Лазерный мир

Мощные волоконные и диодные лазеры перестраивают сектор обработки материалов, а мощные синие лазеры находят свою нишу в отдельных приложениях для сварки.
HANAN HOGAN, редактор PHOTONICS SPECTRA

Синий лазер в действии. Сварка меди. Nuburu.

Для некоторых применений CO2-лазера конец близок, и волоконные лазеры почти полностью заменили старые технологии. Еще одна смена в настоящее время связана с приходом мощных диодных лазеров, которые влияют на обработку материалов и снижают стоимость сверхбыстрых лазеров с появлением прямой диодной накачки.

В этих заменах лазеры, которые выигрывают, как правило, стоят меньше, проще работают и более надежны. Они также могут предложить другие преимущества: длину волны, с которой материалы поглощают сильнее  или которая определяет  большую точность.

Нержавеющая сталь разрезается 6-кВт волоконным лазером толщиной до 30 мм. IPG Photonics.

Но эти новички — новые лазеры — не должны чувствовать себя слишком комфортно. Экзотические технологии — как мощные синие лазеры сегодня, так и органические лазеры годы спустя — скорее всего,  оставят свой след. В частности, это будет, в какой-то степени, вытеснением сегодняшних победителей.

Недавняя замена CO2-лазеров на волоконные системы иллюстрируется сдвигом в предложениях  Bystronic Laser AG для их систем резки листового металла.

«Два года назад у нас, вероятно, уже было 70% волокна. Теперь мы, вероятно, почти на 100-процентов волокно для североамериканского рынка, — сказал Франк Артеага, глава отдела маркетинга продуктов для региона NAFTA.

Скорость обработки оценивается от двух до пяти раз выше с переходом на волоконные лазеры. Bystronic.

Это звучит весомо, т.к.  Bystronic, основанный в Швейцарии производитель систем обработки материалов, начал свою деятельность в 1986 году с производства CO2 лазерных машин для резки листового металла . Компания оставалась с  этой технологией до тех пор, пока не стали доступны достаточно мощные одномодовые волоконные лазеры. В 2009 году Bystronic предложила свою первую волоконную систему лазерной резки листового металла.

Новая лазерная технология принесла свои преимущества, сказал Артеага. Системы были более надежными и требовали меньше обслуживания, чем те, которые основаны на более старой технологии. Вместе это сократило операционную стоимость в час вдвое. Что касается производительности, то скорость обработки оценивается от двух до пяти раз выше с переходом на волоконные лазеры.

Такая же мощность, более высокая производительность

Частично такое ускорение было вызвано уменьшением длины волны. Лазер СО2 работает при 10 мкм, тогда как волоконные лазеры, используемые Bystronic, работают на 1,06 мкм. Более короткая длина волны намного легче поглощается  разрезаемыми металлами, что означает, что при той же мощности скорость повышается. Более короткая длина волны также может быть сфокусирована в меньшее пятно, увеличивая плотность мощности.

Переход  в Bystronic — это один пример из  серии в  целой индустрии. Согласно отчету исследовательской фирмы Optech Consulting от марта 2016 года, волоконные лазеры в настоящее время составляют большую часть глобальной обработки материалов, чем CO2 и эксимерные лазеры.

Типовая операция с мощным волоконным лазером. IPG Photonics.

В этом переходе важно помнить, что доминирование волокна происходит в новых системах. По словам Артеаги, индустрия продает системы CO2 в течение как минимум 25 лет, поэтому существует значительная количество установленных систем, которые необходимо заменить. По его оценкам, их насчитывается 10 000 единиц.

Одной из причин, по которой волокно обогнало CO2 при резке и в других применениях, является устойчивый рост мощности твердотельных лазеров. Брайс Самсон, директор североамериканских продаж компании IPG Photonics Corp., производитель оптических лазеров и усилителей в Оксфорде, штат Массачусетс, сказал, что пять или шесть лет назад средняя мощность волоконного лазера в системе для резки  составляла около 2 кВт.

«В настоящее время среднее значение составляет от 6 до 8 кВт, а новые продукты выпускаются от 12 до 14 кВт. Большинство из них находит свой путь для резки более толстых материалов, потому что OEM-производители выясняют, как соответствовать традиционному качеству реза, получаемого от CO2 систем. Таким образом, даже эта последняя точка опоры для CO2 будет разрушена в ближайшие пять лет », — сказал он.

Новейшая технология высокомощных синих диодных лазеров позволяет сваривать и обрабатывать медь, что проблематично для некоторых IR лазеров. Фото швов на меди; теплопроводностный режим (а), режим сварки с глубоким проплавлением (б)

Самсон добавил, что ключевым требованием для любого промышленного применения является то, чтобы лазерный источник был небольшим, компактным, надежным и экономичным. Надежность должна быть такой, чтобы системы могли работать потенциально три смены в день в течение многих лет, при этом единственным простоем было бы обычное техническое обслуживание.

Также важно иметь длины волн, хорошо подходящие для задач, и для волоконных лазеров это означает, что нужные легирующие добавки в волокно  должны быть найдены, исследованы и затем коммерциализированы. В настоящее время IPG работает над созданием лазерных источников в диапазоне длин волн от 2 до 10 мкм, используя для этого свои собственные ресурсы и ресурсы университетов и других стран. Благодаря удвоению частоты излучения лазера в два или три раза, компания также попадает в зеленые и ультрафиолетовые длины волн.

В дополнение к большей мощности и новым длинам волн волоконные лазеры также входят в арену сверхбыстрой обработки с шириной импульса, которая составляет наносекунду или меньше. Благодаря своей неотъемлемой надежности, волоконные системы имеют хорошие возможности для участия на рынке в этой области, сказал Самсон.

Схема лазера. Оптимизируя структуру среды и используя правильные материалы, удлиненный импульс накачки доходит до 30 мсек, что более чем в 100 раз дольше, чем ранее было возможно. Atula S.D. Sandanayaka and Willam J. Potscavage Jr., Kyushu University

Лазеры с ультракороткими импульсами обеспечивают очень тонкую обработку, что делает их кандидатами на прецизионную обработку материалов. Примеры включают электронику и механические системы с высокой точностью, такие как форсунки для впрыска топлива.

Сегодня доминирующей технологией является Ti: сапфировые лазеры. Здесь также замена лазеров может оказаться на грани изменения ландшафта. Благодаря недавно представленным моноизлучающим мощным синим диодным лазером (single-emitter, high-power blue diode lasers), KM Labs Inc. из Боулдера, штат Колорадо, начала поставки ультрабыстрых прямых диодных лазеров. По словам генерального директора Генри Каптейна, это может снизить стоимость системы Ti- сапфир на целых 50 000 долларов. Это может привести к тому, что технология Ti-sapphire ультрбыстрых лазерных излучателей  войдет в новые приложения.

Органические тонкопленочные лазеры могли бы с легкостью обеспечить определенные цвета и потенциально могли бы быть произведены по низкой цене.

Каптейн отметил, что время от времени переход от одной лазерной технологии к другой обусловлен внешними факторами. Например, носимая электроника, такая как смартфоны, требует сверхвысокой точности при производстве. Это, в свою очередь, означает, что традиционный подход с печатными  платами  с отверстиями, просверленными с помощью более старой лазерной технологии, не может обеспечить достаточно высокую плотность компонентов.

Тонкопленочный синий лазер в процессе работы. Atula S.D. Sandanayaka and Willam J. Potscavage Jr., Kyushu University

«Платы для ПК заменяются системами SoC (system-on-chip) или системами на кристалле, архитектурой. которые намного плотнее», — сказал Каптейн. «Это, опять же, дает возможность для более высокоточной лазерной технологии и будет способствовать внедрению новых технологий».

Он добавил, что в целом обработка промышленных материалов будет продолжать все больше отходить от грубых силовых механических методов . Поэтому системы на основе новейших лазеров должны видеть продолжение роста.

Высокие уровни поглощения

Появление мощных синих лазерных диодов может дать второй пример одной технологии, заменяющей другую, по словам Жан-Мишеля Пелапрата, начальника отдела маркетинга и продаж Nuburu Inc. of Centennial, Colo.

Продукты Nuburu требуют применения ИК-лазеров , таких как волоконные и другие системы обработки материалов для различных применений.

Одним из таких применений является сварка медной фольги, используемой в катодах литий-ионных батарей в автомобилях. Поглощение меди в инфракрасном диапазоне составляет всего 5 процентов.

«Для  синего излучения поглощение составляет 65 процентов», — сказал Пелапрат.

В настоящее время низкая степень поглощения означает, что инфракрасные лазеры не могут использоваться для этой задачи сварки, где требуется высокое качество соединения с хорошим электрическим контактом и механической прочностью. Сегодня эта сварка выполняется ультразвуком, но Nuburu стремится изменить это и применить другие виды сварки меди, которые в настоящее время выполняются ИК-лазерами. По словам Пелапрата, сварки, выполненные на более длинных волнах, приводят к большому разбрызгиванию. Это может стать причиной коротких замыканий, поэтому после сварки требуется удалять любые брызги.

Большее поглощение на синих длинах волн по сравнению с ИК-спектром применимо для других металлов, начиная с 50-процентного  увеличения для нержавеющей стали и до 1000-кратного прироста для золота. Это означает, что маломощный сине-диодный лазер может обеспечить производительность гораздо на уровне более мощной ИК-системы в зависимости от приложения.

Зависимое от длины волны поглощение энергии металлами при 295K. Nuburu.

Например, медная фольга тонкая и может быть сварена синей диодной лазерной системой мощностью 150 Вт, доступной в этом году в Nuburu. По словам Пелапрата, для более толстого материала потребуется больше энергии, что должно вскоре и произойти, поскольку системы с более высокой мощностью становятся доступными.

Что касается того, какие новые лазерные технологии могут оказать влияние спустя годы, одна из возможностей — это органические тонкопленочные лазеры. Такие лазеры могли бы легче обеспечить определенные цвета и потенциально могли быть массово произведены по низкой цене. Они могут монтироваться в гибких системах или обеспечивать источник света для медицинской диагностики.

«Они могут быть полезны в качестве источников света для одноразовых микросистем полного анализа (disposable lab-on-a-chip devices), используемых для различных измерений или испытаний», — сказал Чихая Адачи, директор Центра исследований органической фотоники и электроники в Университете Кюсю в Японии.

Адачи десятилетиями изучал органическую электронику и фотонику. Он был соавтором недавнего обзора «Научные достижения»: «По направлению к работе органических полупроводниковых лазеров в режиме непрерывного излучения». Среди исследуемых вопросов — как продлить время жизни эмиттеров и как создать накачиваемый электрически органический лазер.

Адачи сказал, что требуется  несколько лет до появления первых и самых базовых приложений новой технологии. Первоначально уровни мощности лазеров, вероятно, будут низкими. Таким образом, технология, которую нужно заменить в первую очередь новыми лазерами, может быть маломощные лазерные диоды.

Хотя это может произойти в будущем, сегодня фундаментальные исследования материалов продолжаются, отчасти потому, что выигрыш в успехе может быть значительным. По словам Адачи: «Мы продолжим исследования, потому что хотим найти предельные возможности органических молекул».

Оригинал статьи на английском языке: http://www.photonicsspectra-digital.com/photonicsspectra/january_2018/MobilePagedArticle.action?articleId=1285568&app=false#articleId1285568