Limitações e avanços de lasers quase infravermelhos

Nas últimas décadas, os lasers CW de alta potência tornaram-se uma ferramenta comum na fabricação moderna, cobrindo aplicações como soldagem, revestimento, preparação de superfícies, endurecimento, brasagem, corte, impressão 3D, e fabricação aditiva. Com a geração de lasers de dióxido de carbono (CO2) de comprimento de onda de 10,6 µm de alta potência eSemicondutor de comprimento de onda 1064nm de infravermelho próximo-Nd bombeado: YAGLasers de estado sólido, A tecnologia laser CW de alta potência viu o primeiro pico de desenvolvimento.

Limitações dos Lasers NIR

Devido ao seu comprimento de onda, os lasers de dióxido de carbono são difíceis de transmitir através de fibras ópticas, causando certas dificuldades para aplicações industriais; enquanto os lasers de estado sólido são limitados por suas capacidades de amplificação de brilho e potência. Esses lasers de fibra de alta potência CW normalmente operam em comprimentos de onda de infravermelho próximo (NIR) dentro de 1µm, que são bons para muitas aplicações. Por exemplo, é adequado para usinagem de aços com uma absorção de mais de 50%, mas é limitado pelo fato de que alguns metais refletem 90% ou mais da radiação laser infravermelha próxima incidente em sua superfície. Especialmente ao soldar metais amarelos como cobre e ouro com lasers NIR, a baixa taxa de absorção significa que é necessária muita potência do laser para iniciar o processo de soldagem.

A soldagem de modo de penetração profunda resulta em uma alta absorção do feixe de laser porque o feixe de laser interage várias vezes com o metal e o vapor de metal à medida que viaja pelo material. No entanto, a ativação de um buraco de fechadura com um laser infravermelho próximo requer considerável intensidade de laser incidente, especialmente quando o material que está sendo soldado é altamente reflexivo. E uma vez que um buraco de fechadura é formado, a absorção aumenta acentuadamente, e a alta pressão de vapor de metal na piscina derretida pelo laser infravermelho próximo de alta potência pode causar respingos e porosidade, portanto, a potência do laser ou a velocidade de soldagem precisam ser cuidadosamente controladas para evitar que respingos excessivos sejam expelidos da solda. À medida que a poça derretida se solidifica, "bolhas" em vapores de metal e gases de processo também podem ficar presas, criando vazios na costura de solda. Essa porosidade enfraquece a resistência da solda e aumenta a resistividade da junta, resultando em uma junta soldada de qualidade inferior. Portanto, os lasers NIR são muito desafiadores para processar materiais como cobre com absortividade <5% a 1 µm. A fim de processar melhor esses materiais de alta refletividade, métodos como aumentar a taxa de absorção do material de luz laser gerando plasma no material processado foram adotados. No entanto, como esses métodos limitam o processamento de material a processos de penetração profunda, a soldagem do modo de condução térmica de materiais finos não é possível, e há riscos inerentes de pulverização catódica e deposição de energia controlada. Portanto, os sistemas de laser existentes com um comprimento de onda de 1 µm têm suas limitações ao processar materiais altamente reflexivos, como metais não ferrosos, bem como em aplicações subaquáticas.

Um avanço em lasers de infravermelho próximo

Para desenvolver as áreas de aplicação restrita desses lasers de infravermelho próximo, novas fontes de luz laser devem ser investigadas. Além disso, a fim de reduzir os gases de efeito estufa, os novos veículos de energia estão substituindo os motores a gasolina e os motores de combustão interna por motores elétricos. O uso de muito cobre na construção de motores elétricos, especialmente baterias de energia, criou uma enorme demanda por soluções confiáveis de processamento de cobre, e tem uma gama igualmente ampla de aplicações em outros sistemas de energia renovável, como turbinas eólicas.

Hoje, os lasers de fibra industrial de alta potência se tornaram a solução para lasers de alto brilho e alta potência que podem ser entregues em fibra. Hoje, os lasers de fibra substituíram os lasers de CO2 na grande maioria das aplicações e são efetivamente usados em várias aplicações de processamento industrial. Especialmente nos últimos anos, tornou-se o carro-chefe de lasers industriais, como soldagem e corte a laser, que tem maior velocidade, eficiência e confiabilidade do que os lasers de CO2.