تولید صنعتی تبدیل لیزرهای فیبر

پرتوی از نور را تصور کنید که قادر به برش فولاد، انجام حکاکی دقیق میکروسکوپی، و جایگزینی فرآیندهای صنعتی سنتی سنگین‌آلود است - دنیای سبزتر را به وجود می‌آورد. این یک داستان علمی تخیلی نیست، بلکه واقعیتی است که توسط فناوری لیزر فیبر درک می شود. این سیستم ها با سرعت شگفت انگیزی در صنایع مختلف از تولید و مخابرات گرفته تا مراقبت های بهداشتی نفوذ کرده و به ابزاری ضروری در کاربردهای صنعتی مدرن تبدیل شده اند.

لیزرهای فیبر از فیبرهای نوری کوارتز دوپ شده با خاک کمیاب به عنوان محیط کسب خود برای هدایت نور استفاده می کنند. در مقایسه با لیزرهای معمولی، آنها کیفیت پرتو برتر، اندازه جمع و جور، راندمان تبدیل الکترواپتیکی بالا و هزینه های تعمیر و نگهداری کمتری را ارائه می دهند. توانایی آنها در تولید طول موج‌های لیزر مختلف، کاربردهای صنعتی متنوعی از جمله برش، علامت‌گذاری، جوشکاری، تمیز کردن، بافت‌سازی و حفاری را ممکن می‌سازد که به طور قابل‌توجهی کارایی تولید و کیفیت محصول را افزایش می‌دهد.

اگرچه مفهوم لیزرهای فیبر برای اولین بار توسط الیاس اسنیتزر در سال 1961 ارائه شد و در سال 1963 نشان داده شد، اما به دلیل محدودیت های اولیه در توان خروجی و کیفیت منبع پمپ، پذیرش تجاری تا دهه 1990 آغاز نشد. نقاط عطف کلیدی در توسعه لیزر فیبر عبارتند از:

• 1917:کشف انتشار تحریک شده توسط انیشتین، زمینه های نظری را ایجاد کرد.
• 1960:تئودور میمن اولین لیزر (لیزر یاقوتی) را ساخت.
• 1963:Snitzer اولین لیزر فیبر کاربردی را به نمایش گذاشت.
• 1988:نمایش اولین لیزر فیبر دوپوش.
• 2004:اختراع لیزرهای فیبر سیلیکا تک حالته دیوید پین، پیشرفتی را رقم زد.

امروزه، پیشرفت های مستمر بازدهی بالاتر، قدرت بیشتر و کاربردهای گسترده تری را به همراه دارد. استفاده های نوظهور مانند تمیز کردن لیزر و بافت سازی جایگزین روش های سنتی مضر برای محیط زیست شده و به تولید پایدار کمک می کند.

لیزرهای فیبر را می توان بر اساس چندین معیار طبقه بندی کرد:

• مواد ناخالص:الیاف دوپ شده با ایتربیوم، تولیوم یا اربیوم، طول موج های متفاوتی را برای کاربردهای خاص تولید می کنند.
• حالت عملیات:پالس (سوئیچ Q، سوئیچ افزایش) برای پیک قدرت بالا در مقابل موج پیوسته برای خروجی ثابت.
• توان خروجی:از 20 وات تا سیستم های چند کیلوواتی.
• حالت پرتو:تک حالته (هسته 8-9μm) برای دقت در مقابل چند حالت (50-100μm) برای تحویل توان بالا.

تمایز اساسی در متوسط ​​بهره آنها نهفته است - لیزرهای فیبری از مواد دوپینگ حالت جامد (معمولاً طول موج های 780-2200 نانومتر تولید می کنند)، در حالی که لیزرهای CO2 از مخلوط های گازی (9600-10600 نانومتر) استفاده می کنند. این باعث می شود لیزرهای فیبر برای پردازش فلز ایده آل باشند (به جز کاربردهای خاص برش که در آن CO2 برتر است)، در حالی که لیزرهای CO2 با مواد آلی تعامل بهتری دارند.

یک سیستم لیزر فیبر کامل شامل محفظه های ایمنی، سیستم های اگزوز، اجزای مکانیکی و رابط های کنترل فرآیند برای تبدیل لیزر به یک راه حل کلید در دست است. زیرسیستم‌های نمونه شامل میزهای کاری دوار، محفظه‌های ایمنی کلاس 1 و رابط‌های انسان و ماشین (HMI) هستند.

در حالی که اغلب به عنوان دارای طول عمر 100000 ساعت (در مقابل 30000 برای لیزرهای CO2) ذکر می شود، این ارقام نشان دهنده میانگین زمان بین خرابی ها (MTBF) هستند - معیارهای قابلیت اطمینان آماری به جای طول عمر مطلق. دوره های شکست بحرانی رخ می دهد:

• اولیه:عیوب تولید معمولا زود آشکار می شود.
• عملیاتی:مقادیر بالای MTBF نشان دهنده قابلیت اطمینان احتمالی در طول این مرحله است.
• پایان عمر:احتمال شکست به طور تصاعدی فراتر از تخمین های MTBF افزایش می یابد.

دیودهای لیزر انرژی الکتریکی را با استفاده از اتصالات نیمه هادی که در آن نوترکیب الکترون-حفره فوتون آزاد می کند، به نور پمپ تبدیل می کند.

فیبرهای نوری نور را از طریق بازتاب داخلی کلی بین هسته با شاخص بالا (آغشته به عناصر کمیاب) و روکش با شاخص کم محدود می کنند.

در حفره لیزر، یون های دوپ شده تحت چرخه های تحریک/آرامش الکترونی قرار می گیرند. توری های فیبر براگ تشدید کننده هایی را تشکیل می دهند که انتشار تحریک شده را تولید می کنند - جوهر لیزر (تقویت نور توسط انتشار تحریک شده تابش).

ناخالصی های خاص (به عنوان مثال، ایتربیوم برای 1064 نانومتر) طول موج خروجی را با حاکم بر ویژگی های انرژی فوتون دیکته می کنند.

عدسی‌ها و بسط‌دهنده‌های پرتو، خروجی طبیعی هماهنگ‌شده را به پروفایل‌های خاص کاربردی، مانند لنزهای فوکوس کوتاه برای فرسایش تهاجمی در کاربردهای حکاکی، تبدیل می‌کنند.

اکثر لیزرهای فیبر در طیف مادون قرمز (780-2200 نانومتر) کار می کنند که برای چشم انسان نامرئی است اما برای پردازش فلزات و پلیمرها ایده آل است. سیستم های تخصصی از تبدیل فرکانس برای تولید طول موج های مرئی برای کاربردهایی مانند پردازش نیمه هادی یا روش های پزشکی استفاده می کنند.

عملیات موج پیوسته برای جوشکاری/برش مناسب است، در حالی که حالت های پالسی اوج قدرت بالایی را برای حکاکی/تمیز کردن فراهم می کنند. ویژگی های پالس عبارتند از:

• انرژی (میلی ژول در هر پالس)
• مدت زمان (میکروثانیه تا فمتوثانیه)
• سرعت تکرار (کیلوهرتز)

توان متوسط ​​(وات) خروجی پایدار را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که سیستم‌های پالسی نیز حداکثر توان را مشخص می‌کنند (مثلاً میانگین 100 وات با پیک‌های 10000 وات).

با ضریب M2 کمیت شده (1 ایده آل است)، این قابلیت تمرکز را تعیین می کند - برای کاربردهایی که نیاز به چگالی انرژی متمرکز مانند فرآیندهای فرسایش دقیق دارند، بسیار مهم است.