Láser de fibra y piezas de láser
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El láser de fibra es un láser que utiliza fibra de vidrio dopada con elementos de tierras raras como medio de ganancia. Los láseres de fibra se pueden desarrollar sobre la base de amplificadores de fibra. Bajo la acción de la luz de la bomba, se forma fácilmente una alta densidad de potencia en la fibra, lo que resulta en una "inversión del número de partículas" del nivel de energía láser del material de trabajo del láser. Cuando se agrega apropiadamente un bucle de retroalimentación positiva (para formar una cavidad resonante), se puede formar una salida de oscilación láser.
¿Qué son las piezas láser?
Las piezas láser son piezas fabricadas mediante tecnología láser. Su proceso productivo incluye procesamiento de datos, fotolitografía, grabado, pulido y limpieza. El proceso de fabricación de piezas láser es relativamente simple, no requiere métodos de procesamiento tradicionales como corte y estampado, y puede lograr un procesamiento de alta precisión y alta eficiencia. Por lo tanto, las piezas láser se utilizan ampliamente en semiconductores, optoelectrónica, aeroespacial y otros campos, como diodos láser, componentes láser, etc.
Ventajas del láser de fibra
A diferencia de otros láseres, los láseres de fibra logran amplificación de la luz en fibras ópticas, que están dopadas con iones de metales de tierras raras como iterbio (Yb3+), neodimio (Nd3+), tulio (Tm{{2} }), praseodimio (Pr3+) o erbio (Er3+). Estos iones activos con láser pueden absorber la mayor parte de la luz de la bomba y luego emitir fotones con frecuencias características mediante emisión estimulada. La estructura inherentemente flexible de las fibras permite utilizar distancias de ganancia mucho más largas que otros tipos de láser. Esto proporciona una alta ganancia óptica.
En lugar de utilizar espejos dieléctricos convencionales, la retroalimentación óptica en los láseres de fibra generalmente la proporcionan rejillas de fibra de Bragg, una serie de fibras de vidrio con diferentes índices de refracción empalmadas por fusión de manera periódica. Estas estructuras periódicas pueden reflejar el rayo láser a cierta longitud de onda y, por tanto, convertirse en la cavidad óptica del láser de fibra. Por tanto, para un láser de fibra, la cavidad óptica está en realidad dentro del medio de ganancia.
Cuando se habla de láseres de fibra, un error común que se debe evitar es que los láseres de fibra no son equivalentes a los láseres que tienen fibras ópticas. En los láseres de diodo acoplados a fibra, por ejemplo, las fibras ópticas se emplean únicamente para fines de emisión de haz y no intervienen en la física de la emisión estimulada. Por lo tanto, aunque las fibras ópticas están acopladas a los sistemas láser, todavía no tienen todas las cualidades superiores de un láser de fibra. La exclusiva cavidad óptica integrada con fibra enrollada como medio de ganancia crea una cavidad óptica robusta y estable.
Una de las principales ventajas de los láseres de fibra es su diseño compacto. En comparación con sus rivales, ocupan un espacio mucho más pequeño con potencias de salida comparables. Esto se debe a que las fibras ópticas son flexibles y pueden enrollarse en espacios compactos. Además, la flexibilidad de las fibras ópticas también hace posible una mayor personalización del camino óptico, brindando más libertad en el diseño para diversas situaciones específicas.
Dado que el medio de ganancia en los láseres de fibra es muy delgado y flexible, es posible tener fibras ópticas de varios kilómetros de largo y, por lo tanto, alcanzar una ganancia muy alta de la luz de bombeo. Además, debido a la gran relación superficie-volumen de las fibras ópticas, el calor generado por los láseres de fibra se puede disipar de manera eficiente. Por tanto, los láseres de fibra pueden funcionar de forma continua a niveles de kilovatios sin necesidad de sistemas de refrigeración sofisticados.
Normalmente, la calidad del rayo láser se interpreta como una medida de cuán estrechamente se puede enfocar el rayo y se cuantifica mediante un factor M2, que idealmente es igual a 1 para obtener la calidad más alta del rayo. En un láser de fibra, las fibras monomodo suelen ofrecer el mejor rendimiento del haz y, por tanto, pueden concebir aplicaciones importantes. Por ejemplo, en el corte y la soldadura por láser, una alta calidad del haz permitirá una gran distancia entre la pieza de trabajo y el objeto de enfoque. Esta configuración protegerá la óptica de los desechos y los humos. Lo más importante es que el diámetro reducido del haz no sólo puede hacer posible una fabricación de estructuras más finas, sino también el uso de componentes ópticos más pequeños y más baratos.
Los láseres de fibra son de alta confiabilidad y casi no requieren mantenimiento, y dado que la trayectoria óptica está encerrada dentro de capas protectoras, el rayo láser es menos susceptible a las perturbaciones exteriores. Por lo tanto, el láser de fibra suele presumir de una excelente estabilidad en condiciones de trabajo de alta temperatura y vibración.
Tipos de láser de fibra
En términos generales, los láseres de fibra se pueden clasificar según los siguientes criterios:
fuente láser
Los láseres de fibra varían según el material con el que se mezcla la fuente láser. Algunos ejemplos incluyen láseres de fibra dopada con iterbio, láseres de fibra dopada con tulio y láseres de fibra dopada con erbio. Todos estos tipos de láseres se utilizan para diferentes aplicaciones porque producen diferentes longitudes de onda.
Modo de operación
Los distintos tipos de láseres emiten rayos láser de forma diferente. Los rayos láser se pueden pulsar a una velocidad de repetición establecida para alcanzar potencias máximas (láseres de fibra pulsados), como es el caso de los láseres "q-switched", "ganancia conmutada" y "modo bloqueado". O pueden ser continuos, lo que significa que envían continuamente la misma cantidad de energía (láseres de fibra de onda continua).
potencia del láser
La potencia del láser se expresa en vatios y representa la potencia media del rayo láser. Por ejemplo, puede tener un láser de fibra de 20 W, un láser de fibra de 50 W, etc. Los láseres de alta potencia generan más energía más rápido que los láseres de baja potencia.
Modo
El modo se refiere al tamaño del núcleo (por donde viaja la luz) en la fibra óptica. Hay dos tipos de modos: láseres de fibra monomodo y láseres de fibra multimodo. El diámetro del núcleo de los láseres monomodo es más pequeño, normalmente entre 8 y 9 micrómetros, mientras que es mayor para los láseres multimodo, normalmente entre 50 y 100 micrómetros. Como regla general, los láseres monomodo transmiten la luz láser de manera más eficiente y tienen una mejor calidad del haz.
Aplicación del láser de fibra
Grabado profundo
La principal ventaja de los láseres de fibra sobre otros tipos de sistemas de marcado es la alta potencia de salida que presentan. En comparación con otros sistemas, un láser de fibra de alto rendimiento puede generar mejoras notables en el tiempo de marcado, la eficiencia, la profundidad del grabado y la calidad del marcado. Un problema común que se presenta en estas aplicaciones de grabado profundo es el enfoque del láser. A medida que los grabados son cada vez más profundos, el punto focal del grabado se aleja cada vez más de la lente del láser. Esto puede presentar problemas, ya que un láser desenfocado reducirá drásticamente la cantidad de profundidad alcanzable.
Marcado recocido negro
El marcado recocido negro es el proceso de aplicar un rayo láser a un objetivo y luego cambiar el enfoque para que solo se conduzca calor. El láser no graba sino que forma una película de óxido en la superficie que aparece como una marca negra pero que no se puede sentir al tacto. Los láseres de fibra son eficaces para el marcado estilo recocido, ya que ofrecen 3-control del haz del eje. Esto permite que el láser ajuste automáticamente el enfoque del láser para extender el punto del haz sobre un área más amplia. Esto es fundamental para garantizar un recocido de alto contraste, sin dañar la superficie de la pieza de trabajo.
Corte por láser
El corte por láser se realiza enfocando la salida de luz láser mediante un oscilador láser e irradiando cualquier punto fijo desde la unidad de irradiación para derretir el objetivo. Dado que el láser de fibra utiliza una alta potencia de salida, el láser de fibra sobresale en el corte con láser debido a la rápida fusión del material. Con fusión rápida, el material se corta instantáneamente sin ningún efecto sobre el resto del material. Al cortar con un láser de fibra, se puede cortar una variedad de materiales, desde metales hasta plástico.
La principal diferencia entre los láseres de fibra y CO2 es la fuente donde se crea el rayo láser. En los láseres de fibra, la fuente láser es vidrio de sílice mezclado con un elemento de tierras raras. En los láseres de CO2, la fuente del láser es una mezcla de gases que incluye dióxido de carbono.
Debido al estado de su fuente, los láseres de fibra se consideran láseres de estado sólido y los láseres de CO2 se consideran láseres de estado gaseoso.
Estas fuentes láser también producen diferentes longitudes de onda. Los láseres de fibra, por ejemplo, producen longitudes de onda más cortas, y algunos ejemplos oscilan entre 780 nm y 2200 nm. Los láseres de CO2, por otro lado, producen longitudes de onda más largas que normalmente oscilan entre 9.600 nm y 10.600 nm.
Se utilizan para diferentes aplicaciones debido a sus diferentes longitudes de onda. Por ejemplo, los láseres de fibra de 1064 nm suelen ser los preferidos para aplicaciones de procesamiento de metales. El corte por láser es una excepción notable, donde a menudo se prefieren los láseres de CO2 para cortar metales. Los láseres de CO2 también reaccionan bien con materiales orgánicos.
¿Cómo se diseñan los láseres de fibra?
Los láseres de fibra se diseñan según criterios de diseño específicos. Cada uno de los factores que afectan el diseño del láser se analiza en las secciones siguientes.
Diseño de cavidades láser en láseres de fibra
La cavidad del láser es donde se aloja el medio de ganancia. Contiene múltiples elementos ópticos que ayudan a aumentar la fuerza del láser. En el caso de los láseres de fibra, el medio de ganancia es una fibra óptica aumentada con elementos de tierras raras.
Empalme por fusión en láseres de fibra
El empalme por fusión es una técnica que consiste en unir cables de fibra óptica para que la luz pase a través de ellos sin obstáculos. Si se realiza un empalme por fusión adecuado, el láser producirá energía de manera mucho más eficiente.
Diodos láser en láseres de fibra
Los diodos láser son semiconductores compactos y eficaces que transforman la energía eléctrica en luz láser. Estos dispositivos crean el brillo y el espectro adecuados que se utilizarán para "bombear" la fibra dopada.
Los iones de tierras raras incrustados en la fibra dopada son excitados por los rayos láser producidos por las fuentes de bombeo de diodos láser. Los altos niveles de ganancia son proporcionales a esta emoción. La capacidad de una sustancia dopante, como el iterbio, para absorber la luz de estos láseres de bomba influye en su selección.
Espejo Dieléctrico en Fibra Láser
Los espejos dieléctricos son espejos formados por más de un material reflectante. Hacen que el espejo sea más reflectante que los espejos fabricados con un solo material. Los láseres de fibra utilizan espejos dieléctricos para aumentar aún más la ganancia de la salida del láser.
Láseres de retroalimentación distribuida en láseres de fibra
Los láseres de fibra de retroalimentación distribuida (DF) tienen cualidades especiales. Un láser de retroalimentación distribuida utiliza un medio de ganancia y una estructura periódica como resonador completo, actuando como un reflector distribuido en el rango de longitud de onda operativa del láser. A menudo se sitúa un cambio de fase en el centro de esta estructura periódica. En esencia, esta estructura funciona como un acoplamiento en serie de dos rejillas de Bragg con ganancia óptica.
La mayoría de los láseres de retroalimentación distribuida utilizan un modo de resonador único y son láseres de fibra o semiconductores. La reflexión distribuida en una red de Bragg de fibra, que normalmente tiene una longitud de unos pocos milímetros o centímetros, se produce en el caso de un láser de fibra.
Fibras de doble revestimiento en láseres de fibra
La fibra de doble revestimiento es más común en los láseres de fibra de alta potencia. El núcleo de una fibra de doble revestimiento está dopado con dopantes de tierras raras. Los atributos de calidad del haz deseados los proporciona una fibra monomodo estándar. Sin embargo, los diodos láser de bomba monomodo son necesarios para un núcleo de fibra monomodo común. Si se diseña correctamente, el diámetro de este núcleo permite la oscilación del láser monomodo, lo que produce un haz de alta calidad.
Potencias de haz de láseres de fibra limitadas por difracción
Un haz de difracción limitada tiene el brillo o radiancia más alto para una potencia óptica determinada. "Limitado por difracción" se utiliza para describir un haz cuyo potencial para enfocarse en un punto pequeño para una longitud de onda dada sólo está limitado por una difracción inevitable. En otras palabras, tiene la mejor calidad de haz posible.
La mayoría de las fuentes en línea afirman que los láseres de fibra duran 100000 horas, mientras que los láseres de CO2 duran 30000 horas. Esto no es enteramente verdad. Estos números se refieren a un valor llamado "tiempo medio entre fallas" (MTBF), que no es el mismo para todos los láseres de fibra. En realidad, verá números diferentes para diferentes tipos de láseres de fibra.
El MTBF mide la confiabilidad de un láser indicando cuántas horas se espera que funcione antes de que ocurra una falla. Se obtiene probando varias unidades láser y luego dividiendo el número total de horas operativas por el número total de fallas.
Esto es lo que necesita saber si su láser experimenta fallas en cualquiera de estos momentos:
● Primeros años de vida:Si un láser de fibra tiene errores de fabricación, es probable que presente fallas desde el principio. Debe asegurarse de tener una garantía de compra que cubra los errores de fabricación para que el láser pueda ser reemplazado sin costo alguno.
●Vida normal:Una vez que haya pasado el primer período crítico de la vida temprana, el valor MTBF le brinda una buena idea de las posibilidades de falla de su láser. Un MTBF alto es una buena garantía de que todo saldrá bien, pero no es una garantía. Puede prepararse para fallas durante la vida normal de diferentes maneras: tenga un láser de repuesto disponible, alquile un láser mientras reparan el suyo o tenga una garantía de compra prolongada.
● Fin de la vida:Cuando los láseres de fibra están cerca del final de su vida útil, las posibilidades de falla aumentan drásticamente. Incluso entonces, un láser industrial de alta calidad a menudo puede funcionar muy por encima de su MTBF.
¿Cómo varía la potencia de un láser de fibra?
La capacidad de los láseres de fibra para aumentar su potencia está limitada por la dispersión Brillouin y Raman, así como por la corta longitud de los propios láseres. Muchos componentes, incluidos amplificadores, conmutadores y elementos lógicos, requieren configuraciones de fibra no lineales.
Hay dos clases de efectos no lineales en las fibras ópticas. El primero es provocado por el efecto Kerr, o la dependencia de la intensidad del índice de refracción del medio. Este fenómeno se manifiesta como uno de tres efectos, según el tipo de señal de entrada: modulación de fase cruzada (CPM), modulación de fase propia (SPM) o mezcla de cuatro ondas (FWM).
El segundo efecto no lineal ocurre cuando el campo óptico transfiere parte de su energía al medio no lineal mediante dispersión inelástica. Esta dispersión inelástica puede dar lugar a fenómenos como la dispersión Brillouin estimulada (SBS) y la dispersión Raman estimulada (SRS).
Cualquier forma de acción de dispersión estimulada puede ser potencialmente una fuente de ganancia para la fibra. En ambos procesos, si la potencia incidente supera un umbral específico, la intensidad de la luz dispersada aumenta exponencialmente. Debido al cambio de frecuencia comparativamente grande y al ancho de banda de ganancia más amplio, la amplificación Raman es más beneficiosa. La principal distinción entre ellos es que en Brillouin, la onda óptica interactúa con fonones acústicos de baja frecuencia, mientras que en Raman, la onda óptica dirigida interactúa con fonones ópticos de alta frecuencia. Otra distinción clave es que SRS puede ocurrir en ambas direcciones, mientras que SBS solo ocurre en dirección hacia atrás en las fibras ópticas.
La profundidad a la que puede cortar un láser de fibra depende de varios factores, incluida la potencia del láser, el tipo de material que se corta, el ángulo del corte, la calidad de la lente de enfoque y la velocidad a la que se mueve el láser. .
En general, los láseres de fibra pueden cortar metales de hasta varios centímetros de espesor. Sin embargo, la profundidad exacta que puede cortar un láser de fibra puede variar según la aplicación específica y las condiciones del proceso de corte por láser.
¿Cómo funciona un láser de fibra (y cuáles son sus componentes)?
La luz se crea en los diodos láser.
Un diodo láser que emite luz para ser bombeada a un láser de fibra. Los diodos láser transforman la electricidad en fotones (o luz) para ser bombeados al cable de fibra óptica. Por este motivo, también se les conoce como "fuente de bombeo".
Para generar luz, los diodos utilizan dos semiconductores cargados de manera diferente:
● El primero está cargado positivamente, lo que significa que necesita un electrón extra.
● El segundo tiene carga negativa, lo que significa que tiene un electrón extra o un electrón libre.
La luz de la bomba se guía por el cable de fibra óptica
En la naturaleza, la luz va en todas direcciones. Para enfocar la luz en una sola dirección y obtener un rayo láser, los cables de fibra óptica utilizan dos componentes básicos: el núcleo de fibra y el revestimiento.
● El núcleo es por donde viaja la luz. Está fabricado de vidrio de sílice y es la única parte del cable que incluye un elemento de tierras raras.
● El revestimiento es el material que rodea el núcleo. Cuando la luz incide en el revestimiento, rebota hacia el núcleo. Esto ocurre porque el revestimiento proporciona una reflexión interna total.
La luz se amplifica en la cavidad del láser.
A medida que la luz de la bomba viaja a través del cable de fibra óptica, eventualmente ingresa a la cavidad del láser, una pequeña región del cable donde solo se produce luz de una longitud de onda específica. Los ingenieros físicos dicen que la fibra está "dopada" en esta región porque se ha mezclado con un elemento de tierras raras.
A medida que las partículas de la fibra dopada interactúan con la luz, sus electrones se elevan a un nivel de energía más alto. Cuando vuelven a su estado básico, liberan energía en forma de fotones o luz. Los ingenieros físicos se refieren a estos fenómenos como "excitación de electrones" y "relajación de electrones".
Se crea luz láser de una longitud de onda específica
La longitud de onda producida por la fibra dopada varía según el elemento dopante de la cavidad láser. Esto es muy importante, ya que se utilizan diferentes longitudes de onda para diferentes aplicaciones. El elemento dopante podría ser erbio, iterbio, neodimio, tulio, etc. Los láseres de fibra dopados con iterbio, por ejemplo, generan una longitud de onda de 1064 nm y se utilizan para aplicaciones como marcado y limpieza con láser.
El rayo láser se forma y se libera
Los fotones que salen de la cavidad resonante forman un rayo láser extremadamente bien colimado (o recto) debido a las propiedades de guía de luz de la fibra. De hecho, está demasiado colimado para la mayoría de aplicaciones láser.
Para dar al rayo láser una forma deseada, se pueden utilizar diferentes componentes, como lentes y expansores del rayo. Por ejemplo, nuestros láseres de fibra están equipados con una lente de distancia focal de 254 mm para aplicaciones láser que profundizan en el material (es decir, grabado y texturizado con láser). Esto se debe a que su corta distancia focal nos permite enfocar más energía en un área para una forma más agresiva de ablación con láser.
La calidad del haz de un láser de fibra depende tanto de la fuerza de las distorsiones intracavitarias como de ciertos aspectos del diseño del resonador. Idealmente, el dispositivo crearía lo que se conoce como un haz gaussiano, pero la calidad real del haz siempre es imperfecta. La expresión matemática para una calidad de haz perfecta es M2=1. Un rayo láser bien enfocado concentra más energía en un espacio más pequeño. Algunos procesos, como la soldadura láser, evitan una calidad perfecta del haz, por lo que no eliminan mucho material. Sin embargo, la mayoría (como el grabado y la limpieza con láser) requieren haces de alta calidad.
Nuestra fábrica
Wuhan Hofei-link Technology Co., Ltd. (en lo sucesivo, 'HofeiLink') se estableció en la ciudad de Wuhan, el conocido valle óptico de China. Nos centramos en la integración vertical en el campo óptico, nos dedicamos a los productos y soluciones en Materiales ópticos avanzados, comunicación óptica y campos de detección de fibra óptica.
Certificaciones
Guía definitiva de preguntas frecuentes sobre fotodetectores
P: ¿Qué es un láser de fibra?
P: ¿Cuál es el principio de funcionamiento del láser de fibra?
P: ¿Cuáles son las ventajas de los láseres de fibra?
P: ¿En qué campos se utilizan los láseres de fibra?
P: ¿Cómo se comparan los láseres de fibra con otros tipos de láseres?
P: ¿Cómo elegir un láser de fibra adecuado?
P: ¿Cómo mantener el láser de fibra?
P: ¿Cuál es la tendencia de desarrollo futuro de los láseres de fibra?
P: ¿Qué hace un láser de fibra?
P: ¿Cuál es mejor láser de CO2 o de fibra?
P: ¿Por qué son tan caros los láseres de fibra?
P: ¿Qué no puede cortar un láser de fibra?
P: ¿Vale la pena un láser de fibra?
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P: ¿Quién utiliza láseres de fibra?
P: ¿Los láseres de fibra pierden potencia con el tiempo?
P: ¿Qué espesor puede cortar un láser de fibra?
P: ¿Puede soldar un láser de fibra?
P: ¿Qué gas utilizan los láseres de fibra?
P: ¿Cómo se bombean los láseres de fibra?
Como una de las empresas líderes en láser de fibra y piezas de láser en China, le damos una calurosa bienvenida para que compre piezas de láser y láser de fibra rentables a la venta aquí desde nuestra fábrica. Todos nuestros productos y soluciones son de alta calidad y precio competitivo.
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