Волоконные лазеры против твердотельных лазеров: различия и преимущества 

1. Технические принципы и различия в производительности

① Усиление среднее

В волоконных лазерах в качестве усиливающей среды используются стеклянные волокна, легированные редкоземельными элементами. Под действием света накачки в волокне формируется высокая плотность мощности, что приводит к инверсии уровня энергии лазера и генерации лазера через петлю положительной обратной связи резонансного резонатора. Волоконные лазеры компактны и не требуют сложной системы охлаждения, а гибкость волокна делает их более выгодными в приложениях многомерной космической обработки.

Сердцевиной волоконного лазера является оптическое волокно — гибкая стеклянная или пластиковая нить толщиной с волос, известная своей способностью проводить свет на большие расстояния с минимальными потерями. Волокно действует как активная усиливающая среда лазера и является основой его работы. Однако, в отличие от нелегированных стеклянных или пластиковых волокон, используемых в телекоммуникациях, оптическое волокно волоконного лазера легировано редкоземельными элементами, такими как эрбий или иттербий. Такое легирование приводит к энергетическому состоянию, необходимому для работы лазера, позволяя волокну не только направлять свет, но и усиливать его.

Твердотельный лазер (SSL) основан на своей уникальной усиливающей среде, твердом материале, и обычно состоит из четырех частей: усиливающей среды, системы охлаждения, оптического резонансного резонатора и источника накачки. Усиливающая среда, такая как рубин (Cr:Al₂O₃) или иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd:YAG), является душой твердотельного лазера. Активированные ионы (такие как Nd³⁺), легированные внутри него, достигают инверсии населенности под действием света накачки, тем самым генерируя лазерный свет. Система охлаждения отвечает за удаление тепла, накопленного внутри усиливающей среды в результате генерации лазера, для обеспечения стабильной работы лазера. Оптический резонатор формирует непрерывные колебания за счет положительной обратной связи фотонов, излучая монохроматический и узконаправленный лазерный луч.

②Производительность и эффективность

Волоконные лазеры известны своей превосходной электрической эффективностью благодаря природе волоконно-оптических кабелей, которые могут проводить свет с минимальными потерями. Эта особенность делает волоконные лазеры невероятно энергоэффективными, часто достигая эффективности более 30%. Твердотельные лазеры, как правило, менее эффективны, вероятно, из-за более высоких потерь в их более крупных усиливающих средах и необходимости использования ламп высокой интенсивности для накачки.

③ Качество луча: напрямую влияет на эффективность лазеров в прецизионных приложениях.

Одномодовый режим работы волоконных лазеров позволяет обеспечить невероятно высокое качество луча, характеризующееся точной фокусировкой и минимальной расходимостью. Твердотельные лазеры, хотя и способны обеспечивать высококачественные лучи, часто с трудом могут сравниться по качеству луча с волоконными лазерами, особенно на более высоких уровнях мощности. Несмотря на меньшую эффективность и качество луча, твердотельные лазеры не лишены своих преимуществ. Они обладают мощными возможностями масштабирования мощности и хорошо подходят для приложений с высокой мощностью. усиливающая среда и мощность накачки, что не так просто для волоконных лазеров из-за ограничений размера волокна и тепловыделения.

④ Стабильность

Волоконные лазеры обладают высокой стабильностью. Их структура волокна нечувствительна к изменениям окружающей среды (таким как температура, влажность, вибрация и т. д.) и может поддерживать стабильные условия работы в суровых условиях. В то же время волоконные лазеры представляют собой твердотельные структуры и не содержат оптических компонентов в свободном пространстве, поэтому считаются более долговечными и адаптируемыми к изменениям окружающей среды.

Твердотельные лазеры имеют относительно низкую стабильность, и изменения факторов окружающей среды могут оказывать большее влияние на их производительность.

⑤ Характеристики рассеивания тепла

Волоконные лазеры обладают отличными характеристиками рассеивания тепла. Его усиливающей средой является оптическое волокно, которое имеет большое соотношение площади поверхности к объему, а тепло может быстро рассеиваться, поэтому оно может стабильно работать в течение длительного времени и выдерживать высокую выходную мощность.

Твердотельные лазеры относительно трудно рассеивают тепло и склонны к тепловым эффектам при работе на высокой мощности, что влияет на производительность и срок службы лазера.

⑥ Размер и затраты на обслуживание

Волоконные лазеры очень компактны и практически не требуют обслуживания. Небольшой размер волокна и отсутствие внешних зеркал значительно уменьшают проблемы юстировки, связанные с твердотельными лазерами. Кроме того, отличные возможности рассеивания тепла волокна обычно не требуют активного охлаждения, что еще больше снижает требования к техническому обслуживанию. В то же время волоконные лазеры, как правило, безопаснее в эксплуатации, поскольку лазер находится внутри волокна, что снижает риск случайного воздействия.

Юстировка зеркал твердотельных лазеров имеет решающее значение для их работы и требует регулярного осмотра и регулировки, что увеличивает объем работ по техническому обслуживанию. Кроме того, твердотельные лазеры обычно требуют активного охлаждения для управления теплом, выделяемым в усиливающей среде, что не только увеличивает сложность системы, но и увеличивает требования к техническому обслуживанию. Твердотельные лазеры, как правило, больше, чем волоконные лазеры.

2. Области применения

Волоконные лазеры отлично подходят для промышленной резки и сварки благодаря своей высокой мощности, высокому качеству луча, хорошему рассеиванию тепла и стабильности. Волоконные лазеры особенно подходят для сварки толстых листов и металлических материалов. Их высокая эффективность электрооптического преобразования, а также конструкция, не требующая регулировки и обслуживания, значительно снижают стоимость использования и сложность обслуживания. В то же время высокая устойчивость волоконных лазеров к резки в суровых рабочих условиях, таких как пыль, вибрация, влажность и т. д., также позволяет им хорошо работать на различных промышленных объектах. Лазеры непрерывного действия имеют высокую степень проникновения в область макрообработки и постепенно вытеснили традиционные методы обработки в этой области.

Твердотельные лазеры уникальны в области сверхточной и ультрамикрообработки благодаря своей высокой пиковой мощности, большой энергии импульса и коротковолновому лазерному излучению (например, зеленому и ультрафиолетовому свету). В таких процессах, как маркировка металлических/неметаллических материалов, резка, сверление и сварка, твердотельные лазеры могут обеспечить более высокую точность обработки и более широкую применимость материалов. Твердотельные лазеры стали предпочтительным оборудованием, особенно при высокоточной сварке и светоотверждаемой 3D-печати неметаллических материалов, благодаря их коротковолновым лазерам с небольшим тепловым эффектом и высокой точностью обработки. Твердотельные лазеры в основном используются в области прецизионной микрообработки неметаллических материалов, а также тонких, хрупких и других металлических материалов из-за их короткого замыкания.длина волны (ультрафиолетовый, глубокий ультрафиолет), короткая ширина импульса (пикосекундная, фемтосекундная) и высокая пиковая мощность. Кроме того, твердотельные лазеры широко используются в передовых научных исследованиях в области экологии, медицины, военного дела и так далее.

3. Доля рынка

Наша страна находится в процессе трансформации и модернизации производства от низшего к высокотехнологичному производству. Высокая доля приходится на низкосортное производство. Рынок макропереработки охватывает как низкопроизводительные, так и частично высокопроизводительные производства. Спрос на рынке велик. Таким образом, емкость рынка волоконных лазеров относительно велика.

Отечественные волоконные лазеры малой мощности сильно локализованы, и существует множество крупных отечественных производителей. Согласно «Отчету о развитии лазерной промышленности Китая», волоконные лазеры малой мощности были полностью заменены отечественной продукцией; что касается непрерывных волоконных лазеров средней мощности, отечественное качество не имеет очевидных недостатков, ценовое преимущество очевидно, а доля рынка эквивалентна; Что касается мощных непрерывных волоконных лазеров, отечественные бренды частично достигли продаж.

Что касается твердотельных лазеров, то из-за позднего развития в Китае в настоящее время нет зарегистрированных компаний, основным бизнесом которых является этот продукт, и они обычно приобретают иностранные бренды.

Волоконные лазеры в основном используются в области макрообработки из-за их высокой выходной мощности (лазерная макрообработка обычно подразумевает обработку размера и формы обрабатываемого объекта с воздействием лазерного луча на миллиметровом уровне); Твердые лазеры широко используются в области микрообработки из-за их преимуществ, таких как короткая длина волны, узкая ширина импульса и высокая пиковая мощность (микрообработка обычно относится к обработке размера и формы с точностью, достигающей уровня микрометра или даже нанометра), что приводит к определенным различиям между пользователями твердотельных лазеров и волоконных лазеров.

В общем, твердотельные лазеры и волоконные лазеры имеют свои области применения. В большинстве областей между ними нет прямой конкуренции. В области обработки металлических материалов, которая пересекается с областью микрообработки, когда металл достигает определенной толщины, в этой области обычно используются традиционные методы или волоконные лазеры по соображениям стоимости. Твердотельные лазеры используются только в сценах с тонким металлом или высокими требованиями к обработке и нечувствительны к стоимости. неметаллические материалы (стекло, керамика, пластмассы, полимеры, упаковка, другие хрупкие материалы и т. д.), а в области металлических материалов они используются в сценах с высокими требованиями к точности и связанными с нимисовершенно нечувствителен к стоимости.