direção de propagação e estado de polarização dos fótons produzidos pela radiação estimulada e pelos fótons externos são exatamente os mesmos, razão pela qual a luz laser tem características únicas de alta intensidade, alta monocromaticidade, alta coerência e alta direcionalidade.
Diagrama esquemático da transição do nível de energia atômica
Diagrama esquemático do processo de radiação estimulada
Características do laser
- Boa diretividade
- Boa monocromaticidade
- Força elevada
- Alta coerência
História do laser
O uso comercial da tecnologia laser começou na década de 1970 e desde então vem se desenvolvendo rapidamente. Em 1917, Einstein propôs pela primeira vez o conceito de radiação estimulada. O primeiro laser de estado sólido de rubi do mundo foi lançado em 1960.
Durante a década de 1970, a tecnologia laser entrou na era comercial e continuou a crescer e se expandir desde então. Depois de estudar a interação entre os feixes de laser e a matéria, a aplicação da tecnologia laser se ampliou e se expandiu, principalmente no setor industrial. Na década de 1990, as aplicações industriais da tecnologia laser entraram em um estágio de desenvolvimento em alta velocidade.
História de desenvolvimento da tecnologia laser
Dois aplicativode laser
A alta intensidade, boa monocromaticidade, boa coerência e boa diretividade da luz laser determinam seus dois principais cenários de aplicação: laser de energia e laser de informação.
Laser de energia:
A tecnologia laser é conhecida por sua alta densidade de energia, tornando-a ideal para diversas aplicações, como processamento de materiais, armas, tratamento médico, entre outras.
Laser de informações:
A boa monocromaticidade e diretividade do laser o tornam adequado para transmissão de informações (comunicação óptica) e medição de distância (medição óptica). A comunicação óptica tem diversas vantagens sobre a comunicação elétrica tradicional, como alta capacidade, capacidade de transmissão de longa distância, maior confidencialidade e natureza leve.
Equipamento de processamento a laser
O processamento a laser é um excelente exemplo de tecnologia de processamento de precisão, com seu crescimento impulsionado em grande parte pela substituição dos métodos de processamento tradicionais.
Comparado a outros métodos de processamento, o processamento a laser oferece diversas vantagens, incluindo alta eficiência, alta precisão, baixo consumo de energia, mínima deformação do material e facilidade de controle.
Essas vantagens podem ser atribuídas a duas características principais do processamento a laser: usinagem sem contato e alta densidade de energia.
Usinagem sem contato:
No processamento a laser, o calor gerado pela interação entre o laser e o material completa o processamento, sem contato físico entre a ferramenta de processamento e o material. Isto elimina os efeitos da força no material processado e resulta em uma tensão residual relativamente baixa. Além disso, o pequeno diâmetro do feixe de laser permite alta precisão.
Alta densidade de energia:
A densidade de potência do processamento a laser pode atingir mais de 107 W/cm^2, o que é milhares ou até dezenas de milhares de vezes maior do que outros métodos de processamento, como chama e arco. Essa maior densidade de potência permite que o laser processe uma pequena área do material sem afetar a área circundante, levando a maior precisão e eficiência de processamento.
Vantagem multiponto
- Alta eficiência
- Alta precisão
- Baixo consumo de energia
- Pequena deformação
- Fácil de controlar
Laser: a unidade central do equipamento laser
O laser é um componente crucial na geração de luz laser e é o componente principal do equipamento laser.
O valor do laser normalmente representa 20-40% do valor total de um conjunto completo de equipamentos de processamento a laser e, em alguns casos, pode ser ainda maior.
O laser é onde ocorrem os processos de bombeamento e radiação estimulada. Um laser típico consiste em várias partes, incluindo o material de trabalho do laser (que emite energia), a fonte da bomba (que fornece energia) e o ressonador óptico (que facilita a propagação da energia).
Diagrama de estrutura básica do laser
Tipos de laser
Existem vários métodos para classificar lasers, mas quatro deles são os mais utilizados:
Substância de trabalho:
Os lasers podem ser classificados com base no tipo de substância de trabalho que utilizam, incluindo lasers de gás, lasers sólidos, lasers líquidos (corante), lasers semicondutores, lasers excimer e outros.
Laser a gás:
Os lasers a gás usam gás como material de trabalho. Exemplos de lasers de gás comuns incluem CO2 lasers, lasers He-Ne, lasers de íons de argônio, lasers He-Cd, lasers de vapor de cobre e vários lasers excimer. CO2 os lasers são particularmente amplamente utilizados na indústria.
CO2 laser
Lasers de estado sólido:
Nos lasers de estado sólido, os íons metálicos capazes de produzir emissão estimulada são dopados em um cristal e usados como material de trabalho. Os cristais comumente usados incluem rubi, corindo, granada de alumínio (comumente conhecida como YAG), tungstato de cálcio, fluoreto de cálcio, aluminato de ítrio e berilato de lantânio. Atualmente, o YAG é o cristal mais utilizado em lasers de estado sólido.
Laser de estado sólido
Laser Líquido:
Nos lasers líquidos, a substância de trabalho é uma solução formada pela dissolução de corantes orgânicos em líquidos como etanol, metanol ou água.
Lasers semicondutores:
Lasers semicondutores, também conhecidos como diodos laser, usam materiais semicondutores como materiais de trabalho, como arsenieto de gálio (GaAs), sulfeto de cádmio (CDS), fosfeto de índio (INP) e sulfeto de zinco (ZnS).
Lasers semicondutores
Laser de fibra:
Um laser de fibra usa fibra de vidro dopada com elementos de terras raras como material de trabalho. Lasers de fibra são lasers que usam fibra como meio para a geração de luz laser.
Laser de fibra
O laser de fibra é conhecido como “laser de 3ª geração” devido ao seu desempenho excepcional:
(1) O pequeno volume, flexibilidade, baixa relação volume-área e alta taxa de conversão fotoelétrica da fibra resultam em um laser de fibra que é miniaturizado, intensificado e altamente eficiente em termos de dissipação de calor e conversão fotoelétrica.
(2) A saída do laser de um laser de fibra pode ser obtida diretamente da fibra, tornando o laser de fibra altamente adaptável a aplicações de processamento em qualquer espaço.
(3) A estrutura do laser de fibra, que não possui lentes ópticas na cavidade ressonante, oferece vantagens como facilidade de uso, baixa manutenção e alta estabilidade.
(4) A qualidade do feixe de um laser de fibra também é excepcional.
| Tipos de laser | Tipo típico | Comprimento de onda do laser | Potência máxima de saída | Eficiência de conversão de energia | Características |
| Laser a gás | CO2 laser | Cerca de 10,6um infravermelho | 1-20kw | 8%~10% | Boa monocromaticidade e alta eficiência de conversão de energia |
| Laser líquido | Laser de corante 6G | UV para IR | – | 5%~20% | O comprimento de onda de saída é continuamente ajustável, o poder de conversão de energia é alto, fácil de preparar e barato |
| Lasers de estado sólido | Laser YAG/rubi | Visível até infravermelho próximo | 0,5-5 kW | 0,5%~1% | Baixa potência de saída, baixa taxa de conversão de energia e boa monocromaticidade. |
| Lasers semicondutores | Laser de diodo GaAs | 100nm-1,65um | 0,5-20 kW, matriz bidimensional pode chegar a 350 kW | 20% – 40%, laboratório 70% | Alto poder de conversão de energia, pequeno volume, peso leve, estrutura simples, longa vida útil e baixa monocromaticidade. |
| Laser de fibra | Laser de fibra pulsado/CW | 1,46um-1,65um | 0,5-20 kW | 30%-40% | Miniaturização, intensificação, alta eficiência de conversão, alta produção de energia, alta qualidade de feixe, sem colimação óptica e menos manutenção. |
Forma de onda de saída de energia (modo de trabalho):
Os lasers podem ser categorizados em três tipos: laser contínuo, laser pulsado e laser quase contínuo.
Os lasers pulsados podem ser classificados com base na largura do pulso: laser de milissegundos, laser de microssegundos, laser de nanossegundos, laser de picossegundos, laser de femtossegundos e laser de attossegundos.
Laser contínuo:
Este tipo de laser emite uma forma de onda de energia estável continuamente durante o uso, com alta potência. É adequado para processar materiais com grande volume e altos pontos de fusão, como placas de metal.
Laser pulsado:
Os lasers pulsados podem ser divididos em lasers de milissegundos, lasers de microssegundos, lasers de nanossegundos, lasers de picossegundos, lasers de femtossegundos e lasers de attossegundos, dependendo da largura do pulso. Os lasers de femtosegundo e attosegundo são comumente chamados de lasers ultrarrápidos.
Embora a potência dos lasers pulsados seja menor em comparação aos lasers contínuos, a precisão da usinagem é maior. Como regra geral, quanto mais estreita for a largura do pulso, maior será a precisão da usinagem.
Laser quase contínuo:
Este tipo de laser está entre um laser contínuo e um laser pulsado, onde o laser de alta energia pode ser emitido repetidamente dentro de um determinado período.
| Método de classificação | Categoria Laser | Características |
|---|---|---|
| Classificação por modo de trabalho | Laser CW | A excitação do material de trabalho e a saída do laser correspondente podem ser realizadas continuamente em um longo intervalo de tempo |
| Laser pulsado | Refere-se a um laser com uma única largura de pulso de laser inferior a 0,25 segundos e trabalhando apenas uma vez em um determinado intervalo. Possui uma grande potência de pico de saída e é adequado para marcação, corte e alcance a laser. | |
| Classificação por largura de pulso | Laser de milissegundos (MS) | 10-3S |
| Laser de microssegundos (EUA) | 10-6S | |
| Laser de nanossegundos (NS) | 10-9S | |
| Laser de picossegundo (PS) | 10-12S | |
| Laser de femtosegundo (FS) | 10-15S |
Comprimento de onda de saída (cor):
Os lasers podem ser categorizados em vários tipos com base no seu comprimento de onda: lasers de raios X, lasers ultravioleta, lasers infravermelhos, lasers visíveis, etc.
Poder:
Os lasers podem ser divididos em três categorias com base na sua potência: lasers de baixa potência (<100W), lasers de média potência (100W a 1500W) e lasers de alta potência (>1500W).
Classificação de lasers
Fornecedor de laser
Alguns dos principais fornecedores de laser do mercado incluem Coherent, IPG Photonics, n-Light, Newport Corporation, TRUMPF, Rofin (agora uma subsidiária da Coherent), DILAS, SPI Lasers (agora propriedade da TRUMPF), Mitsubishi Electric, Kawasaki Heavy Industries , MAX Photonics, JPT Optoelectronics, Raycus Fiber Lasers, Fei Bo Laser, Guoke Laser, Anpin Laser e HFB Laser.
Você também pode consultar os principais fabricantes de máquinas de corte a laser para referência.
