Laser sợi quang so với laser trạng thái rắn

Trong kỷ nguyên phát triển nhanh chóng của công nghệ laser, laser trạng thái rắn và tia laser sợi, với tư cách là hai sản phẩm laser chính thống, mỗi sản phẩm đã thể hiện sự quyến rũ và lợi thế độc đáo của họ trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, nghiên cứu khoa học và ứng dụng quân sự.

1. Nguyên tắc kỹ thuật và sự khác biệt về hiệu suất

1.1 Gain Medium

Laser sợi sử dụng các sợi thủy tinh pha tạp đất hiếm làm phương tiện truyền thông. Dưới tác động của ánh sáng bơm, mật độ công suất cao được hình thành trong sợi, dẫn đến sự đảo ngược dân số của mức năng lượng laser và dao động laser thông qua vòng phản hồi tích cực của khoang cộng hưởng. Laser sợi nhỏ gọn và không yêu cầu một hệ thống làm mát phức tạp và tính linh hoạt của sợi làm cho chúng có lợi hơn trong các ứng dụng xử lý không gian đa chiều. Cốt lõi của laser sợi là sợi quang, một sợi thủy tinh hoặc nhựa mỏng linh hoạt được biết đến với khả năng hướng dẫn ánh sáng trên khoảng cách xa với sự mất mát tối thiểu. Sợi hoạt động là phương tiện tăng hoạt động của laser và là lõi của hoạt động của laser. Tuy nhiên, không giống như các sợi thủy tinh hoặc sợi nhựa được sử dụng trong viễn thông, sợi quang trong laser sợi được pha tạp với các yếu tố đất hiếm như erbium hoặc ytterbium. Doping này giới thiệu trạng thái năng lượng cần thiết cho hoạt động laser, cho phép sợi không chỉ hướng dẫn ánh sáng mà còn khuếch đại nó. Laser trạng thái rắn (SSL) tập trung vào môi trường tăng độc đáo, vật liệu rắn và thường bao gồm bốn phần: trung bình tăng, hệ thống làm mát, khoang cộng hưởng quang học và nguồn bơm. Phương tiện tăng, chẳng hạn như Ruby (CR: Al₂O₃) hoặc Neodymium pha tạp yttri nhôm garnet (ND: YAG), là linh hồn của laser trạng thái rắn. Các ion được kích hoạt (như ND³⁺) pha tạp bên trong nó đạt được sự đảo ngược dân số dưới tác động của ánh sáng bơm, do đó tạo ra ánh sáng laser. Hệ thống làm mát chịu trách nhiệm loại bỏ nhiệt tích lũy bên trong môi trường tăng do tạo ra laser để đảm bảo hoạt động ổn định của laser. Bộ cộng hưởng quang hình thành các dao động liên tục thông qua phản hồi tích cực của các photon, xuất ra một chùm tia laser đơn sắc và chỉ định cao.

1.2 Hiệu suất và hiệu quả của sợi quang sợi được biết đến với hiệu quả điện tuyệt vời, nhờ tính chất của cáp quang, có thể dẫn ánh sáng với sự mất mát tối thiểu. Tính năng này làm cho laser sợi cực kỳ hiệu quả năng lượng, thường đạt được hiệu quả hơn 30%. Laser trạng thái rắn thường kém hiệu quả hơn, có thể là do tổn thất cao hơn của phương tiện tăng lớn hơn của chúng và nhu cầu về đèn cường độ cao để bơm.

1.3 Chất lượng chùm tia: Ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của laser trong các ứng dụng chính xác hoạt động đơn chế độ của laser sợi có thể cung cấp chất lượng chùm tia cực kỳ cao, được đặc trưng bởi sự tập trung chặt chẽ và phân kỳ tối thiểu. Laser trạng thái rắn, trong khi có khả năng cung cấp các dầm chất lượng cao, thường rất khó để phù hợp với chất lượng chùm tia của laser sợi, đặc biệt là ở mức năng lượng cao hơn. Mặc dù hiệu quả thấp hơn và chất lượng chùm tia, laser trạng thái rắn không phải không có lợi thế của họ. Chúng có khả năng mở rộng sức mạnh mạnh mẽ và rất phù hợp cho các ứng dụng công suất cao. Laser trạng thái rắn có thể được thiết kế để tạo ra mức công suất cực kỳ cao bằng cách tăng kích thước của môi trường tăng và công suất bơm, điều này không đơn giản đối với laser sợi do các hạn chế của kích thước sợi và tản nhiệt.

1.4 Laser sợi ổn định có độ ổn định cao. Cấu trúc sợi của chúng không nhạy cảm với những thay đổi môi trường (như nhiệt độ, độ ẩm, độ rung, v.v.) và có thể duy trì điều kiện làm việc ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Đồng thời, laser sợi được coi là bền hơn và thích ứng với các thay đổi môi trường vì chúng sử dụng cấu trúc trạng thái rắn và không chứa các thành phần quang học không gian tự do. Laser trạng thái rắn có sự ổn định tương đối kém và những thay đổi trong các yếu tố môi trường có thể có tác động lớn hơn đến hiệu suất của chúng.

1.5 Laser sợi tản nhiệt có hiệu suất tản nhiệt tuyệt vời. Môi trường tăng của nó là sợi quang, có tỷ lệ diện tích bề mặt lớn so với thể tích và nhiệt có thể bị tiêu tán nhanh chóng, do đó nó có thể hoạt động ổn định trong một thời gian dài và có thể chịu được công suất cao. Laser trạng thái rắn tương đối khó phân tán nhiệt và dễ bị ảnh hưởng nhiệt khi hoạt động ở công suất cao, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của laser.

1.6 Kích thước và chi phí bảo trì Laser sợi quang rất nhỏ gọn và hầu như không cần bảo trì. Kích thước nhỏ của sợi và sự vắng mặt của gương bên ngoài làm giảm đáng kể các vấn đề liên kết liên quan đến laser trạng thái rắn. Ngoài ra, khả năng tản nhiệt tuyệt vời của sợi thường không yêu cầu làm mát tích cực, giảm thêm các yêu cầu bảo trì. Đồng thời, laser sợi thường an toàn hơn để vận hành vì laser bị giới hạn trong sợi, làm giảm nguy cơ tiếp xúc tình cờ. Sự liên kết của gương trong laser trạng thái rắn là rất quan trọng đối với hoạt động của chúng và yêu cầu kiểm tra và điều chỉnh thường xuyên, làm tăng khối lượng công việc bảo trì. Ngoài ra, laser trạng thái rắn thường yêu cầu làm mát hoạt động để quản lý nhiệt được tạo ra trong môi trường tăng, không chỉ làm tăng sự phức tạp của hệ thống, mà còn làm tăng các yêu cầu bảo trì. Laser trạng thái rắn có xu hướng lớn hơn laser sợi. Sự cần thiết của gương tăng lớn và gương bên ngoài làm tăng kích thước và trọng lượng của chúng, hạn chế khả năng ứng dụng của chúng trong các ứng dụng có không gian hạn chế.

2. Trường ứng dụng

Laser sợi tỏa sáng trong lĩnh vực cắt và hàn công nghiệp với năng lượng cao, chất lượng chùm sáng cao, hiệu suất tản nhiệt tốt và sự ổn định. Laser sợi đặc biệt phù hợp để cắt tấm dày và hàn các vật liệu kim loại. Hiệu quả chuyển đổi quang điện cao của họ và thiết kế không điều chỉnh và không cần bảo trì làm giảm đáng kể chi phí sử dụng và độ khó của bảo trì. Đồng thời, độ dung nạp cao của laser sợi đối với môi trường làm việc khắc nghiệt, như bụi, rung, độ ẩm, v.v., cũng làm cho chúng hoạt động tốt trong các địa điểm công nghiệp khác nhau. Laser liên tục có mức độ thâm nhập cao trong lĩnh vực xử lý vĩ mô và đã dần thay thế các phương pháp xử lý truyền thống trong lĩnh vực này. Các laser trạng thái rắn là duy nhất trong lĩnh vực xử lý cực kỳ chính xác và cực kỳ micro với công suất cực đại cao, năng lượng xung lớn và đầu ra laser bước sóng ngắn (như ánh sáng xanh và ánh sáng cực tím). Trong các quá trình như đánh dấu vật liệu kim loại/phi kim loại, cắt, khoan và hàn, laser trạng thái rắn có thể đạt được độ chính xác xử lý cao hơn và khả năng áp dụng vật liệu rộng hơn. Đặc biệt là trong hàn độ chính xác cao và in 3D bằng ánh sáng các vật liệu phi kim loại, laser trạng thái rắn đã trở thành thiết bị ưa thích do laser bước sóng ngắn của chúng với hiệu ứng nhiệt nhỏ và độ chính xác xử lý cao. Các laser trạng thái rắn chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực gia công vi mô chính xác của các vật liệu phi kim loại và các vật liệu kim loại mỏng, giòn và các vật liệu kim loại khác do bước sóng ngắn của chúng (cực tím, cực tím sâu), chiều rộng xung ngắn (picosecond, femtosecond) và công suất cao cao. Ngoài ra, laser trạng thái rắn được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học tiên tiến trong các lĩnh vực môi trường, y học, quân đội, v.v.

3. Thị phần Quốc gia của tôi đang trong quá trình chuyển đổi và nâng cấp ngành sản xuất từ ​​sản xuất cấp thấp sang sản xuất cao cấp. Sản xuất cấp thấp chiếm tỷ lệ cao. Thị trường xử lý vĩ mô bao gồm cả sản xuất cấp thấp và một số sản xuất cao cấp. Nhu cầu thị trường là lớn. Do đó, năng lực thị trường của laser sợi là tương đối lớn. Các tia laser sợi thấp trong nước được địa phương hóa cao, và có nhiều nhà sản xuất trong nước quy mô lớn. Theo "Báo cáo phát triển ngành công nghiệp Trung Quốc", laser sợi công suất thấp đã được thay thế hoàn toàn bằng các sản phẩm trong nước; Về mặt laser sợi liên tục năng lượng trung bình, chất lượng trong nước không có nhược điểm rõ ràng, lợi thế về giá là rõ ràng và thị phần là tương đương nhau; Về mặt laser sợi liên tục công suất cao, các thương hiệu trong nước đã đạt được doanh số một phần. Đối với laser trạng thái rắn, do sự phát triển muộn ở Trung Quốc, hiện tại không có công ty niêm yết nào với sản phẩm này là doanh nghiệp chính của họ và họ thường mua các thương hiệu nước ngoài. Laser sợi chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực xử lý macro do công suất đầu ra cao của chúng (xử lý macro laser thường đề cập đến việc xử lý kích thước và hình dạng của đối tượng xử lý với ảnh hưởng của chùm tia laser ở mức milimet); Các laser rắn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý vi mô do những ưu điểm của chúng như bước sóng ngắn, chiều rộng xung hẹp và công suất cực đại (xử lý vi mô thường đề cập đến việc xử lý kích thước và hình dạng với độ chính xác của micromet hoặc thậm chí là nanomet) Nói chung, laser rắn và laser sợi có sự tập trung khác nhau trong các trường ứng dụng của họ và mỗi loại có trường ứng dụng riêng. Không có sự cạnh tranh trực tiếp giữa hai trong hầu hết các lĩnh vực. Trong lĩnh vực xử lý vật liệu kim loại chồng chéo với lĩnh vực xử lý vi mô, khi kim loại đạt đến độ dày nhất định, lĩnh vực này thường áp dụng các phương pháp truyền thống hoặc laser sợi do lý do chi phí. Laser rắn chỉ được sử dụng trong các cảnh trong đó độ dày kim loại mỏng hoặc yêu cầu xử lý cao và chi phí không nhạy cảm. Ngoài ra, sự chồng chéo cạnh tranh giữa hai là thấp. Laser rắn chủ yếu được sử dụng để xử lý các vật liệu phi kim loại (thủy tinh, gốm sứ, nhựa, polyme, bao bì, vật liệu giòn khác, v.v.), và trong lĩnh vực vật liệu kim loại, chúng được sử dụng trong các cảnh có yêu cầu độ chính xác cao và tương đối không nhạy cảm với chi phí.