Analisi del settore laser

Il principio del laser

Il laser è costituito da una sorgente di pompa, un mezzo di guadagno con un livello di energia metastabile e un risonatore. Prendendo come esempio il laser a fibra pompato a semiconduttore, il processo specifico di generazione del laser può essere suddiviso in dettaglio nelle seguenti cinque fasi:

1. Nella prima fase, viene introdotta la luce della pompa e il laser a semiconduttore, come sorgente della pompa del laser, emette la luce della pompa con una certa larghezza di linea ed entra nella fibra dopo aver attraversato il combinatore di raggi;
2. Nella seconda fase, il mezzo di guadagno viene energizzato e la fibra di guadagno assorbe la luce della pompa di una lunghezza d'onda specifica, che rende la transizione del livello energetico della particella fino allo stato metastabile;
3. Nella terza fase, i fotoni si formano per emissione spontanea e le particelle allo stato metastabile transitano spontaneamente verso il basso per rilasciare energia, producendo fotoni con direzioni e fasi diverse;
4. Il quarto passo è realizzare l'amplificazione ottica mediante radiazione stimolata. I fotoni che si muovono lungo l'asse possono muoversi avanti e indietro tra gli specchi (reticoli) (i fotoni che non corrono lungo l'asse sfuggono rapidamente) e i fotoni possono generare fotoni omogenei quando incontrano particelle ad alta-energia (metastabili) nel mezzo di guadagno, in modo da ottenere un effetto di amplificazione ottica;
5. Il quinto passaggio, l'emissione laser, dopo aver raggiunto determinati requisiti per ottenere l'emissione laser in forma continua o pulsata.

Classificazione laser

Esistono quattro classificazioni comuni dei laser: guadagno medio, potenza di uscita, modalità operativa e larghezza dell'impulso.

Secondo il mezzo di guadagno: il mezzo di guadagno del laser comprende gas, liquido e solido. Il mezzo di guadagno specifico determina la lunghezza d'onda del laser, la potenza di uscita e il campo di applicazione. Il laser a gas CO2 è rappresentativo nel gas, il laser a rubino, il laser a semiconduttore, il laser a fibra e il laser YAG sono rappresentativi nel solido.

In base alla potenza in uscita: può essere suddivisa in piccola potenza (0-100 W), media potenza (100-1 kW) e alta potenza (superiore a 1 kW); ma a volte viene definita una potenza media compresa tra 100 e 1,5 kW. La diversa potenza del laser si adatta a diversi scenari applicativi.

In base alla modalità di lavoro: può essere suddiviso in laser continuo e laser a impulsi. Il laser CW può emettere continuamente per un lungo periodo di tempo, con funzionamento stabile ed elevato effetto termico. Il laser a impulsi viene emesso sotto forma di impulso, caratterizzato da un'elevata potenza di picco e un piccolo effetto termico.

Per un confronto-a-testa tra le due modalità operative, consulta laDifferenze tra laser CW e QCW.

In base alla durata dell'impulso, il laser a impulsi può essere ulteriormente suddiviso in millisecondi, microsecondi, nanosecondi, picosecondi e femtosecondi. In generale, quanto più breve è la durata dell'impulso, tanto maggiore è l'energia del singolo impulso, tanto più stretta è l'ampiezza dell'impulso e tanto maggiore è la precisione di elaborazione.

Tra funzionamento a impulsi e funzionamento continuo si nasconde un ibrido che vale la pena conoscere: il nsGuida laser quasi-continua QCW.

In base alla lunghezza d'onda di uscita: può essere divisa in laser a infrarossi, laser visibile, laser UV, ecc. Diverse strutture di materiali possono assorbire diversi intervalli di lunghezze d'onda, ad esempio, il metallo ha un assorbimento del vicino-infrarosso maggiore.

Il laser a fibra presenta vantaggi eccezionali nella lavorazione dei materiali

Il laser a fibra promuove lo sviluppo di metodi di lavorazione laser in ampiezza e profondità. Nel campo tradizionale, il laser ad alta-potenza promuove la penetrazione delle apparecchiature laser nelle operazioni di taglio, saldatura, marcatura e altri collegamenti di apparecchiature di fascia alta-come quelle aerospaziali, dei trasporti, ecc. Nel campo emergente, il laser a fibra amplia la profondità dell'elaborazione laser e forma un mercato incrementale, comprendendo principalmente l'elaborazione di precisione nell'elettronica di consumo, nel fotovoltaico, nelle batterie al litio, nei semiconduttori e in altri campi.

Dal punto di vista tecnico, il laser a fibra è superiore agli altri laser. I vantaggi tecnici del laser a fibra per la lavorazione sono: 1) buona qualità del raggio, elevata potenza facilmente raggiungibile. 2) L'ampia superficie della fibra ottica, buona dissipazione del calore. 3) Il percorso ottico è completamente chiuso, con buona stabilità, lunga durata e minore manutenzione. 4) Dimensioni ridotte, trasmissione flessibile. 5) La lunghezza d'onda è nell'intervallo 700 nm-2000 nm, che è più applicabile nel campo della lavorazione dei materiali.

Dal punto di vista dei costi, il laser a fibra presenta un vantaggio in termini di costi e prestazioni molto elevato-. Prendiamo il laser CO2 come confronto:

• Grazie alla qualità del fascio abbagliante e all'elevato tasso di assorbimento del materiale, la velocità di elaborazione del laser a fibra è maggiore. Prendendo come esempio il taglio di lamiere sottili, la velocità di taglio del laser a fibra può raggiungere 2-3 volte quella del laser CO2 con la stessa potenza;
• Il tasso di conversione elettro-ottico del laser a fibra è superiore al 30% e il consumo energetico è basso. Il percorso ottico del laser CO2 dipende completamente dal riflettore. Il percorso ottico decade rapidamente e la perdita di energia è maggiore. Il tasso di conversione elettro-ottico è inferiore al 10%;
• La struttura del laser a fibra è semplice e stabile, il percorso ottico esterno non richiede manutenzione-, il tempo medio tra i guasti è superiore a 100.000 ore e praticamente non sono presenti materiali di consumo. La struttura del sistema laser CO2 è complessa, il riflettore e il risonatore necessitano di una manutenzione regolare, i costi di sostituzione dei cuscinetti della turbina sono elevati e i costi di manutenzione sono elevati.

Confrontando i principali parametri prestazionali del laser industriale kilowatt sul mercato, rispetto ad altri laser, il laser a fibra presenta i vantaggi di una buona qualità del raggio laser in uscita, alta densità di energia, elevata efficienza elettro-ottica, facile da usare, un'ampia gamma di materiali lavorabili, bassi costi operativi complessivi, ecc., quindi è ampiamente utilizzato nei campi di intaglio/marcatura, taglio/foratura, ecc., rivestimento/saldatura, trattamento superficiale, prototipazione rapida e altri campi di lavorazione dei materiali e comunicazione ottica, noti come "laser di terza-generazione", hanno ampie prospettive di applicazione.

Il laser si trova al centro della catena industriale del laser e la Cina è diventata il mercato laser più grande e in più rapida crescita al mondo. Il laser è il componente ottico centrale dell'apparecchiatura laser terminale, che occupa la posizione centrale dell'intera catena industriale. Allo stesso tempo, dal punto di vista dei costi, il costo del laser rappresenta circa il 30% - 50% del costo totale dell'apparecchiatura, che è il componente principale più prezioso dell'apparecchiatura laser.

Guardando al futuro, il settore sta entrando in quello che molti chiamano ill’età d’oro dello sviluppo del laser nei prossimi tre decenni.