با توجه به طول موج های متفاوتی که لیزر های فایبر می توانند تولید کنند، به طور گسترده در محیط های صنعتی برای انجام برش، علامت گذاری، جوشکاری، تمیز کردن، بافت، حفاری و موارد دیگر استفاده می شود. آنها همچنین در زمینه های دیگر مانند مخابرات و پزشکی و … استفاده می شوند.

همه چیز درباره لیزر فایبر

تاریخچه اختراع لیزر فایبر

چرا اینقدر طول کشید؟

دلیل اصلی این است که فناوری لیزر فایبر هنوز در مراحل اولیه بود. برای مثال، لیزرهای فایبر تنها می‌توانند چند ده میلی‌وات ساطع کنند، در حالی که اکثر دستگاه ها به حداقل ۲۰ وات انرژی نیاز دارند. همچنین هیچ وسیله ای برای ساطع کردن نور با کیفیت بالا وجود نداشت، زیرا دیودهای لیزری به خوبی امروز عمل نمی کردند.

در ادامه برخی از لحظات کلیدی در تاریخ فناوری لیزر فایبر را که به سال ۱۹۱۷ بازمی‌گردد، زمانی که آلبرت انیشتین پایه‌های آن را تأسیس کرد، بررسی خواهیم کرد.

• ۱۹۱۷ – انتشارات تحریک شده کشف شد (آلبرت انیشتین).
• ۱۹۵۷ – چارچوب نظری لیزر ایجاد شد (گوردون گولد).
• ۱۹۶۰ – اولین لیزر – یک ruby laser – ساخته شد (تد میمن).
• ۱۹۶۰ – پرتوهای لیزر موج پیوسته برای اولین بار تولید شد
• ۱۹۶۰ – اصطلاح “فیبر نوری” (Narinder Kapany) ابداع شد.
• ۱۹۶۱ – حالت های نوری در الیاف شیشه اختراع شد (الیاس اسنیتزر).
• ۱۹۶۲ – Q-switching، تکنیکی برای تولید پرتوهای لیزری پالسی، نشان داده شد (رابرت دبلیو. هلوارث و آر.جی. مک کلانگ).
• ۱۹۶۳ – اولین لیزر فایبر بهره برداری شد (الیاس اسنیتزر).
• ۱۹۶۴ – روشی برای حذف ناخالصی ها از الیاف شیشه و در نتیجه محدود کردن اتلاف نور کشف شد (چارلز کائو و جورج هاکام).
• ۱۹۸۸ – اولین لیزر فایبر دو لایه بهره برداری شد (الیاس اسنیتزر).
• ۱۹۹۰ – سد وات با لیزر فایبر ۴ واتی دوپ شده با اربیوم شکسته شد.
• ۲۰۰۴ – لیزر و تقویت کننده فیبر سیلیکا تک حالته اختراع شد (دیوید ان. پین)

امروزه، پیشرفت‌های مهمی در فناوری لیزر فایبر در حال انجام است و آن را کارآمدتر، قدرتمندتر و کاربردی تر می‌سازد. برخی از جدید ترین کاربرد ها شامل برش لیزر فایبر فلزات، حکاکی لیزری و جوشکاری لیزری است که می تواند جایگزین فرآیند های سنتی و قدیمی شود و به توسعه و پیشرفت صنعت کمک شایانی کند.

دستگاه جوش لیزر فایبر دستی

انواع مختلف لیزرهای فایبر

به طور کلی، لیزرهای فایبر را می توان با استفاده از معیارهای زیر دسته بندی کرد:

• سورس لیزر فایبر: لیزرهای فیبر با توجه به موادی که منبع لیزر با آن مخلوط شده است متفاوت است. برخی از نمونه ها عبارتند از: لیزرهای فیبر دوپ شده با ایتربیوم، لیزرهای فیبر دوپ شده با تولیوم و لیزرهای فیبر دوپ شده با اربیوم. همه این نوع لیزرها برای کاربردهای مختلفی استفاده می شوند زیرا طول موج های متفاوتی تولید می کنند
• نحوه عملکرد: انواع مختلف لیزر، پرتوهای لیزر را به طور متفاوتی منتشر می کنند. پرتوهای لیزر را می‌توان با یک نرخ تکرار تعیین‌شده برای رسیدن به توان‌های پیک بالا (لیزرهای فایبر پالسی) پالس کرد، همانند عملکرد لیزرهای «سوئیچ q»، «سوئیچ افزایش» و «حالت قفل‌شده»، یا می توانند پیوسته باشند، به این معنی که به طور مداوم یک مقدار انرژی ثابت را ارسال می کنند (لیزرهای فیبر موج پیوسته)

• توان لیزر: توان لیزر بر حسب وات بیان می شود و نشان دهنده توان متوسط پرتو لیزر است. به عنوان مثال، شما می توانید یک لیزر فایبر ۲۰ وات، یک لیزر فایبر ۵۰ وات و غیره داشته باشید. لیزرهای پرقدرت سریعتر از لیزرهای کم توان هستند و انرژی بیشتری تولید می کنند.

• حالت: حالت به اندازه هسته (محل عبور نور) در فیبر نوری اشاره دارد. دو نوع حالت وجود دارد: لیزرهای فایبر تک حالته و لیزرهای فایبر چند حالته. قطر هسته برای لیزرهای تک حالته کوچکتر است، معمولاً بین ۸ تا ۹ میکرومتر، در حالی که برای لیزرهای چند حالته، معمولاً بین ۵۰ تا ۱۰۰ میکرومتر است. به عنوان یک قاعده کلی، لیزرهای تک حالته نور لیزر را کارآمدتر منتقل می کنند و کیفیت پرتو بهتری دارند.

لیزرهای فایبر را می توان به روش های بسیار دیگری دسته بندی کرد، اما دسته بندی هایی که در اینجا ذکر شده رایج ترین آنها هستند

تفاوت بین لیزرهای فایبر و لیزر CO2 چیست؟

تفاوت اصلی بین لیزرهای فیبر و CO2 در منبع ایجاد پرتو لیزر است. در لیزرهای فایبر، منبع لیزر شیشه سیلیسی است که با یک عنصر خاکی کمیاب مخلوط شده است. در لیزرهای CO2، منبع لیزر مخلوطی از گازها است که  دی اکسید کربن نیز عضوی از آن ها است.

لیزرهای فایبر با توجه به وضعیت منبع آنها، لیزرهای حالت جامد و لیزرهای CO2 به عنوان لیزرهای حالت گاز در نظر گرفته می شوند.

این سورس های لیزری طول موج های مختلفی نیز تولید می کنند. برای مثال، لیزرهای فایبر، طول موج‌های کوتاه‌تری تولید می‌کنند که برخی از نمونه‌ها بین ۷۸۰ nm تا ۲۲۰۰ nm هستند. از سوی دیگر، لیزرهای CO2، طول موج‌های بلندتری تولید می‌کنند که معمولاً بین ۹۶۰۰ نانومتر تا ۱۰۶۰۰ نانومتر است.آنها به دلیل طول موج های متفاوتی که دارند برای کاربردهای مختلفی استفاده می شوند. برای مثال، لیزرهای فایبر ۱۰۶۴ نانومتری معمولاً برای کاربردهای پردازش فلز ترجیح داده می‌شوند.

دستگاه لیزر فایبر چیست؟

هنگامی که یک سیستم لیزر فایبر به منظور ایجاد یک راه حل آماده برای استفاده، مهندسی می شود، این مجموعه را دستگاه لیزر فایبر می نامند.در واقع سازنده دستگاه ابزاری است که عملیات را انجام می دهد، و دستگاه لیزر چارچوبی است که ابزار در آن یکپارچه شده است.دستگاه های لیزر می توانند اطمینان حاصل کنند که:

• کارگران با ارائه سیستم ایمنی لیزر و سیستم استخراج دود ۱۰۰٪ ایمن هستند
• اجزای مکانیکی برای خودکار کردن عملیات یا تسهیل کار اپراتور گنجانده شده است
• فرآیند لیزر برای یک عملیات خاص تنظیم شده است

به عنوان مثال در دستگاه CNC برش لیزر فایبر ۳۰۱۵، علاوه بر سیستم های ایمنی و حفاظت، مانیتور های کنترل عملیات طراحی شده که عملیات برش لیزری فلزات را در اسرع وقت با بالاترین کیفیت ممکن به انجام برسانند.

چنانچه این دستگاه برای شما جذاب به نظر آمد میتوانید سایر دستگاه های مبتنی بر دانش لیزر فایبر ساخت شرکت CNC سازان را از طریق لینک های زیر بررسی کنید

دستگاه عرضی برش لیزر فایبر فلزات مدل Delta (طرح آلمانی)

دستگاه برش پلاسما-هواگاز CNC مدل Heavy duty

دستگاه CNC برش فلزات لیزر فایبر AVID

دستگاه CNC برش فلزات لیزر فایبر Shuffle 6020

دستگاه حکاکی پرتابل لیزر فایبر فلزات

دستگاه جوشکاری لیزر فایبر دستی

طول عمر لیزر فایبر چقدر است؟

اکثر منابع آنلاین ادعا می کنند که لیزرهای فیبر صد هزار ساعت دوام دارند در حالی که لیزرهایCO2 سی هزار ساعت دوام می آورند. البته این مقادیر کاملا درست نیست. این اعداد به مقداری به نام «میانگین زمان بین خرابی ها» (MTBF) اشاره دارند که برای همه لیزرهای فایبر یکسان نیست. در واقعیت، شما اعداد مختلفی را برای انواع لیزرهای فیبر خواهید دید. MTBF قابلیت اطمینان یک لیزر را با نشان دادن چند ساعت کارکرد لیزر قبل از وقوع خرابی اندازه گیری می کند. با آزمایش چندین واحد لیزر و سپس تقسیم تعداد کل ساعات عملیاتی بر تعداد کل خرابی ها به دست می آید. اگرچه این مقدار دقیقاً به شما نمی گوید که یک لیزر فایبر چقدر می تواند دوام بیاورد، هنوز هم ایده خوبی از قابلیت اطمینان لیزر ارائه می دهد. اگر واقعاً می خواهید طول عمر دقیق یک سورس لیزر فایبر را بدانید، ناامید خواهید شد زیرا پاسخ واقعی وجود ندارد. در حقیقت، لیزرهای فایبر در طول عمر خود به عوامل مختلفی بستگی دارند که ممکن است از کار بیفتند.

در هر یک از مراحل زیر این امکان وجود دارد که سورس های لیزر فایبر منجر به خرابی شوند.

• عمر اولیه: اگر لیزر فایبر دارای خطاهای ساخت باشد، احتمالاً در مراحل اولیه با شکست مواجه خواهد شد. باید اطمینان حاصل کنید که ضمانت خرید دارید که خطاهای ساخت را پوشش  دهد تا لیزر را بدون هیچ هزینه ای تعویض کنید.
• عمر عادی: زمانی که اولین دوره حیاتی اولیه عمر لیزر فایبر را پشت سر گذاشتید، مقدار MTBF ایده خوبی از احتمال شکست لیزرتان به شما ارائه می دهد. MTBF بالا تضمین خوبی است که همه چیز به خوبی پیش خواهد رفت، اما تضمین دقیقی نیست. شما می توانید برای خرابی در طول عمر عادی به روش های مختلف آماده شوید: به عنوان مثال میتوانید یک لیزر یدکی جایگزین  و دسترس داشته باشید،یا یک لیزر اجاره کنید در حالی که لیزر شما در حال تعمیر است یا یک ضمانت خرید طولانی مدت داشته باشید.
• پایان عمر: زمانی که لیزرهای فایبر به پایان عمر خود نزدیک می شوند، احتمال خرابی به شدت افزایش می یابد. حتی در این صورت، یک لیزر صنعتی با کیفیت بالا اغلب می تواند از MTBF خود عبور کند.

لیزر فایبر چگونه کار می کند و چه اجزایی دارد؟

لیزرهای فایبر از نوری که توسط دیودهای لیزر ساطع میشوند، استفاده می کنند. این دیودها پرتو های نور منتشر شده را به کابل فیبر نوری ارسال میکنند. سپس از اجزای نوری واقع در کابل برای تولید یک طول موج خاص و تقویت آن استفاده می شود. در نهایت پرتو لیزر حاصل شکل گرفته و آزاد می شود. در اینجا نحوه استفاده از هر جزء برای انجام این عملیات آمده است

مرحله ۱. تولید پرتو های نوری توسط دیودهای لیزری

دیودهای لیزر الکتریسیته را به فوتون یا نور تبدیل می کنند تا به کابل فیبر نوری پمپ شوند. به همین دلیل، آنها به عنوان “منبع پمپ” نیز شناخته می شوند. برای تولید نور، دیودها از دو نیمه هادی با شارژ متفاوت استفاده می کنند: اولین بار مثبت است، به این معنی که به یک الکترون اضافی نیاز دارد. دومی بار منفی دارد، یعنی یک الکترون اضافی یا یک الکترون آزاد دارد. وقتی بارهای مثبت و منفی به هم می رسند، سعی می کنند با هم ترکیب شوند. اما برای انجام این کار، الکترون آزاد باید به صورت فوتون آزاد شود. با عبور جریان از نیمه هادی ها، مقدار فوتون ها به سرعت افزایش می یابد. نور حاصل به کابل فیبر نوری پمپ می شود و برای تولید پرتو لیزر استفاده می شود

مرحله ۲. پرتو های پمپ شده در کابل فیبر نوری هدایت می شود

در طبیعت، نور به همه جهات می رود. برای متمرکز کردن نور در یک جهت و به دست آوردن پرتو لیزر، کابل های فیبر نوری از دو جزء اصلی استفاده می کنند: هسته فیبر و روکش. هسته جایی است که نور حرکت می کند. از شیشه سیلیکا ساخته شده است و تنها بخشی از کابل است که شامل عنصر خاکی کمیاب است. روکش ماده ای است که هسته را احاطه کرده است. هنگامی که نور به روکش فلزی برخورد می کند، به داخل هسته باز می گردد. این به این دلیل رخ می دهد که روکش فلزی بازتاب داخلی کامل را فراهم می کند. انعکاس کلی داخلی به این دلیل رخ می دهد که روکش فلزی دارای ضریب شکست کمتری نسبت به هسته است. شما می توانید اثرات مشابهی را در طبیعت مشاهده کنید. به عنوان مثال، اگر به اجسام غوطه ور نگاه کنید، آنها تغییر شکل داده اند. این به این دلیل است که وقتی نور از هوا به آب می رود، با ضریب شکست متفاوتی برخورد می کند و تغییر جهت می دهد. همین امر در هنگام عبور نور از هسته به روکش نیز صدق می کند، با این تفاوت که تغییر جهت باعث ایجاد انعکاس می شود. بدون روکش، نور در همه جهات می رود و از هسته خارج می شود. اما به لطف ضریب شکست روکش، نور در هسته باقی می ماند و به مسیر خود ادامه می دهد.

مرحله ۳. نور در حفره لیزر تقویت می شود

همانطور که نور پمپ از طریق کابل فیبر نوری عبور می کند، در نهایت وارد حفره لیزر می شود – ناحیه کوچکی از کابل که در آن فقط نور با طول موج مشخص تولید می شود. مهندسان فیزیک می گویند که فیبر در این منطقه “دوپ” شده است، زیرا با عنصر کمیاب خاکی مخلوط شده است. همانطور که ذرات فیبر دوپ شده با نور برهمکنش می‌کنند، الکترون‌های آنها به سطح انرژی بالاتری می‌رسند. هنگامی که آنها به حالت اولیه خود باز می گردند، انرژی را به شکل فوتون یا نور آزاد می کنند. مهندسان فیزیک از این پدیده ها به عنوان “تحریک الکترون” و “آرامش الکترون” یاد می کنند.

مرحله ۴. نور لیزر با طول موج مشخص تولید می شود

طول موج تولید شده توسط فیبر دوپ شده با توجه به عنصر دوپینگ حفره لیزر متفاوت است. این بسیار مهم است، زیرا از طول موج های مختلف برای کاربردهای مختلف استفاده می شود. عنصر دوپینگ می تواند اربیوم، ایتربیوم، نئودیمیم، تولیوم و غیره باشد. برای مثال، لیزرهای فیبر دوپ شده با ایتربیوم، طول موج ۱۰۶۴ نانومتر تولید می‌کنند و برای کاربردهایی مانند حکاکی لیزری استفاده می‌شوند. عناصر دوپینگ مختلف طول موج های متفاوتی تولید می کنند زیرا ذرات خاص فوتون های خاصی را آزاد می کنند. به این ترتیب، فوتون های تولید شده در حفره لیزر همگی دارای طول موج یکسان هستند. این بیانگر این است که چرا هر نوع لیزر فایبری یک طول موج خاص و فقط آن طول موج را تولید می کند.

مرحله ۵. پرتو لیزر شکل گرفته و آزاد می شود

فوتون‌هایی که از حفره تشدید خارج می‌شوند، یک پرتو لیزری را تشکیل می‌دهند که به دلیل ویژگی‌های هدایت نور فایبر، به‌خوبی (یا مستقیم) هماهنگ شده است. در واقع، برای اکثر کاربردهای لیزری بیش از حد همسان است. برای شکل دهی مطلوب به پرتو لیزر می توان از اجزای مختلفی مانند لنزها و گسترش دهنده های پرتو استفاده کرد. به عنوان مثال، لیزرهای فایبر ما به یک لنز با فاصله کانونی ۲۵۴ میلی‌متر برای کاربردهای لیزری مجهز شده‌اند که در مواد (به عنوان مثال، حکاکی لیزری) حفاری می‌کنند. این به این دلیل است که فاصله کانونی کوتاه آنها به ما امکان می دهد انرژی بیشتری را روی یک ناحیه متمرکز کنیم تا شکل تهاجمی تری از فرسایش لیزری داشته باشیم. انواع دیگر لنزها مزایای مختلفی دارند، به همین دلیل است که کارشناسان هنگام بهینه سازی لیزر برای یک کاربرد خاص، آنها را با دقت انتخاب می کنند.

پارامترهای لیزر چیست؟

همه لیزرها و کاربردهای لیزری از پارامترهای یکسانی استفاده نمی کنند. به عنوان مثال، موارد مختلف باید برای برش لیزری و حکاکی لیزری تنظیم شوند. با این حال، برخی از پارامترها برای انواع لیزرهای فایبر استفاده می شود. در اینجا مواردی هستند که به احتمال زیاد با آنها روبرو خواهید شد.

طول موج

نمودار انواع طول موج بر حسب فرکانس

طول موج تولید شده توسط لیزر فایبر  با سطح تابش الکترومغناطیسی نور لیزر مطابقت دارد. به طور معمول، لیزرهای فایبر طول موج هایی بین ۷۸۰ نانومتر تا ۲۲۰۰ نانومتر تولید می کنند که در طیف مادون قرمز قرار دارد و برای چشم انسان نامرئی است. این طیف از نور مادون قرمز به خوبی با فلزات، لاستیک و پلاستیک واکنش نشان می دهد و برای طیف گسترده ای از کاربردهای پردازش مواد کاربرد دارد.

برخی از لیزرهای فایبر مانند لیزرهای سبز، نور مرئی تولید می کنند که می تواند به خوبی با مواد نرم مانند طلا، مس، سیلیکون و شیشه نرم واکنش نشان دهد. لیزرهای فایبر سبز همچنین برای هولوگرافی، درمان و جراحی و موارد دیگر استفاده می شود.

حالت های مختلف عملیات

حالت کار یا عملیات روشی است که در آن پرتو لیزر آزاد می شود. لیزرهای فایبر معمولاً در حالت موج پیوسته یا در حالت پالسی کار می کنند. در حالت عملیات موج پیوسته، یک پرتو لیزر پیوسته و بدون وقفه آزاد می شود که برای کاربردهایی مانند جوشکاری لیزری و برش لیزری ایده آل است. در حالت عملکرد پالس، پالس های کوتاه با نرخ تکرار تنظیم شده آزاد می شوند. پرتوهای لیزر پالسی به اوج قدرت بالاتری می‌رسند و برای حکاکی لیزری (مارکینگ) هستند. این حالت شامل پارامترهای زیر است:

انرژی پالس: انرژی پالس تعداد میلی ژول های موجود در هر پالس است. به طور معمول، هر پالس حاوی ۱ میلی‌ژول انرژی است.

مدت زمان پالس: مدت زمان پالس که به عنوان طول و عرض پالس نیز شناخته می شود، مدت زمان هر پالس است. پالس‌های کوتاه‌تر همان انرژی را در زمان کوتاه‌تری متمرکز می‌کنند و از این رو به حداکثر توان بالاتری می‌رسند. مدت زمان پالس را می توان بر حسب میکروثانیه، نانوثانیه، پیکوثانیه یا فمتوثانیه بیان کرد.

نرخ تکرار: نرخ تکرار پالس تعداد پالس هایی است که در هر ثانیه آزاد می شوند. همچنین به عنوان فرکانس پالس شناخته می شود که بر حسب کیلوهرتز بیان می شود. ۱۰۰ کیلوهرتز برابر با ۱۰۰۰۰۰ پالس در ثانیه است.

توان

توان لیزر مقدار انرژی است که می تواند توسط لیزر در طول یک ثانیه تولید شود. همچنین به عنوان “توان متوسط” و “توان خروجی” نیز شناخته می شود. لیزرهای پالسی همچنین ممکن است قدرت پیک را نشان دهند که یک پارامتر متفاوت است. پیک توان حداکثر مقدار انرژی است که با یک پالس به دست می آید. به عنوان مثال، یک لیزر فایبر پالسی ۱۰۰ وات می تواند به راحتی به حداکثر توان ۱۰۰۰۰ وات برسد. این به این دلیل است که لیزرهای پالسی برخلاف لیزرهای موج پیوسته انرژی را در طول زمان به طور مساوی توزیع نمی کنند.

کیفیت پرتو

کیفیت پرتو نشان می دهد که پرتو چقدر به چیزی که پرتو گاوسی نامیده می شود نزدیک است. در کاربردهای واقعی، این موضوع مرتبط است زیرا نشان می‌دهد که پرتو لیزر چقدر متمرکز است. پرتوهای لیزری که به خوبی متمرکز هستند، انرژی بیشتری را در یک منطقه کوچکتر متمرکز می کنند. پرتوهای لیزری با کیفیت بالا برای کاربردهایی مانند حکاکی لیزری مورد نیاز هستند، در حالی که کیفیت پرتوهای پایین ممکن است برای کاربردهایی که فرسایش مطلوب نیست، مانند جوشکاری لیزر، مناسب تر باشد.

نوشته کاملترین مقاله درباره لیزر فایبر اولین بار در CNC سازان. پدیدار شد.