Волоконные лазеры против твердотельных лазеров 

В сегодняшнюю эпоху быстрого развития лазерных технологий твердотельные лазеры и волоконные лазеры, как два основных основных лазерных продукта, продемонстрировали свое уникальное очарование и преимущества во многих областях, таких как промышленное производство, научные исследования и военные приложения.

1. Технические принципы и различия в производительности

① Среда усиления
Волоконные лазеры используют в качестве среды усиления оптические волокна из стекла, легированного редкоземельными элементами. Под действием света накачки в оптическом волокне формируется высокая плотность мощности, что приводит к инверсии числа частиц на энергетическом уровне лазера, а лазерные колебания генерируются через петлю положительной обратной связи резонансной полости. Волоконные лазеры имеют компактную структуру и не требуют сложной системы охлаждения. Гибкость оптического волокна делает его более выгодным в приложениях многомерной обработки пространства.

В основе волоконного лазера лежит оптическое волокно, гибкая, тонкая как волос нить из стекла или пластика, известная своей способностью направлять свет на большие расстояния с минимальными потерями. Волокно действует как активная среда усиления лазера и играет центральную роль в его работе. Однако, в отличие от нелегированных стеклянных или пластиковых волокон, используемых в телекоммуникациях, волокно в волоконном лазере легировано редкоземельными элементами, такими как эрбий или иттербий. Это легирование вводит энергетические состояния, необходимые для работы лазера, позволяя волокну не только направлять свет, но и усиливать его.

Твердотельный лазер (SSL) сосредоточен на своей уникальной среде усиления, твердом материале, и обычно состоит из четырех частей: среды усиления, системы охлаждения, оптического резонатора и источника накачки. Среда усиления, такая как рубин (Cr:Al₂O₃) или легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат (Nd:YAG), является душой твердотельного лазера. Активированные ионы, легированные внутри него (например, Nd³⁺), достигают инверсии населенности под действием света накачки, тем самым генерируя лазерный свет. Система охлаждения отвечает за отвод тепла, накопленного в среде усиления из-за генерации лазера, обеспечивая стабильную работу лазера. Оптический резонансный резонатор формирует непрерывные колебания посредством положительной обратной связи фотонов и выводит высокомонохроматический и высоконаправленный лазерный луч.

② Производительность и эффективность

Волоконные лазеры известны своей исключительной электрической эффективностью благодаря свойствам волоконно-оптических кабелей, которые проводят свет с минимальными потерями. Эта особенность делает волоконные лазеры невероятно энергоэффективными, часто достигая эффективности более 30%.

Твердотельные лазеры, как правило, менее эффективны, вероятно, из-за более высоких потерь их громоздкой среды усиления и необходимости использования ламп высокой интенсивности для накачки.

③ Качество луча: напрямую влияет на эффективность лазеров в прецизионных приложениях

Одномодовый режим работы волоконных лазеров обеспечивает невероятно высокое качество луча, характеризующееся плотной фокусировкой и минимальной расходимостью.

Твердотельные лазеры, хотя и способны обеспечивать высококачественные лучи, часто не могут сравниться с качеством луча волоконных лазеров, особенно при более высоких уровнях мощности.

Несмотря на их более низкую эффективность и качество луча, твердотельные лазеры не лишены своих преимуществ. Они обладают мощными возможностями масштабирования мощности, что делает их идеальными для приложений с высокой мощностью. Твердотельные лазеры могут быть спроектированы для получения невероятно высоких уровней мощности за счет увеличения размера среды усиления и мощности накачки, что не так просто для волоконных лазеров из-за ограничений по размеру волокна и рассеиванию тепла.

④ Стабильность Волоконные лазеры обладают высокой стабильностью.

Структура их волокна нечувствительна к изменениям окружающей среды (таким как температура, влажность, вибрация и т. д.) и может поддерживать стабильное рабочее состояние в относительно суровых условиях. В то же время волоконные лазеры используют твердотельную структуру и не содержат оптических компонентов в свободном пространстве, поэтому они считаются более долговечными и адаптируемыми к изменениям окружающей среды.

Стабильность твердотельных лазеров относительно низкая, и изменения факторов окружающей среды могут оказывать большее влияние на их производительность.

⑤ Эффективность рассеивания тепла

Волоконные лазеры обладают превосходной эффективностью рассеивания тепла. Его усиливающей средой является оптическое волокно, которое имеет большое отношение площади поверхности к объему, и тепло может рассеиваться быстро, поэтому оно может работать стабильно в течение длительного времени и выдерживать высокую выходную мощность.

Твердотельные лазеры относительно трудно рассеивают тепло и подвержены тепловым эффектам при работе на высокой мощности, что влияет на производительность и срок службы лазера.

⑥ Размер и стоимость обслуживания Волоконные лазеры очень компактны и практически не требуют обслуживания.
Небольшой размер волокна и отсутствие внешних зеркал значительно уменьшают проблемы юстировки, связанные с твердотельными лазерами. Кроме того, превосходные возможности рассеивания тепла волокна обычно не требуют активного охлаждения, что еще больше снижает требования к обслуживанию. В то же время волоконные лазеры, как правило, более безопасны в эксплуатации, поскольку лазер заключен внутри волокна, что снижает риск случайного воздействия.

Юстировка зеркал в твердотельных лазерах имеет решающее значение для их работы и требует регулярного осмотра и регулировки, что увеличивает объем работ по техническому обслуживанию. Кроме того, твердотельным лазерам обычно требуется активное охлаждение для управления теплом, выделяемым в среде усиления, что не только увеличивает сложность системы, но и увеличивает требования к техническому обслуживанию. Твердотельные лазеры, как правило, больше волоконных лазеров. Потребность в больших зеркалах усиления и внешних зеркалах увеличивает их размер и вес, что ограничивает их применимость в приложениях с ограниченным пространством.

2. Области применения
Волоконные лазеры блистают в области промышленной резки и сварки благодаря своей высокой мощности, высокому качеству луча, хорошим характеристикам рассеивания тепла и стабильности. Волоконные лазеры особенно подходят для резки и сварки толстых пластин металлических материалов. Их высокая эффективность электрооптического преобразования и конструкция без регулировки и обслуживания значительно снижают стоимость использования и сложность обслуживания. В то же время высокая устойчивость волоконных лазеров к суровым рабочим условиям, таким как пыль, вибрация, влажность и т. д., также позволяет им хорошо работать на различных промышленных площадках. Непрерывные лазеры имеют высокую степень проникновения в области макрообработки и постепенно заменили традиционные методы обработки в этой области.

Твердотельные лазеры являются уникальными в области сверхточной и сверхмикрообработки благодаря своей высокой пиковой мощности, большой энергии импульса и коротковолновому лазерному выходу (например, зеленый свет и ультрафиолетовый свет). В таких процессах, как маркировка, резка, сверление и сварка металлических/неметаллических материалов, твердотельные лазеры могут достигать более высокой точности обработки и более широкой применимости материалов. Особенно в высокоточной сварке и светоотверждаемой 3D-печати неметаллических материалов твердотельные лазеры стали предпочтительным оборудованием из-за их коротковолновых лазеров с малыми тепловыми эффектами и высокой точностью обработки. Твердотельные лазеры в основном используются в области прецизионной микрообработки неметаллических материалов и тонких, хрупких и других металлических материалов из-за их короткой длины волны (ультрафиолет, глубокий ультрафиолет), короткой длительности импульса (пикосекунда, фемтосекунда) и высокой пиковой мощности. Кроме того, твердотельные лазеры широко используются в передовых научных исследованиях в области охраны окружающей среды, медицины, военного дела и т. д.

3. Доля рынка
моя страна находится в процессе трансформации и модернизации производства от производства низкого уровня до производства высокого уровня. Производство низкого уровня составляет большую долю. Рынок макрообработки охватывает как производство низкого уровня, так и некоторое производство высокого уровня. Спрос на рынке большой. Поэтому емкость рынка волоконных лазеров относительно велика.

Степень локализации отечественных волоконных лазеров низкой мощности высока, и существует много отечественных крупных производителей. Согласно «Отчету о развитии лазерной промышленности Китая», волоконные лазеры низкой мощности были полностью заменены отечественной продукцией; что касается непрерывных волоконных лазеров средней мощности, отечественное качество не имеет очевидных недостатков, ценовое преимущество очевидно, а доля рынка эквивалентна; ​​что касается непрерывных волоконных лазеров высокой мощности, отечественные бренды достигли частичных продаж.

Что касается твердотельных лазеров, из-за позднего развития в Китае в настоящее время нет зарегистрированных компаний, которые бы занимались этим продуктом в качестве своего основного бизнеса, и они, как правило, покупают иностранные бренды.

Волоконные лазеры в основном используются в области макрообработки из-за их высокой выходной мощности (лазерная макрообработка обычно относится к обработке размера и формы обрабатываемого объекта с воздействием лазерного луча на обрабатываемый объект в миллиметровом диапазоне); твердотельные лазеры широко используются в области микрообработки из-за их преимуществ, таких как короткая длина волны, узкая ширина импульса и высокая пиковая мощность (микрообработка обычно относится к обработке размера и формы с точностью, достигающей микрометрового или даже нанометрового уровня), что приводит к определенным различиям между пользователями твердотельных лазеров и волоконных лазеров.

В целом, твердотельные лазеры и волоконные лазеры имеют разные области применения, и у каждого есть своя собственная область применения. Прямой конкуренции между ними нет в большинстве областей. В области обработки металлических материалов, которая пересекается с областью микрообработки, когда металл достигает определенной толщины, эта область обычно принимает традиционные методы или волоконные лазеры из-за соображений стоимости. Твердые лазеры используются только в сценах с тонкой толщиной металла или высокими требованиями к обработке и нечувствительны к стоимости. Кроме того, перекрытие конкуренции между ними невелико. Твердотельные лазеры в основном используются для обработки неметаллических материалов (стекла, керамики, пластика, полимеров, упаковки, других хрупких материалов и т. д.), а в области металлических материалов они используются в сценах с высокими требованиями к точности и относительно нечувствительны к стоимости.