Τι είναι τα λέιζερ μπλε ημιαγωγών υψηλής ισχύος;

οΜπλε ημιαγωγών λέιζερ φωτεινότητας και υψηλής ισχύοςβελτιώνονται συνεχώς σε νέα όρια, τα οποία θα οδηγήσουν επίσης σε περισσότερες και ευρύτερες εφαρμογές. Εκτός από την αποτελεσματική επεξεργασία μεταλλικών υλικών, τα μπλε λέιζερ ημιαγωγών αναμένουν διατομεακές εφαρμογές, ιδίως ο τομέας της μηχανολογίας θα επιτρέψει την επεξεργασία υλικού λέιζερ με μπλε φως υποβρύχια. Για την κατασκευή, αυτό είναι φυσικά ένα τεράστιο πλεονέκτημα. Επιπλέον, η βιομηχανία φωτισμού μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει τεχνολογία φωτισμού υψηλής ποιότητας που βασίζεται σε μπλε λέιζερ ημιαγωγών.

1. Περιορισμοί λέιζερ υψηλής ισχύος σε μήκη κύματος κοντά στο υπέρυθρο

Τις τελευταίες δεκαετίες, τα λέιζερ CW υψηλής ισχύος έχουν γίνει ένα κοινό εργαλείο στη σύγχρονη κατασκευή, καλύπτοντας εφαρμογές όπως η συγκόλληση, η επένδυση, η επεξεργασία επιφανειών, η σκλήρυνση, η συγκόλληση, η κοπή, η τρισδιάστατη εκτύπωση και η κατασκευή προσθέτων. Η πρώτη αιχμή ανάπτυξης της τεχνολογίας συνεχούς λέιζερ υψηλής ισχύος εμφανίστηκε πριν από το 2000, όταν αναπτύχθηκε ένα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα (CO2) υψηλής ισχύος μήκους κύματος 10,6 μm και ένα λέιζερ στερεάς κατάστασης Nd:YAG με ημιαγωγό μήκους κύματος σχεδόν υπέρυθρης ακτινοβολίας 1064 nm. Ωστόσο, λόγω του μήκους κύματός τους, τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα είναι δύσκολο να μεταδοθούν μέσω οπτικών ινών, γεγονός που δημιουργεί ορισμένες δυσκολίες για βιομηχανικές εφαρμογές. ενώ τα λέιζερ στερεάς κατάστασης περιορίζονται από τη φωτεινότητα και τις δυνατότητες ενίσχυσης ισχύος. Μετά το 2000, τα λέιζερ βιομηχανικών ινών υψηλής ισχύος άρχισαν να εμφανίζονται ως λύσεις για λέιζερ υψηλής φωτεινότητας, υψηλής ισχύος που θα μπορούσαν να παραδοθούν μέσω οπτικών ινών. Σήμερα, τα λέιζερ ινών έχουν αντικαταστήσει τα λέιζερ CO2 στη συντριπτική πλειονότητα των εφαρμογών και έχουν χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές επεξεργασίας. Ειδικά τα τελευταία χρόνια έχει γίνει η κύρια δύναμη των βιομηχανικών λέιζερ, όπως η συγκόλληση και η κοπή με λέιζερ, που έχει μεγαλύτερη ταχύτητα, απόδοση και αξιοπιστία από τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα.

Ωστόσο, αυτά τα λέιζερ ινών υψηλής ισχύος CW λειτουργούν συνήθως σε μήκη κύματος κοντά στο υπέρυθρο (NIR), εντός 1 μm, κάτι που είναι καλό για πολλές εφαρμογές. Για παράδειγμα, είναι κατάλληλο για την επεξεργασία χάλυβα με ποσοστό απορρόφησης άνω του 50 τοις εκατό, αλλά είναι περιορισμένο επειδή ορισμένα μέταλλα αντανακλούν το 90 τοις εκατό ή περισσότερο της ακτινοβολίας λέιζερ κοντά στο υπέρυθρο που προσπίπτει στις επιφάνειές τους. Ειδικά η συγκόλληση κίτρινων μετάλλων όπως ο χαλκός και ο χρυσός με λέιζερ κοντά στο υπέρυθρο, λόγω του χαμηλού ρυθμού απορρόφησης, αυτό σημαίνει ότι απαιτείται μεγάλη ισχύς λέιζερ για να ξεκινήσει η διαδικασία συγκόλλησης. Υπάρχουν γενικά δύο διαδικασίες συγκόλλησης με λέιζερ: η συγκόλληση με τρόπο αγωγιμότητας (όπου το υλικό απλά λιώνει και ξαναρέει) και η συγκόλληση με τρόπο βαθιάς διείσδυσης (όπου το λέιζερ εξατμίζει το μέταλλο και η πίεση ατμών σχηματίζει μια κοιλότητα ή μια κλειδαρότρυπα). Η συγκόλληση σε λειτουργία βαθιάς διείσδυσης έχει ως αποτέλεσμα μια δέσμη λέιζερ υψηλής απορρόφησης λόγω των πολλαπλών αλληλεπιδράσεων που έχει η δέσμη λέιζερ με το μέταλλο και τους ατμούς μετάλλων καθώς ταξιδεύει μέσω του υλικού. Ωστόσο, η ενεργοποίηση της κλειδαρότρυπας με λέιζερ σχεδόν υπέρυθρης ακτινοβολίας απαιτεί σημαντική πρόσπτωση λέιζερ, ειδικά εάν το υλικό που συγκολλάται είναι πολύ ανακλαστικό. Και μόλις σχηματιστεί η κλειδαρότρυπα, ο ρυθμός απορρόφησης θα αυξηθεί απότομα και η υψηλή πίεση ατμών μετάλλου που δημιουργείται από το υψηλής ισχύος λέιζερ κοντά στο υπέρυθρο στη λιωμένη πισίνα θα προκαλέσει πιτσίλισμα και πορώδες, επομένως η ισχύς του λέιζερ ή η ταχύτητα συγκόλλησης πρέπει να είναι ελέγχεται προσεκτικά για να αποφευχθεί η εκτόξευση υπερβολικού πιτσιλίσματος από τη συγκόλληση. Μεταλλικοί ατμοί και «φυσαλίδες» στο αέριο διεργασίας μπορεί επίσης να παγιδευτούν καθώς η λιωμένη δεξαμενή στερεοποιείται, δημιουργώντας πορώδες στην ένωση συγκόλλησης. Αυτό το πορώδες εξασθενεί την αντοχή της συγκόλλησης και αυξάνει την ειδική αντίσταση της άρθρωσης, με αποτέλεσμα μια συγκολλημένη άρθρωση χαμηλότερης ποιότητας. Επομένως, τα λέιζερ NIR είναι πολύ δύσκολο να επεξεργαστούν υλικά όπως ο χαλκός<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.

Προκειμένου να αναπτυχθούν αυτές οι εφαρμογές εγγύς υπέρυθρου ελεγχόμενες με λέιζερ, οι άνθρωποι πρέπει να διεξάγουν έρευνα για νέες πηγές φωτός λέιζερ. Επιπλέον, προκειμένου να μειωθούν τα αέρια του θερμοκηπίου, τα νέα ενεργειακά οχήματα αντικαθιστούν τους βενζινοκινητήρες και τους κινητήρες εσωτερικής καύσης με ηλεκτρικούς κινητήρες. Η μεγάλη ποσότητα χαλκού που χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτροκινητήρων, ιδιαίτερα μπαταριών ισχύος, έχει δημιουργήσει τεράστια ζήτηση για αξιόπιστες λύσεις επεξεργασίας χαλκού, ενώ σε άλλα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως οι ανεμογεννήτριες, υπάρχει εξίσου ευρύ φάσμα εφαρμογών.

2. Η γέννηση του μπλε λέιζερ υψηλής ισχύος

Η ανάπτυξη της βιομηχανικής τεχνολογίας λέιζερ αναπτύχθηκε πάντα σύμφωνα με τον οδικό χάρτη της τεχνολογίας παραγωγής και τις νέες κοινωνικές απαιτήσεις. Τα τελευταία 60 χρόνια, από την ψηφιακή οικονομία και κοινωνία, στη βιώσιμη ενέργεια, στην υγιή ζωή, η τεχνολογία λέιζερ έχει συμβάλει σημαντικά στην επίλυση σημαντικών εργασιών στο μέλλον της ανθρωπότητας. Σήμερα, η τεχνολογία λέιζερ αποτελεί αναπόσπαστο μέρος πολλών βασικών τομέων της οικονομίας μας, από την τεχνολογία παραγωγής έως τη μηχανική αυτοκινήτων, την ιατρική τεχνολογία, την τεχνολογία μέτρησης και περιβάλλοντος και την τεχνολογία πληροφοριών και επικοινωνιών. Καθώς η τεχνολογία επεξεργασίας μετάλλων συνεχίζει να προοδεύει και οι απαιτήσεις των χρηστών συνεχίζουν να αυξάνονται, τα λέιζερ απαιτούν καινοτομίες όσον αφορά το κόστος και την ενεργειακή απόδοση, καθώς και την απόδοση του συστήματος λέιζερ. Η ζήτηση της αγοράς για αποτελεσματική επεξεργασία μετάλλων υψηλής ανακλαστικότητας έχει τονώσει την ανάπτυξη της μπλε τεχνολογίας λέιζερ υψηλής ισχύος, η οποία σίγουρα θα ανοίξει την πόρτα σε νέες τεχνολογίες στην επεξεργασία μετάλλων.

Για τα μη σιδηρούχα μέταλλα, η απορρόφηση της φωτεινής ενέργειας αυξάνεται καθώς μειώνεται το μήκος κύματος του φωτός. Για παράδειγμα, η απορρόφηση φωτός του χαλκού σε μήκη κύματος κάτω των 500 nm θα αυξηθεί κατά τουλάχιστον 50 τοις εκατό σε σύγκριση με το υπέρυθρο φως, επομένως τα μικρά μήκη κύματος φωτός είναι πιο κατάλληλα για επεξεργασία χαλκού. Το πρόβλημα είναι ότι η ανάπτυξη λέιζερ μικρού μήκους κύματος και υψηλής ισχύος για αυτές τις βιομηχανικές εφαρμογές είναι δύσκολη. λίγες επιλογές υψηλής ισχύος είναι διαθέσιμες και ακόμη και αυτές που υπάρχουν είναι ακριβές και αναποτελεσματικές. Για παράδειγμα, υπάρχουν ορισμένες πηγές λέιζερ στερεάς κατάστασης στην αγορά με βάση τον διπλασιασμό συχνότητας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτό το εύρος μήκους κύματος, παράγοντας φως λέιζερ σε μήκη κύματος 515 nm και 532 nm (πράσινο φάσμα). Ωστόσο, αυτές οι πηγές λέιζερ βασίζονται στους μη γραμμικούς οπτικούς κρυστάλλους τους για να μετατρέψουν την ενέργεια του λέιζερ της αντλίας στην ενέργεια του μήκους κύματος στόχου. Η διαδικασία μετατροπής οδηγεί σε μεγάλη απώλεια ισχύος και το λέιζερ απαιτεί πολύπλοκα συστήματα ψύξης και πολύπλοκες οπτικές ρυθμίσεις.

Για να ανταποκριθούν σε αυτήν την πρόκληση, οι άνθρωποι δίνουν την προσοχή τους στα μπλε λέιζερ ημιαγωγών. Το ένα είναι επειδή το Blu-ray έχει τις ιδιότητές του. Τα μεταλλικά υλικά υψηλής ανακλαστικότητας έχουν υψηλό ρυθμό απορρόφησης μπλε φωτός, πράγμα που σημαίνει ότι το μπλε φως έχει τεράστιο πλεονέκτημα στην επεξεργασία μετάλλων υλικών υψηλής ανακλαστικότητας (όπως ο χαλκός κ.λπ.). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, η απορρόφηση του μπλε φωτός από τον χαλκό είναι περισσότερο από 13 × (13 φορές) υψηλότερη από αυτή του υπέρυθρου φωτός. Επιπλέον, ο ρυθμός απορρόφησης δεν αλλάζει πολύ όταν λιώνει ο χαλκός. Μόλις το μπλε λέιζερ ξεκινήσει τη συγκόλληση, η ίδια ενεργειακή πυκνότητα θα συνεχίσει τη συγκόλληση. Η συγκόλληση με λέιζερ Blu-ray είναι εγγενώς καλά ελεγχόμενη και λιγότερο ελαττωματική, και το αποτέλεσμα είναι γρήγορες και υψηλής ποιότητας συγκολλήσεις με συγκολλήσεις. Ταυτόχρονα, το μπλε φως απορροφάται λιγότερο από το θαλασσινό νερό, επομένως έχει μεγαλύτερη απόσταση μετάδοσης, γεγονός που καθιστά δυνατή την ανάπτυξη του τομέα της υποβρύχιας επεξεργασίας υλικού λέιζερ. Επιπλέον, το μπλε φως μετατρέπεται σχετικά εύκολα σε λευκό φως, επομένως οι προβολείς και άλλες εφαρμογές φωτισμού μπορούν να εφαρμοστούν πολύ συμπαγή χρησιμοποιώντας μπλε λέιζερ. Το δεύτερο είναι ότι τα λέιζερ ημιαγωγών που βασίζονται σε υλικά νιτριδίου του γαλλίου μπορούν να παράγουν απευθείας φως λέιζερ με μήκος κύματος 450 nm χωρίς περαιτέρω διπλασιασμό συχνότητας, επομένως έχουν υψηλότερη απόδοση μετατροπής ενέργειας.

Το λέιζερ με μήκος κύματος 450 nm αναμένεται να αυξήσει την απόδοση επεξεργασίας των υλικών χαλκού κατά σχεδόν 20 φορές σε σύγκριση με το μήκος κύματος του 1 μm. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διαδικασίες συγκόλλησης με λέιζερ κοντά στο υπέρυθρο, τα μπλε λέιζερ υψηλής ισχύος έχουν ποσοτικά και ποιοτικά πλεονεκτήματα. Ποσοτικά πλεονεκτήματα: οι αυξημένες ταχύτητες συγκόλλησης και το ευρύτερο παράθυρο διεργασίας μεταφράζονται άμεσα σε ταχύτερη παραγωγικότητα και ελαχιστοποίηση του χρόνου διακοπής της παραγωγής. Ποιοτικά πλεονεκτήματα: μεγαλύτερο πλάτος διεργασίας, συγκολλήσεις υψηλής ποιότητας χωρίς πιτσίλισμα και πορώδες, καθώς και υψηλότερη μηχανική αντοχή και χαμηλότερη ηλεκτρική ειδική αντίσταση. Η συνέπεια της ποιότητας συγκόλλησης μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση παραγωγής. Επιπλέον, το μπλε λέιζερ μπορεί επίσης να διεξάγει τη λειτουργία συγκόλλησης αγωγιμότητας θερμότητας, κάτι που δεν είναι δυνατό με το λέιζερ εγγύς υπέρυθρο.

Στοιχεία επικοινωνίας:

Εάν έχετε οποιεσδήποτε ιδέες, μη διστάσετε να μιλήσετε μαζί μας. Ανεξάρτητα από το πού βρίσκονται οι πελάτες μας και ποιες είναι οι απαιτήσεις μας, θα ακολουθήσουμε τον στόχο μας να παρέχουμε στους πελάτες μας υψηλή ποιότητα, χαμηλές τιμές και την καλύτερη εξυπηρέτηση.