لیزرهای فیبر – اصول کار، کاربردها و موارد دیگر

لیزرهای فیبر

لیزرها برای مدت طولانی وجود داشته اند، اما استفاده از آنها در کاربردهای تجاری کاملاً جدید است. مدتی طول کشید تا مهندسان توانایی های لیزر را به حدی تقویت کنند که بتوانند از نظر هزینه، زمان و سهولت استفاده با روش های تولید سنتی رقابت کنند. به عنوان مثال، فناوری لیزر فیبر برای اولین بار در دهه 60 توسعه یافت. در آن زمان، این فناوری هنوز در مرحله اولیه خود بود. تنها در دهه 1990 برای استفاده تجاری مناسب شد. از آن زمان به بعد، این فناوری از نظر کاربردها و کارایی راه طولانی را طی کرده است. در دهه 60 تولید تنها چند ده میلی وات امکان پذیر بود، امروزه ما لیزرهای فیبری داریم که می توانند بیش از 1000 وات با خواص نهایی قابل اعتماد تولید کنند.

ورق چوب پنبه تولیدی شرکت صنعت واشر اصفهان یکی از با کیفیت ترین محصولات تولیدی شرکت است. کافیست برای سفارش با کارشناسان ما تماس بگیرید.

لیزر فیبر چیست؟

لیزرهای فیبر نوعی از لیزرهای حالت جامد هستند که از فیبرهای نوری به عنوان رسانه بهره فعال خود استفاده می کنند. در این لیزرها، فیبر ساخته شده از شیشه سیلیکات یا فسفات، نور خام دیودهای لیزر پمپ را جذب می کند و آن را به یک پرتو لیزر با طول موج مشخص تبدیل می کند.

برای رسیدن به این هدف، فیبر نوری دوپ می شود. دوپینگ به تمرین مخلوط کردن یک عنصر خاکی کمیاب در فیبر اشاره دارد. با استفاده از عناصر مختلف دوپینگ می توان پرتوهای لیزر با طیف وسیعی از طول موج ایجاد کرد.

برخی از عناصر دوپینگ رایج در ترتیب افزایش طول موج ساطع شده عبارتند از: نئودیمیم (780-1100 نانومتر)، ایتربیوم (1000-1100 نانومتر)، پرازئودیمیم (1300 نانومتر)، اربیوم (1460-1640 نانومتر)، تولیوم (250-250 نانومتر)، تولیوم (1900-250 نانومتر) و دیسپروزیم (2600-3400 نانومتر).

به دلیل طیف گسترده ای از طول موج های تولید شده، لیزرهای فیبر برای کاربردهای مختلفی مانند برش لیزری، بافت، تمیز کردن، حکاکی، سوراخ کردن، علامت گذاری و جوشکاری مناسب هستند. این همچنین لیزرهای فیبر را قادر می‌سازد تا در بسیاری از بخش‌های مختلف مانند پزشکی، دفاع، مخابرات، خودرو، طیف‌سنجی، برق، تولید و حمل‌ونقل استفاده شوند.

لیزر فیبر چگونه کار می کند؟

لیزر فیبر به خاطر محیط بهره فعال آن که یک فیبر نوری است نامگذاری شده است. هر دستگاه لیزر فیبری که یک لیزر پرقدرت با هماهنگی خوب تولید می کند این کار را در پنج مرحله اصلی انجام می دهد. این موارد به شرح زیر است:

• ایجاد چراغ پمپ
• جمع آوری و سفر به فیبر نوری
• نور پمپ از فیبر نوری عبور می کند
• انتشار تحریک شده در حفره لیزر
• تقویت نور خام لیزر به پرتو لیزر

ایجاد چراغ پمپ

این جایی است که انرژی برای پرتو لیزر وارد سیستم می شود. در لیزرهای فیبر، ما از برق به عنوان منبع انرژی استفاده می کنیم. دیودهایی که به دیودهای لیزر پمپ معروف هستند انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می کنند. در دیودهای باکیفیت، تبدیل قابل اعتماد و کارآمد است و تنها با طول موج های خاص انرژی نوری تولید می کند.

اتفاقا دیودهای لیزری با کیفیت پایین یکی از موانع مهمی بودند که حدود 3 دهه مانع پیشرفت فناوری لیزر شدند.

در بیشتر موارد، این چراغ پمپ یا پرتو پمپ به صورت قطعات توسط چندین دیود لیزر تولید می شود و سپس در کابل فیبر نوری کوپل می شود. به عنوان مثال، دستگاه های لیزری 20 واتی وجود دارند که نور پمپ 11 دیود لیزر را در کابل فیبر نوری ترکیب می کنند.

جمع آوری و سفر به فیبر نوری

یک کوپلر نور حاصل از چندین دیود لیزر را در یک واحد ترکیب می کند. این کوپلر بخشی از فیبر نوری است. دارای چندین نقطه ورودی در یک طرف است که هر یک از آنها به فیبر از یک دیود لیزر جداگانه متصل می شود.

در طرف دیگر، یک نقطه خروجی وجود دارد که به فیبر اصلی متصل می شود. هنگامی که تمام نور جمع آوری شد، به محیط لیزر یا محیط افزایش می رود.

نور پمپ از فیبر نوری عبور می کند

در مرحله بعد، نور دیود لیزر از طریق فیبر نوری به محیط لیزر جریان می یابد. فیبر از دو جزء اصلی تشکیل شده است: هسته و روکش. هسته از شیشه سیلیکا ساخته شده و مسیر نور را فراهم می کند. این هسته با روکش پوشیده شده است. هنگامی که نور به روکش فلزی می رسد، همه آن به داخل هسته منعکس می شود.

لیزرهای فیبر همیشه مقداری توان را از طریق گرما از دست می دهند، اما نسبت سطح عالی به حجم، اتلاف موثر گرما را تسهیل می کند که منجر به سایش و پارگی بسیار کمی مرتبط با گرما می شود.

در سفر بیشتر از طریق فیبر نوری، نور در نهایت به قسمت دوپ شده فیبر می رسد. این قسمت به حفره لیزر معروف است.

انتشار تحریک شده در حفره لیزر

هنگامی که نور دیود لیزر به فیبر دوپ شده می رسد، به اتم های عنصر خاکی کمیاب برخورد می کند و الکترون های آن را به سطح انرژی بالاتری تحریک می کند. با گذشت زمان، این منجر به وارونگی جمعیت می شود که برای تولید یک لیزر استاندارد ضروری است.

وارونگی جمعیت در لیزر به حالت یک محیط افزایشی اطلاق می شود که در آن تعداد بیشتری از الکترون ها در حالت برانگیخته نسبت به الکترون هایی هستند که نیستند. این وارونگی جمعیت نامیده می شود زیرا این حالت برعکس حالت عادی است که در آن فقط چند اتم الکترون برانگیخته دارند.

هنگامی که برخی از این الکترون ها به طور طبیعی به سطوح انرژی پایین تری سقوط می کنند، فوتون هایی با طول موج خاص ساطع می کنند. این فوتون‌ها با سایر الکترون‌های برانگیخته برهم‌کنش می‌کنند و آنها را تحریک می‌کنند تا فوتون‌های مشابه ساطع کنند و به سطوح انرژی پایین‌تر اولیه خود عقب‌نشینی کنند. این فرآیند فیزیکی “گسیل تحریک شده” است که بخشی از مخفف LASER (تقویت نور توسط انتشار تحریک شده تابش) است.

الکترون هایی که به حالت آرام اولیه خود باز می گردند توسط نور ورودی از دیودهای پمپ دوباره برانگیخته می شوند. در نهایت، این فرآیند به تعادل بین الکترون های برانگیخته و آرام می رسد و جریان ثابتی از نور خام لیزر را به ما می دهد. این چراغ برای استفاده در کاربردهای مختلف نیاز به پالایش دارد.

تقویت نور خام لیزر به پرتو لیزر

قبل از استفاده از نور لیزر خام از فیبر دوپ شده در برنامه ها، ابتدا باید آن را تقویت کرد. در لیزرهای فیبر، این کار با استفاده از فیبر براگ گریتینگ (FBGs) انجام می شود. این توری ها جایگزین آینه های دی الکتریک معمولی می شوند و به عنوان آینه هایی با بازتاب متفاوت عمل می کنند.

نور بین توری براگ به جلو و عقب می پرد. بخشی از نور لیزر در یک جهت عبور می کند در حالی که نور باقی مانده به داخل حفره لیزر منعکس می شود. قسمتی که از توری عبور می کند به پرتو لیزر تبدیل می شود. این پرتو سپس از طریق یک نوسان ساز (و گاهی اوقات یک ترکیب کننده) برای بهبود انسجام فرستاده می شود و سپس به عنوان خروجی تحویل داده می شود.

لیزر فیبر در مقابل لیزر CO2

تفاوت اصلی بین این دو فرآیند منبعی است که پرتو لیزر در آن ایجاد می شود. همانطور که قبلا توضیح داده شد، منبع لیزر فیبر، شیشه سیلیسی است که با یک عنصر خاکی کمیاب مخلوط شده است. از سوی دیگر، منبع لیزر CO2 مخلوطی از گازها است که CO2 جزء اصلی آن است.

لیزرهای فیبر تقریباً در همه زمینه ها به جز هزینه سرمایه گذاری اولیه، لیزرهای CO2 را شکست می دهند. به عنوان مثال، لیزرهای CO2 نمی توانند بسیاری از مواد بازتابنده را برش دهند. لیزرهای فیبر تعداد بیشتری از فلزات بازتابنده مانند مس، برنج، آلومینیوم و فولاد ضد زنگ را بهتر کنترل می کنند. لیزر فیبر نیز به توان کمتری نیاز دارد و راندمان بالاتری را ارائه می دهد. همه اینها با نصف هزینه های عملیاتی و پنج برابر سرعت برش لیزر CO2 (هنگام برش فلزات نازک).

اگرچه هنگام برش مواد ضخیم‌تر (بالاتر از 5 میلی‌متر) لیزرهای CO2 هنوز به طور کلی ترجیح داده می‌شوند، پیشرفت‌های مداوم در فناوری لیزر فیبر مواردی را که این فناوری برتری دارد گسترش می‌دهد. بنابراین در حال حاضر، منطقی است که ارائه دهنده خدمات برش لیزر شما به هر دوی این نوع ماشین ها دسترسی داشته باشد تا پروژه های مختلف را به روشی کارآمد انجام دهد.

لیزر فیبر همچنین کیفیت پرتو بهتر، قابلیت اطمینان بالاتر، ردپای کربن کمتر ، زمان راه‌اندازی سریع‌تر، عمر طولانی‌تر و قابلیت‌های پردازش از راه دور را فراهم می‌کند. همچنین به نگهداری کمتری نیاز دارد زیرا هیچ آینه یا عدسی در آن وجود ندارد. تراز آینه ای در دستگاه های لیزر CO2 معمولاً به آموزش حرفه ای یا ویژه اپراتور نیاز دارد.

همچنین برای حکاکی لیزری مانند لیزر CO2 نیازی به ترکیب نشانه گذاری سرامیکی ندارد. اگرچه لیزرهای فیبر در مقایسه با لیزرهای CO2 نیاز به سرمایه گذاری اولیه بیشتری دارند ، اما به دلیل کاهش هزینه کل مالکیت (TCO) همچنان راه حل مقرون به صرفه تری در دراز مدت هستند.

کاربردهای لیزر فیبر

با توجه به طیف گسترده ای از توان خروجی های ممکن، لیزرهای فیبر به طور موثر در بسیاری از کاربردهای مختلف استفاده می شوند. برخی از این موارد عبارتند از:

علامت گذاری لیزری

به طور کلی، لیزرهای فیبر دوپ شده با ایتربیوم با طول موج انتشار 1064 نانومتر برای کاربردهای علامت گذاری لیزری عالی در نظر گرفته می شوند . این لیزرها می توانند پلاستیک و فلزات را با علائم دائمی و با کنتراست بالا مشخص کنند. OEM ها و همچنین تامین کنندگان، برای شناسایی قطعات مانند بارکد، آرم یا سایر متون به ماشین های علامت گذاری لیزری نیاز دارند.

این ماشین‌ها ممکن است دستی یا خودکار باشند و می‌توانند برای هماهنگی با چرخه‌های کوتاه تولید سفارشی شوند. علاوه بر علامت گذاری، از تجهیزات لیزر فیبر می توان برای بازپخت ، اچ و حکاکی استفاده کرد.

تمیز کردن لیزر

لیزرهای فیبر می توانند به طور موثر سطوح فلزی را از رنگ، اکسید، زنگ زدگی و غیره تمیز کنند. این فرآیند به عنوان تمیز کردن لیزر شناخته می شود. این فرآیند را می توان برای پارامترهای مختلف خط تولید خودکار و سفارشی کرد.

جوش لیزری

یکی دیگر از کاربردهای مهم این لیزرها در خدمات جوشکاری است . جوشکاری لیزر فیبر یکی از امیدوارکننده ترین فناوری های آینده است که به دلیل مزایای مختلفی که این فرآیند ارائه می دهد، به سرعت سهم بازار را به دست می آورد. جوشکاری لیزری سرعت بیشتر، دقت بیشتر، تغییر شکل کمتر، کیفیت و کارایی بالاتر را نسبت به روش های سنتی فراهم می کند.

برش لیزری

برش لیزری یکی از مهمترین زمینه های کاربرد لیزر فیبر است. این می تواند برش های پیچیده را با کیفیت لبه چشمگیر انجام دهد. این آن را برای قطعات با تلرانس نزدیک بهینه می کند. به دلیل لیست طولانی مزایای آن، پذیرش آن در حال افزایش است. اجازه دهید در بخش بعدی نگاهی به اینها بیاندازیم.

مزایای برش لیزر فیبر

در مقایسه با سایر انواع لیزر، لیزر فیبر دارای چندین ویژگی است که آن را برای استفاده تجاری گسترده تر ایده آل می کند. ما این مزایا را به چهار دسته تقسیم کرده ایم:

مزایای فرآیند

• ثبات بیشتر
• بازدهی بالا
• کیفیت پرتو فوق العاده
• ادغام آسان
• فرآیند غیر تماسی
• سرعت‌های سریع‌تر (البته، لیزرهای CO2 در یک خط مستقیم سریع‌تر برش می‌دهند)
• ایمن تر است زیرا پرتو به راحتی جذب می شود و از آسیب انعکاس جلوگیری می کند

مزایای هزینه

• در دراز مدت مقرون به صرفه تر است
• راندمان انرژی بالا (~75٪، تعداد لیزرهای CO2 ~20٪ است.
• کاهش ضایعات
• کاهش مصرف برق
• کاهش افزونگی اپراتور
• هزینه عملیاتی کم

مزایای تجهیزات

• مقیاس پذیری
• تطبیق پذیری در صنایع
• جمع و جورتر با ردپای کوچکتر
• عمر طولانی
• بدون تنظیم مجدد آینه دوره ای
• کاهش زمان راه اندازی و توقف
• حذف هزینه های ابزار

مزایای کیفیت قطعه

• آسیب حرارتی کمتر به جزئیات
• تنوع مواد
• کیفیت لبه بهتر
• تنش های پسماند کمتر
• کاهش آلودگی قطعات