Co to jest niebieski laser półprzewodnikowy dużej mocy?

TheNiebieskie lasery półprzewodnikowe o dużej mocy i jasnościsą stale udoskonalane do nowych granic, co również doprowadzi do większej liczby i szerszych zastosowań. Oprócz wydajnej obróbki materiałów metalowych, niebieskie lasery półprzewodnikowe oczekują zastosowań międzysektorowych, w szczególności sektor inżynierii mechanicznej umożliwi laserową obróbkę materiałów niebieskim światłem pod wodą. W przypadku produkcji jest to oczywiście ogromna zaleta. Ponadto branża oświetleniowa może również korzystać z wysokiej jakości technologii oświetleniowej opartej na niebieskich laserach półprzewodnikowych.

1. Ograniczenia laserów dużej mocy w bliskiej podczerwieni

W ciągu ostatnich kilku dekad lasery CW o dużej mocy stały się powszechnym narzędziem w nowoczesnej produkcji, obejmując takie zastosowania, jak spawanie, platerowanie, obróbka powierzchni, hartowanie, lutowanie twarde, cięcie, drukowanie 3D i wytwarzanie addytywne. Pierwszy szczyt rozwoju technologii ciągłego lasera dużej mocy pojawił się przed 2000 r., kiedy to opracowano wysokoenergetyczny laser na dwutlenku węgla (CO2) o długości fali 10,6 µm i półprzewodnikowy laser półprzewodnikowy Nd:YAG o długości fali 1064 nm. Jednak ze względu na długość fali lasery na dwutlenku węgla są trudne do przenoszenia przez światłowody, co stwarza pewne trudności w zastosowaniach przemysłowych; podczas gdy lasery na ciele stałym są ograniczone przez możliwości wzmocnienia jasności i mocy. Po 2000 r. zaczęły pojawiać się przemysłowe lasery światłowodowe dużej mocy jako rozwiązania dla laserów o dużej jasności i dużej mocy, które można było dostarczać za pośrednictwem światłowodów. Obecnie lasery światłowodowe zastąpiły lasery CO2 w zdecydowanej większości zastosowań i są skutecznie wykorzystywane w wielu zastosowaniach związanych z przetwarzaniem przemysłowym. Szczególnie w ostatnich latach stał się główną siłą laserów przemysłowych, takich jak spawanie i cięcie laserowe, które charakteryzują się wyższą szybkością, wydajnością i niezawodnością niż lasery na dwutlenku węgla.

Jednak te lasery światłowodowe o dużej mocy CW zazwyczaj działają w zakresie fal bliskiej podczerwieni (NIR), w zakresie 1 µm, co jest odpowiednie dla wielu zastosowań. Na przykład nadaje się do obróbki stali o współczynniku absorpcji przekraczającym 50 procent, ale jest ograniczony, ponieważ niektóre metale odbijają 90 procent lub więcej promieniowania laserowego bliskiej podczerwieni padającego na ich powierzchnie. Zwłaszcza spawanie metali żółtych, takich jak miedź i złoto, za pomocą laserów bliskiej podczerwieni, ze względu na niski współczynnik absorpcji oznacza, że ​​do rozpoczęcia procesu spawania wymagana jest duża moc lasera. Zasadniczo istnieją dwa procesy spawania laserowego: spawanie w trybie przewodzenia (w którym materiał jest po prostu topiony i ponownie rozlewany) oraz spawanie w trybie głębokiego wtopienia (w którym laser odparowuje metal, a ciśnienie pary tworzy wnękę lub dziurkę od klucza). Spawanie w trybie głębokiej penetracji skutkuje silnie pochłanianą wiązką laserową ze względu na liczne interakcje, jakie wiązka laserowa ma z metalem i oparami metali podczas przemieszczania się przez materiał. Jednak uruchomienie dziurki od klucza za pomocą lasera bliskiej podczerwieni wymaga znacznego natężenia padającego lasera, zwłaszcza jeśli spawany materiał jest silnie odblaskowy. Po uformowaniu dziurki od klucza szybkość absorpcji gwałtownie wzrośnie, a wysokie ciśnienie oparów metali generowane przez laser bliskiej podczerwieni o dużej mocy w stopionym basenie spowoduje odpryski i porowatość, więc moc lasera lub prędkość spawania musi być dokładnie kontrolowane, aby zapobiec wyrzucaniu nadmiernych rozprysków ze spoiny. Opary metalu i „pęcherzyki” w gazie procesowym mogą również zostać uwięzione, gdy stopione jeziorko zestala się, tworząc porowatość w złączu spawanym. Taka porowatość osłabia wytrzymałość spoiny i zwiększa rezystywność złącza, co skutkuje niższą jakością złącza spawanego. Dlatego lasery NIR są bardzo trudne do obróbki materiałów takich jak miedź<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 opracować aplikacje sterowane laserem bliskiej podczerwieni, ludzie muszą prowadzić badania nad nowymi laserowymi źródłami światła. Ponadto w celu ograniczenia emisji gazów cieplarnianych nowe pojazdy energetyczne zastępują silniki benzynowe i spalinowe silnikami elektrycznymi. Duża ilość miedzi wykorzystywanej do budowy silników elektrycznych, zwłaszcza baterii zasilających, stworzyła ogromne zapotrzebowanie na niezawodne rozwiązania do przetwarzania miedzi, podczas gdy w innych systemach energii odnawialnej, takich jak turbiny wiatrowe, istnieje równie szeroki zakres zastosowań.

2. Narodziny niebieskiego lasera dużej mocy

Rozwój przemysłowej technologii laserowej zawsze przebiegał zgodnie z mapą drogową technologii produkcji i nowymi wymaganiami społecznymi. W ciągu ostatnich 60 lat, od gospodarki cyfrowej i społeczeństwa, przez zrównoważoną energię, po zdrowe życie, technologia laserowa wniosła ogromny wkład w rozwiązywanie ważnych zadań w przyszłości ludzkości. Obecnie technologia laserowa jest integralną częścią wielu kluczowych obszarów naszej gospodarki, od technologii produkcji po inżynierię motoryzacyjną, technologię medyczną, technologię pomiarową i środowiskową oraz technologię informacyjną i komunikacyjną. Ponieważ technologia obróbki metali stale się rozwija, a wymagania użytkowników stale rosną, lasery wymagają innowacji pod względem kosztów i efektywności energetycznej, a także wydajności systemu laserowego. Zapotrzebowanie rynku na wydajną obróbkę metali silnie odbijających światło pobudziło rozwój technologii niebieskiego lasera dużej mocy, co z pewnością otworzy drzwi nowym technologiom w obróbce metali.

W przypadku metali nieżelaznych absorpcja energii świetlnej wzrasta wraz ze spadkiem długości fali światła. Na przykład absorpcja światła przez miedź o długości fali poniżej 500 nm wzrośnie o co najmniej 50 procent w porównaniu ze światłem podczerwonym, więc krótkie fale świetlne są bardziej odpowiednie do obróbki miedzi. Problem polega na tym, że opracowanie laserów o krótkiej długości fali i dużej mocy do tych zastosowań przemysłowych jest trudne; dostępnych jest niewiele opcji o dużej mocy, a nawet te, które istnieją, są drogie i nieefektywne. Na przykład na rynku dostępnych jest kilka półprzewodnikowych źródeł laserowych opartych na podwojeniu częstotliwości, które można wykorzystać w tym zakresie długości fal, wytwarzając światło laserowe o długości fali 515 nm i 532 nm (widmo zielone). Jednak te źródła laserowe polegają na swoich nieliniowych kryształach optycznych, które przekształcają energię lasera pompującego w energię docelowej długości fali. Proces konwersji powoduje duże straty mocy, a laser wymaga skomplikowanych układów chłodzenia i skomplikowanych układów optycznych.

Aby sprostać temu wyzwaniu, ludzie zwrócili uwagę na niebieskie lasery półprzewodnikowe. Jednym z nich jest to, że Blu-ray ma swoje specyficzne właściwości. Materiały metalowe o wysokim współczynniku odbicia mają wysoki współczynnik absorpcji światła niebieskiego, co oznacza, że ​​światło niebieskie ma ogromną przewagę w obróbce metali materiałów silnie odbijających światło (takich jak miedź itp.). Jak pokazano na rysunku 1, absorpcja światła niebieskiego przez miedź jest ponad 13 razy (13 razy) wyższa niż w przypadku światła podczerwonego. Ponadto szybkość wchłaniania nie zmienia się znacznie po stopieniu miedzi. Gdy niebieski laser rozpocznie spawanie, ta sama gęstość energii będzie podtrzymywać spawanie. Spawanie laserowe Blu-ray jest z natury dobrze kontrolowane i mniej wadliwe, a rezultatem są szybkie i wysokiej jakości spoiny lutowane. Jednocześnie światło niebieskie jest mniej absorbowane w wodzie morskiej, dzięki czemu ma większą odległość transmisji, co umożliwia rozwój dziedziny podwodnej laserowej obróbki materiałów. Ponadto światło niebieskie można stosunkowo łatwo przekształcić w światło białe, dzięki czemu reflektory i inne aplikacje oświetleniowe można wdrażać w bardzo kompaktowy sposób za pomocą niebieskich laserów. Po drugie, lasery półprzewodnikowe oparte na materiałach z azotku galu mogą bezpośrednio generować światło laserowe o długości fali 450 nm bez dalszego podwajania częstotliwości, dzięki czemu mają wyższą wydajność konwersji energii.

Oczekuje się, że laser o długości fali 450 nm zwiększy wydajność obróbki materiałów miedzianych prawie 20-krotnie w porównaniu z długością fali 1 µm. W porównaniu z tradycyjnymi procesami spawania laserowego w bliskiej podczerwieni, niebieskie lasery o dużej mocy mają przewagę ilościową i jakościową. Korzyści ilościowe: zwiększone prędkości spawania i szersze okno procesu przekładają się bezpośrednio na wyższą produktywność i zminimalizowane przestoje produkcyjne. Zalety jakościowe: większa tolerancja procesu, spoiny wolne od odprysków i porowatości, wysokiej jakości, a także wyższa wytrzymałość mechaniczna i niższy opór elektryczny. Spójność jakości spawania może znacznie poprawić wydajność produkcji. Ponadto niebieski laser może również prowadzić spawanie w trybie przewodzenia ciepła, co nie jest możliwe w przypadku lasera bliskiej podczerwieni.

Informacje kontaktowe:

Jeśli masz jakieś pomysły, możesz z nami porozmawiać. Bez względu na to, gdzie są nasi klienci i jakie są nasze wymagania, będziemy podążać za naszym celem, aby zapewnić naszym klientom wysoką jakość, niskie ceny i najlepszą obsługę.