Lasers de fibra versus lasers de{0}estado sólido: diferenças e vantagens

1. Princípios técnicos e diferenças de desempenho

① Ganho médio

Os lasers de fibra usam fibras de vidro{0}dopadas com terras raras como meio de ganho. Sob a ação da luz da bomba, uma alta densidade de potência é formada na fibra, resultando em uma inversão populacional do nível de energia do laser e na oscilação do laser através do ciclo de feedback positivo da cavidade ressonante. Os lasers de fibra são compactos e não exigem um sistema de resfriamento complexo, e a flexibilidade da fibra os torna mais vantajosos em aplicações de processamento espacial multi-dimensionais.

O núcleo de um laser de fibra é uma fibra óptica, um filamento flexível de vidro-fino como um fio de cabelo ou plástico, conhecido por sua capacidade de guiar a luz por longas distâncias com perda mínima. A fibra atua como meio de ganho ativo do laser e é o núcleo da operação do laser. No entanto, ao contrário das fibras de vidro ou plástico não dopadas utilizadas nas telecomunicações, a fibra óptica num laser de fibra é dopada com elementos de terras raras, como o érbio ou o itérbio. Essa dopagem introduz o estado de energia necessário para a operação do laser, permitindo que a fibra não apenas guie a luz, mas também a amplifique.

O Solid-State Laser (SSL) é centrado em seu meio de ganho exclusivo, material sólido, e geralmente é composto de quatro partes: meio de ganho, sistema de resfriamento, cavidade ressonante óptica e fonte de bomba. O meio de ganho, como rubi (Cr:Al₂O₃) ou granada de ítrio-alumínio dopada com neodímio-(Nd:YAG), é a alma do laser-de estado sólido. Os íons ativados (como Nd³⁺) dopados em seu interior conseguem a inversão populacional sob a ação da luz da bomba, gerando assim luz laser. O sistema de resfriamento é responsável por remover o calor acumulado dentro do meio de ganho devido à geração do laser para garantir a operação estável do laser. O ressonador óptico forma oscilações contínuas através de feedback positivo de fótons, emitindo um feixe de laser altamente monocromático e direcional.

② Desempenho e eficiência

Os lasers de fibra são conhecidos por sua excelente eficiência elétrica, graças à natureza dos cabos de fibra óptica, que podem conduzir luz com perdas mínimas. Esse recurso torna os lasers de fibra incrivelmente eficientes em termos energéticos, muitas vezes alcançando eficiências superiores a 30%. Lasers-de estado sólido são geralmente menos eficientes, provavelmente devido às maiores perdas de seus meios de maior ganho e à necessidade de lâmpadas-de alta intensidade para bombeamento.

③ Qualidade do feixe: afeta diretamente a eficácia dos lasers em aplicações de precisão

A operação-de modo único dos lasers de fibra pode fornecer uma qualidade de feixe incrivelmente alta, caracterizada por foco preciso e divergência mínima. Os lasers-de estado sólido, embora sejam capazes de fornecer feixes de-alta qualidade, muitas vezes são difíceis de igualar a qualidade do feixe dos lasers de fibra, especialmente em níveis de potência mais elevados. Apesar de sua menor eficiência e qualidade de feixe, os lasers de estado-sólido têm suas vantagens. Eles têm poderosos recursos de escalonamento de energia e são adequados para aplicativos-de alta potência. Os lasers-de estado sólido podem ser projetados para produzir níveis de potência incrivelmente altos, aumentando o tamanho do meio de ganho e a potência da bomba, o que não é tão simples para lasers de fibra devido às limitações do tamanho da fibra e da dissipação de calor.

④ Estabilidade

Os lasers de fibra têm alta estabilidade. Sua estrutura de fibra é insensível às mudanças ambientais (como temperatura, umidade, vibração, etc.) e pode manter condições de trabalho estáveis ​​em ambientes agressivos. Ao mesmo tempo, os lasers de fibra são estruturas de estado-sólido e não contêm componentes ópticos-de espaço livre, por isso são considerados mais duráveis ​​e adaptáveis ​​às mudanças ambientais.

Lasers-de estado sólido têm estabilidade relativamente baixa, e mudanças nos fatores ambientais podem ter um impacto maior em seu desempenho.

⑤ Desempenho de dissipação de calor

Os lasers de fibra têm excelente desempenho de dissipação de calor. Seu meio de ganho é a fibra óptica, que tem uma grande relação entre área de superfície e volume, e o calor pode ser dissipado rapidamente, para que possa funcionar de forma estável por um longo tempo e suportar alta potência.

Os lasers-de estado sólido são relativamente difíceis de dissipar o calor e estão sujeitos a efeitos térmicos quando operam em alta potência, afetando o desempenho e a vida útil do laser.

⑥ Tamanho e custos de manutenção

Os lasers de fibra são muito compactos e quase não requerem manutenção. O pequeno tamanho da fibra e a ausência de espelhos externos reduzem bastante os problemas de alinhamento associados aos lasers de estado-sólido. Além disso, as excelentes capacidades de dissipação de calor da fibra geralmente não requerem resfriamento ativo, reduzindo ainda mais os requisitos de manutenção. Ao mesmo tempo, os lasers de fibra são geralmente mais seguros de operar porque o laser fica confinado dentro da fibra, reduzindo o risco de exposição acidental.

O alinhamento de espelhos em lasers de{0}estado sólido é fundamental para sua operação e requer inspeção e ajuste regulares, o que aumenta a carga de trabalho de manutenção. Além disso, os lasers-de estado sólido geralmente requerem resfriamento ativo para gerenciar o calor gerado no meio de ganho, o que não apenas aumenta a complexidade do sistema, mas também aumenta os requisitos de manutenção. Os lasers-de estado sólido tendem a ser maiores que os lasers de fibra. A necessidade de espelhos de grande ganho e espelhos externos aumenta seu tamanho e peso, limitando sua aplicabilidade em aplicações com espaço limitado.

2. Campos de aplicação

Os lasers de fibra brilham no campo de corte e soldagem industrial com sua alta potência, alta qualidade de feixe, bom desempenho de dissipação de calor e estabilidade. Os lasers de fibra são particularmente adequados para corte de chapas grossas e soldagem de materiais metálicos. Seu design de alta-conversão eletro-óptica e ajuste-livre de manutenção-reduz muito o custo de uso e a dificuldade de manutenção. Ao mesmo tempo, a alta tolerância dos lasers de fibra a ambientes de trabalho agressivos, como poeira, vibração, umidade, etc., também faz com que tenham um bom desempenho em vários locais industriais. Os lasers contínuos têm um alto grau de penetração no campo do macroprocessamento e têm substituído gradualmente os métodos tradicionais de processamento neste campo.

Os lasers de{0}estado sólido são únicos no campo de ultra-precisão e ultra{2}}microprocessamento, com alta potência de pico, grande energia de pulso e saída de laser de{3}comprimento de onda curto (como luz verde e luz ultravioleta). Em processos como marcação, corte, perfuração e soldagem de materiais metálicos/não{5}}metálicos, os lasers de estado-sólido podem alcançar maior precisão de processamento e maior aplicabilidade de materiais. Especialmente em soldagem de alta{8}}precisão e impressão 3D de fotopolimerização-de materiais não{11}}metálicos, os lasers-de estado sólido se tornaram o equipamento preferido devido aos seus lasers de-comprimento de onda curto com pequenos efeitos térmicos e alta precisão de processamento. Lasers de estado-sólido são usados ​​principalmente no campo de micro{16}}usinagem de precisão de materiais não{17}}metálicos e materiais finos, frágeis e outros materiais metálicos devido ao seu comprimento de onda curto (ultravioleta, ultravioleta profundo), largura de pulso curta (picossegundo, femtossegundo) e alta potência de pico. Além disso, os lasers-de estado sólido são amplamente usados ​​em-pesquisas científicas de ponta nas áreas de meio ambiente, medicina, militar e assim por diante.

3. Participação de mercado

Nosso país está em processo de transformação e modernização da manufatura, de manufatura de baixo-aquecimento-de alto padrão. A fabricação-de baixo custo representa uma grande proporção. O mercado de-processamento de macro abrange tanto a fabricação-de baixo custo quanto parte da fabricação-de alta qualidade. A demanda do mercado é grande. Portanto, a capacidade de mercado dos lasers de fibra é relativamente grande.

Os lasers de fibra-de baixa potência domésticos são altamente localizados e há muitos fabricantes nacionais-de grande escala. De acordo com o "Relatório de Desenvolvimento da Indústria de Laser da China", os lasers de fibra-de baixa potência foram totalmente substituídos por produtos nacionais; em termos de lasers de fibra contínua de média-potência, a qualidade doméstica não tem desvantagens óbvias, a vantagem de preço é óbvia e a participação de mercado é equivalente; em termos de lasers de fibra contínua de alta-potência, as marcas nacionais alcançaram vendas parciais.

Quanto aos lasers sólidos, devido ao desenvolvimento tardio na China, atualmente não existem empresas listadas com este produto como principal negócio, e geralmente compram marcas estrangeiras.

Os lasers de fibra são usados ​​​​principalmente no campo de macroprocessamento devido ao seu alto poder de saída (o macroprocessamento a laser geralmente se refere ao processamento do tamanho e forma do objeto de processamento com a influência do feixe de laser no nível milimétrico); lasers sólidos são amplamente utilizados no campo de microprocessamento devido às suas vantagens, como comprimento de onda curto, largura de pulso estreita e alta potência de pico (microprocessamento geralmente se refere ao processamento do tamanho e forma com precisão atingindo o nível do micrômetro ou mesmo do nanômetro), resultando em certas diferenças entre os usuários de lasers sólidos e lasers de fibra.

Em geral, os lasers sólidos e os lasers de fibra têm seus próprios campos de aplicação. Não há competição direta entre os dois na maioria dos campos. Na área de processamento de materiais metálicos que se sobrepõe à área de microprocessamento, quando o metal atinge uma determinada espessura, esta área geralmente adota métodos tradicionais ou lasers de fibra por questões de custo. Lasers sólidos são usados ​​apenas em cenas com espessura fina de metal ou altos requisitos de processamento e insensíveis ao custo. Além disso, a sobreposição de concorrência entre os dois é baixa. Os lasers sólidos são usados ​​principalmente para o processamento de materiais não metálicos (vidro, cerâmica, plásticos, polímeros, embalagens, outros materiais frágeis, etc.) e, no campo de materiais metálicos, são usados ​​em cenas com requisitos de alta precisão e relativamente insensíveis ao custo.

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