ไฟเบอร์เลเซอร์คืออะไร?

อะไรคือไฟเบอร์เลเซอร์เลเซอร์ไฟเบอร์เป็นเลเซอร์โซลิดสเตตชนิดหนึ่งที่มีตัวกลางที่เป็นค่าขยายแอ็คทีฟเกนเป็นไฟเบอร์ออปติกที่เจือด้วยธาตุหายาก ซึ่งส่วนใหญ่มักเป็นอิตเทอร์เบียม เลเซอร์ไฟเบอร์แตกต่างจากเลเซอร์แก๊สหรือ CO2 ทั่วไปตรงที่สร้าง ขยาย และนำแสงภายในไฟเบอร์แก้วทั้งหมด ทำให้ได้ระบบที่มีขนาดกะทัดรัด ทนทาน และมีประสิทธิภาพสูง

ส่วนประกอบและการออกแบบแกนเลเซอร์ไฟเบอร์

• แกนไฟเบอร์โดป
  หัวใจหลักของเลเซอร์ไฟเบอร์ก็คือไฟเบอร์นั่นเอง ซึ่งเป็นเส้นใยแก้วที่บางมากและมีไอออนของธาตุหายากอยู่ภายในแกนกลาง เมื่อถูกปั๊มด้วยแสง ไอออนเหล่านี้จะให้พลังงานที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเลเซอร์

• ไดโอดปั๊ม
  ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงจะฉีดแสงปั๊มเข้าไปในปลอกหุ้มไฟเบอร์ ปลอกหุ้มจะกักแสงปั๊มไว้รอบแกนกลาง เพื่อให้แน่ใจว่าไอออนที่ถูกเจือปนจะถูกกระตุ้นอย่างสม่ำเสมอ

• ตะแกรงไฟเบอร์แบร็กก์ (FBGs)
  ตะแกรงสะท้อนแสงเหล่านี้ฝังอยู่ในเส้นใยโดยตรงเพื่อสร้างโพรงเลเซอร์ ตะแกรงด้านหนึ่งสะท้อนแสงส่วนใหญ่กลับเข้าไปในเส้นใย ในขณะที่อีกด้านช่วยให้ส่วนที่ควบคุมได้สามารถออกไปเป็นลำแสงขาออกได้

• การจัดการความร้อน
  เนื่องจากหน้าตัดเล็กของไฟเบอร์ทำให้ระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพตลอดความยาว โดยทั่วไปเลเซอร์ไฟเบอร์จึงต้องมีการระบายความร้อนด้วยอากาศหรือการหมุนเวียนน้ำเพียงเล็กน้อย แม้ในระดับพลังงานสูงก็ตาม

หลักการทำงาน

1. การสูบน้ำด้วยแสง
   ไดโอดปั๊มจะฉีดแสง โดยปกติจะมีความยาวคลื่นระหว่าง 915 นาโนเมตรถึง 976 นาโนเมตร เข้าไปในปลอกหุ้มไฟเบอร์

2. การดูดซับพลังงาน
   ไอออนของธาตุหายากในแกนกลางจะดูดซับโฟตอนของปั๊ม ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปสู่สถานะกระตุ้น

3. การกระตุ้นการปล่อย
   เมื่ออิเล็กตรอนผ่อนคลาย อิเล็กตรอนจะปล่อยโฟตอนที่สอดคล้องกันซึ่งมีความยาวคลื่นตามลักษณะเฉพาะของเลเซอร์ (โดยทั่วไปคือ 1,064 นาโนเมตร)

4. การขยายเสียงและการตอบรับ
   โฟตอนเคลื่อนที่ไปตามเส้นใย ทำให้เกิดการปล่อยรังสีเพิ่มเติมและขยายลำแสง FBG ที่ปลายแต่ละด้านของเส้นใยจะสร้างโพรงเรโซแนนซ์ เพื่อรักษาการสั่นของเลเซอร์

5. คัปปลิ้งเอาต์พุต
   ตะแกรงสะท้อนแสงบางส่วนช่วยให้แสงที่ขยายออกมาบางส่วนออกไปเป็นลำแสงเอาต์พุตคุณภาพสูงที่ใช้ในการประมวลผล

ประเภทของไฟเบอร์เลเซอร์

• เลเซอร์ไฟเบอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW)
  ปล่อยลำแสงที่สม่ำเสมอและต่อเนื่อง เหมาะสำหรับงานตัด เชื่อม และทำเครื่องหมายที่ต้องใช้กำลังไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง

• ไฟเบอร์เลเซอร์แบบพัลส์
  ส่งมอบแสงเป็นช่วงๆ อย่างควบคุมได้ หมวดหมู่ย่อย ได้แก่:

• คิว-สวิตซ์:พัลส์จุดสูงสุด (ช่วงนาโนวินาที) สำหรับการแกะสลักลึกและการเจาะระดับไมโคร

• โหมดล็อค:พัลส์อัลตราสั้น (พิโกวินาทีหรือเฟมโตวินาที) สำหรับการกลึงไมโครแม่นยำและการประมวลผลวัสดุที่ละเอียดอ่อน

• มาสเตอร์ออสซิลเลเตอร์เพาเวอร์แอมป์ (MOPA)
  รวมเลเซอร์เมล็ดพลังงานต่ำ (ออสซิลเลเตอร์) เข้ากับสเตจขยายเสียงหนึ่งสเตจหรือมากกว่า ช่วยให้ควบคุมระยะเวลาพัลส์และอัตราการทำซ้ำได้อย่างแม่นยำ

ข้อดีหลัก

• คุณภาพลำแสงที่เหนือชั้น
  ให้เอาต์พุตที่จำกัดการเลี้ยวเบนแสงอย่างเกือบสมบูรณ์แบบ ช่วยให้จุดโฟกัสละเอียดเป็นพิเศษและการตัดที่คมชัด

• ประสิทธิภาพสูง
  ประสิทธิภาพปลั๊กผนังมักจะเกิน 30% ส่งผลให้การใช้ไฟฟ้าและต้นทุนการดำเนินงานลดลง

• ขนาดกะทัดรัด
  โครงสร้างแบบเส้นใยทั้งหมดช่วยขจัดกระจกและท่อแก๊สขนาดใหญ่ ช่วยประหยัดพื้นที่อันมีค่า

• การบำรุงรักษาต่ำ
  โมดูลไฟเบอร์แบบปิดผนึกต้องการการปรับตำแหน่งใหม่เพียงเล็กน้อย ไม่จำเป็นต้องเติมแก๊สหรือหอระบายความร้อนขนาดใหญ่

• ความแข็งแกร่งต่อสิ่งแวดล้อม
  เลเซอร์ไฟเบอร์ทนต่อการสั่นสะเทือน ฝุ่นละออง และความผันผวนของอุณหภูมิได้ดีกว่าระบบพื้นที่ว่าง

การใช้งานทั่วไป

• การตัดและเชื่อมโลหะ
  ตั้งแต่สแตนเลสแผ่นบางจนถึงอลูมิเนียมแผ่นหนา เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถให้ความเร็วในการตัดที่เร็วขึ้น ช่องตัดแคบ และโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุด

• การทำเครื่องหมายและแกะสลักอย่างแม่นยำ
  เหมาะสำหรับหมายเลขซีเรียล บาร์โค้ด และโลโก้บนโลหะ พลาสติก เซรามิก และแก้วที่มีความคมชัดชัดเจนและมีความทนทานสูง

• งานไมโครแมชชีนนิ่ง
  สร้างฟีเจอร์ขนาดเล็กในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และส่วนประกอบที่มีความแม่นยำด้วยความแม่นยำระดับไมครอน

• การผลิตแบบเติมแต่ง
  ขับเคลื่อนวิธีการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้เลเซอร์ เช่น การหลอมโลหะด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด โดยการหลอมผงโลหะด้วยการกระจายพลังงานที่สม่ำเสมอ

• การวิจัยทางวิทยาศาสตร์
  เสนอพารามิเตอร์พัลส์ที่ปรับได้สำหรับการสเปกโตรสโคปี ออปติกส์แบบไม่เชิงเส้น และการทดลองในห้องปฏิบัติการอื่น ๆ

การเลือกใช้ไฟเบอร์เลเซอร์ที่เหมาะสม

• กำลังขับ
  กำหนดโดยพิจารณาจากความหนาของวัสดุและความเร็วในการประมวลผล การทำเครื่องหมายงานเบาอาจต้องใช้พลังงาน 20–50 W ส่วนการตัดงานหนักอาจต้องใช้พลังงาน 1–10 kW หรือมากกว่านั้น

• ลักษณะของชีพจร
  เลือก CW สำหรับการทำงานต่อเนื่อง Q-switched หรือ MOPA สำหรับงานแม่นยำที่ต้องใช้พลังงานพีคสูงหรือพัลส์อัลตราสั้น

• การส่งมอบลำแสง
  หัวโฟกัสคงที่สำหรับการตัดทั่วไป; สแกนเนอร์แบบกัลโวสำหรับการทำเครื่องหมายความเร็วสูง; เลนส์ระยะไกลสำหรับการเชื่อมระยะไกล

• วิธีการทำความเย็น
  หน่วยระบายความร้อนด้วยอากาศเพียงพอสำหรับการใช้พลังงานสูงสุดถึงหลายร้อยวัตต์ ส่วนพลังงานที่สูงกว่าจะได้ประโยชน์จากการระบายความร้อนด้วยน้ำเพื่อรักษาเอาต์พุตที่เสถียร

• การบูรณาการและการควบคุม
  ตรวจสอบความเข้ากันได้กับการตั้งค่าระบบอัตโนมัติของคุณ รวมถึงอินเทอร์เฟซดิจิทัล ไลบรารีซอฟต์แวร์ และระบบล็อคด้านความปลอดภัย

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการบำรุงรักษา

• ไฟเบอร์เอ็นด์-เฟซแคร์
  ตรวจสอบและทำความสะอาดหน้าต่างหรือเลนส์ป้องกันเป็นประจำเพื่อป้องกันการบิดเบือนของลำแสง

• การตรวจสอบระบบระบายความร้อน
  ตรวจสอบการไหลของอากาศหรือน้ำที่เพียงพอ ตรวจสอบเซ็นเซอร์อุณหภูมิและเปลี่ยนตัวกรองตามความจำเป็น

• การอัพเดตซอฟต์แวร์
  ใช้แพทช์เฟิร์มแวร์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและรักษามาตรฐานความปลอดภัย

• การสอบเทียบเป็นระยะ
  ควรจ้างช่างเทคนิคที่ได้รับการรับรองเป็นประจำทุกปี (หรือตามความเข้มข้นในการใช้งานของคุณ) เพื่อตรวจสอบเอาต์พุตพลังงาน การจัดตำแหน่งของลำแสง และความน่าเชื่อถือของระบบ

เลเซอร์ไฟเบอร์ผสมผสานโฟโตนิกส์ขั้นสูงเข้ากับวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ ทำให้เลเซอร์ไฟเบอร์เป็นรากฐานสำคัญของการผลิต การวิจัย และการประมวลผลที่แม่นยำในยุคใหม่ การทำความเข้าใจการออกแบบหลัก หลักการทำงาน และขอบเขตการใช้งานของเลเซอร์ไฟเบอร์จะช่วยให้คุณใช้ประโยชน์จากเลเซอร์ไฟเบอร์ได้อย่างเต็มที่ในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย

เลเซอร์ไฟเบอร์เป็นเลเซอร์โซลิดสเตตชนิดหนึ่งซึ่งตัวกลางที่ให้ค่าการขยายแอ็คทีฟคือใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยธาตุหายาก ซึ่งส่วนใหญ่มักเป็นอิตเทอร์เบียม ต่างจากก๊าซหรือ CO แบบดั้งเดิม₂เลเซอร์ไฟเบอร์สร้าง ขยาย และนำแสงภายในเส้นใยแก้วทั้งหมด ส่งผลให้ระบบมีขนาดกะทัดรัด ทนทาน และมีประสิทธิภาพสูง

1. ส่วนประกอบหลักและการออกแบบ

• แกนไฟเบอร์โดป
  หัวใจหลักของเลเซอร์ไฟเบอร์ก็คือไฟเบอร์นั่นเอง ซึ่งเป็นเส้นใยแก้วที่บางมากและมีไอออนของธาตุหายากอยู่ภายในแกนกลาง เมื่อถูกปั๊มด้วยแสง ไอออนเหล่านี้จะให้พลังงานที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเลเซอร์

• ไดโอดปั๊ม
  ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงจะฉีดแสงปั๊มเข้าไปในปลอกหุ้มไฟเบอร์ ปลอกหุ้มจะกักแสงปั๊มไว้รอบแกนกลาง เพื่อให้แน่ใจว่าไอออนที่ถูกเจือปนจะถูกกระตุ้นอย่างสม่ำเสมอ

• ตะแกรงไฟเบอร์แบร็กก์ (FBGs)
  ตะแกรงสะท้อนแสงเหล่านี้ฝังอยู่ในเส้นใยโดยตรงเพื่อสร้างโพรงเลเซอร์ ตะแกรงด้านหนึ่งสะท้อนแสงส่วนใหญ่กลับเข้าไปในเส้นใย ในขณะที่อีกด้านช่วยให้ส่วนที่ควบคุมได้สามารถออกไปเป็นลำแสงขาออกได้

• การจัดการความร้อน
  เนื่องจากหน้าตัดเล็กของไฟเบอร์ทำให้ระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพตลอดความยาว โดยทั่วไปเลเซอร์ไฟเบอร์จึงต้องมีการระบายความร้อนด้วยอากาศหรือการหมุนเวียนน้ำเพียงเล็กน้อย แม้ในระดับพลังงานสูงก็ตาม

2. หลักการทำงาน

1. การสูบน้ำด้วยแสง
   ไดโอดปั๊มจะฉีดแสง โดยปกติจะมีความยาวคลื่นระหว่าง 915 นาโนเมตรถึง 976 นาโนเมตร เข้าไปในปลอกหุ้มไฟเบอร์

2. การดูดซับพลังงาน
   ไอออนของธาตุหายากในแกนกลางจะดูดซับโฟตอนของปั๊ม ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปสู่สถานะกระตุ้น

3. การกระตุ้นการปล่อย
   เมื่ออิเล็กตรอนผ่อนคลาย อิเล็กตรอนจะปล่อยโฟตอนที่สอดคล้องกันซึ่งมีความยาวคลื่นตามลักษณะเฉพาะของเลเซอร์ (โดยทั่วไปคือ 1,064 นาโนเมตร)

4. การขยายเสียงและการตอบรับ
   โฟตอนเคลื่อนที่ไปตามเส้นใย ทำให้เกิดการปล่อยรังสีเพิ่มเติมและขยายลำแสง FBG ที่ปลายแต่ละด้านของเส้นใยจะสร้างโพรงเรโซแนนซ์ เพื่อรักษาการสั่นของเลเซอร์

5. คัปปลิ้งเอาต์พุต
   ตะแกรงสะท้อนแสงบางส่วนช่วยให้แสงที่ขยายออกมาบางส่วนออกไปเป็นลำแสงเอาต์พุตคุณภาพสูงที่ใช้ในการประมวลผล

3. ประเภทของไฟเบอร์เลเซอร์

• เลเซอร์ไฟเบอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW)
  ปล่อยลำแสงที่สม่ำเสมอและต่อเนื่อง เหมาะสำหรับงานตัด เชื่อม และทำเครื่องหมายที่ต้องใช้กำลังไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง

• ไฟเบอร์เลเซอร์แบบพัลส์
  ส่งมอบแสงเป็นช่วงๆ อย่างควบคุมได้ หมวดหมู่ย่อย ได้แก่:

• คิว-สวิตซ์:พัลส์จุดสูงสุด (ช่วงนาโนวินาที) สำหรับการแกะสลักลึกและการเจาะระดับไมโคร

• โหมดล็อค:พัลส์อัลตราสั้น (พิโกวินาทีหรือเฟมโตวินาที) สำหรับการกลึงไมโครแม่นยำและการประมวลผลวัสดุที่ละเอียดอ่อน

• มาสเตอร์ออสซิลเลเตอร์เพาเวอร์แอมป์ (MOPA)
  รวมเลเซอร์เมล็ดพลังงานต่ำ (ออสซิลเลเตอร์) เข้ากับสเตจขยายเสียงหนึ่งสเตจหรือมากกว่า ช่วยให้ควบคุมระยะเวลาพัลส์และอัตราการทำซ้ำได้อย่างแม่นยำ

4. ข้อได้เปรียบหลัก

• คุณภาพลำแสงที่เหนือชั้น
  ให้เอาต์พุตที่จำกัดการเลี้ยวเบนแสงอย่างเกือบสมบูรณ์แบบ ช่วยให้จุดโฟกัสละเอียดเป็นพิเศษและการตัดที่คมชัด

• ประสิทธิภาพสูง
  ประสิทธิภาพปลั๊กผนังมักจะเกิน 30% ส่งผลให้การใช้ไฟฟ้าและต้นทุนการดำเนินงานลดลง

• ขนาดกะทัดรัด
  โครงสร้างแบบเส้นใยทั้งหมดช่วยขจัดกระจกและท่อแก๊สขนาดใหญ่ ช่วยประหยัดพื้นที่อันมีค่า

• การบำรุงรักษาต่ำ
  โมดูลไฟเบอร์แบบปิดผนึกต้องการการปรับตำแหน่งใหม่เพียงเล็กน้อย ไม่จำเป็นต้องเติมแก๊สหรือหอระบายความร้อนขนาดใหญ่

• ความแข็งแกร่งต่อสิ่งแวดล้อม
  เลเซอร์ไฟเบอร์ทนต่อการสั่นสะเทือน ฝุ่นละออง และความผันผวนของอุณหภูมิได้ดีกว่าระบบพื้นที่ว่าง

5. การใช้งานทั่วไป

• การตัดและเชื่อมโลหะ
  ตั้งแต่สแตนเลสแผ่นบางจนถึงอลูมิเนียมแผ่นหนา เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถให้ความเร็วในการตัดที่เร็วขึ้น ช่องตัดแคบ และโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุด

• การทำเครื่องหมายและแกะสลักอย่างแม่นยำ
  เหมาะสำหรับหมายเลขซีเรียล บาร์โค้ด และโลโก้บนโลหะ พลาสติก เซรามิก และแก้วที่มีความคมชัดชัดเจนและมีความทนทานสูง

• งานไมโครแมชชีนนิ่ง
  สร้างฟีเจอร์ขนาดเล็กในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และส่วนประกอบที่มีความแม่นยำด้วยความแม่นยำระดับไมครอน

• การผลิตแบบเติมแต่ง
  ขับเคลื่อนวิธีการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้เลเซอร์ เช่น การหลอมโลหะด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด โดยการหลอมผงโลหะด้วยการกระจายพลังงานที่สม่ำเสมอ

• การวิจัยทางวิทยาศาสตร์
  เสนอพารามิเตอร์พัลส์ที่ปรับได้สำหรับการสเปกโตรสโคปี ออปติกส์แบบไม่เชิงเส้น และการทดลองในห้องปฏิบัติการอื่น ๆ

6. การเลือกไฟเบอร์เลเซอร์ที่เหมาะสม

• กำลังขับ
  กำหนดโดยพิจารณาจากความหนาของวัสดุและความเร็วในการประมวลผล การทำเครื่องหมายงานเบาอาจต้องใช้พลังงาน 20–50 W ส่วนการตัดงานหนักอาจต้องใช้พลังงาน 1–10 kW หรือมากกว่านั้น

• ลักษณะของชีพจร
  เลือก CW สำหรับการทำงานต่อเนื่อง Q-switched หรือ MOPA สำหรับงานแม่นยำที่ต้องใช้พลังงานพีคสูงหรือพัลส์อัลตราสั้น

• การส่งมอบลำแสง
  หัวโฟกัสคงที่สำหรับการตัดทั่วไป; สแกนเนอร์แบบกัลโวสำหรับการทำเครื่องหมายความเร็วสูง; เลนส์ระยะไกลสำหรับการเชื่อมระยะไกล

• วิธีการทำความเย็น
  หน่วยระบายความร้อนด้วยอากาศเพียงพอสำหรับการใช้พลังงานสูงสุดถึงหลายร้อยวัตต์ ส่วนพลังงานที่สูงกว่าจะได้ประโยชน์จากการระบายความร้อนด้วยน้ำเพื่อรักษาเอาต์พุตที่เสถียร

• การบูรณาการและการควบคุม
  ตรวจสอบความเข้ากันได้กับการตั้งค่าระบบอัตโนมัติของคุณ รวมถึงอินเทอร์เฟซดิจิทัล ไลบรารีซอฟต์แวร์ และระบบล็อคด้านความปลอดภัย

7. แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการบำรุงรักษา

• ไฟเบอร์เอ็นด์-เฟซแคร์
  ตรวจสอบและทำความสะอาดหน้าต่างหรือเลนส์ป้องกันเป็นประจำเพื่อป้องกันการบิดเบือนของลำแสง

• การตรวจสอบระบบระบายความร้อน
  ตรวจสอบการไหลของอากาศหรือน้ำที่เพียงพอ ตรวจสอบเซ็นเซอร์อุณหภูมิและเปลี่ยนตัวกรองตามความจำเป็น

• การอัพเดตซอฟต์แวร์
  ใช้แพทช์เฟิร์มแวร์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและรักษามาตรฐานความปลอดภัย

• การสอบเทียบเป็นระยะ
  ควรจ้างช่างเทคนิคที่ได้รับการรับรองเป็นประจำทุกปี (หรือตามความเข้มข้นในการใช้งานของคุณ) เพื่อตรวจสอบเอาต์พุตพลังงาน การจัดตำแหน่งของลำแสง และความน่าเชื่อถือของระบบ

เลเซอร์ไฟเบอร์ผสมผสานโฟโตนิกส์ขั้นสูงเข้ากับวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ ทำให้เลเซอร์ไฟเบอร์เป็นรากฐานสำคัญของการผลิต การวิจัย และการประมวลผลที่แม่นยำในยุคใหม่ การทำความเข้าใจการออกแบบหลัก หลักการทำงาน และขอบเขตการใช้งานของเลเซอร์ไฟเบอร์จะช่วยให้คุณใช้ประโยชน์จากเลเซอร์ไฟเบอร์ได้อย่างเต็มที่ในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย