Os lasers de fibra têm uma ampla gama de aplicações e os tipos de subdivisão podem atender a necessidades especiais.
Existem muitos métodos de classificação para lasers de fibra, entre os quais os mais comuns são classificados por modo de trabalho, faixa de banda e elementos de terras raras dopados com meio.
Os lasers são geralmente nomeados de acordo com uma ou duas dessas três categorias.
Por exemplo, a série YLM-QCW de IPG é traduzida em lasers de fibra dopados com itérbio quase contínuos.
Os lasers de fibra têm uma ampla gama de aplicações.
Diferentes lasers subdivididos têm características diferentes e campos de aplicação adequados.
Por exemplo, a faixa infravermelha média é segura para os olhos humanos e pode ser fortemente absorvida pela água. É uma fonte de laser médico 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 em entretenimento e projeção.
Fig. 1 Diagrama de aplicação da subdivisão e classificação do laser correspondente às indústrias relevantes
A potência de pico do laser pulsado é alta e a velocidade de processamento do laser quase contínuo é rápida.
De acordo com o modo de trabalho, os lasers de fibra podem ser divididos em lasers de fibra com modo bloqueado, lasers de fibra Q-switched, lasers de fibra quase contínuos e lasers de fibra contínuos.
As abordagens técnicas para realizar o laser de fibra pulsado incluem principalmente tecnologia Q-switching, tecnologia de bloqueio de modo e tecnologia de amplificação de potência de oscilação principal (MOPA) da fonte de sementes.
A tecnologia de bloqueio de modo pode atingir saída de pulso de femtosegundo ou picossegundo, e a potência de pico do pulso é alta, geralmente na ordem de megawatts, mas a potência média do pulso de saída é baixa;
- O laser de fibra comutada pode obter laser pulsado com largura de pulso de nanossegundos, potência de pico de quilowatt e energia de pulso de megajoule.
- A largura de pulso do laser quase contínuo é de microssegundos, e o laser contínuo é continuamente fornecido com energia pela fonte da bomba para produzir saída de laser por um longo tempo.
Fig. 2 Modo de trabalho e largura de pulso do laser de fibra
O laser de fibra CW é o principal produto do laser de alta potência.
A saída do laser CW é contínua, amplamente utilizada nas áreas de corte a laser, soldagem e revestimento.
A fonte da bomba de laser fornece energia continuamente e produz saída de laser por um longo tempo, de modo a obter 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 do laser correspondente podem ser realizadas continuamente por um longo intervalo de tempo.
O laser de fibra excitado por fonte de luz contínua é um laser de fibra contínuo.
Comparados com outros tipos de lasers, os 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 frequentemente usado nas áreas de corte a laser, soldagem e revestimento.
O laser de fibra quase CW pode operar em dois modos, o que pode melhorar significativamente a velocidade de processamento
O laser Quasi CW pode funcionar em modo de pulso de potência de pico contínuo e alto 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 no modo CW e CW/modulação, enquanto a potência de pico do laser quase CW no modo pulso é 10 vezes maior 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 potência média e potência de pico de vários quilowatts podem ser realizadas.
O laser de fibra quase CW fornecerá maior eficiência de conversão eletro-óptica e melhorará significativamente a velocidade de processamento e a eficiência de produção.
Comparado com outros sistemas de laser, o laser de fibra quase CW pode fornecer dez vezes o incremento da eficiência de conversão fotoelétrica e pode atingir mais de 30% de eficiência de conversão eletro-óptica sob esquema de resfriamento passivo.
Devido à sua alta potência média e taxa de repetição de pulso, sua velocidade de processamento é 3-4 vezes maior que a da maioria dos lasers.
O custo de energia significativamente reduzido, a ausência de consumíveis e peças de reposição, a baixa demanda de manutenção e a ausência de requisitos de tempo de pré-aquecimento levarão à otimização de custos.
O laser de fibra pulsado pode comprimir energia e produzir potência de pico.
Os lasers de fibra pulsada são divididos em lasers de fibra Q-switched e lasers de fibra com modo bloqueado.
A tecnologia Q-switching comprime 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 da comutação Q é adicionar um dispositivo com 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 pouco tempo, reduza a perda do aparelho, de modo a fazer com que a saída do laser seja um pulso curto e de alta intensidade.
Q-switch é o dispositivo central da tecnologia Q-switched, que pode realizar 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, processamento de precisão, marcação gráfica, gravação profunda, corte de precisão de folhas, perfuração e outros campos de aço inoxidável não metálico, ouro, prata, cobre, alumínio e material de não alta reflexão.
Em termos de aplicação de marcação, em comparação com CO2 laser, o custo é menor e o desempenho é mais estável.
O laser de fibra de pulso bloqueado em modo gera pulsos ultracurtos por bloqueio de modo ativo ou bloqueio de modo passivo.
Limitada pelo tempo de resposta do modulador, a largura de pulso gerada pelo bloqueio do modo ativo é ampla, geralmente na 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 breve princípio do bloqueio de modo é tomar medidas apropriadas para fazer com que os modos longitudinais mutuamente independentes no ressonador tenham uma certa relação de fase.
Mesmo que a diferença de fase dos modos longitudinais adjacentes seja constante, o laser produzirá pulsos com largura de pulso extremamente estreita e alta potência de pico.
O laser de pulso bloqueado de modo tem as vantagens de excelente qualidade de feixe, largura de pulso ultracurta e alta energia de pulso.
É adequado para microusinagem de vários materiais, incluindo metal, vidro, cerâmica, silício e plásticos.
Na área médica, os lasers de modo bloqueado também são usados em bisturis a laser ou em cirurgia oftalmológica.
Por exemplo, efeitos fotoquímicos também são usados para alguns cuidados com a pele.
Devido às características de pulso curto e alta potência de pico, os lasers de modo bloqueado são amplamente utilizados 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.
A luz infravermelha próxima é a principal, e a luz verde e a luz infravermelha distante têm suas próprias características.
O laser emitido diretamente pelo laser de fibra é principalmente luz infravermelha próxima com comprimento de onda entre 960nm-2,05μm.
De acordo com a ordem de comprimento de onda de curto a longo, a categoria de laser abrange todos os tipos de laser, desde raios X até 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.
No entanto, para atender às necessidades de diferentes aplicações, os lasers de fibra podem produzir luz visível por meio da duplicação de frequência, e a principal aplicação é a luz verde;
A luz infravermelha média pode ser emitida dopando 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 | Produtos Principais |
| Laser infravermelho distante | 30 ~ 1000 mícrons | Laser de gás molecular, 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 He Ne, laser de íon de argônio, laser de íon de criptônio |
| Laser quase ultravioleta | 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 | Excimer laser de hidrogênio (H), excimer laser de xenônio (Xe) |
| Laser de raios X | 0,001 nm ~ 5 nm |
O laser de fibra infravermelho médio é seguro para os olhos humanos e é uma fonte de laser médico ideal.
O comprimento de onda do laser infravermelho médio é principalmente de cerca de 23 mícrons a 3,9 mícrons, que precisa de meio de fibra de vidro fluoretado 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 por excitação sob condições médias apropriadas.
O laser de fibra de vidro com flúor tem alta eficiência e potência de saída na faixa de 2,3 ~ 3,5 μm, enquanto o comprimento de onda é superior a 3,5 μm.
Existem muito poucos materiais que podem atender à baixa energia de fônons necessária para transmissão de fibra óptica e radiação de transição de íons de terras raras.
O laser de fibra de flúor Ho3 + dopado único produz laser de banda de 3,9 μm em baixa temperatura, que é o comprimento de onda mais longo 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 na orientação, posicionamento e medição do laser.
Em assuntos militares, a aplicação de energia direcional de laser e transmissão de longa distância através da janela de transmissão atmosférica requer forte energia de feixe.
Na contramedida de mísseis infravermelhos, o laser infravermelho médio pode obter a janela de transmissão atmosférica da banda de 3 ~ 5μm.
O laser de fibra infravermelho médio com vários quilowatts de saída monomodo pode ser ainda mais amplamente utilizado em plataformas de guerra de defesa nacional, como mísseis anti-cruzeiro, orientação de foguetes e reconhecimento do espaço aéreo UAV.
O laser de fibra infravermelho médio tem sido amplamente utilizado na área médica devido à sua forte diretividade e segurança para os olhos humanos.
A banda 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 no tecido pode ser rasa e a área de dano físico pode ser muito pequena na cirurgia a laser, de modo a alcançar alta precisão.
Na medicina moderna, o laser infravermelho médio em aplicações médicas usa principalmente o efeito fototérmico para tratar ou remover tecidos doentes.
Tem sido amplamente utilizado em ortopedia, gastroenterologia e urologia.
Tornou-se uma fonte de luz laser médica ideal para ablação e corte de tecidos urinários, vaporização e remoção de órgãos com falha.
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 verde tem alto brilho espectral e eficiência de conversão de 84%
O laser de fibra pode obter saída de luz verde duplicando a 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 fornece uma faixa estreita de duração de pulso e frequência de repetição de até 600kHz .
A fonte de laser com alto brilho espectral promove conversão eficiente, obtendo 84% de eficiência de conversão e mais de 20% de eficiência de conversão eletro-óptica.
É viável atualizar 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 do IPG pode ser usado em imagens de partículas, medição de velocidade/visualização de fluxo, diagnóstico e cirurgia de imagens, captura óptica/pinças ópticas, fabricação de células solares, inspeção de fabricação e controle de qualidade, holografia e interferometria, entretenimento e projeção, etc. .
A fibra dopada com itérbio é dominante, e a fibra dopada com túlio dopada com érbio tem seu próprio comprimento de onda de trabalho.
O laser de fibra usa principalmente 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 adiciona impurezas, como íons de terras raras, ao 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 primeiro acoplada ao meio de ganho dopado com íons de terras raras através do sistema de acoplamento e, em seguida, os íons de terras raras no núcleo dopado absorvem a energia do fóton da bomba e produzem transição de nível de energia.
Por exemplo, íons de terras raras como érbio (Er3 +), praseodímio (Pr3 +), túlio (Tm3 +), neodímio (Nd3 +) e itérbio (Yb3 +) podem ser usados como dopantes para fazer fibras ópticas e depois feitos 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 estão na faixa do infravermelho próximo.
Fig. 5 Comprimentos de onda operacionais de íons de terras raras em núcleos comumente dopados.
O laser de fibra dopada com itérbio é a força líder na indústria de laser.
O laser de fibra dopada com itérbio desenvolveu-se 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 por 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 1m.
Portanto, atraiu muita atenção e desenvolveu-se rapidamente.
Tornou-se a principal força orientadora na indústria de laser e tem boas perspectivas de aplicação em processamento industrial, tratamento médico, defesa nacional e outros campos.
A maioria dos produtos a laser Ruike usa fibra dopada com itérbio.
Tabela 2. Comparação dos principais produtos de fibra óptica dopada com espelho de empresas nacionais e estrangeiras
| Empresa | Adote tecnologia | Status/preço do produto | Diâmetro do núcleo（μm） | Diâmetro do revestimento | Abertura numérica central NA |
| Nufern | Fibra dopada com espelho de campo de modo super grande (três revestimentos) | VenderUSD 1030 / M | 290,0±20,0 | 400±18 | 0,110±0,010 |
| Noite | Fibra dopada com itérbio duplamente revestida com campo de modo grande | Vender | 20,0±1,5 | 400±10,0 | 0,070±0,005 |
| Fibra óptica Changfei | Fibra de itérbio duplamente revestida com campo de modo grande | Vender | 20,0±2,0 | 400±15,0 | 0,06±0,01 |
| Tecnologia de farol | Fibra dopada com itérbio duplamente revestida | Vender | 20,0±2,0 | 400±5,0 | 0,075±0,005 |
| Wuhan Ruixin | Fibra dopada com itérbio duplamente revestida com campo de modo grande | 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 Q-comutados de pulso.
Devido à estrutura simples do nível de energia do íon 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 (975nm ~ 1200nm).
Ao mesmo tempo, a vida útil do íon itérbio é relativamente longa, geralmente cerca de 1 milissegundo.
Esses fatores conduzem à tecnologia Q-switching.
Portanto, a saída de pulso ultracurta foi realizada em laser pulsado.
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 é uma janela exclusiva de comunicação de fibra óptica
O laser de fibra dopada com érbio tem características de comprimento de onda seguro e energia de pulso ultra-alta. O laser de fibra dopada com érbio pode realizar operação monomodo, com largura de linha extremamente estreita, boa monocromaticidade e estabilidade.
O íon érbio possui uma ampla largura de banda de ganho, o que pode agravar a oscilação multimodo na cavidade do laser, de modo a realizar o laser de pulso ultracurto.
Devido às suas características únicas para a segurança do olho humano (“segurança do olho humano” refere-se ao fato de que o laser com comprimento de onda de 1,5 μm é significativamente inferior ao limite de dano ao olho humano), possui uma ampla gama de aplicações práticas nas áreas de comunicação óptica em espaço livre, lidar, detecção ambiental, calibração de peças e processamento industrial.
A fibra dopada com érbio tem sido amplamente utilizada 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 potencial valor de aplicação.
O laser de fibra dopada com túlio pode melhorar as características de absorção de materiais aquosos
O laser de fibra dopada com túlio possui características de baixo limiar, alta eficiência e boa qualidade de feixe.
O laser de fibra dopada com túlio é o ponto de pesquisa do laser de fibra no campo de comprimento de onda seguro para os olhos humanos, e o laser de fibra dopada com túlio pode funcionar na banda S (150 – 75 mm).
Desempenha um papel muito importante no desenvolvimento do espaço de frequência de potenciais recursos de comunicação e na melhoria da capacidade do sistema de comunicação de fibra óptica.
Os lasers de fibra dopada com túlio contínuos e comutados Q desenvolveram-se para uma potência média mais elevada nos últimos anos.
Agora, um certo número de fornecedores pode fornecer lasers pulsados comerciais com potência média de 10W.
O laser de fibra dopada com túlio é amplamente utilizado em tratamento médico 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 cerca de 2μm.
A forte banda de absorção da água líquida é de cerca de 1950 nm, que está próxima do comprimento de onda do laser de fibra de túlio padrão, de modo que as características de absorção são significativamente melhoradas.
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 boas perspectivas 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 fonte de luz lidar, mas 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 de água líquida em diferentes comprimentos de onda
O laser de fibra tem excelentes vantagens de desempenho e efeito de substituição óbvio.
O laser de dióxido de carbono tem baixa eficiência de conversão de luz e alto custo.
O laser de dióxido de carbono é um tipo de laser molecular.
É um dos lasers CW comuns de alta potência.
O material principal é a molécula de dióxido de carbono.
A estrutura principal do CO2 o laser inclui tubo laser, ressonador óptico, fonte de alimentação e 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 misturado serão excitadas pelo impacto dos 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 fazem a transição do nível de baixa energia para o nível de alta energia para formar a inversão do número de partículas e emitir 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, diferentes ferramentas devem ser selecionadas de acordo com as diferentes necessidades.
Da tecnologia de corte amplamente utilizada atualmente, laser de fibra e CO2 laser têm suas próprias vantagens e desvantagens em face de requisitos específicos de aplicação.
Eles não podem substituir-se completamente, mas precisam complementar-se e coexistir.
Em termos de tipos de materiais de processamento, devido ao efeito de absorção, os lasers de fibra não são adequados para cortar materiais não metálicos, enquanto os CO convencionais2 os lasers não são adequados para cortar materiais de alta refletividade, como cobre e alumínio;
Em termos de velocidade de corte, CO2 tem vantagens na chapa com espessura > 6mm, enquanto o laser de fibra corta a chapa mais rápido;
A peça precisa ser penetrada antes do corte a laser e a velocidade de perfuração do CO2 é significativamente mais rápido que o laser de fibra;
Em termos de qualidade da seção de corte, CO2 o laser é melhor que o laser de fibra como um todo.
Tabela 3. Comparação entre laser de fibra e 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 3mm | O dióxido de carbono tem vantagem quando é superior a 6 mm. |
| Eficiência de penetração | A velocidade é relativamente lenta | Quanto maior a espessura, mais óbvia será a vantagem |
| Qualidade da seção | Um pouco pior | Melhor rugosidade e verticalidade |
O laser de fibra possui 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 de água é de 8,4 yuan/hora e outros custos são 8 yuan/hora;
O custo de energia do laser de dióxido de carbono é de 21 yuans/hora, o custo de resfriamento de água é de 12,6 yuans/hora e outros custos são de 5,5 yuans/hora.
Tabela 4. Comparação de custos entre laser de fibra e 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 do carregamento | 70% | 70% |
| Custo de energia (yuan/hora) | 7 | 21 |
| Potência do equipamento de refrigeração a água (kw) | 12 | 18 |
| Preço da eletricidade (yuan/kWh) | 1 | 1 |
| Duração do carregamento | 70% | 70% |
| Custo de resfriamento de água (yuan/hora) | 8.4 | 12.6 |
| Custo dos 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 tem baixa eficiência de conversão de energia ou é gradualmente substituído.
O laser YAG geralmente se refere a Nd. O laser YAG (cristal de granada de ítrio e alumínio dopado com rubídio) pertence ao laser de estado sólido.
O conteúdo de átomos de rubídio no cristal é de 0,6 ~ 1,1%, o que pode produzir laser pulsado ou laser contínuo, e a luz emitida é infravermelha com comprimento de onda de 1,064μm.
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 por íons Nd, e a maior parte da energia será convertida em energia térmica.
Geralmente, 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 processos de corte e soldagem na indústria, mas com o desenvolvimento do laser de fibra, o laser YAG pode ser gradualmente substituído pelo laser de fibra.
Na área de corte, o laser YAG tem baixo custo de compra e pode cortar materiais altamente refletivos, mas tem baixo poder de processamento, alto índice de consumo de energia e velocidade de corte lenta, enquanto o laser de fibra tem alta eficiência energética, sem ajuste 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.
Comparado com o laser YAG, o laser de fibra quase CW pode fornecer energia de pulso de vários joules a dezenas de joules sob a largura de pulso de microssegundo a milissegundo.
Sua alta potência média e frequência de repetição de pulso melhoram significativamente a velocidade de processamento e a eficiência da produção.
É equivalente a ter as vantagens da perfuração e soldagem do laser YAG e a capacidade de corte do CO2 laser ao mesmo tempo.
Possui uma gama mais ampla 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 da tomada de parede | 4%~5% | Cerca de 30% |
| Ângulo de usinagem | Baixo custo de aquisição, capaz de cortar materiais altamente refletivos | O poder de corte é alto, 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 lente óptica, livre de ajuste e manutenção |
Ainda existem limitações na tecnologia de laser semicondutor nesta fase
Os lasers semicondutores, também conhecidos como diodos laser, usam materiais semicondutores como materiais de trabalho.
Os materiais de trabalho comuns incluem arsenieto de gálio e sulfeto de cádmio.
Existem 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, lasers semicondutores são geralmente usados como fonte de bomba de 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 (com carga negativa) e os buracos (com carga positiva) na região ativa intermediária se compõem espontaneamente e liberam o excesso de energia na forma de fótons.
Então, o laser é formado após triagem e amplificação do ressonador.
Fig. 10 Diagrama esquemático da estrutura simples do laser semicondutor
O laser semicondutor direto possui características óbvias e uma ampla gama de aplicações downstream.
O laser semicondutor direto possui estrutura compacta, baixo custo de manutenção e eficiência de conversão eletro-óptica de até 47%. É utilizado principalmente na indústria para soldagem e revestimento.
Lasers semicondutores de baixa potência são usados principalmente em soldagem de plástico e soldagem de estanho.
Através da soldagem de saída de fibra óptica, é realizada operação remota sem contato, o que é conveniente para integração com linha de produção automática;
O semicondutor direto da classe quilowatt pode ser usado para revestimento e soldagem de hardware.
Possui as características de grande ponto de luz e alta taxa de conversão eletro-óptica.
No campo fora da indústria, os lasers semicondutores também são amplamente utilizados nas forças armadas, na informação, na medicina e nas ciências da vida.
Tabela 6. Aplicações diretas de laser semicondutor
| Campo | Aplicação de subdivisão | Cenário de aplicação |
| Indústria | Soldagem | Processamento de plástico, soldagem de hardware |
| Revestimento | Aço, aeroespacial | |
| Militares | Radar | Sistema Lidar, sistema automático de identificação e correção |
| Orientação e Fuze | Orientação por feixe de laser, mira a laser e mira de alerta | |
| Informação | Comunicação de sinal | Fonte de luz de comunicação de fibra óptica |
| Pesquisa de informação | 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 forte potencial de aplicação no processamento de materiais e tem 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 a baixa qualidade do feixe com alta potência do laser.
Atualmente, os lasers semicondutores industriais estão limitados a alguns processamentos, como galvanoplastia, brasagem e cada vez mais soldagem de alta potência.
Portanto, é improvável que os lasers semicondutores revolucionem todo o campo do processamento de materiais ou substituam outras fontes de luz nos próximos anos.
Tabela 7. Comparação dos processos de corte de laser semicondutor direto, laser de fibra e 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 metálica | 0,97 | 1.07 | 10.6 |
| Velocidade de corte de folhas | 47% | 30% | 10% |
| Espessura máxima de corte (mm) | 15 | 12 | 25 |
| Qualidade de corte (acima de 4mm) | mais alto | mais alto | Mais baixo |
| Qualidade do feixe de saída | O mais rápido | Mais rápido | Mais lento |
De acordo com a análise acima, acreditamos que em comparação com o CO2 laser e laser 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.
Actualmente, têm limitações e é pouco provável que substituam outras fontes de luz nos próximos anos.
Portanto, há um amplo espaço para melhoria da permeabilidade do laser de fibra.
