Los láseres de fibra tienen una amplia gama de aplicaciones y los tipos de subdivisión pueden satisfacer necesidades especiales.
Existen muchos métodos de clasificación para los láseres de fibra, entre los cuales los más comunes se clasifican por modo de trabajo, rango de banda y elementos de tierras raras con dopaje medio.
Los láseres generalmente se denominan según una o dos de estas tres categorías.
Por ejemplo, la serie YLM-QCW de IPG se traduce en láseres de fibra dopados con iterbio casi continuos.
Los láseres de fibra tienen una amplia gama de aplicaciones.
Los diferentes láseres subdivididos tienen diferentes características y campos de aplicación adecuados.
Por ejemplo, el rango de infrarrojo medio es seguro para los ojos humanos y puede ser absorbido fuertemente por el agua. Es una fuente 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 usa ampliamente en el campo de la comunicación por fibra óptica;
Por su visibilidad, el láser verde es imprescindible en el entretenimiento y la proyección.
Fig. 1 Diagrama de aplicación de subdivisión y clasificación de láser correspondiente a industrias relevantes
La potencia máxima del láser pulsado es alta y la velocidad de procesamiento del láser casi continuo es rápida.
Según el modo de trabajo, los láseres de fibra se pueden dividir en láseres de fibra de modo bloqueado, láseres de fibra con conmutación Q, láseres de fibra casi continuos y láseres de fibra continuos.
Los enfoques técnicos para realizar un láser de fibra pulsada incluyen principalmente la tecnología de conmutación Q, la tecnología de bloqueo de modo y la tecnología de amplificación de potencia de oscilación principal de fuente semilla (MOPA).
La tecnología de bloqueo de modo puede lograr una salida de pulso de femtosegundo o picosegundo, y la potencia máxima del pulso es alta, generalmente del orden de megavatios, pero la potencia promedio del pulso de salida es baja;
- El láser de fibra conmutada puede obtener un láser pulsado con un ancho de pulso de nanosegundos, una potencia máxima de kilovatios y una energía de pulso de megajulios.
- El ancho de pulso del láser casi continuo es de microsegundos, y la fuente de bombeo suministra energía continuamente al láser continuo para producir una salida de láser durante un tiempo prolongado.
Fig. 2 Modo de trabajo del láser de fibra y ancho de pulso
El láser de fibra CW es el principal producto del láser de alta potencia.
La salida del láser CW es continua y se utiliza ampliamente en los campos del corte, la soldadura y el revestimiento por láser.
La fuente de bomba láser suministra energía continuamente y produce una salida de láser durante un largo tiempo, para obtener un 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 trabajo es que la excitación del material de trabajo y la correspondiente salida del láser se pueden realizar de forma continua durante 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 láseres, los láseres de fibra continua pueden alcanzar una potencia relativamente alta. IPG ha producido un láser de fibra continua monomodo de 20.000 vatios, que se utiliza a menudo en los campos del corte, la soldadura y el revestimiento por láser.
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 de pulso de potencia máxima continua y alta al mismo tiempo.
Según el sitio web oficial de IPG, la potencia máxima y la potencia promedio del láser CW tradicional son siempre las mismas en modo CW y CW/modulación, mientras que la potencia máxima del láser cuasi-CW en modo pulso es 10 veces mayor que la del láser promedio. fuerza.
Por lo tanto, se pueden generar pulsos de microsegundos y milisegundos con alta energía en frecuencias de repetición de decenas de hercios a miles de hercios, y se puede alcanzar una potencia promedio y una potencia máxima 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 en la eficiencia de conversión fotoeléctrica y puede alcanzar más del 30% de eficiencia de conversión electroóptica bajo un esquema de enfriamiento pasivo.
Debido a su alta potencia promedio y tasa de repetición de pulsos, su velocidad de procesamiento es de 3 a 4 veces mayor que la de la mayoría de los láseres.
La significativa reducción del coste energético, la ausencia de consumibles y repuestos, la baja demanda de mantenimiento y la ausencia de requisitos de tiempo de precalentamiento conducirán a la optimización de costes.
El láser de fibra pulsada puede comprimir energía y producir potencia máxima.
Los láseres de fibra pulsada se dividen en láseres de fibra con conmutación Q y láseres de fibra con modo bloqueado.
La tecnología de conmutación Q comprime la energía láser en un intervalo de tiempo corto para formar una salida láser con una potencia máxima alta y un ancho de pulso estrecho.
El principio de la conmutación Q es agregar un dispositivo con pérdida ajustable al láser.
En la mayoría de las zonas climáticas, la pérdida del láser es muy grande y casi no hay salida de luz.
En poco tiempo, reduzca la pérdida del dispositivo, de modo que la salida del láser sea un pulso corto y 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 conmutado Q tiene las características de alta potencia máxima, alta energía de pulso único y diámetro de punto opcional.
Es ampliamente utilizado en marcado, procesamiento de precisión, marcado gráfico, grabado profundo, corte de precisión de láminas, perforación y otros campos de acero inoxidable no metálico, oro, plata, cobre, aluminio y materiales sin alta reflexión.
En términos de aplicación de marcado, en comparación con el láser de CO2 , el costo 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 del pulso generado por el bloqueo del modo activo es amplio, generalmente del orden de picosegundos;
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 modo es tomar las medidas adecuadas para que los modos longitudinales mutuamente independientes en el resonador tengan una determinada relación de fase.
Incluso si la diferencia de fase de los modos longitudinales adyacentes es constante, el láser producirá pulsos con un ancho de pulso extremadamente estrecho y una potencia máxima alta.
El láser de pulso de modo bloqueado tiene las ventajas de una excelente calidad del haz, un ancho de pulso ultracorto y una alta energía de pulso.
Es adecuado para el micromecanizado de diversos materiales, incluidos metal, vidrio, cerámica, silicio y plásticos.
En el campo médico, los láseres de modo bloqueado también se utilizan en bisturís láser o en cirugía oftálmica.
Por ejemplo, los efectos fotoquímicos también se utilizan para algunos cuidados de la piel.
Debido a las características de pulso corto y la alta potencia máxima, los láseres de modo bloqueado se utilizan ampliamente en diversos métodos de obtención de imágenes, microscopía y espectroscopia.
También se utilizan en las áreas de medición de muestreo electroóptico, medición de distancia, medición de frecuencia y temporización en circuitos electrónicos integrados.
La luz infrarroja cercana es la 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 una longitud de onda entre 960 nm y 2,05 μm.
En orden de longitud de onda, de corta a larga, la categoría de láser abarca todos los tipos de láser, desde rayos X hasta infrarrojo lejano, con longitudes de onda que van desde 0,001 nm hasta 1000 micrones.
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 producir luz visible duplicando la frecuencia, y la aplicación principal es la luz verde;
La luz del infrarrojo medio se puede emitir dopando flúor en la fibra óptica.
Fig.3 Lista de diferentes longitudes de onda de fibra óptica
Tabla 1. Láseres por longitud de onda
| Nombre | rango de onda | Productos principales |
| Láser infrarrojo lejano | 30 ~ 1000 micras | Láser de gas molecular, láser de electrones libres. |
| Láser de infrarrojo medio | 3 ~ 30 micras | Láser de gas molecular CO2 |
| Láser 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 He Ne, láser de iones de argón, láser de iones de criptón |
| Láser casi ultravioleta | 200 nm ≈ 400 nm | Láser molecular de nitrógeno, láser excímero de fluoruro de xenón, láser excímero de fluoruro de criptón (KrF) |
| Láser ultravioleta de vacío | 5 nm ~ 200 nm | Láser excímero de hidrógeno (H), láser excímero de xenón (Xe) |
| láser de rayos x | 0,001 nm ~ 5 nm |
El láser de fibra de infrarrojo medio es seguro para los ojos humanos y es una fuente de láser médico ideal.
La longitud de onda del láser de infrarrojo medio es principalmente de 23 a 3,9 micrones, 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 ver que el ion dopado con holmio (Ho3+) y el ion dopado con erbio (Er3+) pueden generarse directamente mediante excitación en condiciones promedio apropiadas.
El láser de fibra de vidrio de flúor tiene una alta eficiencia y una potencia de salida en el rango de 2,3 ~ 3,5 μm, mientras que la longitud de onda es superior a 3,5 μm.
Hay muy pocos materiales que puedan satisfacer la baja energía de fonones necesaria para la transmisión por fibra óptica y la radiación de transición de iones de tierras raras.
El láser de fibra de flúor Ho3+ dopado simple produce un láser de banda de 3,9 μm a baja temperatura, que es la longitud de onda de salida directa más larga en la actualidad.
Fig.4 Relación entre la potencia de salida máxima 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 de infrarrojo medio puede abrir la ventana atmosférica y se usa ampliamente en guía, posicionamiento y medición de láser.
En asuntos militares, la aplicación de energía láser direccional y la transmisión a larga distancia a través de la ventana de transmisión atmosférica requiere una fuerte energía del haz.
En la contramedida de misiles infrarrojos, el láser de infrarrojo medio puede obtener una ventana de transmisión atmosférica de banda de 3 ~ 5 μm.
El láser de fibra de infrarrojo medio con varios kilovatios de salida monomodo puede usarse aún más ampliamente en plataformas de guerra de defensa nacional, como misiles anticrucero, guía 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 médico debido a su fuerte directividad y seguridad para los ojos humanos.
La banda láser de infrarrojo medio es segura para los ojos humanos y puede absorberse fuertemente con el agua.
Debido a la fuerte direccionalidad del láser, la profundidad de penetración del tejido puede ser superficial y el área de daño físico puede ser muy pequeña en la cirugía con láser, para lograr una alta precisión.
En la medicina moderna, el láser de infrarrojo medio en aplicaciones médicas utiliza principalmente el efecto fototérmico para tratar o eliminar tejido enfermo.
Ha sido ampliamente utilizado en ortopedia, gastroenterología y urología.
Se ha convertido en una fuente de luz láser médica ideal para la ablación y corte de tejido urinario, la vaporización y la extirpación de órganos defectuosos.
En el proceso de corte de tejidos ricos en lípidos, huesos y proteínas, el uso de láser de infrarrojo medio provocará daños menores.
El láser de fibra verde tiene un alto brillo espectral y una eficiencia de conversión del 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 porque su medio de activación no emite directamente el rayo láser de 532 nm, este tipo de láser de fibra proporciona un rango estrecho de duración del 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 del 84 % y más del 20 % de eficiencia de conversión electroóptica.
Es factible actualizar a alta potencia a 355 y 266 nm.
El láser verde se usa ampliamente en impresión, tratamiento médico, almacenamiento de datos, ejército, biología y otros campos.
Por ejemplo, el láser de fibra verde de IPG se puede utilizar en imágenes de partículas, medición de velocidad/visualización de flujo, diagnóstico y cirugía de imágenes, captura óptica/pinzas ópticas, fabricación de células solares, inspección de fabricación y control de calidad, 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 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 agrega impurezas como iones de tierras raras al 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 la bomba se acopla primero al medio de ganancia dopado con iones de tierras raras a través del sistema de acoplamiento, y luego los iones de tierras raras en el núcleo dopado absorben la energía fotónica de la bomba y producen una transición de nivel de energía.
Por ejemplo, los iones de tierras raras como erbio (Er3+), praseodimio (Pr3+), tulio (Tm3+), neodimio (Nd3+) e iterbio (Yb3+) se pueden usar como dopantes para fabricar fibras ópticas y luego fabricarse usando una fibra dopada. amplificador (XDFA) y láser de fibra (XDFL).
Los diferentes elementos de tierras raras funcionan en diferentes rangos de longitud de onda, pero se encuentran en el rango del infrarrojo cercano.
Fig. 5 Longitudes de onda operativas de iones de tierras raras en núcleos comúnmente dopados.
El láser de fibra dopado con iterbio es la fuerza líder en la industria del láser.
El láser de fibra dopado con iterbio se ha desarrollado rápidamente debido a su alta estabilidad, buena calidad del haz y alta eficiencia de inclinación.
La fibra dopada con iterbio tiene muchas ventajas.
El láser de fibra desarrollado con fibra dopada con iterbio tiene una alta eficiencia de inclinación y conversión óptica, y puede lograr una salida de láser de alta potencia en la banda de 1 m.
Por lo tanto, ha atraído mucha atención y se ha desarrollado rápidamente.
Se ha convertido en la principal fuerza rectora de la industria del láser y tiene buenas perspectivas de aplicación en procesamiento industrial, tratamiento médico, defensa nacional y otros campos.
La mayoría de los productos láser de Ruike utilizan fibra dopada con iterbio.
Cuadro 2. Comparación de los principales productos de fibra óptica dopada con espejos de empresas nacionales y extranjeras
| Empresa | Adoptar tecnología | Estado/precio del producto | Diámetro del núcleo (μm) | Diámetro del revestimiento | Apertura numérica central NA |
| Nufern | Fibra dopada con espejo de campo en modo súper grande (tres recubrimientos) | VenderUSD 1030/M | 290,0±20,0 | 400±18 | 0,110±0,010 |
| Noche | Fibra dopada con iterbio de doble revestimiento con campo modo grande | Vender | 20,0±1,5 | 400±10,0 | 0,070±0,005 |
| Fibra óptica Changfei | Fibra de iterbio de doble capa con campo modo grande | Vender | 20,0±2,0 | 400±15,0 | 0,06±0,01 |
| Tecnología de faro | Fibra dopada con iterbio de doble capa | Vender | 20,0±2,0 | 400±5,0 | 0,075±0,005 |
| Wuhan Ruixin | Fibra dopada con iterbio de doble revestimiento con campo modo grande | Vender | 20,0±1,5 | 400,0±10,0 | 0,065±0,005 |
Los láseres de fibra dopada con iterbio se utilizan principalmente en láseres continuos y láseres de conmutación Q pulsados.
Debido a la estructura simple del nivel de energía del ion iterbio y la pequeña pérdida de partículas, el láser tiene una alta eficiencia de conversión y un bajo efecto térmico bajo operación de alta potencia, y el ancho de banda de ganancia es grande (975 nm ~ 1200 nm).
Al mismo tiempo, la vida útil del ion iterbio es relativamente larga, generalmente alrededor de 1 milisegundo.
Estos factores conducen a la tecnología de conmutación Q.
Por lo tanto, la salida de pulsos ultracortos se realizó con láser pulsado.
En el aspecto del láser CW, la potencia de salida del láser de fibra dopada con iterbio ha alcanzado el orden de 10.000 vatios.
El láser de fibra dopado con erbio es una ventana de comunicación de fibra óptica única
El láser de fibra dopado con erbio tiene las características de longitud de onda segura y energía de pulso ultraalta. El láser de fibra dopado con erbio puede realizar un funcionamiento monomodo, 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, para realizar un láser de pulso ultracorto.
Debido a sus características únicas para la seguridad del ojo humano (“seguridad del ojo humano” se refiere al hecho de que el láser con una longitud de onda de 1,5 μm es significativamente menor que el límite de daño para el ojo humano), tiene una amplia gama de aplicaciones prácticas en las áreas de comunicación óptica en espacio libre, lidar, detección ambiental, calibración de piezas y procesamiento industrial.
La fibra dopada con erbio se ha utilizado ampliamente en el campo de las comunicaciones por fibra óptica debido a su adecuada longitud de onda.
Como la fibra dopada con erbio tiene una alta ganancia en la longitud de onda de 1550 nm, su perfil espectral de ganancia de aproximadamente 40 nm corresponde a la mejor ventana de bajas pérdidas en la comunicación por fibra óptica, que tiene un valor de aplicación potencial.
El láser de fibra dopado con tulio puede mejorar las características de absorción de materiales acuosos
El láser de fibra dopada con tulio tiene las características de umbral bajo, alta eficiencia y buena calidad del haz.
El láser de fibra dopado con tulio es el punto de investigación del láser de fibra en el campo de longitud de onda seguro para los ojos humanos, y el láser de fibra dopado con tulio puede funcionar en la banda S (150 – 75 mm).
Desempeña un papel muy importante en el desarrollo del espacio de frecuencia de los recursos de comunicación potenciales y en la mejora de la capacidad del sistema de comunicación de fibra óptica.
Los láseres de fibra dopados con tulio continuos y de conmutación Q se han desarrollado hasta alcanzar una potencia media más alta en los últimos años.
Actualmente, varios proveedores pueden ofrecer láseres pulsados comerciales con una potencia media de 10 W.
El láser de fibra dopado con tulio se usa ampliamente en el tratamiento con láser médico, lidar, teledetección de luz espacial y otros campos.
La longitud de onda de salida del láser de fibra dopada con tulio es de aproximadamente 2 μm.
La fuerte banda de absorción del agua líquida es de aproximadamente 1950 nm, que está cerca de la longitud de onda del láser de fibra de tulio estándar, por lo que las características de absorción mejoran significativamente.
El agua generalmente existe en muchos compuestos orgánicos e inorgánicos, lo que significa que una gran cantidad de materiales mejoran las características de absorción en el rango espectral de 2 μm.
Por lo tanto, el láser de fibra dopado 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 dopado con tulio también tiene muchas aplicaciones, incluida la vaporización acelerada, la tecnología de corte ultrafino y la hemostasia de la coagulación en medicina.
El láser de fibra dopado con tulio de alta potencia no solo se puede usar para la longitud de onda segura de los ojos humanos y la fuente de luz lidar, sino que también se puede usar como una fuente de bomba láser de cristal de estado sólido para lograr aún más la salida del láser infrarrojo. con longitud de onda más larga.
Fig.6 Características de absorción del agua líquida a diferentes longitudes de onda.
El láser de fibra tiene excelentes ventajas de rendimiento y un efecto de reemplazo obvio.
El láser de dióxido de carbono tiene una baja eficiencia de conversión de luz y un alto costo.
El láser de dióxido de carbono es un tipo de láser molecular.
Es uno de los láseres CW de alta potencia más comunes.
El material principal es la molécula de dióxido de carbono.
La estructura principal del láser de CO2 incluye un tubo láser, un resonador óptico, una fuente de alimentación y una 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.
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. Después de ingresar la fuente de alimentación de CC, las moléculas de nitrógeno en el gas mezclado serán excitadas por el impacto de los electrones.
Cuando las moléculas de nitrógeno excitadas chocan 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 del nivel de baja energía al nivel de alta energía para formar una inversión del número de partículas y emitir láser.
Fig.8 Diagrama esquemático del proceso de emisión del láser de dióxido de carbono.
El láser de fibra óptica y de dióxido de carbono tiene sus propias ventajas, por lo que se deben seleccionar diferentes herramientas según las diferentes necesidades.
De las tecnologías de corte más utilizadas actualmente, el láser de fibra y el láser de CO 2 tienen sus propias ventajas y desventajas ante los requisitos de aplicación específicos.
No pueden reemplazarse completamente, pero deben complementarse y coexistir.
En cuanto a los tipos de materiales de procesamiento, debido al efecto de absorción, los láseres de fibra no son adecuados para cortar materiales no metálicos, mientras que los láseres de CO2 convencionales no son adecuados para cortar materiales de alta reflectividad como el cobre y el aluminio;
En cuanto a velocidad de corte, el CO 2 tiene ventajas en chapas de espesor > 6mm, mientras que el láser de fibra corta la chapa más rápido;
Es necesario perforar la pieza de trabajo antes del corte con láser, y la velocidad de perforación del CO2 es significativamente más rápida que la del láser de fibra;
En términos de calidad de la sección de corte, el láser de CO2 es mejor que el láser de fibra en su conjunto.
Tabla 3. Comparación entre láser de fibra y 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 cortante | Ventajas obvias por debajo de 3 mm | El dióxido de carbono tiene ventaja cuando es superior a 6 mm. |
| Eficiencia de penetración | La velocidad es relativamente lenta. | Cuanto mayor sea el grosor, más evidente será la ventaja. |
| Calidad de la sección | un poco peor | Mejor rugosidad y verticalidad. |
El láser de fibra tiene una mayor eficiencia de conversión de luz y un menor costo.
Según el cálculo, el costo de usar el láser de fibra es de 23,4 yuanes/hora, el costo de usar el láser de dióxido de carbono es de 39,1 yuanes/hora, entre los cuales el costo de energía del láser de fibra es de 7 yuanes/hora, el costo de enfriamiento por agua es de 8,4 yuanes /hora, y otros costos son 8 yuanes/hora;
El costo de energía del láser de dióxido de carbono es de 21 yuanes/hora, el costo de enfriamiento por agua es de 12,6 yuanes/hora y otros costos son de 5,5 yuanes/hora.
Tabla 4. Comparación de costos entre el láser de fibra y el láser de dióxido de carbono
| láser de fibra | láser de dióxido de carbono | |
| Potencia (kilovatios) | 3 | 3 |
| Eficiencia de conversión de luz | 30% | 10% |
| Consumo de energía (kilovatios) | 10 | 30 |
| Precio de la electricidad (yuanes/kWh) | 1 | 1 |
| Duración de la carga | 70% | 70% |
| Costo de energía (yuanes/hora) | 7 | 21 |
| Potencia del equipo de refrigeración por agua (kw) | 12 | 18 |
| Precio de la electricidad (yuanes/kWh) | 1 | 1 |
| Duración de la carga | 70% | 70% |
| Costo de refrigeración por agua (yuanes/hora) | 8.4 | 12.6 |
| Costo de los consumibles (yuanes/hora) | 3 | 2.5 |
| Costo de consumo del módulo (yuanes/hora) | 5 | |
| Costo de medios (yuanes/hora) | 1 | |
| Solución puntual convencional (yuanes/hora) | dos | |
| Otros costos (yuanes/hora) | 8 | 5.5 |
| Costo de uso (yuanes/hora) | 23.4 | 39.1 |
El láser YAG tiene una baja eficiencia de conversión de energía o se reemplaza gradualmente.
El láser YAG generalmente se refiere a Nd. El láser YAG (cristal de granate de itrio y aluminio dopado con rubidio) pertenece al láser de estado sólido.
El contenido de átomos de rubidio en el cristal es de 0,6~1,1%, lo que puede producir un láser pulsado o un láser continuo, y la luz emitida es infrarroja con una longitud de onda de 1,064μm.
Dakota del Norte. El láser YAG generalmente utiliza una lámpara de criptón o xenón como lámpara de bomba, porque los iones Nd solo absorberán algunas longitudes de onda específicas de la luz de la bomba y la mayor parte de la energía se convertirá en energía térmica.
Generalmente, la eficiencia de conversión de energía del láser YAG es baja.
Fig. 9 Estructura simple del láser Nd:YAG
Con el desarrollo del láser de fibra, el láser YAG puede ser reemplazado gradualmente.
El láser YAG se utiliza principalmente en procesos de corte y soldadura en la industria, pero con el desarrollo del láser de fibra, el láser YAG puede ser reemplazado gradualmente por el láser de fibra.
En el área de corte, el láser YAG tiene un bajo costo de compra y puede cortar materiales altamente reflectantes, pero tiene baja potencia de procesamiento, alta tasa de consumo de energía y baja velocidad de corte, mientras que el láser de fibra tiene alta eficiencia energética, sin ajuste ni mantenimiento;
En el campo de la soldadura, tras la aparición del láser de fibra cuasicontinua, comenzó a sustituir rápidamente al láser Nd:YAG pulsado.
En comparación con el láser YAG, el láser de fibra cuasi-CW puede entregar energía de pulso de varios julios a decenas de julios con un ancho de pulso de microsegundos a milisegundos.
Su alta potencia promedio y frecuencia de repetición de pulsos mejoran significativamente la velocidad de procesamiento y la eficiencia de producción.
Equivale a tener las ventajas de perforación y soldadura del láser YAG y la capacidad de corte del láser de CO2 al mismo tiempo.
Tiene una gama más amplia de aplicaciones.
Tabla 5. Láser YAG vs. láser de fibra
| Láser | láser YAG | láser de fibra |
| Composición principal | Lámpara de bomba, Nd:YAG, sistema resonante | Bomba semiconductora, sistema de resonancia de fibra óptica, sistema de transmisión. |
| eficiencia del tomacorriente de pared | 4%~5% | Al rededor de 30% |
| Ángulo de mecanizado | Bajo coste de adquisición, capaz de cortar materiales altamente reflectantes. | La potencia de corte es alta, la eficiencia es rápida y se puede obtener alta potencia en un paquete pequeño |
| Perspectiva de costos | La tecnología madura es relativamente barata | Con el desarrollo gradual de la tecnología, el consumo de energía es pequeño. |
| Ángulo de mantenimiento | Sin lente óptica, libre de ajustes y mantenimiento. |
Todavía existen limitaciones en la tecnología de láseres semiconductores en esta etapa.
Los láseres semiconductores, también conocidos como diodos láser, utilizan materiales semiconductores como materiales de trabajo.
Los materiales de trabajo comunes incluyen arseniuro de galio y sulfuro de cadmio.
Hay 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 baja eficiencia y su alto consumo de energía.
Se utilizan ampliamente en comunicación láser, terapia con láser y otros campos.
Además, los láseres semiconductores se utilizan generalmente como fuente de bombeo de láseres de fibra.
Tomando como ejemplo el láser semiconductor de inyección eléctrica, generalmente se agregan GaAS (arseniuro de galio), InAS (arseniuro de indio), Insb (antimonuro de indio) y otros materiales al material semiconductor para fabricar un diodo de unión de superficie semiconductora.
Cuando se inyecta una corriente suficientemente grande en el diodo, los electrones (con carga negativa) y los huecos (con carga positiva) en la región activa intermedia se componen espontáneamente y liberan el exceso de energía en forma de fotones.
Luego, el láser se forma después del cribado y amplificación del resonador.
Fig. 10 Diagrama esquemático de la estructura simple del láser semiconductor.
El láser semiconductor directo tiene características obvias y una amplia gama de aplicaciones posteriores.
El láser semiconductor directo tiene una estructura compacta, un bajo costo de mantenimiento y una eficiencia de conversión electroóptica de hasta el 47%. Se utiliza principalmente en la industria para soldadura y revestimiento.
Los láseres semiconductores de baja potencia se utilizan principalmente en la soldadura de plástico y estaño.
A través de la soldadura de salida de fibra óptica, se realiza una operación remota sin contacto, lo cual es conveniente para la integración con la línea de producción automática;
El semiconductor directo de clase kilovatio se puede utilizar para soldar y enchapar hardware.
Tiene las características de un gran punto de luz y una alta tasa de conversión electroóptica.
Fuera de la industria, los láseres semiconductores también se utilizan ampliamente en el ejército, la información, la medicina y las ciencias biológicas.
Tabla 6. Aplicaciones del láser semiconductor directo
| Campo | Solicitud de subdivisión | Escenario de aplicación |
| Industria | Soldadura | Procesamiento de plástico, soldadura de hardware. |
| Revestimiento | Acero, aeroespacial | |
| Militar | Radar | Sistema lidar, sistema automático de identificación y corrección |
| Orientación y espoleta | Guía por rayo láser, mira láser y mira de advertencia | |
| Información | Comunicación de señal | Fuente de luz de comunicación de fibra óptica |
| Búsqueda de información | Análisis espectral, computación óptica y red neuronal óptica. | |
| Cuidados médicos | Operación clínica | Resección de tejidos blandos y unión de tejidos. |
| investigación en ciencias biológicas | Pinzas ópticas |
Los láseres semiconductores tienen potencial para aplicaciones de procesamiento, pero están limitados por defectos técnicos.
Las investigaciones muestran que el láser semiconductor directo tiene un gran potencial de aplicación en el procesamiento de materiales y tiene mejor velocidad y calidad de corte que el láser de fibra y el láser de dióxido de carbono.
Sin embargo, la mayor desventaja de los láseres semiconductores es la mala calidad del haz con una potencia láser elevada.
Actualmente, los láseres semiconductores industriales se limitan a algunos procesos, como la galvanoplastia, la soldadura fuerte y la soldadura de potencia cada vez más alta.
Por lo tanto, es poco probable que los láseres semiconductores revolucionen todo el campo del procesamiento de materiales o reemplacen otras fuentes de luz en los próximos años.
Tabla 7. Comparación de los procesos de corte con láser semiconductor directo, láser de fibra y láser de dióxido de carbono
| Láser semiconductor directo | láser de fibra | láser de dióxido de carbono | |
| Banda común (μ m) | 0,97 | 1.07 | 10.6 |
| Tasa de conversión electroóptica | 47% | 30% | 10% |
| Absortividad del metal | 0,97 | 1.07 | 10.6 |
| Velocidad de corte de hoja | 47% | 30% | 10% |
| Espesor máximo de corte (mm) | 15 | 12 | 25 |
| Calidad de corte (por encima de 4 mm) | más alto | más alto | Más bajo |
| Calidad del haz de salida | El más rápido | Mas rápido | Más lento |
Según el análisis anterior, creemos que, en comparación con el láser de CO2 y el láser YAG, el láser de fibra tiene ventajas obvias de costo y aplicación o será reemplazado gradualmente.
Al mismo tiempo, los láseres semiconductores siguen estando limitados por obstáculos técnicos.
Actualmente tienen limitaciones y es poco probable que reemplacen a otras fuentes de luz en los próximos años.
Por lo tanto, existe un amplio margen para mejorar la permeabilidad del láser de fibra.
