تطبيقات الليزر وتصنيفه

1. ليزر القرص

لقد ساهم تصميم ليزر القرص المقترح في حل مشكلة التأثير الحراري لليزر الحالة الصلبة، وحقق مزيجًا مثاليًا من القدرة المتوسطة العالية، والقدرة القصوى العالية، والكفاءة العالية، وجودة الشعاع العالية. وأصبح ليزر القرص مصدرًا جديدًا لا غنى عنه لضوء الليزر في مجالات التصنيع، مثل السيارات، والسفن، والسكك الحديدية، والطيران، والطاقة، وغيرها. تتميز تقنية ليزر القرص عالية القدرة الحالية بقدرة قصوى تبلغ 16 كيلوواط وجودة شعاع تبلغ 8 ملي راديان، مما يُمكّن من اللحام عن بُعد بالليزر باستخدام الروبوتات والقطع بالليزر عالي السرعة في التطبيقات واسعة النطاق، ويفتح آفاقًا واسعة أمام ليزر الحالة الصلبة في هذا المجال.معالجة الليزر عالية الطاقةسوق التطبيقات.

مزايا ليزر الأقراص:

1. بنية معيارية

يتميز ليزر القرص ببنية معيارية، حيث يمكن استبدال كل وحدة بسرعة في الموقع. كما تم دمج نظام التبريد ونظام توجيه الضوء مع مصدر الليزر، مما يمنحه بنية مدمجة، وحجمًا صغيرًا، وسهولة في التركيب والتشغيل.

2. جودة شعاع ممتازة ومعيارية

تتميز جميع ليزرات القرص من TRUMPF التي تزيد قدرتها عن 2 كيلوواط بمعامل شعاع (BPP) موحد عند 8 مم/ملي راديان. ولا تتأثر هذه الليزرات بتغييرات وضع التشغيل، وهي متوافقة مع جميع بصريات TRUMPF.

3. نظرًا لأن حجم البقعة في ليزر القرص كبير، فإن كثافة الطاقة الضوئية التي يتحملها كل عنصر بصري تكون صغيرة.

يبلغ حدّ تلف طلاء العناصر البصرية عادةً حوالي 500 ميجاواط/سم²، بينما يبلغ حدّ تلف الكوارتز 2-3 جيجاواط/سم². وتكون كثافة الطاقة في تجويف الرنين لليزر القرصي من TRUMPF عادةً أقل من 0.5 ميجاواط/سم²، وكثافة الطاقة على ألياف التوصيل أقل من 30 ميجاواط/سم². لن تتسبب هذه الكثافة المنخفضة للطاقة في تلف المكونات البصرية ولن تُنتج تأثيرات غير خطية، مما يضمن موثوقية التشغيل.

4. اعتماد نظام تحكم في طاقة الليزر مع تغذية راجعة في الوقت الحقيقي.

يضمن نظام التحكم بالتغذية الراجعة في الوقت الفعلي استقرار الطاقة الواصلة إلى وصلة T، مما يُحسّن دقة النتائج ويجعلها قابلة للتكرار بشكل ممتاز. يكاد يكون وقت التسخين المسبق لليزر القرصي معدومًا، ويتراوح نطاق الطاقة القابلة للتعديل من 1% إلى 100%. ولأن الليزر القرصي يتغلب تمامًا على مشكلة تأثير العدسة الحرارية، فإن طاقة الليزر وحجم البقعة وزاوية تباعد الشعاع تظل ثابتة ضمن نطاق الطاقة الكامل، ولا تتعرض جبهة موجة الشعاع لأي تشوه.

5. يمكن توصيل الألياف الضوئية وتشغيلها أثناء استمرار تشغيل الليزر.

عند تعطل أحد الألياف الضوئية، يكفي عند استبداله إغلاق مسار الضوء الخاص به دون إيقاف التشغيل، بينما تستمر الألياف الضوئية الأخرى في إخراج ضوء الليزر. عملية استبدال الألياف الضوئية سهلة للغاية، فهي تعمل بمجرد التوصيل، دون الحاجة إلى أي أدوات أو تعديلات. يوجد جهاز مانع للغبار عند مدخل الشارع لمنع دخول الغبار إلى منطقة المكونات الضوئية.

6. آمن وموثوق

أثناء عملية المعالجة، حتى لو كانت انبعاثية المادة المعالجة عالية لدرجة انعكاس ضوء الليزر عائدًا إلى الليزر، فلن يؤثر ذلك على الليزر نفسه أو على فعالية المعالجة، ولن تكون هناك أي قيود على معالجة المواد أو طول الألياف. وقد حازت عملية تشغيل الليزر على شهادة السلامة الألمانية.

7. وحدة الصمام الثنائي للضخ أبسط وأسرع

تتميز مصفوفة الثنائيات المثبتة على وحدة الضخ بتصميم معياري. تتمتع وحدات مصفوفة الثنائيات بعمر خدمة طويل، وهي مكفولة لمدة ثلاث سنوات أو 20,000 ساعة. لا يتطلب الأمر أي توقف عن العمل، سواءً كان الاستبدال مخططًا له أو فوريًا نتيجة عطل مفاجئ. عند تعطل أي وحدة، يُصدر نظام التحكم إنذارًا ويزيد تلقائيًا تيار الوحدات الأخرى بما يتناسب مع ذلك للحفاظ على ثبات طاقة خرج الليزر. يمكن للمستخدم مواصلة العمل لعشر ساعات أو حتى عشرات الساعات. يُعد استبدال وحدات ثنائيات الضخ في موقع الإنتاج عملية بسيطة للغاية ولا تتطلب أي تدريب للمشغل.

2.2ليزر الألياف

تتكون ليزرات الألياف، مثل الليزرات الأخرى، من ثلاثة أجزاء: وسط كسب (ألياف مشبعة) يمكنه توليد الفوتونات، وتجويف رنين بصري يسمح بإعادة تغذية الفوتونات وتضخيمها رنينياً في وسط الكسب، ومصدر ضخ يعمل على إثارة انتقالات الفوتون.

الميزات: 1. تتميز الألياف الضوئية بنسبة عالية بين مساحة السطح والحجم، مما يوفر تبديدًا حراريًا فعالًا، ويمكنها العمل بشكل مستمر دون الحاجة إلى تبريد قسري. 2. نظرًا لكونها وسطًا موجيًا، تتميز الألياف الضوئية بقطر لب صغير، مما يجعلها عرضة لكثافة طاقة عالية داخل الليف. لذلك، تتميز ليزرات الألياف بكفاءة تحويل أعلى، وعتبة أقل، وكسب أعلى، وعرض خط طيفي أضيق، وتختلف عن الألياف الضوئية في انخفاض فقد الاقتران. 3. نظرًا لمرونة الألياف الضوئية، تتميز ليزرات الألياف بصغر حجمها ومرونتها، وبنيتها المدمجة، وانخفاض تكلفتها، وسهولة دمجها في الأنظمة. 4. تتميز الألياف الضوئية أيضًا بتعدد معاييرها القابلة للضبط وانتقائيتها، مما يتيح نطاق ضبط واسعًا، وتشتتًا واستقرارًا جيدين.

تصنيف ليزر الألياف:

1. ليزر الألياف المطعّم بالعناصر الأرضية النادرة

2. العناصر الأرضية النادرة المضافة إلى الألياف البصرية النشطة الناضجة نسبياً حالياً: الإربيوم، والنيوديميوم، والبراسيوديميوم، والثوليوم، والإيتربيوم.

3. ملخص ليزر رامان المحفز بالألياف: ليزر الألياف هو في الأساس محول طول موجي، حيث يحول طول موجة الضخ إلى ضوء ذي طول موجي محدد، ثم يُخرجه على شكل ليزر. من الناحية الفيزيائية، يكمن مبدأ توليد تضخيم الضوء في تزويد المادة المراد معالجتها بضوء ذي طول موجي مناسب لامتصاصه، مما يسمح لها بامتصاص الطاقة وتنشيطها بكفاءة. لذا، يختلف طول موجة الامتصاص باختلاف المادة المُطعِّمة، كما تختلف متطلبات طول موجة الضخ.

2.3 ليزر أشباه الموصلات

تم بنجاح إثارة ليزر أشباه الموصلات عام 1962، وحقق خرجًا مستمرًا عند درجة حرارة الغرفة عام 1970. لاحقًا، وبعد إجراء تحسينات، طُوّرت ليزرات الوصلة المزدوجة غير المتجانسة وثنائيات الليزر ذات البنية الشريطية، والتي تُستخدم على نطاق واسع في اتصالات الألياف الضوئية، والأقراص الضوئية، وطابعات الليزر، وماسحات الليزر، ومؤشرات الليزر. وهي حاليًا أكثر أنواع الليزر إنتاجًا. تتميز ثنائيات الليزر بالكفاءة العالية، وصغر الحجم، وخفة الوزن، وانخفاض السعر. على وجه الخصوص، تتراوح كفاءة نوع الآبار الكمومية المتعددة بين 20 و40%، بينما تصل كفاءة نوع PN إلى ما بين 15 و25%. باختصار، تُعد كفاءة الطاقة العالية أبرز ميزاتها. إضافةً إلى ذلك، يغطي طول موجة خرجها المستمر نطاقًا واسعًا من الأشعة تحت الحمراء إلى الضوء المرئي، كما تم تسويق منتجات ذات خرج نبضي ضوئي يصل إلى 50 واط (عرض النبضة 100 نانوثانية). يُعد هذا مثالًا على ليزر سهل الاستخدام للغاية كمصدر ضوء ليدار أو مصدر إثارة. وفقًا لنظرية نطاقات الطاقة في المواد الصلبة، تُشكّل مستويات طاقة الإلكترونات في أشباه الموصلات نطاقات طاقة. النطاق ذو الطاقة العالية هو نطاق التوصيل، والنطاق ذو الطاقة المنخفضة هو نطاق التكافؤ، ويفصل بينهما نطاق محظور. عندما تتحد أزواج الإلكترون-فجوة غير المتوازنة التي تدخل إلى شبه الموصل، تُشع الطاقة المنبعثة على شكل إشعاع ضوئي، وهو ما يُعرف بإشعاع إعادة اتحاد حاملات الشحنة.

مزايا ليزرات أشباه الموصلات: صغر الحجم، وخفة الوزن، والتشغيل الموثوق، وانخفاض استهلاك الطاقة، والكفاءة العالية، إلخ.

2.4ليزر YAG

ليزر YAG، وهو نوع من أنواع الليزر، عبارة عن مصفوفة ليزرية ذات خصائص شاملة ممتازة (بصرية وميكانيكية وحرارية). وكغيره من أنواع الليزر الصلب، تتكون المكونات الأساسية لليزر YAG من مادة التشغيل، ومصدر الضخ، وتجويف الرنين. ومع ذلك، ونظرًا لاختلاف أنواع الأيونات المنشطة المُطعّمة في البلورة، واختلاف مصادر الضخ وطرق الضخ، واختلاف هياكل تجويف الرنين المستخدمة، وغيرها من الأجهزة الهيكلية الوظيفية، يمكن تقسيم ليزر YAG إلى أنواع عديدة. على سبيل المثال، وفقًا لشكل موجة الخرج، يمكن تقسيمه إلى ليزر YAG ذي الموجة المستمرة، وليزر YAG ذي التردد المتكرر، وليزر النبض، وما إلى ذلك؛ ووفقًا لطول موجة التشغيل، يمكن تقسيمه إلى ليزر YAG بطول موجة 1.06 ميكرومتر، وليزر YAG ذي التردد المضاعف، وليزر YAG ذي تردد رامان المُزاح، وليزر YAG القابل للضبط، وما إلى ذلك؛ ووفقًا للتطعيم، يمكن تقسيم أنواع الليزر المختلفة إلى ليزر Nd:YAG، وليزر YAG المُطعّم بعناصر مثل Ho وTm وEr، وما إلى ذلك. بحسب شكل البلورة، تُقسم ليزرات YAG إلى ليزرات قضيبية الشكل وليزر مسطح الشكل؛ وبحسب قدرة الخرج المختلفة، تُقسم إلى ليزرات عالية القدرة وليزرات منخفضة ومتوسطة القدرة. ليزر YAG، إلخ.

تقوم آلة القطع بالليزر YAG الصلب بتوسيع شعاع الليزر النبضي ذي الطول الموجي 1064 نانومتر، ثم تعكسه وتركزّه، ليشعّه بعدها ويسخّن سطح المادة. تنتشر حرارة السطح إلى الداخل عبر التوصيل الحراري، ويتم التحكم بدقة رقمية في عرض نبضة الليزر وطاقتها وذروة قدرتها وتكرارها. يمكن للتردد والمعايير الأخرى أن تصهر المادة أو تبخّرها أو تفصلها فورًا، مما يتيح قطعها ولحامها وحفرها على مسارات محددة مسبقًا من خلال نظام التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC).

الميزات: تتميز هذه الآلة بجودة شعاع عالية، وكفاءة عالية، وتكلفة منخفضة، واستقرار، وأمان، ودقة فائقة، وموثوقية عالية. فهي تجمع بين وظائف القطع واللحام والحفر وغيرها في جهاز واحد، مما يجعلها معدات معالجة مرنة مثالية تتميز بالدقة والكفاءة. تتميز بسرعة معالجة عالية، وكفاءة عالية، وفوائد اقتصادية جيدة، وشقوق صغيرة ذات حواف مستقيمة، وسطح قطع أملس، ونسبة عمق إلى قطر كبيرة، ونسبة عرض إلى طول دنيا للتشوه الحراري، ويمكن معالجتها على مواد متنوعة مثل المواد الصلبة والهشة واللينة. لا توجد مشكلة في تآكل الأدوات أو استبدالها أثناء المعالجة، ولا يوجد تغيير ميكانيكي. من السهل تحقيق الأتمتة. يمكنها إجراء المعالجة في ظل ظروف خاصة. كفاءة المضخة عالية، تصل إلى حوالي 20%. مع زيادة الكفاءة، ينخفض ​​الحمل الحراري لوسط الليزر، مما يؤدي إلى تحسين الشعاع بشكل كبير. تتميز بعمر طويل، وموثوقية عالية، وحجم صغير ووزن خفيف، وهي مناسبة لتطبيقات التصغير.

التطبيقات: مناسب للقطع واللحام والحفر بالليزر للمواد المعدنية، مثل الفولاذ الكربوني، والفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ السبائكي، والألومنيوم وسبائكه، والنحاس وسبائكه، والتيتانيوم وسبائكه، وسبائك النيكل والموليبدينوم، وغيرها. يُستخدم على نطاق واسع في صناعات الطيران، والفضاء، والأسلحة، والسفن، والبتروكيماويات، والطب، والأجهزة، والإلكترونيات الدقيقة، والسيارات، وغيرها. لا يقتصر الأمر على تحسين جودة المعالجة فحسب، بل يُحسّن أيضًا كفاءة العمل؛ بالإضافة إلى ذلك، يوفر ليزر YAG طريقة بحث دقيقة وسريعة للأبحاث العلمية.

مقارنة بأنواع الليزر الأخرى:

1. يمكن لليزر YAG العمل في كل من الوضع النبضي والوضع المستمر. ويمكن الحصول على نبضات قصيرة ونبضات فائقة القصر من خلال تقنية Q-switching وتقنية قفل الوضع، مما يجعل نطاق معالجته أكبر من نطاق ليزر ثاني أكسيد الكربون.

2. يبلغ طول موجة الخرج 1.06 ميكرومتر، وهو أصغر بمقدار رتبة واحدة من طول موجة ليزر ثاني أكسيد الكربون البالغ 10.06 ميكرومتر، لذلك يتمتع بكفاءة اقتران عالية مع المعدن وأداء معالجة جيد.

3. يتميز ليزر YAG بهيكل صغير الحجم، ووزن خفيف، وسهولة الاستخدام والموثوقية، وانخفاض متطلبات الصيانة.

٤. يمكن ربط ليزر YAG بالألياف الضوئية. وبفضل نظام الإرسال المتعدد بتقسيم الوقت وتقسيم الطاقة، يُمكن نقل شعاع ليزر واحد بسهولة إلى محطات عمل متعددة أو محطات عمل بعيدة، مما يُعزز مرونة معالجة الليزر. لذا، عند اختيار الليزر، يجب مراعاة معايير مختلفة واحتياجاتك الفعلية. بهذه الطريقة فقط يُمكن لليزر أن يُحقق أقصى كفاءة له. تُعد ليزرات Nd:YAG النبضية التي تُقدمها شركة Xinte Optoelectronics مناسبة للتطبيقات الصناعية والعلمية. تُوفر ليزرات Nd:YAG النبضية الموثوقة والمستقرة طاقة نبضية تصل إلى ١٫٥ جول عند ١٠٦٤ نانومتر بمعدلات تكرار تصل إلى ١٠٠ هرتز.