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Láser de fibra óptica
◆ Un láser de fibra óptica se puede definir como un láser de estado sólido que utiliza fibras ópticas como su medio de ganancia activo. Una fibra hecha de silicato de vidrio o fosfato absorbe luz no procesada de los diodos láser de bombeo y la convierte en un haz concentrado de una cierta longitud de onda. La fibra óptica está dopada (incorporando un elemento de tierras raras en la fibra) para hacer esto posible. Diferentes sustancias dopantes producen haces láser de diferentes longitudes de onda.
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¿Qué es un láser de fibra óptica?
Un láser de fibra óptica se puede definir como un láser de estado sólido que utiliza fibras ópticas como su medio de ganancia activa. Una fibra hecha de silicato de vidrio o fosfato absorbe luz no procesada de los diodos láser de bombeo y la convierte en un haz concentrado de una cierta longitud de onda. La fibra óptica está dopada (incorporando un elemento de tierras raras en la fibra) para hacer esto posible. Diferentes sustancias dopantes producen haces láser de diferentes longitudes de onda.
Ventajas del láser de fibra óptica
● Precisión y Calidad del Haz
Los láseres de fibra óptica son celebrados por su notable precisión, lo que los hace ideales para tareas que requieren cortes detallados e intrincados. La alta calidad del haz de este láser en particular permite un punto finamente enfocado, lo que resulta en bordes nítidos y limpios con un mínimo desperdicio de material.
● Eficiencia Energética
Una de las características destacadas de los láseres de fibra óptica es su excepcional eficiencia energética. Logran esto al convertir una gran parte de la energía eléctrica en luz láser, lo que reduce significativamente el desperdicio de energía. Como resultado, las empresas ven menores costos operativos y una disminución de su huella de carbono.
● Es muy versátil
Los láseres de fibra óptica son ideales para marcar una amplia variedad de materiales, incluidos metales como el acero y el aluminio, así como no metales como plásticos y madera. Su precisión y versatilidad los convierten en la opción preferida para tareas que requieren marcas detalladas y duraderas.
● Diseño Compacto
Con un tamaño más pequeño que muchos otros tipos de láser, los láseres de fibra óptica son conocidos por su diseño eficiente en espacio. Esta forma compacta les permite encajar fácilmente en configuraciones existentes, incluso en instalaciones con espacio limitado. Las empresas se benefician de este diseño ya que no solo conserva el espacio en el suelo, sino que también simplifica la integración en los flujos de trabajo existentes.
● Alta Potencia de Salida
Al abordar tareas exigentes que requieren energía intensa y enfocada, los láseres de fibra óptica sobresalen con su alta potencia de salida. Esta característica permite un funcionamiento continuo a altos niveles de potencia, ofreciendo un rendimiento suave y sin interrupciones.
● Fiabilidad y Bajo Mantenimiento
Una de las mayores ventajas de los sistemas láser que utilizan fibra óptica es lo fiables que son con un mantenimiento mínimo. Gracias a su camino óptico cerrado, estos láseres están protegidos del polvo y otras partículas, por lo que no tienes que preocuparte por un mantenimiento frecuente.
¿Cuáles son los tipos de láser de fibra óptica?
En términos generales, los láseres de fibra se pueden categorizar utilizando los siguientes criterios:
● Fuente láser: Los láseres de fibra varían según el material con el que se mezcle la fuente láser. Algunos ejemplos incluyen láseres de fibra dopados con ytterbio, láseres de fibra dopados con túlio y láseres de fibra dopados con erbio. Todos estos tipos de láseres se utilizan para diferentes aplicaciones porque producen diferentes longitudes de onda.
● Modo de funcionamiento: Los diferentes tipos de láser emiten rayos láser de manera diferente. Los haces láser pueden pulsar a una frecuencia de repetición establecida para alcanzar potencias pico altas (láseres de fibra pulsados), como es el caso de los láseres "q-switched", "gain-switched" y "mode-locked". O, pueden ser continuas, lo que significa que envían continuamente la misma cantidad de energía (láseres de fibra de onda continua).
● Potencia del láser: La potencia del láser se expresa en vatios y representa la potencia media del haz láser. Por ejemplo, se puede tener un láser de fibra de 20W, un láser de fibra de 50W, y así sucesivamente. Los láseres de alta potencia generan más energía más rápido que los láseres de baja potencia.
● Modo: El modo se refiere al tamaño del núcleo (donde viaja la luz) de la fibra óptica. Hay dos tipos de modos: láseres de fibra de modo único y láseres de fibra de modo múltiple. El diámetro del núcleo para los láseres de modo único es más pequeño, generalmente entre 8 y 9 micrómetros, mientras que es más grande para los láseres de modo múltiple, generalmente entre 50 y 100 micrómetros. Como regla general, los láseres de modo único transmiten la luz láser de manera más eficiente y tienen una mejor calidad de haz.
Cómo se escala la potencia de un láser de fibra óptica
La capacidad de los láseres de fibra óptica para escalar en potencia está limitada por la dispersión de Brillouin y Raman, así como por la corta longitud de los propios láseres. Muchos componentes, incluidos amplificadores, interruptores y elementos lógicos, requieren configuraciones de fibra no lineales.
Hay dos clases de efectos no lineales en las fibras ópticas. El primero es causado por el efecto Kerr, o la dependencia de la intensidad del índice de refracción del medio. Este fenómeno se manifiesta como uno de tres efectos, dependiendo del tipo de señal de entrada: modulación de fase cruzada (CPM), modulación de fase propia (SPM) o mezcla de cuatro ondas (FWM).
El segundo efecto no lineal ocurre cuando el campo óptico transfiere parte de su energía al medio no lineal a través de dispersión inelástica. Tal dispersión inelástica puede dar lugar a fenómenos como la dispersión de Brillouin estimulada (SBS) y la dispersión Raman estimulada (SRS).
Cualquier forma de acción de dispersión estimulada puede ser potencialmente una fuente de ganancia para la fibra. En ambos procesos, si la potencia incidente supera un umbral específico, la intensidad de la luz dispersa aumenta exponencialmente. Debido al desplazamiento de frecuencia relativamente grande y al ancho de banda de ganancia más amplio, la amplificación Raman es más beneficiosa. La principal distinción entre ellos es que en Brillouin, la onda óptica interactúa con fonones acústicos de baja frecuencia, mientras que en Raman, la onda óptica dirigida interactúa con fonones ópticos de alta frecuencia. Otra distinción clave es que la SRS puede ocurrir en ambas direcciones, mientras que la SBS solo ocurre en la dirección inversa en fibras ópticas.
¿Cuál es la diferencia entre láser de fibra óptica y láseres de CO2?
La principal diferencia entre los láseres de fibra y los láseres de CO2 es la fuente donde se crea el haz láser. En los láseres de fibra, la fuente láser es vidrio de sílice mezclado con un elemento de tierras raras. En los láseres de CO2, la fuente láser es una mezcla de gases que incluye dióxido de carbono.
Si bien ambos tipos de láseres son muy adecuados para cortar materiales, en realidad tienen diferentes énfasis funcionales. Por un lado, los láseres de CO2 son herramientas muy adecuadas para cortar materiales no metálicos como plásticos. Su eficiencia relativamente alta y buena calidad de haz los convierten en el tipo de láser más utilizado en esta industria.
Por otro lado, los láseres de fibra han logrado un progreso significativo en el corte de chapas metálicas (principalmente acero inoxidable) en los últimos años, principalmente debido a su alta velocidad de corte, que a menudo es 2-3 veces más rápida que los láseres de CO2 en niveles de potencia comparables. Generalmente, al cortar metales con un grosor de 0.25" o menos, vale la pena considerar los láseres de fibra para la producción en masa, pero cuando el metal tiene un grosor superior a 0.375", los láseres de CO2 aún disfrutan de la ventaja de velocidad y cualidades de corte superiores. Por lo tanto, es poco probable que los láseres de fibra reemplacen completamente a los láseres de CO2 para el corte de materiales.
Aplicación del Láser de Fibra Óptica
● Marcado Láser
los láseres de fibra dopados con iterbio con longitud de onda de emisión de 1064 nm se consideran ideales para aplicaciones de marcado láser. Estos láseres pueden dejar impresiones nítidas y duraderas en superficies de plástico y metal. Pueden personalizarse para adaptarse a ciclos de producción rápidos y pueden ser manuales o automatizados. El equipo de láser de fibra también se puede utilizar para recocer, grabar y grabar.
● Soldadura por láser
Otra aplicación importante para estos láseres es en servicios de soldadura. La soldadura por láser de fibra óptica es una de las tecnologías emergentes más prometedoras que está ganando rápidamente cuota de mercado debido a los diversos beneficios que ofrece el proceso. La soldadura por láser proporciona velocidades más rápidas, mayor precisión, menor deformación, mayor calidad y eficiencia en comparación con los métodos tradicionales.
● Limpieza con láser
La limpieza por láser, el proceso de eliminar pintura, óxido y óxido de superficies metálicas, funciona mejor utilizando láseres de fibra óptica. El procedimiento se puede automatizar y personalizar para diversas condiciones de línea de fabricación.
● Corte láser
El corte por láser es una de las áreas más investigadas de la aplicación de láser de fibra óptica. Puede manejar cortes complejos con una calidad de borde impresionante. Esto lo hace óptimo para piezas con tolerancias ajustadas. Su adopción está aumentando en todos los ámbitos con los fabricantes debido a su larga lista de beneficios.
¿Cuánto tiempo dura un láser de fibra óptica?
La mayoría de las fuentes en línea afirman que los láseres de fibra duran 100,000 horas, mientras que los láseres de CO2 duran 30,000 horas. Esto no es del todo cierto. Estos números se refieren a un valor llamado "tiempo medio entre fallos" (MTBF), que no es el mismo para todos los láseres de fibra. En realidad, verás diferentes números para diferentes tipos de láseres de fibra.
El MTBF mide la fiabilidad de un láser al indicar cuántas horas se espera que funcione el láser antes de que ocurra una falla. Se obtiene probando múltiples unidades de láser y luego dividiendo el número total de horas operativas por el número total de fallas. Aunque este valor no te dice exactamente cuánto tiempo puede durar un láser de fibra, aún proporciona una buena idea de la fiabilidad del láser.
¿Qué materiales se pueden procesar con láseres de fibra óptica?
Los láseres de fibra óptica son ideales para procesar una amplia gama de materiales y, con años de uso industrial, han demostrado ser confiables. Los láseres de fibra son especialmente populares para procesar metales. El tipo de metal involucrado es de importancia secundaria. Los láseres de fibra pueden procesar acero al carbono, acero inoxidable, titanio, hierro y níquel, así como metales reflectantes como aluminio, latón, cobre y metales preciosos (plata y oro). También funcionan bien con materiales que tienen superficies anodizadas y pintadas. Los láseres de fibra, y particularmente los láseres pulsados de nanosegundos, también se utilizan en el procesamiento de silicio, piedras preciosas (incluidos los diamantes), plásticos, polímeros, cerámicas, compuestos, capas delgadas, ladrillos y concreto.
¿Cómo funciona un láser de fibra óptica?
Un láser de fibra óptica funciona utilizando una fibra óptica como resonador para amplificar el haz láser. Esto se realiza produciendo una estructura superpuesta de revestimiento de fibra dopado con iones de Yb. Luego, se bombea una excitación de diodo láser dentro de la fibra para generar un láser de alta salida. A su vez, el láser es óptimo para grabado profundo, recocido y corte, especialmente para grandes lotes de producción de tareas repetidas que necesitan una rápida finalización.
Sin embargo, debido a la alta salida de calor producida por los láseres de fibra, pueden no ser la opción ideal para marcar sobre no metales. Algunos no metales tienen puntos de fusión muy bajos, lo que significa que los láseres de fibra podrían interrumpir su integridad estructural al derretirse más allá del área objetivo. Por otro lado, otros no metales tienen puntos de fusión altos que combaten el haz de la fibra. Con el alto punto de fusión, el láser de fibra puede no ser capaz de lograr la marca más oscura preferida. En estos casos, otros tipos de láser pueden ser una mejor opción.
Cómo mantener un láser de fibra óptica
● Inspección regular
La inspección regular es una parte clave del mantenimiento de láseres de fibra óptica. Esto incluye verificar componentes clave como líneas de alimentación, bombillas, filtros y sensores. La conexión de la línea de alimentación debe ser firme y no estar suelta; la bombilla es una parte importante del equipo de iluminación y necesita ser reemplazada regularmente; el filtro es un componente importante para filtrar el polvo y las impurezas y necesita ser limpiado o reemplazado regularmente; el sensor es un componente importante para monitorear el estado del equipo. Necesita ser calibrado o reemplazado regularmente.
● Operación segura
Durante el mantenimiento, la operación segura es crucial. Primero, asegúrese de que el dispositivo esté apagado y desconectado para evitar descargas eléctricas accidentales o daños al dispositivo. Los no profesionales nunca deben intentar reparaciones por sí mismos para evitar pérdidas y riesgos innecesarios. Al mismo tiempo, durante el proceso de mantenimiento, se recomienda registrar los pasos y resultados del mantenimiento para facilitar el mantenimiento y la gestión futuros y proporcionar referencia y asistencia a otros personal de mantenimiento.
● Mantenimiento preventivo
Para reducir los problemas de atenuación de potencia del láser de fibra óptica, se recomienda un mantenimiento preventivo regular. Esto incluye inspecciones y limpieza regulares del equipo, identificando y resolviendo problemas potenciales de manera oportuna para garantizar un funcionamiento estable del equipo. El mantenimiento preventivo no solo extiende la vida útil del equipo, sino que también mejora la eficiencia operativa del equipo.
● Mantener el entorno del equipo limpio y ordenado
Además de mantener el equipo en sí, también es esencial mantener ordenado su entorno. El polvo y la suciedad pueden afectar negativamente el rendimiento de su dispositivo e incluso pueden causar que funcione mal. Por lo tanto, el equipo y su entorno deben limpiarse regularmente para asegurar que no haya acumulación de polvo y suciedad. Al mismo tiempo, mantenga la temperatura y la humedad del entorno donde se encuentra el equipo adecuadas para mantener la condición óptima de funcionamiento del equipo.
● Actualizar software y hardware a tiempo
Con el avance continuo de la tecnología, el software y el hardware de los láseres de fibra óptica también se actualizan constantemente. Para mantener el rendimiento y la compatibilidad del dispositivo, el software y el hardware relacionados deben actualizarse puntualmente. Esto no solo mejora la eficiencia operativa del equipo, sino que también aumenta su estabilidad y reduce la posibilidad de fallos.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuáles son las limitaciones de los láseres de fibra óptica?
A: Acceso limitado: Los láseres de fibra están actualmente limitados en términos de los materiales que pueden cortar. Mientras que la mayoría de los metales se pueden cortar utilizando este método, ciertos materiales como el cobre, el latón y el aluminio pueden no ser compatibles con el proceso.
Q: ¿Cuántas horas dura un láser de fibra óptica?
A: La vida útil de un láser de fibra óptica puede variar dependiendo de los patrones de uso, las prácticas de mantenimiento y los factores ambientales. En promedio, los láseres de fibra de alta calidad pueden durar entre 50,000 y 100,000 horas de operación antes de requerir reparaciones significativas o reemplazo.
Q: ¿A qué frecuencia debe configurarse un láser de fibra óptica?
A: El rango típico de frecuencia de pulso para un láser de fibra óptica de 20 vatios con ancho de pulso fijo es de 20-200 KHz. El rango útil de frecuencia de pulso es algo así como 20-50 KHz. A frecuencias de pulso superiores a aproximadamente 50 KHz, no se produce suficiente energía en cada pulso para realizar mucho trabajo.
Q: ¿Los láseres de fibra óptica pierden potencia con el tiempo?
A: Una preocupación común con cualquier tipo de láser es si pierde potencia con el tiempo. Afortunadamente, los láseres de fibra óptica están diseñados para mantener su salida de potencia durante un período prolongado. A diferencia de los láseres de CO2 tradicionales, los láseres de fibra óptica utilizan un diseño de estado sólido, lo que reduce significativamente el riesgo de pérdida de potencia.
Q: ¿Cuáles son los modos de falla de los láseres de fibra óptica?
A: El modo de degradación lenta es un proceso en el que la potencia del láser disminuye gradualmente con el tiempo de operación, y el modo de falla repentina se caracteriza por su caída instantánea de potencia.
Q: ¿Qué tan preciso es un láser de fibra óptica?
A: Los láseres de fibra óptica son conocidos por su excepcional precisión, a menudo logrando tolerancias tan ajustadas como ±0.003 pulgadas. El tamaño del punto del haz enfocado puede ser extremadamente pequeño, lo que permite cortes intrincados y trabajos detallados.
Q: ¿Cuál es mejor, el láser de fibra óptica o el láser de CO2?
A: Los láseres de fibra óptica son significativamente más rápidos al cortar láminas delgadas (< 8 mm) que los láseres de CO2, particularmente al cortar acero inoxidable. Para 1 mm, un láser de fibra puede cortar a velocidades hasta 6 veces más altas que las de un láser de CO2. La diferencia disminuye a aproximadamente 2 veces más rápido para una lámina de 5 mm.
Q: ¿Los láseres de fibra óptica necesitan ventilación?
A: Sí, al igual que cualquier otro sistema láser, el láser de fibra óptica también requiere una ventilación adecuada. Dependiendo del volumen de emisiones peligrosas, el tamaño del sistema de extracción puede variar.
Q: ¿Qué humedad debe tener un láser de fibra óptica?
A: Equipe el láser de fibra óptica con una sala separada con aire acondicionado. La temperatura del entorno operativo debe controlarse entre 10℃-40℃, y la humedad relativa debe mantenerse por debajo del 70%.
Q: ¿Los láseres de fibra óptica necesitan calentarse?
A: Los láseres de fibra óptica no necesitan tiempo de calentamiento - generalmente alrededor de 10 minutos para iniciar un láser de CO2 de alta potencia. El láser de fibra óptica no requiere mantenimiento del haz, como limpieza de espejos o lentes y calibración del haz. Puede consumir otras 4 o 5 horas a la semana en el láser de CO2.
Q: ¿Se puede cortar con un láser de fibra óptica?
A: Los láseres de fibra óptica son buenos para cortar metales ferrosos y no ferrosos como acero inoxidable, cobre, aluminio, acero al carbono, acero de aleación y otros metales que absorben el haz del láser de fibra más fácilmente que un haz de CO2. Por esta razón, los láseres de fibra óptica son superiores en el corte de metales reflectantes en comparación con otros métodos.
Q: ¿El láser de fibra óptica necesita gas?
A: La cantidad de gas necesaria puede variar, pero generalmente es una pequeña cantidad. Durante el proceso de corte, el gas reacciona químicamente con el metal que se está cortando para aumentar la capacidad de trabajo, eliminar la escoria y proteger la lente de enfoque del láser.
Q: ¿Cuáles son los dos tipos de láseres de fibra óptica?
A: Los dos tipos de modos de láser de fibra óptica son multi-modo y modo único. Los anchos del núcleo del láser multi-modo a menudo varían de 50 a 100 micrómetros, mientras que los diámetros del núcleo del láser de modo único generalmente están entre 8 y 9 micrómetros. Los láseres de modo único a menudo proporcionan mejores haces y una transmisión de luz láser más eficiente.
Q: ¿Necesitas protección ocular para láser de fibra óptica?
A: Si trabajas con láseres de fibra óptica, es vital usar siempre las gafas de seguridad láser correctas y otro equipo de protección. Un pequeño descuido en la seguridad podría llevar a consecuencias graves, incluida la pérdida de visión.
Q: ¿Los láseres de fibra óptica emiten radiación?
A: La longitud de onda producida por un láser de fibra óptica corresponde al nivel de radiación electromagnética de la luz láser. Típicamente, los láseres de fibra óptica producen longitudes de onda entre 780 nm y 2200 nm, que se encuentran en el espectro infrarrojo y son invisibles para el ojo humano.
Q: ¿Cuál es la tolerancia de un láser de fibra óptica?
A: Los láseres de fibra óptica cuentan con una precisión superior, entregando consistentemente tolerancias ajustadas que varían de ±0.001 a ±0.003 pulgadas. Este nivel de precisión hace que los láseres de fibra óptica sean la opción preferida para proyectos de fabricación de metal exigentes donde la precisión es primordial.
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