Nguyên tắc hoạt động và sự kỳ diệu của công nghệ laser

Release Date :25/Th12/20221 Views : 215

Laser đã xuất hiện từ lâu nhưng việc sử dụng chúng trong các ứng dụng thương mại là khá gần đây. Các kỹ sư phải mất một thời gian để tăng cường khả năng của laser đến mức có thể cạnh tranh với các phương pháp sản xuất truyền thống về chi phí, thời gian và tính dễ sử dụng.

Ví dụ, công nghệ laser sợi quang được phát triển lần đầu tiên vào những năm 60. Trước đó, công nghệ này vẫn còn trong giai đoạn sơ khai. Chỉ trong những năm 1990, nó mới trở nên phù hợp để sử dụng cho mục đích thương mại. Kể từ đó, công nghệ này đã đi một chặng đường dài về ứng dụng và hiệu quả của nó. Vào những năm 60, chỉ có thể tạo ra vài chục milliwatt, ngày nay chúng ta có các tia laser sợi quang có thể tạo ra hơn 1000 watt với các đặc tính cuối cùng đáng tin cậy.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về cách thức hoạt động của laser sợi quang, nó được sử dụng ở đâu và tại sao nó thường là lựa chọn tối ưu khi so sánh với các lựa chọn thay thế. Nhưng trước tiên, chúng ta hãy hiểu nó là gì.

Laser sợi quang là gì?

Laser sợi quang là một loại laser trạng thái rắn sử dụng sợi quang làm phương tiện khuếch đại hoạt động của chúng. Trong các tia laser này, một sợi làm bằng thủy tinh silicat hoặc phốt phát hấp thụ ánh sáng thô từ các điốt laser bơm và biến nó thành chùm tia laser có bước sóng cụ thể.

Để đạt được điều này, sợi quang được pha tạp. Doping đề cập đến việc trộn một nguyên tố đất hiếm vào sợi. Bằng cách sử dụng các phần tử pha tạp khác nhau, có thể tạo ra chùm tia laze với nhiều bước sóng khác nhau.

Một số nguyên tố pha tạp phổ biến theo thứ tự bước sóng phát ra tăng dần là neodymium (780-1100nm), ytterbium (1000-1100nm), praseodymium (1300nm), erbi (1460-1640nm), thuli (1900-250nm), holmi (2025-2200nm) ) và dysprosi (2600-3400nm).

Do có nhiều bước sóng được tạo ra như vậy, laser sợi quang hoàn hảo cho nhiều ứng dụng như cắt laser , tạo kết cấu, làm sạch, khắc, khoan, đánh dấu và hàn. Điều này cũng cho phép laser sợi quang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, quốc phòng, viễn thông, ô tô, quang phổ, điện, sản xuất và vận tải.

Laser sợi quang hoạt động như thế nào

Nguyên lý làm việc của laser sợi quang
Sơ đồ nguyên lý của laser sợi quang

Laser sợi quang được đặt tên theo môi trường khuếch đại hoạt động của nó là sợi quang. Bất kỳ máy laser sợi quang nào tạo ra tia laser công suất cao được chuẩn trực tốt đều thực hiện theo năm giai đoạn chính. Đây là như sau:

  • Chế tạo đèn bơm
  • Thu thập và đi vào sợi quang
  • Ánh sáng bơm đi qua sợi quang
  • Phát xạ kích thích trong khoang laser
  • Khuếch đại ánh sáng laser thô thành chùm tia laser

Chế tạo đèn bơm

Đây là nơi năng lượng cho chùm tia laser đi vào hệ thống. Trong laser sợi quang, chúng tôi sử dụng điện làm nguồn năng lượng. Điốt được gọi là điốt laser bơm chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Ở các điốt chất lượng cao, quá trình chuyển đổi đáng tin cậy, hiệu quả và chỉ tạo ra năng lượng ánh sáng với các bước sóng cụ thể.

Ngẫu nhiên, điốt laser chất lượng thấp là một trong những trở ngại lớn cản trở sự phát triển của công nghệ laser trong khoảng 3 thập kỷ.

Trong hầu hết các trường hợp, đèn bơm hoặc chùm tia bơm này được tạo ra từng phần bằng nhiều điốt laze và sau đó được ghép nối trong cáp quang. Chẳng hạn, có những máy laser 20w kết hợp ánh sáng bơm từ 11 điốt laser trong sợi cáp quang.

Thu thập và đi vào sợi quang

Bộ ghép nối kết hợp ánh sáng từ nhiều điốt laze thành một. Bộ ghép nối này là một phần của sợi quang. Nó có nhiều điểm vào ở một bên, mỗi điểm kết nối với một sợi quang từ một đi-ốt laser riêng lẻ.

Ở phía bên kia, có một điểm thoát duy nhất kết nối với sợi quang chính. Sau khi tất cả ánh sáng được thu thập, nó sẽ di chuyển đến môi trường laser hoặc môi trường khuếch đại.

Ánh sáng bơm đi qua sợi quang

Tổng phản xạ bên trong sợi quang

Trong giai đoạn tiếp theo, ánh sáng của diode laser truyền qua sợi quang đến môi trường laser. Sợi bao gồm hai thành phần chính: lõi và lớp bọc. Lõi được làm bằng thủy tinh silica và cung cấp đường dẫn ánh sáng. Lõi này được bao phủ bởi lớp vỏ bọc. Khi ánh sáng chiếu tới lớp vỏ, tất cả ánh sáng sẽ bị phản xạ trở lại lõi.

Laser sợi quang luôn mất một phần năng lượng do nhiệt, nhưng tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tuyệt vời tạo điều kiện tản nhiệt hiệu quả dẫn đến hao mòn rất ít liên quan đến nhiệt.

Khi di chuyển xa hơn qua sợi quang, ánh sáng cuối cùng sẽ chạm tới phần pha tạp của sợi quang. Phần này được gọi là khoang laser.

Phát xạ kích thích trong khoang laser

Khi ánh sáng điốt laze chiếu tới sợi quang pha tạp, nó sẽ va chạm với các nguyên tử của nguyên tố đất hiếm và kích thích các electron của nó lên mức năng lượng cao hơn. Theo thời gian, điều này dẫn đến sự nghịch đảo dân số cần thiết cho việc sản xuất laser tiêu chuẩn.

Nghịch đảo dân số trong laser đề cập đến trạng thái của môi trường khuếch đại trong đó số lượng electron ở trạng thái kích thích lớn hơn so với số lượng điện tử không ở trạng thái kích thích. Nó được gọi là nghịch đảo dân số vì đây là trạng thái ngược lại với trạng thái bình thường khi chỉ một vài nguyên tử có các electron bị kích thích.

Khi một số electron này tự nhiên rơi xuống mức năng lượng thấp hơn, chúng sẽ phát ra các photon chỉ có một bước sóng cụ thể. Các photon này tương tác với các electron bị kích thích khác, kích thích chúng phát ra các photon tương tự và rút về mức năng lượng thấp hơn ban đầu của chúng. Đây là quá trình vật lý của “phát xạ kích thích” là một phần của từ viết tắt LASER (Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích).

Các electron trở lại trạng thái thư giãn ban đầu được kích thích lại bởi ánh sáng tới từ các điốt bơm. Cuối cùng, quá trình đạt đến trạng thái cân bằng giữa các electron bị kích thích và các electron được thư giãn, cho chúng ta một luồng ánh sáng laser thô ổn định. Ánh sáng này cần được tinh chế để sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.

Khuếch đại ánh sáng laser thô thành chùm tia laser

Trước khi sử dụng ánh sáng laser thô từ sợi quang pha tạp trong các ứng dụng, nó phải được tăng cường trước. Trong laser sợi quang, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng Fiber Bragg Gratings (FBG). Các cách tử này thay thế các gương điện môi thông thường bằng cách hoạt động như các gương có hệ số phản xạ khác nhau.

Ánh sáng nhảy tới nhảy lui giữa Bragg Grating. Một phần ánh sáng laser đi qua theo một hướng trong khi ánh sáng còn lại bị phản xạ vào khoang laser. Phần đi qua cách tử trở thành chùm tia laser. Chùm tia này sau đó được gửi qua một bộ tạo dao động (và đôi khi là một bộ kết hợp) để cải thiện tính nhất quán và sau đó được phân phối dưới dạng đầu ra.

Laser sợi quang so với Laser CO2

Sự khác biệt chính giữa hai quá trình này là nguồn tạo ra chùm tia laze. Như đã giải thích trước đó, nguồn laser sợi quang là thủy tinh silica trộn với nguyên tố đất hiếm. Mặt khác, nguồn laser CO2 là hỗn hợp khí với CO2 là thành phần chính.

Laser sợi quang đánh bại laser CO2 gần như trên mọi mặt trừ chi phí đầu tư ban đầu. Ví dụ, laser CO2 không thể cắt nhiều vật liệu phản chiếu. Laser sợi quang xử lý tốt hơn một số lượng lớn các kim loại phản chiếu như đồng, đồng thau, nhôm và thép không gỉ. Laser sợi quang cũng cần ít năng lượng hơn và mang lại hiệu quả cao hơn. Tất cả điều này chỉ bằng một nửa chi phí vận hành và gấp năm lần tốc độ cắt của laser CO2 (khi cắt kim loại mỏng).

Mặc dù khi cắt các vật liệu dày hơn (trên 5 mm), laser CO2 nhìn chung vẫn được ưa chuộng hơn, nhưng những tiến bộ không ngừng trong công nghệ laser sợi quang đang mở rộng các trường hợp mà công nghệ này có lợi thế. Do đó, hiện tại, thật hợp lý nếu nhà cung cấp dịch vụ cắt laser của bạn có quyền truy cập vào cả hai loại máy này để đáp ứng các dự án khác nhau một cách hiệu quả.

Laser sợi quang cũng cung cấp chất lượng chùm tia tốt hơn, độ tin cậy cao hơn, lượng khí thải carbon thấp hơn , thời gian khởi động nhanh hơn, tuổi thọ dài hơn và khả năng xử lý từ xa. Nó cũng ít phải bảo trì hơn vì không có gương hoặc thấu kính nào liên quan. Căn chỉnh gương trên máy laser CO2 thường yêu cầu người vận hành phải được đào tạo chuyên nghiệp hoặc đặc biệt.

Nó cũng không yêu cầu hợp chất đánh dấu gốm để khắc laser như laser CO2. Mặc dù laser sợi quang đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn hơn so với laser CO2, nhưng về lâu dài chúng vẫn là giải pháp tiết kiệm chi phí hơn do Tổng chi phí sở hữu (TCO) thấp hơn.

Ứng dụng Laser sợi quang

Do có nhiều loại công suất đầu ra có thể, laser sợi quang được sử dụng hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau. Một số trong số này là:

đánh dấu laser

Nói chung, laser sợi quang pha tạp ytterbium có bước sóng phát xạ 1064 nm được coi là hoàn hảo cho các ứng dụng đánh dấu bằng laser . Những tia laser này có thể đánh dấu nhựa và kim loại bằng các dấu vĩnh viễn, có độ tương phản cao. Các OEM cũng như các nhà cung cấp yêu cầu máy khắc laser để nhận dạng bộ phận như mã vạch, logo hoặc các văn bản khác.

Những máy này có thể là thủ công hoặc tự động và có thể được tùy chỉnh để theo kịp các chu kỳ sản xuất ngắn. Ngoài việc đánh dấu, thiết bị laser sợi quang có thể được sử dụng để ủ, khắc và khắc.

làm sạch bằng laze

Laser sợi quang có thể làm sạch hiệu quả các bề mặt kim loại sơn, oxit, rỉ sét, v.v. Quá trình này được gọi là làm sạch bằng laser. Quá trình này có thể được tự động hóa và tùy chỉnh cho các thông số dây chuyền sản xuất khác nhau.

Hàn laser

Một ứng dụng quan trọng khác của các tia laser này là trong các dịch vụ hàn . Hàn laser sợi quang là một trong những công nghệ sắp tới hứa hẹn nhất đang chiếm thị phần nhanh chóng do những lợi ích khác nhau mà quy trình mang lại. Hàn laser cung cấp tốc độ nhanh hơn, độ chính xác cao hơn, biến dạng thấp hơn, chất lượng và hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

Sự cắt bằng tia laser

Cắt laser là một trong những lĩnh vực ứng dụng laser sợi quang được nghiên cứu nhiều nhất. Nó có thể xử lý các vết cắt phức tạp với chất lượng cạnh ấn tượng. Điều này làm cho nó tối ưu cho các bộ phận có dung sai gần. Việc áp dụng nó đang gia tăng trên diện rộng với các nhà chế tạo do danh sách dài các lợi ích của nó. Chúng ta hãy xem chúng là gì trong phần tiếp theo.

Lợi ích cắt Laser Fiber

So với các loại laser khác, laser sợi quang có một số đặc điểm khiến nó trở nên lý tưởng cho mục đích thương mại rộng rãi hơn. Chúng tôi đã chia những lợi ích này thành bốn loại:

lợi ích quy trình

  • Ổn định hơn
  • Hiệu quả cao
  • Chất lượng chùm tia tuyệt vời
  • Tích hợp dễ dàng
  • Quy trình không tiếp xúc
  • Tốc độ nhanh hơn (tuy nhiên, laser CO2 cắt nhanh hơn theo đường thẳng)
  • An toàn hơn vì chùm tia được hấp thụ dễ dàng hơn, ngăn chặn thiệt hại do phản xạ

Lợi ích chi phí

  • Tiết kiệm chi phí hơn về lâu dài
  • Hiệu suất năng lượng cao (~75%, con số đối với laser CO2 là ~20%)
  • Giảm lãng phí
  • Giảm sử dụng năng lượng
  • Giảm dự phòng điều hành
  • Chi phí vận hành thấp

Lợi ích thiết bị

  • khả năng mở rộng
  • Tính linh hoạt trong các ngành công nghiệp
  • Nhỏ gọn hơn với dấu chân nhỏ hơn
  • Tuổi thọ dài
  • Không sắp xếp lại gương định kỳ
  • Giảm thời gian thiết lập và ngừng hoạt động
  • Loại bỏ chi phí dụng cụ

Lợi ích chất lượng một phần

  • Ít thiệt hại nhiệt cho các chi tiết
  • đa dạng vật liệu
  • Chất lượng cạnh tốt hơn
  • Ứng suất dư thấp hơn
  • Giảm ô nhiễm một phần
Hotline Zalo Messenger Up