Kas ir lieljaudas zilie pusvadītāju lāzeri?

TheSpilgtuma un lieljaudas zilie pusvadītāju lāzeritiek pastāvīgi uzlaboti līdz jauniem ierobežojumiem, kas arī radīs vairāk un plašāku pielietojumu. Papildus efektīvai metāla materiālu apstrādei zilo pusvadītāju lāzeri sagaida starpnozaru pielietojumu, jo īpaši mašīnbūves nozare ļaus lāzera materiālu apstrādāt ar zilu gaismu zem ūdens. Ražošanai tā, protams, ir milzīga priekšrocība. Turklāt apgaismojuma nozarē var izmantot arī augstas kvalitātes apgaismojuma tehnoloģiju, kuras pamatā ir zilie pusvadītāju lāzeri.

1. Lieljaudas lāzeru ierobežojumi tuvu infrasarkano staru viļņu garumiem

Pēdējo desmitgažu laikā lieljaudas CW lāzeri ir kļuvuši par izplatītu instrumentu mūsdienu ražošanā, aptverot tādus lietojumus kā metināšana, apšuvums, virsmas apstrāde, cietināšana, cietlodēšana, griešana, 3D drukāšana un piedevu ražošana. Pirmā lieljaudas nepārtrauktās lāzertehnoloģijas attīstības virsotne parādījās pirms 2000. gada, kad tika izstrādāts jaudīgs 10,6 µm viļņa garuma oglekļa dioksīda (CO2) lāzers un gandrīz infrasarkanais 1064 nm viļņa garuma pusvadītāju sūknēts Nd:YAG cietvielu lāzers. Tomēr tā viļņa garuma dēļ oglekļa dioksīda lāzerus ir grūti pārraidīt caur optiskajām šķiedrām, kas rada zināmas grūtības rūpnieciskiem lietojumiem; savukārt cietvielu lāzerus ierobežo spilgtums un jaudas pastiprināšanas iespējas. Pēc 2000. gada lieljaudas rūpnieciskie šķiedru lāzeri sāka parādīties kā risinājumi augsta spilgtuma, lieljaudas lāzeriem, kurus varēja piegādāt, izmantojot optiskās šķiedras. Mūsdienās šķiedru lāzeri ir aizstājuši CO2 lāzerus lielākajā daļā lietojumu un ir efektīvi izmantoti daudzos rūpnieciskās apstrādes lietojumos. Īpaši pēdējos gados tas ir kļuvis par galveno industriālo lāzeru spēku, piemēram, lāzermetināšanu un griešanu, kam ir lielāks ātrums, efektivitāte un uzticamība nekā oglekļa dioksīda lāzeriem.

Tomēr šie CW lieljaudas šķiedru lāzeri parasti darbojas tuvu infrasarkano staru (NIR) viļņu garumam 1 µm robežās, kas ir piemērots daudziem lietojumiem. Piemēram, tas ir piemērots tērauda apstrādei ar absorbcijas ātrumu, kas pārsniedz 50 procentus, taču tas ir ierobežots, jo daži metāli atstaro 90 procentus vai vairāk no tuvu infrasarkanā lāzera starojuma, kas krīt uz to virsmām. Īpaši dzelteno metālu, piemēram, vara un zelta metināšana ar tuvās infrasarkanajiem lāzeriem, zemā absorbcijas ātruma dēļ tas nozīmē, ka metināšanas procesa sākšanai ir nepieciešams liels lāzera jauda. Parasti ir divi lāzera metināšanas procesi: vadīšanas režīma metināšana (kur materiāls tiek vienkārši izkausēts un pārplūst) un dziļās iespiešanās režīma metināšana (kad lāzers iztvaiko metālu un tvaika spiediens veido dobumu vai atslēgas caurumu). Dziļās iespiešanās režīma metināšana rada ļoti absorbētu lāzera staru, jo lāzera stars daudzkārt mijiedarbojas ar metālu un metāla tvaikiem, pārvietojoties caur materiālu. Tomēr atslēgas cauruma iedarbināšanai ar gandrīz infrasarkano lāzeru ir nepieciešama ievērojama lāzera intensitāte, it īpaši, ja metinātais materiāls ir ļoti atstarojošs. Kad atslēgas caurums ir izveidots, absorbcijas ātrums strauji palielināsies, un lielais metāla tvaika spiediens, ko rada lieljaudas tuvu infrasarkanais lāzers izkausētajā baseinā, izraisīs šļakatas un porainību, tāpēc lāzera jaudai vai metināšanas ātrumam ir jābūt rūpīgi jākontrolē, lai novērstu pārmērīgu šļakatu izplūšanu no metinājuma. Metāla tvaiki un "burbuļi" procesa gāzē var arī tikt iesprostoti, kad izkusis baseins sacietē, radot porainību metināšanas savienojumā. Šāda porainība vājina metinājuma stiprību un palielina savienojuma pretestību, kā rezultātā tiek iegūts zemākas kvalitātes metinātais savienojums. Tāpēc ar NIR lāzeriem ir ļoti grūti apstrādāt tādus materiālus kā varš<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.

Lai izstrādātu šīs gandrīz infrasarkanā lāzera vadāmās lietojumprogrammas, cilvēkiem ir jāveic pētījumi par jauniem lāzera gaismas avotiem. Turklāt, lai samazinātu siltumnīcefekta gāzu emisijas, jauni enerģijas transportlīdzekļi benzīna dzinējus un iekšdedzes dzinējus aizstāj ar elektromotoriem. Lielais vara daudzums, ko izmanto elektromotoru, īpaši jaudas akumulatoru, konstrukcijā, ir radījis milzīgu pieprasījumu pēc uzticamiem vara apstrādes risinājumiem, savukārt citās atjaunojamās enerģijas sistēmās, piemēram, vēja turbīnās, ir tikpat plašs pielietojumu klāsts.

2. Lieljaudas zilā lāzera dzimšana

Rūpniecisko lāzertehnoloģiju attīstība vienmēr ir attīstījusies saskaņā ar ražošanas tehnoloģiju ceļvedi un jaunām sociālajām prasībām. Pēdējo 60 gadu laikā, sākot no digitālās ekonomikas un sabiedrības līdz ilgtspējīgai enerģijai un beidzot ar veselīgu dzīvi, lāzertehnoloģijas ir devušas lielu ieguldījumu svarīgu cilvēces nākotnes uzdevumu risināšanā. Mūsdienās lāzertehnoloģijas ir daudzu mūsu ekonomikas pamatjomu neatņemama sastāvdaļa, sākot no ražošanas tehnoloģijas līdz automobiļu inženierijai, medicīnas tehnoloģijām, mērījumu un vides tehnoloģijām, kā arī informācijas un komunikāciju tehnoloģijām. Tā kā metālapstrādes tehnoloģija turpina attīstīties un lietotāju prasības turpina pieaugt, lāzeriem ir nepieciešami jauninājumi izmaksu un energoefektivitātes, kā arī lāzersistēmas veiktspējas ziņā. Tirgus pieprasījums pēc augstas atstarojošo metālu efektīvas apstrādes ir veicinājis zilās lieljaudas lāzertehnoloģijas attīstību, kas noteikti pavērs durvis jaunām tehnoloģijām metāla apstrādē.

Krāsainajiem metāliem to gaismas enerģijas absorbcija palielinās, samazinoties gaismas viļņa garumam. Piemēram, vara gaismas absorbcija pie viļņu garumiem, kas mazāki par 500 nm, palielināsies par vismaz 50 procentiem salīdzinājumā ar infrasarkano gaismu, tāpēc vara apstrādei piemērotāki ir īsi gaismas viļņu garumi. Problēma ir tāda, ka ir grūti izstrādāt īsa viļņa garuma lieljaudas lāzerus šiem rūpnieciskajiem lietojumiem; ir pieejamas dažas lieljaudas iespējas, un pat tās, kas pastāv, ir dārgas un neefektīvas. Piemēram, tirgū ir daži cietvielu lāzera avoti, kuru pamatā ir frekvences dubultošanās un kurus var izmantot šajā viļņu garuma diapazonā, radot lāzera gaismu viļņu garumos 515 nm un 532 nm (zaļais spektrs). Tomēr šie lāzera avoti paļaujas uz saviem nelineārajiem optiskajiem kristāliem, lai pārveidotu sūkņa lāzera enerģiju mērķa viļņa garuma enerģijā. Pārveidošanas process rada lielus jaudas zudumus, un lāzeram ir nepieciešamas sarežģītas dzesēšanas sistēmas un sarežģīti optiskie iestatījumi.

Lai risinātu šo izaicinājumu, cilvēki pievērš uzmanību zilajiem pusvadītāju lāzeriem. Viens no tiem ir tāpēc, ka Blu-ray ir savas specifiskās īpašības. Metāla materiāliem ar augstu atstarojošo spēju ir augsts zilās gaismas absorbcijas līmenis, kas nozīmē, ka zilajai gaismai ir milzīgas priekšrocības ļoti atstarojošu materiālu (piemēram, vara u.c.) metālapstrādei. Kā parādīts 1. attēlā, vara zilās gaismas absorbcija ir vairāk nekā 13 reizes (13 reizes) lielāka nekā infrasarkanās gaismas absorbcija. Turklāt, vara kausējot, absorbcijas ātrums īpaši nemainās. Kad zilais lāzers sāk metināšanu, tas pats enerģijas blīvums turpinās metināšanu. Blu-ray lāzera metināšana pēc savas būtības ir labi kontrolēta un mazāk bojāta, un rezultāts ir ātras un kvalitatīvas lodētas šuves. Tajā pašā laikā zilā gaisma mazāk uzsūcas jūras ūdenī, tāpēc tai ir lielāks pārraides attālums, kas ļauj attīstīt zemūdens lāzera materiālu apstrādes jomu. Turklāt zilo gaismu ir salīdzinoši viegli pārvērst baltā gaismā, tāpēc prožektorus un citas apgaismojuma lietojumprogrammas var īstenot ļoti kompakti, izmantojot zilos lāzerus. Otrais ir tas, ka pusvadītāju lāzeri, kuru pamatā ir gallija nitrīda materiāli, var tieši ģenerēt lāzera gaismu ar viļņa garumu 450 nm bez turpmākas frekvences dubultošanas, tāpēc tiem ir augstāka enerģijas pārveidošanas efektivitāte.

Paredzams, ka lāzers ar viļņa garumu 450 nm palielinās vara materiālu apstrādes efektivitāti gandrīz 20 reizes, salīdzinot ar viļņa garumu 1 µm. Salīdzinot ar tradicionālajiem tuvās infrasarkanās lāzera metināšanas procesiem, lieljaudas zilajiem lāzeriem ir kvantitatīvās un kvalitatīvās priekšrocības. Kvantitatīvās priekšrocības: palielināts metināšanas ātrums un plašāks procesa logs nodrošina lielāku produktivitāti un samazina ražošanas dīkstāves laiku. Kvalitatīvās priekšrocības: lielāks procesa platums, augstas kvalitātes metināšanas šuves bez šļakatām un porainības, kā arī lielāka mehāniskā izturība un zemāka elektriskā pretestība. Metināšanas kvalitātes konsekvence var ievērojami uzlabot ražošanas ražu. Turklāt zilais lāzers var arī veikt siltuma vadīšanas metināšanas režīmu, kas nav iespējams ar tuvu infrasarkano lāzeru.

Kontaktinformācija:

Ja jums ir kādas idejas, droši sazinieties ar mums. Neatkarīgi no tā, kur atrodas mūsu klienti un kādas ir mūsu prasības, mēs ievērosim savu mērķi nodrošināt saviem klientiem augstu kvalitāti, zemas cenas un vislabāko servisu.