Fiberlasrar mot solid-state-lasrar

I dagens era av snabb utveckling av laserteknik har fast tillståndslasrar och fiberlasrar, som de två stora mainstream-laserprodukterna, var och en visat sin unika charm och fördelar inom många områden som industriell produktion, vetenskaplig forskning och militära tillämpningar.

1. Tekniska principer och prestationsskillnader

1.1 Få medium

Fiberlasrar använder sällsynta jordfältglasfibrer som förstärkningsmedia. Under verkan av pumpljus bildas högeffektdensitet i fibern, vilket resulterar i en populationsinversion av laserenerginivån och lasersvängning genom den positiva återkopplingsslingan i resonanskaviteten. Fiberlasrar är kompakta och kräver inte ett komplext kylsystem, och flexibiliteten hos fibern gör dem mer fördelaktiga i multidimensionella rymdbehandlingsapplikationer. Kärnan i en fiberlaser är en optisk fiber, ett flexibelt, hårtunnt glas eller plastfilament känd för sin förmåga att vägleda ljus över långa avstånd med minimal förlust. Fiberen fungerar som det aktiva förstärkningsmediet för lasern och är kärnan i laserens operation. Till skillnad från de odopade glas- eller plastfibrerna som används i telekommunikation dopas emellertid den optiska fibern i en fiberlaser med sällsynta jordartselement som erbium eller yttterbium. Denna doping introducerar den energitillstånd som krävs för laserdrift, vilket gör att fibern inte bara kan vägleda ljus utan också förstärka det. Solid-State Laser (SSL) är centrerad på sitt unika förstärkningsmedium, fast material och består vanligtvis av fyra delar: förstärkning av medelstora, kylsystem, optisk resonanskavitet och pumpkälla. Förstärkningsmediet, såsom Ruby (Cr: Al₂o₃) eller Neodymium-dopat Yttrium Aluminium Garnet (ND: YAG), är själen för den solida tillståndet. De aktiverade jonerna (såsom Nd³⁺) dopade inuti den uppnår befolkningsinversion under verkan av pumpljus och därmed generera laserljus. Kylsystemet är ansvarigt för att ta bort värmen som ackumuleras inuti förstärkningsmediet på grund av lasergenerering för att säkerställa stabil drift av lasern. Den optiska resonatorn bildar kontinuerliga svängningar genom positiv återkoppling av fotoner, som matar ut en mycket monokromatisk och mycket riktad laserstråle.

1.2 Prestanda och effektivitetsfiberlasrar är kända för sin utmärkta elektriska effektivitet, tack vare arten av fiberoptiska kablar, som kan utföra ljus med minimal förlust. Denna funktion gör fiberlasrar otroligt energieffektiva, vilket ofta uppnår effektivitet på mer än 30%. Lasrar för fast tillstånd är i allmänhet mindre effektiva, troligen på grund av de högre förlusterna av deras större förstärkningsmedia och behovet av högintensiva lampor för pumpning.

1.3 Strålkvalitet: Direkt påverkar effektiviteten hos lasrar i precisionsapplikationer Enkelmoddrift av fiberlasrar kan ge otroligt hög strålkvalitet, kännetecknad av tätt fokusering och minimal divergens. Lasrar för fast tillstånd, även om de kan tillhandahålla högkvalitativa strålar, är ofta svåra att matcha strålkvaliteten på fiberlasrar, särskilt vid högre effektnivåer. Trots deras lägre effektivitet och strålkvalitet är fast tillståndslasrar inte utan deras fördelar. De har kraftfulla skalningsfunktioner och passar väl för högeffekt. Lasrar med fast tillstånd kan utformas för att producera otroligt höga effektnivåer genom att öka storleken på förstärkningsmediet och pumpkraften, vilket inte är så enkelt för fiberlasrar på grund av begränsningarna av fiberstorlek och värmeavledning.

1.4 Stabilitetsfiberlasrar har hög stabilitet. Deras fiberstruktur är okänslig för miljöförändringar (såsom temperatur, luftfuktighet, vibrationer etc.) och kan upprätthålla stabila arbetsförhållanden i hårda miljöer. Samtidigt anses fiberlasrar vara mer hållbara och anpassningsbara till miljöförändringar eftersom de använder en fast tillståndsstruktur och inte innehåller optiska komponenter med fritt utrymme. Lasrar för fast tillstånd har relativt dålig stabilitet, och förändringar i miljöfaktorer kan ha en större inverkan på deras prestanda.

1.5 Fiberlasrar med värmeavledningsfiber har utmärkt prestanda för värmeavbrott. Dess förstärkningsmedium är optisk fiber, som har ett stort ytan mellan yta och volym, och värme kan spridas snabbt, så att det kan fungera stabilt under lång tid och tål hög effekt. Lasrar för fast tillstånd är relativt svåra att sprida värme och är benägna att termiska effekter när de arbetar med hög effekt, vilket påverkar laserens prestanda och livslängd.

1.6 Storlek och underhållskostnader Fiberlasrar är mycket kompakta och kräver nästan inget underhåll. Den lilla storleken på fibern och frånvaron av yttre speglar minskar kraftigt inriktningsproblemen förknippade med solid-tillståndslasrar. Dessutom kräver de utmärkta värmespridningsfunktionerna för fibern vanligtvis inte aktiv kylning, vilket ytterligare minskar underhållskraven. Samtidigt är fiberlasrar i allmänhet säkrare att fungera eftersom lasern är begränsad i fibern, vilket minskar risken för oavsiktlig exponering. Inriktningen av speglar i solid-tillståndslasrar är avgörande för deras drift och kräver regelbunden inspektion och justering, vilket ökar underhållsarbetsbelastningen. Dessutom kräver solid-tillståndslasrar vanligtvis aktiv kylning för att hantera värmen som genereras i förstärkningsmediet, vilket inte bara ökar systemets komplexitet, utan ökar också underhållskraven. Lasrar för fast tillstånd tenderar att vara större än fiberlasrar. Behovet av stora förstärkningsspeglar och yttre speglar ökar deras storlek och vikt, vilket begränsar deras tillämpbarhet i applikationer med begränsat utrymme.

2. Applikationsfält

Fiberlasrar lyser inom området industriell skärning och svetsning med sin höga effekt, högstrålkvalitet, god värmeavledningsprestanda och stabilitet. Fiberlasrar är särskilt lämpliga för tjock platta skärning och svetsning av metallmaterial. Deras höga elektrooptiska omvandlingseffektivitet och justeringsfri och underhållsfri design minskar kraftigt användningskostnaderna och underhållssvårigheten. Samtidigt gör den höga toleransen för fiberlasrar för hårda arbetsmiljöer, såsom damm, vibrationer, luftfuktighet etc., dem också att prestera bra på olika industriområden. Kontinuerliga lasrar har en hög grad av penetration inom makrobearbetningen och har gradvis ersatt traditionella bearbetningsmetoder inom detta område. Lasrar för fast tillstånd är unika inom området ultralatsprecision och ultramikrobearbetning med sin höga toppeffekt, stor pulsenergi och kortvåglängd laserutgång (såsom grönt ljus och ultraviolett ljus). I processer som metall/icke-metallmaterialmarkering, skärning, borrning och svetsning kan solid-tillståndslasrar uppnå högre bearbetningsnoggrannhet och bredare material. Speciellt i högprecisionssvetsning och lätt curing 3D-utskrift av icke-metalliska material har fast tillståndslasrar blivit den föredragna utrustningen på grund av deras kortvåglängdslasrar med små termiska effekter och hög bearbetningsnoggrannhet. Lasrar med fast tillstånd används huvudsakligen inom området precisionsmikromaskiner av icke-metalliska material och tunna, spröda och andra metallmaterial på grund av deras korta våglängd (ultraviolett, djup ultraviolett), kort pulsbredd (picosecond, femtosekund) och hög toppeffekt. Dessutom används solid-state-lasrar i stor utsträckning i banbrytande vetenskaplig forskning inom områdena miljö, medicin, militär och så vidare.

3. Marknadsandel Mitt land håller på att omvandla och uppgradera tillverkningsindustrin från avancerad tillverkning till avancerad tillverkning. Lågtillverkning står för en hög andel. Den makrobehandlingsmarknaden täcker både avancerad tillverkning och viss avancerad tillverkning. Marknadens efterfrågan är stor. Därför är marknadskapaciteten för fiberlasrar relativt stor. De inhemska lasrarna med låg effekt är mycket lokaliserade och det finns många storskaliga inhemska tillverkare. Enligt "China Laser Industry Development Report" har lågeffektfiberlasrar helt ersatts av inhemska produkter; När det gäller kontinuerliga fiberlasrar med medelstora fiber har inhemsk kvalitet inga uppenbara nackdelar, prisfördelen är uppenbar och marknadsandelen är jämförbar; När det gäller kontinuerliga fiberlasrar med hög effekt har inhemska varumärken uppnått delvis försäljning. När det gäller solid-state-lasrar, på grund av den sena utvecklingen i Kina, finns det för närvarande inga noterade företag med denna produkt som deras huvudsakliga verksamhet, och de köper i allmänhet utländska varumärken. Fiberlasrar används huvudsakligen inom makrobearbetningen på grund av deras höga utgångseffekt (lasermakrobearbetning hänvisar i allmänhet till behandlingen av bearbetningsobjektets storlek och form med påverkan av laserstrålen på millimeternivån); Fasta lasrar används allmänt inom mikrobearbetningen på grund av deras fördelar såsom kort våglängd, smal pulsbredd och hög toppeffekt (mikrobearbetning hänvisar generellt till bearbetning av storlek och form med precisionsmikrometer eller till och med nanometrar), vilket resulterar i vissa skillnader mellan användare av fasta lasrar och fiberlasrar. I allmänhet har solida lasrar och fiberlasrar olika fokus i sina applikationsfält och var och en har sitt eget applikationsfält. Det finns ingen direkt konkurrens mellan de två på de flesta områden. Inom området för metallmaterialbearbetning som överlappar med mikrobearbetningen, när metallen når en viss tjocklek, antar detta fält i allmänhet traditionella metoder eller fiberlasrar på grund av kostnadsskäl. Fasta lasrar används endast i scener där metalltjockleken är tunn eller bearbetningskraven är höga och kostnaden är inte känslig. Dessutom är tävlingen överlappning mellan de två låg. Fasta lasrar används huvudsakligen för bearbetning av icke-metalliska material (glas, keramik, plast, polymerer, förpackningar, andra spröda material, etc.), och inom metallmaterial används de i scener med höga precisionskrav och relativt okänsliga för kostnader.