Лазерный мир

Последние достижения в области монтажа и применения диодов демонстрируют полезность и экономичность приложений для мощных диодных лазеров.

ХЕЙКО РИДЕЛЬСБЕРГЕР

Диодные лазеры обеспечивают непревзойденную электрическую и оптическую эффективность, более высокое соотношение мощности и размеров по сравнению с любой другой промышленной лазерной технологией, а также твердотельную стабильность и надежность (см. Рис. 1). В течение многих лет работы по разработке в основном были сосредоточены на повышении производительности базовой технологии: достижении более высокой мощности и увеличенном сроке службы при более ярком излучении. Очевидно, многие другие факторы должны были быть учтены для успешной разработки новых приложений и повышения эффективности существующих диодов. Здесь мы рассмотрим репрезентативные достижения в трех различных практических областях, которые повышают полезность диодных лазеров, и увидим, как они положительно влияют на реальные приложения.

РИСУНОК 1. Мощные диодные лазерные системы для промышленности дополняются улучшенной оптикой для транспортировки излучения, компактными конфигурациями в стойке и упрощенным охлаждением.

Поставка луча: новая оптика zoom, новые применения

Создание многокиловаттных диодных лазерных систем подразумевает за собой объединение выходных сигналов множества линеек, каждая из которых имеет несколько выходных граней с одиночным излучателем. Излучающая эффективно площадь намного больше, чем у многих других типов лазеров, и независимо от того, доставляются ли излучение по волокну или в свободном пространстве, мощность на заготовке не может быть эффективно сфокусирована на пятно микронного уровня. По этой причине большинство приложений для мощных диодных лазеров включают облучение определенной области, обычно измеряемой в миллиметрах. Размер и форма этой области сильно различаются даже в аналогичных приложениях. Например, на рисунке 2 показано, как линейный профиль используется в двух ортогональных направлениях для содействию процессам наплавки с подачей проволоки или порошка.

РИСУНОК 2. В случаях применения наплавки различные ориентации геометрии линейного пучка используются для порошковой или проволочной подачи.

В некоторых случаях требуется возможность изменять форму и / или размер облучаемой области (см. Рис. 3). Это может потребоваться, например, для термообработки (закалки) пресс-формы для автомобильных вспомогательных деталей сложной формы. Другим приложениям нужна гибкость для создания переменных форм для обработки разнообразных поточных рабочих мест и, следовательно, для максимизации производительности лазерной системы. Некоторыми очевидными примерами являются быстрорастущие приложения в мебельной и корпусной промышленности, такие как лазерная обработка кромок и лазерная термообработка пресс-форм.

Даже мебель премиум-класса широко использует ламинаты и виниры для минимизации затрат, максимизации прочности и упрощения производства. Каждый раз, когда панель обрезается, остается край, который необходимо скрыть, аккуратно нанеся ленту из подходящего материала. Традиционно это выполнялось с использованием термоклеев, но сейчас многие производители переходят на лазерную окантовку. Здесь одна сторона краевой ленты нагревается до плавления, а затем механически прижимается к подложке, что создает прочное прямое соединение без необходимости дополнительного клея. Доказано, что это приводит к получению более сближенных краев по сравнению с адгезивами, что исключает последующую обработку, такую как удаление избыточного клея с помощью растворителей. Для обработки ленты различной ширины, а также ряда пластиковых материалов необходимы различные формы и размеры лазерных пятен.

РИСУНОК 3. Этот оптический модуль масштабирования
(Zoom Module ) позволяет независимо регулировать оси x и y без изменения однородности луча; две оси имеют плавно регулируемый размер пятна по x и y от 4 × 4 мм до 35 × 35 мм.

Еще одним растущим применением многокиловаттных диодных лазеров является лазерный смягчающий отжиг в автомобильной промышленности. Это процесс используется для подготовки кромок высокопрочных стальных панелей для кузовов автомобилей и выступает в качестве средства снятия напряжения. В противном случае соединения между панелями в имели бы повышенную вероятность растрескивания во время последующего процесса соединения.

Потребность в лазерной регулировке пятна удовлетворяется с помощью моторизованной масштабирующей оптики. В таких системах используется специально разработанная оптика, позволяющая независимо изменять размеры по осям x и y в реальном времени. Вес является важным фактором, так как он может исключить использование роботов с меньшей инерцией и связанных с ними более низких затрат. Стеклянные линзы, механические крепления и приводные двигатели вносят свой вклад в вес этого типа модуля доставки Zoom Module. И линзы требуют минимального размера (и массы), чтобы обеспечить широкий диапазон масштабирования.

Однако в последнем модуле увеличения от Coherent используется новый оптический дизайн, специально разработанный для минимизации массы линз. Вместе с использованием недорогих твердых сплавов это означает, что модуль с массой всего 9 кг теперь может доставлять сфокусированную область облучения в диапазоне от линии 4 × 4 мм до прямоугольника или квадрата 45 × 45 мм.

Компактные системы: монтажная стойка

Размер и вес также имеют значение в производственных условиях, где затраты имеют тенденцию масштабироваться с учетом занимаемой площади. Это особенно актуально для полупроводниковых производств и систем монтажа электроники, которые работают в чистых помещениях или в других жестко контролируемых условиях окружающей среды. Это также важно для высокоавтоматизированных и высокопроизводительных производственных задач, например, в автомобильной промышленности, где внедрение датчиков, систем видеонаблюдения, робототехники, лазеров и других технологий с высокой плотностью размещения приводит к увеличению площади.

Многокиловаттные диодные лазеры, необходимые для многих из этих применений, традиционно были громоздкими напольными устройствами. Однако производители лазеров отреагировали на все больший упор на экономию места с помощью компактных систем, которые в полной мере используют миниатюризацию, присущую диодным лазерам. Например, Coherent недавно выпустил систему (HighLight DL4000HPR) с оптической мощностью до 4 кВт в 19-дюймовом корпусе для монтажа в стойку. Это автономная система, в которой блок питания, управляющая электроника и диоды размещены в одном компактном корпусе.

Требования для упрощения охлаждения: отказ от деионизированной воды

С точки зрения роста рынка, одним из событий с потенциально огромным влиянием является устранение потребности в деионизированной (DI) охлаждающей воде. При номинальном времени жизни диодного лазера в десятки тысяч часов срок службы технологии охлаждения иногда может быть короче, чем у лазеров. В зависимости от типа полупроводника и архитектуры переходов, электрическая эффективность обычно находится в диапазоне 45–70% — даже при такой высокой эффективности, например, при выходной мощности 10 кВт, необходимо отводить до 12 кВт тепла. Если тепло не отводится эффективно, повышенная температура может изменить оптические свойства выхода в краткосрочной перспективе и сократить срок службы устройства в долгосрочной перспективе.

Обычно используемый подход заключается в использовании микроканального охлаждения, когда вода течет по крошечным каналам в медном радиаторе, припаянном к диодному лазерному стержню. Чтобы минимизировать утечку тока и электрохимическую коррозию, обычно используется деионизированная вода, которая имеет низкую электропроводность. Потребность в DI воде или водяных картриджах DI увеличивает эксплуатационные расходы и является существенным недостатком для производства в некоторых удаленных или иным образом инфраструктурных точках мира.

В ответ производители лазеров разработали схемы охлаждения, основанные на использовании контактного кондуктивного охлаждения, устраняя необходимость в проточной воде непосредственно рядом со стержнями и токовыми контактами. В результате, более новые системы (такие как установленный в стойку HighLight DL4000HPR) могут охлаждаться простой отфильтрованной водопроводной водой, что снижает эксплуатационные расходы и упрощает их использование.

Компания: www.coherent.com.

https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-55/issue-01/features/high-power-diode-lasers-focus-on-improved-utility.html