در تولید صنعتی مدرن، فناوری لیزر نقش محوری ایفا میکند. آیا تا به حال به این فکر کردهاید که چگونه آن «پرتوهای نوری» دقیقی که در برش، جوشکاری و علامتگذاری فلزات عالی هستند، تولید میشوند؟ و چه مزایایی باعث شده است که لیزرهای فیبری، ستارههای نوظهور سالهای اخیر، به تدریج جایگزین لیزرهای سنتی YAG و CO شوند؟ مقایسه نشان میدهد که لیزرهای فیبری در راندمان، کیفیت پرتو، هزینههای نگهداری و اندازه مزایای واضحی دارند. در حالی که لیزرهای YAG مزایای سازگاری با مواد را نشان میدهند، راندمان کم و نگهداری بالای آنها محدودکننده است. لیزرهای CO لیزرها و به عنوان محبوبهای جدید صنعتی شناخته شوند؟
لیزرهای فیبری از فیبر نوری به عنوان محیط تقویتکننده خود استفاده میکنند. در مقایسه با لیزرهای معمولی، آنها مزایای متعددی از جمله ساختار فشرده، کیفیت پرتو برتر، راندمان تبدیل انرژی بالا و اتلاف حرارت عالی را ارائه میدهند. این ویژگیها منجر به کاربرد گسترده آنها در پردازش صنعتی، زیباییشناسی پزشکی و تحقیقات علمی شده است.
هسته اصلی یک لیزر فیبری در فیبر نوری دوپ شده با عناصر خاکی کمیاب (معمولاً با عناصری مانند اربیوم یا ایتربیوم) نهفته است. هنگامی که نور پمپ (معمولاً توسط لیزرهای نیمهرسانا تأمین میشود) فیبر دوپ شده را تابش میکند، عناصر خاکی کمیاب انرژی فوتون را جذب کرده و به حالتهای برانگیخته منتقل میشوند. سپس یونهای خاکی کمیاب برانگیخته به طور خود به خودی یا تحریک شده فوتونهایی با طول موجهای خاص ساطع میکنند که از طریق فیبر منتشر شده و تقویت مداوم را تجربه میکنند و در نهایت یک پرتو لیزر با توان بالا را تشکیل میدهند.
در حالی که فرآیند تقویت نور از همان اصل انتشار تحریک شده به عنوان لیزرهای معمولی پیروی میکند، لیزرهای فیبری در این مورد متفاوت هستند که محیط تقویتکننده آنها خود فیبر نوری است. پرتو در داخل فیبر منتشر و تقویت میشود و نیازی به اجزای نوری اضافی برای شکلدهی و تنظیم پرتو را از بین میبرد و در نتیجه کیفیت پرتو پایدار را تضمین میکند.
- منبع پمپ: نور پمپ را برای تحریک یونهای خاکی کمیاب در فیبر دوپ شده فراهم میکند. لیزرهای نیمهرسانا معمولاً استفاده میشوند، با طول موجهایی که با طیف جذب عناصر خاکی کمیاب مطابقت دارند.
- فیبر دوپ شده: جزء اصلی که به عنوان محیط تقویتکننده عمل میکند. نوع فیبر و غلظت دوپینگ بر توان خروجی، طول موج و کیفیت پرتو لیزر تأثیر میگذارد.
- محفظه تشدیدگر: از آینهها یا شبکههای براگ فیبری تشکیل شده است تا طول موجهای خاص را انتخاب کرده و نوسان نور را در داخل فیبر برای تقویت فعال کند.
- کوپلر: نور پمپ را به فیبر دوپ شده هدایت کرده و پرتو لیزر را خروجی میدهد.
- سیستم کنترل: توان منبع پمپ، حالتهای خروجی و سایر پارامترها را برای کنترل دقیق لیزر مدیریت میکند.
- سیستم خنککننده: گرمای تولید شده در حین کار را دفع میکند تا عملکرد پایدار را تضمین کند.
- بر اساس توان خروجی: لیزرهای فیبری با توان کم (1kW).
- بر اساس حالت عملکرد: لیزرهای فیبری موج پیوسته (CW) و پالسی.
- بر اساس عنصر دوپینگ: دوپ شده با اربیوم، دوپ شده با ایتربیوم، دوپ شده با تولیوم و غیره.
- بر اساس ساختار تشدیدگر: لیزرهای فیبری با حفره حلقوی و حفره خطی.
در پردازش لیزری صنعتی، لیزرهای YAG و CO مقایسه نشان میدهد که لیزرهای فیبری در راندمان، کیفیت پرتو، هزینههای نگهداری و اندازه مزایای واضحی دارند. در حالی که لیزرهای YAG مزایای سازگاری با مواد را نشان میدهند، راندمان کم و نگهداری بالای آنها محدودکننده است. لیزرهای CO لیزرها دو گزینه سنتی رایج را نشان میدهند. برای درک بهتر مزایای لیزر فیبری، آنها را در ابعاد مختلف مقایسه میکنیم.
- لیزرهای YAG: از کریستالهای YAG (گارنت آلومینیوم ایتریم) به عنوان محیطهای تقویتکننده استفاده میکنند که نیاز به پمپاژ لامپ یا لیزر نیمهرسانا دارند. ساختارهای پیچیده آنها نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر و تعویض قطعات دارد.
- لیزرهای CO 2 : از گاز CO در مقایسه با لیزرهای CO به عنوان محیطهای تقویتکننده استفاده میکنند و لیزر را از طریق تخلیه گاز تولید میکنند. سیستمهای حجیم آنها نیاز به تجدید گاز منظم و تمیز کردن اجزای نوری دارند.
- لیزرهای فیبری: دارای محیطهای تقویتکننده فیبر دوپ شده در ساختارهای فشرده هستند که به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز دارند. تمام اجزای نوری در داخل فیبر ادغام میشوند و انتقال پرتو در فضای آزاد را برای افزایش کیفیت و پایداری از بین میبرند.
| شاخص عملکرد | لیزر فیبری | لیزر YAG | لیزر CO 2 |
|---|---|---|---|
| لیزر | راندمان تبدیل انرژی | 30٪-50٪ | 1٪-10٪ |
| 5٪-15٪ | کم | کوچک | هزینه نگهداری |
| کم | کم | کوچک | کم |
| بالا | هزینه نگهداری | کم | کوچک |
| متوسط | اندازه | کوچک | متوسط |
| بزرگ | روش خنککننده | آب | آب |
| آب | مواد قابل استفاده | فلزات، پلاستیکها | فلزات |
غیر فلزات مقایسه نشان میدهد که لیزرهای فیبری در راندمان، کیفیت پرتو، هزینههای نگهداری و اندازه مزایای واضحی دارند. در حالی که لیزرهای YAG مزایای سازگاری با مواد را نشان میدهند، راندمان کم و نگهداری بالای آنها محدودکننده است. لیزرهای CO 2
مقایسه هزینه
علیرغم سرمایهگذاری اولیه بالاتر، لیزرهای فیبری مزایای هزینه عملیاتی قابل توجهی را نشان میدهند. راندمان تبدیل انرژی بالای آنها هزینههای برق را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد، در حالی که الزامات نگهداری کم، زمان خرابی و هزینههای نیروی کار را به حداقل میرساند.
- مزایای لیزر فیبری راندمان انرژی بالا:
- نرخ تبدیل 30٪-50٪ مصرف برق را به طور چشمگیری کاهش میدهد. کیفیت پرتو برتر:
- امکان تمرکز دقیق برای پردازش میکرو با دقت بالا را فراهم میکند. نگهداری کم:
- اجزای نوری یکپارچه، الزامات خدمات را به حداقل میرسانند. طراحی فشرده:
- ادغام در تجهیزات محدود به فضا را تسهیل میکند. تطبیقپذیری مواد:
- محدودیتها هزینه اولیه بالا:
- ممکن است موانعی را برای شرکتهای کوچک ایجاد کند. محدودیتهای مواد: در مقایسه با لیزرهای CO 2
- برای شیشه/پلاستیکهای شفاف کمتر موثر است. الزامات ایمنی:
- پردازش صنعتی
- برش فلز با دقت بالا و سرعت بالا
- جوشکاری نفوذی عمیق با حداقل اعوجاج حرارتی
- علامتگذاری دائمی مواد با کنتراست بالا
- تمیز کردن سطح غیر ساینده
- زیباییشناسی پزشکی
- حذف دائمی مو
- درمان رنگدانهها
- تحقیقات علمی
- تجزیه و تحلیل طیفسنجی مواد
- اندازهگیری فاصله/سرعت LIDAR
- تحولات آینده
- خروجیهای توان بالاتر برای کاربردهای پر تقاضا
- عرض پالس فوقالعاده کوتاه برای پردازش در مقیاس نانو
- قابلیت تنظیم طیفی گستردهتر
- سیستمهای کنترل هوشمند پیشرفته
نتیجهگیری