Ausführliche Interpretation: 500 W kontinuierlicher grüner Singlemode-Laser

 

1. Material vs. Laserwellenlänge

 

Seit der Geburt des ersten Lasers im Jahr 1960, nach mehr als 60 Jahren Entwicklung, hat der Laser als das schärfste und empfindlichste Messer nach und nach Einzug in unser Leben gehalten. Die Kombination von Laser und Biologie, medizinischer Behandlung und Diagnose sowie pharmazeutischer Wissenschaft hat sich allmählich in das tägliche Leben in der Laserbehandlung, Laserchirurgie und Laserdiagnose durchgesetzt. Im Bereich der Geräteherstellung spielen Hochleistungslasergeräte eine immer wichtigere Rolle beim Schneiden, Schweißen, Messen, Markieren und anderen Verbindungen in Bereichen der High-End-Geräteherstellung wie Luft- und Raumfahrt, Automobile, Hochgeschwindigkeitszüge und Schiffe. In Bezug auf die feine Mikrobearbeitung spielt der Ultrakurzpulslaser eine unersetzliche Rolle beim Bohren, Ritzen, Rillen, Oberflächenstrukturieren, Oberflächenmodifizieren, Trimmen, Reinigung und andere Verbindungen in Photovoltaik, Flüssigkristallanzeige, Halbleiter, LED, OLED und anderen Bereichen. Wirkung. Mit der rasanten Entwicklung der Halbleiterpumptechnologie haben Nahinfrarotlaser mit einer Wellenlänge von 1 µm nach Jahren der Entwicklung eine komplette Industriekette gebildet und nehmen eine Schlüsselposition in industriellen Verarbeitungsanwendungen ein. Insbesondere der 1-um-Nahinfrarot-Faserlaser ist aufgrund seiner breiten Leistungsabdeckung, hervorragenden Strahlqualität, Stabilität und Zuverlässigkeit zum am weitesten verbreiteten Lasertyp geworden. eine Schlüsselposition in industriellen Verarbeitungsanwendungen einnehmen. Insbesondere der 1-um-Nahinfrarot-Faserlaser ist aufgrund seiner breiten Leistungsabdeckung, hervorragenden Strahlqualität, Stabilität und Zuverlässigkeit zum am weitesten verbreiteten Lasertyp geworden. eine Schlüsselposition in industriellen Verarbeitungsanwendungen einnehmen. Insbesondere der 1-µm-Nahinfrarot-Faserlaser ist aufgrund seiner breiten Leistungsabdeckung, hervorragenden Strahlqualität, Stabilität und Zuverlässigkeit zum am weitesten verbreiteten Lasertyp geworden.

 

Kupfer ist nach Eisen und Aluminium das am dritthäufigsten verwendete Metall der Welt. Kupfermaterial ist eines der am häufigsten verwendeten Metallmaterialien in der modernen industriellen Verarbeitung. Die Terminalnachfragestruktur der Kupferindustriekette umfasst mehr als 30 Teilsektoren wie Luft- und Raumfahrt, Hochgeschwindigkeitszüge, intelligente Terminalprodukte, elektronische Kommunikation und Automobile und ist der Hauptindikator für industrielle High-End-Anwendungen. Derzeit hat der großtechnische Einsatz von Infrarot-Faserlasern im 1-Mikrometer-Wellenlängenband Nachteile wie große Spritzer und unkontrollierbare Eindringtiefe bei der Bearbeitung von Kupfermaterialien aufgrund der schwachen Absorption von Kupfer.

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Abbildung 1 zeigt die Absorptionskurven häufig verwendeter Metallmaterialien für verschiedene Wellenlängen von Laserlicht. Es ist ersichtlich, dass die Absorptionsraten verschiedener Metalle für Laserlicht bei verschiedenen Wellenlängen stark variieren. Abbildung 2 zeigt die Vergleichskurven der Extinktion bei verschiedenen Wellenlängen für metallisches Kupfer allein. Bei Raumtemperatur beträgt die Absorptionsrate von Kupfer bei Wellenlängen im nahen Infrarot (etwa 1 Mikrometer) weniger als 5 %, sodass die Effizienz der Bearbeitung von Kupfermaterialien mit Infrarotlicht extrem gering ist, 95 % des Lasers werden reflektiert und der Laser selbst wird beschädigt; Die Absorptionsrate von Kupfer gegenüber grünen Wellenlängen (515 nm und 532 nm) beträgt bis zu 40 %.

 

 

Abbildung 1 Vergleich der Absorptionskoeffizienten verschiedener Metallmaterialien

 

 

Abb. 2 Vergleich der Laserabsorptionsrate von metallischem Kupfer für drei verschiedene Wellenlängen

 

Zitat aus "New Progress in Green Laser Processing"

 

Verglichen mit der kurzen Wellenlänge des Ultraviolettlasers kann der derzeitige Engpass der Materialwissenschaft die Realisierung einer stabilen Hochleistungs-Ultraviolettlaserausgabe nicht unterstützen. Ultraviolette Laser mit mehr als 100 Watt sind äußerst selten. Im Gegenteil, durch die Bemühungen von Wissenschaftlern aus verschiedenen Ländern haben kommerzielle grüne Laser in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. TRUMPF in Deutschland und IPG in den Vereinigten Staaten haben durch Scheibenlasertechnologie bzw. Faserlasertechnologie eine ultrahohe grüne Lichtleistung von mehr als 3 Kilowatt bzw. 1 Kilowatt erreicht.

 

Grüne Hochleistungs-Dauerlaser spielen eine äußerst wichtige Rolle beim 3D-Druck und beim Präzisionsschweißen von Kupfermaterialien, zwei wichtige Probleme in aktuellen industriellen Anwendungen.

 

2. Anwendungsperspektiven und Vorteile von grünem Hochleistungslicht

 

Auf der 14. China International Battery Technology Exhibition im Jahr 2021 stellte TRUMPF seinen 3-kW-Hochleistungs-kontinuierlichen grünen Scheibenlaser vor. Die durchschnittliche Ausgangsleistung dieses Produkts beträgt bis zu 3 Kilowatt, was die stärkste Leistung in der aktuellen grünen Laserserie darstellt, und eignet sich sehr gut zum Schweißen von hochreflektierenden Materialien wie Kupfer und Aluminium. Insbesondere in der Lithiumbatterieindustrie, vertreten durch neue Energiefahrzeugbatterien, können grüne Laser (1000–3000 W) von TRUMPF bis zu 120 Lagen Kupferfolie nahezu spritzerfrei und mit präziser und kontrollierbarer Eindringtiefe schweißen. Darüber hinaus hat grünes Hochleistungslicht auch herausragende Vorteile in 3D-Druckanwendungen von reinen Kupfermaterialien. Derzeit ist der heimische grüne Hochleistungslaser noch leer.

 

2.1

 

Hochreflektierendes Metallschweißen

 

Aufgrund der hervorragenden Leitfähigkeit von Kupfermaterialien werden Kupfermaterialien in großem Umfang in der Lithiumbatterieindustrie verwendet, insbesondere in den Antriebsbatterien von Fahrzeugen mit neuer Energie. Derzeit verwendet der Mainstream noch Hochleistungs-Infrarot-Faserlaser zum Kupferschweißen. Im Vergleich zum Infrarotband ist die Schweißeffizienz von Kupfer mit grünem Licht höher und es treten fast keine Spritzer auf. Das Spritzen ist für die Batterieverarbeitung tödlich und das Spritzen beeinträchtigt die Produktionssicherheit, Leistung und Lebensdauer der Batterie.

 

Abbildung 3 zeigt die Absorption eines 1064-nm-Infrarotlasers durch Kupfer. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, steigt die Absorption von Infrarotlicht durch Kupfer langsam von 5 % auf etwa 10 % an, wenn die Schmelztemperatur von 0 auf 1400 K ansteigt; Wenn Kupfer den Schmelzpunkt (1400 K) erreicht, steigt die Absorptionsrate des Infrarotbandlasers schrittweise von 10% auf etwa 17% an, und dann steigt die Absorptionsrate langsam an, wenn die Temperatur weiter ansteigt. Diese plötzliche Änderung der Absorption vor und nach dem Schmelzpunkt kann dazu führen, dass ein Teil des geschmolzenen Materials als Spritzer entweicht, und es kann auch dazu führen, dass die kleinen Löcher kollabieren, wodurch der gesamte Prozess von vorne beginnen muss. Insbesondere beim Post-Process-Schweißen von Lithium-Batterien wirkt sich die Schweißausbeute direkt auf die Kosten der Batterie aus.

 

Abbildung 4 zeigt die Absorptionskurven von Kupfer für verschiedene Wellenlängen (Infrarot, Grün und Blau) bei verschiedenen Temperaturen. Die grünen Linien in der Abbildung stellen die Absorptionsraten von grünem Licht durch Kupfer bei 20 °C (fester Zustand) bzw. 1600 °C (geschmolzener Zustand) dar. Bei Raumtemperatur von 20 °C, wenn Kupfer in festem Zustand ist, beträgt die Absorptionsrate des grünen Lichtbands etwa 40 %, und wenn die Temperatur auf 1600 °C ansteigt und das Kupfer in geschmolzenem Zustand ist, beträgt die Absorptionsrate sinkt um etwa 5%. Das heißt, die Absorption von grünem Licht nimmt leicht ab, nachdem Kupfer geschmolzen ist. Dieses Merkmal trägt dazu bei, bei der Bearbeitung von Kupfer stabile kleine Löcher zu erhalten, und kann nahezu spritzerfrei sein. Dies ist ein klarer Vorteil des grünen Lasers gegenüber dem Infrarot-Laserschweißen.

 

Kupfermaterialien werden aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit häufig in der High-End-Fertigung eingesetzt. Beispielsweise besteht in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Hochgeschwindigkeitszüge und Automobilindustrie ein direkter Anwendungsbedarf für die 3D-Drucktechnologie von reinen Kupfermaterialien.

 

 

Die Laserlichtquelle für den 3D-Druck von Metallmaterialien verwendet derzeit hauptsächlich einen 1-um-Nahinfrarot-Singlemode-Faserlaser. Der 1-um-Nahinfrarot-Singlemode-Faserlaser hat den Nachteil, dass der Absorptionskoeffizient von Kupfermaterial niedrig ist und einen großen Einfluss auf die Temperatur hat, was zu einer geringen Dichte gedruckter Proben und einer schlechten Prozessrobustheit führt. Grüner Laser, als beste Lichtquelle für den 3D-Druck von hochreflektierenden Metallmaterialien, kann der 3D-Druck von reinen Kupfermaterialien verwandte Probleme gut lösen und eine Dichte von mehr als 99,95 % erreichen.

 

3. Kontinuierliches grünes Singlemode-Hochleistungslicht des Lasers

 

RFH Laser Co., Ltd. ist hauptsächlich in den Bereichen Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb von „modernen kurzwelligen Faserlasern“ und „Laserpräzisionsbearbeitungslösungen“ tätig. Schema der Laser Company

 

4. Engagiert für die fortschrittliche Anwendung von kurzwelligen Hochleistungslasern

 

Der kontinuierliche grüne Singlemode-Laser hat eine gute Stabilität der Ausgangsleistung, eine hervorragende Strahlqualität und eine hohe Absorptionsrate für stark reflektierende Materialien, insbesondere Kupfer, was ihn für den 3D-Druck von reinen Kupfermaterialien vielversprechend macht. Durch das Hinzufügen eines räumlichen Modulators kann auch gepulstes grünes Licht mit einer Hochgeschwindigkeits-Modulationsfrequenz erhalten werden, was es auch für das Präzisionsschneiden und -schweißen von hochreflektierenden Materialien vielversprechend macht.

 

Der kontinuierliche Singlemode-Grünlaser nutzt die Freiraumausgabe, was für eine hervorragende Strahlqualität von Vorteil ist. Der Laser kann auch ein flexibles Übertragungsverfahren bereitstellen, das mit der optischen Faser gekoppelt ist, was bequemer ist, um der automatischen Steuerung zu entsprechen, und wird auf den Schweißprozess von hochreflektierenden Materialien angewendet. Nach langjähriger Erforschung des Laserschweißprozesses hat sich gezeigt, dass bessere Schweißergebnisse durch die Verwendung von Ausgangsspots (Strahlformung) mit unterschiedlichen Energieverteilungen erzielt werden können. Darüber hinaus kann der laserbasierte Single-Modul-Single-Mode-Grünlaser auch Multi-Modul-Raum- oder Faserbündelung durchführen. Einerseits kann eine grüne Lichtausgabe mit flexibler Strahlenergieverteilung erhalten werden; andererseits, Endlosfaser-Grünlichtleistung von mehreren Kilowatt oder sogar Zehntausenden von Watt kann erzielt werden, was ein qualitativ hochwertiges, hocheffizientes und ertragreiches Laserschweißen ermöglicht. Macht kurzwellige Lichtquelle.

 

Der kontinuierliche grüne Hochleistungslaser kann eine effektive Lösung für die Verarbeitung und Anwendung von Kupfermaterialien bieten und soll beim 3D-Druck von reinem Kupfer und beim Präzisionsschweißen von hochreflektierenden Metallen glänzen.