IPG Photonics Corporation
A luz laser pode ser utilizada em diferentes indústrias, desde entretenimento, atividades científicas e cirurgia até fabricação industrial avançada e pesada.

Lasers de fibra 101

O que é um laser?

«Laser» é um acrónimo para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificação de luz por emissão estimulada de radiação). Em termos mais simples, um laser converte energia em luz, que é então amplificada através de óptica, antes de concentrar essa luz num feixe de alta energia. A luz laser difere da luz normal na medida em que pode ser colimada, ou tornada menos propensa à dispersão, e depois focada para aumentar significativamente a sua densidade energética. Existem muitos tipos de lasers e as utilizações da luz laser incluem desde entretenimento, atividades científicas e cirurgia, até à fabricação industrial avançada e pesada.

Todos os lasers compartilham um conjunto básico de componentes. O laser começa com um meio de ganho que é usado para amplificar a potência da luz — os meios de ganho do laser incluem gases, corantes, díodos, cristais e fibras ópticas. Uma fonte de energia, seja uma corrente elétrica ou uma fonte de luz, é então usada para bombear o meio de ganho. Uma vez gerada a energia necessária, materiais refletivos conhecidos como refletores parciais e totais controlam a saída do laser, que é então ajustada e focada conforme necessário para a aplicação em questão.

Parâmetros do laser

 

Tabela de comprimentos de onda do laser

 

Comprimento de onda do laser

Medido em nanómetros (nm) ou micrómetros (µm), o comprimento de onda de um laser é a distância entre cristas sucessivas da onda de luz. Os comprimentos de onda do laser variam normalmente entre o ultravioleta profundo e o infravermelho médio (IR) e são visíveis ao olho humano na faixa de ~400 a ~700 nm.  

O comprimento de onda é uma consideração crítica para muitas aplicações, pois os materiais geralmente diferem drasticamente na forma como absorvem a energia da luz. Os materiais absorvem parte da energia do feixe de laser e refletem o restante — o equilíbrio entre os dois pode exigir o uso de um comprimento de onda de laser diferente. O comprimento de onda também é de importância crítica para aplicações avançadas e científicas, incluindo microscopia, aprisionamento óptico e ultrassom.

Comprimentos de onda próximos ao infravermelho, de aproximadamente 1000 nm, são usados como ponto de partida, particularmente para o processamento de metais. Isso ocorre porque os lasers próximos ao infravermelho oferecem potências mais altas, são menos complexos e, muitas vezes, mais econômicos. A maioria dos metais absorve luz na faixa próxima ao infravermelho ou visível de forma eficiente. Mesmo metais com alta refletividade infravermelha, como alumínio e cobre, são predominantemente processados por lasers próximos ao infravermelho, que superam a reflexão do material com densidades de potência mais altas.

Vários polímeros, cerâmicas, vidros e outros não metais são frequentemente processados por lasers com comprimentos de onda que variam do infravermelho médio ao ultravioleta profundo. Polímeros transparentes e vidros são, na verdade, transparentes ou quase transparentes à luz infravermelha próxima, permitindo que a maior parte da luz infravermelha próxima passe sem ser absorvida. Como resultado, materiais que absorvem facilmente a luz infravermelha próxima podem ser processados através de uma camada de polímero ou vidro.

 

Potência laser

Também conhecida como potência média, a potência do laser é medida em watts (W). A potência média de um laser representa a quantidade de energia fornecida ao material alvo durante um determinado período de tempo. Os requisitos de potência do laser variam em várias ordens de magnitude para diferentes aplicações. Muitas aplicações de deteção, processamento de dados, telecomunicações, medicina ou ciência utilizam potências que variam de alguns miliwatts a dezenas de watts. As aplicações de processamento de não metais normalmente exigem entre alguns watts e algumas centenas de watts de potência média. As aplicações de fabricação de metais exigem potências que variam de centenas de watts, no caso de algumas aplicações de microprocessamento, a dezenas ou mais quilowatts, no caso de aplicações de corte e soldagem de metais espessos.

 

Tabela de potência de pico para vários modos de operação do laser.

 

Modo de funcionamento do laser

Os lasers podem emitir um feixe contínuo de luz para produzir um fluxo constante de potência média – este modo é conhecido como Onda Contínua (CW) e é o modo de operação mais comum dos lasers. Os lasers também podem ser usados num modo de operação pulsado. Os lasers pulsados são caracterizados por pulsos por segundo (taxa de repetição), a energia total do pulso do laser (energia do pulso), a potência máxima alcançada pelo pulso (potência de pico) e a duração de cada pulso (duração do pulso).

Tal como os lasers CW, a potência média é a representação da potência pulsada do laser ao longo do tempo. Os lasers pulsados, mesmo quando a sua potência média corresponde à de um laser CW, afetam o material alvo de forma diferente. Os lasers pulsados são frequentemente utilizados para processar peças, minimizando o impacto térmico no material circundante ou quando é necessária uma potência de pico mais elevada. Os lasers de onda quase contínua (QCW) de pulso longo utilizam pulsos medidos em milissegundos com potências de pico elevadas para emular o processamento a laser CW com menos entrada de calor e com um laser de potência mais baixa. Os lasers de nanossegundos e ultrarrápidos (picossegundos/femtosegundos) aproveitam os pulsos extremamente curtos para aplicações de microprocessamento em que a entrada excessiva de calor não é aceitável ou quando são necessárias potências de pico extremamente elevadas.

De modo geral, os lasers CW oferecem as potências médias mais altas e, como resultado, as velocidades de processamento mais rápidas. Há muitas considerações a serem feitas ao decidir entre um laser CW e um laser pulsado, mas equilibrar o rendimento com a qualidade da peça é frequentemente o mais importante. Muitas aplicações, como o corte de chapas metálicas, beneficiam de lasers CW de alta potência para aumentar significativamente as velocidades de corte e não necessitam de uma qualidade de borda impecável. No entanto, ao cortar pilhas de folhas ultrafinas, os lasers pulsados de nanossegundos e ultrarrápidos são normalmente utilizados para garantir uma excelente qualidade de borda e reduzir ou eliminar os efeitos negativos do calor.

 

Exemplo de perfis de feixes laser multimodo e monomodo.

Esquerda: um perfil de feixe multimodo com um tamanho de ponto maior. Direita: um perfil de feixe monomodo com um tamanho de ponto menor.

 

Tamanho do ponto laser e qualidade do feixe

Quando um feixe de laser entra em contacto com o material alvo, forma uma área de luz laser denominada ponto. O tamanho do ponto, normalmente medido em µm, é um fator crítico para determinar como o laser interage com o alvo. O tamanho do ponto pode ser controlado de várias maneiras, incluindo o uso de diferentes fibras de transmissão e lentes de focagem, a alteração da distância entre a transmissão do feixe e o alvo e o uso de comprimentos de onda mais longos ou mais curtos.

Diminuir o tamanho do ponto permite um uso mais eficiente da potência do laser, concentrando a energia do feixe numa área menor. Uma densidade de energia mais alta é útil para aumentar as velocidades de processamento, diminuindo o tempo que o feixe de laser leva para perfurar o material. Pontos pequenos também são essenciais para uma variedade de aplicações de microprocessamento e para peças que exigem características precisas. Para muitas aplicações, como soldagem estrutural, no entanto, aumentar o tamanho do ponto é ideal para processar uma área mais ampla e reduzir o deslocamento necessário do feixe.

Qualidade do feixe, normalmente medida em M2 para lasers monomodo (tamanho típico do ponto: 20 a 50 µm) e Produto do Parâmetro do Feixe (BPP) para lasers multimodo (tamanho típico do ponto: 100+ µm), é um parâmetro importante e complexo do laser que, na prática, representa o quanto um feixe de laser pode ser focado. M mais baixo2 e os valores BPP correspondem a qualidades de feixe mais elevadas. Uma qualidade de feixe de M2 = 1 significa que o feixe não apresenta divergência e é considerado perfeito. Embora isso não seja totalmente viável com dispositivos reais, os lasers de fibra industriais podem atingir com fiabilidade qualidades de feixe de M2 =< 1.1. For applications that require strongly focused beams like cutting, drilling, and welding, higher beam qualities improve processing speeds and qualities. Some applications, like wide area laser heat treatment and cleaning, do not require particularly high beam qualities, instead benefitting from less focused laser energy.

O que são lasers de fibra?

Os lasers de fibra guiam a luz através de um cabo de fibra ótica feito de vidro de sílica, que serve como meio de ganho, e são bombeados por meio de corrente elétrica. Esse método de entrega, combinado com a conversão eficiente de eletricidade em luz, torna os lasers de fibra uma solução significativamente mais prática em muitos casos do que os lasers tradicionais, como os lasersde CO2, ou tecnologias alternativas, como os lasers de disco. Sem óptica complexa, requisitos de manutenção frequentes ou consumíveis, a tecnologia de laser de fibra é significativamente mais fácil de integrar e teve um impacto revolucionário na fabricação baseada em laser, aplicações médicas e empreendimentos científicos.

Tabela comparativa das características entre o laser de fibra e outros meios laser.

As propriedades únicas da fibra ótica tornam-na um meio de ganho ativo ideal e um material para ressonadores laser. Flexível, fácil de manusear e capaz de suportar uma variedade de comprimentos, a enorme relação entre a superfície e o volume da fibra facilita a remoção de calor e ajuda a evitar o efeito de lente térmica. Fibras de diferentes tipos, composições e diâmetros de núcleo podem ser emendadas para construir sistemas óticos complexos que combinam fontes de bombeamento, amplificação ótica e fibra de entrega de feixe sem a necessidade de ótica de espaço livre e seus riscos inerentes de contaminação, danos e desalinhamento.

Tecnologia de laser de fibra IPG

A nossa plataforma tecnológica exclusiva permite que os lasers IPG tenham potências de saída mais elevadas e qualidade de feixe superior a um custo mais baixo do que qualquer outra tecnologia laser concorrente. Os nossos projetos exclusivos baseiam-se em técnicas de bombeamento inovadoras e componentes de alto desempenho aperfeiçoados pela IPG ao longo de décadas de intenso investimento e inovações. Os pilares da tecnologia de laser de fibra IPG são a nossa técnica de bombeamento lateral do revestimento e a arquitetura de bombeamento de diodo emissor único distribuído.

 

Tecnologia de bombeamento por díodo

 

A técnica de bombeamento lateral do revestimento e a arquitetura de bombeamento de díodo emissor único distribuído são os pilares da tecnologia de laser de fibra da IPG.

 

A melhor tecnologia de bombas de díodos da categoria aproveita a nossa vasta experiência no setor de telecomunicações e investimento em tecnologia. Os nossos díodos emissores únicos são fabricados utilizando tecnologia e processos comprovados em telecomunicações, e cada wafer é qualificado de acordo com os rigorosos padrões do setor de telecomunicações, o que diferencia a IPG de produtos alternativos de bombas industriais que utilizam barras de díodos de curta duração e tecnologias de barras empilhadas. Como resultado, os díodos de emissor único da IPG oferecem uma luminosidade de bombeamento uma ordem de magnitude superior e até o dobro da eficiência energética das bombas de pilha de barras. As bombas de emissor único podem utilizar água simples ou até mesmo ar forçado para refrigeração, ao contrário das pilhas de barras, que requerem refrigeradores de microcanais caros, pouco confiáveis e complexos, que utilizam água desionizada de alta pressão.

Saiba mais

 

 

Tecnologia de bombeamento lateral

 

Um diagrama esquemático que ilustra a técnica de bombeamento lateral desenvolvida pelo Dr. Valentin Gapontsev e pelo Dr. Igor Samartsev.

 

Os lasers de fibra devem acoplar e coletar a luz dos díodos laser para criar uma saída laser colimada. A saída dos díodos emissores únicos da IPG é coletada em fibras com diâmetros de núcleo tão pequenos quanto 100 mícrons. Usando a técnica de bombeamento lateral desenvolvida pelo Dr. Valentin Gapontsev e pelo Dr. Igor Samartsev, a luz de muitos díodos de bombeamento é acoplada de forma eficiente ao revestimento de uma fibra de ganho ativo. A luz de bombeamento sofre múltiplas reflexões dentro do revestimento, enquanto se cruza frequentemente com o núcleo monomodo, onde a luz é absorvida e reemitida por íons de terras raras. Este elegante mecanismo converte a luz do díodo em luz laser de fibra com eficiência excepcional.

Entre em contacto com a IPG para saber mais sobre a nossa oferta de lasers de fibra

Saiba mais sobre os lasers de fibra IPG

De miliwatts de potência a mais de cem quilowatts, de UV a infravermelho médio e de onda contínua a pulsos de femtossegundos, os lasers IPG são alimentados por tecnologia líder do setor para otimizar resultados em uma ampla variedade de aplicações, incluindo processamento de materiais, operações médicas e empreendimentos científicos.

Saiba mais sobre como a mais ampla gama de lasers de fibra e recursos de laser de fibra podem maximizar a produtividade e tornar mais coisas possíveis.

Saiba mais
Imagem IPG

Quer saber mais sobre a tecnologia de laser de fibra IPG?

Quer tenha um projeto em mente ou apenas queira saber mais sobre a tecnologia de laser de fibra IPG, um especialista em laser da IPG está pronto para ajudar.