Čo sú vysokovýkonné modré polovodičové lasery?

TheJas a vysokovýkonné modré polovodičové laserysa neustále zdokonaľujú na nové limity, čo tiež povedie k viacerým a širším aplikáciám. Okrem efektívneho spracovania kovového materiálu očakávajú modré polovodičové lasery medzisektorové aplikácie, najmä sektor strojárstva umožní laserové spracovanie materiálu modrým svetlom pod vodou. Pre výrobu je to samozrejme obrovská výhoda. Okrem toho môže osvetľovací priemysel využívať aj kvalitnú osvetľovaciu techniku ​​na báze modrých polovodičových laserov.

1. Obmedzenia vysokovýkonných laserov v blízkych infračervených vlnových dĺžkach

Počas niekoľkých posledných desaťročí sa vysokovýkonné CW lasery stali bežným nástrojom v modernej výrobe, ktorý pokrýva aplikácie ako zváranie, plátovanie, povrchová úprava, kalenie, tvrdé spájkovanie, rezanie, 3D tlač a výroba aditív. Prvý vrchol vývoja vysokovýkonnej kontinuálnej laserovej technológie sa objavil pred rokom 2000, keď bol vyvinutý vysokovýkonný 10,6 µm vlnový laser na oxid uhličitý (CO2) a polovodičovo čerpaný polovodičový Nd:YAG laser v blízkej infračervenej oblasti s vlnovou dĺžkou 1064 nm. Avšak kvôli svojej vlnovej dĺžke sa lasery s oxidom uhličitým ťažko prenášajú cez optické vlákna, čo predstavuje určité ťažkosti pre priemyselné aplikácie; zatiaľ čo polovodičové lasery sú obmedzené jasom a schopnosťou zosilnenia výkonu. Po roku 2000 sa začali objavovať vysokovýkonné priemyselné vláknové lasery ako riešenia pre vysokosvietivé a vysokovýkonné lasery, ktoré bolo možné dodávať cez optické vlákna. Vláknové lasery dnes nahradili CO2 lasery v drvivej väčšine aplikácií a boli efektívne využívané v mnohých aplikáciách priemyselného spracovania. Najmä v posledných rokoch sa stal hlavnou silou priemyselných laserov, ako je laserové zváranie a rezanie, ktoré má vyššiu rýchlosť, účinnosť a spoľahlivosť ako lasery s oxidom uhličitým.

Tieto CW vysokovýkonné vláknové lasery však zvyčajne pracujú na vlnových dĺžkach blízkej infračervenej oblasti (NIR) v rozmedzí 1 µm, čo je pre mnohé aplikácie v poriadku. Napríklad je vhodný na spracovanie ocele s mierou absorpcie vyššou ako 50 percent, ale je obmedzený, pretože niektoré kovy odrážajú 90 percent alebo viac blízkeho infračerveného laserového žiarenia dopadajúceho na ich povrchy. Najmä zváranie žltých kovov, ako je meď a zlato, pomocou laserov v blízkej infračervenej oblasti, v dôsledku nízkej miery absorpcie, to znamená, že na spustenie procesu zvárania je potrebný veľký výkon lasera. Vo všeobecnosti existujú dva procesy laserového zvárania: zváranie vo vodnom režime (kde sa materiál jednoducho roztaví a pretaví) a zváranie v režime hlbokého prieniku (kde laser odparí kov a tlak pary vytvorí dutinu alebo kľúčovú dierku). Výsledkom zvárania v režime hlbokého prieniku je vysoko absorbovaný laserový lúč vďaka viacnásobným interakciám, ktoré má laserový lúč s kovom a kovovou parou, keď prechádza materiálom. Avšak aktivácia kľúčovej dierky pomocou blízkeho infračerveného lasera vyžaduje značnú intenzitu dopadajúceho lasera, najmä ak je zváraný materiál vysoko reflexný. Akonáhle sa vytvorí kľúčová dierka, rýchlosť absorpcie prudko vzrastie a vysoký tlak kovových pár generovaný vysokovýkonným infračerveným laserom v roztavenom bazéne spôsobí rozstrekovanie a pórovitosť, takže výkon lasera alebo rýchlosť zvárania musia byť starostlivo kontrolované, aby sa zabránilo nadmernému rozstreku zo zvaru. Kovové výpary a "bubliny" v procesnom plyne sa môžu tiež zachytiť, keď roztavený kúpeľ tuhne, čím sa vytvorí pórovitosť zvarového spoja. Takáto pórovitosť oslabuje pevnosť zvaru a zvyšuje odpor spoja, čo vedie k nižšej kvalite zváraného spoja. Preto sú NIR lasery veľmi náročné na spracovanie materiálov, ako je meď<5% absorption at 1 µm. In order to process these high-reflectivity materials better, methods such as increasing the laser absorption rate of the material by generating plasma on the processed material have been adopted. However, because these methods limit material processing to deep penetration processes, conduction mode welding cannot be used for thin materials, and there are inherent risks of sputtering and controlled energy deposition. Therefore, existing 1 µm laser systems have their limitations when processing highly reflective materials such as non-ferrous metals, as well as in underwater applications.

Aby bolo možné vyvinúť tieto aplikácie riadené laserom v blízkej infračervenej oblasti, ľudia musia vykonať výskum nových zdrojov laserového svetla. Okrem toho, aby sa znížili skleníkové plyny, nové energetické vozidlá nahrádzajú benzínové motory a spaľovacie motory elektrickými motormi. Veľké množstvo medi používané pri konštrukcii elektromotorov, najmä energetických batérií, vytvorilo obrovský dopyt po spoľahlivých riešeniach spracovania medi, zatiaľ čo v iných systémoch obnoviteľnej energie, ako sú veterné turbíny, existuje rovnako široká škála aplikácií.

2. Zrodenie vysokovýkonného modrého lasera

Vývoj priemyselnej laserovej technológie sa vždy vyvíjal podľa plánu výrobných technológií a nových spoločenských požiadaviek. Za posledných 60 rokov, od digitálnej ekonomiky a spoločnosti, cez udržateľnú energiu až po zdravý život, laserová technológia výrazne prispela k riešeniu dôležitých úloh v budúcnosti ľudstva. Dnes je laserová technológia neoddeliteľnou súčasťou mnohých kľúčových oblastí našej ekonomiky, od výrobných technológií cez automobilové inžinierstvo, medicínsku techniku, meracie a environmentálne technológie a informačné a komunikačné technológie. Keďže technológia spracovania kovov neustále napreduje a požiadavky používateľov sa neustále zvyšujú, lasery vyžadujú inovácie z hľadiska nákladov a energetickej účinnosti, ako aj výkonu laserového systému. Požiadavka trhu po efektívnom spracovaní kovov s vysokou reflexiou podnietila vývoj technológie modrého vysokovýkonného lasera, ktorá určite otvorí dvere novým technológiám v spracovaní kovov.

Pre neželezné kovy sa ich absorpcia svetelnej energie zvyšuje so znižovaním vlnovej dĺžky svetla. Napríklad absorpcia svetla medi pri vlnových dĺžkach pod 500 nm sa v porovnaní s infračerveným svetlom zvýši najmenej o 50 percent, takže krátke vlnové dĺžky svetla sú vhodnejšie na spracovanie medi. Problémom je, že vývoj vysokovýkonných laserov s krátkou vlnovou dĺžkou pre tieto priemyselné aplikácie je náročný; k dispozícii je len málo možností s vysokým výkonom a dokonca aj tie, ktoré existujú, sú drahé a neefektívne. Na trhu sú napríklad niektoré polovodičové laserové zdroje založené na zdvojení frekvencie, ktoré možno použiť v tomto rozsahu vlnových dĺžok a produkujú laserové svetlo s vlnovými dĺžkami 515 nm a 532 nm (zelené spektrum). Tieto laserové zdroje sa však spoliehajú na svoje nelineárne optické kryštály na premenu energie lasera pumpy na energiu cieľovej vlnovej dĺžky. Proces konverzie vedie k vysokej strate energie a laser vyžaduje komplexné chladiace systémy a zložité optické nastavenia.

V snahe splniť túto výzvu ľudia upriamili svoju pozornosť na modré polovodičové lasery. Jedným z nich je, že Blu-ray má svoje špecifické vlastnosti. Kovové materiály s vysokou odrazivosťou majú vysokú mieru absorpcie modrého svetla, čo znamená, že modré svetlo má obrovskú výhodu pri spracovaní kovov s vysokou odrazivosťou materiálov (ako je meď a pod.). Ako je znázornené na obrázku 1, absorpcia modrého svetla meďou je viac ako 13× (13-krát) vyššia ako absorpcia infračerveného svetla. Okrem toho sa rýchlosť absorpcie pri roztavení medi príliš nemení. Akonáhle modrý laser začne zvárať, rovnaká hustota energie udrží zváranie v chode. Blu-ray laserové zváranie je vo svojej podstate dobre kontrolované a menej chybné a výsledkom sú rýchle a vysoko kvalitné spájkované zvary. Modré svetlo je zároveň menej absorbované v morskej vode, takže má väčšiu prenosovú vzdialenosť, čo umožňuje rozvíjať oblasť podvodného laserového spracovania materiálov. Navyše, modré svetlo sa dá pomerne ľahko premeniť na biele svetlo, takže reflektory a iné osvetľovacie aplikácie je možné realizovať veľmi kompaktne pomocou modrých laserov. Druhým je, že polovodičové lasery založené na materiáloch nitridu gália môžu priamo generovať laserové svetlo s vlnovou dĺžkou 450 nm bez ďalšieho zdvojnásobovania frekvencie, takže majú vyššiu účinnosť premeny energie.

Očakáva sa, že laser s vlnovou dĺžkou 450 nm zvýši účinnosť spracovania medených materiálov takmer 20-krát v porovnaní s vlnovou dĺžkou 1 µm. V porovnaní s tradičnými procesmi zvárania laserom v blízkej infračervenej oblasti majú vysokovýkonné modré lasery kvantitatívne a kvalitatívne výhody. Kvantitatívne výhody: zvýšená rýchlosť zvárania a širšie procesné okno sa priamo premieta do vyššej produktivity a minimalizácie prestojov vo výrobe. Kvalitatívne výhody: väčšia šírka procesu, vysokokvalitné zvary bez rozstrekovania a pórovitosti, ako aj vyššia mechanická pevnosť a nižší elektrický odpor. Konzistentnosť kvality zvárania môže výrazne zlepšiť výťažnosť výroby. Okrem toho môže modrý laser vykonávať aj režim zvárania tepelnou vodivosťou, čo nie je možné s blízkym infračerveným laserom.

Kontaktné informácie:

Ak máte nejaké nápady, neváhajte sa s nami porozprávať. Bez ohľadu na to, kde sú naši zákazníci a aké sú naše požiadavky, budeme nasledovať náš cieľ poskytovať našim zákazníkom vysokú kvalitu, nízke ceny a najlepšie služby.