Ограничения и прорывы лазеров в ближнем инфракрасном диапазоне

За последние несколько десятилетий высокомощные лазеры CW стали обычным инструментом в современном производстве, охватывающим такие области, как сварка, облицовка, подготовка поверхности, закалка, пайка, резка, 3D-печать и аддитивное производство. С поколением мощных лазеров на диоксиде углерода (CO2) с длиной волны 10,6 мкм иПолупроводник с длиной волны 1064 нм в ближнем инфракрасном диапазоне-Накачанный Nd:YAGТвердотельные лазеры,, Высокоэнергетическая лазерная технология CW достигла первого пика развития.

Ограничения лазеров NIR

Из-за своей длины волны лазеры на диоксиде углерода трудно передавать через оптические волокна, что вызывает определенные трудности для промышленного применения; в то время как твердотельные лазеры ограничены их яркостью и возможностями усиления мощности. Эти высокомощные волоконные лазеры CW обычно работают на длинах волн ближнего инфракрасного диапазона (NIR) в пределах 1 мкм, что отлично подходит для многих применений. Например, он подходит для обработки сталей с поглощающей способностью более 50%, но ограничен тем фактом, что некоторые металлы отражают 90% или более ближнего инфракрасного лазерного излучения, падающего на их поверхность. Особенно при сварке желтых металлов, таких как медь и золото, с помощью лазеров NIR, низкая скорость поглощения означает, что для начала процесса сварки требуется большая мощность лазера.

Глубокая заварка режима проникания приводит в высоком поглощении лазерного луча потому что лазерный луч взаимодействует множественные времена с металлом и паром металла по мере того как он проходит через материал. Однако активация замочной скважины с помощью ближнего инфракрасного лазера требует значительной интенсивности падающего лазера, особенно когда свариваемый материал имеет высокую отражающую способность. И как только образуется замочная скважина, поглощающая способность резко возрастает, а высокое давление паров металла в расплавленной ванне высокомощным ближним инфракрасным лазером может вызвать брызги и пористость, поэтому мощность лазера или скорость сварки необходимо тщательно контролировать, чтобы предотвратить чрезмерное извержение брызг из сварного шва. По мере затвердевания расплавленной ванны «пузырьки» в парах металлов и технологических газах также могут быть захвачены, создавая пустоты в сварном шве. Такая пористость ослабляет прочность сварки и увеличивает удельное сопротивление соединения, что приводит к более низкому качеству сварного соединения. Поэтому БИК-лазеры очень сложны для обработки материалов, таких как медь, с поглощающей способностью <5% при 1 мкм. Чтобы лучше обрабатывать эти материалы с высокой отражательной способностью, были приняты такие методы, как увеличение скорости поглощения материала лазерным светом путем генерации плазмы на обрабатываемый материал. Однако, поскольку эти методы ограничивают обработку материала до процессов глубокого проникновения, сварка тонких материалов в режиме теплопроводности невозможна, и существуют неотъемлемые риски распыления и контролируемого осаждения энергии. Поэтому существующие лазерные системы с длиной волны 1 мкм имеют свои ограничения при обработке материалов с высокой отражающей способностью, таких как цветные металлы, а также в подводных применениях.

Прорыв в ближней инфракрасной области лазеров

Чтобы разработать ограниченные области применения этих лазеров в ближнем инфракрасном диапазоне, необходимо исследовать новые источники лазерного света. Кроме того, в целях сокращения выбросов парниковых газов новые энергетические транспортные средства заменяют бензиновые двигатели и двигатели внутреннего сгорания на электрические двигатели. Использование большого количества меди в строительстве электродвигателей, особенно аккумуляторных батарей, создало огромный спрос на надежные решения для обработки меди и имеет столь же широкий спектр применений в других системах возобновляемой энергии, таких как ветряные турбины.

Сегодня мощные промышленные волоконные лазеры стали решением для лазеров с высокой яркостью и высокой мощностью, которые могут быть доставлены по волокну. Сегодня волоконные лазеры заменили CO2-лазеры в подавляющем большинстве применений и эффективно используются во многих областях промышленной обработки. Особенно в последние годы он стал рабочей лошадкой промышленных лазеров, таких как лазерная сварка и резка, которая имеет более высокую скорость, эффективность и надежность, чем CO2-лазеры.