Kui te pole veel kursis kõigi laserite taga peituva põhimõttega – stimuleeritud emissiooni kaudu võimendatud valgus – siis alustage siit: Mis on laser ja kuidas see töötab? Selle ühise aluse kõrval erinevad lasermasinad oluliselt vastavalt oma laserallikale.
Allikas määrab kolm praktilist tulemust: milliste materjalidega kiir suhtleb, kuidas seade on ehitatud ja hooldatud ning kui palju maksab selle pikaajaline kasutamine. CO₂-toru, kiudoptiline moodul, dioodide massiiv ja UV-kristallipõhine allikas on erinevad tehnoloogiad, millel on erinevad lainepikkused, erinevad valguse genereerimise meetodid ja — mõnel juhul — erinevad töörežiimid, nagu näiteks pidev- või impulsslaserid.
Käitamiskulud järgivad sarnast mustrit. CO₂-torude ja dioodimoodulite eraldi asendamine on tavaliselt odavam, kuid kiudlaserallikad kestavad pideva kasutuse korral märkimisväärselt kauem. Kogu omamiskulu sõltub nii kasutusmustritest kui ka esialgsest ostuhinnast.
Ühe allikatüübi põhjal ehitatud seade ei ole teise allikatüübi põhjal ehitatud seadme võimsam või vähem võimas versioon – allikas määrab, mida see suudab ja mida mitte, sõltumata sellest, kui palju võimsust lisatakse.
CO₂-laserid
Kuidas CO₂-laser töötab
CO₂-laser tekitab oma kiire suletud torus, mis on täidetud gaaside seguga — tavaliselt süsinikdioksiid, lämmastik ja heelium. Elektrilahendus ergutab gaasimolekule, tekitades valgust lainepikkusega 10,6 µm, mis kuulub kaug-infrapunasse.
Seda lainepikkust neelavad orgaanilised materjalid tõhusalt – puidu, akrüüli ja sarnaste materjalide molekulaarsidemed reageerivad hõlpsasti selle sagedusega infrapunakiirgusele. Metallid aga peegeldavad enamiku sellest lainepikkusest, mitte ei neela seda, mis piirab seda, mida CO₂-laser suudab töötleda masina tüüpilistel võimsustasemetel. Kiir liigub läbi peeglite jada, enne kui jõuab fookusläätseni; peeglite joondamine mõjutab lõikekvaliteeti ja on osa rutiinsest hooldusest.
CO₂-laserid sobivad kõige paremini
CO2-laserid on standardne allikas CNC-laserlõikuritele ja graveerijatele, mis töötavad mittemetalliliste materjalidega: puit, akrüül, kangas, nahk, paber ja kummi. Laua- ja väikeste töökodade seadmed töötavad tavaliselt võimsusvahemikus 40–150 W, samas kui mittemetallide lõikamiseks mõeldud tööstuslikud CO₂-süsteemid võivad ulatuda mitmesaja vatti. Suure võimsusega toruga (150 W+) ja spetsiaalse lõikepea abil suudavad mõned CO₂-seadmed lõigata ka õhukest terast – kuni ~1,5 mm heade tulemustega ning kuni 2–3 mm, tehes mõningaid kompromisse servade kvaliteedi osas.
Suure võimsusega CO₂-laserid – mille võimsus algab tavaliselt 1,5–2 kW juurest ja ulatub paksemate lehtmetalli lõikamiseks kuni 6 kW-ni või enam — on olemas rasketööstuses metalli lõikamiseks. Kuid võimsusvahemikus 40–150 W jääb CO₂-tehnoloogia siiski mittemetallide lõikamiseks: see võimsustase ei ole piisav palja metalli lõikamiseks, hoolimata sellest, kuidas masin on seadistatud.
Kiire tekkimise ja erinevate CO2-torutüüpide täieliku selgituse leiate aadressilt Mis on CO2-laser: kuidas CO2-lasertehnoloogia töötab.
Kiudlaserid
Kuidas töötab kiudlaser
Kiudlaser on tahkislaser, mis kasutab võimenduskeskmena ütterbiumiga legeeritud optilist kiudu. Dioodlaserid pumbavad sellesse kiudu energiat, mis võimendab valgust ja kiirgab seda lainepikkusel umbes 1,06 μm (1064 nm) – lähi-infrapuna lainepikkusel.
Erinevalt CO₂-laseri 10,6 µm väljundlainepikkusest neelavad seda lainepikkust tõhusalt metallid, sealhulgas teras, alumiinium, messing ja vask, mis teeb kiudlaserist peamise allika metallitöötlemise lasermasinate jaoks.
Kiudlaserid töötavad kahes peamises režiimis: pidevlaine (CW), kus kiir töötab konstantse võimsusega – tüüpiline lõikamisel ja keevitamisel – ning impulss- või MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) konfiguratsioonides, mis võimaldavad impulsi kestuse ja tippvõimsuse sõltumatut reguleerimist. MOPA-kiudlaserallikaid kasutatakse sageli märgistamisel ja graveerimisel, kus impulsi energia täpne reguleerimine mõjutab värvi, sügavust ja pinna viimistlust.
Kiudlaserid sobivad kõige paremini
Metalli neelava lainepikkuse ja paindliku CW/impulssrežiimi kombinatsioon on põhjus, miks kiudlaserid on aluseks mitmetele erinevatele masinakategooriatele: lehtmetalli lõikamismasinad, seerianumbrite ja vöötkoodide märgistamissüsteemid, keevitussüsteemid ning puhastussüsteemid, mis eemaldavad metallpindadelt roostet, värvi või katteid.
Kuna kiudoptilise kiire fookus on väikese laigusuurusega tihedalt koondatud, kiudlaserid tagavad metallil suure detaili täpsuse ja kiire töötlemiskiiruse võrreldes vanemate samavõimsusega tahkislaseritega. Kiudlaserid on suures osas asendanud sellised tehnoloogiad nagu Nd:YAG, pakkudes suuremat elektrilist kasutegurit, pikemat tööiga ning vähem hooldust — pole vaja vahetada välklampi ega laserkristalli.
Enamik väikeseid ja keskmise suurusega töötlemisettevõtteid kasutab kiudlaserlõikureid võimsusvahemikus 1 kW–6 kW. Alla 1 kW võimsusega masinad töötlevad tavaliselt kuni umbes 3 mm paksust lehte, samas kui üle 12 kW võimsusega süsteeme kasutatakse paksude plaatide lõikamiseks rasketööstuses.
Kiudoptilise allika kasutusiga on praktiline eelis võrreldes CO₂-ga. Sellised tootjad nagu IPG Photonics nimetavad telekommunikatsioonitasemeliste üheemitteritega pumpdioodide kasutusajaks üle 100 000 tunni. Tööstusallikad viitavad sagedamini praktilisele töövahemikule 80 000–100 000 tundi000–100 000 tundi (IPG, Raycus, MAX Photonics), kusjuures keskklassi allikate puhul nimetatakse tavaliselt vahemikku 60 000–90 000 tundi — kõik need on märkimisväärselt pikemad kui klaasist CO₂-torude eluea ja peegeldavad asjaolu, et allika sees puuduvad tarbitavad gaasid või optilised elemendid.
Kiudlaseriga seade ei ole üksainus tootetüüp. Kiudlaseriga lõikeseade, kiudlaseriga märgistusseade ja kiudlaseriga keevitusseade on erinevad seadmed, mis on ehitatud sama allikatehnoloogia baasil; neid kõiki on üksikasjalikumalt käsitletud artiklis „Mis on kiudlaser: kuidas kiudlasertehnoloogia töötab“
Dioodlaserid
Kuidas toimib dioodlaser
Dioodlaser muudab elektrivoolu otse valguseks pooljuhtide p-n-üleminekus — selles ei osale gaasi, kiudu ega kristallilist võimenduskeskkonda. Sellistes lasermasinates nagu graveerijad ja lõikurid kiirgavad dioodlaserid tavaliselt 445–450 nm pikkusel sinisel lainepikkusel.
See on diooditehnoloogia teistsugune rakendus võrreldes kiud- ja DPSS-laserites kasutatavate pumpdioodidega, mis töötavad lainepikkusel umbes 800–980 nm – see erinevus ajatakse tootekirjeldustes sageli segamini.
Dioodlaserid tekitavad ka suurema fookuspunktiga kiire kui võrreldava võimsusega gaasi- või kiudlaserid. See mõjutab täpsust ja lõikesügavust: dioodlaser suudab graveerida peeneid detaile õhukestele materjalidele, kuid lõikab sama nimivõimsuse juures aeglasemalt ja madalamale kui kiud- või CO₂-laser. Detailsetel kujundustel võib see kiire kvaliteedi erinevus mõjutada ka seda, kui puhtalt väga peened jooned taasesitatakse, kuigi enamiku hobiprojektide puhul ei ole seda erinevust märgata.
Dioodlaserid sobivad kõige paremini
Dioodlaserid on standardne valgusallikas algtaseme ja lauaarvuti graveerijate ja lõikurite jaoks, mis töötavad õhukeste orgaaniliste materjalidega — vineer, lehis, nahk, papp ja mõned plastid (ettevaatlikult, kuna teatud plastid eraldavad kahjulikke aure, kui neid lõigata mis tahes tüüpi laseriga).
Enne spetsifikatsioonide võrdlemist tasub tähelepanu juhtida ühele märgistamisprobleemile: tootjad märgivad dioodlaseri võimsuse sageli elektrilise sisendvõimsusena, mitte optilise väljundvõimsusena. Moodul, mida turustatakse „40 W“ märgistusega, võib tegelikult omada märksa madalamat optilist väljundvõimsust, kui märgistusest võiks järeldada — sõltuvalt tootjast mõnikord isegi märkimisväärselt madalamat. Optilise väljundvõimsuse kontrollimine, mitte ainult pealkirjas esitatud numbri vaatamine, annab seadmete võrdlemiseks täpsema aluse.
Dioodmoodulid kaotavad oma kasutusaja jooksul järk-järgult optilist väljundvõimsust ja vajavad perioodiliselt läätsede puhastamist, kuid muid kuluvad optilisi osi neil pole. Laserseadmetes kasutatavate dioodimoodulite tootja poolt määratud kasutusiga on tavaliselt vahemikus 10 000–20 000 tundi, kuigi hästi hooldatud moodulid jahedamas töökeskkonnas võivad seda ületada.
Graveerimisdioodlaserite ja pumbadioodide täieliku eristuse kohta vaadake artiklit „Mis on dioodlaser: kuidas dioodlasertehnoloogia töötab“
UV-laserid
Kuidas UV-laser töötab
Lasermasinates kasutatav UV-laser on dioodpumbaga tahkislaser (DPSS). Selle tuumaks on neodüümiga legeeritud kristall, mis tekitab esialgse kiire lähi-infrapunases vahemikus.
See kiir läbib seejärel mittelineaarsed kristallid, mis muundavad selle kolmandaks harmoonikuks, tekitades väljundlainepikkuse umbes 355 nm ultraviolettpiirkonnas. Kuna see muundamine toimub mittelineaarsete kristallide kaudu, mitte teise võimenduskeskkonna kaudu, on UV-laserallikatel mõned komponendid ühised teiste DPSS-laseritega, kuigi optika ja kristallid on spetsiaalselt häälestatud ultraviolettkiirguse jaoks. UV-laserid töötavad lühikeste impulsidega, mitte pideva lainega, kusjuures iga impulsi kestus on nanosekundite suurusjärgus.
Lühikese lainepikkuse ja lühikese impulsi kestuse kombinatsioon tekitab niinimetatud külmtöötluse: laserenergia neeldub materjali pinnal ja käivitab pigem fotokeemilise kui termilise reaktsiooni. Selle tulemusena on soojusmõjutatud tsoon palju väiksem kui CO₂-, kiud- või dioodlaserite puhul samal materjalil.
UV-laserid sobivad kõige paremini
Külmtöötlemise tõttu sobivad UV-laserid materjalidele, mida isegi lühiajaline kuumus kahjustab. Kuumustundlikel plastidel võib CO₂- või kiudlaser ümbritseva materjali sulatada või värvi muuta; UV-laser märgistab pinda ilma nendeta mõjudeta. Klaasi puhul kehtib sama põhimõte – UV-laser vältib mikropraod, mida termilased võivad märgistatud ala ümbruses tekitada.
Need omadused muudavad UV-laserid levinuks toiduainete ja ravimite pakendite märgistamisel, kus protsess ei tohi muuta märgistuse läheduses asuva pakkematerjali keemilist koostist ega struktuurilist terviklikkust.
UV (DPSS) allikad on neljast üldiselt kõige hooldusmahukamad – sagedusmuundamiseks kasutatavad mittelineaarsed kristallid on tundlikud saastumise suhtes ja kuluvad kiiremini kui kiudlaserallikas. Fokaalpunktis asuvate mittelineaarsete kristallide fotokahjustus ja saastumine on tuntud kulumismehhanism; mõned kaubanduslikud UV-laserid lahendavad selle probleemi, nihutades kiirt perioodiliselt kristalli kahjustamata piirkonda. Tootja poolt määratud UV-DPSS-allikate eluiga on tavaliselt vahemikus 10 000–20 000 tundi, mis peegeldab nii pumbadioodi eluiga kui ka kristalli kulumise kiirust.
000–20 000 tunni vahemikus, mis peegeldab nii pumbadioodi eluiga kui ka kristalli kulumise kiirust.UV-laserid ei ole lihtsalt „kallimad kiudlaserid“. Suurema võimsusega kiudlaser annab rohkem soojusenergiat, samas kui UV-laser muudab kiire ja materjali vahelise vastastikmõju laadi – erinevus tuleneb lainepikkusest ja impulsi omadustest, mitte ainult võimsusest. Täpsema teabe saamiseks vaadake artiklit „Mis on UV-laser: kuidas UV-lasertehnoloogia töötab“
Lasertüüpide võrdlus
Allpool olevas tabelis on kokku võetud eespool käsitletud nelja lasertüübi lainepikkus, allika toimimismehhanism, tüüpiline võimsusvahemik, toitepistikust väljundvõimsuse kasutegur, allika ligikaudne eluiga, peamised materjalid ja tüüpilised seadmetüübid.
CO₂, kiud-, diood- ja UV-lasertüüpide võrdlus
| Lasertüüp | Lainepikkus | Allikamehhanism | Tüüpiline võimsusvahemik | Pistikupesa tõhusus | Tüüpiline valgusallika eluiga | Põhimaterjalid | Tüüpilised masinatüübid |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CO₂ | ~10,6 μm | Gaasilahendus (CO₂/N₂/He segu) | 40–150 W (lauaarvuti); kuni mitusada W (tööstuslik) | ~5–20% (klaastoru) | 2 000–8 000 h (klaastoru); 20 000–45 000 h (RF-toru) | Puit, akrüül, nahk, kangas, paber, kummi | CNC-laserlõikurid ja -graveerijad (mittemetallid) |
| Kiud | ~1,06 μm (1064 nm) | Dioodiga pumbatav, ütterbiumiga legeeritud kiud | 20–100 W (märgistamine); 500 W–12 kW+ (lõikamine) | >30–40% (standard); kuni ~50% (kõrge efektiivsusega mudelid) | 80 000–100 000 h (kõrgekvaliteedilised brändid) | Teras, alumiinium, messing, vask | Lõike-, märgistus-, keevitus- ja puhastusmasinad |
| Dioodid | ~445–450 nm | Pooljuht (p-n-üleminek) | optiline väljundvõimsus ~5–40 W | ~30–45% (paljas diood); süsteemi tasandil madalam | 10 000–20 000 h (tüüpiline) | Õhuke puit, nahk, papp, mõned plastid | Algtaseme lauaarvuti graveerimis- ja lõikeseadmed |
| UV | ~355 nm (kolmas harmooniline) | DPSS (Nd-dopeeritud kristall + mittelineaarne kristall), impulss | Tavaliselt 1–10 W keskmine võimsus | ~5–10 % | 10 000–20 000 h | Soojustundlikud plastid, klaas, toidu- ja farmaatsiapakendid | Spetsiaalsed märgistussüsteemid |
Need arvud on tüüpilised vahemikud, mitte kindlad piirid — tegelikud spetsifikatsioonid varieeruvad sõltuvalt tootjast ja mudelist. Eespool esitatud dioodide vahemik kajastab optilist väljundvõimsust; nagu selgitatakse jaotises „Dioodlaserid”, viitab märgitud võimsus sageli hoopis elektrilisele sisendvõimsusele, mis võib olla märkimisväärselt suurem kui laseri tegelik optiline väljundvõimsus.
Milline lasertüüp sobib teie projektile?
Esimene valikukriteerium on materjali sobivus; võimsus ja eelarve tulevad teisel kohal. Töökoja ja väikeettevõtte võimsusega tüüpiliste lasermasinate puhul määrab iga lasertüübi lainepikkus, milliseid materjale see suudab töödelda — sõltumata masina võimsusest.
- Puidu, akrüüli, naha või kanga lõikamine või graveerimine: CO₂-laser on töökodades ja väikeettevõtetes kasutatavate tootmismahude puhul väljakujunenud valik; dioodlaserid sobivad hobi tasemel õhemate materjalide graveerimiseks madalamate algkuludega.
- Metalli lõikamine, märgistamine, keevitamine või puhastamine: kiudlaser on nelja hulgast ainus praktiline valik – CO₂, diood- ja UV-lainepikkusi ei neela enamik metalle tõhusalt.
- Tundlikud plastid, klaas, toidu- ja farmaatsiapakendite märgistamine või tugevalt peegeldavad metallid (vask, kuld jms): UV-laser vältib värvimuutusi ja mikrokrakke, mida termilased võivad tekitada soojustundlikel materjalidel, ning selle lühikest lainepikkust neelavad tõhusalt peegeldavad metallid, mis hajutavad kiudlaseri energiat.
Mõned seadmed ühendavad lisaseadmeid ühe allika ümber, kuid reeglina määratleb iga siin loetletud lasertüüp pigem eraldi tootekategooria kui lisafunktsiooni. Eelarve muutub oluliseks, kui materjalide ühilduvus kitsendab valikut – valik ainult hinna põhjal, enne kui on kindlaks tehtud, et asjaomane lasertüüp suudab töötleda kavandatud materjali, on kõige levinum ja kulukam viga.
Laserite klassifikatsioon ja ohutusnõuded (kaitsekatted, lukustusseadmed, kaitseprillid) erinevad nende lasertüüpide vahel märkimisväärselt – enne seadme valimist lugege üksikasju artiklist „4 lasertüüpi: põhjalik juhend“.
Korduma kippuvad küsimused lasertüüpide kohta
Kas CO₂-laseriga saab lõigata metalli?
Tavalise lauaarvuti toruga (40–150 W) ei saa — sellest võimsusest ei piisa palja metalli lõikamiseks. Suure võimsusega toruga (150 W+) ja spetsiaalse lõikepea abil suudavad CO₂-seadmed siiski lõigata õhukest terast: kuni ~1,5 mm vastuvõetava kvaliteediga ja kuni 2–3 mm, tehes mõningaid kompromisse servade viimistluses. Sellest paksusest suuremate materjalide puhul on kiudlaser praktilisem valik — kiudlaser lõikab metalli võrreldava võimsuse juures tõhusamalt ja tagab paksema lehe puhul parema kvaliteedi.
Kas dioodlaser on nii võimas, nagu selle reklaamitud võimsus viitab?
Sageli mitte. Tootjad märgivad dioodlaseri võimsuse tavaliselt elektrilise sisendvõimsusena, mitte optilise väljundvõimsusena – materjalini jõudev tegelik valgusenergia võib olla märgitud väärtusest oluliselt väiksem, mõnikord isegi märkimisväärselt. Optilise väljundvõimsuse spetsifikatsioonide kontrollimine annab täpsema võrdluse.
Miks peaksin kiudlaseri asemel kasutama UV-laserit?
UV-laserid kasutavad külmtöötlust – lühikesi impulsse lainepikkusega 355 nm, mis märgistavad pindu minimaalse soojusülekandega. See on oluline kuumustundlike plastide, klaasi ning toidu- või ravimipakendite puhul, kus kiudlaseri soojusenergia võib märgistuse ümbruses materjali sulatada, värvi muuta või tekitada mikropraod.
Milline lasertüüp sobib kõige paremini alustavale väikeettevõttele?
See sõltub materjalidest, mida kõige sagedamini töödeldakse. Ettevõtted, mis tegelevad peamiselt puidu, akrüüli või naha töötlemisega, alustavad tavaliselt CO2- või dioodlaseriga. Metallimärgistamisele või -lõikamisele keskenduvad ettevõtted vajavad eelarvest sõltumata kiudlaserit, kuna teised lasertüübid ei suuda metalli üldse töödelda.
