لیزر فایبر چیست؟

لیزرها مدت بسیاری است که وجود دارند ولی استفاده از آنها در صنعت و تجارت بسیار جدید است . مدت زمان بسیارزیادی طول کشید تا مهندسان توانایی های لیزر را به حدی تقویت کنند که بتوانند از نظر هزینه، زمان و سهولت با روش های سنتی رقابت کنند.

به عنوان مثال فناوری لیزر فایبر برای اولین بار در دهه 60 توسعه یافت. درآن زمان این فناوری هنوز در مرحله اولیه خود بود. در دهه 1990 برای استفاده تجاری مناسب شد و از آن به بعد این فناوری از نظر کاربردها و کارایی مسیر طولانی را طی کرده است . در دهه 60 تولید با لیزر تنها با چند ده میلی وات امکان پذیر بود امروزه لیزرهای فیبری می توانند بیش از 1000 وات تولید کنند.

در این مقاله قصد داریم نحوه عملکرد لیزر فیبر، محل استفاده از آن و اینکه چرا در مقایسه با لیزرهای جایگزین اغلب انتخاب بهینه ای می باشد را مفصل توضیح دهیم .

تاریخچه برش لیزری

لیزر فایبر :

لیزرهای فایبر نوعی از لیزر است که با هدایت اشعه لیزر به وسیله فیبر نوری بر روی قطعات کار می کند. این دستگاه در ابعاد مختلف متناسب با نیاز صنعتگر تولید می شودو به دو دسته اصلی دستگاه لیزر فایبر کنترل عددی و دستگاه فایبر دستی تقسیم می شود.

در این لیزرها فیبر ساخته شده از شیشه سیلیکات یا فسفات نور خام دیودهای لیزر را جذب و آن را به یک پرتو لیزر با طول موج مشخص تبدیل می کند برای رسیدن به این هدف فیبر نوری دوپ می شود ه به معنی مخلوط شدن یک عنصر کمیاب در فیبر می باشد که با مخلوط کردن عناصر مختلف می توان پرتوهای لیزر با طیف وسیعی از طول موج را ایجاد کرد.

برش کاغذ با لیزر

برخی از عناصر دوپ به ترتیب طول موج ساطع شده عبارت است از:نئودیمیم(780-1100نانومتر)، ایتربیوم(1000-1100 نانومتر)، پرازئودیمیم(1300نانومتر)،اربیوم(1640-1460نانومتر)،تولیوم(250-250نانومتر)،تولیوم(1900-250نانومتر)و دیسپروزیم(2600-3400نانومتر)

به دلیل طیف گسترده ای از طول موج های تولید شده ، لیزرهای فایبر برای کاربردهای مختلفی مانند برش لیزری، بافت، تمیز کردن، حکاکی کردن، سوراخ کردن، علامت گذاری و جوشکاری مناسب هستند. همچنین لیزرهای فایبر در بخش های دیگری همچون پزشکی،دفاع، مخابرات، خودرو، طیف سنجی، برق، تولید و حمل و نقل استفاده می شود.

لیزر فایبر چگونه کار می کند؟

لیزر فایبر به خاطر بهره مندی از فیبر نوری به این نام گذاشته شده است . هر دستگاه لیزر فایبر که یک لیزر پر قدرت با هماهنگی خوب می باشد در 5 مرحله کار خود را انجام می شود:

ایجاد چراغ پمپ

جمع آوری و سفر به فیبر نوری

نور پمپ از فیبر نوری عبور می کند

انتشار تحریک شده در حفره لیزر

تقویت نور خام لیزر به پرتو لیزر

ایجاد چراغ پمپ:

این جایی است که انرژی برای پرتو لیزر وارد سیستم می شود. در لیزرهای فایبر، ما از برق به عنوان منبع انرژی استفاده می کنیم .دیودهایی که به دیود لیزر پمپ معروف هستند انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می کنند. در دیودهای با کیفیت، تبدیل قابل اعتماد و کارآمد انجام می شود و تنها با طول موج های خاص انرژی نوری تولید می شود.

اتفاقا دیودهای لیزری با کیفیت پایین یکی از موانع مهمی بودند که حدود 3 دهه مانع پیرفت فناوری لیزر شدند. در بیشتر موارد این چراغ پمپ یا پرتو پمپ به صورت قطعات توسط چندین دیود لیزر تولید می شود و سپس در کابل فیبرنوری کوپل می شود . به عنوان مثال دستگاه های لیزری 20 واتی وجود دارند که نور پمپ 11 دیود لیزر را در کابل فیبر نوری ترکیب می کنند.

مقایسه تیوب شیشه‌ای با تیوب فلزی

جمع آوری و سفر به داخل فیبر نوری:

یک کوپلر نور حاصل از چندین دیود لیزر را در یک واحد ترکیب می کند . این کوپلر بخشی از فیبر نوری است . دارای چندین نقطه ورودی در یک طرف است که هر یک از آنها به فیبر از دیود لیزر جداگانه متصل است. در طرف دیگر یک نقطه خروجی وجود دارد که به فیبر اصلی متصل می شود . هنگامی که تمام نور جمع آوری شد به محیط لیزر می رود.

نور پمپ از فیبر نوری عبور می کند:

در مرحله بعد، نور دیود لیزر از طریق فیبر نوری به محیط لیزر جریان می یابد . فیبر از دو جزء اصلی تشکیل شده است . هسته و روکش. هسته از شیشه سیلیکا ساخته شده است و مسیر نور را فراهم می کند . این هسته با روکش پوشیده شده است . هنگامی که نور به روکش می رسد همه آن به داخل هسته منعکس می شود.

لیزرهای فیبر همیشه مقداری توان را از طریق گرما از دست می دهند اما نسبت سطح عالی به حجم، اتلاف موثر گرما را تسهیل می کند که منجر به سایش و پارگی بسیار کمی می شود. در نهایت نور به قسمت دوپ شده فیبر می رسد . این قسمت به حفره لیزر معروف  است.

انتشار تحریک شده در حفره لیزر:

هنگامی که نور دیود لیزر به فیبر دوپ شده می رسد، به اتم های عنصر خاکی کمیاب برخورد می کند و انرژی الکترون های آن را به سطح بالاتری تحریک می کند .با گذشت زمان این حرکت منجر به وارونگی جمعیت می شود که برای تولید یک لیزر استاندارد ضروری است.

وارونگی جمعیت در لیزر به حالتی اطلاق می شود که در آن تعداد بیشتری از الکترون ها در حالت برانگیخته نسبت به آنهایی هستند که برانگیخته نیستند. این وارونگی جمعیت نامیده می شود زیرا این حالت برعکس حالت عادی است که درآن فقط چند اتم الکترون برانگیخته هستند.

هنگامی که برخی از این الکترون ها به طور طبیعی به سطوح انرژی پایین تری سقوط می کنند . فوتون هایی با طول موج خاص ساطع می شوند. این فوتون ها با سایر الکترون های برانگیخته برهم کنش می کنند و آنها را تحریک می کنند تا فوتون های مشابه ساطع شوند و به سطوح انرژی پایین تر اولیه خود عقب نشینی کنند. این فرآیند فیزیکی گسیل تحریک شده می باشد.

الکترون هایی که به حالت آرام اولیه خود باز می گردند توسط نور وردی از دیودهای پمپ دوباره برانگیخته می شوند . در نهایت این فرآیند به تعادل بین الکترون های برانگیخته و آرام کمک می کند و جریان ثابتی از نور خام لیزر را به ما می دهد.این چراغ برای استفاده در کاربردهای مختلف نیاز به پالایش دارد.

آشنایی با انواع قدرت لیزر

تقویت نور خام به پرتو لیزر:

قبل از استفاده از نور لیزر خام از فیبر دوپ شده ابتدا باید آن را تقویت کرد در لیزرهای فایبر این کار با استفاده از فیبر براگ گریتینگ (FBGs) انجام می شود . این توری ها جایگزین آینه های دی الکتریک معمولی می شوند و به عنوان آینه هایی با بازتاب متفاوت عمل می کنند.

نور بین توری براگ به جلو و عقب می پرد. بخشی از نور لیزر در یک جهت عبور میک ند در حالی که نور باقی مانده به داخل حفره لیزر منعکس می شود . قسمتی که از توری عبور می کند به پرتو لیزر تبدیل می شود. این پرتو سپس از طریق یک نوسان ساز ( و گاهی اوقات یک ترکیب کننده ) برای بهبود اسنجام فرستاده می شود و سپس به عنوان خروجی تحویل داده می شود .

لیزر فایبر در مقابل لیزرCO2:

تفاوت اصلی بین این دو فرآیند منبعی است که پرتو لیزر در آن ایجاد می شود . همان طور که قبلا توضیح داده شد منبع لیزرفایبر شیشه سیلیسی است که با یک عنصر خاکی کمیاب مخلوط شده است . از سوی دیگر منبع لیزرCO2 مخلوطی از گازها  است که CO2 جز اصلی آن می باشد.

لیزرهای فایبر تقریبا در همه زمینه ها به جز هزینه سرمایه گذاری اولیه لیزرهای CO2 را شکست می دهند. به عنوان مثال لیزرهای CO2 نمی توانند بسیاری از مواد بازتابنده را برش دهند.

لیزرهای فایبر تعداد بیشتری از فلزات بازتابنده مانند مس، برنج، آلومینیوم و فولاد ضد زنگ را بهتر کنترل می کنند . لیزر فایبر نیز به توان کمتری نیاز دارد و راندمان بالاتری را ارائه می دهد. همه اینها با نصف هزینه های عملیاتی و پنج برابر سرعت برش لیزرCO2 کار می کنند.

اگر چه هنگام برش مواد ضخیم تر لیزرهای CO2 هنوز ترجیح داده می شوند . پیشرفت های مداوم در فناوری لیزر فایبر مواردی را که این فناوری برتری دارد گسترش می دهد. بنابراین در حال حاضر منطقی است که ارائه دهنده خدمات برش لیزر شما به هر دوی این نوع ماشین ها مسلط باشد تا پروژه های مختلف را به روشی کارآمد انجام دهد.

همچنین لیزر فایبر کیفیت پرتو بهتر، قابلیت اطمینان بالاتر، ردپای کربن کمتر،زمان راه اندازی سریع تر، عمر طولانی تر وقابلیت های پردازش از راه دور را فراهم می کند . همچنین به نگهداری کمتری نیاز دارد زیرا هیچ آینه یا عدسی درآن وجود ندارد. تراز آینه ای در دستگاه های لیزرCO2 معمولا به آموزش حرفه ای یا ویژه اپراتور نیاز دارد.