تصفح الكمية:376 الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2019-01-18 المنشأ:محرر الموقع
لقد أحدث ظهور صمامات الليزر الثنائية الموثوقة ثورة في تكنولوجيا ليزر الحالة الصلبة عالي الطاقة بعدة طرق.الفكرة الأصلية، والتي هي تقريبًا قديمة قدم ليزر الصمام الثنائي وأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة التي يتم ضخها بصريًا، ومن بينها وقد قاد آخرون تطوير صمامات ثنائية ليزر عالية الطاقة، أي استخدامها كمصدر مضخة لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة، وقد أصبح حقيقة واقعة في نهاية القرن: تتوفر في السوق أجهزة ليزر قضيبية يتم ضخها بالديود في نطاق كيلووات. مكان كمنتجات صناعية.ومع ذلك، أبعد من ذلك في هذه الأثناء ظهرت ليزرات الحالة الصلبة الجديدة التي يتم ضخها بواسطة الصمام الثنائي، والتي ليس لها نظير تقليدي، أي نظير مضخوخ بالمصباح.مثل أنواع الليزر، والتي هي حصرا (أو على الأقل ويفضل أن يكون ذلك بكفاءة فقط) ممكنًا عن طريق استخدام ثنائيات الليزر كمصدر للمضخة، على سبيل المثال ليزر القرص وليزر الألياف، اللذين يدخلان الآن سوق معالجة المواد.وعلاوة على ذلك، فإن تكنولوجيا الليزر ديود نفسها لديها تم تطويره إلى درجة عالية من الطاقة والجودة، بحيث يمكن استخدام ليزر الصمام الثنائي المباشر لمعالجة المواد.
لقد تم إثبات تأثير الليزر على ثنائيات الليزر GaAs أو GaAsP في درجات الحرارة المبردة في وقت مبكر من عام 196214. ما بدأ كفضول فيزيائي كأساس لأشعة الليزر باهظة الثمن ذات عمر افتراضي قصير للغاية، أصبح في الوقت الحاضر أساس لمصادر ليزر طويلة الأمد ورخيصة جدًا تغطي أكبر سوق لمصادر الليزر، بحجم 3,10 مليون ميو.دولار أمريكي في عام 200615: ترتبط حصة الأسد من سوق ليزر الصمام الثنائي اليوم بتطبيقات الطاقة المنخفضة إلى حد ما في الاتصالات السلكية واللاسلكية والتخزين البصري، ولكن لهذه التكنولوجيا أيضًا تأثير قوي جدًا على معالجة المواد باستخدام أشعة الليزر عالية الطاقة.التحقيق الدقيق في الهياكل البلورية، والفهم التفصيلي لآليات الفشل و وقد أدى التحسن الكبير في عمليات التصنيع إلى هذا النجاح.ومع ذلك، حتى لو كانت مفاهيم التبريد المتطورة تسمح بزيادة الطاقة بما يتجاوز متطلبات الاتصالات، فإن انبعاث باعث واحد لا يزال قائمًا يقتصر على عدد قليل من واط (في عمر معقول).ولذلك، يتم دمج عدة بواعث في عنصر واحد متجانس يسمى شريط الليزر، والذي يتم بعد ذلك تركيبه على المشتت الحراري ذو القناة الصغيرة للتبريد الفعال؛ما يصل إلى 120 واط هي أ قوة نموذجية للشريط التجاري، ولكن تم الإبلاغ عن أكثر من 500 واط من التجارب المعملية مؤخرًا .تُستخدم العدسات الدقيقة الأسطوانية شبه الكروية لتجميع الشعاع المتباين للغاية.لكن التألق محدود بسبب القيود المفروضة على جودة الشعاع للبواعث الفردية وخاصة بسبب اقترانها غير المتماسك .
الشكل الأصلي والذي لا يزال يستخدم في الغالب للوسط النشط في ليزر الحالة الصلبة عالي الطاقة (Nd:YAG) هو القضيب الأسطواني؛في الليزر عالي الطاقة عادةً ما يكون قطر هذا القضيب من 4 إلى 8 ملم، وطوله من 150 إلى 200 ملم و يتم تنفيذ الإثارة بواسطة مصابيح قوس الكريبتون.حتى لو كان هذا النوع من ليزر الحالة الصلبة هو أبرز ليزر الحالة الصلبة خلال السنوات الماضية، إلا أنه يحتوي على عيبين متأصلين في النظام: أولاً، العمر الافتراضي لقوس الكريبتون المصابيح قصيرة نوعًا ما - عدة مئات من الساعات فقط - وبالتالي تحتاج إلى استبدال متكرر.ثانيًا، والأكثر خطورة، هو أن جزءًا صغيرًا جدًا من الضوء الناتج عن مصابيح قوس الكريبتون يستخدم فعليًا لضخ الطاقة. عملية الليزروالباقي يولد الحرارة وبالتالي يهدر الطاقة ويسبب مشاكل، وخاصة خلق تأثير العدسة الحرارية.عن طريق ضخ الصمام الثنائي يمكن التخلص من هذه المشاكل: توفر الثنائيات الليزرية عمرًا طويلًا يزيد عن 10000 ساعة وطول موجة انبعاثها يمكن مطابقته تمامًا لذروة الامتصاص للمادة الفعالة، 808 نانومتر في حالة بلورة Nd:YAG.يسمح الحمل الحراري المنخفض للبلورة بإخراج طاقة أعلى لقضيب واحد أيضًا فهو يوفر أفضل جودة الشعاع: عادة، يتم تحديد أشعة الليزر القضيبية التي يتم ضخها بواسطة الصمام الثنائي في نطاق (متعدد) كيلووات مع منتج معلمة الشعاع ج) يبلغ 飞12 مم mrad، في حين تظهر أشعة الليزر القضيبية التي يتم ضخها بالمصباح حوالي 25 مم mrad.لذلك، أقطار الألياف أصغر (عادة 300 ميكرومتر) يمكن استخدامها.علاوة على ذلك، تتميز أجهزة الليزر هذه بكفاءة سدادة حائط تبلغ 10%، مقارنة بحوالي 3% لأجهزة ضخ المصابيح.يظهر في الشكل 15 ليزر قضيبي نموذجي عالي الطاقة يتم ضخه بالديود. هذا الليزر هو الطراز الأعلى في السلسلة من 500 واط إلى 4 كيلو واط ومجهز بثماني غرف ليزر.
إلى جانب حقيقة أن التطبيقات الموجودة بالفعل مثل قطع ولحام الفولاذ الطري والفولاذ المقاوم للصدأ يمكن توسيعها لتشمل سماكة مادة أكبر أو سرعة أعلى، وزيادة كثافة الطاقة، والتي يمكن الوصول إليها من خلال أدى ليزر Nd:YAG الذي يتم ضخه بالديود أيضًا إلى القدرة على قطع ولحام المواد، والتي كان من الصعب الوصول إليها من قبل، على سبيل المثال سبائك الألومنيوم بشكل خاص.وهذا ما يظهر في الشكل 16 حيث منحنيات اللحام لـ AlMg3 (5457) باستخدام ليزر ROFIN DP 040 (انظر الشكل 15) يتم تقديمه.
الشكل 15: ROFIN DP040HP - ضخ الصمام الثنائي ليزر قضيبي بقدرة خرج 4 كيلو واط الشكل 16: منحنيات اللحام للحام AlMg3 بسماكة 8 مم باستخدام ليزر Nd:YAG الذي يتم ضخه بقوة 4 كيلو وات
كنموذج أولي مختبري يعتمد على سلسلة ROFIN DP الموصوفة أعلاه، يتم ضخ ليزر Nd:YAG من النوع القضيبي بقدرة خرج قصوى.تم تحقيق 8 كيلوواط بالتعاون مع معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر في آخن، ألمانيا.الهدف من المشروع هو اكتساب فهم أفضل لمعالجة المواد عالية الطاقة في نطاق الطول الموجي 1 ميكرومتر.تم تسليم إشعاع الليزر بقدرة 8 كيلو واط إلى محطات العمل بواسطة ألياف يبلغ قطرها الأساسي 600 ميكرومتر وطول يصل إلى 50 مترًا.
تم إجراء قطع الفولاذ المقاوم للصدأ للمواد التي يتراوح سمكها بين 4 و10 ملم.السرعة القصوى التي يمكن الوصول إليها للقطع الخالية من الأكسيد هي 2.5 م/دقيقة؛للوصول إلى هذه السرعة باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون بنسبة أعلى بحوالي 20% الطاقة مطلوبة على الرغم من جودة الشعاع الفائقة19.تجارب اللحام لديها تم إجراؤها على الفولاذ المقاوم للصدأ ومواد الفولاذ الطري التي يتراوح سمكها بين 6 و 10 مم.تم التعرف على عمود بخار قوي بشكل غير متوقع أثناء اللحام في هذه التجارب.يمكن قمع عمود بشكل كاف لا يمكن الوصول إليها عن طريق الفوهات القياسية التقليدية دون إزعاج حوض اللحام.وبالتالي، كان التحدي المهم هو تطوير فوهة خاصة، يمكنها بشكل فعال قمع العمود من ناحية ولكن تترك حوض اللحام دون إزعاج من جهة أخرى.لقد ثبت أن تصميم الفوهة الجديد الناجح قد نجح في حل المشكلة: يوضح الشكل 17 نتائج اللحام الفعلية للفولاذ الطري والفولاذ المقاوم للصدأ.مزيد من التحقيقات في عمود البخار، وخاصة التفاعلبين العمود، يجب أن يكون إشعاع الليزر وتدفق غاز العملية مزيد من التحقيق وفتح إمكانات ليزر الحالة الصلبة عالية الطاقة بشكل أكبر.
الشكل 17: اللحام بالحالة الصلبة بقدرة 8 كيلو وات
بفضل تطبيق خاص، وهو إزالة التلوث الورقي من مسارات السكك الحديدية، تم تطوير ليزر Q-switched Nd:YAG عالي الطاقة (ROFIN DQx80S).يؤدي تلوث الأوراق إلى مشكلتين رئيسيتين تؤثران سلامة نظام القطار: انخفاض التصاق العجلات مما يسبب مشاكل في الكسر والتسارع والتداخل مع دوائر المسار الكهربائية المتعلقة بالسلامة.لقد وجد أن الاستئصال بالليزر هو العملية المفضلة بالنسبة ل إزالة فعالة لهذه الطبقة.كما هو معروف، يحتاج الاستئصال بالليزر إلى نبضات قصيرة في حدود عدة نانو ثانية.وهكذا، تم استخدام ليزر الإكسيمر بشكل رئيسي حتى الآن؛ومع ذلك، يجب أن تكون أنظمة الليزر لهذا التطبيق في القطارات، تم استبعاد أشعة الليزر الإكسيمرية من بين أشياء أخرى لاعتبارات السلامة.تم طلب متوسط طاقة يبلغ حوالي 1 كيلووات نظرًا لأن متوسط الطاقة يحدد معدل إزالة المادة الملوثة والحد الأدنى لمتوسط القطار ويجب الوصول إلى سرعة حوالي 70 كم/ساعة للاستخدام الاقتصادي لهذه الطريقة.استنادًا إلى تصميم ليزر قضيب الضخ الثنائي الموضح أعلاه، تم تحقيق وحدة Q-switched Nd:YAG والتي توفر طاقة متوسطة تبلغ 800 واط في وضع Q-switch في نبضات تبلغ حوالي 38 نانو ثانية وبمعدل تكرار من 6 إلى ما يصل إلى 15 كيلو هرتز.يتم توصيل الطاقة من خلال ألياف يبلغ طولها 800 ميكرومتر إلى رأس عمل خاص، والذي يشكل بؤرة خطية بعرض المسار وطوله،بروك.من SPIE المجلد.6735 67350T-7 مما يضمن تداخل النبضات حتى عند أعلى سرعة للقطار لإجراء التنظيف الكامل للمسارات؛يتم تركيب رؤوس العمل أسفل عربة 'قطار التنظيف'.تم اختبار النظام بنجاح ويفي بالمواصفات الفنية والمتطلبات الاقتصادية.الليزر الموصوف هنا هو على حد علمنا أقوى ليزر تجاري متوفر بتقنية Q-switched.قد تظهر التطبيقات في مجال تجريد الطلاء، وتنظيف الأسطح، والهيكلة عالية السرعة، وخاصة بالنسبة للخلايا الشمسية وغيرها.
في ليزرات الحالة الصلبة التي يتم ضخها طوليًا (أو نهائيًا)، يتم توفير إشعاع المضخة على طول المرنان البصري من خلال المرآة النهائية لليزر.بالطبع، الضخ في هذه الهندسة ممكن فقط إذا كانت جودة شعاع المضخة المصدر جيد بما فيه الكفاية بحيث يمكن ربط ضوء المضخة بكفاءة بقضيب الليزر.وبالتالي، فإن هذا المفهوم ممكن فقط مع ضخ الليزر (الصمام الثنائي)؛يجب إعادة ترتيب الانبعاث المستطيل للغاية لقضبان الصمام الثنائي تتناسب مع الشكل الدائري للقضيب.على عكس مفهوم الضخ الجانبي في مثل هذا التكوين، يمكن مطابقة المنطقة التي يتم ضخها مع حجم وضع الرنان، وبالتالي، يمكن أن يكون مصدر ليزر فعال للغاية بجودة شعاع عالية تتحقق.يؤهل ضخ الصمام الثنائي أيضًا مواد ليزر نشطة أخرى غير كريستال Nd:YAG المعروف جيدًا لليزر: غالبًا ما تستخدم أشعة الليزر ذات الضخ النهائي Nd:YVO4 (Yttrium-Vanadate)، والتي تتمتع من بين أشياء أخرى بنطاق امتصاص أوسع لـ 808 نانومتر إشعاع الثنائيات، وبالتالي، أقل حساسية للتحول في درجة الحرارة أو شيخوخة الثنائيات.جودة الشعاع العالي (الوضع الأساسي) وتكوين الرنان القصير لمفهوم الضخ النهائي بالإضافة إلى المدى القصير عمر مضان Nd: YVO4 يجعل هذا الإعداد مزيجًا مفضلاً لتوليد نبضات Q-switch القصيرة وأيضًا لتحويل التردد.
التطبيقات النموذجية لمثل هذه الليزرات هي في مجال وضع العلامات عالية الدقة والتصنيع عالي الدقة.من الأمثلة النموذجية والممثلة جدًا لتطبيق وضع العلامات على هذا الليزر هو إنشاء البطاقات الذكية الموضحة في الشكل 18: تعمل طاقة ذروة النبض العالية ومعدل التكرار العالي لليزر على تقليل أوقات الطباعة للعديد من التطبيقات.يستخدم ليزر ROFIN لهذا التطبيق برنامجًا مبتكرًا للتدرج الرمادي يسمح بكثافة مختلفة نبضات الليزر الفردية.يتيح التصوير ذو التدرج الرمادي إمكانية تقليل عدد البتات في صورة معينة، مما يؤدي إلى تقصير وقت وضع العلامات بشكل ملحوظ مقارنة بالصور التقليدية بالأبيض والأسود التي توفر تصويرًا عالي الجودة الطباعة.
مثال على إزالة الأغشية الرقيقة هو هيكلة مادة الخلايا الشمسية: يجب أن يتم تنظيم القطب الشفاف، المصنوع عادة من أكسيد الإنديوم والقصدير، في خطوط ذات خطوط فصل ضيقة قدر الإمكان مثل مساحة هذه الخطوط. يتم فقدان الخطوط لتحويل الطاقة وبالتالي التأثير على كفاءة الخلية الشمسية.خطوط بعرض صغير يصل إلى 10 ميكرومتر ويمكن كتابتها بسرعة تصل إلى 1000 مم/ثانية.لتطبيق آخر الإزالة الكاملة للرقيقة مطلوب فيلم على الخلايا الشمسية.يستطيع الليزر أداء هذه المهمة بمعدل 5 سم²/ث.
أحد العوامل المحددة لليزر من النوع القضيبي من حيث جودة الشعاع حتى لو تم استخدام ضخ الصمام الثنائي هو 'تأثير العدسة الحرارية'.إحدى الأفكار التي يجب التحايل عليها تم نشرها في عام 1994 بواسطة A.Giesen et.al.21، الذي اقترح استخدام رقيقة القرص (حوالي 150 إلى 300 ميكرومتر في السمك وقطر حوالي 7 مم) كوسيلة ليزر.يتم تثبيت هذا القرص الرفيع على المشتت الحراري بجانبه الخلفي، وبالتالي يتم تبريده في الاتجاه المحوري، مع تجنب التدرج الحراري الشعاعي.مثل يتم استخدام المادة الفعالة Yb:YAG في هذه الحالة، حيث تسمح هذه المادة، من بين مواد أخرى، بمستويات منشطات أعلى بكثير (تصل إلى 30%) مقارنة بالمنشطات Nd؛تعد مستويات المنشطات العالية مهمة لهذه التقنية مثل الحجم الذي يتم فيه استخلاص ضوء الليزر أصغر بكثير مما كانت عليه في حالة نوع القضيب.يتم الضخ بالطبع باستخدام الثنائيات، التي يتم ضبط الطول الموجي لها على الامتصاص الرئيسي لبلورة Yb:YAG (940 نانومتر)؛حيث لا يمكن امتصاص كل ضوء المضخة في مسار واحد أ يتم تحقيق تكوين المرور المتعدد.علاوة على ذلك، فإن الخلل الكمي في نظام Yb:YAG أصغر بكثير مما هو عليه في حالة Nd:YAG، مما يؤدي إلى مزيد من تقليل الحمل الحراري.لهذه الأسباب، مزيد من التحسن مقارنة من المتوقع أن يتم استخدام ليزر قضيبي يتم ضخه بواسطة الصمام الثنائي، وفي الواقع، يمكن تحقيق 7 مم mrad في إعداد ليزر قرصي نموذجي.في ال وفي نفس الوقت يتم الوصول إلى كفاءة أعلى، والتي تصل إلى 50% من بصري إلى بصري، مما يؤدي إلى كفاءة قابس الحائط بنسبة 20% تقريبًا!
في الوقت الحاضر، يتم تسليم أشعة الليزر القرصية عالية الطاقة من 750 واط (ROFIN DSx75HQ) من قرص واحد بألياف 150 ميكرومتر حتى قوة 3 كيلو واط (ROFIN DS030HQ) من قرصين وألياف 200 ميكرومتر (يستخدم NA = 0.12).منحنيات اللحام لليزر 1.5 كيلو واط و يوضح الشكل 19 قطري تركيز مختلفين (100 ميكرومتر و300 ميكرومتر) للحام الفولاذ المقاوم للصدأ مقارنةً بليزر لوح ثاني أكسيد الكربون (ROFIN DC015، راجع الفصل 2.1).إن ميزة قرص الليزر للمواد الرقيقة واضحة مرئي.
مثال للتطبيق الصناعي هو لحام علبة البطارية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 1.4301 (الشكل 20)؛مع 700 واط وقطر نقطي 100 ميكرومتر، يمكن لحام الجزء بشكل مثالي بسرعة 5 م/دقيقة تحت جو He.
يعد الليزر القرصي أيضًا مناسبًا تمامًا للقطع: تم قطع رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 0.5 مم (4 مم) بقوة 1.5 كيلووات بسرعة 40 م/دقيقة (2 م/دقيقة)؛تم إجراء قطع الفولاذ الطري بمساعدة الأكسجين عند 1 مم و 10 مادة سميكة مم مع 10 م/دقيقة و1 م/دقيقة، على التوالي.
الشكل 19: منحنيات اللحام للحام الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام ليزر قرصي بقدرة 1,5 كيلو وات (DS015) مقارنةً بليزر ثاني أكسيد الكربون من النوع اللوحي (ROFIN DC015): من الواضح أن ميزة الليزر القرصي للمواد الرقيقة.بواسطة تأثيرات البلازما، فإن ثاني أكسيد الكربون الليزر مفيد للمواد السميكة.
الشكل 20: علبة البطارية (1.4301) ملحومة باستخدام قرص ليزر رفيع بقدرة 750 وات (ROFIN DSx75HQ) حجم البقعة 100 ميكرومتر، سرعة اللحام 5 م/دقيقة
مستمدة من الإعداد الراسخ لتطبيقات وضع العلامات، تسمح جودة الشعاع العالي لليزر القرصي بتحديد موضع الشعاع عالي السرعة من خلال نظام مكون من مرآتين كلفانيتين (الشكل 21، اليسار).خاص يسمى 'المجال المسطح'. توفر العدسة' التركيز في مستوى عمل مسطح، بغض النظر عن الموضع. إن توصيل الشعاع بواسطة ألياف بصرية بقطر أساسي نموذجي يتراوح من 150 إلى 200 ميكرومتر يجعل من السهل دمج وحدة انحراف الشعاع هذه مع الروبوت كما هو موضح في الشكل 21 (يمين).
يؤدي هذا الإعداد إلى أداة مرنة للغاية: بينما يقوم الروبوت بحركة سلسة لرأس المسح متبعًا الاتجاه الرئيسي للدرزة، تقوم المرايا الجلفانية بتحويل الشعاع إلى موضعه الدقيق، مما يؤدي بشكل مستقيم غرز أو دوائر أو أمواج أو أي شكل آخر مرغوب فيه.على سبيل المثال، إذا كانت هناك حاجة فقط إلى غرز مستقيمة بطول لحام 50% وفترات زمنية 50% للحام، فإن حركة العارضة بسرعة ثابتة ستؤدي إلى 50% استخدام الليزر.من خلال تنفيذ نظام لحام الماسح الضوئي الآلي، يمكن مضاعفة سرعة (حركة الروبوت) تقريبًا حيث يمكن للماسح الضوئي توجيه البقعة على فترات زمنية بسرعة كبيرة (أي في نطاق المللي ثانية).
وبالتالي، يعد هذا الإعداد إمكانية مثيرة جدًا للاهتمام للحام الجسم باللون الأبيض، على سبيل المثال، ليحل محل اللحام النقطي الكهربائي.
الشكل 21: على اليسار: رسم تخطيطي لنظام مرآة كلفاني مع عدسة مجال مسطحة لتحديد موضع الشعاع السريع.على اليمين: تركيبة مع روبوت ليزر الألياف
والاحتمال الآخر لتجنب تأثير العدسة الحرارية هو تقليل القطر وزيادة طول القضيب، بحيث يتحول الوسط النشط في النهاية إلى ألياف بصرية وحتى التبريد الشعاعي لا يسبب التدرج الحراري على المقطع العرضي للألياف.في الواقع، يمكن أن يكون قطر النواة النشطة رفيعًا للغاية، بحيث يتم تضخيم وضع واحد فقط، وبالتالي، يمكن توليد إشعاع أحادي الوضع عالي الجودة.الضخ هو يتم إجراؤه عادةً عن طريق استخدام ما يسمى بالألياف ذات الغلاف المزدوج: يقترن ضوء المضخة بالكسوة الداخلية المحيطة بنواة الألياف النشطة ويتم امتصاصها على التوالي من قلب الألياف النشطة على طول كامل الفيبر.هناك نوعان عامان بروك.من SPIE المجلد.6735 67350T-9 إمكانيات اقتران ضوء المضخة في قلب المضخة: (أ) مفهوم الضخ النهائي، الذي يتطلب كومة صمام ثنائي بجودة شعاع عالية إلى حد ما لتناسب كسوة المضخة من الألياف، و (ب) ' Y'-اقتران التكوين، الذي يحتاج إلى عدد كبير من الثنائيات المقترنة بالألياف، والتي يجب تغذيتها في قلب المضخة بطرق معقدة إلى حد ما،على سبيل المثال، ربط الألياف أو شبكات Bragg.
من خلال كثافة الطاقة القصوى في النواة النشطة في الألياف، تكون الطاقة التي يمكن استخلاصها من ليف واحد (وليس بالضرورة وضعًا فرديًا!) محدودة.في الأنظمة التجارية، يصل هذا الحد إلى حوالي 800 واط في الوقت الحالي حيود محدود بحوالي 1 إلى 2 مرة من جودة الشعاع، في حين تم إثبات 3 كيلووات في المختبر، مع حزمة ''حيود محدود تقريبًا''.يتم إجراء قياس الطاقة من خلال مجموعة 'جنبًا إلى جنب' من عدة ألياف وبالتالي، يصاحب ذلك فقدان جودة الشعاع.
إن ليزر الألياف في نطاق الطاقة العالية في مرحلة التقييم للتطبيقات الصناعية في الوقت الحالي.إنها توفر تقنية ذات إمكانات عالية، إذا كان من الممكن تصنيعها بتكاليف معقولة ويمكنها توفير نفس الشيء الأداء مثل قرص الليزر، وخاصة في نطاق الطاقة العالية.يعد التطبيق البارز لهذه الليزرات بسبب جودة شعاعها الفائقة في نطاق الطاقة المنخفض أمرًا مميزًا؛يوضح الشكل 22 نظام وضع العلامات بالليزر الليفي باستخدام جالفو الماسح الضوئي أمام ألياف الليزر.
بدلاً من استخدام ليزر الصمام الثنائي لضخ أشعة ليزر الحالة الصلبة عالية الطاقة، يمكن استخدامه أيضًا للمعالجة المباشرة.تتميز هذه الوحدات بحجم صغير جدًا حتى عند الطاقة العالية: رأس الليزر بقدرة 3 كيلووات الموضح في الشكل 23 صغير جدًا 555 (بما في ذلك الأنبوب البصري) × 260 × 200 [مم] والوزن 25 كجم فقط.سيتم إضافة وحدة تحكم ومبرد بحجم حوالي 600 × 800 × 1000 [مم] لكل منهما لإكمال نظام الليزر بأكمله.ليزر ديود عالي الطاقة, ومع ذلك، لا يمكن توفير جودة شعاع عالية مثل أشعة الليزر التي يتم ضخها بالديود الموصوفة أعلاه.وهذا نتيجة للاقتران غير المتماسك للبواعث الفردية لأشرطة الليزر ذات الصمام الثنائي .مع زيادة القوة P جودة الشعاع ينخفض بمقدار عامل ،/P طالما ظل تألق الباعثات الفردية دون تغيير.يتم استخدام اقتران الاستقطاب واقتران الطول الموجي تحسين الوضع 16، 18: عادةً ما تكون أشعة الليزر ذات الصمام الثنائي عالية الطاقة
الشكل 23: رأس ليزر ديود عالي الطاقة،3.1 كيلو واط (روفين DL031Q) غير مستقطبة وتصدر بطولين أو ثلاثة أطوال موجية.وتكون البقعة مستطيلة (1,3 × 0,8 [مم] عند طول بؤري قدره 66 مم لنظام 3 kW الموضح في الشكل 23 مع شكل جانبي للقبعة العلوية في اتجاه واحد وجاوسي في الاتجاه الآخر.
ونتيجة لضعف جودة الشعاع إلى حد ما في نطاق الطاقة العالية، فإن تطبيقات الليزر التقليدية مثل القطع واللحام عالي السرعة والاختراق العميق ليست مفتوحة حقًا كسوق لليزر الثنائي عالي الطاقة (انظر الفصل 4، الشكل 27).ومع ذلك، يوضح الشكل أيضًا أن هناك تطبيقات ذات إمكانات عالية لليزر ديود عالي الطاقة: بعض التطبيقات المناسبة لليزر ديود عالي الطاقة تم عرضها منذ سنوات مضت باستخدام Nd:YAG أو CO2 الليزر، ولكن لم تتمكن من اختراق التصنيع الصناعي باستخدام هذه الليزرات لأسباب تكنولوجية أو لأسباب تتعلق بالتكلفة بشكل رئيسي.إن تكاليف الاستثمار في أنظمة ليزر ديود عالية الطاقة اليوم أقل بكثير من تكاليف Nd:YAG، الليزر القرصي أو الليزري الليفي، بينما ينبعث بنفس الطول الموجي تقريبًا أو أقصر قليلاً؛تكاليف التشغيل أقل بكثير من تكاليف أجهزة الليزر الأخرى بسبب كفاءتها العالية (عادةً ما تكون كفاءة قابس الحائط في النطاق أو حتى أعلى من 30٪) وبما أنها تقريبًا خالية من الخدمة على مدار العمر الطويل للثنائيات.من المتوقع حدوث مزيد من التخفيض في تكاليف التشغيل مع زيادة عمر قضبان ليزر الصمام الثنائي، نظرًا لحسابات التكلفة البسيطة تبين أنه بالإضافة إلى انخفاض القيمة، فإن استبدال الثنائيات يخلق نصيب الأسد من تكاليف التشغيل.وأخيرًا وليس آخرًا، فإن الحجم الصغير ليس فقط لرأس الليزر الثنائي، بل - استنادًا إلى الطاقة الكهربائية العالية إلى الضوئية الكفاءة - أيضًا لإمدادات الطاقة والمبرد، تجعلها أداة جذابة للغاية للعديد من تلك التطبيقات، حيث لا تكون جودة شعاع الليزر التقليدي ضرورية.
أدت إمكانية إنتاج طبقات لحام مثالية بصريًا في عملية اللحام بالتوصيل الحراري إلى أول تطبيق صناعي لأشعة الليزر ذات الصمام الثنائي عالي الطاقة، وهو لحام أحواض المطبخ.المقطع العرضي من خلال اللحام هو كما هو موضح في الشكل 24. إن استخدام ليزر الصمام الثنائي بدلاً من لحام TIG التقليدي قد سمح بتقليل كبير في العمل اللاحق: التلميع فقط ضروري، ولكن لا يوجد أي طحن أو إصلاح تقريبًا!أدت هذه الحقيقة إلى فائدة من حيث التكلفة، حتى لو كان يعد الاستثمار في ليزر ديود بقدرة 2,5 كيلووات أعلى من استثمار آلة لحام TIG24.
أصبح اللحام بالنحاس أكثر فأكثر تقنية ربط جذابة في تصنيع هياكل السيارات وكذلك في إغلاق أغلفة درع الترددات اللاسلكية الضيقة للمكونات الإلكترونية.وقد أظهرت التجارب في مختبرات تطبيق ROFIN-SINAR اللحام الناجح للفولاذ المطلي بالزنك (0.9 مم) باستخدام اللحام الصلب CuSi الذي يتم تغذيته كسلك قطره 1 مم.أدت التجارب إلى طبقات ناعمة جدًا (الشكل 25).كانت سرعة اللحام 2-4 م/دقيقة بقدرة 2.5 كيلو وات، لكن هذا يعتمد بشدة على المتطلبات الفردية لملء الفجوة بمادة اللحام الصلبة.يمكن الحصول على نفس النتائج على الأقل كما هو الحال مع ليزر Nd:YAG باستخدام ليزر ديود عالي الطاقة، ولكن بتكاليف أقل بكثير!
نظرًا لشكله المستطيل، مع شكل القبعة العلوية في اتجاه واحد وشكل غاوسي كما هو الحال في الاتجاه الآخر، فإن شعاع الليزر ذو الصمام الثنائي عالي الطاقة مناسب بشكل خاص لتطبيقات تصلب الأسطح.بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع ثاني أكسيد الكربون الليزر: الطول الموجي المنبعث لهذه الليزرات قصير، مما يؤدي إلى امتصاص أعلى وبالتالي ينفي ضرورة أي طلاء لتعزيز الامتصاص.الكفاءة الأعلى لليزر الثنائي مع المزايا المذكورة أعلاه، تجعل ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة أداة فعالة للغاية وموثوقة وفعالة من حيث التكلفة للتصلب.أحد الأمثلة البارزة جدًا لتطبيقات التصنيع لأشعة الليزر ذات الصمام الثنائي عالي الطاقة هو تصلب نوابض الالتواء التي تستخدم في مفصلات أبواب السيارة (الشكل 26).لا يوفر ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة هندسة شعاع مثالية وتوزيعًا للكثافة فحسب، ولكنه أيضًا الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة للتحويل تصلب.نابض الالتواء بقطر 8 مم، كما هو موضح في الشكل 26 يجب أن يتم تصليبه بزاوية أكبر من 170 درجة، على طول كاليفورنيا.10 ملم وعلى عمق 0,2 إلى 0,4 ملم في المنطقة المحددة لتقليل تآكل الزنبرك بواسطة بكرات التثبيت التي تحافظ على الباب في وضع معين.في الإعداد الذي يستخدم اثنين من الليزر تحت زاوية حوالي إدراج: مقطع عرضي من الربيع: منطقة تصلب 120 درجة، يمكن تقوية هذه الهندسة بشكل متجانس، إذا قام الليزر بمسح طول 10 مم.ويضمن التحكم النشط في العملية، والذي يستخدم اثنين من البيرومترات لتسجيل درجة الحرارة، جودة العملية لكل جزء على حدة.
يتم حاليًا التحقيق في استخدام الكسوة باستخدام ليزر ديود عالي الطاقة، نظرًا لأن كثافات الطاقة العالية ليست ضرورية أيضًا لتطبيق الليزر هذا، والذي يتم إجراؤه أيضًا باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون أو ليزر Nd:YAG اليوم؛ومع ذلك، فإن التغذية بالمسحوق تحتاج إلى بعض الأمور مسافة العمل وبالتالي الحصول على جودة شعاع معينة، ولكن يمكن تحقيق ذلك بواسطة أحدث أجهزة ليزر الصمام الثنائي.
علاوة على ذلك، فإن ليزر الصمام الثنائي هو الأداة المثالية للحام البوليمر بالليزر، والتي تم وصفها بالتفصيل في elsevere26، 27.
مقارنة قصيرة بين تقنيات الليزر المختلفة
القرار النهائي بشأن نوع الليزر الذي يجب اختياره لتطبيق معين يعتمد على جوانب عديدة.بالطبع، أولاً يجب توضيح دراسة الجدوى، أي نوع ليزر أفضل للحصول على النتيجة المرجوة.ومع ذلك، تصنيف نموذجي كما اقترح P. Loosen28، يمكن أن يوفر تلميحًا لتقنية الليزر المناسبة (الشكل 27)، فضلاً عن أنه يسمح بمقارنة أفضل جودة شعاع يمكن تحقيقها لكل نوع ليزر.
الشكل 27: منتج معلمة الشعاع مقابل طاقة الليزر للعديد من أنواع الليزر والأنظمة النموذجية للتطبيقات الصناعية28
إن التطبيقات الأكثر أهمية تقليديًا، والتي توفر أكبر قدر من السوق (انظر الفصل 1)، وهي القطع واللحام، تتطلب أيضًا أفضل جودة للشعاع.يمكن الوصول إلى جودة الشعاع هذه بواسطة ليزر ثاني أكسيد الكربون وبواسطة الصمام الثنائي ضخ ليزر الحالة الصلبة.يمكن أيضًا إجراء اللحام بواسطة مصباح ليزر YAG الذي يتم ضخه كما هو موضح في العديد من التطبيقات في الصناعة.ومع ذلك لا بد من الإشارة هنا إلى أن ليزر ثاني أكسيد الكربون، وخاصة في تكوين البلاطة (انظر الفصل 2.1) لا يزال يقدم أرخص الفوتونات لتطبيقات معالجة المواد وأيضًا أفضل جودة للشعاع، أي أفضل قابلية للتركيز في نطاق الطاقة متعدد كيلوواط.'تكلفة الملكية' الاقتصادية - الاعتبارات، بما في ذلك تأثير كل تقنية على تكاليف الأجزاء، سيتم أخذ ذلك في الاعتبار، إذا أثبتت التجارب أن أجهزة الليزر المختلفة يمكنها أداء العمل بشكل متساوٍ.يوضح الرسم التوضيحي في الشكل 27 أيضًا أنه على الرغم من انخفاض الشعاع يمكن أن يكون ليزر الصمام الثنائي عالي الجودة مصدرًا جذابًا للفوتون للعديد من تطبيقات الليزر بسبب كفاءته العالية التي تبلغ حوالي 30%.ويقترب ليزر القرص والألياف من ذلك بحوالي 20%، بينما يستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون حوالي 10%. من الطاقة المستهلكة في إخراج شعاع الليزر النهائي.
على مدار فترة طويلة، سيطر ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون على منطقة معالجة المواد عالية الطاقة ولا يزال يحتفظ بأكبر حصة سوقية (41,1%) في سوق معالجة المواد بالليزر4 (1,69 مليار دولار أمريكي لمصادر الليزر).بواسطة ظهور ثنائيات ليزر موثوقة وقوية كمصدر مضخة لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة، وقد تغيرت هذه الصورة قليلاً وتلحق أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة بالركب كل عام؛ومع ذلك، في عام 2006 لا يزال أعلى كمية من الحالة الصلبة تمت تغطية أشعة الليزر من أنظمة ضخ المصابيح (20,4%)، يليها ليزر الألياف (8,5%، زيادة من 6% في عام 2005) وأنظمة ضخ الصمام الثنائي (قضيب/قرص) (6,4%).لا يزال ليزر الصمام الثنائي المباشر يغطي 1٪ فقط من السوق.من المتوقع ان سوف ينمو الليزر القرصي وكذلك ليزر الألياف، بشكل أساسي على حساب وحدات ضخ المصابيح؛ستستفيد التطبيقات ثلاثية الأبعاد والبعيدة بالطبع من جودة شعاع الليزر المحسنة وستوفر فرصًا جديدة.عالي تعمل أشعة الليزر ذات الصمام الثنائي على تغذية مجالات مثل المعالجة السطحية واللحام بالتوصيل الحراري في الوقت الحالي؛وبالتالي، فإن ليزرات الصمام الثنائي عالية الطاقة تتنافس مع التقنيات التقليدية أكثر من أجهزة الليزر الأخرى.لكن ليزر ثاني أكسيد الكربون سيفعل ذلك تظل بمثابة حصان العمل لتطبيقات معالجة المواد بالليزر على مدى السنوات القادمة، وخاصة لجميع المهام ثنائية الأبعاد.
العربية
Pусский
