ما هو ليزر أشباه الموصلات الأزرق عالي الطاقة؟

الالسطوع والليزر الأزرق عالي الطاقة أشباه الموصلاتتتحسن باستمرار إلى حدود جديدة ، مما سيؤدي أيضًا إلى المزيد من التطبيقات على نطاق أوسع. بالإضافة إلى المعالجة الفعالة للمواد المعدنية ، تتوقع ليزر أشباه الموصلات الزرقاء تطبيقات متعددة القطاعات ، ولا سيما قطاع الهندسة الميكانيكية الذي سيمكن من معالجة المواد بالليزر باستخدام الضوء الأزرق تحت الماء. بالنسبة للتصنيع ، هذه بالطبع ميزة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لصناعة الإضاءة أيضًا استخدام تقنية إضاءة عالية الجودة تعتمد على ليزر أشباه الموصلات الأزرق.

1. قيود الليزر عالي الطاقة في الأطوال الموجية القريبة من الأشعة تحت الحمراء

على مدار العقود القليلة الماضية ، أصبحت ليزرات CW عالية الطاقة أداة شائعة في التصنيع الحديث ، وتغطي تطبيقات مثل اللحام ، والكسوة ، ومعالجة الأسطح ، والتصلب ، والنحاس ، والقطع ، والطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتصنيع الإضافي. ظهرت ذروة التطور الأولى لتقنية الليزر المستمر عالية الطاقة قبل عام 2000 ، عندما تم تطوير ليزر الحالة الصلبة Nd: YAG ذو الحالة الصلبة 10.6 ميكرون وطول موجي 10.6 ميكرون والأشعة تحت الحمراء القريبة من الأشعة تحت الحمراء 1064 نانومتر. ومع ذلك ، نظرًا لطولها الموجي ، يصعب نقل ليزر ثاني أكسيد الكربون عبر الألياف الضوئية ، مما يشكل بعض الصعوبات للتطبيقات الصناعية ؛ في حين أن ليزر الحالة الصلبة محدود بقدرات السطوع وتضخيم الطاقة. بعد عام 2000 ، بدأت ليزرات الألياف الصناعية عالية الطاقة في الظهور كحلول لليزر عالي السطوع وعالي الطاقة الذي يمكن توصيله من خلال الألياف الضوئية. اليوم ، حلت الليزرات الليفية محل ليزر ثاني أكسيد الكربون في الغالبية العظمى من التطبيقات واستخدمت بشكل فعال في العديد من تطبيقات المعالجة الصناعية. خاصة في السنوات الأخيرة ، أصبحت القوة الرئيسية لليزر الصناعي ، مثل اللحام والقطع بالليزر ، والتي تتميز بسرعة وكفاءة وموثوقية أعلى من ليزر ثاني أكسيد الكربون.

ومع ذلك ، تعمل ليزرات الألياف عالية الطاقة CW هذه عادةً بأطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR) ، في حدود 1 ميكرومتر ، وهو أمر جيد للعديد من التطبيقات. على سبيل المثال ، إنها مناسبة لمعالجة الفولاذ بمعدل امتصاص يزيد عن 50 في المائة ، ولكنها محدودة لأن بعض المعادن تعكس 90 في المائة أو أكثر من أشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء على أسطحها. خاصة لحام المعادن الصفراء مثل النحاس والذهب بالليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء ، بسبب معدل الامتصاص المنخفض ، وهذا يعني أن الكثير من طاقة الليزر مطلوبة لبدء عملية اللحام. توجد عموماً عمليتان لحام بالليزر: اللحام بنمط التوصيل (حيث تذوب المادة ببساطة ويعاد تدفقها) واللحام بنمط الاختراق العميق (حيث يبخر الليزر المعدن ويشكل ضغط البخار فجوة أو ثقب المفتاح). ينتج عن اللحام بنمط الاختراق العميق شعاع ليزر شديد الامتصاص بسبب التفاعلات المتعددة لشعاع الليزر مع المعدن والبخار المعدني أثناء انتقاله عبر المادة. ومع ذلك ، فإن تشغيل ثقب المفتاح باستخدام ليزر قريب من الأشعة تحت الحمراء يتطلب كثافة كبيرة من الليزر الساقط ، خاصة إذا كانت المادة الملحومة عاكسة للغاية. وبمجرد تشكيل ثقب المفتاح ، سيرتفع معدل الامتصاص بشكل حاد ، وسيؤدي ضغط البخار المعدني العالي الناتج عن الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء عالي الطاقة في البركة المنصهرة إلى ترشيش ومسامية ، لذلك يجب أن تكون قوة الليزر أو سرعة اللحام يتم التحكم فيها بعناية لمنع ترشيش مفرط يتم طرده من اللحام. قد تصبح الأبخرة المعدنية و "الفقاعات" في غاز العملية محاصرة أيضًا عندما يتصلب البركة المنصهرة ، مما يخلق مسامية في مفصل اللحام. تؤدي هذه المسامية إلى إضعاف قوة اللحام وزيادة مقاومة المفصل ، مما يؤدي إلى انخفاض جودة اللحام. لذلك ، تعد أشعة الليزر NIR صعبة للغاية لمعالجة المواد مثل النحاس<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.

من أجل تطوير تطبيقات الأشعة تحت الحمراء القريبة التي يتم التحكم فيها بالليزر ، يجب على الأشخاص إجراء أبحاث حول مصادر ضوء الليزر الجديدة. بالإضافة إلى ذلك ، من أجل الحد من غازات الاحتباس الحراري ، تستبدل سيارات الطاقة الجديدة محركات البنزين ومحركات الاحتراق الداخلي بمحركات كهربائية. أدت الكمية الكبيرة من النحاس المستخدمة في بناء المحركات الكهربائية ، وخاصة بطاريات الطاقة ، إلى زيادة الطلب على حلول معالجة النحاس الموثوقة ، بينما في أنظمة الطاقة المتجددة الأخرى مثل توربينات الرياح ، هناك مجموعة واسعة من التطبيقات.

2. ولادة الليزر الأزرق عالي الطاقة

لطالما تم تطوير تقنية الليزر الصناعية على طول خارطة طريق تكنولوجيا الإنتاج والمتطلبات الاجتماعية الجديدة. في السنوات الستين الماضية ، من الاقتصاد الرقمي والمجتمع ، إلى الطاقة المستدامة ، إلى الحياة الصحية ، قدمت تكنولوجيا الليزر مساهمات كبيرة في حل المهام المهمة في مستقبل البشرية. تعد تقنية الليزر اليوم جزءًا لا يتجزأ من العديد من المجالات الأساسية لاقتصادنا ، من تكنولوجيا الإنتاج إلى هندسة السيارات ، والتكنولوجيا الطبية ، والقياس والتكنولوجيا البيئية ، وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات. مع استمرار تقدم تقنية معالجة المعادن واستمرار زيادة متطلبات المستخدم ، تتطلب أجهزة الليزر ابتكارات من حيث التكلفة وكفاءة الطاقة بالإضافة إلى أداء نظام الليزر. أدى طلب السوق على المعالجة الفعالة للمعادن شديدة الانعكاس إلى تحفيز تطوير تقنية الليزر الأزرق عالي الطاقة ، والتي ستفتح بالتأكيد الباب أمام التقنيات الجديدة في معالجة المعادن.

بالنسبة للمعادن غير الحديدية ، يزداد امتصاصها للطاقة الضوئية مع تناقص الطول الموجي للضوء. على سبيل المثال ، سوف يزداد امتصاص الضوء للنحاس بأطوال موجية أقل من 500 نانومتر بنسبة 50 في المائة على الأقل مقارنة بضوء الأشعة تحت الحمراء ، لذا فإن أطوال موجات الضوء القصيرة أكثر ملاءمة لمعالجة النحاس. تكمن المشكلة في صعوبة تطوير ليزر عالي الطاقة قصير الموجة لهذه التطبيقات الصناعية ؛ يتوفر عدد قليل من خيارات الطاقة العالية ، وحتى تلك الموجودة بالفعل باهظة الثمن وغير فعالة. على سبيل المثال ، هناك بعض مصادر ليزر الحالة الصلبة في السوق استنادًا إلى مضاعفة التردد التي يمكن استخدامها في نطاق الطول الموجي هذا ، مما ينتج ضوء الليزر بأطوال موجية 515 نانومتر و 532 نانومتر (الطيف الأخضر). ومع ذلك ، تعتمد مصادر الليزر هذه على بلوراتها الضوئية غير الخطية لتحويل طاقة الليزر المضخة إلى طاقة الطول الموجي المستهدف. تؤدي عملية التحويل إلى فقد طاقة عالي ، ويتطلب الليزر أنظمة تبريد معقدة وإعدادات بصرية معقدة.

من أجل مواجهة هذا التحدي ، ركز الناس انتباههم على ليزر أشباه الموصلات الأزرق. السبب الأول هو أن Blu-ray لها خصائصها الخاصة. تتمتع المواد المعدنية عالية الانعكاس بمعدل امتصاص مرتفع للضوء الأزرق ، مما يعني أن الضوء الأزرق يتمتع بميزة كبيرة في معالجة المعادن للمواد العاكسة للغاية (مثل النحاس ، وما إلى ذلك). كما هو مبين في الشكل 1 ، فإن امتصاص النحاس للضوء الأزرق يزيد بمقدار 13 مرة (13 مرة) عن امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معدل الامتصاص لا يتغير كثيرًا عند ذوبان النحاس. بمجرد أن يبدأ الليزر الأزرق في اللحام ، فإن نفس كثافة الطاقة ستحافظ على استمرار اللحام. يتم التحكم في اللحام بالليزر Blu-ray بشكل جيد وأقل عيوبًا ، والنتيجة هي لحام لحام سريع وعالي الجودة. في الوقت نفسه ، يكون الضوء الأزرق أقل امتصاصًا في مياه البحر ، وبالتالي فإن مسافة نقله أطول ، مما يجعل من الممكن تطوير مجال معالجة المواد بالليزر تحت الماء. بالإضافة إلى ذلك ، من السهل نسبيًا تحويل الضوء الأزرق إلى ضوء أبيض ، لذلك يمكن تنفيذ الأضواء الكاشفة وتطبيقات الإضاءة الأخرى بشكل مضغوط للغاية باستخدام الليزر الأزرق. والثاني هو أن ليزر أشباه الموصلات الذي يعتمد على مواد نيتريد الغاليوم يمكن أن يولد مباشرة ضوء الليزر بطول موجة 450 نانومتر دون مضاعفة التردد ، وبالتالي يكون لديهم كفاءة أعلى في تحويل الطاقة.

من المتوقع أن يزيد الليزر الذي يبلغ طوله الموجي 450 نانومتر من كفاءة معالجة المواد النحاسية بحوالي 20 مرة مقارنة بطول موجة يبلغ 1 ميكرومتر. بالمقارنة مع عمليات اللحام بالليزر التقليدية القريبة من الأشعة تحت الحمراء ، فإن الليزر الأزرق عالي الطاقة له مزايا كمية ونوعية. المزايا الكمية: سرعة اللحام المتزايدة ونافذة المعالجة الأوسع تُترجم مباشرة إلى إنتاجية أسرع وتقليل وقت تعطل الإنتاج. المزايا النوعية: خط عرض أكبر للعملية ، ولحامات عالية الجودة خالية من الترشيش والمسامية ، فضلاً عن قوة ميكانيكية أعلى ومقاومة كهربائية أقل. يمكن أن يؤدي اتساق جودة اللحام إلى تحسين عائد الإنتاج بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لليزر الأزرق أيضًا إجراء وضع اللحام بالتوصيل الحراري ، وهو أمر غير ممكن باستخدام الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء.

معلومات الاتصال:

إذا كانت لديك أية أفكار ، فلا تتردد في التحدث إلينا. بغض النظر عن مكان وجود عملائنا ومتطلباتنا ، سوف نتبع هدفنا لتزويد عملائنا بجودة عالية وأسعار منخفضة وأفضل خدمة.