لیزرهای نیمه هادی آبی پرقدرت چیست؟

اینلیزرهای نیمه هادی آبی روشنایی و پرقدرتبه طور مداوم به محدودیت های جدید بهبود می یابند که همچنین منجر به کاربردهای بیشتر و گسترده تر می شود. علاوه بر پردازش کارآمد مواد فلزی، لیزرهای نیمه هادی آبی انتظار کاربردهای مقطعی دارند، به ویژه بخش مهندسی مکانیک پردازش مواد لیزری را با نور آبی در زیر آب ممکن می کند. برای تولید، این البته یک مزیت بزرگ است. علاوه بر این، صنعت روشنایی همچنین می تواند از فناوری نورپردازی با کیفیت بالا بر اساس لیزرهای نیمه هادی آبی استفاده کند.

1. محدودیت های لیزرهای پرقدرت در طول موج های نزدیک به مادون قرمز

در طول چند دهه گذشته، لیزرهای پرقدرت CW به ابزاری رایج در تولید مدرن تبدیل شده‌اند و کاربردهایی مانند جوشکاری، روکش‌کاری، عملیات سطحی، سخت‌کاری، لحیم کاری، برش، چاپ سه بعدی و ساخت افزودنی را پوشش می‌دهند. اولین اوج توسعه فناوری لیزر پیوسته پرقدرت قبل از سال 2000 ظاهر شد، زمانی که یک لیزر دی اکسید کربن (CO2) با طول موج 10.6 میکرومتر و یک لیزر حالت جامد Nd:YAG با طول موج نیمه هادی 1064 نانومتری نزدیک به فروسرخ ساخته شد. با این حال، به دلیل طول موج، لیزرهای دی اکسید کربن به سختی از طریق فیبرهای نوری منتقل می شوند، که مشکلات خاصی را برای کاربردهای صنعتی ایجاد می کند. در حالی که لیزرهای حالت جامد با قابلیت های روشنایی و تقویت توان محدود می شوند. پس از سال 2000، لیزرهای فیبر صنعتی با قدرت بالا به عنوان راه حل هایی برای لیزرهای با روشنایی و قدرت بالا که می توانند از طریق فیبرهای نوری تحویل داده شوند، ظهور کردند. امروزه لیزرهای فیبر در اکثریت قریب به اتفاق کاربردها جایگزین لیزرهای CO2 شده اند و به طور موثر در بسیاری از کاربردهای پردازش صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند. به خصوص در سال های اخیر به نیروی اصلی لیزرهای صنعتی مانند جوشکاری و برش لیزری تبدیل شده است که نسبت به لیزرهای دی اکسید کربن از سرعت، کارایی و قابلیت اطمینان بالاتری برخوردار است.

با این حال، این لیزرهای فیبری پرقدرت CW معمولاً در طول موج‌های نزدیک به مادون قرمز (NIR) در عرض 1 میکرومتر کار می‌کنند که برای بسیاری از کاربردها خوب است. به عنوان مثال، برای پردازش فولاد با نرخ جذب بیش از 50 درصد مناسب است، اما محدود است زیرا برخی از فلزات 90 درصد یا بیشتر از تابش لیزر مادون قرمز نزدیک را که بر روی سطوح خود منعکس می کنند، محدود است. به خصوص جوشکاری فلزات زرد رنگ مانند مس و طلا با لیزرهای نزدیک به مادون قرمز، به دلیل سرعت جذب پایین، به این معنی است که برای شروع فرآیند جوشکاری به توان لیزر زیادی نیاز است. به طور کلی دو فرآیند جوشکاری لیزری وجود دارد: جوشکاری در حالت هدایت (که در آن مواد به سادگی ذوب می‌شوند و دوباره جریان می‌یابند) و روش جوشکاری با نفوذ عمیق (که در آن لیزر فلز را تبخیر می‌کند و فشار بخار یک حفره یا سوراخ کلید را تشکیل می‌دهد). جوشکاری در حالت نفوذ عمیق به دلیل فعل و انفعالات متعدد پرتو لیزر با فلز و بخار فلز در حین حرکت در مواد، منجر به جذب پرتو لیزر می شود. با این حال، فعال کردن سوراخ کلید با یک لیزر نزدیک به مادون قرمز نیاز به شدت لیزر تابشی قابل توجهی دارد، به خصوص اگر ماده جوش داده شده بسیار بازتابنده باشد. و هنگامی که سوراخ کلید تشکیل شد، میزان جذب به شدت افزایش می یابد و فشار بخار بالای فلز تولید شده توسط لیزر پرقدرت مادون قرمز نزدیک در حوضچه مذاب باعث پاشش و تخلخل می شود، بنابراین قدرت لیزر یا سرعت جوشکاری باید به دقت کنترل می شود تا از پاشش بیش از حد از جوش جلوگیری شود. بخارات فلزی و «حباب‌ها» در گاز فرآیند نیز ممکن است با جامد شدن حوضچه مذاب به دام افتاده و تخلخل در محل اتصال جوش ایجاد شود. چنین تخلخلی استحکام جوش را ضعیف می کند و مقاومت اتصال را افزایش می دهد و در نتیجه اتصال جوشی با کیفیت پایین تری ایجاد می کند. بنابراین، لیزرهای NIR برای پردازش موادی مانند مس بسیار چالش برانگیز هستند<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.

به منظور توسعه این برنامه های کاربردی کنترل شده با لیزر مادون قرمز نزدیک، مردم باید در مورد منابع نور لیزر جدید تحقیق کنند. علاوه بر این، به منظور کاهش گازهای گلخانه ای، خودروهای انرژی نو موتورهای الکتریکی را جایگزین موتورهای بنزینی و موتورهای احتراق داخلی می کنند. مقدار زیادی مس مورد استفاده در ساخت موتورهای الکتریکی، به ویژه باتری های قدرت، تقاضای زیادی برای راه حل های پردازش مس قابل اعتماد ایجاد کرده است، در حالی که در سایر سیستم های انرژی تجدید پذیر مانند توربین های بادی، طیف وسیعی از کاربردها وجود دارد.

2. تولد لیزر آبی با قدرت بالا

توسعه فناوری لیزر صنعتی همواره در امتداد نقشه راه فناوری تولید و الزامات اجتماعی جدید توسعه یافته است. در 60 سال گذشته، از اقتصاد دیجیتال و جامعه، تا انرژی پایدار، تا زندگی سالم، فناوری لیزر کمک زیادی به حل وظایف مهم در آینده بشر کرده است. امروزه فناوری لیزر بخشی جدایی ناپذیر از بسیاری از حوزه های اصلی اقتصاد ما از فناوری تولید گرفته تا مهندسی خودرو، فناوری پزشکی، اندازه گیری و فناوری محیطی و فناوری اطلاعات و ارتباطات است. از آنجایی که فناوری پردازش فلزات به پیشرفت خود ادامه می دهد و نیازهای کاربر همچنان در حال افزایش است، لیزرها از نظر هزینه و بهره وری انرژی و همچنین عملکرد سیستم لیزر به نوآوری نیاز دارند. تقاضای بازار برای پردازش کارآمد فلزات با انعکاس بالا، توسعه فناوری لیزر آبی با قدرت بالا را تحریک کرده است، که مطمئناً درها را به روی فناوری‌های جدید در پردازش فلز باز خواهد کرد.

برای فلزات غیرآهنی، با کاهش طول موج نور، جذب انرژی نوری آنها افزایش می یابد. به عنوان مثال، جذب نور مس در طول موج های زیر 500 نانومتر در مقایسه با نور مادون قرمز حداقل 50 درصد افزایش می یابد، بنابراین طول موج های نور کوتاه برای پردازش مس مناسب تر هستند. مشکل این است که توسعه لیزرهای با طول موج کوتاه و با توان بالا برای این کاربردهای صنعتی دشوار است. تعداد کمی از گزینه های پرقدرت در دسترس هستند و حتی آنهایی که وجود دارند گران و ناکارآمد هستند. به عنوان مثال، برخی از منابع لیزر حالت جامد بر اساس دوبرابر کردن فرکانس در بازار وجود دارند که می توانند در این محدوده طول موج استفاده شوند و نور لیزر در طول موج های 515 نانومتر و 532 نانومتر (طیف سبز) تولید کنند. با این حال، این منابع لیزری برای تبدیل انرژی لیزر پمپ به انرژی طول موج هدف، به کریستال‌های نوری غیرخطی خود متکی هستند. فرآیند تبدیل منجر به تلفات توان بالا می شود و لیزر به سیستم های خنک کننده پیچیده و تنظیمات نوری پیچیده نیاز دارد.

برای مقابله با این چالش، مردم توجه خود را به لیزرهای نیمه هادی آبی معطوف کردند. یکی این است که Blu-ray ویژگی های خاص خود را دارد. مواد فلزی با انعکاس بالا دارای نرخ جذب بالایی از نور آبی هستند، به این معنی که نور آبی مزیت بزرگی در پردازش فلز مواد بسیار بازتابنده (مانند مس و غیره) دارد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، جذب نور آبی توسط مس بیش از 13× (13 برابر) بیشتر از جذب نور مادون قرمز است. علاوه بر این، سرعت جذب در هنگام ذوب مس تغییر چندانی نمی کند. هنگامی که لیزر آبی شروع به جوش می کند، همان چگالی انرژی جوشکاری را ادامه می دهد. جوش لیزری با اشعه بلوری ذاتاً به خوبی کنترل می شود و نقص کمتری دارد و نتیجه آن جوش های لحیم کاری شده سریع و با کیفیت است. در عین حال، نور آبی کمتر در آب دریا جذب می شود، بنابراین فاصله انتقال بیشتری دارد، که امکان توسعه زمینه پردازش مواد لیزری زیر آب را فراهم می کند. علاوه بر این، نور آبی نسبتاً آسان به نور سفید تبدیل می شود، بنابراین نور افکن و سایر برنامه های روشنایی را می توان با استفاده از لیزرهای آبی بسیار فشرده اجرا کرد. مورد دوم این است که لیزرهای نیمه هادی مبتنی بر مواد نیترید گالیوم می توانند مستقیماً نور لیزری با طول موج 450 نانومتر را بدون دو برابر شدن فرکانس بیشتر تولید کنند، بنابراین راندمان تبدیل انرژی بالاتری دارند.

انتظار می رود لیزر با طول موج 450 نانومتر راندمان پردازش مواد مس را در مقایسه با طول موج 1 میکرومتر نزدیک به 20 برابر افزایش دهد. در مقایسه با فرآیندهای جوشکاری لیزری نزدیک به مادون قرمز سنتی، لیزرهای آبی پرقدرت دارای مزایای کمی و کیفی هستند. مزایای کمی: افزایش سرعت جوشکاری و پنجره فرآیند گسترده تر به طور مستقیم به بهره وری سریعتر و به حداقل رساندن زمان توقف تولید می انجامد. مزایای کیفی: عرض جغرافیایی بیشتر فرآیند، جوش های با کیفیت بالا بدون پاشش و تخلخل، و همچنین استحکام مکانیکی بالاتر و مقاومت الکتریکی کمتر. ثبات کیفیت جوش می تواند تا حد زیادی بازده تولید را بهبود بخشد. علاوه بر این، لیزر آبی می تواند حالت جوشکاری هدایت گرما را نیز انجام دهد که با لیزر مادون قرمز نزدیک امکان پذیر نیست.

اطلاعات تماس:

اگر ایده ای دارید، در صورت تمایل با ما صحبت کنید. مهم نیست که مشتریان ما کجا هستند و نیازهای ما چیست، ما هدف خود را دنبال خواهیم کرد تا با کیفیت بالا، قیمت پایین و بهترین خدمات به مشتریان خود ارائه دهیم.