Ограничения и достижения лазеров ближнего инфракрасного диапазона

За последние несколько десятилетий мощные непрерывные лазеры стали распространенным инструментом в современном производстве, охватывающем такие области применения, как сварка, наплавка, подготовка поверхности, закалка, пайка, резка, 3D-печать и аддитивное производство. Благодаря созданию мощных лазеров на углекислом газе (CO2) с длиной волны 10,6 мкм и ближний инфракрасный диапазон с длиной волны 1064 нм, полупроводниковая накачка Nd:YAG твердотельные лазеры , мощные лазерные технологии непрерывного действия пережили первый пик развития.

Ограничения NIR-лазеров

Из-за своей длины волны лазеры на углекислом газе трудно передавать по оптическим волокнам, что вызывает определенные трудности для промышленного применения; в то время как твердотельные лазеры ограничены возможностями усиления яркости и мощности. Эти мощные волоконные лазеры непрерывного действия обычно работают на длинах волн ближнего инфракрасного диапазона (NIR) в пределах 1 мкм, что подходит для многих применений. Например, он подходит для обработки сталей с коэффициентом поглощения более 50%, но ограничен тем фактом, что некоторые металлы отражают 90% или более падающего на их поверхность лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона. Низкая скорость поглощения означает, что для начала процесса сварки требуется большая мощность лазера, особенно при сварке желтых металлов, таких как медь и золото, с помощью NIR-лазеров.

Сварка в режиме глубокого проплавления приводит к высокому поглощению лазерного луча, поскольку лазерный луч многократно взаимодействует с металлом и парами металла при прохождении через материал. Однако активация замочной скважины с помощью ближнего инфракрасного лазера требует значительной интенсивности падающего лазера, особенно когда свариваемый материал имеет высокую отражательную способность. А как только образуется замочная скважина, поглощающая способность резко возрастает, а высокое давление паров металла в ванне расплава, создаваемое мощным ближним инфракрасным лазером, может вызвать разбрызгивание и пористость, поэтому необходимо тщательно контролировать мощность лазера или скорость сварки, чтобы предотвратить чрезмерный выброс брызг из сварного шва. По мере затвердевания ванны расплава могут также задерживаться «пузыри» в парах металла и технологических газах, создавая пустоты в сварном шве. Такая пористость ослабляет прочность сварного шва и увеличивает удельное сопротивление соединения, что приводит к снижению качества сварного соединения. Поэтому NIR-лазеры очень сложны для обработки таких материалов, как медь с коэффициентом поглощения < 5% на длине волны 1 мкм. Чтобы лучше обрабатывать эти материалы с высокой отражательной способностью, были приняты такие методы, как увеличение скорости поглощения материалом лазерного света за счет генерации плазмы на обрабатываемом материале. Однако, поскольку эти методы ограничивают обработку материала процессами глубокого проникновения, сварка тонких материалов в режиме теплопроводности невозможна, и существуют неизбежные риски распыления и контролируемого энерговыделения. Поэтому существующие лазерные системы с длиной волны 1 мкм имеют свои ограничения при обработке материалов с высокой отражающей способностью, таких как цветные металлы, а также при подводных работах.

Прорыв в лазерах ближнего инфракрасного диапазона

Для развития ограниченных областей применения этих лазеров ближнего инфракрасного диапазона необходимо исследовать новые источники лазерного света. Кроме того, чтобы сократить выбросы парниковых газов, автомобили на новой энергии заменяют бензиновые двигатели и двигатели внутреннего сгорания электрическими двигателями. Использование большого количества меди в конструкции электродвигателей, особенно силовых батарей, создало огромный спрос на надежные решения для обработки меди и имеет столь же широкий спектр применения в других системах возобновляемой энергии, таких как ветряные турбины.

Сегодня мощные промышленные волоконные лазеры стали решением для создания мощных лазеров высокой яркости, которые можно передавать по оптоволокну. Сегодня волоконные лазеры заменили CO2-лазеры в подавляющем большинстве применений и эффективно используются во многих приложениях промышленной обработки. Особенно в последние годы он стал рабочей лошадкой промышленных лазеров, таких как лазерная сварка и резка, которые имеют более высокую скорость, эффективность и надежность, чем CO2-лазеры.