Lasers à fibre et lasers-à semi-conducteurs : différences et avantages

1. Principes techniques et différences de performances

① Gain moyen

Les lasers à fibre utilisent des fibres de verre dopées aux terres rares-comme support de gain. Sous l'action de la lumière de pompage, une densité de puissance élevée se forme dans la fibre, entraînant une inversion de population du niveau d'énergie du laser et une oscillation du laser à travers la boucle de rétroaction positive de la cavité résonante. Les lasers à fibre sont compacts et ne nécessitent pas de système de refroidissement complexe, et la flexibilité de la fibre les rend plus avantageux dans les applications de traitement spatial multi-dimensionnel.

Le cœur d'un laser à fibre est une fibre optique, un filament de verre ou de plastique flexible et fin-, connu pour sa capacité à guider la lumière sur de longues distances avec une perte minimale. La fibre agit comme milieu de gain actif du laser et constitue le cœur du fonctionnement du laser. Cependant, contrairement aux fibres de verre ou de plastique non dopées utilisées dans les télécommunications, la fibre optique d'un laser à fibre est dopée avec des éléments de terres rares tels que l'erbium ou l'ytterbium. Ce dopage introduit l'état d'énergie 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, un matériau solide, et est généralement composé de quatre parties : le milieu de gain, le système de refroidissement, la cavité résonante optique et la source de pompe. Le milieu de gain, tel que le rubis (Cr:Al₂O₃) ou le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme- (Nd:YAG), est l'âme du laser à l'état solide-. Les ions activés (tels que Nd³⁺) dopés à l'intérieur réalisent une inversion de population sous l'action de la lumière de pompe, générant ainsi une lumière laser. Le système de refroidissement est chargé d'éliminer la chaleur accumulée à l'intérieur du milieu de gain en raison de la génération du laser afin d'assurer un fonctionnement stable du laser. Le résonateur optique forme des oscillations continues grâce à une rétroaction positive des photons, produisant un faisceau laser hautement monochromatique et hautement directionnel.

② Performance et efficacité

Les lasers à fibre sont connus pour leur excellente efficacité électrique, grâce à la nature des câbles à fibre optique, qui peuvent conduire la lumière avec une perte minimale. Cette caractéristique rend les lasers à fibre incroyablement économes en énergie, atteignant souvent des rendements supérieurs à 30 %. Les lasers à semi-conducteurs-sont généralement moins efficaces, probablement en raison des pertes plus élevées de leur support à gain plus important et de la nécessité de lampes à haute-intensité pour le pompage.

③ Qualité du faisceau : affecte directement l'efficacité des lasers dans les applications de précision

Le fonctionnement monomode-des lasers à fibre peut fournir une qualité de faisceau incroyablement élevée, caractérisée par une focalisation étroite et une divergence minimale. Les lasers à solide-, bien que capables de fournir des faisceaux de haute-qualité, sont souvent difficiles à égaler la qualité de faisceau des lasers à fibre, en particulier à des niveaux de puissance plus élevés. Malgré leur efficacité et leur qualité de faisceau inférieures, les lasers à solide-ne sont pas sans avantages. Ils disposent de puissantes capacités d'évolution de la puissance et sont bien adaptés aux applications à 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 à fibre en raison des limitations de la taille des fibres et de la dissipation thermique.

④ Stabilité

Les lasers à fibre ont une grande stabilité. Leur structure fibreuse 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 à fibre sont des structures à l'état solide-et ne contiennent pas de composants optiques en espace libre-, ils sont donc considérés comme plus durables et adaptables aux changements environnementaux.

Les lasers à solide-ont une stabilité relativement faible, et les modifications des facteurs environnementaux peuvent avoir un impact plus important sur leurs performances.

⑤ Performances de dissipation thermique

Les lasers à fibre ont d'excellentes performances de dissipation thermique. Son support 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 une longue période et peut résister à une puissance de sortie élevée.

Les lasers à semi-conducteurs-sont relativement difficiles à dissiper la chaleur et sont sujets à des effets thermiques lorsqu'ils fonctionnent à puissance élevée, ce qui affecte les performances et la durée de vie du laser.

⑥ Taille et coûts d'entretien

Les lasers à fibre sont très compacts et ne nécessitent quasiment aucun entretien. La petite taille de la fibre et l'absence de miroirs externes réduisent considérablement les problèmes d'alignement associés aux lasers à semi-conducteurs-. De plus, les excellentes capacités de dissipation thermique de la fibre ne nécessitent généralement pas de refroidissement actif, ce qui réduit encore les besoins de maintenance. Dans le même temps, les lasers à fibre sont généralement plus sûrs à utiliser car le laser est confiné dans la fibre, ce qui réduit le risque d'exposition accidentelle.

L'alignement des miroirs dans les-lasers à semi-conducteurs est essentiel à leur fonctionnement et nécessite une inspection et un réglage réguliers, ce qui augmente la charge de travail de maintenance. De plus, les lasers à semi-conducteurs-nécessitent généralement un refroidissement actif pour gérer la chaleur générée dans le milieu de gain, ce qui non seulement augmente la complexité du système, mais augmente également les besoins de maintenance. Les lasers à semi-conducteurs-ont tendance à être plus grands que les lasers à fibre. Le besoin de miroirs à grand gain et de miroirs externes augmente leur taille et leur poids, limitant leur applicabilité dans les applications avec un espace limité.

2. Champs de candidature

Les lasers à fibre brillent dans le domaine de la découpe et du soudage industriels grâce à leur puissance élevée, leur qualité de faisceau élevée, leurs bonnes performances de dissipation thermique et leur stabilité. Les lasers à fibre sont particulièrement adaptés à la découpe de plaques épaisses et au soudage de matériaux métalliques. Leur haute -efficacité de conversion électro-optique et leur conception sans ajustement-sans entretien-réduisent considérablement le coût d'utilisation et la difficulté de maintenance. Dans le même temps, la haute tolérance des lasers à fibre aux environnements de travail difficiles, tels que la poussière, les vibrations, l'humidité, etc., les rend également performants sur 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 de l'ultra-précision et de l'ultra-microtraitement grâce à leur puissance de crête élevée, leur grande énergie d'impulsion et leur sortie laser à courte longueur d'onde- (telle que la lumière verte et la lumière ultraviolette). Dans des processus tels que le marquage, la découpe, le perçage et le soudage de matériaux métalliques/-non métalliques, les lasers à semi-conducteurs-peuvent atteindre une plus grande précision de traitement et une applicabilité plus large des matériaux. Surtout dans le soudage de haute-précision et l'impression 3D par photopolymérisation-de matériaux non-métalliques, les lasers à semi-conducteurs-sont devenus l'équipement préféré en raison de leurs lasers à courte longueur d'onde-avec de faibles effets thermiques et une précision de traitement élevée. Les lasers à semi-conducteurs-sont principalement utilisés dans le domaine du micro-usinage de précision de matériaux non-métalliques et de matériaux fins, cassants et autres matériaux métalliques en raison de leur courte longueur d'onde (ultraviolet, ultraviolet profond), de leur courte largeur d'impulsion (picoseconde, femtoseconde) et de leur puissance de crête élevée. De plus, les lasers à solide-sont largement utilisés dans-la recherche scientifique de pointe dans les domaines de l'environnement, de la médecine, de l'armée, etc.

3. Part de marché

Notre pays est en train de transformer et de moderniser son secteur manufacturier, passant du-manufacturier bas de gamme au-haut de gamme. La fabrication bas de gamme-en représente une proportion élevée. Le marché de la macro-traitement couvre à la fois la fabrication bas de gamme-et une partie de la fabrication-haut de gamme. La demande du marché est importante. Par conséquent, la capacité de marché des lasers à fibre est relativement importante.

Les lasers à fibre-de faible puissance nationaux sont très localisés et il existe de nombreux-fabricants nationaux à grande échelle. Selon le « China Laser Industry Development Report », les lasers à fibre de faible-puissance ont été entièrement remplacés par des produits nationaux ; en termes de lasers à fibre continue de moyenne -puissance, la qualité nationale ne présente aucun inconvénient évident, l'avantage de prix est évident et la part de marché est équivalente ; en termes de lasers à fibre continue de haute-puissance, les marques nationales ont réalisé des ventes partielles.

Quant aux lasers solides, en raison de leur développement tardif en Chine, il n'existe actuellement aucune société cotée dont ce produit est l'activité principale, et elles achètent généralement des marques étrangères.

Les lasers à 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 à traiter avec l'influence du faisceau laser au niveau millimétrique) ; Les lasers solides sont largement utilisés dans le domaine du micro-traitement en raison de leurs avantages tels qu'une longueur d'onde courte, une largeur d'impulsion étroite et une puissance de crête élevée (le micro-traitement fait généralement référence au traitement de la taille et de la forme avec une précision atteignant le niveau micrométrique ou même nanométrique), ce qui entraîne certaines différences entre les utilisateurs de lasers solides et de lasers à fibre.

En général, les lasers solides et les lasers à fibre ont leurs propres domaines d'application. Il n’existe pas de concurrence directe entre les deux dans la plupart des domaines. Dans le domaine du traitement des matériaux métalliques qui chevauche le domaine du micro-traitement, lorsque le métal atteint une certaine épaisseur, ce domaine adopte généralement des méthodes traditionnelles ou des lasers à fibre pour des raisons de coût. Les lasers solides ne sont utilisés que dans des scènes présentant une faible épaisseur de métal ou des exigences de traitement élevées et insensibles au coût. De plus, le chevauchement de concurrence entre les deux est faible. Les lasers solides sont principalement utilisés pour le traitement de matériaux non métalliques (verre, céramique, plastiques, polymères, emballages, autres matériaux fragiles, etc.), et dans le domaine des matériaux métalliques, ils sont utilisés dans des scènes avec des exigences de précision élevées et relativement insensibles au coût.

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