Lasers en fibre vs lasers à semi-conducteurs

À l'ère actuelle du développement rapide de la technologie laser, des lasers à l'état solide et des lasers de fibres, en tant que deux principaux produits laser traditionnels, ont chacun démontré leur charme et leurs avantages uniques dans de nombreux domaines tels que la production industrielle, la recherche scientifique et les applications militaires.

1. Principes techniques et différences de performance

1.1 Gain Medium

Les lasers en fibre utilisent des fibres de verre dopées par des terres rares comme supports de gain. Sous l'action de la lumière de la pompe, une densité de puissance élevée se forme dans la fibre, entraînant une inversion de population du niveau d'énergie laser et de l'oscillation laser à travers la boucle de rétroaction positive de la cavité résonante. Les lasers de fibres sont compacts et ne nécessitent pas de système de refroidissement complexe, et la flexibilité de la fibre les rend plus avantageuses dans les applications de traitement d'espace multidimensionnelles. Le cœur d'un laser à fibre est une fibre optique, un filament de verre ou en plastique flexible et mince des cheveux connue pour sa capacité à guider la lumière sur de longues distances avec une perte minimale. La fibre agit comme le moyen de gain actif du laser et est le cœur de l'opération du laser. Cependant, contrairement aux fibres en verre ou en plastique non dopées utilisées dans les télécommunications, la fibre optique dans un laser de fibre est dopée avec des éléments de terres rares tels que l'erbium ou le ytterbium. Ce dopage introduit l'état énergétique requis pour le fonctionnement du laser, permettant à la fibre non seulement de guider la lumière mais également de l'amplifier. Le laser à semi-conducteurs (SSL) est centré sur son milieu de gain unique, son matériau solide et est généralement composé de quatre parties: moyen de gain, système de refroidissement, cavité résonante optique et source de pompe. Le milieu de gain, comme Ruby (Cr: Al₂o₃) ou le grenat d'aluminium Yttrium dopé au néodyme (ND: YAG), est l'âme du laser à l'état solide. Les ions activés (tels que Nd³⁺) dopés à l'intérieur, atteignent l'inversion de la population sous l'action de la lumière de la pompe, générant ainsi la lumière laser. Le système de refroidissement est responsable de l'élimination de la chaleur accumulée à l'intérieur du milieu de gain en raison de la génération du laser pour assurer un fonctionnement stable du laser. Le résonateur optique forme des oscillations continues à travers une rétroaction positive des photons, en sortant un faisceau laser hautement monochromatique et hautement directionnel.

1.2 Les lasers en fibre de performance et d'efficacité sont connus pour leur excellente efficacité électrique, grâce à la nature des câbles à fibre optique, qui peuvent mener la lumière avec une perte minimale. Cette caractéristique rend les lasers de fibres incroyablement économes en énergie, réalisant souvent plus de 30% d'efficacité. Les lasers à l'état solide sont généralement moins efficaces, probablement en raison des pertes plus élevées de leur milieu de gain plus important et du besoin de lampes à haute intensité pour le pompage.

1.3 Qualité du faisceau: affecte directement l'efficacité des lasers dans les applications de précision, le fonctionnement monomode des lasers en fibre peut fournir une qualité de faisceau de route incroyablement, caractérisée par une focalisation serrée et une divergence minimale. Les lasers à semi-conducteurs, bien que capables de fournir des faisceaux de haute qualité, sont souvent difficiles pour faire correspondre la qualité des lasers de fibres, en particulier à des niveaux de puissance plus élevés. Malgré leur efficacité inférieure et leur qualité de faisceau, les lasers à l'état solide ne sont pas sans avantages. Ils ont de puissantes capacités d'échelle de puissance et sont bien adaptés aux applications de haute puissance. Les lasers à semi-conducteurs peuvent être conçus pour produire des niveaux de puissance incroyablement élevés en augmentant la taille du milieu de gain et la puissance de la pompe, ce qui n'est pas si simple pour les lasers de fibres en raison des limites de la taille des fibres et de la dissipation thermique.

1.4 Les lasers de fibres de stabilité ont une stabilité élevée. Leur structure de fibres est insensible aux changements environnementaux (tels que la température, l'humidité, les vibrations, etc.) et peut maintenir des conditions de travail stables dans des environnements difficiles. Dans le même temps, les lasers en fibre sont considérés comme plus durables et adaptables aux changements environnementaux car ils utilisent une structure à l'état solide et ne contiennent pas de composants optiques en espace libre. Les lasers à l'état solide ont une stabilité relativement mauvaise et les changements dans les facteurs environnementaux peuvent avoir un impact plus important sur leurs performances.

1,5 Dissipation de chaleur Les lasers en fibres ont d'excellentes performances de dissipation thermique. Son milieu de gain est la fibre optique, qui a un grand rapport surface / volume, et la chaleur peut être dissipée rapidement, de sorte qu'elle peut fonctionner de manière stable pendant longtemps et peut résister à une puissance élevée. Les lasers à l'état solide sont relativement difficiles à dissiper la chaleur et sont sujets aux effets thermiques lorsqu'ils fonctionnent à haute puissance, affectant les performances et la durée de vie du laser.

1.6 Les coûts de taille et de maintenance Les lasers en fibre sont très compacts et ne nécessitent presque aucune entretien. La petite taille de la fibre et l'absence de miroirs externes réduisent considérablement les problèmes d'alignement associés aux lasers à l'état solide. De plus, les excellentes capacités de dissipation thermique de la fibre ne nécessitent généralement pas de refroidissement actif, ce qui réduit davantage les exigences de maintenance. Dans le même temps, les lasers de fibres sont généralement plus sûrs à fonctionner car le laser est confiné dans la fibre, ce qui réduit le risque d'exposition accidentelle. L'alignement des miroirs dans les lasers à l'état solide est essentiel à leur fonctionnement et nécessite une inspection et un ajustement réguliers, ce qui augmente la charge de travail de maintenance. De plus, les lasers à l'état solide nécessitent généralement un refroidissement actif pour gérer la chaleur générée dans le milieu de gain, ce qui augmente non seulement la complexité du système, mais augmente également les exigences de maintenance. Les lasers à l'état solide ont tendance à être plus grands que les lasers en fibre. Le besoin de miroirs à gain important et de miroirs externes augmente leur taille et leur poids, limitant leur applicabilité dans les applications avec un espace limité.

2. Champs d'application

Les lasers en fibre brillent dans le domaine de la coupe industrielle et du soudage avec leur puissance élevée, leur qualité de route, leurs bonnes performances de dissipation de chaleur et leur stabilité. Les lasers en fibre conviennent particulièrement à la coupe épaisse de la plaque et au soudage des matériaux métalliques. Leur efficacité de conversion électro-optique élevée et leur conception sans réglage et sans entretien réduisent considérablement le coût d'utilisation et la difficulté de maintenance. Dans le même temps, la tolérance élevée des lasers de fibres à des environnements de travail durs, tels que la poussière, les vibrations, l'humidité, etc., les fait également bien fonctionner dans divers sites industriels. Les lasers continus ont un degré élevé de pénétration dans le domaine du macro-traitement et ont progressivement remplacé les méthodes de traitement traditionnelles dans ce domaine. Les lasers à semi-conducteurs sont uniques dans le domaine du traitement ultra-précis et ultra-micro avec leur puissance de pointe élevée, leur grande énergie d'impulsion et leur sortie laser à longueur d'onde courte (comme la lumière verte et la lumière ultraviolette). Dans des processus tels que le marquage des matériaux métalliques / non métalliques, la coupe, le forage et le soudage, les lasers à l'état solide peuvent atteindre une précision de traitement plus élevée et une applicabilité plus large des matériaux. En particulier dans le soudage de haute précision et l'impression 3D de la lumière des matériaux non métalliques, les lasers à l'état solide sont devenus l'équipement préféré en raison de leurs lasers à longueur d'onde courte avec de petits effets thermiques et une précision élevée de traitement. Les lasers à semi-conducteurs sont principalement utilisés dans le domaine de la micro-masseur de précision des matériaux non métalliques et des matériaux métalliques minces, cassants et autres en raison de leur longueur d'onde courte (ultraviolet, ultraviolet profond), de la largeur d'impulsion courte (picoseconde, fémorale) et une puissance de pointe élevée. De plus, les lasers à l'état solide sont largement utilisés dans la recherche scientifique de pointe dans les domaines de l'environnement, de la médecine, des militaires, etc.

3. Part de marché Mon pays est en train de transformer et de mettre à niveau de l'industrie manufacturière de la fabrication bas de gamme à la fabrication haut de gamme. La fabrication bas de gamme représente une proportion élevée. Le marché du macro-traitement couvre à la fois la fabrication bas de gamme et une fabrication haut de gamme. La demande du marché est importante. Par conséquent, la capacité de marché des lasers en fibre est relativement importante. Les lasers intérieurs de fibres à faible puissance sont très localisés et il existe de nombreux fabricants nationaux à grande échelle. Selon le "Rapport de développement de l'industrie du laser chinois", les lasers à fibres à faible puissance ont été entièrement remplacés par des produits domestiques; En termes de lasers à fibres continues à moyennes moyennes, la qualité intérieure n'a aucun inconvénient évident, l'avantage du prix est évident et la part de marché est comparable; En termes de lasers en fibre continue de haute puissance, les marques nationales ont réalisé des ventes partielles. Quant aux lasers à l'état solide, en raison du développement tardif en Chine, il n'y a actuellement aucune entreprise cotée avec ce produit comme principale activité, et ils achètent généralement des marques étrangères. Les lasers en fibre sont principalement utilisés dans le domaine du macro-traitement en raison de leur puissance de sortie élevée (le macro-traitement laser fait généralement référence au traitement de la taille et de la forme de l'objet de traitement avec l'influence du faisceau laser au niveau du millimètre); Les lasers solides sont largement utilisés dans le domaine des micro-traitements en raison de leurs avantages tels que la longueur d'onde courte, la largeur d'impulsion étroite et la puissance de pointe élevée (le micro-traitement se réfère généralement au traitement de la taille et de la forme avec des micromètres à atteindre de précision ou même des nanomètres), résultant de certaines différences entre les utilisateurs de lasers solides et de lasers en fibre. En général, les lasers solides et les lasers en fibre ont des foyers différents dans leurs domaines d'application et chacun a son propre champ d'application. Il n'y a pas de concurrence directe entre les deux dans la plupart des domaines. Dans le domaine du traitement des matériaux métalliques qui chevauche le champ de micro-traitement, lorsque le métal atteint une certaine épaisseur, ce champ adopte généralement des méthodes traditionnelles ou des lasers en fibre pour des raisons de coût. Les lasers solides ne sont utilisés que dans des scènes où l'épaisseur du métal est mince ou les exigences de traitement sont élevées et le coût n'est pas sensible. De plus, le chevauchement de la compétition entre les deux est faible. Les lasers solides sont principalement utilisés pour le traitement des matériaux non métalliques (verre, céramique, plastiques, polymères, emballages, autres matériaux cassants, etc.), et dans le domaine des matériaux métalliques, ils sont utilisés dans des scènes aux exigences de haute précision et relativement insensibles au coût.