لیزر فیبری و هر آنچه باید در مورد آن بدانید
لیزرها برای مدت زیادی است که وجود دارند، اما استفاده از آن‌ها در کاربردهای تجاری موضوع کاملاً جدیدی به حساب می‌آید. پروسه قوی تر کردن قابلیت‌های لیزر فیبری توسط مهندسین، برای رقابت با روش‌های سنتی در زمینه‌های صرفه جویی در زمان، هزینه و سهولت استفاده از آن، پروسه ای زمان بر و پرزحمت بود.
تکنولوژی لیزرهای فیبری، اولین بار در دهه 60 میلادی معرفی شد. آن زمان ها، این تکنولوژی هنوز در مراحل اولیه بود و نوپا محسوب می‌شد. در دهه 90 میلادی بود که این تکنولوژی شروع به تجاری شدن کرد. این تکنولوژی، راه بسیار طولانی‌ای برای افزایش بهره‌وری و کاربردی شدن پیموده است. در دهه 60 میلادی، لیزرها تنها توانایی تولید چند ده میلی‌واتی داشتند، اما امروزه لیزر فیبری توانایی تولید بیش از 1000 وات را دارند که از نتیجه بسیار مطلوبی هم برخوردار هستند.
در این مقاله، با هم به بررسی نحوه کار لیزر فیبری، استفاده و کاربرد آن‌ها و مزایای آن در مقایسه با روش‌ها و انتخاب‌های دیگر می‌پردازیم. اما پیش از آن، بیایید تا ببینیم که لیزر فیبری چیست؟
لیزر فیبری چیست؟
لیزر فیبری، نوعی از لیزرهای حالت جامد هستند که از فیبرهای نوری به عنوان ناحیه فعال لیزری یا محیط بهره استفاده می‌کنند. در این لیزرها، فیبری از جنس شیشه سیلیکات یا فسفات، نور خام ایجاد شده از پمپ دیودهای لیزری را جذب کرده و آن‌ها را به پرتوهای لیزری با طول موج‌های مشخصی تبدیل می‌کند. برای رسیدن به این هدف، فیبر نوری تقویت می‌شود. تقویت به مخلوط کردن یک عنصر خاکی کمیاب در فیبر اشاره دارد. با استفاده از عناصر تقویت مختلف، می‌توان پرتوهای لیزری مختلفی را با طیف وسیعی از طول موج‌های مختلف تولید کرد.
برخی از عناصر تقویت رایج، به ترتیب افزایش طول موج ساطع شده عبارتند از: نئودیمیم (780-1100 نانومتر)، ایتربیوم (1000-1100 نانومتر)، پرازئودیمیم (1300 نانومتر)، اربیوم (1460-1640 نانومتر)، تولیوم (1900-2500 نانومتر)، هولمیوم (2025-2200 نانومتر) و دیسپروسیم با (2600-3400 نانومتر).
با توجه به قابلیت تولید طول موج‌های مختلفی که این لیزرها دارند، فیبرهای لیزری برای استفاده در کاربردهایی همچون برش لیزری، بافت، تمیز کردن، حکاکی، حفاری، علامت گذاری و جوشکاری ترجیح داده می‌شوند.
لیزر فیبری چگونه کار می‌کنند؟
لیزر فیبری، با توجه به استفاده فیبرهای نوری در ناحیه فعال لیزری نام‌گذاری شدند. هر دستگاه لیزر فیبری که یک لیزر پرقدرت با هماهنگی بالا تولید می‌کند.
این کار را در پنج مرحله اصلی انجام می‌دهد. این مراحل عبارتند از:
- تولید نور پمپاژ شده
- جذب کردن و انتقال آن به فیبر نوری
- عبور نور از داخل فیبر
- گسیل القایی تابش از طریق حفره لیزر
- تقویت و تبدیل نور خام لیزر به پرتو لیزر
تولید نور پمپاژ شده
اینجا جایی است که انرژی لازم برای اشعه لیزر وارد سیستم می‌شود. در لیزر فیبری، برق به عنوان منبع انرژی استفاده می‌شود. دیودهایی که به دیودهای منتشر کننده لیزر معروف هستند انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می‌کنند. در دیودهایی با کیفیت ساخت بالا، این تبدیل انرژی قابلیت اطمینان و کیفیت بالاتری دارد و انرژی نوری را تنها با یک طول موج مشخص، تولید می‌کند.
اتفاقا، یکی از اصلی‌ترین موانع پیشرفت فناوری لیزری در 3 دهه اخیر، دیودهای لیزری با کیفیت پایین بودند.
معمولا، نور یا پرتو منتشر شده، توسط چندین قطعه دیود لیزری تولید و در کابل فیبر نوری کوپل می‌شود.
به عنوان مثال، دستگاه‌های لیزری 20 واتی وجود دارند که نور منتشر شده از 11 دیود لیزری را در کابل فیبر نوری ترکیب می‌کنند.
جذب کردن و انتقال آن به فیبر نوری
یک کوپلر، نور حاصل از چندین دیود لیزری را در یک واحد جمع می‌کند. این کوپلر جزوی از فیبر نوری است. کوپلر ورودی‌های مختلفی در هر طرف دارد که نور حاصله از هر دیود مجزا را به یکی از رشته‌های فیبر نوری متصل می‌کند.
در طرف دیگر تنها یک ورودی اصلی از کابل فیبر نوری برای همه آن‌ها در نظر گرفته می‌شود. وقتی که همه نورها جذب و جمع شدند، انتقال آن از ناحیه فعال لیزری میسر می‌شود.
عبور نور از داخل فیبر
در مرحله بعد، نور حاصله از دیود لیزری توسط فیبر نوری از ناحیه فعال لیزری عبور می‌کند. ساختار فیبر از دو قسمت اصلی تشکیل می‌شود: هسته و روکش فلزی. هسته از جنس شیشه سیلیکات است تا بتواند نور را از داخل خود عبور دهد. هسته کاور آهنی دارد. وقتی نور از داخل فیبر به روکش برخورد می‌کند، تمام آن دوباره به هسته بازتاب می‌شود.
لیزر فیبری همواره مقداری توان را از طریق گرما از دست می‌دهند، اما بزرگی نسبت سطح به حجم، باعث اتلاف موثر گرما می‌شود و از آسیب‌های احتمالی سایشی و پارگی دور نگه می‌دارد.
در مسیر انتقال نور از طریق فیبر، نور نهایتا به قسمت تحریک‌شده فیبر میرسد. این قسمت با نام حفره لیزر شناخته می‌شود.
گسیل القایی تابش از طریق حفره لیزر
وقتی که نور دیود لیزری به فیبر تحریک شده میرسد، به اتم‌های عنصرهای خاکی کمیاب برخورد می‌کند و الکترون‌های آن را تا سطح انرژی بالاتری تحریک می‌کند. با گذشت زمان، این عمل منجر به وارونگی تعداد می‌شود که برای تولید یک لیزر استاندارد ضروری است.
وارونگی تعداد، در لیزر، به حالتی در ناحیه فعال لیزری اطلاق می‌شود که در آن قسمت، تعداد الکترون‌های در حالت برانگیختگی، نسبت به بقیه قسمت‌ها بیشتر است. از این جهت به آن وارونگی تعداد گفته می‌شود که این حالت، برعکس و وارون حالت عادی است؛ یعنی در آن، تنها تعداد کمی از الکترون‌های اتم ها، در حالت برانگیختگی می‌باشند.
هنگامی که برخی از این الکترون‌ها به طور طبیعی به سطوح انرژی پایین‌تری سقوط می‌کنند، فوتون‌هایی با طول موج خاص از خود ساطع می‌کنند. این فوتون‌ها با دیگر الکترون‌های برانگیخته شده فعل و انفعالاتی انجام می‌دهند و آن‌ها را تحریک می‌کنند تا فوتون‌های مشابهی ساطع کنند و به سطوح انرژی پایین تر از سطوح انرژی اولیه خود برگردند. این عمل، همان پروسه فیزیکی اصطلاح «گسیل القایی تابش» می‌باشد که جزئی از مخفف کلمه لیزر LASER (تقویت نور با گسیل القایی تابش) است.
الکترون‌هایی که به حالت آرام اولیه خود باز می‌گردند، توسط نور ورودی از دیودهای منتشر کننده دوباره برانگیخته می‌شوند. در نهایت، این فرآیند به تعادلی بین الکترون‌های برانگیخته و آرام میرسد و جریان ثابتی از نور لیزر خام را به ما می‌دهد. این نور برای استفاده در کاربردهای مختلف نیاز به پالایش دارد.
تقویت و تبدیل نور خام لیزر به پرتو لیزر
قبل از استفاده از نور لیزر خام از فیبر تحریک شده در صنایع، ابتدا باید آن را تقویت کرد. در لیزر فیبری، این کار با استفاده از فیبر براگ گریتینگ (FBGs) انجام می‌شود. این فیبرها جایگزین آینه‌های دی الکتریک معمولی می‌شوند و به عنوان آینه‌هایی با بازتاب متفاوت عمل می‌کنند.
نور بین فیبر براگ در حرکت است. بخشی از نور لیزر در یک جهت عبور می‌کند، در حالی که بخش دیگری از نور باقی‌مانده به داخل حفره لیزر منعکس می‌شود. قسمتی از فیبر عبور می‌کند و به پرتو لیزر تبدیل می‌شود. این پرتو به یک نوسان ساز (و گاهی یک ترکیب کننده)، برای بهبود انسجام فرستاده می‌شود و به عنوان خروجی بیرون می‌آید.
لیزرهای فیبری درمقابل لیزرهای گاز کربنیک CO2
اصلی ترین تفاوت بین این دو پروسه، منبعی است که اشعه لیزر در آن ایجاد می‌شود. همانطور که گفتیم، منشاء لیزر فیبری از شیشه سیلیکات که با نوعی عنصر کمیاب خاکی مخلوط می‌شود، درست شده اند. در طرف مقابل، منشاء لیزرهای گاز کربنیک CO2، از ترکیب گازهایی که بخش اصلی آن همان گاز CO2 است تشکیل یافته اند.
لیزر فیبری، در مقابل لیزرهای گاز کربنیک از تمام جهات گوی را از میدان ربوده‌اند و برتری کامل دارند؛ اما وقتی حرف از هزینه اولیه می‌شود، لیزرهای گاز کربنیک برتری پیدا می‌کنند. برای مثال، لیزرهای گاز کربنیک بسیاری از مواد را که قابلیت انعکاس دارند نمی‌توانند برش دهند. لیزرهای فیبری می‌توانند از پس تعداد بیشتری از فلزات بازتاب دهنده از جمله مس، برنج، آلومینیوم و فولاد ضد زنگ برآیند. همچنین، یک لیزر فیبری به انرژی کمتری نیاز دارد و راندمان آن به مراتب بالاتر است. همه این‌ها با نصف هزینه‌های عملیاتی و پنج برابر سرعت بیشتر نسبت به برش لیزری گاز کربنیک (البته در برش فلزات نازک) انجام می‌شوند.
اگرچه هنگام برش مواد ضخیم تر (بالاتر از 5 میلی متر)، لیزرهای گاز کربنیک ارجحیت دارد، اما پیشرفت‌های مداوم در فناوری لیزرهای فیبری به دنبال گسترش توانایی‌های آن در تمامی جهات می‌باشد.
همچنین، لیزر فیبری کیفیت پرتو بهتر، قابلیت اطمینان بالاتر، کربن اضافه کمتر، زمان راه‌اندازی سریع‌تر، عمر طولانی‌تر و قابلیت‌های پردازش از راه دور را فراهم می‌کند؛ این لیزرها به نگهداری کمتری نیاز دارند زیرا هیچ آینه یا عدسی در آن‌ها وجود ندارد. تراز آینه‌ای در دستگاه‌های لیزری گاز کربنیک CO2، معمولاً به آموزش‌های حرفه‌ای و اپراتورهای ویژه نیازمند است.
همچنین برای حکاکی لیزری مانند لیزرهای گاز کربنیک، نیازی به ترکیب نشانه‌گذاری سرامیکی ندارند. اگر چه لیزرهای فیبری در مقایسه با لیزرهای گاز کربنیک به سرمایه اولیه بیشتری نیاز دارند، اما به دلیل کاهش هزینه کل مالکیت (TCO)، همچنان راه‌حل مقرون‌به‌صرفه‌تری در درازمدت محسوب می‌شوند.
کاربردهای لیزرهای فیبری
با توجه به گستردگی طیف زیادی از خروجی‌های ممکن، لیزرهای فیبری در بسیاری از کاربردهای مختلف استفاده می‌شوند. برخی از این موارد عبارتند از:
علامت گذاری لیزری
به طور کلی، لیزرهای فیبری تحریک شده با ایتربیوم با طول موج انتشار 1064 نانومتر، برای کاربردهای علامت گذاری لیزری با کیفیت بالا در نظر گرفته می‌شوند. این لیزرها می‌توانند پلاستیک و فلزات را با علائم دائمی و با کنتراست بالا علامت گذاری کنند. OEMها و همچنین تامین کنندگان، برای شناسنامه‌دار کردن قطعات از بارکد، آرم و یا سایر متون، به ماشین‌های علامت گذاری لیزری نیاز دارند.
این ماشین‌ها ممکن است دستی یا خودکار باشند و می‌توانند برای هماهنگی با چرخه‌های کوتاه تولید سفارشی‌سازی شوند. علاوه بر علامت‌گذاری، می‌توان از لیزرهای فیبری برای عمل بازپخت و حکاکی استفاده کرد.
تمیزکاری لیزر فیبری
لیزرهای فیبری می‌توانند سطوح فلزی را از رنگ، اکسید، زنگ‌زدگی و غیره تمیز کنند. به این پروسه تمیزکاری لیزری می‌گویند. این پروسه برای خطوط صنعتی مختلف میتواند به دو روش اتوماتیک و یا سفارشی سازی انجام شود.
جوشکاری لیزری
کاربرد مهم دیگر این لیزرها در عمل جوشکاری با لیزر می‌باشد. جوشکاری لیزری فیبری یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های آینده است که به دلیل مزایای مختلفی که این فرآیند ارائه می‌دهد، به سرعت سهم بازار را به دست می‌آورد. جوشکاری لیزری سرعت بیشتر، دقت بیشتر، تغییر شکل کمتر، کیفیت و کارایی بالاتر را نسبت به روش‌های سنتی فراهم می‌کند.
برش لیزری
برش لیزری یکی از مهم ترین زمینه‌های کاربرد لیزرهای فیبری است. این روش، میتواند برش‌هایی دارای را با کیفیت لبه چشمگیر و بسیار بالا انجام دهد؛ که آن را برای قطعاتی با تلرانس نزدیک بهینه می‌کند. به دلیل مزایای زیادی که دارند، استفاده از این لیزرها در حال افزایش است.
مزایای برش لیزر فیبری
در مقایسه با سایر انواع لیزرها، لیزرهای فیبری دارای مزایای ویژه‌ای هستند که آن‌ها را برای استفاده تجاری گستردهتری ایده‌آل می‌کند. ما این مزایا را به چهار دسته تقسیم‌بندی کرده‌ایم:
پروسه در لیزری فیبری
- ثبات بیشتر
- راندمان بالا
- کیفیت پرتو فوق‌العاده
- ادغام آسان
- فرآیند غیر تماسی
- سرعت‌های سریع‌تر (البته، لیزرهای CO2 در یک خط مستقیم سریع‌تر برش می‌دهند)
- ایمن‌تر است زیرا پرتو به راحتی جذب می‌شود و از آسیب انعکاس جلوگیری می‌کند
هزینه لیزر در فیبری
- در دراز مدت مقرون به صرفه تر است
- راندمان انرژی بالا (75٪، و برای لیزرهای گاز کربنیک 75%) است.
- کاهش ضایعات
- کاهش مصرف برق
- کاهش افزونگی اپراتور
- هزینه عملیاتی کم
تجهیزات در لیزر فیبری
- مقیاس پذیری
- تطبیق پذیری در صنایع
- جمع و جورتر
- عمر طولانی
- بدون تنظیم مجدد آینه دوره‌ای
- کاهش زمان راه‌اندازی و توقف
- حذف هزینه‌های ابزار
کیفیت قطعات در لیزر فیبری
- آسیب حرارتی کمتر به جزئیات
- تنوع مواد
- کیفیت لبه بهتر
- تنش‌های پسماند کمتر
- کاهش آلودگی قطعات
