Co je to vysoce výkonný modrý polovodičový laser?

TheJas a vysoce výkonné modré polovodičové laseryse neustále zlepšují na nové limity, což také povede k většímu a širšímu uplatnění. Kromě efektivního zpracování kovových materiálů očekávají modré polovodičové lasery průřezové aplikace, zejména sektor strojírenství umožní laserové zpracování materiálů s modrým světlem pod vodou. Pro výrobu je to samozřejmě obrovská výhoda. Kromě toho může osvětlovací průmysl využívat i vysoce kvalitní osvětlovací techniku ​​na bázi modrých polovodičových laserů.

1. Omezení výkonových laserů na vlnových délkách blízkého infračerveného záření

Během několika posledních desetiletí se vysoce výkonné CW lasery staly běžným nástrojem v moderní výrobě, pokrývající aplikace, jako je svařování, plátování, povrchová úprava, kalení, pájení, řezání, 3D tisk a aditivní výroba. První vývojový vrchol vysoce výkonné kontinuální laserové technologie se objevil před rokem 2000, kdy byl vyvinut vysoce výkonný laser s oxidem uhličitým (CO2) s vlnovou délkou 10,6 µm a polovodičově čerpaný polovodičový laser s vlnovou délkou v blízké infračervené oblasti 1064 nm. Vzhledem ke své vlnové délce se však lasery s oxidem uhličitým obtížně přenášejí přes optická vlákna, což představuje určité potíže pro průmyslové aplikace; zatímco pevnolátkové lasery jsou omezeny jasem a možnostmi zesílení výkonu. Po roce 2000 se začaly objevovat vysoce výkonné průmyslové vláknové lasery jako řešení pro vysoce výkonné lasery s vysokým jasem, které by mohly být dodávány prostřednictvím optických vláken. Dnes vláknové lasery nahradily CO2 lasery v drtivé většině aplikací a byly efektivně využívány v mnoha aplikacích průmyslového zpracování. Zejména v posledních letech se stal hlavní silou průmyslových laserů, jako je laserové svařování a řezání, které má vyšší rychlost, účinnost a spolehlivost než lasery s oxidem uhličitým.

Tyto CW vysoce výkonné vláknové lasery však obvykle pracují na vlnových délkách blízkého infračerveného záření (NIR) do 1 µm, což je pro mnoho aplikací v pořádku. Například je vhodný pro zpracování oceli s mírou absorpce vyšší než 50 procent, ale je omezený, protože některé kovy odrážejí 90 nebo více procent blízkého infračerveného laserového záření dopadajícího na jejich povrchy. Zejména svařování žlutých kovů, jako je měď a zlato, pomocí blízkých infračervených laserů, kvůli nízké míře absorpce, to znamená, že k zahájení procesu svařování je zapotřebí velký výkon laseru. Obecně existují dva procesy laserového svařování: svařování v režimu vedení (kde se materiál jednoduše roztaví a přetaví) a svařování v režimu hlubokého průniku (kde laser odpaří kov a tlak páry vytvoří dutinu nebo klíčovou dírku). Svařování v režimu hlubokého průniku má za následek vysoce absorbovaný laserový paprsek v důsledku mnohočetných interakcí, které laserový paprsek má s kovem a kovovou párou, když prochází materiálem. Avšak aktivace klíčové dírky pomocí blízkého infračerveného laseru vyžaduje značnou intenzitu dopadajícího laseru, zejména pokud je svařovaný materiál vysoce reflexní. A jakmile se vytvoří klíčová dírka, rychlost absorpce prudce vzroste a vysoký tlak par kovu generovaný vysoce výkonným infračerveným laserem v roztavené lázni způsobí rozstřik a poréznost, takže výkon laseru nebo rychlost svařování musí být pečlivě kontrolované, aby se zabránilo nadměrnému vystřikování rozstřiku ze svaru. Kovové páry a "bubliny" v procesním plynu se mohou také zachytit, když roztavená lázeň tuhne, což vytváří poréznost ve svarovém spoji. Taková poréznost oslabuje pevnost svaru a zvyšuje odpor spoje, což má za následek nižší kvalitu svarového spoje. Proto jsou NIR lasery velmi náročné na zpracování materiálů, jako je měď<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 bylo možné vyvinout tyto blízké infračervené laserem řízené aplikace, musí lidé provést výzkum nových zdrojů laserového světla. Kromě toho za účelem snížení skleníkových plynů nahrazují nová energetická vozidla benzinové motory a spalovací motory elektromotory. Velké množství mědi používané při konstrukci elektromotorů, zejména napájecích baterií, vytvořilo obrovskou poptávku po spolehlivých řešeních zpracování mědi, zatímco v jiných systémech obnovitelné energie, jako jsou větrné turbíny, existuje stejně široká škála aplikací.

2. Zrození vysoce výkonného modrého laseru

Vývoj průmyslové laserové technologie se vždy vyvíjel v souladu s plánem výrobní technologie a novými společenskými požadavky. V posledních 60 letech, od digitální ekonomiky a společnosti, přes udržitelnou energii až po zdravý život, laserová technologie významně přispěla k řešení důležitých úkolů v budoucnosti lidstva. Dnes je laserová technologie nedílnou součástí mnoha klíčových oblastí naší ekonomiky, od výrobních technologií po automobilové inženýrství, lékařské technologie, měřicí a environmentální technologie a informační a komunikační technologie. Vzhledem k tomu, že technologie zpracování kovů neustále postupuje a požadavky uživatelů se neustále zvyšují, vyžadují lasery inovace z hlediska nákladů a energetické účinnosti a také výkonu laserového systému. Poptávka trhu po efektivním zpracování vysoce reflexních kovů podnítila vývoj modré vysoce výkonné laserové technologie, která jistě otevře dveře novým technologiím ve zpracování kovů.

U neželezných kovů se jejich absorpce světelné energie zvyšuje s klesající vlnovou délkou světla. Například absorpce světla mědi při vlnových délkách pod 500 nm se ve srovnání s infračerveným světlem zvýší nejméně o 50 procent, takže krátké vlnové délky světla jsou pro zpracování mědi vhodnější. Problém je v tom, že vývoj krátkovlnných, vysoce výkonných laserů pro tyto průmyslové aplikace je obtížný; k dispozici je jen málo možností s vysokým výkonem a dokonce i ty, které existují, jsou drahé a neefektivní. Na trhu jsou například některé pevnolátkové laserové zdroje založené na zdvojení frekvence, které lze použít v tomto rozsahu vlnových délek a produkují laserové světlo o vlnových délkách 515nm a 532nm (zelené spektrum). Tyto laserové zdroje se však spoléhají na své nelineární optické krystaly, které převádějí energii čerpacího laseru na energii cílové vlnové délky. Proces konverze má za následek vysokou ztrátu energie a laser vyžaduje složité chladicí systémy a složitá optická nastavení.

Aby lidé tuto výzvu splnili, zaměřili svou pozornost na modré polovodičové lasery. Jedním z nich je, že Blu-ray má své specifické vlastnosti. Kovové materiály s vysokou odrazivostí mají vysokou míru absorpce modrého světla, což znamená, že modré světlo má obrovskou výhodu při zpracování kovů vysoce reflexních materiálů (jako je měď atd.). Jak ukazuje obrázek 1, absorpce modrého světla mědí je více než 13× (13krát) vyšší než u infračerveného světla. Kromě toho se rychlost absorpce při tavení mědi příliš nemění. Jakmile modrý laser začne svařovat, bude svařování pokračovat ve stejné hustotě energie. Blu-ray laserové svařování je ze své podstaty dobře řízené a méně závadné a výsledkem jsou rychlé a vysoce kvalitní pájené svary. Modré světlo je zároveň méně absorbováno v mořské vodě, takže má delší přenosovou vzdálenost, což umožňuje rozvíjet oblast podvodního laserového zpracování materiálů. Modré světlo lze navíc poměrně snadno převést na bílé světlo, takže světlomety a další osvětlovací aplikace lze velmi kompaktně realizovat pomocí modrých laserů. Druhým je, že polovodičové lasery založené na materiálech z nitridu galia mohou přímo generovat laserové světlo o vlnové délce 450nm bez dalšího zdvojování frekvence, takže mají vyšší účinnost přeměny energie.

Očekává se, že laser s vlnovou délkou 450nm zvýší efektivitu zpracování měděných materiálů téměř 20krát ve srovnání s vlnovou délkou 1µm. Ve srovnání s tradičními procesy blízkého infračerveného laserového svařování mají vysoce výkonné modré lasery kvantitativní a kvalitativní výhody. Kvantitativní výhody: zvýšená rychlost svařování a širší procesní okno se přímo promítají do vyšší produktivity a minimalizace prostojů ve výrobě. Kvalitativní výhody: větší šířka procesu, vysoce kvalitní svary bez rozstřiku a poréznosti, stejně jako vyšší mechanická pevnost a nižší elektrický odpor. Konzistence kvality svařování může výrazně zlepšit výtěžnost výroby. Kromě toho může modrý laser provádět také režim svařování tepelným vedením, což není možné u blízkého infračerveného laseru.

Kontaktní informace:

Pokud máte nějaké nápady, neváhejte se na nás obrátit. Bez ohledu na to, kde jsou naši zákazníci a jaké jsou naše požadavky, budeme sledovat náš cíl poskytovat našim zákazníkům vysokou kvalitu, nízké ceny a nejlepší služby.