Laseranwendungen und Klassifizierung

1. Scheibenlaser

Das vorgeschlagene Scheibenlaser-Designkonzept löste effektiv das Problem des thermischen Effekts bei Festkörperlasern und erzielte die perfekte Kombination aus hoher mittlerer und hoher Spitzenleistung, hohem Wirkungsgrad und hoher Strahlqualität. Scheibenlaser haben sich zu einer unersetzlichen neuen Laserlichtquelle für die Bearbeitung in der Automobil-, Schiffs-, Bahn-, Luftfahrt- und Energiebranche sowie in weiteren Bereichen entwickelt. Die aktuelle Hochleistungs-Scheibenlasertechnologie erreicht eine maximale Leistung von 16 Kilowatt und eine Strahlqualität von 8 mm Milliradian. Dies ermöglicht robotergestütztes Laserschweißen und großformatiges Laserschneiden mit hoher Geschwindigkeit und eröffnet vielversprechende Perspektiven für Festkörperlaser in diesem Bereich.HochleistungslaserbearbeitungAnwendungsmarkt.

Vorteile von Scheibenlasern:

1. Modulare Struktur

Der Scheibenlaser ist modular aufgebaut, sodass jedes Modul schnell vor Ort ausgetauscht werden kann. Kühlsystem und Lichtleitersystem sind in die Laserquelle integriert, was eine kompakte Bauweise, geringen Platzbedarf sowie eine schnelle Installation und Inbetriebnahme ermöglicht.

2. Hervorragende Strahlqualität und standardisiert

Alle TRUMPF-Scheibenlaser über 2 kW verfügen über ein standardisiertes Strahlparameterprodukt (BPP) von 8 mm/mrad. Der Laser ist invariant gegenüber Änderungen des Betriebsmodus und mit allen TRUMPF-Optiken kompatibel.

3. Da der Spotdurchmesser im Scheibenlaser groß ist, ist die optische Leistungsdichte, der jedes optische Element ausgesetzt ist, gering.

Die Zerstörschwelle der Beschichtung optischer Elemente liegt üblicherweise bei etwa 500 MW/cm², die von Quarz bei 2–3 GW/cm². Die Leistungsdichte im Resonator des TRUMPF-Scheibenlasers beträgt üblicherweise weniger als 0,5 MW/cm², die auf der Kopplungsfaser weniger als 30 MW/cm². Diese geringe Leistungsdichte verhindert Schäden an den optischen Komponenten und führt nicht zu nichtlinearen Effekten, wodurch die Betriebssicherheit gewährleistet wird.

4. Einführung eines Echtzeit-Rückkopplungsregelungssystems für die Laserleistung.

Das Echtzeit-Feedback-Regelsystem sorgt für eine stabile Leistungszufuhr zum T-Stück und gewährleistet eine hervorragende Wiederholgenauigkeit der Bearbeitungsergebnisse. Die Vorheizzeit des Scheibenlasers ist nahezu null, und der einstellbare Leistungsbereich liegt zwischen 1 % und 100 %. Da der Scheibenlaser den thermischen Linseneffekt vollständig kompensiert, bleiben Laserleistung, Spotgröße und Strahldivergenzwinkel über den gesamten Leistungsbereich stabil, und die Wellenfront des Strahls erfährt keine Verzerrung.

5. Die Glasfaser kann im laufenden Betrieb angeschlossen werden.

Wenn eine bestimmte Glasfaser ausfällt, muss beim Austausch lediglich der optische Pfad der ausgefallenen Glasfaser unterbrochen werden, ohne die Anlage abzuschalten. Die übrigen Glasfasern geben weiterhin Laserlicht aus. Der Austausch der Glasfasern ist einfach und unkompliziert: Die Glasfasern werden einfach angeschlossen und funktionieren sofort – Werkzeug oder Justierungen sind nicht erforderlich. Eine Staubschutzvorrichtung am Straßeneingang verhindert zuverlässig das Eindringen von Staub in den Bereich der optischen Komponenten.

6. Sicher und zuverlässig

Selbst wenn die Emissionsfähigkeit des zu bearbeitenden Materials so hoch ist, dass Laserlicht in den Laser zurückreflektiert wird, hat dies während der Bearbeitung weder Auswirkungen auf den Laser selbst noch auf den Bearbeitungseffekt. Es bestehen keine Einschränkungen hinsichtlich der Materialbearbeitung oder der Faserlänge. Die Betriebssicherheit des Lasers wurde mit dem deutschen Sicherheitszertifikat ausgezeichnet.

7. Das Pumpdiodenmodul ist einfacher und schneller.

Die auf dem Pumpmodul montierte Diodenanordnung ist ebenfalls modular aufgebaut. Diodenanordnungsmodule zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer aus und haben eine Garantie von 3 Jahren oder 20.000 Betriebsstunden. Weder bei einem geplanten Austausch noch bei einem sofortigen Austausch aufgrund eines plötzlichen Ausfalls entstehen Ausfallzeiten. Fällt ein Modul aus, alarmiert das Steuerungssystem und erhöht automatisch den Strom der übrigen Module, um die Laserleistung konstant zu halten. Der Anwender kann so zehn oder sogar Dutzende Stunden weiterarbeiten. Der Austausch der Pumpdiodenmodule vor Ort ist sehr einfach und erfordert keine Schulung des Bedienpersonals.

2.2Faserlaser

Faserlaser bestehen, wie andere Laser auch, aus drei Teilen: einem Verstärkungsmedium (dotierte Faser), das Photonen erzeugen kann, einem optischen Resonator, der die Rückkopplung und resonante Verstärkung der Photonen im Verstärkungsmedium ermöglicht, und einer Pumpquelle, die Photonenübergänge anregt.

Eigenschaften: 1. Optische Fasern weisen ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, eine gute Wärmeableitung und einen kontinuierlichen Betrieb ohne externe Kühlung auf. 2. Als Wellenleitermedium besitzen optische Fasern einen kleinen Kerndurchmesser und ermöglichen eine hohe Leistungsdichte innerhalb der Faser. Daher weisen Faserlaser eine höhere Konversionseffizienz, eine niedrigere Schwellenleistung, eine höhere Verstärkung und eine geringere Linienbreite auf und unterscheiden sich von herkömmlichen optischen Fasern durch geringe Kopplungsverluste. 3. Dank ihrer hohen Flexibilität sind optische Fasern klein, flexibel, kompakt, kostengünstig und einfach in Systeme zu integrieren. 4. Optische Fasern bieten zudem zahlreiche Einstellmöglichkeiten und eine hohe Selektivität. Dadurch lassen sich ein großer Abstimmbereich, eine gute Dispersion und Stabilität erzielen.

Klassifizierung von Faserlasern:

1. Mit Seltenerden dotierter Faserlaser

2. Seltene Erden, die in derzeit relativ ausgereiften aktiven optischen Fasern dotiert sind: Erbium, Neodym, Praseodym, Thulium und Ytterbium.

3. Zusammenfassung des faseroptischen Raman-Streulasers: Ein Faserlaser ist im Wesentlichen ein Wellenlängenkonverter, der die Pumpwellenlänge in Licht einer bestimmten Wellenlänge umwandelt und dieses als Laserstrahl ausgibt. Physikalisch betrachtet beruht die Lichtverstärkung darauf, dem Arbeitsmaterial Licht einer Wellenlänge zuzuführen, die es absorbieren kann, sodass das Material effektiv Energie absorbieren und aktiviert werden kann. Daher variiert die Absorptionswellenlänge je nach Dotierungsmaterial, und auch die Anforderungen an die Pumpwellenlänge sind unterschiedlich.

2.3 Halbleiterlaser

Der Halbleiterlaser wurde 1962 erfolgreich angeregt und erreichte 1970 eine kontinuierliche Leistung bei Raumtemperatur. Nach weiteren Verbesserungen wurden Doppelheterojunction-Laser und streifenstrukturierte Laserdioden (Laserdioden) entwickelt, die in der Glasfaserkommunikation, bei optischen Datenträgern, Laserdruckern, Laserscannern und Laserpointern weit verbreitet sind. Sie sind derzeit die am häufigsten produzierten Laser. Die Vorteile von Laserdioden sind: hohe Effizienz, geringe Größe, niedriges Gewicht und günstiger Preis. Insbesondere die Effizienz von Mehrfachquantentopf-Lasern liegt bei 20–40 %, und auch PN-Laser erreichen Werte von 15–25 %. Kurz gesagt, die hohe Energieeffizienz ist ihr größtes Merkmal. Darüber hinaus deckt ihre kontinuierliche Ausgangswellenlänge den Bereich vom Infrarot bis zum sichtbaren Licht ab, und Produkte mit einer optischen Pulsleistung von bis zu 50 W (Pulsdauer 100 ns) sind bereits kommerziell erhältlich. Sie eignen sich hervorragend als Lidar- oder Anregungslichtquelle. Gemäß der Energiebandtheorie von Festkörpern bilden die Energieniveaus der Elektronen in Halbleitermaterialien Energiebänder. Das energiereichere Band ist das Leitungsband, das energieärmere das Valenzband. Zwischen den beiden Bändern befindet sich die verbotene Zone. Wenn Nichtgleichgewichts-Elektronen-Loch-Paare im Halbleiter rekombinieren, wird die freigesetzte Energie in Form von Lumineszenz abgestrahlt – der Rekombinationslumineszenz der Ladungsträger.

Vorteile von Halbleiterlasern: geringe Größe, geringes Gewicht, zuverlässiger Betrieb, niedriger Stromverbrauch, hoher Wirkungsgrad usw.

2.4YAG-Laser

Der YAG-Laser, eine Laserart, ist ein Laser mit hervorragenden optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. Wie andere Festkörperlaser bestehen auch YAG-Laser aus dem Lasermaterial, der Pumpquelle und dem Resonator. Aufgrund unterschiedlicher aktivierter Ionen im Kristall, verschiedener Pumpquellen und -methoden, unterschiedlicher Resonatorstrukturen und anderer funktionaler Bauteile lassen sich YAG-Laser jedoch in viele Typen unterteilen. Beispielsweise kann man sie nach der Ausgangswellenform in Dauerstrich-YAG-Laser, YAG-Laser mit wiederholter Frequenz und Pulslaser unterteilen; nach der Betriebswellenlänge in 1,06-µm-YAG-Laser, frequenzverdoppelte YAG-Laser, Raman-frequenzverschobene YAG-Laser und abstimmbare YAG-Laser; und nach der Dotierung in Nd:YAG-Laser und mit Ho, Tm, Er usw. dotierte YAG-Laser. Je nach Kristallform werden sie in stabförmige und plattenförmige YAG-Laser unterteilt; je nach Ausgangsleistung lassen sie sich in Hochleistungs-, Klein- und Mittelleistungs-YAG-Laser einteilen usw.

Die Festkörper-YAG-Laserschneidmaschine bündelt, reflektiert und fokussiert den gepulsten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1064 nm und erhitzt so die Materialoberfläche. Die Oberflächenwärme diffundiert durch Wärmeleitung ins Innere. Pulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Pulsfrequenz werden präzise digital gesteuert. Frequenz und weitere Parameter ermöglichen das sofortige Schmelzen, Verdampfen und Verdampfen des Materials. Dadurch lassen sich mithilfe des CNC-Systems vordefinierte Schnitt-, Schweiß- und Bohrprozesse realisieren.

Merkmale: Diese Maschine zeichnet sich durch hohe Strahlqualität, Effizienz, niedrige Kosten, Stabilität, Sicherheit, Präzision und Zuverlässigkeit aus. Sie vereint Schneiden, Schweißen, Bohren und weitere Funktionen und ist somit ein ideales, präzises und effizientes Bearbeitungsgerät. Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit, hohe Effizienz, Wirtschaftlichkeit, schmale, gerade Schnittkanten, glatte Schnittflächen, großes Tiefen-Durchmesser-Verhältnis und minimale thermische Verformung ermöglichen die Bearbeitung verschiedenster Materialien, von hart über spröde bis weich. Werkzeugverschleiß oder -wechsel sind nicht erforderlich, und es sind keine mechanischen Änderungen notwendig. Die Automatisierung ist einfach. Auch die Bearbeitung unter speziellen Bedingungen ist möglich. Der Pumpenwirkungsgrad ist mit bis zu 20 % hoch. Durch die höhere Effizienz sinkt die Wärmebelastung des Lasermediums, was die Strahlqualität deutlich verbessert. Die Maschine ist langlebig, zuverlässig, kompakt und leicht und eignet sich daher ideal für Miniaturisierungsanwendungen.

Anwendung: Geeignet zum Laserschneiden, -schweißen und -bohren von Metallwerkstoffen wie Kohlenstoffstahl, Edelstahl, legiertem Stahl, Aluminium und Legierungen, Kupfer und Legierungen, Titan und Legierungen, Nickel-Molybdän-Legierungen und anderen Werkstoffen. Weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrt, der Rüstungsindustrie, dem Schiffbau, der Petrochemie, der Medizintechnik, der Messtechnik, der Mikroelektronik, der Automobilindustrie und weiteren Branchen. Die Bearbeitungsqualität wird verbessert, ebenso wie die Arbeitseffizienz. Darüber hinaus bietet der YAG-Laser eine präzise und schnelle Methode für die wissenschaftliche Forschung.

Im Vergleich zu anderen Lasern:

1. Der YAG-Laser kann sowohl im Puls- als auch im Dauerstrichbetrieb arbeiten. Durch Güteschaltung und Modenkopplung lassen sich kurze und ultrakurze Pulse erzeugen, wodurch sein Bearbeitungsbereich größer ist als der von CO2-Lasern.

2. Seine Ausgangswellenlänge beträgt 1,06µm und ist damit genau eine Größenordnung kleiner als die CO2-Laserwellenlänge von 10,06µm. Daher weist es eine hohe Kopplungseffizienz mit Metall und eine gute Bearbeitungsleistung auf.

3. Der YAG-Laser zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise, ein geringes Gewicht, eine einfache und zuverlässige Bedienung sowie einen geringen Wartungsaufwand aus.

4. YAG-Laser lassen sich mit Glasfasern koppeln. Mithilfe von Zeit- und Leistungsmultiplexverfahren kann ein Laserstrahl problemlos an mehrere oder entfernte Arbeitsstationen übertragen werden, was die Flexibilität der Laserbearbeitung erhöht. Daher müssen bei der Laserauswahl verschiedene Parameter und die individuellen Anforderungen berücksichtigt werden. Nur so kann der Laser seine maximale Effizienz entfalten. Die gepulsten Nd:YAG-Laser von Xinte Optoelectronics eignen sich für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen. Zuverlässige und stabile gepulste Nd:YAG-Laser liefern Pulsleistungen von bis zu 1,5 J bei 1064 nm mit Wiederholraten von bis zu 100 Hz.