Aplicaciones del láser de fibra: lo que hay que saber

En los últimos años, Aplicaciones del láser de fibra Los láseres de fibra han ganado una importante popularidad en diversas industrias y han transformado el panorama de la fabricación y el procesamiento de materiales. Estos láseres avanzados ofrecen una precisión, velocidad y versatilidad incomparables, lo que los hace ideales para una amplia gama de tareas, desde el corte y la soldadura hasta el marcado y el grabado. A medida que las empresas buscan cada vez más soluciones eficientes y rentables, comprender las diversas aplicaciones de los láseres de fibra es esencial para mantenerse competitivos en el mercado actual. Este artículo profundiza en los usos clave de los láseres de fibra, sus beneficios y cómo están revolucionando las operaciones en diferentes sectores.

¿Qué es un láser de fibra?

Los láseres de fibra utilizan fibras ópticas como medio de ganancia activo y pertenecen a la categoría de láseres de estado sólido. El proceso implica la absorción de luz bruta de diodos láser de bombeo en una fibra compuesta de vidrio de silicato o fosfato. Posteriormente, la fibra convierte esta luz absorbida en un haz láser caracterizado por una longitud de onda específica. Para lograrlo, la fibra óptica se dopa con elementos de tierras raras. 

Al emplear diversos elementos dopantes, se puede generar una amplia gama de rayos láser, cada uno con su propia longitud de onda. El amplio espectro de longitudes de onda que producen los láseres de fibra los hace muy versátiles para una multitud de aplicaciones, como el corte por láser a máquina, el texturizado, la limpieza, el grabado por láser, el grabado de joyas, la perforación, el marcado y la soldadura. En consecuencia, los láseres de fibra han encontrado utilidad en diversos sectores, como la medicina, la defensa, las telecomunicaciones, la automoción, la espectroscopia, la electricidad, la fabricación y el transporte.

¿Cómo funciona un láser de fibra?

Los láseres de fibra aprovechan la luz emitida por los diodos láser y la dirigen hacia un cable de fibra óptica. En el interior del cable se emplean componentes ópticos para producir una longitud de onda precisa y amplificarla. Posteriormente, el haz láser se moldea cuidadosamente y se libera para su propósito previsto. 

A continuación se muestra cómo funcionan los láseres de fibra a través de sus distintos componentes. 

Creación de luz de bombeo en los diodos láser.

Los diodos láser, también denominados "fuentes de bombeo", convierten la electricidad en fotones o luz, que luego se bombea al cable de fibra óptica. El proceso de generación de luz en diodos implica la utilización de dos semiconductores con cargas diferentes.

El primer semiconductor tiene carga positiva y necesita un electrón adicional. Por el contrario, el segundo semiconductor tiene carga negativa y posee un electrón en exceso o un electrón libre.

Cuando las cargas positivas y negativas entran en contacto, intentan combinarse. Para facilitar esta combinación, el electrón libre se libera en forma de fotón. A medida que la corriente fluye a través de los semiconductores, el número de fotones aumenta rápidamente.

La luz resultante se dirige luego al cable de fibra óptica, donde se utilizará para producir el rayo láser. 

La luz de la bomba es guiada y pasa a través de la fibra óptica.

Dentro del sistema de fibra óptica, un acoplador desempeña un papel vital en la combinación de la luz emitida por múltiples diodos láser en una buena fuente unificada de fibra. Este acoplador, integrado en la fibra óptica, posee múltiples puntos de entrada en un lado, cada uno de los cuales se conecta a una fibra individual que se origina en un diodo láser. En el lado opuesto del acoplador, hay un único punto de salida que se conecta a la fibra principal. Una vez que se recoge la luz de todos los diodos láser, viaja hacia el medio láser.

Posteriormente, la luz emitida por el láser de diodo atraviesa la fibra óptica, compuesta por dos componentes principales: el núcleo y el revestimiento. El núcleo, construido de vidrio de sílice, sirve de vía para la luz, mientras que el revestimiento envuelve el núcleo. Cuando la luz llega al revestimiento, sufre una reflexión interna total, redirigiéndola de nuevo hacia el núcleo.

Aunque inevitablemente se pierde algo de potencia en forma de calor en los láseres de fibra, la favorable relación entre superficie y volumen facilita una disipación eficiente del calor, lo que da como resultado un desgaste mínimo debido a los efectos térmicos. Durante su recorrido a través de la fibra óptica, la luz finalmente llega a la sección dopada de la fibra, comúnmente denominada cavidad láser.

Emisión estimulada en la cavidad láser

Cuando la luz del diodo láser llega a la fibra dopada, excita los electrones del elemento de tierras raras, lo que da lugar a una inversión de población crucial para la producción de láser. A medida que estos electrones excitados pasan a niveles de energía más bajos, emiten fotones de una longitud de onda específica. A través de la emisión estimulada, estos fotones estimulan a otros electrones excitados para que emitan fotones similares, lo que crea un efecto de cascada. El equilibrio entre los electrones excitados y relajados garantiza un flujo continuo de luz láser sin procesar. Sin embargo, es necesario un mayor refinamiento para que la luz se pueda utilizar en diversas aplicaciones.

Amplificación de la luz láser bruta en un rayo láser

Para preparar la luz láser bruta emitida por la fibra dopada para aplicaciones prácticas, es necesario un proceso de fortalecimiento. En los láseres de fibra, esto se logra mediante el uso de rejillas de Bragg de fibra (FBG). Estas rejillas sirven como espejos reflectantes con reflectividad variable y reemplazan a los espejos dieléctricos convencionales.

La luz láser dentro de la cavidad de la fibra experimenta un proceso de ida y vuelta, interactuando con la rejilla de Bragg. Una parte de la luz se infiltra en la rejilla en una dirección, mientras que la luz restante se refleja de nuevo en la cavidad láser. La luz transmitida que pasa a través de la rejilla se convierte en el haz láser. Este haz pasa luego por un oscilador, a veces acompañado de un combinador, para mejorar la coherencia antes de ser entregado como salida final.

Se crea una luz láser de una longitud de onda específica. 

La longitud de onda generada por la fibra dopada depende de la elección de un elemento dopante dentro de la cavidad del láser. Este aspecto tiene una importancia significativa ya que las diferentes aplicaciones requieren diferentes longitudes de onda. Los elementos dopantes comunes incluyen erbio, iterbio, neodimio y tulio, entre otros. Por ejemplo, los láseres de fibra dopada con iterbio producen una longitud de onda de 1064 nm, que se utiliza en el marcado láser y la limpieza láser. 

El rayo láser se moldea y se libera.  

El haz láser formado por los fotones que salen de la cavidad resonante presenta una colimación excepcional debido a las propiedades de guía de luz de la fibra. Sin embargo, este alto nivel de colimación puede no ser adecuado para la mayoría de las aplicaciones láser. Por lo tanto, para lograr la forma de haz deseada, se utilizan varios componentes como lentes y expansores de haz. Los diferentes tipos de lentes ofrecen distintas ventajas y los expertos en láser los seleccionan cuidadosamente para optimizar el láser para aplicaciones específicas. 

¿Por qué utilizar láseres de fibra?

Con los avances en la tecnología del láser de fibra, la gama de aplicaciones de estos láseres continúa expandiéndose junto con su practicidad.

Estable

Por lo general, cuando queremos transmitir un haz láser, solemos recurrir a fibras ópticas para garantizar su movimiento seguro y fiable. Otra opción es reflejar el haz entre espejos, pero este método requiere una alineación precisa. Lograr un acoplamiento eficiente de un haz láser en el minúsculo núcleo de una fibra es un desafío y requiere ajustes meticulosos. En consecuencia, los láseres convencionales son muy susceptibles a las perturbaciones por impactos o sacudidas, y realinear la óptica requiere la experiencia de un especialista. Por el contrario, los láseres de fibra generan el haz internamente dentro de la propia fibra, lo que elimina la necesidad de una óptica intrincada y delicada durante la entrega del haz. Esta característica inherente hace que los láseres de fibra sean muy estables y fáciles de usar.

Alta calidad de luz

El láser de fibra genera y confina el haz dentro del núcleo compacto de la fibra. Como resultado, el haz permanece excepcionalmente recto y puede enfocarse en un punto diminuto. Esta cualidad resulta especialmente ventajosa en aplicaciones como el corte de precisión con láser de fibra, donde un tamaño de punto más pequeño mejora la eficacia del láser. En numerosas aplicaciones láser, lograr un haz tan enfocado es muy deseable.

Láser potente

Los dispositivos láser pueden suponer una amenaza para la piel incluso a niveles de potencia relativamente bajos, que suelen empezar en torno a 1 vatio. Aunque esta cantidad de potencia puede parecer insignificante en comparación con aparatos de uso cotidiano, como teteras o tostadoras, la concentración del haz láser en un único punto amplifica significativamente su impacto. Los láseres de fibra, en particular, han ido avanzando en términos de potencia y ahora pueden superar los 1.000 vatios (1 kW). Este nivel de potencia es más que suficiente para atravesar una pulgada de acero, lo que pone de relieve las impresionantes capacidades de corte de los láseres de fibra.

Eficiente y se enfría fácilmente.

A diferencia de otros tipos de láseres que tienen una menor eficiencia de conversión de potencia, un láser de fibra tiene la capacidad de convertir aproximadamente entre el 70 y el 80 % de la potencia de entrada de la fuente de bombeo. Esta alta eficiencia no solo es beneficiosa para el consumo de energía, sino que también hace que se transforme menos energía en calor. En los láseres de fibra, el calor se distribuye a lo largo de la fibra, lo que ayuda a evitar un calentamiento excesivo que podría provocar la rotura de la fibra. Vale la pena señalar que las propiedades ópticas de la mayoría de los materiales sufren cambios a medida que se calientan, y estos cambios pueden tener un impacto en la calidad del haz láser.

6 aplicaciones del láser de fibra

Los láseres existen desde hace varias décadas y se han utilizado en diversos entornos. Los láseres de fibra se han vuelto cada vez más populares en los últimos años debido a su tamaño compacto, alta eficiencia y versatilidad. A continuación, se presentan seis aplicaciones típicas de los láseres de fibra:

1. Corte por láser de fibra

El corte es un aspecto fundamental del proceso de fabricación y Aplicaciones del láser de fibra han revolucionado este campo. Las máquinas láser de fibra son capaces de cortar diversos materiales, incluidos metales, láminas metálicas, plásticos, acrílicos y compuestos, con una precisión notable y tolerancias mínimas. Esta tecnología avanzada también ha transformado la industria del micromaquinado, permitiendo a los ingenieros crear piezas tan pequeñas como un milímetro con una precisión excepcional.

Máquinas de corte por láser de fibra Se han abordado las limitaciones de los métodos de corte tradicionales, que a menudo presentaban problemas de precisión y generaban mayores costos operativos, lo que en última instancia reducía la rentabilidad. Por el contrario, los láseres de fibra generan mayores rendimientos en menos tiempo, lo que genera mayores ganancias para los fabricantes.

La investigación en curso continúa mejorando la tecnología de corte por láser, y las capacidades de corte dependen principalmente de la potencia de salida (medida en vatios) y de la fuente láser. Los factores clave que influyen en el rendimiento incluyen la energía del pulso, la potencia máxima y la calidad del haz. La mayoría de las máquinas de corte por láser de fibra de grado comercial utilizan láseres de fibra pulsados de iterbio (Yb3+), conocidos por su potencia excepcional.

Estos láseres funcionan en un rango de longitud de onda de 970 a 1200 nm y pueden producir más de 10 kW de potencia de salida. Para ilustrar su capacidad, un láser de fibra puede cortar fácilmente una lámina de acero dulce de 25 mm de espesor, lo que demuestra el impresionante potencial de esta tecnología.

¿Está listo para explorar las ventajas del corte por láser de fibra para sus necesidades de fabricación?

2. Soldadura láser de fibra

Soldadura por láser de fibra es un proceso innovador para unir piezas metálicas en la fabricación, que ofrece importantes ventajas en cuanto a velocidad, coste, eficiencia y reducción de la deformación. Una de las aplicaciones más habituales de la soldadura láser de fibra es la “soldadura por fusión”, en la que se calientan y fusionan dos metales. Además, es posible el uso de electrodos de relleno, lo que produce resultados excepcionales en diversas aplicaciones de soldadura.

Máquinas de soldadura por láser de fibra Se diferencia de los métodos de soldadura tradicionales al producir menos calor, lo que minimiza el riesgo de deformaciones y otros defectos. Esta técnica permite realizar costuras de soldadura más anchas y precisas sin problemas como porosidad, grietas o socavaduras. Además, la soldadura láser de fibra es más accesible y requiere menos habilidad que los métodos convencionales. Incluso las personas con una formación mínima pueden aprender a manejar posiciones de soldadura difíciles de manera eficaz.

Si bien la inversión inicial en máquinas de soldadura por láser de fibra puede ser elevada, su bajo consumo de energía y su impresionante eficiencia (hasta cuatro veces mayor que la de los métodos tradicionales) pueden generar ahorros significativos en cualquier operación de fabricación. Dada la creciente demanda de soldadores en los EE. UU., que aumenta a un ritmo de 2% al año, las máquinas de soldadura por láser de fibra están preparadas para desempeñar un papel crucial en el futuro de la industria.

La seguridad ocular durante el proceso de soldadura sigue siendo una preocupación vital. A diferencia de la soldadura tradicional, que implica una llama visible y peligros evidentes, la soldadura láser puede ser menos obvia porque los láseres utilizados suelen estar fuera del espectro visible. Por lo tanto, los expertos recomiendan encarecidamente cumplir con los protocolos de seguridad y tener cuidado al operar equipos de soldadura láser de fibra.

3. Marcado y grabado láser

Marcado y grabado láser Es un proceso que utiliza un rayo láser de alta potencia para crear texto o imágenes eliminando o alterando la capa superficial de diversos materiales sin comprometer su integridad estructural. Esta técnica está ganando popularidad y es posible que ya tengas artículos que tengan marcas láser de fibra.

El marcado láser de fibra se emplea comúnmente para imprimir códigos de barras, números de serie, especificaciones de productos, instrucciones y logotipos en los artículos, mejorando su singularidad y ayudando a prevenir la falsificación.

Grabado láser Se distingue de otros métodos por su capacidad para grabar una amplia gama de materiales, incluidos metales que los láseres de CO2 no pueden procesar. Se estima que los láseres de fibra pueden grabar eficazmente más de treinta materiales diferentes, incluidos metal, aluminio, latón, cobre, vidrio y plásticos. De hecho, los láseres de fibra pueden incluso grabar materiales orgánicos como madera y cuero.

Las máquinas láser de fibra están disponibles en opciones a escala comercial adecuadas para empresas de fabricación pequeñas y grandes. Además, los aficionados pueden aprovechar las ventajas de las máquinas láser de fibra portátiles más pequeñas que se encuentran disponibles en línea. Por lo general, una máquina láser con una potencia de salida de 20 a 30 vatios es suficiente para grabar diversos materiales e incluso puede cortar chapas metálicas muy finas.

4. Limpieza con láser de fibra

Limpieza con láser de fibra Es una técnica revolucionaria que elimina eficazmente el óxido, la corrosión, la pintura y la suciedad de las superficies metálicas quemando y vaporizando las capas no deseadas. Este proceso, conocido como “ablación láser”, ofrece una variedad de aplicaciones en diversas industrias.

En lo que respecta a la limpieza, la tecnología láser de fibra destaca por su velocidad, eficiencia y rentabilidad. Los métodos tradicionales de eliminación de óxido suelen basarse en procesos de oxidación y químicos que pueden requerir mucho tiempo y ser ineficaces. En cambio, la limpieza con láser de fibra no solo es eficaz, sino también respetuosa con el medio ambiente.

Muchas personas recurren a la eliminación manual del óxido y la corrosión con cepillos de alambre de acero, un método que requiere mucha mano de obra y, a menudo, es ineficiente. Sin embargo, con la limpieza con láser de fibra, se puede limpiar cualquier pieza metálica independientemente de su forma o tamaño, lo que la convierte en una solución muy flexible. Además, el proceso es visualmente satisfactorio de observar, ya que restaura rápidamente las superficies a su estado original.

Los avances en la tecnología del láser de fibra han reducido significativamente los costos de las unidades de limpieza de óxido, haciendo que este método innovador sea más accesible que nunca.

5. Materiales para perforación láser

Si bien los láseres pueden no ser la primera tecnología que viene a la mente para la perforación, Perforación por láser de fibra está ganando rápidamente reconocimiento como una solución líder en la industria de perforación de precisión.

A diferencia de los métodos de perforación tradicionales que utilizan brocas rotativas convencionales, la perforación con láser de fibra emplea rayos láser de alta intensidad para crear orificios precisos. Esta técnica se ha vuelto cada vez más popular para perforar placas de circuito impreso (PCB) en el sector de la electrónica debido a su precisión a nivel micro.

La perforación con láser de fibra es altamente eficiente y rentable. Una ventaja importante de este método es que no es necesario reemplazar las brocas, lo que puede ahorrar tiempo y reducir los costos operativos. Comprender el impacto de los parámetros del proceso en los resultados de la perforación es crucial para optimizar el rendimiento.

Las máquinas láser de fibra modernas son capaces de perforar una variedad de materiales, entre ellos aleaciones, compuestos, cerámicas, vidrio de sílice y metales. Sin embargo, esta tecnología de vanguardia todavía es relativamente nueva y es más adecuada para instalaciones de producción a gran escala que puedan invertir en sus capacidades avanzadas.

6. Revestimiento láser

Revestimiento por láser de fibra Es un proceso avanzado que consiste en depositar un material, generalmente en forma de polvo o alambre, sobre la superficie de otro material. Esta técnica sirve para recubrir componentes mecánicos, reparándolos y protegiéndolos de manera eficaz.

En este proceso, el láser de fibra genera un baño de material fundido sobre la superficie del material base, donde se introduce el polvo metálico y posteriormente se adhiere al sustrato. La precisión de esta técnica es notable, ya que el láser permite un calentamiento muy controlado y una gran precisión en el posicionamiento.

Una de las características más destacadas del revestimiento láser es que la unión que se forma entre la capa depositada y el material de base se produce a nivel metalúrgico, lo que da como resultado una unión que suele ser más fuerte y duradera que la de los métodos tradicionales, como la pulverización o el enchapado. Esto hace que el revestimiento láser de fibra sea una opción ideal para mejorar la longevidad y el rendimiento de componentes críticos.

Láser de fibra en diversas aplicaciones industriales

1. Electrónica y semiconductores

La industria de la electrónica y los semiconductores requiere precisión, normalmente a nivel microscópico, algo muy difícil de conseguir con los procesos de fabricación tradicionales. Las máquinas láser de fibra, por el contrario, son perfectas para este tipo de aplicaciones. Por eso estamos viendo cómo la tecnología se va reduciendo en tamaño y, al mismo tiempo, ofrece una potencia de procesamiento extraordinaria.

2. Industria automotriz, aeroespacial y marina

Los automóviles, aviones, barcos y trenes avanzan continuamente y la demanda de máquinas más eficientes aumenta. Con las capacidades supremas de corte y soldadura del láser de fibra, vemos que la tecnología en estas industrias está en rápido auge. Hoy en día, los láseres de fibra se utilizan para soldar la piel de titanio de los aviones, lo cual es un proceso necesario.

Además de los láseres de fibra dopados con iterbio (Yb3+), otros como los diodos láser de bombeo Tm3+ y Ho+3 también funcionan muy bien en materiales no metálicos y transparentes, respectivamente.

Los láseres de fibra han aumentado la eficiencia del proceso de mecanizado, lo que se traduce en mayores ganancias y plazos de entrega más cortos. También han ayudado a reducir el coste de los productos finales para los clientes.

3. Industria médica

La fabricación de equipos médicos suele tener un pequeño margen de error porque afecta directamente a las vidas humanas. El láser de fibra es el más adecuado para este tipo de industria debido a sus capacidades de fabricación precisas y de alta calidad.

Además de esto, los láseres también se utilizan para tratar células cancerosas y eliminar cálculos de órganos humanos. Las aplicaciones de los láseres de fibra óptica en el campo médico son amplias y están en constante evolución.

¿Qué buscar en un láser de fibra?

Fuente láser 

Los láseres de fibra presentan variaciones en función del material mezclado con la fuente láser. Algunos ejemplos son los láseres de fibra dopados con iterbio, los láseres de fibra dopados con tulio y los láseres de fibra dopados con erbio. Estos distintos tipos de láseres de fibra se emplean para diversas aplicaciones debido a su capacidad para generar diferentes longitudes de onda. 

Modo de funcionamiento 

Los distintos tipos de láser emiten rayos láser de distintas maneras. Los rayos láser se pueden generar a través de láseres de fibra pulsados, que funcionan pulsando a una frecuencia de repetición específica para lograr potencias de pico elevadas. Esto se observa comúnmente en los láseres conocidos como láseres de "conmutación q", "conmutación de ganancia" y "bloqueo de modo". Por otro lado, los rayos láser también pueden ser continuos, lo que significa que emiten continuamente una cantidad constante de energía. Esta emisión continua se observa típicamente en los láseres llamados "láseres de fibra de onda continua". 

Potencia del láser 

La potencia de un láser se mide en vatios e indica la potencia media del haz láser. Por ejemplo, hay láseres de fibra de 20 W, láseres de fibra de 60 W y otras opciones de potencia disponibles. Un láser de alta potencia tiene la capacidad de generar energía a un ritmo más rápido en comparación con los láseres de baja potencia. 

Modo

El modo de una fibra óptica se refiere al tamaño del núcleo a través del cual viaja la luz. Existen dos categorías de modos: láseres de fibra monomodo y láseres de fibra multimodo. En los láseres monomodo, el diámetro del núcleo es menor, generalmente entre 8 y 9 micrómetros. Por el contrario, los láseres multimodo tienen un diámetro de núcleo mayor, generalmente entre 50 y 100 micrómetros. Como regla general, los láseres monomodo son más eficientes en la transmisión de la luz láser y exhiben una calidad de haz superior en comparación con los láseres multimodo.

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