Wat is een krachtige blauwe halfgeleiderlaser?

DeHelderheid en krachtige blauwe halfgeleiderlasersverbeteren voortdurend tot nieuwe limieten, wat ook zal leiden tot meer en bredere toepassingen. Naast efficiënte metaalmateriaalverwerking verwachten blauwe halfgeleiderlasers sectoroverschrijdende toepassingen, met name de machinebouwsector zal lasermateriaalbewerking met blauw licht onder water mogelijk maken. Voor de productie is dit natuurlijk een enorm voordeel. Daarnaast kan de verlichtingsindustrie ook gebruikmaken van hoogwaardige verlichtingstechnologie op basis van blauwe halfgeleiderlasers.

1. Beperkingen van krachtige lasers bij nabij-infrarode golflengten

In de afgelopen decennia zijn krachtige CW-lasers een veelgebruikt hulpmiddel geworden in de moderne productie, voor toepassingen zoals lassen, bekleden, oppervlaktebehandeling, harden, hardsolderen, snijden, 3D-printen en additive manufacturing. De eerste ontwikkelingspiek van krachtige continue lasertechnologie verscheen vóór 2000, toen een krachtige 10,6 µm golflengte kooldioxide (CO2) laser en een nabij-infrarood 1064 nm golflengte halfgeleider-gepompte Nd:YAG solid-state laser werden ontwikkeld. Vanwege de golflengte zijn koolstofdioxidelasers echter moeilijk door optische vezels te verzenden, wat bepaalde problemen met zich meebrengt voor industriële toepassingen; terwijl solid-state lasers worden beperkt door helderheid en vermogensversterkingsmogelijkheden. Na 2000 begonnen krachtige industriële fiberlasers op te duiken als oplossingen voor zeer heldere, krachtige lasers die via optische vezels konden worden geleverd. Tegenwoordig hebben fiberlasers CO2-lasers vervangen in de overgrote meerderheid van toepassingen en worden ze effectief gebruikt in veel industriële verwerkingstoepassingen. Vooral de laatste jaren is het de belangrijkste kracht geworden van industriële lasers, zoals laserlassen en -snijden, die een hogere snelheid, efficiëntie en betrouwbaarheid hebben dan kooldioxidelasers.

Deze CW-vezellasers met hoog vermogen werken echter meestal op nabij-infrarood (NIR) golflengten, binnen 1 µm, wat prima is voor veel toepassingen. Het is bijvoorbeeld geschikt voor de verwerking van staal met een absorptiegraad van meer dan 50 procent, maar het is beperkt omdat sommige metalen 90 procent of meer van de nabij-infrarode laserstraling reflecteren die op hun oppervlak valt. Vooral het lassen van gele metalen zoals koper en goud met nabij-infrarood lasers, door de lage absorptiesnelheid is hierdoor veel laservermogen nodig om het lasproces op gang te brengen. Er zijn over het algemeen twee laserlasprocessen: lassen in geleidingsmodus (waarbij het materiaal eenvoudigweg wordt gesmolten en opnieuw vloeit) en lassen in diepe penetratiemodus (waarbij de laser het metaal verdampt en de dampdruk een holte of sleutelgat vormt). Lassen met diepe penetratie resulteert in een sterk geabsorbeerde laserstraal vanwege de vele interacties die de laserstraal heeft met het metaal en de metaaldamp terwijl deze door het materiaal gaat. Het bedienen van het sleutelgat met een nabij-infraroodlaser vereist echter een aanzienlijke laserintensiteit, vooral als het te lassen materiaal sterk reflecterend is. En als het sleutelgat eenmaal is gevormd, zal de absorptiesnelheid sterk stijgen en zal de hoge metaaldampdruk die wordt gegenereerd door de krachtige nabij-infraroodlaser in het smeltbad spatten en porositeit veroorzaken, dus het laservermogen of de lassnelheid moet zijn zorgvuldig gecontroleerd om te voorkomen dat er te veel spatten uit de las worden geworpen. Metaaldampen en "bellen" in het procesgas kunnen ook vast komen te zitten als het smeltbad stolt, waardoor porositeit in de lasverbinding ontstaat. Een dergelijke porositeit verzwakt de lassterkte en verhoogt de soortelijke weerstand van de verbinding, wat resulteert in een lasverbinding van mindere kwaliteit. Daarom zijn NIR-lasers een grote uitdaging om materialen zoals koper mee te bewerken<5% absorption at 1 µm. In order to process these high-reflectivity materials better, methods such as increasing the laser absorption rate of the material by generating plasma on the processed material have been adopted. However, because these methods limit material processing to deep penetration processes, conduction mode welding cannot be used for thin materials, and there are inherent risks of sputtering and controlled energy deposition. Therefore, existing 1 µm laser systems have their limitations when processing highly reflective materials such as non-ferrous metals, as well as in underwater applications.

Om deze nabij-infrarood lasergestuurde toepassingen te ontwikkelen, moet men onderzoek doen naar nieuwe laserlichtbronnen. Bovendien vervangen nieuwe energievoertuigen benzinemotoren en verbrandingsmotoren door elektrische motoren om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. De grote hoeveelheid koper die wordt gebruikt bij de constructie van elektromotoren, met name vermogensbatterijen, heeft geleid tot een enorme vraag naar betrouwbare koperverwerkingsoplossingen, terwijl er in andere hernieuwbare energiesystemen, zoals windturbines, een even breed scala aan toepassingen is.

2. De geboorte van krachtige blauwe laser

De ontwikkeling van industriële lasertechnologie is altijd ontwikkeld langs de routekaart van productietechnologie en nieuwe maatschappelijke vereisten. In de afgelopen 60 jaar, van digitale economie en samenleving, tot duurzame energie, tot gezond leven, heeft lasertechnologie grote bijdragen geleverd aan het oplossen van belangrijke opgaven in de toekomst van de mensheid. Tegenwoordig is lasertechnologie een integraal onderdeel van veel kerngebieden van onze economie, van productietechnologie tot autotechniek, medische technologie, meet- en milieutechnologie en informatie- en communicatietechnologie. Naarmate de metaalverwerkingstechnologie zich verder ontwikkelt en de gebruikerseisen steeds hoger worden, hebben lasers innovaties nodig op het gebied van kosten- en energie-efficiëntie en de prestaties van het lasersysteem. De marktvraag naar efficiënte verwerking van sterk reflecterende metalen heeft de ontwikkeling van blauwe high-power lasertechnologie gestimuleerd, die zeker de deur zal openen naar nieuwe technologieën in metaalbewerking.

Voor non-ferrometalen neemt hun absorptie van lichtenergie toe naarmate de golflengte van het licht afneemt. De lichtabsorptie van koper bij golflengten onder 500 nm zal bijvoorbeeld met minstens 50 procent toenemen in vergelijking met infrarood licht, dus korte lichtgolflengten zijn geschikter voor koperverwerking. Het probleem is dat het ontwikkelen van krachtige lasers met een korte golflengte voor deze industriële toepassingen moeilijk is; er zijn weinig krachtige opties beschikbaar, en zelfs de opties die er zijn, zijn duur en inefficiënt. Er zijn bijvoorbeeld enkele solid-state laserbronnen op de markt op basis van frequentieverdubbeling die in dit golflengtebereik kunnen worden gebruikt en laserlicht produceren met golflengten van 515 nm en 532 nm (groen spectrum). Deze laserbronnen vertrouwen echter op hun niet-lineaire optische kristallen om de energie van de pomplaser om te zetten in de energie van de doelgolflengte. Het conversieproces resulteert in een hoog vermogensverlies en de laser vereist complexe koelsystemen en complexe optische opstellingen.

Om deze uitdaging aan te gaan, richtte men zijn aandacht op blauwe halfgeleiderlasers. Een daarvan is omdat Blu-ray zijn specifieke eigenschappen heeft. Hoogreflecterende metalen materialen hebben een hoge absorptiesnelheid van blauw licht, wat betekent dat blauw licht een enorm voordeel heeft bij de metaalverwerking van sterk reflecterende materialen (zoals koper, enz.). Zoals te zien is in figuur 1, is de absorptie van blauw licht door koper meer dan 13× (13 keer) hoger dan die van infrarood licht. Bovendien verandert de absorptiesnelheid niet veel wanneer koper wordt gesmolten. Zodra de blauwe laser begint te lassen, zorgt dezelfde energiedichtheid ervoor dat het lassen doorgaat. Blu-ray-laserlassen is inherent goed gecontroleerd en minder defect, en het resultaat is snelle en hoogwaardige gesoldeerde lassen. Tegelijkertijd wordt blauw licht minder geabsorbeerd in zeewater, dus heeft het een langere transmissieafstand, wat het mogelijk maakt om het gebied van onderwaterlasermateriaalverwerking te ontwikkelen. Bovendien is blauw licht relatief eenvoudig om te zetten in wit licht, waardoor schijnwerpers en andere verlichtingstoepassingen zeer compact kunnen worden gerealiseerd met blauwe lasers. De tweede is dat halfgeleiderlasers op basis van galliumnitridematerialen direct laserlicht kunnen genereren met een golflengte van 450 nm zonder verdere frequentieverdubbeling, zodat ze een hogere energieconversie-efficiëntie hebben.

De laser met een golflengte van 450 nm zal naar verwachting de verwerkingsefficiëntie van kopermaterialen bijna 20 keer verhogen in vergelijking met de golflengte van 1 µm. Vergeleken met traditionele nabij-infraroodlaserlasprocessen hebben krachtige blauwe lasers kwantitatieve en kwalitatieve voordelen. Kwantitatieve voordelen: hogere lassnelheden en een breder procesvenster vertalen zich direct in snellere productiviteit en minimale productiestilstand. Kwalitatieve voordelen: grotere procesvrijheid, spat- en porositeitsvrije lasnaden van hoge kwaliteit, evenals hogere mechanische sterkte en lagere elektrische weerstand. De consistentie van de laskwaliteit kan de productieopbrengst aanzienlijk verbeteren. Bovendien kan de blauwe laser ook warmtegeleidingslassen uitvoeren, wat niet mogelijk is met de nabij-infraroodlaser.

Contactgegevens:

Heeft u ideeën, spreek ons ​​gerust aan. Waar onze klanten zich ook bevinden en wat onze vereisten ook zijn, we zullen ons doel nastreven om onze klanten hoge kwaliteit, lage prijzen en de beste service te bieden.