Lasers de fibra vs lasers de estado sólido

Na era de hoje de desenvolvimento rápido da tecnologia a laser, lasers de estado sólido e lasers de fibra, como os dois principais produtos a laser convencionais, demonstraram seu charme e vantagens únicas em muitos campos, como produção industrial, pesquisa científica e aplicações militares.

1. Princípios técnicos e diferenças de desempenho

1.1 Médio de ganho

Os lasers de fibra usam fibras de vidro raras dopadas com terra como mídia de ganho. Sob a ação da luz da bomba, a alta densidade de potência é formada na fibra, resultando em uma inversão populacional do nível de energia do laser e oscilação do laser através do ciclo de feedback positivo da cavidade ressonante. Os lasers de fibra são compactos e não requerem um sistema de refrigeração complexo, e a flexibilidade da fibra os torna mais vantajosos em aplicações de processamento espacial multidimensional. O núcleo de um laser de fibra é uma fibra óptica, um filamento de vidro ou plástico flexível e fino de cabelo conhecido por sua capacidade de orientar a luz em longas distâncias com perda mínima. A fibra atua como o meio de ganho ativo do laser e é o núcleo da operação do laser. No entanto, diferentemente das fibras de vidro ou plástico não doentes usadas em telecomunicações, a fibra óptica em um laser de fibra é dopada de elementos de terras raras, como erbio ou ytterbium. Este doping apresenta o estado de energia necessário para a operação do laser, permitindo que a fibra não apenas guie a luz, mas também amplie -a. O laser de estado sólido (SSL) está centrado em seu meio de ganho exclusivo, material sólido e geralmente é composto por quatro partes: médio de ganho, sistema de resfriamento, cavidade ressonante óptica e fonte de bomba. O meio de ganho, como Ruby (Cr: Al₂o₃) ou granada de alumínio yttrium dopada com neodímio (ND: YAG), é a alma do laser de estado sólido. Os íons ativados (como nd³⁺) dopados dentro dele alcançam inversão populacional sob a ação da luz da bomba, gerando luz a laser. O sistema de refrigeração é responsável por remover o calor acumulado dentro do meio de ganho devido à geração do laser para garantir uma operação estável do laser. O ressonador óptico forma oscilações contínuas através do feedback positivo dos fótons, produzindo um feixe de laser altamente monocromático e altamente direcional.

1.2 Os lasers de fibra de desempenho e eficiência são conhecidos por sua excelente eficiência elétrica, graças à natureza dos cabos de fibra óptica, que podem realizar luz com perda mínima. Esse recurso torna os lasers de fibra incrivelmente eficientes em termos de energia, muitas vezes alcançando eficiências de mais de 30%. Os lasers de estado sólido são geralmente menos eficientes, provavelmente devido às perdas mais altas de seus meios de ganho maior e à necessidade de lâmpadas de alta intensidade para bombear.

1.3 Qualidade do feixe: afeta diretamente a eficácia dos lasers em aplicações de precisão, a operação de modo único de lasers de fibra pode fornecer qualidade incrivelmente alta do feixe, caracterizada por foco rígido e divergência mínima. Os lasers de estado sólido, embora capazes de fornecer vigas de alta qualidade, geralmente são difíceis de combinar com a qualidade do feixe de lasers de fibra, especialmente em níveis mais altos de potência. Apesar de sua menor eficiência e qualidade do feixe, os lasers de estado sólido não ficam sem suas vantagens. Eles têm poderosos recursos de escala de energia e são adequados para aplicações de alta potência. Os lasers de estado sólido podem ser projetados para produzir níveis incrivelmente altos de potência, aumentando o tamanho do meio de ganho e a potência da bomba, o que não é tão simples para lasers de fibra devido às limitações do tamanho da fibra e dissipação de calor.

1.4 Os lasers de fibra de estabilidade têm alta estabilidade. Sua estrutura de fibra é insensível a mudanças ambientais (como temperatura, umidade, vibração etc.) e pode manter condições de trabalho estáveis ​​em ambientes agressivos. Ao mesmo tempo, os lasers de fibra são considerados mais duráveis ​​e adaptáveis ​​às mudanças ambientais porque usam uma estrutura de estado sólido e não contêm componentes ópticos de espaço livre. Os lasers de estado sólido têm estabilidade relativamente baixa, e as mudanças nos fatores ambientais podem ter um impacto maior em seu desempenho.

1.5 Lasers de fibra de dissipação de calor têm excelente desempenho de dissipação de calor. Seu meio de ganho é a fibra óptica, que possui uma grande área de superfície para volume, e o calor pode ser dissipado rapidamente, para que possa funcionar de forma estável por um longo tempo e possa suportar alta potência. Os lasers de estado sólido são relativamente difíceis de dissipar o calor e são propensos a efeitos térmicos ao operar em alta potência, afetando o desempenho e a vida útil do laser.

1.6 Custos de tamanho e manutenção Os lasers de fibra são muito compactos e quase não requerem manutenção. O tamanho pequeno da fibra e a ausência de espelhos externos reduzem bastante os problemas de alinhamento associados a lasers de estado sólido. Além disso, os excelentes recursos de dissipação de calor da fibra geralmente não requerem resfriamento ativo, reduzindo ainda mais os requisitos de manutenção. Ao mesmo tempo, os lasers de fibra geralmente são mais seguros para operar porque o laser está confinado dentro da fibra, reduzindo o risco de exposição acidental. O alinhamento de espelhos em lasers de estado sólido é fundamental para sua operação e requer inspeção e ajuste regular, o que aumenta a carga de trabalho de manutenção. Além disso, os lasers de estado sólido geralmente requerem resfriamento ativo para gerenciar o calor gerado no meio de ganho, o que não apenas aumenta a complexidade do sistema, mas também aumenta os requisitos de manutenção. Os lasers de estado sólido tendem a ser maiores que os lasers de fibra. A necessidade de espelhos de grande ganho e espelhos externos aumenta seu tamanho e peso, limitando sua aplicabilidade em aplicações com espaço limitado.

2. Campos de aplicação

Os lasers de fibra brilham no campo de corte e soldagem industrial com sua alta potência, alta qualidade do feixe, bom desempenho de dissipação de calor e estabilidade. Os lasers de fibra são particularmente adequados para corte espesso de placa e soldagem de materiais metálicos. Sua alta eficiência de conversão eletro-óptica e design livre de ajustes e sem manutenção reduz bastante o custo de uso e a dificuldade de manutenção. Ao mesmo tempo, a alta tolerância de lasers de fibra para ambientes de trabalho severos, como poeira, vibração, umidade etc., também os faz ter um bom desempenho em vários locais industriais. Os lasers contínuos têm um alto grau de penetração no campo do processamento de macro e substituíram gradualmente os métodos tradicionais de processamento nesse campo. Os lasers de estado sólido são únicos no campo do processamento ultra-precisão e ultra-micro, com sua alta potência de pico, energia de pulso grande e saída de laser de comprimento de onda curto (como luz verde e luz ultravioleta). Em processos como marcação de material/não-metal, corte, perfuração e soldagem, lasers de estado sólido podem obter maior precisão de processamento e aplicabilidade de material mais amplo. Especialmente em soldagem de alta precisão e impressão 3D de cura leve de materiais não metálicos, os lasers de estado sólido se tornaram o equipamento preferido devido a seus lasers de comprimento de onda curto com pequenos efeitos térmicos e alta precisão do processamento. Os lasers de estado sólido são usados ​​principalmente no campo da micro-máquina de precisão de materiais não metálicos e materiais finos, quebradiços e outros metais devido ao seu comprimento de onda curto (ultravioleta, ultravioleta profundo), largura de pulso curto (picossegundos, femtossegundos) e poder de pico alto. Além disso, os lasers de estado sólido são amplamente utilizados em pesquisas científicas de ponta nas áreas de meio ambiente, medicina, militar e assim por diante.

3. Participação de mercado em que meu país está em processo de transformação e atualização da indústria de manufatura, desde a fabricação de baixo custo até a fabricação de ponta. A fabricação de baixo custo é responsável por uma alta proporção. O mercado de processamento de macro abrange a fabricação de baixo custo e alguma fabricação de ponta. A demanda do mercado é grande. Portanto, a capacidade de mercado dos lasers de fibra é relativamente grande. Os lasers de fibra de baixa potência doméstica são altamente localizados e existem muitos fabricantes domésticos em larga escala. De acordo com o "Relatório de Desenvolvimento da Indústria de Laser da China", os lasers de fibra de baixa potência foram totalmente substituídos por produtos domésticos; Em termos de lasers de fibra contínua de potência média, a qualidade doméstica não tem desvantagens óbvias, a vantagem de preço é óbvia e a participação de mercado é comparável; Em termos de lasers de fibra contínua de alta potência, as marcas domésticas alcançaram vendas parciais. Quanto aos lasers de estado sólido, devido ao desenvolvimento tardio na China, atualmente não existem empresas listadas com este produto como seu principal negócio e elas geralmente compram marcas estrangeiras. Os lasers de fibra são usados ​​principalmente no campo do processamento de macro devido à sua alta potência de saída (o processamento da macro a laser geralmente se refere ao processamento do tamanho e forma do objeto de processamento com a influência do feixe de laser no nível do milímetro); Os lasers sólidos são amplamente utilizados no campo do micro processamento devido a suas vantagens, como comprimento de onda curto, largura de pulso estreita e alta potência de pico (o micro processamento geralmente se refere ao processamento de tamanho e forma com micrômetros de alcance de precisão ou até nanômetros), resultando em certas diferenças entre usuários de lasers e lasers de fibra sólidos. Em geral, lasers sólidos e lasers de fibra têm focos diferentes em seus campos de aplicação e cada um tem seu próprio campo de aplicação. Não há concorrência direta entre os dois na maioria dos campos. No campo do processamento de material de metal que se sobrepõe ao campo de micro processamento, quando o metal atinge uma certa espessura, esse campo geralmente adota métodos tradicionais ou lasers de fibra devido a razões de custo. Os lasers sólidos são usados ​​apenas em cenas em que a espessura do metal é fina ou os requisitos de processamento são altos e o custo não é sensível. Além disso, a sobreposição da competição entre os dois é baixa. Os lasers sólidos são usados ​​principalmente para o processamento de materiais não metálicos (vidro, cerâmica, plástico, polímeros, embalagens, outros materiais quebradiços, etc.) e, no campo de materiais metálicos, são usados ​​em cenas com requisitos de alta precisão e relativamente insensíveis ao custo.