Aplicações do laser de fibra: o que você precisa saber

Nos últimos anos, aplicações de laser de fibra ganharam força significativa em vários setores, transformando o cenário da fabricação e do processamento de materiais. Esses lasers avançados oferecem precisão, velocidade e versatilidade incomparáveis, tornando-os ideais para uma ampla gama de tarefas, desde corte e soldagem até marcação e gravação. À medida que as empresas buscam cada vez mais soluções eficientes e econômicas, entender as diversas aplicações dos lasers de fibra é essencial para permanecer competitivo no mercado atual. Este artigo se aprofunda nos principais usos dos lasers de fibra, seus benefícios e como eles estão revolucionando as operações em diferentes setores.

O que é um laser de fibra?

Os lasers de fibra utilizam fibras ópticas como seu meio de ganho ativo e pertencem à categoria de lasers de estado sólido. O processo envolve a absorção de luz bruta de diodos de laser de bomba em uma fibra composta de silicato ou vidro de fosfato. Posteriormente, a fibra converte essa luz absorvida em um feixe de laser caracterizado por um comprimento de onda específico. Para obter isso, a fibra óptica é dopada com elementos de terras raras. 

Ao empregar vários elementos de dopagem, uma ampla gama de feixes de laser pode ser gerada, cada um com seu próprio comprimento de onda distinto. O amplo espectro de comprimentos de onda produzidos por lasers de fibra os torna altamente versáteis para uma infinidade de aplicações. Isso inclui corte a laser de máquina, texturização, limpeza, gravação a laser, gravação de joias, perfuração, marcação e soldagem. Consequentemente, os lasers de fibra encontraram utilidade em diversos setores, como medicina, defesa, telecomunicações, automotivo, espectroscopia, elétrico, manufatura e transporte.

Como funciona um laser de fibra?

Os lasers de fibra aproveitam a luz de bombeamento emitida por diodos laser, direcionando a luz emitida para um cabo de fibra óptica. Dentro do cabo, componentes ópticos são empregados para produzir um comprimento de onda preciso e amplificá-lo. Posteriormente, o feixe de laser é cuidadosamente moldado e liberado para sua finalidade pretendida. 

Veja abaixo como os lasers de fibra operam por meio de seus diversos componentes. 

Criação de luz de bomba nos diodos laser

Diodos laser, também chamados de "fonte de bombeamento", convertem eletricidade em fótons ou luz, que são então bombeados para o cabo de fibra óptica. O processo de geração de luz em diodos envolve a utilização de dois semicondutores com cargas diferentes.

O primeiro semicondutor é carregado positivamente e requer um elétron adicional. Por outro lado, o segundo semicondutor carrega uma carga negativa e possui um excesso ou um elétron livre.

Quando as cargas positivas e negativas entram em contato, elas se esforçam para se combinar. Para facilitar essa combinação, o elétron livre é liberado como um fóton. Conforme a corrente flui pelos semicondutores, o número de fótons aumenta rapidamente.

A luz resultante é então direcionada para o cabo de fibra óptica, onde será utilizada para produzir o feixe de laser. 

A luz da bomba é guiada e passa pela fibra óptica

Dentro do sistema de fibra óptica, um acoplador desempenha um papel vital na combinação da luz emitida por vários diodos laser em uma boa fonte unificada de fibra. Este acoplador, integrado à fibra óptica, possui vários pontos de entrada em um lado, cada um conectando-se a uma fibra individual originada de um diodo laser. No lado oposto do acoplador, um único ponto de saída está presente, ligando-se à fibra principal. Uma vez que a luz de todos os diodos laser é coletada, ela viaja em direção ao meio laser.

Subsequentemente, a luz emitida pelo laser de diodo atravessa a fibra óptica, compreendendo dois componentes primários: o núcleo e o revestimento. O núcleo, construído de vidro de sílica, serve como caminho para a luz, enquanto o revestimento envolve o núcleo. Conforme a luz atinge o revestimento, ela sofre reflexão interna total, redirecionando-a de volta para o núcleo.

Embora alguma potência seja inevitavelmente perdida como calor em lasers de fibra, a relação favorável entre área de superfície e volume facilita a dissipação eficiente de calor, resultando em desgaste mínimo devido a efeitos térmicos. Durante sua jornada pela fibra óptica, a luz eventualmente atinge a seção dopada da fibra, comumente chamada de cavidade do laser.

Emissão estimulada na cavidade do laser

Quando a luz do diodo laser atinge a fibra dopada, ela excita elétrons no elemento de terras raras, resultando em uma inversão populacional crucial para a produção do laser. À medida que esses elétrons excitados transitam para níveis de energia mais baixos, eles emitem fótons de um comprimento de onda específico. Por meio da emissão estimulada, esses fótons estimulam outros elétrons excitados a emitir fótons semelhantes, criando um efeito cascata. O equilíbrio entre elétrons excitados e relaxados garante um fluxo contínuo de luz laser bruta. No entanto, um refinamento adicional é necessário para que a luz seja utilizada em várias aplicações.

Amplificação de luz laser bruta em um feixe de laser

Para preparar a luz laser bruta emitida pela fibra dopada para aplicações práticas, um processo de fortalecimento é necessário. Em lasers de fibra, isso é realizado por meio da utilização de Fibre Bragg Gratings (FBGs). Essas grades servem como espelhos reflexivos com refletividade variável, substituindo espelhos dielétricos convencionais.

A luz do laser dentro da cavidade da fibra passa por um processo de vai e vem, interagindo com a grade de Bragg. Uma parte da luz infiltra a grade em uma direção, enquanto a luz restante é refletida de volta para a cavidade do laser. A luz transmitida que passa pela grade se torna o feixe de laser. Este feixe então prossegue através de um oscilador, às vezes acompanhado por um combinador, para aumentar a coerência antes de ser entregue como a saída final.

A luz laser de um comprimento de onda específico é criada 

O comprimento de onda gerado pela fibra dopada depende da escolha de um elemento dopante dentro da cavidade do laser. Este aspecto tem importância significativa, pois diferentes aplicações necessitam de diferentes comprimentos de onda. Elementos dopantes comuns incluem érbio, itérbio, neodímio e túlio, entre outros. Por exemplo, lasers de fibra dopados com itérbio produzem um comprimento de onda de 1064 nm, que encontra aplicação em marcação a laser e limpeza a laser. 

O feixe de laser é moldado e liberado  

O feixe de laser formado pelos fótons que saem da cavidade ressonante exibe colimação excepcional devido às propriedades de guia de luz da fibra. No entanto, esse alto nível de colimação pode não ser adequado para a maioria das aplicações de laser. Então, para atingir o formato de feixe desejado, vários componentes como lentes e expansores de feixe são empregados. Diferentes tipos de lentes oferecem vantagens distintas, e especialistas em laser as selecionam cuidadosamente para otimizar o laser para aplicações específicas. 

Por que usar lasers de fibra?

Com os avanços na tecnologia de laser de fibra, a gama de aplicações desses lasers continua a se expandir junto com sua praticidade.

Estável

Normalmente, quando pretendemos transmitir um feixe de laser, muitas vezes confiamos em fibras ópticas para garantir seu movimento seguro e confiável. Outra opção é refletir o feixe entre espelhos, mas esse método necessita de alinhamento preciso. Alcançar o acoplamento eficiente de um feixe de laser no núcleo minúsculo de uma fibra é desafiador e requer ajustes meticulosos. Consequentemente, os lasers convencionais são altamente suscetíveis a interrupções por impactos ou solavancos, e o realinhamento da óptica requer a perícia de um especialista. Em contraste, os lasers de fibra geram o feixe internamente dentro da própria fibra, eliminando a necessidade de óptica intrincada e delicada durante a entrega do feixe. Essa característica inerente torna os lasers de fibra altamente estáveis e fáceis de usar.

Alta qualidade do feixe

O laser de fibra gera e confina o feixe dentro do núcleo compacto da fibra. Como resultado, o feixe permanece excepcionalmente reto e pode ser focado em um ponto minúsculo. Essa qualidade se mostra particularmente vantajosa em aplicações como corte de precisão a laser de fibra, onde um tamanho de ponto menor aumenta a eficácia do laser. Em inúmeras aplicações de laser, atingir tal feixe focado é altamente desejável.

Laser poderoso

Dispositivos a laser podem representar uma ameaça à pele mesmo em níveis de potência relativamente baixos, normalmente começando em torno de 1 Watt. Embora essa quantidade de potência possa parecer insignificante quando comparada a aparelhos cotidianos como chaleiras ou torradeiras, o foco concentrado de um feixe de laser em um único ponto amplifica seu impacto significativamente. Os lasers de fibra, em particular, têm avançado em termos de potência e agora podem exceder 1.000 Watts (1kW). Esse nível de potência é mais do que suficiente para penetrar uma polegada de aço, destacando as impressionantes capacidades de corte dos lasers de fibra.

Eficiente e esfria facilmente

Ao contrário de outros tipos de lasers que têm menor eficiência de conversão de energia, um laser de fibra tem a capacidade de converter aproximadamente 70-80% da energia de entrada da fonte da bomba. Essa alta eficiência não é apenas benéfica para o consumo de energia, mas também resulta em menos energia sendo transformada em calor. Em lasers de fibra, o calor é distribuído ao longo do comprimento da fibra, o que ajuda a evitar o aquecimento excessivo que pode levar à quebra da fibra. Vale a pena notar que as propriedades ópticas da maioria dos materiais sofrem alterações à medida que aquecem, e essas alterações podem ter um impacto na qualidade do feixe de laser.

6 Aplicações do Laser de Fibra

Os lasers existem há algumas décadas e encontraram uso em vários cenários. Os lasers de fibra tornaram-se cada vez mais populares nos últimos anos devido ao seu tamanho compacto, alta eficiência e versatilidade. Aqui estão seis aplicações típicas para lasers de fibra:

1. Corte a laser de fibra

O corte é um aspecto fundamental do processo de fabricação e aplicações de laser de fibra revolucionaram esse domínio. As máquinas de laser de fibra são capazes de cortar vários materiais, incluindo metais, chapas metálicas, plásticos, acrílicos e compostos, com precisão notável e tolerâncias mínimas. Essa tecnologia avançada também transformou a indústria de microusinagem, permitindo que engenheiros criem peças tão pequenas quanto um milímetro com precisão excepcional.

Máquinas de corte a laser de fibra abordaram as limitações dos métodos de corte tradicionais, que frequentemente lutavam com precisão e incorriam em custos operacionais mais altos, reduzindo, em última análise, a lucratividade. Em contraste, os lasers de fibra geram maiores rendimentos em menos tempo, levando a maiores lucros para os fabricantes.

Pesquisas em andamento continuam a aprimorar a tecnologia de corte a laser, com capacidades de corte principalmente dependentes da potência de saída (medida em watts) e da fonte do laser. Os principais fatores que influenciam o desempenho incluem energia de pulso, potência de pico e qualidade do feixe. A maioria das máquinas de corte a laser de fibra de nível comercial utiliza lasers de fibra pulsada de itérbio (Yb3+), conhecidos por sua potência excepcional.

Esses lasers operam dentro de uma faixa de comprimento de onda de 970-1200 nm e podem produzir mais de 10 kW de potência de saída. Para ilustrar sua capacidade, um laser de fibra pode facilmente cortar uma folha de aço macio de 25 mm de espessura, demonstrando o potencial impressionante dessa tecnologia.

Você está pronto para explorar as vantagens do corte a laser de fibra para suas necessidades de fabricação?

2. Soldagem a laser de fibra

Soldagem a laser de fibra é um processo inovador para unir peças metálicas na fabricação, oferecendo vantagens significativas em velocidade, custo, eficiência e deformação reduzida. Uma das aplicações mais comuns da soldagem a laser de fibra é a “soldagem do tipo fusão”, onde dois metais são aquecidos e fundidos. Além disso, o uso de eletrodos de enchimento é possível, produzindo resultados excepcionais em várias aplicações de soldagem.

Máquinas de solda a laser de fibra destacam-se dos métodos de soldagem tradicionais ao produzir menos calor, o que minimiza o risco de empenamento e outros defeitos. Esta técnica permite costuras de soldagem mais largas e precisas, sem problemas como porosidade, rachaduras ou rebaixos. Além disso, a soldagem a laser de fibra é mais acessível, exigindo menos habilidade do que os métodos convencionais. Mesmo indivíduos com treinamento mínimo podem aprender a lidar com posições de soldagem desafiadoras de forma eficaz.

Embora o investimento inicial para máquinas de solda a laser de fibra possa ser alto, seu baixo consumo de energia e eficiência impressionante — até quatro vezes maior que a dos métodos tradicionais — podem levar a economias significativas em qualquer operação de fabricação. Dada a crescente demanda por soldadores nos EUA, que está aumentando em 2% anualmente, as máquinas de solda a laser de fibra estão prontas para desempenhar um papel crucial no futuro da indústria.

A segurança dos olhos durante o processo de soldagem continua sendo uma preocupação vital. Ao contrário da soldagem tradicional, que apresenta uma chama visível e perigos aparentes, a soldagem a laser pode ser menos óbvia porque os lasers usados geralmente estão fora do espectro visível. Portanto, os especialistas recomendam fortemente aderir aos protocolos de segurança e ter cautela ao operar equipamentos de soldagem a laser de fibra.

3. Marcação e gravação a laser

Marcação e gravação a laser é um processo que utiliza um feixe de laser de alta potência para criar texto ou imagens removendo ou alterando a camada superficial de vários materiais sem comprometer sua integridade estrutural. Essa técnica está ganhando popularidade, e você já pode ter itens que apresentam marcações de laser de fibra.

A marcação a laser de fibra é comumente empregada para imprimir códigos de barras, números de série, especificações de produtos, instruções e logotipos em itens, aumentando sua exclusividade e ajudando a evitar falsificações.

Gravação a laser distingue-se de outros métodos pela sua capacidade de gravar uma ampla gama de materiais, incluindo metais que os lasers de CO2 não conseguem manusear. Estima-se que os lasers de fibra podem gravar efetivamente mais de trinta materiais diferentes, incluindo metal, alumínio, latão, cobre, vidro e plásticos. Na verdade, os lasers de fibra podem até gravar materiais orgânicos, como madeira e couro.

As máquinas de laser de fibra estão disponíveis em opções de escala comercial adequadas para empresas de manufatura de pequeno a grande porte. Além disso, os amadores do dia a dia podem aproveitar as vantagens de máquinas de laser de fibra menores e portáteis prontamente disponíveis online. Normalmente, uma máquina de laser com uma potência de saída de 20-30 watts é suficiente para gravar vários materiais e pode até cortar chapas de metal muito finas.

4. Limpeza a laser de fibra

Limpeza a laser de fibra é uma técnica revolucionária que remove efetivamente ferrugem, corrosão, tinta e sujeira de superfícies metálicas queimando e vaporizando camadas indesejadas. Este processo, conhecido como “ablação a laser”, oferece uma gama de aplicações em vários setores.

Quando se trata de limpeza, a tecnologia de laser de fibra se destaca por sua velocidade, eficiência e custo-benefício. Os métodos tradicionais de remoção de ferrugem geralmente dependem de oxidação e processos químicos que podem ser demorados e ineficazes. Em contraste, a limpeza a laser de fibra não é apenas eficaz, mas também ecologicamente correta.

Muitas pessoas recorrem à remoção manual de ferrugem e corrosão usando escovas de arame de aço, um método que exige muito trabalho e muitas vezes é ineficiente. Com a limpeza a laser de fibra, no entanto, qualquer peça metálica pode ser limpa independentemente de seu formato ou tamanho, tornando-a uma solução altamente flexível. Além disso, o processo é visualmente satisfatório de observar, pois restaura rapidamente as superfícies à sua condição original.

Os avanços na tecnologia de laser de fibra reduziram significativamente os custos das unidades de limpeza de ferrugem, tornando esse método inovador mais acessível do que nunca.

5. Materiais de perfuração a laser

Embora os lasers possam não ser a primeira tecnologia que vem à mente para perfuração, perfuração a laser de fibra está rapidamente ganhando reconhecimento como uma solução líder no setor de perfuração de precisão.

Diferentemente dos métodos tradicionais de perfuração que utilizam brocas rotativas convencionais, a perfuração a laser de fibra emprega feixes de laser de alta intensidade para criar furos precisos. Essa técnica tem se tornado cada vez mais popular para perfuração de placas de circuito impresso (PCBs) no setor eletrônico devido à sua precisão de nível micro.

A perfuração a laser de fibra é altamente eficiente e econômica. Uma vantagem significativa desse método é que não há necessidade de substituir brocas, o que pode economizar tempo e reduzir custos operacionais. Entender o impacto dos parâmetros do processo nos resultados da perfuração é crucial para otimizar o desempenho.

As máquinas modernas de laser de fibra são capazes de perfurar uma variedade de materiais, incluindo ligas, compostos, cerâmicas, vidro de sílica e metais. No entanto, essa tecnologia de ponta ainda é relativamente nova e é mais adequada para instalações de produção em larga escala que podem investir em suas capacidades avançadas.

6. Revestimento a laser

Revestimento a laser de fibra é um processo avançado que envolve depositar um material — tipicamente em pó ou em forma de fio — na superfície de outro material. Esta técnica serve para revestir componentes mecânicos, reparando-os e protegendo-os efetivamente.

Neste processo, o laser de fibra gera uma poça de fusão na superfície do material base, onde o pó metálico é introduzido e subsequentemente se liga ao substrato. A precisão desta técnica é notável, pois o laser permite aquecimento altamente controlado e precisão no posicionamento.

Uma das características de destaque do revestimento a laser é que a ligação formada entre a camada depositada e o material base está no nível metalúrgico, resultando em uma ligação que é frequentemente mais forte e durável do que métodos tradicionais como pulverização ou galvanoplastia. Isso torna o revestimento a laser de fibra uma escolha ideal para aumentar a longevidade e o desempenho de componentes críticos.

Laser de fibra em diversas aplicações industriais

1. Eletrônica e Semicondutores

A indústria de eletrônicos e semicondutores requer precisão, geralmente em um nível microscópico, o que é muito difícil de atingir usando processos de fabricação tradicionais. Máquinas de laser de fibra, por outro lado, são perfeitas para tais aplicações. É por isso que estamos vendo a tecnologia continuar diminuindo de tamanho, ao mesmo tempo em que hospeda um poder de processamento extraordinário.

2. Indústria automotiva, aeroespacial e marítima

Carros, aviões, navios e trens estão avançando continuamente, e a demanda por máquinas mais eficientes está aumentando. Com as capacidades supremas de corte e soldagem do laser de fibra, vemos a tecnologia em tais indústrias crescer rapidamente. Hoje em dia, os lasers de fibra são usados para soldar a pele de titânio de aeronaves, o que é um processo necessário.

Além dos lasers de fibra dopados com itérbio (Yb3+), outros como os diodos laser de bombeamento Tm3+ e Ho+3 também funcionam muito bem em materiais não metálicos e transparentes, respectivamente.

Os lasers de fibra aumentaram a eficiência do processo de usinagem, resultando em maiores lucros e menores prazos de entrega. Também ajudaram a reduzir o custo dos produtos finais para os clientes.

3. Indústria Médica

A fabricação de equipamentos médicos geralmente tem um erro mínimo porque afeta diretamente vidas humanas. O laser de fibra é mais adequado para tal indústria por causa de suas capacidades de fabricação precisas e de alta qualidade.

Além disso, os lasers também são usados para tratar células cancerígenas e remover pedras de órgãos humanos. As aplicações de lasers de fibra óptica no campo médico são vastas e estão em constante evolução.

O que procurar em um laser de fibra?

Fonte de laser 

Os lasers de fibra exibem variações com base no material misturado com a fonte do laser. Vários exemplos incluem lasers de fibra dopados com itérbio, lasers de fibra dopados com túlio e lasers de fibra dopados com érbio. Esses tipos distintos de lasers de fibra são empregados para diversas aplicações devido à sua capacidade de gerar diferentes comprimentos de onda. 

Modo de operação 

Vários tipos de lasers emitem feixes de laser de diferentes maneiras. Os feixes de laser podem ser gerados por meio de lasers de fibra pulsada, que operam pulsando em uma taxa de repetição específica para atingir potências de pico altas. Isso é comumente observado em lasers conhecidos como lasers "q-switched", "gain-switched" e "mode-locked". Por outro lado, os feixes de laser também podem ser contínuos, o que significa que eles emitem continuamente uma quantidade consistente de energia. Essa emissão contínua é tipicamente vista em lasers chamados "lasers de fibra de onda contínua". 

Potência do laser 

A potência de um laser é medida em watts e indica a potência média do feixe de laser. Por exemplo, há lasers de fibra de 20 W, lasers de fibra de 60 W e várias outras opções de potência disponíveis. Um laser de alta potência tem a capacidade de gerar energia em uma taxa mais rápida em comparação com lasers de baixa potência. 

Modo

O modo de uma fibra óptica se refere ao tamanho do núcleo através do qual a luz viaja. Existem duas categorias de modos: lasers de fibra monomodo e lasers de fibra multimodo. Em lasers monomodo, o diâmetro do núcleo é menor, geralmente variando entre 8 e 9 micrômetros. Por outro lado, os lasers multimodo têm um diâmetro de núcleo maior, geralmente entre 50 e 100 micrômetros. Como uma diretriz geral, os lasers monomodo são mais eficientes em transportar luz laser e exibem qualidade de feixe superior em comparação aos lasers multimodo.

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