مقدمه

لیزر فیبری به انگلیسی Fiber Laser، از نوع لیزرهای حالت جامدی است که از فیبرهای نوری به عنوان محیط بهره‌برداری فعال استفاده می‌کند. انواع مختلف لیزر های فیبری بر اساس چهار عامل طبقه‌بندی می‌شوند: منبع لیزر، مد لیزر، شیوه عملکرد، و توان لیزر. لیزرهای فیبری به ‌دلیل بهره‌وری بالای محیط بهره‌برداری، حلقه بازخورد هوشمند مبتنی بر شبکه‌های فیبر براگ، و کاواک نوری مستحکم، ارزشمند محسوب می‌شوند.

لیزرهای فیبری در جوش لیزری، برش لیزری، قلم‌زنی، و پاکسازی کاربرد دارند. این ابزارها اغلب در فرآوری مواد و تولید، طیف سنجی، تولید برق، حمل و نقل، کاربردهای پزشکی، مخابرات و حوزه های نظامی دیده می‌شوند. قیمت لیزرهای فیبری از سایر لیزرهای موجود در بازار بالاتر است و هزینه‌ای از ۲۰ هزار تا ۲۰۰ هزار دلار در بر دارد. با این حال، هزینه عملیاتی و نگهداری پایین‌تر این دستگاه ها به جبران هزینه بالای آنها کمک می‌کند. این مقاله به تشریح مزایا، طراحی، کاربردها، و موارد استفاده از لیزرهای فیبری می‌پردازد.

فهرست مطالب

لیزر فیبری چیست؟

لیزر فیبری نوعی لیزر حالت جامد است که از فیبرهای نوری برای محیط بهره‌برداری فعال استفاده می‌کند. یک فیبر از شیشه سیلیکات یا فسفات ساخته شده است. این فیبر نور خام تولید شده توسط دیودهای پمپ لیزر را جذب می‌کند و آن را به پرتوی متمرکزی با طول موج مشخص تبدیل می‌کند. این فرآیند به کمک افزودن عناصر خاکی کمیاب (دوپینگ) به فیبر امکان‌پذیر می‌شود. هر ماده دوپ شده پرتو لیزر با طول موج متفاوتی تولید می‌کند. برخی از عناصر دوپینگ متداول عبارتند از: دیسپروزیم (۲۶۰۰-۳۴۰۰ نانومتر)، هولمیوم (۲۰۲۵-۲۳۰۰ نانومتر)، و تولیوم (۱۹۰۰-۲۵۰۰ نانومتر).

لیزرهای فیبری یکی از گزینه‌های با صرفه‌جویی بیشتر در مصرف انرژی در میان لیزرها هستند و تا ۵۰ درصد بازده انرژی بیشتری نسبت به لیزرهای CO2 دارند. سیستم‌های طبقه‌بندی متعددی بر پایه منبع لیزر، شیوه عملکرد، توان لیزر و مد (اندازه هسته فیبر نوری که نور از آن عبور می‌کند) وجود دارند.

با توجه به گستره وسیع طول‌ موج های امکان‌پذیر، لیزرهای فیبری برای شماری از کاربردها از جمله برش لیزری، پاکسازی، بافت‌دهی(ایجاد نقش و نگار سه بعدی)، حکاکی، سوراخ‌کاری، نشانه‌گذاری و جوشکاری مناسب هستند. این امر کاربرد لیزرهای فیبری در صنایع بسیاری از جمله فرآوری و تولید مواد، طیف‌سنجی، تولید برق، حمل‌ونقل، پزشکی، مخابرات، و سخت‌افزار نظامی را میسر می‌سازد.

پیشینه تاریخی برش لیزری با لیزر فیبری چیست؟

با اینکه لیزر فیبری در سال ۱۹۶۱ اختراع شد، اما این فناوری تا دهه ۱۹۹۰ آنقدر بالغ نشده بود که به شکل تجاری مورد استفاده قرار بگیرد. برای اکثر کاربردها حداقل ۲۰ وات قدرت لیزر مورد نیاز است، در حالیکه لیزرهای فیبری اولیه تنها قادر به خروجی در حد چند میلی‌وات بودند. علاوه بر این، هیچ راهی برای تولید منبع نور، پمپ باکیفیت وجود نداشت چرا که دیودهای لیزری اولیه به سادگی از بازدهی لازم برخوردار نبودند.

لیزر فیبری توسط چه کسی اختراع شد؟

لیزر فیبری در سال ۱۹۶۱ توسط الیاس اسنیتزر(Elias Snitzer) که تصویر او در شکل ۱ زیر آمده است و همکارانش در کارخانه American Optical در ساوتبریج ماساچوست آمریکا ساخته شد.

تحقیقات اولیه اسنیتزر به ساخت اولین لیزر حالت جامد شیشه ای در سال ۱۹۶۱ منتهی شد. آزمایشگاه وی اولین نظریه و مشاهده مدها در فیبر نوری را منتشر کرد. هر دو برنامه تحقیقاتی در توسعه لیزر فیبری نقش داشتند.

مزایای لیزر فیبری کدام است؟

لیزر فیبری در مقایسه با منابع حرارتی لیزر متداول مزایای متعددی دارد که در زیر آمده است:

  1. لیزر فیبری یک پرتو را درون فیبر ایجاد می‌کند و از بین می‌برد و نیاز به یک واسطه نوری جداگانه برای انتقال پرتو وجود ندارد. بنابراین این لیزر فوق‌العاده پایدار و نگهداری آن آسان است
  2. لیزرهای فیبری بهره‌برداری نوری بسیار بالایی دارند و توانایی تولید یک کیلووات توان خروجی پیوسته را ارائه می‌دهند
  3. لیزرهای فیبری نرخ تبدیل توان ۳۰ تا ۵۰ درصد را دارند که در مقایسه با لیزرهای CO2 که نرخ ۱۰ تا ۱۵ درصد دارند، مزیت روشنی در مقوله بازده انرژی به شمار می‌رود
  4. لیزرهای فیبری بسیار دقیق هستند، حتی در طراحی‌های پیچیده. این به دلیل پرتوهای متمرکز باریکی است که دارند. از آنجا که دستگاه‌های برش لیزر به شکل فیزیکی در تماس با ماده کار نیستند و تنها ناحیه محدودی تحت تاثیر حرارت قرار می‌گیرد، کیفیت برش‌ها تمیز و بدون پلیسه، لبه‌های ناهموار، یا اعوجاج حرارتی می‌شود.
  5. هسته باریک فیبر، پرتو را تولید می‌کند. نتیجتا می‌توان یک پرتو نوری مستقیم و باکیفیت را با پراش کمتر نسبت به روش‌های دیگر ایجاد کرد.
  6. در یک مجموعه لیزر فیبری برخلاف لیزرهای CO2 نیازی به نگهداری دوره‌ای مانند تعویض آینه یا تنظیم آن نیست. لیزرهای فیبری بر خلاف لیزرهای CO2 هیچ دمنده یا قطعات متحرکی ندارند.
  7. لیزرهای فیبری انرژی کمتری مصرف می‌کنند و نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارند که نتیجه آن کاهش هزینه‌های عملیاتی است.

معایب لیزر فیبری چیست؟

لیزرهای فیبری دارای برخی معایب هستند که در زیر آمده است:

  1. برش‌دهنده لیزر فیبری در اغلب موارد قطعات گران‌تری دارد
  2. فیبر انتقال را نمی‌توان از منبع جدا کرد و این امر جایگزینی آن را دشوار می‌سازد

کاربردهای لیزر فیبری چیست؟

لیزرهای فیبری به دلیل تنوع در سطوح توانی که می‌توانند تولید کنند، در کاربردهای متعددی مفید هستند. از جمله این کاربردها می‌توان به این موارد اشاره کرد:

  • نشانه‌گذاری لیزری(Laser Marking): لیزرهای فیبری دارای طول موج انتشار ۱۰۶۴ نانومتر و دوپ شده با ایتربیم، ابزار ایده‌آلی برای کاربردهای نشانه‌گذاری لیزری در نظر گرفته می‌شوند. این لیزرها می‌توانند اثرات تیز و بادوامی روی سطوح پلاستیکی و فلزی به جا بگذارند. این لیزرها را می‌توان برای تطبیق با چرخه‌های تولید سریع سفارشی کرد، همچنین می‌تواند دستی یا خودکار باشد. از تجهیزات لیزر فیبری می‌توان برای آنیل کردن، اچ کردن و حکاکی نیز استفاده کرد.
  • پاکسازی لیزری(Laser Cleaning): پاکسازی لیزری – یعنی فرآیند حذف رنگ، اکسید، و زنگار از سطوح فلزی – با استفاده از لیزرهای فیبری به بهترین نحو انجام می‌شود. این فرآیند را می‌توان متناسب با شرایط متنوع خط تولید خودکارسازی و سفارشی کرد.
  • جوشکاری لیزری(Laser Welding): لیزرهای فیبری نقش مهمی را در صنعت جوشکاری بازی می‌کنند. جوشکاری لیزر در مقایسه با روش‌های متداول سرعت بیشتر، دقت بیشتر، اعوجاج کمتر، کیفیت بالاتر، و بازده بیشتر ارائه می‌دهد.
  • برش لیزری(Laser Cutting): لیزرهای فیبری کیفیت لبه به شدت مطلوبی دارند و می‌توانند برش‌های دشواری را انجام دهند. این لیزرها برای اقلام با تلورانس بالا، ایده‌ال هستند. به دلیل لیست گسترده مزایا، تولیدکنندگان رفته‌رفته شروع به اولویت دادن به لیزرهای فیبری کرده‌اند.

حداکثر توان یک لیزر فیبری چقدر است؟

حداکثر توان یک لیزر فیبری در بعضی موارد می‌تواند از ۱۰۰ کیلووات هم فراتر رود، مخصوصا در مورد سیستم های جوشکاری لیزر فیبری. با این حال، تولیدکنندگان سیستم‌های ۱۰۰ کیلوواتی ندارند – کارگاه و سیستم های انتقال پرتو توانایی پشتیبانی از این قدرت را ندارند. لیزرهای فیبری فوق توان بالا (UHP) در دامنه ۱۰ تا ۴۰ کیلووات موجود هستند.

میانگین توان یک لیزر فیبری چقدر است؟

میانگین توان لیزر فیبری به کاربرد آن بستگی دارد. محبوب‌ترین نوع لیزر فیبری برای علامت‌گذاری، لیزر فیبری پالسی با توان متوسط پایین (10 تا 20 وات)، طول پالس 100 نانوثانیه و انرژی پالس در محدوده 0.5 تا 1.0 میلی‌ژول است. برای بهینه‌سازی چرخه‌های تولید، ابلیشن سریع و تمیزکاری سطح به توان متوسط و انرژی پالس بالاتری نیاز دارد. لیزرهای فیبری پالسی با توان متوسط ​​بیش از 500 وات و انرژی پالس 50 میلی‌ژول برای انجام این فرآیندهای مقرون به صرفه تولید شده‌اند. لیزرهای فیبری QCW (موج شبه پیوسته) با طول پالس طولانی (ثانیه تا میلی‌ثانیه) برای پاسخگویی به نیاز به انرژی پالس بالا (تا 60 ژول) در توان متوسط ​​پایین‌تر (برخی به 100 وات می‌رسند) توسعه یافته‌اند.


ابلیشن
(Ablation) به فرآیندی گفته می‌شود که در آن از لیزر، امواج رادیویی یا سایر منابع انرژی برای برداشتن ماده از یک سطح استفاده می‌شود. این ماده می‌تواند سلول‌های زنده، بافت، رسوبات یا پوشش‌ها باشد.

چگونه قدرت لیزر فیبری افزایش می‌یابد (اسکیل می‌شود)؟

توانایی لیزرهای فیبری برای افزایش قدرت (اسکیل شدن) توسط پراکندگی بریلوئن(Brillouin) و رامان(Raman) و همچنین کم بودن طول خود لیزرها محدود می‌شود. اجزای بسیاری، از جمله تقویت‌کننده‌ها، سوئیچ‌ها، و عناصر منطقی، نیازمند پیکربندی‌های فیبر نوری غیرخطی هستند.

دو دسته از اثرات غیرخطی در فیبرهای نوری وجود دارند. اثر اول ناشی از اثر کِر(Kerr effect) و یا وابستگی ضریب شکست محیط به شدت نور است. این پدیده بسته به نوع سیگنال ورودی، خود را به‌صورت یکی از سه اثر زیر نشان می‌دهد: مدولاسیون فاز متقاطع [cross-phase modulation (CPM)]، مدولاسیون فاز غیرخطی[self-phase modulation (SPM)]، یا ترکیب چهار موج[four-wave mixing (FWM)].

اثر غیرخطی دوم زمانی رخ می‌دهد که میدان نوری مقداری از انرژی خود را از طریق پراکندگی غیرکشسان به محیط غیرخطی منتقل می‌کند. چنین پراکندگی غیرکشسانی می‌تواند منجر به پدیده‌هایی مانند پراکندگی بریلوئن تحریک‌شده[stimulated Brillouin scattering (SBS)] و پراکندگی رامان تحریک‌شده[stimulated Raman scattering (SRS)] شود.

هر شکلی از کنش پراکندگی تحریک‌شده می‌تواند منبعی بالقوه برای بهره (گین) فیبر ​​باشد. در هر دو فرآیند، اگر توان فرودی از آستانه مشخصی فراتر رود، شدت نور پراکنده به طور نمایی افزایش می‌یابد. به‌دلیل تغییر فرکانس نسبتاً بزرگ‌تر و پهنای باند بهره وسیع‌تر، تقویت رامان سودمندتر است. تفاوت اصلی بین این دو اثر در این است که در پراکندگی بریلوئن موج نوری با فونون‌های آکوستیکی کم فرکانس، در حالی که در پراکندگی رامان موج نوری هدایت‌شده با فونون‌های نوری پر فرکانس برهم‌کنش می‌کند. تفاوت کلیدی دیگر این است که SRS می‌تواند در هر دو جهت رخ دهد در حالی که SBS فقط در جهت بازگشتی در فیبرهای نوری اتفاق می‌افتد.

کیفیت پرتو لیزر فیبری چیست؟

کیفیت پرتو لیزر فیبری به دو عامل اصلی بستگی دارد:

  • شدت اعوجاجات درون حفره‌ای: هرچه اعوجاجات درون حفره‌ای لیزر فیبری کمتر باشد، کیفیت پرتو آن بهتر خواهد بود.
  • طراحی رزوناتور: طراحی رزوناتور لیزر فیبری نیز نقش مهمی در تعیین کیفیت پرتو آن دارد.

در حالت ایده‌آل، لیزر فیبری باید یک پرتو گاوسی (Gaussian beam) تولید کند. پرتو گاوسی نوعی پرتو نوری است که در آن توزیع شدت نور در مقطع عرضی آن به صورت گاوسی است.

با این حال، در عمل هیچ لیزر فیبری نمی‌تواند پرتو کاملاً گاوسی تولید کند و همیشه تا حدی ناقص خواهد بود. کیفیت پرتو لیزر فیبری با پارامتری به نام M2 مشخص می‌شود. M2 عددی غیرمنفی است که هرچه به 1 نزدیک‌تر باشد، کیفیت پرتو لیزر فیبری بهتر خواهد بود.

جایگزین‌های لیزرهای فیبری برای برش

در حال حاضر، لیزرهای فیبری به یکی از محبوب‌ترین فناوری‌های برش در صنایع مختلف تبدیل شده‌اند. با این حال، هنوز هم برخی از جایگزین‌ها برای این نوع لیزر وجود دارند که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. در این متن، به بررسی دو مورد از این جایگزین‌ها می‌پردازیم:

1. لیزرهای گاز/CO2:

  • طول موج لیزر CO2 برابر با 10.6 میکرومتر است.
  • در مقایسه با لیزر فیبری با همان توان خروجی، لیزر CO2 انرژی بیشتری برای برش مواد ضخیم‌تر دارد و می‌تواند سطح صاف‌تر و با کیفیت‌تری را ایجاد کند.
  • برخی از مواد قابل برش با لیزر CO2 عبارتند از: اکریلیک، چرم، برخی از پلاستیک‌ها و فوم‌ها، شیشه، مواد پایه کاغذی و چوب.

2. برش‌دهنده‌های لیزری کریستالی:

  • برش‌دهنده‌های لیزری کریستالی با طول موج‌های کوتاه‌تر نسبت به لیزرهای CO2 کار می‌کنند، به این معنی که شدت بالاتری دارند و می‌توانند مواد ضخیم‌تر و سخت‌تر را برش دهند.
  • با این حال، به دلیل توان بالای آنها، قطعات این نوع لیزر به سرعت فرسوده می‌شوند.
  • لیزرهای کریستالی بیشتر برای برش فلزات، سرامیک‌ها و پلاستیک‌ها استفاده می‌شوند.

انتخاب بین لیزر فیبری و جایگزین‌های آن:

انتخاب بهترین فناوری برش به نیازها و الزامات خاص شما بستگی دارد. در اینجا چند نکته برای کمک به شما در انتخاب وجود دارد:

  • نوع مواد: اگر نیاز به برش مواد ضخیم یا سخت دارید، لیزر CO2 یا لیزر کریستالی ممکن است انتخاب بهتری باشد.
  • کیفیت برش: اگر به سطح برش صاف و با کیفیت بالا نیاز دارید، لیزر CO2 انتخاب بهتری است.
  • سرعت برش: اگر به سرعت برش بالا نیاز دارید، لیزر کریستالی انتخاب بهتری است.
  • هزینه: لیزرهای فیبری به طور کلی مقرون به صرفه‌تر از لیزرهای CO2 و لیزرهای کریستالی هستند.
  • نگهداری: لیزرهای CO2 و لیزرهای کریستالی به نگهداری تخصصی بیشتری نسبت به لیزرهای فیبری نیاز دارند.

چه موادی را می توان با لیزر فیبری برش داد؟

لیزرهای فیبری به دلیل تنوع و کارایی بالا، در حال حاضر به یکی از محبوب‌ترین ابزارهای برش در صنایع مختلف تبدیل شده‌اند. این نوع لیزر قادر به برش طیف گسترده‌ای از مواد با دقت و کیفیت بالا است. در این متن، به بررسی برخی از مواد قابل برش با لیزر فیبری می‌پردازیم:

  1. فلزات:فولاد کربنی، مس، برنج، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، آلومینیوم
  2. پلاستیک:اکریلیک، پلی اکسی متیلن، لوسایت
  3. گرافیت

مواد نامناسب برای برش با لیزر فیبری:الیاف شیشه، چرم، سرامیک، پلی کربنات، ABS ، HDPE، پلی استایرن، فوم پلی پروپیلن

چگونه بفهمیم که قدرت لیزر فیبری برای برش لیزری کافی است؟

انتخاب لیزر فیبری با توان مناسب برای برش لیزری به عوامل مختلفی از جمله نوع و ضخامت مواد، کیفیت برش مورد نظر و سرعت برش دلخواه بستگی دارد.

در اینجا یک راهنمای کلی برای انتخاب توان لیزر فیبری ارائه شده است:

  • مواد با ضخامت کمتر از 0.25 سانتی‌متر: برای برش مواد با ضخامت کمتر از 0.25 سانتی‌متر، به طور کلی به لیزر فیبری با توان کمتر از 10 کیلووات نیاز است.
  • مواد با ضخامت 0.25 سانتی‌متر: برای برش مواد با ضخامت 0.25 سانتی‌متر، بهتر است از لیزر فیبری با توان 15 کیلووات استفاده شود.
  • مواد با ضخامت بیشتر از 0.33 سانتی‌متر: برای برش مواد با ضخامت بیشتر از 0.33 سانتی‌متر، به لیزر فیبری با توان 20 کیلووات یا بیشتر نیاز است.

استفاده از لیزر فیبری با توان بالاتر، به شما امکان می‌دهد تا با ضخامت‌های بیشتر و با سرعت و دقت بالاتر برش دهید.به طور کلی، دو برابر شدن توان لیزر، منجر به افزایش 20 تا 30 درصدی هزینه‌های عملیاتی لیزر می‌شود.با این حال، افزایش توان لیزر همچنین باعث کاهش هزینه برش به ازای هر سانتی‌متر و افزایش ظرفیت و سرعت برش لیزر می‌شود.

قابلیت اطمینان لیزر فیبر چیست؟ چه انتظاری می‌توان داشت؟

تعیین طول عمر دقیق یک لیزر فیبری غیرممکن است. مانند هر دستگاه دیگری، لیزرهای فیبری نیز می‌توانند در هر مرحله از عمر خود، از ابتدای کار تا انتهای عمر مفید، دچار نقص شوند.با این حال، در صنعت، “میانگین زمان بین خرابی‌ها” (MTBF) برای لیزرهای فیبری به طور تقریبی 100,000 ساعت تخمین زده می‌شود. این عدد بسته به نوع لیزر فیبری می‌تواند متفاوت باشد.MTBF معیاری برای سنجش قابلیت اطمینان لیزر است و با آزمایش تعداد لیزر، جمع‌آوری نتایج و تقسیم آن بر تعداد کل خرابی‌ها محاسبه می‌شود.

طراحی لیزر فیبری

طراحی لیزر فیبری شامل اجزای زیر است:

  • منبع پمپ: لیزرهای فیبری از دیودهای لیزر برای پمپ کردن فیبر استفاده می‌کنند. دیودهای لیزر نور با طول موج مشخصی (معمولاً بین ۸۰۰ تا ۹۸۰ نانومتر) تولید می‌کنند که توسط فیبر جذب می‌شود.
  • فیبر نوری: فیبر نوری قلب لیزر فیبری است. این فیبر از شیشه سیلیکات یا فسفات ساخته شده است و به عناصر خاکی کمیاب (دوپینگ) آغشته شده است. دوپینگ طول موج لیزر را تعیین می‌کند. قطر هسته فیبر نوع مد لیزر را تعیین می‌کند.
  • سیستم بازخورد: سیستم بازخورد برای اطمینان از کیفیت و پایداری پرتو لیزر استفاده می‌شود. این سیستم از یک شبکه فیبر براگ (FBG) برای نظارت بر طول موج و قدرت لیزر استفاده می‌کند.
  • سیستم خنک‌کننده: لیزرهای فیبری در حین کار گرما تولید می‌کنند. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد فیبر و حفظ عملکرد لیزر، از یک سیستم خنک‌کننده استفاده می‌شود.

انواع لیزر فیبری

لیزرهای فیبری را می‌توان بر اساس چندین عامل طبقه‌بندی کرد، از جمله:

  • منبع لیزر: لیزرهای فیبری می‌توانند از دیودهای لیزر مختلفی مانند لیزرهای لبه‌ای، لیزرهای دیسک، یا لیزرهای فیبر استفاده کنند.
  • مد لیزر: لیزرهای فیبری می‌توانند در حالت‌های مختلفی از جمله تک‌مد، چندمد، و موج هدایت‌شده کار کنند.
  • شیوه عملکرد: لیزرهای فیبری می‌توانند در حالت‌های پیوسته یا پالسی کار کنند.
  • توان لیزر: لیزرهای فیبری می‌توانند طیف وسیعی از توان را از میلی‌وات تا کیلووات تولید کنند.

کاربرد لیزر فیبری در صنایع مختلف

لیزرهای فیبری در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله:

  • فرآوری مواد: لیزرهای فیبری برای برش، جوشکاری، حکاکی، و علامت‌گذاری مواد مختلف استفاده می‌شوند.
  • طیف‌سنجی: لیزرهای فیبری برای طیف‌سنجی مواد مختلف استفاده می‌شوند.
  • تولید برق: لیزرهای فیبری برای پمپاژ لیزرهای دیگر استفاده می‌شوند که می‌توان از آنها برای تولید برق استفاده کرد.
  • حمل‌ونقل: لیزرهای فیبری در سیستم‌های ارتباطات فیبر نوری استفاده می‌شوند.
  • پزشکی: لیزرهای فیبری برای جراحی، لیزر درمانی، و تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شوند.
  • مخابرات: لیزرهای فیبری در سیستم‌های ارتباطات فیبر نوری استفاده می‌شوند.
  • نظامی: لیزرهای فیبری در سیستم‌های سنجش از راه دور، هدف‌گیری، و سلاح استفاده می‌شوند.

نحوه عملکرد لیزرهای فیبری

لیزرهای فیبری با تولید پرتوهای نوری تیز و قدرتمند، توانایی برش آسان حتی سخت‌ترین مواد را دارند. آنچه این نوع لیزر را از سایر ابزارهای برش و لیزرهای برش رایج متمایز می‌کند، نحوه انتقال و تمرکز انرژی بر روی قطعه کار است.

یک لیزر در ساده‌ترین حالت از سه بخش اصلی تشکیل شده است: محیط بهره، پمپ نوری و آرایه آینه.

  • پمپ نوری: انرژی الکتریکی را تولید می‌کند که در داخل محیط بهره به فوتون تبدیل می‌شود.
  • محیط بهره: ماده‌ای است که در آن فوتون‌ها تولید و تقویت می‌شوند.
  • آرایه آینه: نور را به طور متناوب بین آینه‌ها منعکس می‌کند و در نهایت به یک پرتو نور متمرکز تبدیل می‌شود.

با کنترل دقیق طول موج‌های الکترومغناطیسی، این روش به پرتوهای لیزر اجازه می‌دهد تا اطلاعات را با دقت و کارایی شگفت‌انگیزی منتقل کنند.

در یک برش‌دهنده لیزری فیبری، از شبکه‌ای از کابل‌های نوری که از رشته‌های نازک فیبر تشکیل شده‌اند، برای انتقال امواج نوری به طور مستقیم به قطعه کار استفاده می‌شود. این امر به لیزر دقت و تمرکز حرارتی بالایی می‌دهد و منجر به برش‌های تمیزتر و اتصالات قوی‌تر بین مواد می‌شود.

علاوه بر این، نرم‌افزار کنترلی دستگاه و اجزایی که به هدایت و برش قطعه کار کمک می‌کنند، از دیگر بخش‌های حیاتی این سیستم هستند.

علاوه بر این، لیزرهای فیبری را می‌توان با ترکیب آنها با هدهای برش تخصصی، برای کاربردها و نیازهای خاص تطبیق داد.

لیزر فیبری چگونه کار می‌کند؟

مراحل عملکرد یک لیزر فیبری در ادامه می‌آید:

1.ایجاد نور برای لیزر

دیودهای لیزری، برق را به فوتون (نور) تبدیل می‌کنند که سپس به داخل فیبر نوری تزریق می‌شود. به این دلیل به دیودها “منبع پمپ” نیز گفته می‌شود. دیودها از دو نیمه‌هادی با بارهای مخالف برای تولید نور استفاده می‌کنند. الکترودهای با بار مثبت نیاز به الکترون‌های بیشتری دارند در حالی که الکترودهای با بار منفی حاوی الکترون‌های آزادند. برای خنثی کردن بارها، الکترون آزاد باید بین الکترودها بپرد. با انجام این جهش، الکترون یک فوتون آزاد می کند. با اعمال جریان الکتریکی به نیمه‌هادی‌ها، تعداد فوتون‌ها به سرعت افزایش می‌یابد.

2.پمپاژ نور از طریق کابل فیبر نوری

هسته فیبر و روکش (غلاف) دو قسمت اصلی کابل‌های فیبر نوری هستند که باعث می‌شوند نور در یک جهت متمرکز شود و در نهایت یک پرتو لیزر تولید کنند. نور از طریق هسته فیبر که شامل فلزات خاکی کمیاب و از جنس شیشه سیلیکا است، عبور می‌کند.

3.تقویت نور در کاواک لیزر

هنگامی که نور دیودهای لیزر به فیبر دوپ شده می‌رسد، با اتم های عناصر خاکی کمیاب برهم‌کنش می‌کند و سطح انرژی الکترون‌ها را بالا می‌برد. این فرآیند منجر به وارونی جمعیت می‌شود که برای ایجاد یک پرتو لیزر کارآمد ضروری است.

وقتی که محیط بهره در حالت “وارونگی توزیع انرژی” قرار دارد به این معنی است که بیشتر الکترون‌ها در حالت برانگیخته‌ قرار دارند تا در حالت پایه. هنگامی که الکترون‌ها به ترازهای انرژی پایین‌تر برمی‌گردند، فوتون گسیل می‌کنند. برخی از این الکترون‌ها تنها می‌توانند فوتون‌هایی با طول موج معینی تولید کنند. وقتی این فوتون‌ها با سایر الکترون‌های برانگیخته برخورد می‌کنند، باعث گسیل فوتون‌هایی مشابه شده و خود به تراز پایین‌تر سقوط می‌کنند. این همان بخش “گسیل تحریک‌شده” در سرواژه LASER است (تقویت نور به روش گسیل القایی تابش).

با برگشت الکترون‌ها به حالت پایه، نور ورودی از دیودهای پمپ باعث برانگیخته شدن دوباره آنها می‌شود. این فرآیند منجر به ایجاد یک جریان ثابت از نور لیزر ناکارآمد می‌شود که در نهایت به تعادل میان الکترون‌های برانگیخته و پایه خود می‌رسد.

4.ایجاد نور لیزری با طول موج هدف

نوع ماده دوپ شده داخل کاواک لیزر بر طول موج خروجی فیبر مؤثر است. آیتم مهمی است، چراکه کاربردهای مختلف به طول موج‌های مختلفی نیاز دارند. اربیم، تولیم، ایتربیم، نئودیمیم و سایر عناصر می‌توانند به عنوان ماده دوپ‌کننده به کار روند. از آنجایی که هر یک از این عناصر، فوتون‌ها را در ترازهای انرژی خاصی آزاد می‌کنند، مواد دوپ‌کننده مختلف باعث ایجاد طول موج‌های متفاوتی می‌شوند. در نتیجه، تمامی فوتون‌های تولید شده توسط یک کاواک لیزری خاص دارای طول موج یکسانی خواهند بود. این همان دلیلی است که بابت آن هر نوع لیزر فیبری تنها قادر به گسیل یک طول موج مشخص می‌باشد.

5.شکل دادن پرتو لیزری

به کمک قطعاتی نظیر لنزها و بسط‌دهنده‌های پرتو می‌توان پرتو لیزر را طبق نیاز موردنظر تغییر شکل داد. لنزها با توجه به مزیتی که هر یک ارائه می‌دهند، با دقت برای کاربردهای مختلف انتخاب می‌شوند.

در کاربردهایی که لیزر وارد ماده می شود، به عنوان مثال در بافت دهی و حکاکی با کمک لیزر، به لنزهای با فاصله کانونی کوتاه نیاز است. فاصله کانونی کوتاهتر انرژی را روی ناحیه کوچکتری متمرکز می‌کند و این منجر به ابلیشن ماده می‌شود.

6.گسیل پرتو لیزری

  • نهایتاً، پس از انتخاب لنز مناسب، پرتو لیزر آزاد می‌شود تا عمل مورد نظر را انجام دهد. پرتوهای لیزر فیبری می‌توانند برای برش، جوش، حکاکی و تمیز کردن مواد خاصی نظیر فلزات به کار روند.

چه پارامترهایی در توصیف لیزرهای فیبری مورد استفاده قرار می گیرند؟

پارامترهای توصیف‌کننده لیزرهای فیبری به مُد عملکرد آنها بستگی دارد. توان لیزر، قطر پرتو، و سرعت جوشکاری/برشکاری پارامترهای لیزری هستند که معمولاً با لیزرهای پیوسته مرتبط هستند. پارامترهایی که برای لیزرهای پالسی استفاده می شوند شامل مدت پالس، انرژی پالس، قطر پرتو، و نرخ تکرار هستند. پارامترهای دیگری که در توصیف لیزرهای فیبری متداول هستند عبارتند از طول موج، توان لیزر، و کیفیت پرتو. .

مُدهای عملکرد لیزر فیبری

لیزرهای فیبری، دو مُد عملکرد اصلی دارند:

  • عملکرد پیوسته (CW): در این مُد عملکرد، چشمه پمپ خروجی نور لیزر را پیوسته نگه می‌دارد. این مُد عملکرد با عنوان free-running نیز شناخته می‌شود و خروجی پیوسته دارد. این مُد برای مواردی نظیر برش و جوشکاری با لیزر بسیار مناسب است.
  • عملکرد پالسی: در این مُد، نور به صورت پالس‌های متمرکز (کوتاه) گسیل می‌شود. این پالس‌های نوری به‌صورت متناوب تکرار می گردند. این روش اغلب برای متمرکز کردن انرژی روی یک ناحیه خاص از ماده استفاده می‌شود تا به نتایج مطلوب و مورد نظر با سرعت هرچه تمام‌تر دست یافت.

کدام مُد عملکرد لیزر فیبری برای برش لیزری مناسب‌تر است؟

مُد عملکرد پیوسته به دلیل پایداری توان و شدت پرتو لیزر در هنگام فرآیند برش، گزینه ایده‌آل تری است و این امر موجب تمیزی برشکاری می‌شود. با این حال، به دلیل راندمان نفوذ بالاتر، از مُد عملکرد پالسی برای برش فلزات ضخیم‌تر استفاده می‌شود. ضمنا این نکته قابل ذکر است که برای رسیدن به یک عمق نفوذ یکسان، لیزر پالسی به گرمای کمتری نیاز دارد.

تفاوت لیزرهای فیبری و لیزرهای CO2 چیست؟

تفاوت اصلی بین لیزرهای فیبری و CO2 در سرچشمه تولید پرتو لیزر است. در لیزرهای فیبری، شیشه سیلیکا دوپ‌شده با عناصر خاکی کمیاب به عنوان سرچشمه لیزر عمل می‌کند. در لیزرهای CO2، ترکیبی از گازها شامل دی‌اکسید کربن به عنوان سرچشمه لیزر عمل می‌کند. لیزرهای فیبری جزو لیزرهای حالت جامد هستند، در حالی‌که لیزرهای CO2 از خانواده لیزرهای گازی هستند.

سوالات متداول(FAQ)

لیزر فیبری چیست و چگونه کار می‌کند؟

لیزر فیبری نوعی لیزر حالت جامد است که از فیبرهای نوری برای محیط بهره‌برداری فعال استفاده می‌کند. این لیزرها با پمپاژ نور از طریق فیبر نوری و تقویت آن در کاواک لیزری، پرتو لیزری با طول موج هدف را ایجاد می‌کنند. نور لیزری حاصل سپس به شکل مورد نیاز برای کاربردهای مختلف تنظیم و گسیل می‌شود.

مزایای اصلی لیزر فیبری نسبت به لیزرهای دیگر چیست؟

مزایای اصلی لیزرهای فیبری شامل بهره‌وری بالای انرژی، کیفیت پرتو بالا، پایداری بیشتر، نیاز کمتر به نگهداری، و مصرف انرژی کمتر است. این لیزرها به دلیل طراحی یکپارچه و عدم نیاز به آینه‌های خارجی یا قطعات متحرک، هزینه‌های عملیاتی کمتری دارند.

معایب لیزرهای فیبری چیست؟

از معایب لیزرهای فیبری می‌توان به هزینه بالای تجهیزات، عدم قابلیت جدا شدن فیبر انتقال از منبع، و محدودیت‌هایی در توان اسکیل‌پذیری به دلیل پراکندگی‌های غیرخطی اشاره کرد.

کاربردهای اصلی لیزرهای فیبری در صنعت چیست؟

لیزرهای فیبری در صنایع مختلف برای کاربردهایی مانند برش لیزری، جوشکاری لیزری، نشانه‌گذاری، حکاکی، پاکسازی سطوح، و تولید قطعات پیچیده با دقت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. این لیزرها به دلیل دقت و کیفیت بالای پرتو در بسیاری از فرآیندهای تولیدی و صنعتی محبوب هستند.

تفاوت بین لیزر فیبری و لیزر CO2 چیست؟

لیزرهای فیبری و CO2 از لحاظ منبع نور، بهره‌وری انرژی و کاربردها متفاوت هستند. لیزرهای فیبری بازدهی انرژی بالاتری دارند و برای برش مواد فلزی بسیار مناسب‌اند، در حالی که لیزرهای CO2 بیشتر برای برش مواد غیر فلزی و استفاده‌های صنعتی سبک‌تر به کار می‌روند.

آیا لیزر فیبری برای همه انواع مواد مناسب است؟

لیزرهای فیبری برای برش و جوشکاری بسیاری از مواد فلزی مانند فولاد، آلومینیوم، و مس مناسب هستند، اما برای مواد غیر فلزی مانند پلاستیک‌ها یا چوب، لیزرهای CO2 معمولاً عملکرد بهتری دارند.

آینده لیزرهای فیبری چیست؟

با پیشرفت‌های مداوم در فناوری فیبر نوری و کاهش هزینه‌های تولید، انتظار می‌رود که لیزرهای فیبری در آینده نزدیک محبوب‌تر شوند و کاربردهای جدیدی در صنایع مختلف پیدا کنند. پیش‌بینی می‌شود که این لیزرها به دلیل دقت و کارایی بالا در تکنولوژی‌های پیشرفته مانند تولیدات میکرو و نانو نیز به کار گرفته شوند.

خلاصه

در این مقاله، لیزر فیبری معرفی گردید، ماهیت آن تشریح شد، و همچنین مزایا و کاربردهای لیزر فیبری مورد بحث قرار گرفت. این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه ساخت و تولید ایران به نشانی Digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

xometry.com/resources/sheet/fiber-laser

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.

نوشته‌های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *