Trong thế giới kỹ thuật số hiện nay, chúng ta cần các quy trình sản xuất và công nghiệp được thực hiện nhanh chóng nhưng hiệu quả và độ chính xác cao. Công nghệ laser sợi quang đã giúp điều này trở nên khả thi đối với hầu hết các lĩnh vực bao gồm y tế, sản xuất, khai thác mỏ, xây dựng, sản xuất thực phẩm, hàng không, v.v.
Laser carbon dioxide (CO2) đã được sử dụng để cắt kim loại tấm từ những năm 1980. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, công nghệ laser sợi quang đã xuất hiện gây ra sự gián đoạn lớn trong thị trường gia công kim loại. Công nghệ này được coi là một cuộc cách mạng và đột phá vì nó đã ảnh hưởng tích cực đến hoạt động chế tạo kim loại tấm.
Công nghệ laser sợi quang đã phát triển theo cấp số nhân trong một thời gian ngắn để dễ dàng cắt các tấm và tấm kim loại. Laser sợi quang đã đạt được những ngưỡng khác mà laser CO2 chưa bao giờ đạt được. Bạn sẽ thấy chất lượng chùm tia của laser sợi quang tốt hơn nhiều so với một số loại laser khác, mức công suất dưới 6kW.
Laser sợi quang là gì?
Đây là loại laser sử dụng sợi quang làm môi trường hoạt động, được chế tạo từ các nguyên tố hiếm như erbium, thulium, ytterbium, holmium, praseodymium hoặc dysprosium. Loại nguyên tố đất hiếm được sử dụng không khiến bạn quan tâm nhiều, điều quan trọng nhất cần biết là máy laser này sử dụng sợi quang làm thành phần chính.
Ưu điểm của Laser sợi quang:
1. Laser sợi quang có lợi thế vì không giống như các loại laser khác, laser sợi quang tạo ra và phân phối ánh sáng laser thông qua một môi trường linh hoạt, cho phép dễ dàng truyền đến mục tiêu và vị trí. Điều này chủ yếu có lợi cho việc hàn, cắt laser, polyme và gấp kim loại.
2. Laser sợi quang có công suất đầu ra cao so với các loại laser khác. Laser sợi quang có thể chứa vài km vùng hoạt động, do đó mang lại mức tăng quang cao. Tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích của chúng cao, cho phép làm mát hiệu quả. Đặc tính ống dẫn sóng của nó loại bỏ hoặc giảm sự thay đổi nhiệt của đường quang; tạo ra tia quang học cao cấp, hạn chế nhiễu xạ.
3. Khi so sánh với laser khí hoặc laser trạng thái rắn, laser sợi quang nhỏ gọn hơn vì sợi có thể được cuộn hoặc uốn cong để tiết kiệm không gian.
4. Laser sợi quang đáng tin cậy và có độ ổn định nhiệt độ và rung động cao cũng như tuổi thọ kéo dài. Các xung nano giây và công suất cực đại cao của chúng giúp tăng cường khả năng khắc và đánh dấu. Chất lượng chùm tia được cải thiện và công suất bổ sung tạo ra tốc độ cắt nhanh hơn và các cạnh cắt sạch hơn.
5. Công nghệ laser sợi quang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm xử lý vật liệu trong y học, viễn thông, vũ khí năng lượng định hướng và quang phổ.
6. Bảo trì miễn phí. Không giống như laser trạng thái rắn, việc bảo trì và thay thế laser sợi quang chỉ cần sáu tháng một lần.
7. Tiêu thụ năng lượng thấp. So với laser khí có cùng công suất, hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn nhiều, do đó tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường hơn khi tiết kiệm năng lượng từ 50% ~ 70%.
Các loại Laser sợi quang
Chúng ta có thể chia laser thành các loại sau thông qua các loại sợi:
Laser sợi QCW
Đa chế độ
Chế độ đơn
Bơm sợi quang
Laser sợi QCW
Đây là những laser sợi quang mới nhất. Chúng có công suất trung bình thấp hơn và công suất đỉnh cao hơn, đồng thời được sản xuất với chi phí thấp hơn phiên bản sóng liên tục (CW). Laser sợi QCW phù hợp nhất cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau đòi hỏi công suất cực đại và thời lượng xung cao, chẳng hạn như hàn đường may, hàn điểm và khoan.
Chúng được thiết kế để đánh bật tia laser YAG vì chi phí bảo trì và trả trước cần thiết thấp. Chúng dễ dàng được trang bị thêm vào các hệ thống khác nhau, với các phiên bản đa chế độ và đơn chế độ.
Laser sợi quang Kilowatt đa chế độ
Việc sản xuất laser sợi quang có công suất kilowatt trở lên được thực hiện thông qua sự kết hợp song song của nhiều loại laser sợi quang khác nhau ở chế độ đơn, sau đó phóng chúng thông qua sợi chỉ số bước có đường kính lõi lớn hơn.
Khi đạt đến điểm này, tia laser không còn ở chế độ đơn, nhưng chất lượng chùm tia tiếp theo có chất lượng tốt hơn so với các loại laser loại kilowatt khác được sử dụng thương mại. Độ lệch của sợi loại kilowatt tiếp tục được cải thiện do sử dụng liên tục các mô-đun chế độ đơn công suất cao.
Laser sợi quang đơn mode
Những laser sợi quang này được tìm thấy trên thị trường với công suất lên tới 3000 Watts. Các thiết bị này hoạt động liên tục nhưng có thể điều chỉnh ở tần số trên 50 kHz. Chế độ điều chỉnh cho phép các thiết bị có mức đỉnh bằng với công suất CW trung bình. Sự phát xạ đi qua sợi quang đơn mode có M2 dưới 1,1.
Cấu hình là nhiệm vụ của sợi quang đơn mode, thay vì điểm vận hành nhiệt, giống như xảy ra với laser trạng thái rắn truyền thống; laser sợi quang tạo ra cùng một cấu hình trong suốt phạm vi hoạt động. Việc điều chỉnh đạt được thông qua việc bật và tắt điốt bơm, cho phép điều chỉnh thiết bị ở chế độ hoạt động xung đơn hoặc ở tần số cao.
Trái ngược với laser trạng thái rắn truyền thống, laser sợi quang này không cần thời gian khởi động và hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường xung quanh. Các tia laser có cả đầu ra phân cực tuyến tính và ngẫu nhiên và về cơ bản có thể hoạt động từ 10-100% công suất mục tiêu mà không thay đổi độ phân kỳ hoặc đường kính điểm lấy nét cuối cùng.
Bơm sợi quang
Các thanh đi-ốt có thể được áp dụng trong các tia laser sợi quang thú vị, về cơ bản, sợi quang này được sử dụng với số lượng lớn quang học một cách thích hợp để hướng ánh sáng bơm tới lớp bọc đầu tiên của sợi hoạt động. Công suất của diode công suất cao tiếp tục được cải thiện về đặc tính chùm tia, tổng công suất và tuổi thọ, đạt 10.000 giờ hoạt động trở lên.
Tuy nhiên, giới hạn hoạt động xung, nhu cầu làm mát bằng nước và độ tin cậy khiến việc triển khai bị hạn chế.
Loại laser sợi quang này có rất nhiều ưu điểm, một trong số đó là không cần nước để làm mát. Nó cũng có thể được triển khai tới môi trường hoạt động thông qua sợi quang mà không cần căn chỉnh hoặc khối quang học bổ sung.
Ngoài ra, đi-ốt phát đơn này tạo ra công suất đầu ra cao hơn, cải thiện đặc tính chùm tia và tuổi thọ cao hơn 200.000 giờ hoạt động ở chế độ điều chế và chế độ CW.
Chúng ta cũng có thể phân loại laser sợi quang theo chế độ phát sáng:
• Laser sợi QCW
• Laser sợi CW
• Laser sợi xung
Dưới đây là phần giới thiệu ngắn gọn về laser sợi quang CW và laser sợi quang xung.
Laser sợi CW
Đây là loại tia laser tạo ra chùm tia laser liên tục trong khi quan sát lượng nhiệt tỏa ra được kiểm soát, cũng như cường độ và thời gian của chùm tia. Laser sợi CW chủ yếu tập trung vào công suất và công suất cao; do đó, rất có thể bạn sẽ tìm thấy chúng trong môi trường công nghiệp.
Các ngành công nghiệp chủ yếu sử dụng laser sợi CW là hàng không vũ trụ, điện tử và ô tô, ngành y tế và công nghiệp bán dẫn. Chúng hiệu quả nhất khi cắt laser, khoan laser và hàn laser.
Laser sợi xung
Chúng đề cập đến các tia laser không thuộc phân loại sóng liên tục. Công suất quang học của chúng được thể hiện bằng các xung định thời với tốc độ lặp đi lặp lại. Laser xung bao gồm nhiều công nghệ khác nhau nhằm giải quyết các động cơ khác nhau. Một số trong số chúng bị xung do không thể hoạt động ở chế độ liên tục.
Trong các trường hợp khác, ứng dụng cần tạo ra các xung có nhiều năng lượng nhất có thể. Vì năng lượng xung tương đương với công suất tiêu chuẩn trên tốc độ lặp lại nên mục tiêu đạt được bằng cách giảm tốc độ xung để tạo ra nhiều năng lượng hơn giữa các xung.
Trong các trường hợp khác, công suất xung cực đại được sử dụng thay cho năng lượng xung, đặc biệt khi thu được hiệu ứng quang phi tuyến.
Tuy nhiên, nếu nhìn từ chế độ ánh sáng, chúng ta cũng có thể phân loại laser sợi quang thành các loại sau.
• Laser sợi quang đơn mode
• Laser sợi quang đa chế độ
• Laser sợi quang ít chế độ
Vì phần giải thích về laser sợi quang đơn và đa chế độ đã được đưa ra ở trên nên chúng tôi sẽ chỉ giải thích laser sợi quang vài chế độ là gì.
Sợi ít chế độ
Hệ thống ghép kênh phân chia chế độ (MDM) sử dụng các chế độ trực giao hạn chế trong một số sợi chế độ (FMF). Họ sử dụng điều này như một cách độc lập để truyền tải thông tin nhằm nhân lên khả năng truyền tải của hệ thống.
Rất ít chế độ cáp quang áp dụng các chế độ khác nhau để thể hiện mức độ tự do mới; Hiệu quả phổ tần của hệ thống có thể được nâng cao thành công nhờ FMF. Vì FMF chứa vùng trường chế độ rất lớn nên nó có dung sai phi tuyến tốt hơn SMF.
Điều này không chỉ nâng cao khả năng của hệ thống truyền dẫn quang mà còn tránh được các hiệu ứng phi tuyến. Các hệ thống MDM dựa trên FMF có thể giúp giải quyết khủng hoảng băng thông cho các sợi quang đơn mode trong tương lai.
Laser sợi được sử dụng để làm gì?
Laser sợi quang được sử dụng trong xử lý vật liệu công nghiệp ở hầu hết các thị trường năng lượng thấp và cao, bao gồm thiêu kết, vẽ nguệch ngoạc, cắt và hàn, đánh dấu, xử lý nhiệt và khoan. Laser đơn chế độ có thể đạt được mức độ lưu loát cao và tập trung vào các điểm có kích thước micron để thay đổi niềm tin trước đây liên quan đến các thông số quy trình.
Mức kilowatt của sợi laser đã đạt được tốc độ hàn và cắt cao hơn các công nghệ khác trong khi hoạt động trong các điều kiện tương tự. Kích thước nhỏ gọn, hoạt động ở chế độ đơn và lựa chọn bước sóng của laser sợi quang cung cấp nhiều ứng dụng y tế cho cộng đồng y tế.
Các ứng dụng dựa vào việc phân phối sợi và bước sóng cụ thể. Hoạt động này không cần bảo trì nên được các bác sĩ và chuyên gia khác làm việc trong lĩnh vực y tế chấp nhận.
Laser sợi quang được sử dụng trong nhiều ứng dụng phức tạp vì chúng có nhiều đặc tính tuyệt vời bao gồm dải bước sóng, phát xạ phân cực và không phân cực. Các yếu tố khác là độ rộng đường truyền hẹp, hoạt động ở chế độ đơn, thời gian xung ngắn, kích thước nhỏ gọn và không quan tâm đến điều kiện môi trường.
Laser sợi quang hoạt động như thế nào
Như đã nêu trước đó, môi trường chính được sử dụng trong sợi laser được pha tạp các nguyên tố đất hiếm, trong hầu hết các trường hợp, là Erbium. Lý do thực hiện điều này là để tận dụng mức năng lượng ở mức nguyên tử của các nguyên tố đất hiếm, cho phép sử dụng nguồn bơm laser diode cấp thấp mà vẫn tạo ra năng lượng đầu ra cao.
Ví dụ, khi sợi quang được pha tạp Erbium, một photon hấp thụ mức năng lượng có bước sóng 980nm sẽ phân rã thành siêu ổn định bằng 1550nm. Điều này có nghĩa là nguồn bơm laser 980nm có thể được sử dụng để đạt được chùm tia laser 1550nm với năng lượng cao, chất lượng cao và công suất cao.
Các nguyên tử Erbium hoạt động như môi trường cho sợi pha tạp và các photon phát ra sẽ ở bên trong lõi sợi. Để tạo ra khoang bẫy photon, người ta bổ sung thêm Lưới Fiber Bragg. Về cơ bản, đây là một phần kính có sọc, nơi xảy ra sự thay đổi chiết suất.
Khi ánh sáng đi qua ranh giới giữa hai chiết suất, nó sẽ khúc xạ lại một lượng ánh sáng nhỏ. Về cơ bản, Bragg Grated cho phép laser sợi quang hoạt động giống như một tấm gương.
Laser bơm tập trung vào lớp bọc gần lõi sợi quang, vì nó quá nhỏ để tập trung vào một diode chất lượng thấp sau này. Khi tia laser được bơm vào lớp vỏ gần lõi, nó sẽ nảy xung quanh bên trong và bất cứ khi nào nó đi qua lõi, lõi sẽ tiếp tục hấp thụ nhiều ánh sáng bơm hơn.
Laser sợi quang kéo dài bao lâu?
Laser sợi quang có tuổi thọ cao hơn các giải pháp laser khác. Mô-đun đi-ốt có trong laser sợi quang hoạt động lâu hơn ba lần so với các công nghệ laser khác. Máy laser sợi quang đã chứng minh được tuổi thọ dự kiến lớn hơn 100.000 giờ.
—————————————
Được thành lập bởi các kỹ sư có kinh nghiệm trên 10 năm trong ngành gia công tấm với nền tảng kỹ thuật và uy tín cao trên thị trường, Công ty Cổ phần Giải pháp cơ khí VNTECH là đơn vị chuyên cung cấp dịch vụ, máy móc, thiết bị và giải pháp gia công tấm tại Việt Nam.
VNTECH – XÂY DỰNG GIÁ TRỊ VỮNG BỀN
CN Hà Nội: Số 39, ngõ 285 Phúc Lợi, quận Long Biên, Hà Nội
CN Đà Nẵng: Số 20 Nguyễn Sinh Sắc, Hòa Minh, Liên Chiểu, Đà Nẵng
CN HCM: 43 Đường N2, KP Thống Nhất, Dĩ An, Bình Dương
Hotline: 0984.537.333
Mail: sale@vntechcnc.vn
Facebook: https://www.facebook.com/vntechcnc
Website: https://thietbivntech.vn/
Youtube: https://www.youtube.com/@cokhivntech
