En la era actual del rápido desarrollo de la tecnología láser, los láseres de estado sólido y los láseres de fibra, como dos principales productos láser convencionales, han demostrado su encanto y ventajas únicas en muchos campos, como la producción industrial, la investigación científica y las aplicaciones militares.
1. Principios técnicos y diferencias de rendimiento
① Gane medio
Los láseres de fibra usan fibras de vidrio dopadas con tierras raras como medios de ganancia. Bajo la acción de la luz de la bomba, se forma una alta densidad de potencia en la fibra, lo que resulta en una inversión de población del nivel de energía láser, y la oscilación láser se genera a través del circuito de retroalimentación positiva de la cavidad resonante. Los láseres de fibra son compactos y no requieren un sistema de enfriamiento complejo, y la flexibilidad de la fibra los hace más ventajosos en las aplicaciones de procesamiento de espacio multidimensional.
El núcleo de un láser de fibra es una fibra óptica, un filamento flexible de vidrio o plástico delgada de cabello conocido por su capacidad para guiar la luz a largas distancias con una pérdida mínima. La fibra actúa como el medio de ganancia activa del láser y es el núcleo de la operación del láser. Sin embargo, a diferencia de las fibras de vidrio o plástico sin dopar utilizadas en las telecomunicaciones, la fibra óptica en un láser de fibra está dopado con elementos de tierras raras como Erbium o Ytterbium. Este dopaje introduce los estados de energía necesarios para la operación del láser, lo que permite que la fibra no solo guíe la luz sino que también la amplifique.
El láser de estado sólido (SSL) se centra en su material de ganancia único: material sólido, y generalmente se compone de cuatro partes: medio de ganancia, sistema de enfriamiento, cavidad óptica resonante y fuente de bomba. Gane medio, como Ruby (CR: Al₂o₃) o el granate de aluminio de itrio dopado con neodimio (ND: YAG), es el alma de los láseres sólidos. Los iones activados (como nd³⁺) dopados dentro de él logran inversión de número de partículas bajo la acción de la luz de la bomba, generando así láser. El sistema de enfriamiento es responsable de quitar el calor acumulado dentro del medio de ganancia debido a la generación láser para garantizar el funcionamiento estable del láser. La cavidad resonante óptica forma la oscilación continua a través de la retroalimentación positiva de los fotones, y genera un haz láser altamente monocromático y altamente direccional.
② rendimiento y eficiencia
Los láseres de fibra son conocidos por su excepcional eficiencia eléctrica, gracias a la naturaleza de los cables de fibra óptica, que realizan luz con pérdidas mínimas. Esta característica hace que los láseres de fibra sean increíblemente eficientes en energía, a menudo logran eficiencias superiores al 30%. Los láseres de estado sólido son generalmente menos eficientes, probablemente debido a las mayores pérdidas de sus medios de ganancia voluminosos y la necesidad de lámparas de alta intensidad para el bombeo.
③ Calidad del haz: afecta directamente la efectividad del láser en aplicaciones de precisión. La operación de un solo modo de los láseres de fibra puede proporcionar una calidad de haz increíblemente alta, caracterizada por un enfoque ajustado y una divergencia mínima. Aunque los láseres de estado sólido son capaces de proporcionar vigas de alta calidad, a menudo son difíciles de igualar la calidad del haz de los láseres de fibra, especialmente a niveles de potencia más altos. A pesar de la menor eficiencia y la calidad del haz, los láseres de estado sólido no están exento de ventajas. Tienen potentes capacidades de escala de potencia y son muy adecuadas para aplicaciones de alta potencia. Los láseres de estado sólido se pueden diseñar para producir niveles de potencia increíblemente altos al aumentar el tamaño del medio de ganancia y la potencia de la bomba, que no es tan simple para los láseres de fibra debido a las limitaciones del tamaño de la fibra y la disipación de calor.
④ Los láseres de fibra de estabilidad tienen alta estabilidad. Su estructura de fibra es insensible a los cambios ambientales (como temperatura, humedad, vibración, etc.), y puede mantener un estado de trabajo estable en entornos relativamente duros. Al mismo tiempo, los láseres de fibra usan una estructura de estado sólido y no contienen componentes ópticos del espacio libre, por lo que se consideran más duraderos y capaces de adaptarse a los cambios ambientales. Los láseres de estado sólido tienen una estabilidad relativamente pobre, y los cambios en los factores ambientales pueden tener un mayor impacto en su rendimiento.
⑤ Rendimiento de disipación de calor Los láseres de fibra tienen un excelente rendimiento de disipación de calor. Su medio de ganancia es fibra óptica, que tiene una gran relación superficial a volumen, y el calor puede disiparse rápidamente, por lo que puede funcionar de manera estable durante mucho tiempo y puede soportar una alta potencia de salida. La disipación de calor de los láseres de estado sólido es relativamente difícil, y los problemas de efecto térmico son propensos a ocurrir al operar a alta potencia, afectando el rendimiento y la vida del láser.
⑥ El tamaño y el costo de mantenimiento los láseres de fibra son muy compactos y casi libres de mantenimiento. El pequeño tamaño de la fibra y la ausencia de espejos externos reducen en gran medida los problemas de alineación asociados con los láseres de estado sólido. Además, la excelente capacidad de disipación de calor de la fibra generalmente no requiere enfriamiento activo, reduciendo aún más los requisitos de mantenimiento. Al mismo tiempo, los láseres de fibra generalmente son más seguros para operar porque el láser está confinado dentro de la fibra, reduciendo el riesgo de exposición accidental. La alineación de los espejos en los láseres de estado sólido es crítica para su operación y requiere una inspección y ajuste regular, lo que aumenta la carga de trabajo de mantenimiento. Además, los láseres de estado sólido generalmente requieren enfriamiento activo para administrar el calor generado en el medio de ganancia, lo que no solo aumenta la complejidad del sistema, sino que también aumenta los requisitos de mantenimiento. Los láseres de estado sólido tienden a ser más grandes que los láseres de fibra. La necesidad de grandes espejos de ganancia y espejos externos aumenta su tamaño y peso, lo que limita su aplicabilidad en aplicaciones con espacio limitado.
2. Campos de aplicación
Los láseres de fibra brillan en el campo del corte y soldadura industrial con su alta potencia, alta calidad de haz, buen rendimiento de disipación de calor y estabilidad. Los láseres de fibra son particularmente adecuados para el corte de placas gruesas y la soldadura de materiales metálicos. Su alta eficiencia de conversión electroóptica y su diseño sin ajuste y sin mantenimiento reducen en gran medida el costo de uso y la dificultad de mantenimiento. Al mismo tiempo, la alta tolerancia de los láseres de fibra a entornos de trabajo duros, como polvo, vibración, humedad, etc., también los hace funcionar bien en varios sitios industriales. Los láseres continuos tienen un alto grado de penetración en el campo del procesamiento macro, y han reemplazado gradualmente los métodos de procesamiento tradicionales en este campo.
Los láseres de estado sólido son únicos en el campo de ultra precisión y procesamiento ultra micro con su alta potencia máxima, energía de pulso grande y salida láser de longitud de onda corta (como luz verde y luz ultravioleta). En procesos como el marcado de metal/material no metálico, corte, perforación y soldadura, láseres de estado sólido pueden lograr una mayor precisión de procesamiento y una aplicabilidad de material más amplia. Especialmente en soldadura de alta precisión y impresión en 3D en cuanto a luz de materiales no metálicos, los láseres de estado sólido se han convertido en el equipo preferido debido a sus láseres de longitud de onda corta con pequeños efectos térmicos y alta precisión de procesamiento. Los láseres de estado sólido se utilizan principalmente en el campo de micro-maquinamiento de precisión de materiales no metálicos y materiales de metal delgados, frágiles y otros debido a su longitud de onda corta (ultravioleta, ultravioleta profundo), ancho de pulso corto (picosegundo, femtosegundo) y alta Potencia máxima. Además, los láseres de estado sólido se usan ampliamente en la investigación científica de vanguardia en los campos del medio ambiente, la medicina, el ejército, etc.
3. Cuota de mercado
Mi país está en el proceso de transformación y actualización de la fabricación desde la fabricación de baja gama hasta la fabricación de alta gama. La fabricación de gama baja representa una alta proporción. El mercado de procesamiento macro cubre tanto la fabricación de gama y algo de fabricación de alta gama. La demanda del mercado es grande. Por lo tanto, la capacidad de mercado de los láseres de fibra es relativamente grande.
El grado de localización de los láseres nacionales de fibra de baja potencia es alto, y hay muchos fabricantes nacionales a gran escala. Según el "Informe de desarrollo de la industria láser de China", los láseres de fibra de baja potencia han sido reemplazados por productos nacionales; En términos de láseres de fibra continua de potencia media, la calidad nacional no tiene desventajas obvias, la ventaja de precios es obvia y la cuota de mercado es equivalente; En términos de láseres de fibra continua de alta potencia, las marcas nacionales han logrado ventas parciales.
En cuanto a los láseres sólidos, debido al desarrollo tardío en China, actualmente no hay empresas cotizadas con este producto como su negocio principal, y generalmente compran marcas extranjeras.
Los láseres de fibra se utilizan principalmente en el campo del procesamiento macro debido a su alta potencia de salida (el procesamiento de macro láser generalmente se refiere al procesamiento del tamaño y la forma del objeto de procesamiento con la influencia del haz láser en el objeto de procesamiento dentro del rango de milímetro ); Los láseres sólidos se usan ampliamente en el campo de micro procesamiento debido a sus ventajas, como longitud de onda corta, ancho de pulso estrecho y alta potencia máxima (el micro procesamiento generalmente se refiere al procesamiento del tamaño y la forma con precisión que alcanza el micrómetro o incluso el nivel nanométrico ), lo que resulta en ciertas diferencias entre los usuarios de láseres sólidos y láseres de fibra.
En general, los láseres sólidos y los láseres de fibra tienen diferentes campos de aplicación y cada uno tiene su propio campo de aplicación. No hay competencia directa entre los dos en la mayoría de los campos. En el campo del procesamiento de material metálico que se superpone con el campo de micro procesamiento, cuando el metal alcanza un cierto grosor, este campo generalmente adopta métodos tradicionales o láseres de fibra debido a razones costos. Los láseres sólidos solo se usan en escenas con grosor delgado de metal o altos requisitos de procesamiento e insensibles al costo. Además, la competencia se superpone entre los dos es baja. Los láseres sólidos se utilizan principalmente para el procesamiento de materiales no metálicos (vidrio, cerámica, plásticos, polímeros, embalaje, otros materiales frágiles, etc.), y en el campo de los materiales metálicos, se utilizan en escenas con requisitos de alta precisión y de alta precisión relativamente insensible al costo.
