Применение волоконного лазера: что нужно знать

В последние годы, применение волоконного лазера получили значительную поддержку в различных отраслях промышленности, преобразовав ландшафт производства и обработки материалов. Эти передовые лазеры предлагают непревзойденную точность, скорость и универсальность, что делает их идеальными для широкого спектра задач, от резки и сварки до маркировки и гравировки. Поскольку компании все чаще ищут эффективные и экономичные решения, понимание разнообразных областей применения волоконных лазеров имеет важное значение для сохранения конкурентоспособности на современном рынке. В этой статье рассматриваются основные области применения волоконных лазеров, их преимущества и то, как они революционизируют операции в различных секторах.

Что такое волоконный лазер?

Волоконные лазеры используют оптические волокна в качестве активной среды усиления и относятся к категории твердотельных лазеров. Процесс включает поглощение сырого света от лазерных диодов накачки в волокне, состоящем из силикатного или фосфатного стекла. Затем волокно преобразует этот поглощенный свет в лазерный луч, характеризующийся определенной длиной волны. Для этого оптическое волокно легируется редкоземельными элементами. 

Используя различные легирующие элементы, можно генерировать широкий спектр лазерных лучей, каждый со своей собственной длиной волны. Широкий спектр длин волн, создаваемых волоконными лазерами, делает их весьма универсальными для множества применений. К ним относятся машинная лазерная резка, текстурирование, очистка, лазерная гравировка, гравировка ювелирных изделий, сверление, маркировка и сварка. Следовательно, волоконные лазеры нашли применение в различных секторах, таких как медицина, оборона, телекоммуникации, автомобилестроение, спектроскопия, электротехника, производство и транспорт.

Как работает волоконный лазер?

Волоконные лазеры используют свет накачки, излучаемый лазерными диодами, направляя излучаемый свет в волоконно-оптический кабель. Внутри кабеля оптические компоненты используются для создания точной длины волны и ее усиления. Затем лазерный луч тщательно формируется и выпускается для своей цели. 

Ниже показано, как работают волоконные лазеры с помощью их нескольких компонентов. 

Создание света накачки в лазерных диодах

Лазерные диоды, также называемые «источниками накачки», преобразуют электричество в фотоны или свет, который затем перекачивается в оптоволоконный кабель. Процесс генерации света в диодах основан на использовании двух разноимённо заряженных полупроводников.

Первый полупроводник заряжен положительно и требует дополнительного электрона. Наоборот, второй полупроводник несет отрицательный заряд и обладает либо избыточным, либо свободным электроном.

Когда положительные и отрицательные заряды соприкасаются, они стремятся объединиться. Чтобы облегчить это объединение, свободный электрон высвобождается в виде фотона. По мере протекания тока через полупроводники число фотонов быстро увеличивается.

Полученный свет затем направляется в оптоволоконный кабель, где он будет использоваться для создания лазерного луча. 

Свет накачки направляется и проходит через оптическое волокно

В оптоволоконной системе соединитель играет важную роль в объединении света, излучаемого несколькими лазерными диодами, в единый хороший источник волокна. Этот соединитель, интегрированный в оптоволокно, имеет несколько точек входа с одной стороны, каждая из которых подключается к отдельному волокну, исходящему от лазерного диода. На противоположной стороне соединителя имеется одна точка выхода, соединяющаяся с основным волокном. После того, как свет от всех лазерных диодов собран, он направляется в лазерную среду.

Затем свет, излучаемый диодным лазером, проходит через оптическое волокно, состоящее из двух основных компонентов: сердцевины и оболочки. Сердцевина, изготовленная из кварцевого стекла, служит в качестве пути для света, в то время как оболочка охватывает сердцевину. Когда свет достигает оболочки, он подвергается полному внутреннему отражению, перенаправляясь обратно в сердцевину.

Хотя в волоконных лазерах часть мощности неизбежно теряется в виде тепла, благоприятное соотношение площади поверхности к объему способствует эффективному рассеиванию тепла, что приводит к минимальному износу из-за термических эффектов. Во время своего путешествия по оптоволокну свет в конечном итоге достигает легированной части волокна, обычно называемой лазерной полостью.

Вынужденное излучение в резонаторе лазера

Когда свет лазерного диода достигает легированного волокна, он возбуждает электроны в редкоземельном элементе, что приводит к инверсии населенности, что имеет решающее значение для производства лазера. Когда эти возбужденные электроны переходят на более низкие энергетические уровни, они испускают фотоны определенной длины волны. Благодаря вынужденному излучению эти фотоны стимулируют другие возбужденные электроны испускать аналогичные фотоны, создавая каскадный эффект. Равновесие между возбужденными и расслабленными электронами обеспечивает непрерывный поток необработанного лазерного света. Однако для использования света в различных приложениях необходима дальнейшая доработка.

Усиление необработанного лазерного света в лазерный луч

Чтобы подготовить исходный лазерный свет, излучаемый легированным волокном, для практического применения, необходим процесс усиления. В волоконных лазерах это достигается путем использования волоконных брэгговских решеток (FBG). Эти решетки служат отражающими зеркалами с переменной отражательной способностью, заменяя обычные диэлектрические зеркала.

Лазерный свет внутри волоконной полости проходит возвратно-поступательный процесс, взаимодействуя с решеткой Брэгга. Часть света проникает в решетку в одном направлении, в то время как оставшийся свет отражается обратно в лазерную полость. Пропущенный свет, проходящий через решетку, становится лазерным лучом. Затем этот луч проходит через осциллятор, иногда сопровождаемый объединителем, для повышения когерентности перед тем, как быть доставленным в качестве конечного выходного сигнала.

Создается лазерный свет определенной длины волны 

Длина волны, генерируемая легированным волокном, зависит от выбора легирующего элемента в лазерном резонаторе. Этот аспект имеет важное значение, поскольку для разных применений требуются разные длины волн. К распространенным легирующим элементам относятся эрбий, иттербий, неодим и тулий, среди прочих. Например, волоконные лазеры, легированные иттербием, создают длину волны 1064 нм, что находит применение в лазерной маркировке и лазерной очистке. 

Лазерный луч формируется и высвобождается  

Лазерный луч, сформированный выходящими из резонансной полости фотонами, демонстрирует исключительную коллимацию благодаря световодным свойствам волокна. Однако этот высокий уровень коллимации может не подходить для большинства лазерных приложений. Поэтому для достижения желаемой формы луча используются различные компоненты, такие как линзы и расширители луча. Различные типы линз предлагают определенные преимущества, и специалисты по лазерам тщательно подбирают их, чтобы оптимизировать лазер для конкретных приложений. 

Зачем использовать волоконные лазеры?

С развитием технологий волоконных лазеров спектр применения этих лазеров продолжает расширяться, как и их практичность.

Стабильный

Обычно, когда мы собираемся передать лазерный луч, мы часто полагаемся на оптические волокна, чтобы обеспечить его безопасное и надежное перемещение. Другой вариант — отразить луч между зеркалами, но этот метод требует точного выравнивания. Достижение эффективного соединения лазерного луча с крошечным сердечником волокна является сложной задачей и требует тщательной настройки. Следовательно, обычные лазеры очень восприимчивы к сбоям от ударов или толчков, а для повторной настройки оптики требуется опыт специалиста. Напротив, волоконные лазеры генерируют луч внутри самого волокна, что устраняет необходимость в сложной и деликатной оптике во время доставки луча. Эта присущая характеристика делает волоконные лазеры очень стабильными и удобными для пользователя.

Высокое качество луча

Волоконный лазер генерирует и ограничивает луч в компактном сердечнике волокна. В результате луч остается исключительно прямым и может быть сфокусирован в мельчайшую точку. Это качество оказывается особенно выгодным в таких приложениях, как прецизионная резка волоконным лазером, где меньший размер точки повышает эффективность лазера. В многочисленных лазерных приложениях достижение такого сфокусированного луча крайне желательно.

Мощный лазер

Лазерные устройства могут представлять угрозу для кожи даже при относительно низких уровнях мощности, обычно начинающихся примерно с 1 Вт. Хотя эта мощность может показаться незначительной по сравнению с повседневными приборами, такими как чайники или тостеры, концентрированный фокус лазерного луча в одной точке значительно усиливает его воздействие. Волоконные лазеры, в частности, совершенствуются с точки зрения мощности и теперь могут превышать 1000 Вт (1 кВт). Этого уровня мощности более чем достаточно, чтобы проникнуть сквозь дюйм стали, что подчеркивает впечатляющие режущие возможности волоконных лазеров.

Эффективный и легко охлаждающий

В отличие от других типов лазеров с более низкой эффективностью преобразования мощности, волоконный лазер способен преобразовывать примерно 70–801 Тл/3 Тл входной мощности источника накачки. Такая высокая эффективность не только снижает энергопотребление, но и позволяет уменьшить количество энергии, преобразуемой в тепло. В волоконных лазерах тепло распределяется по всей длине волокна, что помогает предотвратить чрезмерный нагрев, который может привести к его разрыву. Стоит отметить, что оптические свойства большинства материалов изменяются при нагревании, и эти изменения могут влиять на качество лазерного луча.

6 применений волоконного лазера

Лазеры существуют уже несколько десятилетий и нашли применение в различных условиях. Волоконные лазеры стали пользоваться все большей популярностью в последние годы благодаря своим компактным размерам, высокой эффективности и универсальности. Вот шесть типичных применений волоконных лазеров:

1. Резка волоконным лазером

Резка является основополагающим аспектом производственного процесса, и применение волоконного лазера произвели революцию в этой области. Волоконные лазерные станки способны резать различные материалы, включая металлы, листовой металл, пластик, акрил и композиты, с замечательной точностью и минимальными допусками. Эта передовая технология также преобразила отрасль микрообработки, позволив инженерам создавать детали размером до одного миллиметра с исключительной точностью.

Станки для резки волоконным лазером устранили ограничения традиционных методов резки, которые часто боролись с точностью и влекли за собой более высокие эксплуатационные расходы, в конечном итоге снижая рентабельность. Напротив, волоконные лазеры генерируют более высокую производительность за меньшее время, что приводит к увеличению прибыли для производителей.

Продолжающиеся исследования продолжают совершенствовать технологию лазерной резки, при этом возможности резки в первую очередь зависят от выходной мощности (измеряемой в ваттах) и источника лазера. Ключевые факторы, влияющие на производительность, включают энергию импульса, пиковую мощность и качество луча. Большинство коммерческих станков для лазерной резки с волоконным лазером используют иттербиевые (Yb3+) импульсные волоконные лазеры, известные своей исключительной мощностью.

Эти лазеры работают в диапазоне длин волн 970-1200 нм и могут выдавать более 10 кВт выходной мощности. Чтобы проиллюстрировать их возможности, волоконный лазер может легко прорезать лист мягкой стали толщиной 25 мм, демонстрируя впечатляющий потенциал этой технологии.

Готовы ли вы изучить преимущества резки волоконным лазером для ваших производственных нужд?

2. Волоконная лазерная сварка

Волоконно-лазерная сварка — это инновационный процесс соединения металлических деталей в производстве, предлагающий значительные преимущества в скорости, стоимости, эффективности и снижении деформации. Одним из наиболее распространенных применений сварки волоконным лазером является «сварка плавлением», когда два металла нагреваются и сплавляются вместе. Кроме того, возможно использование присадочных электродов, что дает исключительные результаты в различных сварочных приложениях.

Волоконно-лазерные сварочные аппараты выделяются среди традиционных методов сварки, производя меньше тепла, что сводит к минимуму риск коробления и других дефектов. Эта техника позволяет делать более широкие и точные сварные швы без таких проблем, как пористость, трещины или подрезы. Более того, волоконная лазерная сварка более доступна, требуя меньше навыков, чем традиционные методы. Даже люди с минимальной подготовкой могут научиться эффективно справляться со сложными положениями сварки.

Хотя первоначальные инвестиции в аппараты для волоконно-лазерной сварки могут быть высокими, их низкое энергопотребление и впечатляющая эффективность — до четырёх раз выше, чем у традиционных методов — могут обеспечить значительную экономию на любом производственном этапе. Учитывая растущий спрос на сварщиков в США, который ежегодно увеличивается на 2%, аппараты для волоконно-лазерной сварки готовы сыграть решающую роль в будущем отрасли.

Безопасность глаз во время сварки остается жизненно важной проблемой. В отличие от традиционной сварки, которая характеризуется видимым пламенем и очевидными опасностями, лазерная сварка может быть менее очевидной, поскольку используемые лазеры часто находятся за пределами видимого спектра. Поэтому эксперты настоятельно рекомендуют соблюдать протоколы безопасности и проявлять осторожность при работе с оборудованием для волоконной лазерной сварки.

3. Лазерная маркировка и гравировка

Лазерная маркировка и гравировка это процесс, который использует мощный лазерный луч для создания текста или изображений путем удаления или изменения поверхностного слоя различных материалов без нарушения их структурной целостности. Эта технология набирает популярность, и у вас, возможно, уже есть предметы с маркировкой волоконного лазера.

Маркировка с помощью волоконного лазера обычно применяется для нанесения на товары штрихкодов, серийных номеров, спецификаций продукции, инструкций и логотипов, что повышает их уникальность и помогает предотвратить подделку.

Лазерная гравировка отличается от других методов своей способностью гравировать широкий спектр материалов, включая металлы, с которыми не справляются лазеры CO2. По оценкам, волоконные лазеры могут эффективно гравировать более тридцати различных материалов, включая металл, алюминий, латунь, медь, стекло и пластик. Фактически, волоконные лазеры могут гравировать даже органические материалы, такие как дерево и кожа.

Волоконные лазерные станки доступны в коммерческих масштабах, подходящих для малых и крупных производственных предприятий. Кроме того, любители могут воспользоваться преимуществами небольших, портативных волоконных лазерных станков, которые легко доступны в Интернете. Обычно лазерный станок с выходной мощностью 20-30 Вт достаточен для гравировки различных материалов и может даже резать очень тонкий листовой металл.

4. Очистка волоконным лазером

Чистка волоконным лазером это революционная технология, которая эффективно удаляет ржавчину, коррозию, краску и грязь с металлических поверхностей путем сжигания и испарения нежелательных слоев. Этот процесс, известный как «лазерная абляция», предлагает широкий спектр применения в различных отраслях промышленности.

Когда дело доходит до очистки, волоконно-лазерная технология выделяется своей скоростью, эффективностью и экономичностью. Традиционные методы удаления ржавчины часто основаны на окислении и химических процессах, которые могут быть как трудоемкими, так и неэффективными. В отличие от этого, волоконно-лазерная очистка не только эффективна, но и экологически безопасна.

Многие прибегают к ручному удалению ржавчины и коррозии с помощью стальных проволочных щеток, что является трудоемким и часто неэффективным методом. Однако с помощью волоконной лазерной очистки можно очистить любую металлическую деталь независимо от ее формы или размера, что делает ее очень гибким решением. Кроме того, этот процесс визуально приятен для наблюдения, поскольку он быстро восстанавливает поверхности до их первоначального состояния.

Достижения в области волоконно-лазерной технологии значительно снизили стоимость установок для очистки от ржавчины, сделав этот инновационный метод более доступным, чем когда-либо.

5. Материалы для лазерного сверления

Хотя лазеры, возможно, не являются первой технологией, которая приходит на ум применительно к бурению, сверление волоконным лазером быстро завоевывает признание как ведущее решение в отрасли точного бурения.

В отличие от традиционных методов сверления, которые используют обычные вращающиеся сверла, сверление волоконным лазером использует высокоинтенсивные лазерные лучи для создания точных отверстий. Эта техника становится все более популярной для сверления печатных плат (ПП) в секторе электроники из-за ее точности на микроуровне.

Волоконно-лазерное сверление является одновременно высокоэффективным и экономичным. Одним из существенных преимуществ этого метода является отсутствие необходимости замены сверл, что может сэкономить время и снизить эксплуатационные расходы. Понимание влияния параметров процесса на результаты сверления имеет решающее значение для оптимизации производительности.

Современные волоконно-лазерные станки способны сверлить различные материалы, включая сплавы, композиты, керамику, кварцевое стекло и металлы. Однако эта передовая технология все еще относительно нова и лучше всего подходит для крупных производственных предприятий, которые могут инвестировать в ее передовые возможности.

6. Лазерная наплавка

Волоконно-лазерная наплавка это передовой процесс, который включает осаждение материала — обычно в виде порошка или проволоки — на поверхность другого материала. Эта технология служит для покрытия механических компонентов, эффективно ремонтируя и защищая их.

В этом процессе волоконный лазер создает расплавленную ванну на поверхности базового материала, куда вводится металлический порошок, который затем связывается с подложкой. Точность этой техники замечательна, поскольку лазер обеспечивает высококонтролируемый нагрев и точность позиционирования.

Одной из отличительных особенностей лазерной наплавки является то, что связь, образованная между нанесенным слоем и базовым материалом, находится на металлургическом уровне, что приводит к образованию связи, которая часто прочнее и долговечнее, чем традиционные методы, такие как напыление или гальванопокрытие. Это делает наплавку волоконным лазером идеальным выбором для повышения долговечности и производительности критически важных компонентов.

Волоконный лазер в различных промышленных применениях

1. Электроника и полупроводники

Электронная и полупроводниковая промышленность требует точности, обычно на микроскопическом уровне, чего очень трудно достичь с помощью традиционных производственных процессов. Волоконные лазерные машины, с другой стороны, идеально подходят для таких приложений. Вот почему мы видим, как технологии продолжают уменьшаться в размерах, в то же время сохраняя исключительную вычислительную мощность.

2. Автомобильная, аэрокосмическая и судостроительная промышленность

Автомобили, самолеты, корабли и поезда постоянно совершенствуются, и спрос на более эффективные машины растет. Благодаря превосходным возможностям резки и сварки волоконного лазера мы видим, как технологии в таких отраслях стремительно развиваются. В настоящее время волоконные лазеры используются для сварки титановой обшивки самолетов, что является необходимым процессом.

Помимо волоконных лазеров, легированных иттербием (Yb3+), другие лазеры, такие как лазерные диоды накачки Tm3+ и Ho+3, также отлично работают на неметаллических и прозрачных материалах соответственно.

Волоконные лазеры повысили эффективность процесса обработки, что привело к увеличению прибыли и сокращению сроков выполнения заказов. Это также помогло снизить стоимость конечной продукции для клиентов.

3. Медицинская промышленность

Производство медицинского оборудования обычно имеет незначительную погрешность, поскольку напрямую влияет на человеческие жизни. Волоконный лазер лучше всего подходит для такой отрасли из-за его точных и высококачественных производственных возможностей.

Помимо этого, лазеры также используются для лечения раковых клеток и удаления камней из человеческих органов. Применение оптоволоконных лазеров в медицинской сфере обширно и постоянно развивается.

На что следует обращать внимание при выборе волоконного лазера?

Лазерный источник 

Волоконные лазеры демонстрируют различия в зависимости от материала, смешанного с лазерным источником. Несколько примеров включают волоконные лазеры, легированные иттербием, волоконные лазеры, легированные тулием, и волоконные лазеры, легированные эрбием. Эти различные типы волоконных лазеров используются для различных приложений из-за их способности генерировать различные длины волн. 

Режим работы 

Различные типы лазеров излучают лазерные лучи по-разному. Лазерные лучи могут генерироваться импульсными волоконными лазерами, которые работают, излучая импульсы с определённой частотой повторения для достижения высокой пиковой мощности. Это часто наблюдается в лазерах, известных как «лазеры с модуляцией добротности», «лазеры с модуляцией усиления» и «лазеры с синхронизацией мод». С другой стороны, лазерные лучи также могут быть непрерывными, то есть они непрерывно излучают постоянное количество энергии. Такое непрерывное излучение обычно наблюдается в лазерах, называемых «волоконными лазерами непрерывного излучения». 

Мощность лазера 

Мощность лазера измеряется в ваттах и указывает на среднюю мощность лазерного луча. Например, существуют волоконные лазеры мощностью 20 Вт, волоконные лазеры мощностью 60 Вт и различные другие варианты мощности. Высокомощный лазер способен генерировать энергию с большей скоростью по сравнению с маломощными лазерами. 

Режим

Мода оптического волокна относится к размеру сердцевины, через которую проходит свет. Существует две категории мод: одномодовые волоконные лазеры и многомодовые волоконные лазеры. В одномодовых лазерах диаметр сердцевины меньше, обычно в диапазоне от 8 до 9 микрометров. Напротив, многомодовые лазеры имеют больший диаметр сердцевины, обычно в диапазоне от 50 до 100 микрометров. В качестве общего правила, одномодовые лазеры более эффективны в передаче лазерного света и демонстрируют превосходное качество луча по сравнению с многомодовыми лазерами.

Почему стоит выбрать лазерные станки KRRASS для применения волоконных лазеров?

Замечательные преимущества волоконные лазеры хорошо известны, и все большее число производителей ежедневно внедряют лазерную технологию. Однако рынок также заполнен некачественными лазерными машинами, которые могут негативно повлиять на ваш бизнес. К счастью, KRRASS вам поможет.

Наши лазерные машины KRRASS славятся своим исключительным качеством, долговечностью и экономичностью. Наш разнообразный каталог включает в себя широкий ассортимент продукции, включая лазерные режущие, сварочные, маркировочные и очистные машины.

С преданной командой экспертов мы можем помочь вам выбрать идеальную машину, которая будет соответствовать вашим конкретным потребностям, гарантируя своевременную доставку высококачественной продукции в рамках вашего бюджета. Запросите вашу смету сегодня!