Os Principais Tipos de Laser

Os lasers de fibra, ou fiber lasers, estão presentes em todos os lugares no mundo moderno. Devido às diferentes comprimentos de onda que podem gerar, eles são amplamente utilizados em ambientes industriais para realizar cortes, marcações, soldas, limpezas, texturização, perfurações e muito mais. Eles também são utilizados em outros campos, como telecomunicações e medicina.

Elias Snitzer inventou o laser de fibra em 1961 e demonstrou seu uso em 1963. No entanto, aplicações comerciais sérias só surgiram nos anos 1990.

Por que demorou tanto? A principal razão é que a tecnologia do laser de fibra ainda estava em seus estágios iniciais. Por exemplo, os lasers de fibra só conseguiam emitir algumas dezenas de miliwatts, enquanto a maioria das aplicações requer pelo menos 20 watts. Também não havia meios de gerar luz de bombeamento de alta qualidade, já que os diodos a laser não apresentavam o desempenho atual.

Aqui estão alguns dos momentos-chave na história da tecnologia do laser de fibra, remontando a 1917, quando Albert Einstein estabeleceu suas bases.

1917 – Emissões estimuladas são descobertas (Albert Einstein).

1957 – O arcabouço teórico para o laser é desenvolvido (Gordon Gould).

1960 – O primeiro laser – um laser de rubi – é construído (Ted Maiman).

1960 – Feixes contínuos de laser são gerados pela primeira vez.

1960 – O termo “fibra óptica” é cunhado (Narinder Kapany).

1961 – Modos ópticos em fibras de vidro são inventados (Elias Snitzer).

1962 – Q-switching, uma técnica para gerar feixes de laser pulsados, é demonstrada (Robert W. Hellwarth e R.J. McClung).

1963 – O primeiro laser de fibra é demonstrado (Elias Snitzer).

1964 – Um método é descoberto para remover impurezas das fibras de vidro e, assim, limitar a perda de luz (Charles Kao e George Hockham).

1988 – O primeiro laser de fibra de núcleo duplo é demonstrado (Elias Snitzer).

1990 – A barreira de watt é quebrada com um laser de fibra dopado com érbio de 4W.

2004 – O laser de fibra de sílica de modo único e amplificador é inventado (David N. Payne). Atualmente, avanços importantes ainda estão sendo feitos na tecnologia do laser de fibra, tornando-a mais eficiente, poderosa e acessível. Algumas das aplicações mais recentes incluem limpeza a laser e texturização a laser, que podem substituir tecnologias poluentes e ajudar a tornar o mundo mais verde.

De modo geral, os lasers de fibra podem ser categorizados com base nos seguintes critérios:

Fonte do laser: Os lasers de fibra variam de acordo com o material com o qual a fonte do laser é misturada. Alguns exemplos incluem lasers de fibra dopados com ítrio, lasers de fibra dopados com túlio e lasers de fibra dopados com érbio. Todos esses tipos de lasers são utilizados em diferentes aplicações, pois produzem diferentes comprimentos de onda.

Modo de operação: Diferentes tipos de lasers emitem feixes de laser de maneiras diferentes. Os feixes de laser podem ser pulsados em uma taxa de repetição definida para atingir altas potências de pico (laseres de fibra pulsados), como é o caso dos laseres “q-switched”, “gain-switched” e “mode-locked”. Ou podem ser contínuos, o que significa que enviam continuamente a mesma quantidade de energia (laseres de fibra contínuos).

Potência do laser: A potência do laser é expressa em watts e representa a potência média do feixe de laser. Por exemplo, pode-se ter um laser de fibra de 20W, um laser de fibra de 50W, e assim por diante. Laseres de alta potência geram energia mais rapidamente do que laseres de baixa potência.

Modo: O modo refere-se ao tamanho do núcleo (onde a luz viaja) na fibra óptica. Existem dois tipos de modos: laseres de fibra de modo único e laseres de fibra de modo múltiplo. O diâmetro do núcleo para laseres de modo único é menor, geralmente entre 8 e 9 micrômetros, enquanto é maior para laseres de modo múltiplo, normalmente entre 50 e 100 micrômetros. Como regra geral, laseres de modo único transmitem luz laser de forma mais eficiente e possuem melhor qualidade de feixe.

A principal diferença entre os lasers de fibra e os lasers de CO2 está na fonte onde o feixe de laser é criado. Nos lasers de fibra, a fonte do laser é vidro de sílica misturado com um elemento de terras raras. Nos lasers de CO2, a fonte do laser é uma mistura de gases que inclui dióxido de carbono.

Devido ao estado de sua fonte, os lasers de fibra são considerados lasers de estado sólido, enquanto os lasers de CO2 são considerados lasers de estado gasoso.

Essas fontes de laser também produzem diferentes comprimentos de onda. Os lasers de fibra, por exemplo, produzem comprimentos de onda mais curtos, com alguns exemplos variando entre 780 nm e 2200 nm. Já os lasers de CO2 produzem comprimentos de onda mais longos, geralmente variando entre 9.600 nm e 10.600 nm.

Eles são usados em diferentes aplicações devido aos seus diferentes comprimentos de onda. Por exemplo, os lasers de fibra de 1064 nm são geralmente preferidos para aplicações de processamento de metais. O corte a laser é uma exceção importante, onde os lasers de CO2 são frequentemente preferidos para cortar metais. Os lasers de CO2 também reagem bem com materiais orgânicos.

Quando um sistema de laser de fibra é projetado em uma solução pronta para ser usada, essa solução é chamada de máquina de laser de fibra. Enquanto o sistema de laser OEM é a ferramenta que executa a operação, a máquina de laser é a estrutura na qual a ferramenta é integrada.

As máquinas de laser podem garantir que:

• Os trabalhadores estejam 100% seguros, fornecendo segurança a laser e extração de fumaça.
• Componentes mecânicos são incluídos para automatizar operações ou facilitar o trabalho do operador.
• O processo a laser é ajustado para uma operação específica.

A maioria das fontes online afirma que os lasers de fibra duram 100.000 horas, enquanto os lasers de CO2 duram 30.000 horas. Isso não é totalmente verdade. Esses números se referem a um valor chamado “tempo médio entre falhas” (MTBF), que não é o mesmo para todos os lasers de fibra. Na realidade, você verá números diferentes para diferentes tipos de lasers de fibra.

O MTBF mede a confiabilidade de um laser indicando quantas horas se espera que o laser funcione antes de ocorrer uma falha. Ele é obtido testando várias unidades de laser e, em seguida, dividindo o número total de horas operacionais pelo número total de falhas.

Embora esse valor não diga exatamente quanto tempo um laser de fibra pode durar, ele ainda fornece uma boa ideia da confiabilidade do laser.

Se você realmente quer saber a vida útil exata de um laser de fibra, ficará decepcionado, pois não há uma resposta real. Na verdade, os lasers de fibra têm pontos críticos em sua vida útil em que podem falhar.

Aqui está o que você precisa saber se o seu laser apresentar falhas em algum desses momentos:

Início da vida: Se um laser de fibra tiver erros de fabricação, é provável que ocorram falhas logo no início. Você deve garantir que tenha uma garantia de compra que cubra erros de fabricação para que o laser possa ser substituído sem custos.

Vida normal: Depois de passar pelo primeiro período crítico do início da vida, o valor do MTBF oferece uma boa ideia das chances de falha do seu laser. Um MTBF alto é uma boa garantia de que tudo ocorrerá tranquilamente, mas não é uma garantia absoluta. Você pode se preparar para falhas durante a vida normal de diferentes maneiras: ter um laser sobressalente disponível, alugar um laser enquanto o seu estiver em reparo ou ter uma garantia de compra prolongada.

Final da vida: Quando os lasers de fibra estão perto do fim de sua vida útil, as chances de falha aumentam drasticamente. Mesmo assim, um laser industrial de alta qualidade frequentemente pode operar muito além do seu MTBF.

Os lasers de fibra utilizam luz de bombeamento de uma fonte chamada diodos a laser. Esses diodos emitem luz que é enviada para o cabo de fibra óptica. Componentes ópticos localizados no cabo são então usados para gerar um comprimento de onda específico e amplificá-lo. Por fim, o feixe de laser resultante é moldado e liberado.

Veja como cada componente é usado para realizar essa operação.

Passo 1

Luz é criada nos diodos a laser Diodos a laser transformam eletricidade em fótons, ou seja, luz, que é bombeada para o cabo de fibra óptica. Por esse motivo, eles também são conhecidos como a “fonte de bombeamento”.

Para gerar luz, os diodos usam dois semicondutores com cargas diferentes:

• O primeiro é carregado positivamente, o que significa que ele precisa de um elétron extra.
• O segundo é carregado negativamente, o que significa que ele tem um elétron extra, ou seja, um elétron livre.

Quando as cargas positiva e negativa se encontram, elas tentam se combinar. Mas para fazer isso, o elétron livre deve ser liberado como um fóton. À medida que a corrente flui pelos semicondutores, a quantidade de fótons aumenta rapidamente.

A luz resultante é bombeada para o cabo de fibra óptica e será usada para gerar o feixe de laser.

Passo 2

A luz de bombeamento é guiada no cabo de fibra óptica Na natureza, a luz se propaga em todas as direções. Para focalizá-la em uma única direção e obter um feixe de laser, os cabos de fibra óptica utilizam dois componentes básicos: o núcleo da fibra e o revestimento.

• O núcleo é onde a luz viaja. É feito de vidro de sílica e é a única parte do cabo que contém um elemento de terras raras.
• O revestimento é o material que envolve o núcleo. Quando a luz atinge o revestimento, ela reflete de volta para o núcleo. Isso ocorre porque o revestimento proporciona reflexão interna total.

A reflexão interna total ocorre porque o revestimento possui um índice de refração menor do que o núcleo. Podemos observar efeitos semelhantes na natureza. Por exemplo, quando olhamos objetos submersos, eles parecem deformados. Isso ocorre porque, quando a luz passa do ar para a água, ela atinge um índice de refração diferente e muda de direção. O mesmo acontece quando a luz passa do núcleo para o revestimento, exceto que a mudança de direção produz uma reflexão.

Sem o revestimento, a luz se dispersaria em todas as direções e sairia do núcleo. Mas graças ao índice de refração do revestimento, a luz permanece no núcleo e continua seu caminho.

Para visualizar como a luz se propaga nos cabos de fibra, você pode assistir a este vídeo.

Passo 3

A luz é amplificada na cavidade do laser À medida que a luz de bombeamento percorre o cabo de fibra óptica, ela eventualmente entra na cavidade do laser – uma pequena região do cabo onde apenas a luz de um comprimento de onda específico é produzida. Os engenheiros físicos dizem que a fibra é “dopada” nessa região porque ela foi misturada com um elemento de terras raras.

Conforme as partículas da fibra dopada interagem com a luz, seus elétrons sobem para um nível de energia mais alto. Quando eles voltam ao estado básico, eles liberam energia na forma de fótons ou luz. Os engenheiros físicos se referem a esses fenômenos como “excitação de elétrons” e “relaxamento de elétrons”.

A cavidade do laser também atua como um ressonador onde a luz reflete de forma repetida entre o que é chamado de “grades de Bragg de fibra”. Isso leva à “Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação”, ou LASER. Simplificando, é onde o feixe de laser é formado.

Existem dois tipos de grades de Bragg:

• A primeira age como um espelho, refletindo a luz de volta para a cavidade.
• A segunda age como um espelho seletivo, permitindo que parte da luz saia da cavidade, mas refletindo o restante de volta para a cavidade.

Veja como ocorre a amplificação: quando fótons atingem outras partículas excitadas, essas partículas também liberam fótons; como as grades de Bragg refletem fótons de volta para a cavidade e mais luz de bombeamento é enviada para a cavidade, um número exponencial de fótons é liberado.

Como resultado dessa emissão estimulada de radiação, a luz do laser é criada.

Passo 4

A luz do laser de um comprimento de onda específico é criada O comprimento de onda produzido pela fibra dopada varia de acordo com o elemento dopante da cavidade do laser. Isso é muito importante, pois diferentes comprimentos de onda são usados para diferentes aplicações. O elemento dopante pode ser érbio, ítrio, neodímio, túlio, entre outros. Os lasers de fibra dopados com ítrio, por exemplo, geram um comprimento de onda de 1064 nm e são usados em aplicações como marcação a laser e limpeza a laser.

Diferentes elementos dopantes produzem comprimentos de onda diferentes porque partículas específicas liberam fótons específicos. Assim, os fótons gerados na cavidade do laser têm todos o mesmo comprimento de onda. Isso explica por que cada tipo de laser de fibra gera um comprimento de onda específico e somente esse comprimento de onda.

Passo 5

O feixe de laser é moldado e liberado Os fótons que saem da cavidade ressonante formam um feixe de laser que é extremamente bem colimado (ou seja, reto) devido às propriedades de guia de luz da fibra. Na verdade, ele é muito colimado para a maioria das aplicações a laser.

Para dar ao feixe de laser uma forma desejada, diferentes componentes podem ser usados, como lentes e expansores de feixe. Por exemplo, nossos lasers de fibra são equipados com uma lente de 254 mm de comprimento focal para aplicações a laser que exigem um aprofundamento no material (por exemplo, gravação a laser e texturização a laser). Isso ocorre porque seu curto comprimento focal nos permite concentrar mais energia em uma área para uma forma mais agressiva de ablação a laser.

Nem todos os lasers e aplicações a laser usam os mesmos parâmetros. Por exemplo, diferentes ajustes são necessários para corte a laser e marcação a laser. No entanto, alguns parâmetros são comuns a todos os tipos de lasers de fibra. Aqui estão os mais comuns que você provavelmente encontrará.

Comprimento de onda

O comprimento de onda produzido por um laser de fibra corresponde ao nível de radiação eletromagnética da luz do laser. Tipicamente, os lasers de fibra produzem comprimentos de onda entre 780 nm e 2200 nm, que estão localizados no espectro infravermelho e são invisíveis ao olho humano. Essa faixa de luz infravermelha tende a reagir bem com metais, borracha e plásticos, o que a torna útil para uma ampla variedade de aplicações de processamento de materiais.

Alguns lasers de fibra, como os lasers verdes, produzem luz visível que pode reagir bem com materiais macios, como ouro, cobre, silicone e vidro macio. Os lasers de fibra verde também são usados em holografia, terapia e cirurgia, entre outras coisas.

Esses lasers requerem componentes adicionais para gerar luz visível. John Wallace, da Laser Focus World, explica como isso é feito:

“[…] na verdade, não há nenhum laser de fibra no mercado que produza luz de laser visível a partir da própria fibra de laser. No entanto, a luz visível pode ser obtida a partir de um laser de fibra de emissão infravermelha próxima (IR) por meio de conversão de frequência externa, como deslocamento Raman, duplicação de frequência, soma-mistura de frequência ou combinações dessas abordagens.”

Modo de operação

O modo de operação é a maneira como o feixe de laser é liberado. Os lasers de fibra geralmente operam no modo contínuo ou no modo pulsado.

No modo de operação contínuo, um feixe de laser contínuo e ininterrupto é liberado, o que é ideal para aplicações como soldagem a laser e corte a laser.

No modo de operação pulsado, pulsos curtos são liberados em uma taxa de repetição definida. Os feixes de laser pulsados atingem picos de potência mais altos e são ideais para gravação a laser e limpeza a laser. Esse modo inclui os seguintes parâmetros:

Energia do pulso: A energia do pulso é a quantidade de milijoules contidos em cada pulso. Tipicamente, cada pulso contém 1 mJ de energia.

Duração do pulso: A duração do pulso, também conhecida como largura do pulso, é a duração de cada pulso. Pulsos mais curtos concentram a mesma energia em um tempo menor e, portanto, atingem picos de potência mais altos. A duração do pulso pode ser expressa em microssegundos, nanossegundos, picossegundos ou femtossegundos.

Taxa de repetição: A taxa de repetição dos pulsos é o número de pulsos liberados por segundo. Também é conhecida como frequência de pulso, que é expressa em kHz. Por exemplo, 100 kHz é igual a 100.000 pulsos por segundo.

Potência

A potência do laser é a quantidade de energia que pode ser produzida pelo laser em um segundo. Também é conhecida como “potência média” e “potência de saída”.

Os lasers pulsados também podem indicar uma potência de pico, que é um parâmetro diferente. A potência de pico é a quantidade máxima de energia alcançada por um único pulso. Por exemplo, um laser de fibra pulsado de 100W pode facilmente atingir 10.000W de potência de pico. Isso ocorre porque os lasers pulsados não distribuem a energia uniformemente ao longo do tempo, ao contrário dos lasers contínuos.

Qualidade do feixe

A qualidade do feixe indica o quão próximo o feixe está do que é chamado de feixe gaussiano. Em aplicações reais, isso é relevante porque indica o quão bem o feixe de laser está focado.

Matematicamente, uma qualidade de feixe perfeita é expressa como M²=1. Feixes de laser bem focados concentram mais energia em uma área menor. Feixes de alta qualidade são necessários para aplicações como gravação a laser e limpeza a laser, enquanto qualidades de feixe mais baixas podem ser mais apropriadas para aplicações em que a ablação não é desejada, como soldagem a laser.