בעידן ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית לייזר, לייזרים של מצב מוצק ולייזרי סיבים, כשני מוצרי לייזר מרכזיים מהזרם המרכזי, הראו את הקסם והיתרונות הייחודיים שלהם בתחומים רבים כמו ייצור תעשייתי, מחקר מדעי ויישומים צבאיים.
1. עקרונות טכניים והבדלי ביצועים
① הרוויח בינוני
לייזרי סיבים משתמשים בסיבי זכוכית מסוממים אדמה נדירים כתקשורת רווחים. בפעולה של אור המשאבה נוצרת צפיפות הספק גבוהה בסיב, וכתוצאה מכך היפוך אוכלוסייה של רמת האנרגיה בלייזר, ותנודת לייזר נוצרת באמצעות לולאת המשוב החיובית של חלל התהודה. לייזרי סיבים הם קומפקטיים ואינם דורשים מערכת קירור מורכבת, והגמישות של הסיב הופכת אותם ליתרון יותר ביישומי עיבוד חלל רב ממדי.
ליבת לייזר סיבים הוא סיב אופטי, נימה גמישה, זכוכית דקה לשיער או נימה פלסטיק הידועה ביכולתו להנחות אור על מרחקים ארוכים עם אובדן מינימלי. הסיבים פועלים כמדיום הרווח הפעיל של הלייזר והוא ליבת פעולת הלייזר. עם זאת, בניגוד לסיבי הזכוכית או הפלסטיק הבלתי מסומנים המשמשים בתקשורת, הסיבים האופטיים בלייזר סיבים מסוממים באלמנטים אדמה נדירים כמו ארביום או ytterbium. סמים זה מציג את מצבי האנרגיה הדרושים להפעלת לייזר, ומאפשר לסיבים לא רק להנחות אור אלא גם להגביר אותו.
לייזר במצב מוצק (SSL) מרוכז בחומר הבינוני המוצק הייחודי שלו, ומורכב בדרך כלל מארבעה חלקים: רווח בינוני, מערכת קירור, חלל תהודה אופטי ומקור משאבה. הרוויחו בינוני, כמו רובי (Cr: al₂o₃) או גרנט yttrium aluminum מסומם Neodymium (ND: YAG), הוא נשמתם של לייזרים מוצקים. היונים המופעלים (כגון nd³⁺) המסוממים בתוכו משיגים היפוך מספר חלקיקים תחת פעולה של אור משאבה, ובכך מייצרים לייזר. מערכת הקירור אחראית על הוצאת החום שנצבר בתוך מדיום הרווח בגלל ייצור לייזר כדי להבטיח פעולה יציבה של הלייזר. חלל התהודה האופטי יוצר תנודה רציפה באמצעות משוב חיובי של פוטונים, ומוצא קרן לייזר מונוכרומטית וכיוונית ביותר.
② ביצועים ויעילות
לייזרי סיבים ידועים ביעילותם החשמלית יוצאת הדופן, בזכות אופי כבלי הסיבים האופטיים, המובילים אור עם הפסדים מינימליים. תכונה זו הופכת את לייזרי הסיבים לחסכוניים באנרגיה להפליא, ולעתים קרובות משיגים יעילות העולה על 30%. לייזרים במצב מוצק הם בדרך כלל יעילים פחות, ככל הנראה בגלל ההפסדים הגבוהים יותר של אמצעי התקשורת המגושמים שלהם והצורך במנורות בעוצמה גבוהה לשאיבה.
③ איכות קרן: משפיעה ישירות על יעילות הלייזר ביישומי דיוק. הפעלה במצב יחיד של לייזרי סיבים יכולה לספק איכות קרן גבוהה להפליא, המאופיינת במיקוד הדוק וסטייה מינימלית. אף על פי שלייזרים במצב מוצק מסוגלים לספק קורות באיכות גבוהה, לרוב הם קשים להתאים את איכות הקורה של לייזרי סיבים, במיוחד ברמות כוח גבוהות יותר. למרות היעילות הנמוכה ואיכות הקורה, לייזרים במצב מוצק אינם ללא היתרונות שלהם. יש להם יכולות קנה מידה עוצמתיות של כוח והם מתאימים מאוד ליישומים בעלי עוצמה גבוהה. ניתן לתכנן לייזרים במצב מוצק כדי לייצר רמות הספק גבוהות להפליא על ידי הגדלת גודל המדיום הרווח וכוח המשאבה, וזה לא כל כך פשוט עבור לייזרי סיבים בגלל המגבלות של גודל הסיבים ופיזור החום.
④ לייזרי סיבי יציבות הם בעלי יציבות גבוהה. מבנה הסיבים שלהם אינו רגיש לשינויים סביבתיים (כמו טמפרטורה, לחות, רטט וכו '), ויכול לשמור על מצב עבודה יציב בסביבות קשות יחסית. במקביל, לייזרי סיבים משתמשים במבנה במצב מוצק ואינם מכילים רכיבים אופטיים בחלל חופשי, ולכן הם נחשבים לעמידים יותר ומסוגלים להסתגל לשינויים סביבתיים. לייזרים במצב מוצק הם בעלי יציבות ירודה יחסית, ושינויים בגורמים סביבתיים עשויים להשפיע יותר על ביצועיהם.
⑤ לייזרי סיבי פיזור חום יש ביצועי פיזור חום מעולים. מדיום הרווח שלו הוא סיבים אופטיים, שיש להם יחס שטח גדול לנפח, וניתן להתפזר את החום במהירות, כך שהוא יכול לעבוד ביציבות במשך זמן רב ויכול לעמוד בתפוקת כוח גבוהה. פיזור החום של לייזרים במצב מוצק הוא יחסית קשה, ובעיות השפעה תרמית נוטות להתרחש בעת פועלות בעוצמה גבוהה, ומשפיעות על ביצועי הלייזר וחייו.
⑥ לייזרי סיבי גודל ותחזוקה הם קומפקטיים מאוד וכמעט נטולי תחזוקה. הגודל הקטן של הסיב והיעדר מראות חיצוניות מפחיתים מאוד את בעיות היישור הקשורות ללייזרים במצב מוצק. בנוסף, יכולת פיזור החום המצוינת של הסיב בדרך כלל אינה דורשת קירור פעיל, מה שמפחית עוד יותר את דרישות התחזוקה. יחד עם זאת, בדרך כלל לייזרי סיבים בטוחים יותר לפעול מכיוון שהלייזר מוגבל בתוך הסיבים, ומפחית את הסיכון לחשיפה מקרית. יישור המראות בלייזרים במצב מוצק הוא קריטי להפעלתם ומחייב בדיקה והתאמה קבועה, מה שמגדיל את עומס העבודה של התחזוקה. בנוסף, לייזרים במצב מוצק בדרך כלל דורשים קירור פעיל כדי לנהל את החום שנוצר במדיום הרווח, מה שלא רק מגדיל את המורכבות של המערכת, אלא גם מגדיל את דרישות התחזוקה. לייזרים במצב מוצק נוטים להיות גדולים יותר מלייזרי סיבים. הצורך במראות עלייה גדולות ומראות חיצוניות מגדיל את גודלם ומשקלם, ומגביל את תחולתם ביישומים עם שטח מוגבל.
2. שדות יישום
לייזרי סיבים זורחים בתחום חיתוך וריתוך תעשייתי עם כוחם הגבוה, איכות קרן גבוהה, ביצועי פיזור חום טובים ויציבות. לייזרי סיבים מתאימים במיוחד לחיתוך צלחות עבות וריתוך של חומרי מתכת. יעילות ההמרה האלקטרו-אופטית הגבוהה שלהם ועיצוב ללא התאמה ונטול תחזוקה מצמצמים מאוד את עלות השימוש ואת קושי התחזוקה. יחד עם זאת, הסובלנות הגבוהה של לייזרי סיבים לסביבות עבודה קשות, כמו אבק, רטט, לחות וכו ', גורמת להם גם הם לבצע ביצועים טובים באתרי תעשייה שונים. לייזרים רציפים יש מידה גבוהה של חדירה בתחום עיבוד המאקרו, והחליפו בהדרגה את שיטות העיבוד המסורתיות בתחום זה.
לייזרים במצב מוצק הם ייחודיים בתחום הדיוק האולטרה-דיוק ועיבוד אולטרה-מיקרו עם כוח השיא הגבוה שלהם, אנרגיית הדופק הגדולה ותפוקת הלייזר באורך גל קצר (כמו אור ירוק ואור אולטרה סגול). בתהליכים כמו סימון חומרים מתכת/לא מתכת, חיתוך, קידוח וריתוך, לייזרים במצב מוצק יכולים להשיג דיוק עיבוד גבוה יותר ויישום חומר רחב יותר. במיוחד בריתוך דיוק גבוה והדפסת תלת מימד מרפא קל של חומרים לא מתכתיים, לייזרים במצב מוצק הפכו לציוד המועדף בגלל לייזרים באורך הגל הקצר שלהם עם השפעות תרמיות קטנות ודיוק עיבוד גבוה. לייזרים במצב מוצק משמשים בעיקר בתחום מיקרו-ממוקם מדויק של חומרים לא מתכתיים וחומרים דקים, שבירות ואחרים מתכת בגלל אורך הגל הקצר שלהם (אולטרה סגול, אולטרה סגול עמוק), רוחב דופק קצר (פיקוסקונט, femtosecond) וגובה כוח שיא. בנוסף, לייזרים במצב מוצק נמצאים בשימוש נרחב במחקר מדעי מתקדמים בתחומי הסביבה, הרפואה, הצבא וכן הלאה.
3. נתח שוק
המדינה שלי נמצאת בתהליך של טרנספורמציה ושדרוג הייצור מייצור נמוך לייצור יוקרתי. ייצור נמוך מהווה חלק גבוה. שוק עיבוד המאקרו מכסה הן ייצור נמוך וקצת ייצור יוקרתי. הביקוש בשוק גדול. לפיכך, יכולת השוק של לייזרי סיבים גדולה יחסית.
מידת הלוקליזציה של לייזרי סיבים מקומיים בעלי עוצמה נמוכה היא גבוהה, ויש הרבה יצרנים מקומיים בקנה מידה גדול. על פי "דו"ח פיתוח ענף הלייזר של סין", לייזרי סיבים בעלי עוצמה נמוכה הוחלפו במלואם על ידי מוצרים מקומיים; מבחינת לייזרי סיבים רציפים של עוצמה בינונית, לאיכות המקומית אין חסרונות ברורים, היתרון במחירים ברור ונתח השוק שווה; מבחינת לייזרי סיבים רציפים בעלי עוצמה גבוהה, מותגים מקומיים השיגו מכירות חלקיות.
באשר ללייזרים מוצקים, בגלל הפיתוח המאוחר בסין, אין כיום חברות רשומות עם מוצר זה כעסק העיקרי שלהן, והן בדרך כלל רוכשות מותגים זרים.
לייזרי סיבים משמשים בעיקר בתחום עיבוד המאקרו בגלל כוח התפוקה הגבוה שלהם (עיבוד מאקרו לייזר מתייחס בדרך כלל לעיבוד גודל וצורתו של אובייקט העיבוד עם השפעת קרן הלייזר על אובייקט העיבוד בטווח המילימטר ); לייזרים מוצקים נמצאים בשימוש נרחב בתחום עיבוד המיקרו בגלל היתרונות שלהם כמו אורך גל קצר, רוחב דופק צר וכוח שיא גבוה (עיבוד מיקרו מתייחס בדרך כלל לעיבוד הגודל והצורה עם דיוק המגיעים למיקרומטר או אפילו לרמת ננומטר ), וכתוצאה מכך הבדלים מסוימים בין המשתמשים בלייזרים מוצקים ולייזרים סיבים.
באופן כללי, לייזרים מוצקים ולייזרי סיבים יש שדות יישומים שונים ולכל אחד מהם שדה יישומים משלו. אין תחרות ישירה בין השניים ברוב השדות. בתחום עיבוד חומרי מתכת החופף לתחום עיבוד המיקרו, כאשר המתכת מגיעה לעובי מסוים, שדה זה בדרך כלל מאמץ שיטות מסורתיות או לייזרים סיבים מסיבות עלות. לייזרים מוצקים משמשים רק בסצינות עם עובי מתכת דק או דרישות עיבוד גבוהות וחסרות רגישות לעלות. בנוסף, החפיפה בתחרות בין השניים נמוכה. לייזרים מוצקים משמשים בעיקר לעיבוד חומרים לא מתכתיים (זכוכית, קרמיקה, פלסטיקה, פולימרים, אריזה, חומרים שבירים אחרים וכו '), ובשדה חומרי מתכת הם משמשים בסצינות עם דרישות דיוק גבוהות וכן יחסית חסר רגישות לעלות.
