Láseres de fibra: diseño, calidad de haz y ventajas
Después de leer este artículo, aprenderá acerca de: - 1. Diseño de los láseres de fibra 2. Calidad de haz de los láseres de fibra 3. Eficiencia energética 4. Ventajas 5. Usos.
Diseño de láseres de fibra:
Los láseres de fibra, que no deben confundirse con láseres de fibra suministrada donde la fibra es simplemente un mecanismo de suministro óptico, son láseres de estado sólido en los que una fibra de vidrio óptico dopada con bajos niveles de un elemento de tierras raras es el medio láser. Los diodos láser se usan para bombear el medio láser para emitir fotones a una longitud de onda específica del elemento de tierras raras utilizado como elemento dopante. El iterbio (Yb) se usa generalmente para los láseres de fibra de alta potencia, y emite un haz de longitud de onda aproximadamente igual a como lo hacen los láseres Nd: YAG, es decir, entre 1.060 y 1.085 micrones.
La fibra dopada está encerrada en un material de índice de refracción bajo que actúa como una guía de onda para la luz de bombeo y asegura su transferencia óptima al medio láser. Las rejillas de difracción se utilizan como espejo retrovisor y acoplador de salida para formar el resonador láser, es decir, la cavidad láser.
Esto da como resultado la formación de un láser largo y delgado que es muy compacto debido a la flexibilidad de la fibra óptica enrollada. Con la óptica de conformación y enfoque de haz adecuada en su extremo, es posible utilizar la fibra láser también como la fibra de entrega de haz. Sin embargo, se prefiere el desacoplamiento de la fibra de transmisión del haz de la fibra del láser para los láseres utilizados para soldar para protegerlos de los reflejos no deseados de la superficie de la pieza.
Actualmente, los módulos de láser de fibra monomodo de hasta 700 W están disponibles comercialmente. Para lograr una potencia de salida multiviolovatios adecuada para la soldadura de metales por penetración profunda en la cerradura, las salidas de una serie de estas unidades monomodo disponibles comercialmente se combinan en una salida de fibra única, como se muestra en la figura 14.44 para un láser de fibra de 7 kW.
Esta técnica de combinación de haz es propiedad del fabricante del láser, pero reduce la calidad del haz. Sin embargo, la reducción en la calidad del haz es relativamente pequeña y el haz resultante aún tiene propiedades adecuadas para la transmisión a través de fibras ópticas de pequeño diámetro y adecuadas para su uso en soldadura.
Calidad de haz de los láseres de fibra:
La calidad del haz se define como la relación entre el ancho del haz y el producto del ángulo de divergencia del haz real con el esperado para un haz perfecto para el cual la forma de propagación es una hipérbola. La calidad del haz de un láser de estado sólido, a menudo referido como el producto del parámetro del haz (BPP), generalmente se cita en mm. miliradianes (mm. m rad.) con un valor bajo que indica una calidad de haz alta.
La calidad del haz se puede expresar utilizando el diámetro de haz completo o medio y los ángulos de divergencia. Sin embargo, según la norma ISO para la calidad del haz de propagación del haz láser, se cita en términos de medio diámetro del haz y mitad ángulo de divergencia.
Una alta calidad del haz significa que el haz puede enfocarse en una fibra óptica de pequeño diámetro. Esto conduce a un diámetro de cintura de haz mínimo más pequeño o una distancia de separación mayor. El cabezal láser coloca el extremo de la fibra sobre la pieza de trabajo. El rayo láser divergente que sale de la fibra primero se colima (es decir, se hace paralelo) antes de que se enfoque en un diámetro mínimo de la cintura que también se conoce como el punto láser.
La densidad de potencia disponible para una potencia de salida determinada está determinada por la relación entre las distancias focales de las lentes de colimación y enfoque, y la relación de los diámetros de la fibra de entrega del haz y el tamaño del punto del haz del láser.
La distancia de separación, es decir, la distancia entre la lente de enfoque y la superficie de la pieza de trabajo, debe ser lo suficientemente larga para que las salpicaduras del proceso de soldadura no dañen la óptica de procesamiento. Cuanto mayor es la distancia de separación, mayor es también la profundidad de enfoque, que es una medida de cuán divergente permanece el haz en una distancia determinada. Por lo tanto, una mayor calidad del haz puede proporcionar una mayor densidad de potencia en el foco del haz o una mayor distancia de separación / mayor profundidad de enfoque, lo que influye en el rendimiento de la soldadura.
Actualmente, láser de fibra Yb de hasta 17 kW de capacidad con un BPP de alrededor de 12 mm. m rad. están en uso en la industria.
Eficiencia energética de los láseres de fibra:
La geometría larga y delgada de la fibra permite un enfriamiento efectivo y, por lo tanto, es ideal para minimizar los efectos térmicos del bombeo del láser. Eso, y la ganancia inherentemente alta de la fuente de láser de fibra da como resultado una alta eficiencia de conversión de potencia, que es la relación entre la potencia óptica disponible en la pieza de trabajo y la potencia eléctrica consumida y se estima que está entre el 20 y el 30%.
Esto es considerablemente más alto que la eficiencia de conversión de potencia de alrededor del 8% y 3% para los láseres de Nd: YAG bombeados con lámpara y con CO 2, respectivamente. Esto se traduce en un menor requerimiento de energía para ejecutar el láser y su sistema de enfriamiento. En este contexto, puede saberse que la refrigeración por aire es adecuada para los láseres de fibra Yb de hasta 2 KW, mientras que los láseres de fibra de salida superior requieren refrigeración por agua.
Ventajas de los láseres de fibra:
Las siguientes son algunas de las principales ventajas de los láseres de fibra sobre otros sistemas láser populares y bien establecidos en la industria de fabricación:
1. Debido a que la fibra láser puede enrollarse y no se requieren piezas voluminosas, la huella (es decir, el espacio requerido para la instalación) del láser de fibra es considerablemente más pequeña que la de los sistemas láser actuales de CO 2 y Nd: YAG.
2. Es un diseño simple y compacto, por lo que se puede instalar en solo unas horas.
3. Alta confiabilidad; puede funcionar durante 100.000 horas antes del mantenimiento / fallo de las bombas de diodo láser.
4. El costo / kW del láser de fibra Yb es comparable al de una fuente de láser Nd: YAG bombeada por lámpara.
5. Debido a la combinación de soldadura extremadamente pequeña producida por el haz láser de fibra Yb, las soldaduras producidas son muy estrechas y no son propensas a craqueo ni a los poros.
Usos de los láseres de fibra:
La industria automotriz, en particular, es el principal usuario de la tecnología de rayo láser, incluido el láser de fibra Yb. El láser de fibra de alta potencia también se utiliza para un proceso de soldadura en todas las posiciones para tuberías de acero de hasta 16 mm de espesor. Se ha informado que las velocidades de soldadura de hasta 2, 2 m / min se han utilizado para todas las posiciones de soldadura de acero de tubería de 11, 2 mm de espesor con una potencia de viga, en la pieza de trabajo, de 2 kW.
