القيود والاختراقات في مجال أشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء

على مدى العقود القليلة الماضية، أصبحت أشعة الليزر CW عالية الطاقة أداة شائعة في التصنيع الحديث، حيث تغطي تطبيقات مثل اللحام، والكسوة، وإعداد السطح، والتصلب، والنحاس، والقطع، والطباعة ثلاثية الأبعاد، والتصنيع الإضافي. مع توليد ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2) عالي الطاقة بطول موجي 10.6 ميكرومتر و الأشعة تحت الحمراء القريبة 1064 نانومتر الطول الموجي لأشباه الموصلات - ضخ Nd:YAG ليزر الحالة الصلبة ، شهدت تكنولوجيا الليزر CW عالية الطاقة الذروة الأولى من التطور.

حدود الليزر NIR

نظرًا لطول موجته، يصعب نقل ليزر ثاني أكسيد الكربون عبر الألياف الضوئية، مما يسبب صعوبات معينة للتطبيقات الصناعية؛ في حين أن ليزر الحالة الصلبة محدود بسطوعه وقدراته على تضخيم الطاقة. تعمل ليزرات الألياف عالية الطاقة CW عادةً بأطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR) ضمن 1 ميكرومتر، وهي مناسبة للعديد من التطبيقات. على سبيل المثال، إنها مناسبة لتصنيع الفولاذ بامتصاصية تزيد عن 50%، ولكنها محدودة بحقيقة أن بعض المعادن تعكس 90% أو أكثر من إشعاع الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء الواقع على سطحها. خاصة عند لحام المعادن الصفراء مثل النحاس والذهب بأشعة NIR، فإن معدل الامتصاص المنخفض يعني أن هناك حاجة إلى قدر كبير من طاقة الليزر لبدء عملية اللحام.

يؤدي اللحام في وضع الاختراق العميق إلى امتصاص عالي لشعاع الليزر لأن شعاع الليزر يتفاعل عدة مرات مع المعدن وبخار المعدن أثناء انتقاله عبر المادة. ومع ذلك، فإن تنشيط ثقب المفتاح باستخدام ليزر قريب من الأشعة تحت الحمراء يتطلب كثافة ليزر كبيرة، خاصة عندما تكون المادة الملحومة عاكسة بدرجة كبيرة. وبمجرد تشكيل ثقب المفتاح، ترتفع الامتصاصية بشكل حاد، ويمكن أن يتسبب ضغط البخار المعدني العالي في حوض السباحة المنصهر بواسطة الليزر عالي الطاقة القريب من الأشعة تحت الحمراء في التناثر والمسامية، لذلك يجب التحكم في قوة الليزر أو سرعة اللحام بعناية لمنع تناثر الرذاذ الزائد خارج اللحام. عندما يتصلب المجمع المنصهر، قد يتم أيضًا احتجاز 'الفقاعات' الموجودة في الأبخرة المعدنية وغازات المعالجة، مما يؤدي إلى إنشاء فراغات في وصلة اللحام. مثل هذه المسامية تضعف قوة اللحام وتزيد من مقاومة المفصل، مما يؤدي إلى انخفاض جودة المفصل الملحوم. لذلك، تمثل أشعة الليزر NIR تحديًا كبيرًا في معالجة المواد مثل النحاس ذي الامتصاصية < 5% عند 1 ميكرومتر. من أجل معالجة هذه المواد عالية الانعكاس بشكل أفضل، تم اعتماد طرق مثل زيادة معدل امتصاص المادة لضوء الليزر عن طريق توليد البلازما على المادة المعالجة. ومع ذلك، نظرًا لأن هذه الطرق تقصر معالجة المواد على عمليات الاختراق العميق، فإن اللحام بوضع التوصيل الحراري للمواد الرقيقة غير ممكن، وهناك مخاطر متأصلة من الاخرق وترسب الطاقة المتحكم فيه. ولذلك، فإن أنظمة الليزر الحالية ذات الطول الموجي 1 ميكرومتر لها حدودها عند معالجة المواد شديدة الانعكاس مثل المعادن غير الحديدية، وكذلك في التطبيقات تحت الماء.

اختراق في مجال أشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء

ومن أجل تطوير مجالات التطبيق المقيدة لأشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء، يجب دراسة مصادر ضوء الليزر الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، ومن أجل الحد من الغازات الدفيئة، تقوم مركبات الطاقة الجديدة باستبدال محركات البنزين ومحركات الاحتراق الداخلي بمحركات كهربائية. أدى استخدام الكثير من النحاس في بناء المحركات الكهربائية، وخاصة بطاريات الطاقة، إلى خلق طلب كبير على حلول معالجة النحاس الموثوقة، وله نطاق واسع بنفس القدر من التطبيقات في أنظمة الطاقة المتجددة الأخرى مثل توربينات الرياح.

اليوم، أصبحت ليزرات الألياف الصناعية عالية الطاقة هي الحل لأشعة الليزر عالية السطوع والطاقة التي يمكن توصيلها عبر الألياف. اليوم، حلت ألياف الليزر محل ليزر ثاني أكسيد الكربون في الغالبية العظمى من التطبيقات وتستخدم بشكل فعال في العديد من تطبيقات المعالجة الصناعية. وفي السنوات الأخيرة على وجه الخصوص، أصبح هذا الليزر هو العمود الفقري لأشعة الليزر الصناعية، مثل اللحام والقطع بالليزر، والذي يتميز بسرعة وكفاءة وموثوقية أعلى من ليزر ثاني أكسيد الكربون.