¿Qué es el láser?
El láser es considerado uno de los cuatro grandes inventos del siglo XX. A diferencia de la luz natural, la luz láser es una invención humana basada en la teoría cuántica.
Lo que diferencia la luz láser de la luz natural son sus características únicas y el proceso mediante el cual se genera. A menudo se hace referencia al láser como “el cuchillo más rápido, la luz más brillante y la regla más precisa”.
En comparación con la luz natural, la luz láser es muy intensa, muy monocromática, muy coherente y muy direccional.
La luz láser es el resultado de la radiación estimulada atómica. Cuando los átomos son excitados por la energía de la fuente de la bomba, pueden pasar a un estado de alta energía. Si encuentran un fotón externo con una frecuencia específica, liberarán un fotón idéntico. Este proceso hace que más átomos hagan la transición y produzcan el mismo fotón, lo que da como resultado una radiación estimulada y la producción de luz láser.
La frecuencia, fase, dirección de propagación y estado de polarización de los fotones producidos por la radiación estimulada y los fotones externos son exactamente los mismos, razón por la cual la luz láser tiene características únicas de alta intensidad, alta monocromaticidad, alta coherencia y alta direccionalidad.
Diagrama esquemático de la transición del nivel de energía atómica.
Diagrama esquemático del proceso de radiación estimulada.
Características del láser
- Buena directividad
- Buena monocromaticidad
- Alta resistencia
- Alta coherencia
Historia del láser
El uso comercial de la tecnología láser comenzó en la década de 1970 y desde entonces se ha desarrollado rápidamente. En 1917, Einstein propuso por primera vez el concepto de radiación estimulada. El primer láser de rubí de estado sólido del mundo se presentó en 1960.
Durante la década de 1970, la tecnología láser entró en la era comercial y ha seguido creciendo y expandiéndose desde entonces. Tras estudiar la interacción entre los rayos láser y la materia, la aplicación de la tecnología láser se ha ampliado y ampliado, especialmente en el sector industrial. En la década de 1990, las aplicaciones industriales de la tecnología láser entraron en una etapa de desarrollo de alta velocidad.
Historia del desarrollo de la tecnología láser.
Dos aplicaciones de láser
La alta intensidad, buena monocromaticidad, buena coherencia y buena directividad de la luz láser determinan sus dos principales escenarios de aplicación: láser de energía y láser de información.
Potencia del láser:
La tecnología láser es conocida por su alta densidad de energía, lo que la hace ideal para diversas aplicaciones, como procesamiento de materiales, armas, tratamientos médicos, entre otras.
Información láser:
La buena monocromaticidad y directividad del láser lo hacen adecuado para la transmisión de información (comunicación óptica) y la medición de distancias (medición óptica). La comunicación óptica tiene varias ventajas sobre la comunicación eléctrica tradicional, como alta capacidad, capacidad de transmisión a larga distancia, mayor confidencialidad y naturaleza liviana.
Equipos de procesamiento láser
El procesamiento láser es un excelente ejemplo de tecnología de procesamiento de precisión, cuyo crecimiento está impulsado en gran medida por la sustitución de los métodos de procesamiento tradicionales.
En comparación con otros métodos de procesamiento, el procesamiento láser ofrece varias ventajas, que incluyen alta eficiencia, alta precisión, bajo consumo de energía, mínima deformación del material y facilidad de control.
Estas ventajas pueden atribuirse a dos características principales del procesamiento láser: mecanizado sin contacto y alta densidad de energía.
Mecanizado sin contacto:
En el procesamiento láser, el calor generado por la interacción entre el láser y el material completa el procesamiento, sin contacto físico entre la herramienta de procesamiento y el material. Esto elimina los efectos de la fuerza sobre el material procesado y da como resultado una tensión residual relativamente baja. Además, el pequeño diámetro del rayo láser permite una alta precisión.
Alta densidad de energía:
La densidad de potencia del procesamiento láser puede alcanzar más de 107 W/cm^2, que es miles o incluso decenas de miles de veces mayor que otros métodos de procesamiento como la llama y el arco. Esta mayor densidad de potencia permite que el láser procese un área pequeña de material sin afectar el área circundante, lo que conduce a una mayor precisión y eficiencia del procesamiento.
Ventaja multipunto
- Alta eficiencia
- Alta precisión
- Bajo consumo de energía
- Pequeña deformación
- Fácil de controlar
Láser: la unidad central de los equipos láser.
El láser es un componente crucial en la generación de luz láser y es el componente principal de los equipos láser.
El valor del láser suele representar entre el 20 y el 40 % del valor total de un conjunto completo de equipos de procesamiento láser y, en algunos casos, puede ser incluso mayor.
En el láser es donde se producen los procesos de bombeo y radiación estimulada. Un láser típico consta de varias partes, incluido el material de trabajo del láser (que emite energía), la fuente de bombeo (que suministra energía) y el resonador óptico (que facilita la propagación de energía).
Diagrama de estructura básica del láser.
tipos de láser
Existen varios métodos para clasificar los láseres, pero cuatro de ellos son los más utilizados:
Sustancia de trabajo:
Los láseres se pueden clasificar según el tipo de sustancia de trabajo que utilizan, incluidos láseres de gas, láseres sólidos, láseres líquidos (tinte), láseres semiconductores, láseres excimer y otros.
Láser de gas:
Los láseres de gas utilizan gas como material de trabajo. Ejemplos de láseres de gas comunes incluyen láseres de CO , láseres de He-Ne, láseres de iones de argón, láseres de He-Cd, láseres de vapor de cobre y varios láseres excimer. Los láseres de CO 2 se utilizan especialmente en la industria.
Láser de CO2
Láseres de estado sólido:
En los láseres de estado sólido, los iones metálicos capaces de producir una emisión estimulada se dopan en un cristal y se utilizan como material de trabajo. Los cristales de uso común incluyen rubí, corindón, granate de aluminio (comúnmente conocido como YAG), tungstato de calcio, fluoruro de calcio, aluminato de itrio y berilato de lantano. Actualmente, YAG es el cristal más utilizado en láseres de estado sólido.
Láser de estado sólido
Láser líquido:
En los láseres líquidos, la sustancia de trabajo es una solución formada al disolver tintes orgánicos en líquidos como etanol, metanol o agua.
Láseres semiconductores:
Los láseres semiconductores, también conocidos como diodos láser, utilizan materiales semiconductores como materiales de trabajo, como arseniuro de galio (GaAs), sulfuro de cadmio (CDS), fosfuro de indio (INP) y sulfuro de zinc (ZnS).
Láseres semiconductores
Láser de fibra:
Un láser de fibra utiliza fibra de vidrio dopada con elementos de tierras raras como material de trabajo. Los láseres de fibra son láseres que utilizan fibra como medio para generar luz láser.
láser de fibra
El láser de fibra es conocido como el “láser de 3ª generación” debido a su excepcional rendimiento:
(1) El pequeño volumen, la flexibilidad, la baja relación volumen-área y la alta tasa de conversión fotoeléctrica de la fibra dan como resultado un láser de fibra miniaturizado, intensificado y altamente eficiente en términos de disipación de calor y conversión fotoeléctrica.
(2) La salida láser de un láser de fibra se puede obtener directamente de la fibra, lo que hace que el láser de fibra sea altamente adaptable a aplicaciones de procesamiento en cualquier espacio.
(3) La estructura del láser de fibra, que no tiene lentes ópticas en la cavidad resonante, ofrece ventajas como facilidad de uso, bajo mantenimiento y alta estabilidad.
(4) La calidad del haz de un láser de fibra también es excepcional.
| tipos de láser | tipo tipico | Longitud de onda láser | Potencia máxima de salida | Eficiencia de conversión de energía | Características |
| láser de gas | Láser de CO2 | Aproximadamente 10,6 um de infrarrojos | 1-20kw | 8%~10% | Buena monocromaticidad y alta eficiencia de conversión de energía. |
| Láser líquido | Láser de tinte 6G | UV a IR | – | 5%~20% | La longitud de onda de salida es continuamente ajustable, la potencia de conversión de energía es alta, fácil de preparar y económica. |
| Láseres de estado sólido | Láser YAG/rubí | Visible al infrarrojo cercano | 0,5-5 kilovatios | 0,5%~1% | Baja potencia de salida, baja tasa de conversión de energía y buena monocromaticidad. |
| Láseres semiconductores | Láser de diodo GaAs | 100 nm-1,65 um | 0,5-20 kW, la matriz bidimensional puede alcanzar 350 kW | 20% – 40%, laboratorio 70% | Alto poder de conversión de energía, pequeño volumen, peso ligero, estructura simple, larga vida útil y baja monocromaticidad. |
| láser de fibra | Láser de fibra pulsada/CW | 1.46um-1.65um | 0,5-20 kilovatios | 30%-40% | Miniaturización, intensificación, alta eficiencia de conversión, alta potencia de salida, calidad de luz alta, sin colimación óptica y menos mantenimiento. |
Forma de onda de salida de potencia (modo de trabajo):
Los láseres se pueden clasificar en tres tipos: láser continuo, láser pulsado y láser cuasicontinuo.
Los láseres pulsados se pueden clasificar según el ancho del pulso: láser de milisegundos, láser de microsegundos, láser de nanosegundos, láser de picosegundos, láser de femtosegundos y láser de attosegundos.
Láser continuo:
Este tipo de láser emite una forma de onda de energía estable de forma continua durante su uso, con alta potencia. Es adecuado para procesar materiales con gran volumen y altos puntos de fusión, como placas de metal.
Láser pulsado:
Los láseres pulsados se pueden dividir en láseres de milisegundos, láseres de microsegundos, láseres de nanosegundos, láseres de picosegundos, láseres de femtosegundos y láseres de attosegundos, según el ancho del pulso. Los láseres de femtosegundo y attosegundo se denominan comúnmente láseres ultrarrápidos.
Aunque la potencia de los láseres pulsados es menor en comparación con los láseres continuos, la precisión del mecanizado es mayor. Como regla general, cuanto menor sea el ancho del pulso, mayor será la precisión del mecanizado.
Láser casi continuo:
Este tipo de láser se encuentra entre un láser continuo y un láser pulsado, donde el láser de alta energía puede emitirse repetidamente dentro de un período determinado.
| Método de clasificación | Categoría láser | Características |
|---|---|---|
| Clasificación por modo de trabajo | láser continuo | La excitación del material de trabajo y la correspondiente emisión láser se pueden realizar de forma continua durante un largo intervalo de tiempo. |
| láser pulsado | Se refiere a un láser con un único ancho de pulso láser de menos de 0,25 segundos y que funciona solo una vez en un intervalo determinado. Tiene una gran potencia máxima de salida y es adecuado para marcado, corte y medición por láser. | |
| Clasificación por ancho de pulso | Láser de milisegundos (MS) | 10-3S |
| Láser de microsegundos (EE. UU.) | 10-6S | |
| Láser de nanosegundos (NS) | 10-9S | |
| Láser de picosegundo (PS) | 10-12S | |
| Láser de femtosegundo (FS) | 10-15 S |
Longitud de onda de salida (color):
Los láseres se pueden clasificar en varios tipos según su longitud de onda: láseres de rayos X, láseres ultravioleta, láseres infrarrojos, láseres visibles, etc.
Fuerza:
Los láseres se pueden dividir en tres categorías según su potencia: láseres de baja potencia (<100W), láseres de potencia media (100W a 1500W) y láseres de alta potencia (>1500W).
Clasificación de láseres.
proveedor de láser
Algunos de los principales proveedores de láser del mercado incluyen Coherent, IPG Photonics, n-Light, Newport Corporation, TRUMPF, Rofin (ahora una subsidiaria de Coherent), DILAS, SPI Lasers (ahora propiedad de TRUMPF), Mitsubishi Electric, Kawasaki Heavy Industries. , MAX Photonics, JPT Optoelectronics, Láseres de fibra Raycus, Láser Fei Bo, Láser Guoke, Láser Anpin y Láser HFB.
También puede consultar a los principales fabricantes de máquinas de corte por láser como referencia.
