Ако все още не сте запознати с основния принцип, на който се основават всички лазери — усилване на светлината чрез стимулирана емисия — започнете оттук: Какво е лазер и как работи? Отвъд тази обща основа лазерните машини се различават значително в зависимост от лазерния си източник.
Източникът определя три практически резултата: с кои материали взаимодейства лъчът, как е конструирана и поддържана машината и колко струва експлоатацията ѝ във времето. CO₂ тръбата, оптичният модул, диодната решетка и източникът на базата на UV кристал са различни технологии с различни дължини на вълната, различни методи за генериране на светлина и — в някои случаи — различни режими на работа режими на работа, като например непрекъснати или импулсни лазери.
Експлоатационните разходи следват подобна тенденция. CO2 тръбите и диодните модули обикновено са по-евтини за подмяна поотделно, но оптичните лазерни източници обикновено издържат значително по-дълго при непрекъсната употреба. Общите разходи за притежание зависят както от начина на използване, така и от първоначалната покупна цена.
Машина, изградена на базата на един тип източник, не е по-мощна или по-слаба версия на машина, изградена на базата на друг — източникът определя какво може и какво не може да прави, независимо от добавената мощност.
CO₂ лазери
Как работи CO₂ лазерът
CO₂ лазерът генерира лъча си вътре в запечатана тръба, пълна със смес от газове — обикновено въглероден диоксид, азот и хелий. Електрически разряд възбужда молекулите на газа, произвеждайки светлина с дължина на вълната 10,6 µm, в далечната инфрачервена област.
Тази дължина на вълната се абсорбира ефективно от органичните материали — молекулярните връзки в дървото, акрила и подобни материали реагират лесно на инфрачервената енергия при тази честота. Металите, от друга страна, отразяват по-голямата част от тази дължина на вълната, вместо да я абсорбират, което ограничава това, което CO2 лазерът може да обработва при типичните нива на мощност на машината. Лъчът преминава през поредица от огледала, преди да достигне фокусиращата леща; подреждането на огледалата влияе върху качеството на рязането и е част от рутинната поддръжка.
CO2 лазерите са най-подходящи за
CO2 лазерите са стандартният източник за лазерни машини за рязане и гравиране с ЦПУ, работещи с неметални материали: дърво, акрил, тъкан, кожа, хартия и каучук. Настолните машини и тези за малки работилници обикновено работят в диапазона 40 W–150 W, докато индустриалните CO₂ системи за рязане на неметални материали могат да достигнат няколкостотин вата. С тръба с висока мощност (150 W+) и специализирана режеща глава някои CO₂ машини могат да режат и тънка стомана — до ~1,5 mm с добри резултати, а до 2–3 mm с някои компромиси по отношение на качеството на ръбовете.
Високомощните CO₂ лазери — обикновено започващи от 1,5–2 kW и достигащи до 6 kW или повече за по-дебели листове — се използват в тежката промишленост за рязане на метал. При мощност 40–150 W обаче CO₂ остава технология, която не се използва за метал: това ниво на мощност е недостатъчно за рязане на гол метал, независимо от настройките на машината.
За пълно обяснение на генерирането на лъча и различните типове CO₂ тръби вижте Какво е CO₂ лазер: Как работи CO2 лазерната технология.
Оптични лазери
Как работи оптичният лазер
Оптичният лазер е твърдотелен лазер, който използва оптично влакно, легирано с итербий, като среда за усилване. Диодни лазери подават енергия в това влакно, което усилва светлината и я излъчва при дължина на вълната приблизително 1,06 μm (1064 nm) — дължина на вълната в близкия инфрачервен диапазон.
За разлика от излъчването на CO2 с дължина на вълната 10,6 μm, тази дължина на вълната се абсорбира ефективно от металите, включително стомана, алуминий, месинг и мед, което прави фибровите лазери доминиращ източник за лазерни машини за металообработка.
Оптичните лазери работят в два основни режима: непрекъсната вълна (CW), при която лъчът работи с постоянна мощност — типично за рязане и заваряване — и импулсни или MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) конфигурации, които позволяват независим контрол на продължителността на импулса и пиковата мощност. Оптичните източници от типа MOPA са широко разпространени при маркирането и гравирането, където прецизният контрол върху енергията на импулса влияе върху цвета, дълбочината и повърхностната обработка.
Оптичните лазери са най-подходящи за
Комбинацията от дължина на вълната, абсорбирана от метала, и гъвкавата импулсна работа CW/импулсна работа е причината, поради която влакнестите лазери захранват няколко различни категории машини: машини за рязане на ламарина, системи за маркиране на серийни номера и баркодове, системи за заваряване и системи за почистване, които премахват ръжда, боя или покрития от метални повърхности.
Тъй като лъчът, насочван през оптичното влакно, поддържа строг фокус върху малка площ, оптичните лазери постигат фини детайли и високи скорости на обработка на метал в сравнение с по-старите твърдотелни лазери при сходни нива на мощност. Оптичните влакна до голяма степен изместиха технологии като Nd:YAG, като предлагат по-висока електрическа ефективност, по-дълъг експлоатационен живот и по-ниски разходи за поддръжка — няма нужда от подмяна на светкавична лампа или лазерен кристал.
Повечето малки и средни производствени цехове използват машини за рязане с оптични влакна в диапазона от 1 kW до 6 kW. Машините с мощност под 1 kW обикновено обработват тънки листове с дебелина под около 3 mm, докато системите с мощност над 12 kW се използват за рязане на дебели плочи в тежки промишлени условия.
Продължителността на експлоатация на оптичния източник е практическо предимство пред CO₂. Производители като IPG Photonics посочват, че експлоатационният срок на помпените диоди надхвърля 100 000 часа при използване на единични емитери от телекомуникационен клас. Източници от индустрията по-често посочват практически работен диапазон от 80 000–100 000 часа за премиум марки (IPG, Raycus, MAX Photonics), като за източниците от среден клас обикновено се посочват стойности в диапазона 60 000–90 000 часа — всички те значително по-дълги от стъклените CO₂ тръби и отразяващи липсата на каквито и да било консумативи като газ или оптични елементи вътре в източника.
Машината с влакнест лазер не е един-единствен тип продукт. Машината за рязане с влакнест лазер, машината за маркиране с влакнест лазер и машината за заваряване с влакнест лазер са различни машини, изградени на базата на една и съща технология на източника, като всяка от тях е разгледана по-подробно в „Какво е влакнест лазер: Как работи технологията на влакнестия лазер“
Диодни лазери
Как работи диодният лазер
Диодният лазер преобразува електрическия ток директно в светлина при p-n преход на полупроводник — без участието на газ, оптично влакно или кристална усилвателна среда. В лазерни машини като гравиращи и режещи машини диодните лазери обикновено излъчват при 445–450 nm, което е синя дължина на вълната.
Това е различно приложение на диодната технология от помпените диоди, използвани във влакнестите и DPSS лазерите, които работят при дължини на вълната от около 800–980 nm — разлика, която често се бърка в описанията на продуктите.
Диодните лазери също така създават по-голям размер на фокусираното петно в сравнение с газовите или влакнестите лазери със съпоставима мощност. Това влияе върху прецизността и дълбочината на рязане: диодният лазер може да гравира фини детайли върху тънки материали, но реже по-бавно и на по-малка дълбочина в сравнение с влакнестия или CO₂ лазер при една и съща номинална мощност. При детайлни проекти тази разлика в качеството на лъча може също да повлияе на това колко чисто се възпроизвеждат много фините линии, въпреки че за повечето любителски проекти разликата не се забелязва.
Диодните лазери са най-подходящи за
Диодните лазери са стандартният източник за гравиращи и режещи машини от начален клас и настолни модели, работещи с тънки органични материали — шперплат, липа, кожа, картон и някои пластмаси (с повишено внимание, тъй като определени пластмаси отделят вредни изпарения при рязане с какъвто и да е тип лазер).
Преди да се сравняват техническите характеристики, заслужава да се отбележи един проблем с етикетирането: производителите често посочват мощността на диодния лазер като електрическа входна мощност, а не като оптична изходна мощност. Модул, предлаган на пазара като „40 W“, може да има значително по-ниска действителна оптична мощност, отколкото предполага етикетът — понякога с голяма разлика, в зависимост от производителя. Проверката на оптичната мощност, а не само на посочената стойност, дава по-точна основа за сравнение на машините.
Диодните модули също постепенно губят оптична мощност през целия си експлоатационен срок и изискват периодично почистване на лещите, но освен това нямат други износващи се оптични елементи. Определените от производителя срокове на експлоатация за диодните модули, използвани в лазерните машини, обикновено се посочват в диапазона от 10 000 до 20 000 часа, въпреки че добре поддържаните модули в по-хладни работни условия могат да надхвърлят този срок.
За пълно разграничение между диодни лазери за гравиране и диоди за помпа вижте „Какво е диоден лазер: Как работи диодната лазерна технология“
Ултравиолетови лазери
Как работи ултравиолетовият лазер
Ултравиолетовият лазер, използван в лазерните машини, е твърдотелен лазер с диодно помпено захранване (DPSS). Основният елемент е кристал, легиран с неодим, който генерира първоначален лъч в близкия инфрачервен диапазон.
След това този лъч преминава през нелинейни кристали, които го преобразуват в третата му хармоника, генерирайки изходна дължина на вълната от приблизително 355 nm в ултравиолетовия диапазон. Тъй като това преобразуване се осъществява чрез нелинейни кристали, а не чрез друга среда с усилване, УВ лазерните източници споделят някои компоненти с други DPSS лазери, макар че оптиката и кристалите са специално настроени за ултравиолетов изход. УВ лазерите работят с къси импулси, а не с непрекъсната вълна, като всеки импулс трае от порядъка на наносекунди.
Комбинацията от къса дължина на вълната и кратка продължителност на импулса води до т.нар. „студена обработка“: лазерната енергия се абсорбира на повърхността на материала и предизвиква фотохимична реакция, а не термична. Резултатът е зона, засегната от топлината, която е много по-малка в сравнение с тази, която CO₂-лазерите, влакнестите лазери или диодните лазери създават върху същия материал.
UV лазерите са най-подходящи за
Студената обработка прави UV лазерите подходящи за материали, които се повреждат от топлина, дори и за кратко. При термочувствителни пластмаси CO₂ или влакнест лазер може да стопи или обезцвети околния материал; UV лазерът маркира повърхността без тези ефекти. При стъклото важи същият принцип — UV лазерът предотвратява появата на микропукнатини, които термичните лазери могат да причинят около маркираната зона.
Тези свойства правят UV лазерите широко използвани при маркирането на опаковки за храни и фармацевтични продукти, където процесът не трябва да променя химичния състав или структурната цялост на опаковъчния материал в близост до маркировката.
Ултравиолетовите (DPSS) източници като цяло изискват най-много поддръжка от четирите вида — нелинейните кристали, използвани за преобразуване на честотата, са чувствителни към замърсяване и се износват по-бързо от източника на влакнест лазер. Фотоувреждането и замърсяването на нелинейните кристали във фокусната точка са известен механизъм на износване; някои търговски UV лазери решават този проблем, като периодично преместват лъча към незасегната област на кристала. Оценяваната от производителя експлоатационна продължителност на UV DPSS източниците обикновено е в диапазона от 10 000000–20 000 часа, което отразява както живота на помпения диод, така и скоростта на износване на кристала.
Ултравиолетовите лазери не са просто „по-скъпи влакнести лазери“. Влакнест лазер с по-висока мощност доставя повече топлинна енергия, докато ултравиолетовият лазер променя типа на взаимодействието между лъча и материала — разликата произтича от дължината на вълната и характеристиките на импулса, а не само от мощността. За повече подробности вижте „Какво е UV лазер: Как работи UV лазерната технология“
Сравнение на видовете лазери
Таблицата по-долу обобщава дължината на вълната, механизма на източника, типичния диапазон на мощността, ефективността на захранването, приблизителния експлоатационен живот на източника, основните материали и типичните видове машини за всеки от четирите вида лазери, разгледани по-горе.
Сравнение на типовете CO₂, влакнести, диодни и УВ лазери
| Тип лазер | Дължина на вълната | Механизъм на източника | Типичен диапазон на мощността | Ефективност на зарядното устройство | Типичен експлоатационен срок на източника | Основни материали | Типични видове машини |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CO₂ | ~10,6 µm | Газов разряд (смес от CO₂/N₂/He) | 40–150 W (настолни); до няколкостотин W (промишлени) | ~5–20% (стъклена тръба) | 2 000–8 000 h (стъклена тръба); 20 000–45 000 ч (RF тръба) | Дърво, акрил, кожа, плат, хартия, каучук | CNC лазерни резачки и гравиращи машини (за неметални материали) |
| Оптични влакна | ~1,06 μm (1064 nm) | Оптично влакно, легирано с итербий и с диодно помпено захранване | 20–100 W (маркиране); 500 W–12 kW+ (рязане) | >30–40% (стандартно); до ~50% (модели с висока ефективност) | 80 000–100 000 h (премиум марки) | Стомана, алуминий, месинг, мед | Машини за рязане, маркиране, заваряване, почистване |
| Диод | ~445–450 nm | Полупроводник (p-n преход) | оптична мощност ~5–40 W | ~30–45% (гол диод); по-нисък на системно ниво | 10 000–20 000 ч (типично) | Тънко дърво, кожа, картон, някои пластмаси | Начални модели настолни гравиращи и режещи машини |
| UV | ~355 nm (трета хармоника) | DPSS (кристал, легиран с Nd + нелинеен кристал), импулсен | Обикновено средна мощност 1–10 W | ~5–10 % | 10 000–20 000 ч | Термочувствителни пластмаси, стъкло, опаковки за храни/фармацевтични продукти | Специализирани системи за маркиране |
Тези стойности са типични диапазони, а не фиксирани граници — действителните спецификации варират в зависимост от производителя и модела. Посоченият по-горе диапазон на диодите отразява оптичната мощност; както се обяснява в раздела „Диодни лазери“, посочената мощност в ватове често се отнася до електрическата входна мощност, която може да бъде значително по-висока от действителната оптична мощност на лазера.
Кой тип лазер е подходящ за вашия проект?
Съвместимостта с материала е първият критерий; мощността и бюджетът са на второ място. При типичните лазерни машини с мощност, подходяща за работилници и малки предприятия, дължината на вълната на всеки тип лазер определя кои материали може да обработва — независимо от това колко мощност има машината.
- Рязане или гравиране на дърво, акрил, кожа или тъкан: CO₂ е утвърденият избор за обеми, характерни за работилници и малки предприятия; диодните лазери са подходящи за гравиране в хоби мащаб върху по-тънки материали при по-ниска начална цена.
- Рязане, маркиране, заваряване или почистване на метал: фибровият лазер е единственият практически вариант сред четирите — дължините на вълната на CO2, диодните и UV лазерите не се абсорбират ефективно от повечето метали.
- Термочувствителни пластмаси, стъкло, маркиране на опаковки за храни/лекарства или силно отразяващи метали (мед, злато и подобни): УВ лазерът предотвратява обезцветяването и микропукнатините, които термичните лазери могат да причинят върху термочувствителни материали, а късата му дължина на вълната се абсорбира ефективно от отразяващите метали, които разсейват енергията на фибровия лазер.
Някои машини комбинират приставки около един източник, но като правило всеки от изброените тук типове лазери определя отделна продуктова категория, а не допълнителна функция. Бюджетът става важен, след като съвместимостта с материала стесни избора — изборът, основан единствено на цената, преди да се потвърди, че даденият тип лазер може да обработва желания материал, е най-често срещаната и най-скъпата грешка.
Класификацията на лазерите и изискванията за безопасност (защитни камери, блокиращи устройства, очила) също се различават значително между тези видове лазери — вижте „4 вида лазерни класове: Пълно ръководство“ за подробности, преди да изберете оборудване.
Често задавани въпроси за видовете лазери
Може ли CO₂ лазер да реже метал?
С стандартна настолна тръба (40–150 W) — не, тъй като това ниво на мощност е недостатъчно за рязане на необработен метал. С тръба с висока мощност (150 W+) и специализирана режеща глава обаче CO₂ машините могат да режат тънка стомана: до ~1,5 мм с приемливо качество и до 2–3 мм с някои компромиси по отношение на финишната обработка на ръбовете. При по-голяма дебелина фибровият лазер е по-практичният избор — фибровият лазер реже метал по-ефективно при сравними нива на мощност и поддържа по-добро качество при по-дебели листове.
Дали диодният лазер е толкова мощен, колкото предполага обявената му мощност?
Често не е така. Производителите обикновено посочват мощността на диодния лазер като електрическа входна мощност, а не като оптична изходна мощност — действителната светлинна енергия, достигаща материала, може да бъде значително по-ниска от посочената стойност, понякога дори с голяма разлика. Проверката на спецификациите за оптичната изходна мощност дава по-точно сравнение.
Защо бих имал нужда от УВ лазер вместо от влакнест лазер?
Ултравиолетовите лазери използват „студена“ обработка — къси импулси при 355 nm, които маркират повърхности с минимален топлообмен. Това е важно за термочувствителни пластмаси, стъкло, както и опаковки за храни или фармацевтични продукти, където топлинната енергия на влакнестия лазер би могла да разтопи, обезцвети или да предизвика микропукнатини в материала около маркировката.
Кой тип лазер е подходящ за малък бизнес, който тепърва започва?
Това зависи от материалите, които се обработват най-често. Фирмите, работещи предимно с дърво, акрил или кожа, обикновено започват с CO₂ или диоден лазер. Фирмите, специализирани в маркирането или рязането на метал, се нуждаят от фиброви лазер, независимо от бюджета, тъй като другите видове изобщо не могат да обработват метал.
