Kiudlaser on tahkislaser, milles võimenduskeskmena toimib haruldaste muldmetallide ioonidega legeeritud optiline kiud. Pumbadioodid suunavad valgust kiudu, legeeritud südamik võimendab seda stimuleeritud emissiooni kaudu ning optiline resonaator moodustab kontrollitud kiire, mis suunatakse ja fokuseeritakse lõikamiseks, märgistamiseks, keevitamiseks, puhastamiseks ja muudeks rakendusteks suunatakse ja fokuseeritakse.
Käesolevas artiklis selgitatakse, mis toimub kiudlaserallika sees, kirjeldatakse samm-sammult kiire tekkimise protsessi, käsitletakse peamisi liigitustüüpe ning näidatakse, kuidas lainepikkus seob allika konstruktsiooni reaalse materjalitöötlusega. Samuti käsitletakse, kuidas see tehnoloogia sobib tööstusmasinatesse, kui kaua allikas tavaliselt kestab ja millised ohutusmeetmed kehtivad. Stimuleeritud emissiooni füüsikaliste põhimõtete kohta vaadake Virmeri juhendit selle kohta, kuidas laserid töötavad.
Mis on kiudlaser?
Kiudlaser on tahkislaseri tüüp, mis kasutab valguse genereerimiseks ja võimendamiseks keskkonnana optilist kiudu – mitte gaasi, kristallvarrast ega pooljuhtkiipi. Sõna „kiud” viitab aktiivkiudule endale, mitte kaablile, mis lihtsalt edastab mujal toodetud kiirt.
Enne edasi minemist tasub selgitada kolme punkti:
- Kiud on aktiivne keskkond, mitte edastuskaabel. Kiudu südamik on legeeritud haruldaste muldmetallide ioonidega – tööstussüsteemides tavaliselt ütterbiumiga – ning valgus tekitatakse ja võimendatakse selle legeeritud südamiku sees.
- Kiudlaserallikas ei ole sama mis kiudlaserseade. Allikas tekitab ja kujundab kiire. Valmis seadmele on vaja ka liikumis- või skaneerimissüsteemi, töötlemispead, fookustamisoptikat, juhtimisseadmeid, jahutust, kaitsekorpust ning suitsu- või osakeste eemaldussüsteemi.
- Tööstuslikus metallitöötluses domineerib ütterbium, kuid see ei ole ainus valik. Muud lisandid, nagu erbium ja tuulium, tekitavad erinevaid lainepikkusi telekommunikatsiooni-, meditsiini- ja andurirakenduste jaoks.
Pildiallkiri: 1 - Iseseisev kiudlaserallikas, 2 – Täielik kiudlaserlõikemasin, 3 – Masinasse paigaldatud kiudlaserallikas
Mis on kiudlaseri sees?
Kiudlaserallikas koosneb väikesest hulgast komponentidest, millest igaüks täidab ühe ülesande teel elektrienergiast kasutatava kiireni. Selle komponentide skeemi mõistmine muudab järgmises jaotises kirjeldatud samm-sammulise protsessi jälgimise lihtsamaks, kuna iga samm vastab ühele või mitmele neist osadest.
Pildiallkiri:1 – Pumbadioodid, 2 – Pumbakombinaator, 3 – Legeeritud aktiivne kiud, 4 – kõrge peegeldusvõimega kiud-Braggi võre, 5 – osaliselt peegeldav väljund-Braggi võre, 6 – väljundkiud, 7 – fookustamisoptika ja töödeldav detail
Pumbadioodid
Pumbadioodid muudavad elektrivoolu valguseks, mis iterbiumisüsteemide puhul on tavaliselt vahemikus 900–980 nm. See valgus – mida nimetatakse pumbavalguseks – ei ole veel valmis laserkiir. See on sisendenergia, mis hiljem neeldub ja muundub legeeritud kiu sees.
Dopeeritud kiu südamik ja mantel
Aktiivkiul on haruldaste muldmetallide ioonidega dopeeritud ränisüdamik, mida ümbritseb üks või mitu madalama murdumisnäitajaga mantelkihti. See struktuur hoiab valguse täieliku sisepeegelduse abil südamikus. Suure võimsusega tööstuslikes konstruktsioonides kasutatakse kius tavaliselt kahekordse mantliga struktuuri: pumbavalgus liigub läbi sisemise mantlikihi ja läbib korduvalt legeeritud südamikku, samal ajal kui südamik ise kannab võimendatud signaalkiirt.
Optiline resonaator ja kiud-Braggi võred
Resonator tagab optilise tagasiside, nii et valgus koguneb koherentseks kiireks, selle asemel et lihtsalt üks kord läbi minna. Paljudes kiudlaserites pärineb see tagasiside kiud-Braggi võredest – kiudulõikudest, millel on perioodiline struktuur, mis peegeldab kindlat lainepikkuste vahemikku. Üks võre toimib kõrge peegeldusastmega peeglina ja teine osalise, või väljundpeeglina, mis laseb osal võimendatud valgusest väljuda kasutatava kiirena. Resonatori ülesehitus varieerub tootjate ja allikate konstruktsioonide vahel, seega ei ole iga kiudlaser ehitatud täpselt samamoodi.
Väljund ja kiire suunamise liides
Allika väljundotsas suunatakse moodustunud kiir edasi suunamis- ja masinaoptikasse. Sellest punktist alates sõltuvad kollimeerimine, suunamine ja fookustamine konkreetsest seadmest – kas lõikepea, galvo-skanner märgistamiseks, keevituspea või puhastuspea suunavad ja kujundavad kiirt erinevalt. Neid seadmetasandi üksikasju käsitletakse pigem Virmeri spetsiaalsetes juhendites lõike-, keevitus-, märgistus- ja puhastusseadmete kohta kui siin.
Kuidas töötab kiudlaser? Samm-sammult
Allpool toodud kuus sammu kirjeldavad üht pidevat teekonda elektrilisest sisendist kuni tööesemele suunatud fokuseeritud kiireni. Iga samm tugineb eelmisele, seega on järjekord oluline: kui vahele jätta absorptsioonietapp ja minna otse pumbavalgust „võimendamisele”, jääks selgitamata, miks kiud vajab üldse haruldastdopeerimist. Protsess toimub peaaegu silmapilkselt, kui allikas on sisse lülitatud ja stabiliseerunud.
1. samm: Pumbadioodid tekitavad valgust
Elektrivool toidab pooljuhtpumbadioode, mis muudavad selle voolu valguseks lainepikkusel, mida legeeritud kiud suudab neelata. See pumbavalgus suunatakse kiudu, kuid ei ole veel töötav laserkiir.
2. samm: Kiud juhib pumbavalgust
tuuma ja mantli geomeetria hoiab pumbavalgust piiratuna ja suunab seda mööda kiudu edasi. Suure võimsusega kahekordse mantliga konstruktsioonides liigub pumbavalgus läbi sisemise mantli ja läbib levimise käigus korduvalt legeeritud tuuma, suurendades sellega neeldumise tõenäosust.
Pildiallkiri: 1 – legeeritud südamik, 2 – sisemine mantel, 3 – välimine mantel, 4 – sisemises mantlis peegeldunud pumbavalgus, 5 – keskmise südamiku kaudu juhitav lasersignaal
3. samm: haruldaste muldmetallide ioonid neelavad energiat
Kui pumbavalgus läbib legeeritud südamikku, neelavad haruldaste muldmetallide ioonid selle energia ja lähevad üle kõrgemasse energiatasemesse ehk ergastatud olekusse. Kui piisav hulk ioone on ergastunud, saavutab kiud populatsiooni inversiooni – seisundi, mis on vajalik valguse võimendamise alguseks.
4. samm: Stimuleeritud emissioon võimendab valgust
Ergutatud südamikku läbiv foton võib ergutada ergastatud iooni vabastama vastavat fotoni – sama lainepikkuse, faasi ja suunaga. See protsess, mida nimetatakse stimuleeritud emissiooniks, kordub kogu kiu pikkuses, võimendades valgust selle liikumise käigus.
5. samm: Resonator valib välja ja kujundab laseri väljundi
Kiud-Braggi võred peegeldavad sihtlainepikkuse tagasi aktiivkiudu, nii et valgus läbib võimenduskeskkonna korduvalt ja selle intensiivsus kasvab pidevalt. Osa sellest võimendatud valgusest väljub väljundpeeglist kasutatava laserkiirena. Võrepõhised resonaatorid on levinud, kuid need ei ole ainsad resonaatorikonstruktsioonid, mida kiudlasertööstuses kasutatakse.
Pildiallkiri: 1 – Aktiivsesse kiudlaserisse sisenev pumbavalgus, 2 – Energiseeritud haruldaste muldmetallide ioon, 3 – Stimuleeritud emissiooni teel tekkinud fotonid. 4 – Laseri võnkeõõnt moodustavad kiud-Braggi võred, 5 – Võimendatud väljundkiir
6. samm: Kiir väljub allikast masina optikasse
Valmis kiir väljub allikast ja siseneb selle masina optikasüsteemi, mida see toidab. Siit edasi tegelevad kollimeerimise, suunamise või skaneerimise ning lõpliku fookustamisega masinapõhised optikad, mis erinevad lõikamise, märgistamise, keevitus- ja puhastussüsteemide vahel.
Kui kiir lahkub allikast, on kiu enda geomeetria juba teinud suurema osa rasket tööd. Pikk ja õhuke interaktsioonipikkus legeeritud südamiku sees võimaldab märkimisväärset võimendamist kompaktse ruumi piires ning kiu suure pindalaja mahu suhe aitab soojust tõhusalt hajutada. Komponentide vahelised täielikult kiudoptilised lõigud vähendavad ka vabas ruumis asuvate joondamispunktide arvu, mis on peamine põhjus, miks kiudlaserid on tavaliselt kompaktse ehitusega ja mehaaniliselt stabiilsed võrreldes laseritüüpidega, mis on ehitatud avatud kiirega optiliste teede ümber.
Miks on kiudlaseri lainepikkus oluline?
Lainepikkus on üks peamisi tegureid, mis määrab, kas materjal neelab, peegeldab või laseb läbi laserkiire, mis mõjutab otseselt seda, kas antud kiudlaser suudab seda materjali tõhusalt töödelda. Tööstuslike ütterbiumallikate puhul on väljundlaine pikkus tavaliselt vahemikus umbes 1030–1100 nm, mida sõltuvalt allika konkreetsest konstruktsioonist nimetatakse sageli umbes 1064 nm või 1070–1080 nm; mis tahes kitsamat väärtust tuleks kontrollida konkreetse tootja dokumentatsiooni alusel, mitte pidada seda universaalseks.
Absorptsioon mingil kindlal lainepikkusel ei ole materjalikategooria puhul fikseeritud – see sõltub konkreetsest sulamist, pinna viimistlusest, temperatuurist ning olemasolevast oksiidkihist või kattekihist ning võib muutuda töötlemise käigus ja pinna kuumenemisel. Seetõttu ei pea väited, et lainepikkus toimib ühtlaselt hästi „enamiku materjalide” või „kõikidel metallidel” ühtlaselt hästi toimib, ei pea tegelikes töötingimustes paika.
Kaks laiaulatuslikku mustrit on kasulikud lähtepunktid, kuid tuleb arvestada, et kumbki neist ei ole absoluutne reegel:
- Läbipaistvad materjalid, nagu läbipaistev klaas ja akrüül, lasevad üldjuhul läbi 1 µm lähedase valguse, mitte ei neela seda, mistõttu ei sobi need hästi tavaliste Yb-kiudlaserite lainepikkustega ilma spetsiaalsete töötlemiskohandusteta.
- Puitu ja muid orgaanilisi materjale töödeldakse tavaliselt pigem umbes 10,6 µm lainepikkusega CO₂-laseritega kui lähi-infrapuna kiudlaserite lainepikkustega, kuigi see on pigem üldine suundumus kui igale spetsialiseeritud kiudlasersüsteemile kehtiv üldine välistamine.
Pildiallkiri: 1 – Ytterbium-kiudlaser – ligikaudu 1,06 µm; tüüpilised materjalid: teras (roostevaba teras), titaan, alumiinium ja vask, 2 – CO₂-laser – ligikaudu 10,6 µm; tüüpilised materjalid: puit, läbipaistev akrüül, nahk ja kangas.
Kiudlaserite peamised tüübid
Üht kiudlaserallikat saab klassifitseerida korraga mitme sõltumatu telje järgi, kuid tööstuslikes materjalides segatakse neid telgi sageli omavahel. Lisand, ajaline töörežiim, impulside genereerimise arhitektuur ja kiire režiim kirjeldavad igaüks sama allika erinevat omadust, mitte ühe klassifikatsiooni konkureerivaid versioone.
Lisandi ja lainepikkuse järgi
Kiudtuumale lisatud legeeraine määrab lainepikkuste vahemiku, mida allikas suudab tekitada. Ytterbium on peamine valik tööstuslikuks metallitöötluseks ligikaudu 1 µm juures. Erbium ja tuulium teenivad teisi lainepikkuste vahemikke, mida kasutatakse telekommunikatsioonis, meditsiinis ja spetsialiseeritud andurites. Harvem esinevad konfiguratsioonid – nagu ülesmuundamis- või Ramani-nihega konstruktsioonid – on levinud peamiselt teadus- ja spetsialiseeritud laborikeskkondades, mitte aga peavoolu tööstuslikus töötlemises.
Pidevlaine vs. impulss
Pidevlaine (CW) kiudlaser tagab stabiilse väljundi ja suure keskmise võimsuse, mis sobib suure tootlikkusega lõikamiseks, keevitamiseks ja mõningateks puhastusprotsessideks. Impulsskiudlaser edastab energiat eraldiseisvate impulssidena, tekitades suure tippvõimsuse ja kontrollitavama soojuskoormuse – mis on tüüpiline märgistamisele, graveerimisele, tekstureerimisele ja impulsspuhastusele. Õige valik sõltub protsessist ja selle parameetritest, mitte lihtsast reeglist, et CW tähendab kiirust ja impulss tähendab kvaliteeti.
Q-lülitus vs. MOPA
Q-lülitus kirjeldab meetodit, mille puhul lühikeste, suure intensiivsusega impulsside moodustamist resonatori kadude kiire modulatsiooni abil. MOPA (master oscillator power amplifier) kirjeldab arhitektuuri, mis koosneb algallikast ja ühest või mitmest võimendustasandist, mis võimaldab impulsside parameetreid konkreetse allika piirides iseseisvalt reguleerida. Need kaks terminit kirjeldavad erinevaid asju – impulsi moodustamise meetodit ja süsteemi arhitektuuri –, seega ei tohiks neid käsitleda lihtsalt CW/impulss-eristuse alternatiividena.
Ühemoodiline vs. mitmemoodiline
Ühemoodiline ja mitmemoodiline kirjeldavad väljundkiire ruumilist struktuuri. Ühemoodiline-režiimi väljund pakub üldiselt paremat kiire kvaliteeti, täpsemat fokuseeritavust ja väiksemat saavutatavat laigusuurust, mis soodustab peen- või täppistööd. Mitmerežiimilised lahendused võimaldavad saavutada suuremaid võimsustasemeid, mis sobib raskemate töötlemisülesannete jaoks. Kumbki režiim ei ole üldiselt parem; õige valik sõltub rakenduse nõutavast täpsuse ja võimsuse vahelisest tasakaalust.
Tabel 1: Kiudlaserite klassifitseerimise teljed
| Klassifitseerimistelg | Peamised valikud | Millised muutused | Tüüpiline tööstuslik tähtsus |
|---|---|---|---|
| Võimendus keskmise / lisandiga | Ütterbium, erbium, tuulium ja muud | Lainepikkuste vahemik | Materjalide töötlemine, telekommunikatsioon, meditsiin, andurid |
| Ajutine töö | CW, kvasi-CW (QCW), impulss | Soojusvõimsus, tippvõimsus vs. keskmine võimsus | Lõikamine/keevitamine vs. märgistamine/puhastamine/mikrotöötlemine |
| Impulsiarhitektuur | Q-lülitatud, MOPA ja muud konstruktsioonid | Impulsi juhtimine ja tipparvud | Märgistamine, graveerimine, tekstuurimine, puhastamine |
| Kiire režiim | Ühemoodiline, mitmemoodiline | Kiire kvaliteet, fokuseeritavus, võimsuse reguleeritavus | Peen- ja täppistööd vs. suure võimsusega töötlemine |
Tabelis on esitatud klassifikatsioonikategooriad, mitte ridade vaheline üks-ühele vastavus – tegelikus allikas kombineeritakse valikud mõlemalt teljelt ning kombinatsioonid tuleks kinnitada tootja spetsifikatsioonide alusel.
Kuidas kasutatakse kiudlasertehnoloogiat tööstusmasinates?
Eespool kirjeldatud kiire genereerimise põhimõte on integreeritud mitmesse erinevasse tööstusseadmete klassi, millest igaüks suunab, kujundab ja rakendab kiirt erinevalt. See osa on tahtlikult lühike – iga masinatüübi üksikasjalik ehitus on käsitletud eraldi juhendis.
Kiudlaserlõikemasinad kasutavad tavaliselt suure võimsusega allikat koos juhitava töötlemispeaga, mis liigutab kiirt või töödeldavat detaili programmeeritud trajektoori mööda. Lõikepea, abigaasi, CNC-liikumise, läbilõikamise, paksuse ja kiiruse kohta on kirjeldatud kiudlaserlõikamismasina tööpõhimõtte tutvustuses.
Laserkeevitusmasinad kasutavad kiirt, et luua piiratud sulatustsoon, mis ühendab kaks materjalitükki. Traadi etteanduri konstruktsiooni, keevituspea konfiguratsiooni, kaitsegaasi, keevisõmbluse kujunemist ja masina paigutust on käsitletud artiklis „Kuidas töötab laserkeevitusmasin?“
Laserpuhastusmasinad rakendavad kontrollitud energiat saaste või katete eemaldamiseks, piirates samal ajal mõju allolevale alusmaterjalile. Skanneri konstruktsiooni, impulsside kattumist, puhastusmustreid, ablatsiooni künniseid ja heitgaaside eemaldamist käsitletakse artiklis „Kuidas töötab laserpuhastusmasin“.
Lasermärgistusmasinad kasutavad fokuseeritud kiirt, et muuta või eemaldada õhuke pinnakiht, luues püsivaid koode, seerianumbreid, logosid või jälgitavusmärgiseid. Galvo-skanneri konstruktsioon, F-theta-objektiivi konfiguratsioon, märgistusvälja suurus ja fookustamissüsteem on käsitletud lasermärgistusmasina tööpõhimõtte kirjelduses.
Lisaks tootmisele kasutatakse kiudlasereid kasutatakse ka telekommunikatsioonis, andurites, meditsiinis ja teadusuuringutes, kuna sama legeeritud kiu põhimõte on aluseks paljudele valgusallikatele ja võimenditele väljaspool tööstuslikku materjalitöötlust. See tähendab, et mõiste „kiudlaser” on laiem kui ainult tootmisliini seadmed.
Tabel 2: Kiudlaseri integreerimine masinatüübi järgi
| Masina tüüp | Kiudlaseri toimimine | Tavaline allikarežiim |
|---|---|---|
| Lõikemasin | Sulatab või aurustab materjali kontrollitud lõikekontuuri järgi | Tavaliselt suure võimsusega pidevvoog (CW) |
| Keevitusaparaat | Loob lokaalse sulatustsooni osade ühendamiseks | Tavaliselt CW-režiimis, ülesandest sõltuvate variatsioonidega |
| Puhastusmasin | Eemaldab katteid või saasteaineid kontrollitud laser-materjali vastasmõju abil | Impulss- või pidevrežiim, sõltuvalt protsessist |
| Märgistusseade | Muudab või eemaldab pinnakihi, et luua püsiv märgistus | Tavaliselt impulsslaser (q-switch või mopa) |
Kiudlaserite eelised ja piirangud
Igal allpool loetletud eelisel on konkreetne põhjus, miks see kehtib, ning igaühele on seotud tingimus, mis seda piirab – kiudlaseri tugevused on reaalsed, kuid need ei ole tingimusteta.
Pildiallkiri: 1. Neeldumine – teras neelab energiat, tekitades kuumutatud tsooni; 2. Läbipääs – kiirgus läbib läbipaistvat klaasi või akrüüli peaaegu mõjuta; 3. Peegeldus – poleeritud vask peegeldab märkimisväärse osa energiast.
| Omadus | Miks see aitab | Oluline piirang või tingimus |
|---|---|---|
| Kõrge elektrienergia optiliseks muundamise tõhusus | Vähendab võimsustarbimist ja soojuskoormust võrreldes mõnede teiste tööstuslasertüüpidega | Tegelikud tõhususnäitajad sõltuvad allika mudelist ja need tuleks kontrollida tootja andmelehe põhjal |
| Kõrge valgusvihu kvaliteet ja fokuseeritavus (sobivates konstruktsioonides) | Võimaldab luua väikseid ja täpseid fokaalpunkte peenetöö jaoks | Kiire kvaliteet sõltub ühemoodilise või mitmemoodilise konstruktsiooni valikust ning võimsusest |
| Kompaktne ja vastupidav täiskiudoptiline konstruktsioon | Vähem vaba ruumi joondamispunkte vähendavad mehaanilist kõrvalekallet ja hooldusvajadust | Suletud kiudoptilise tee väljaspool asuvad edastus- ja fookustamisoptikad vajavad endiselt joondamist ja hooldust |
| Tõhus soojuse ärajuhtimine | Kiudude geomeetria tagab suure pindala ja ruumala suhte soojuse hajutamiseks | Soojusjuhtimine sõltub endiselt allika jahutussüsteemi konstruktsioonist |
| Skaalautuv keskmine võimsus | Kiudoptiline arhitektuur toetab võimsuse skaleerimist nõudlike lõikamis- ja keevitustööde jaoks | Võimsuse suurendamisel suurenevad mittelineaarsed efektid ja kiire kvaliteedi kompromissid |
| Suletud kiirgusallika vähene rutiinne hooldus | Vähem avatud optilisi komponente kui vabas ruumis kulgevate kiirte puhul | Kaitsva optika, pihusti, jahuti, väljatõmbesüsteem ja liikumissüsteem vajavad endiselt regulaarset hooldust |
| Hea integreeritavus automatiseeritud masinatesse | Kiudoptiline ühendus lihtsustab ühendamist CNC- ja robotisüsteemidega | Integreerimise kvaliteet sõltub endiselt masina konstruktsioonist, mitte ainult allikast |
Nende eelistega tuleb kaaluda järgmisi tavalisi piiranguid:
- Materjalide ühilduvus sõltub lainepikkusest, see ei ole universaalne.
- Peegeldavaid metalle, nagu vask ja messing, on võimalik töödelda sobivate süsteemidega, kuid need tekitavad protsessikontrolli ja tagasipeegeldumisega seotud väljakutseid.
- Läbipaistvad ja orgaanilised materjalid nõuavad paljude töökodaülesannete puhul sageli teistsugust lainepikkust – tavaliselt CO2-kiirgust.
- Mittelineaarsed optilised efektid, soojusprobleemid ja kiire kvaliteedi kompromissid muutuvad võimsuse suurenemisel olulisemaks.
- Hooldusvaene allikas ei tähenda hooldusvaba masinat; optika, jahutus- ja väljatõmbesüsteemid vajavad ikkagi hooldust.
- Suure võimsusega süsteemid nõuavad kaitsekorpuseid, ohutuslukke, heitgaaside eemaldamist ja koolitatud operaatoreid.
Kiudlaser vs. CO₂-laser
Tabel 3: Kiudlaser vs. CO2-laser ülevaatlikult
| Funktsioon | Tavaline tööstuslik kiudlaser | CO₂-laser |
|---|---|---|
| Võimenduskeskkond | Haruldaste muldmetallidega legeeritud optiline kiud | CO2-põhine gaaside segu |
| Tavaline tööstuslik lainepikkus | Umbes 1,06 μm ütterbiumisüsteemide puhul | Tavaliselt 10,6 μm |
| Tüüpiline tugevus | Metallid; suure võimsusega lõikamine ja keevitamine; märgistamine | Puit, akrüül, nahk, kangas ja muud mittemetallid |
| Kiire suunamine / allika ehitus | Suures osas kiudoptikaga integreeritud, kuid vajab siiski lõplikku fookustavat optikat | Vabaruumi peeglid ja optika tavalistes seadmete konstruktsioonides |
| Oluline hoiatus | Ei sobi läbipaistvate ega orgaaniliste materjalide jaoks | Tüüpilised madala võimsusega töökoda-CO₂-süsteemid ei lõika otseselt paljast metalli |
Laserallikate tüüpide laiemaks võrdluseks vaadake Virmeri juhendit lasermasinates kasutatavate peamiste laserallikate tüüpide kohta ning eraldi selgitust CO₂-laseri tööpõhimõtte kohta.
Kui kaua kestab kiudlaser?
Kiudlaserallikad on tuntud oma pika kasutusaja poolest, kuid laialt levinud arv 100 000 tundi vajab konteksti, et olla täpne. Turundusmaterjalides segunevad mitmed erinevad mõõtmistulemused ning nende eraldamine annab selgema pildi.
MTBF ei ole kasutusiga. MTBF (keskmine rikkevaheline aeg) on komponentide tasandil läbiviidud katsetuste põhjal arvutatud statistiline usaldusväärsuse hinnang, mitte konkreetse seadme garanteeritud kasutusiga. Dioodi eluea hinnang, tootja garantiiperiood, väljundvõimsuse järkjärguline vähenemine ja kogu seadme kasutusiga on neli eraldi näitajat, ja ühtki „100 000 tundi” väidet ei tohiks käsitada neid kõiki hõlmavana.
Kui allika kohta on esitatud konkreetne kasutusaja vahemik, peaks see olema seotud nimetatud tootja või tooteperega ning toetatud selle tootja andmelehe või töökindluse avaldusega, mitte käsitletud kui tööstusharuüldiseks konstantiks.
Tegelik kasutusiga sõltub mitmest töötingimusest:
- Töökoormus ja töötsükkel
- Jahutussüsteemi jõudlus ja ümbritseva õhu temperatuur
- Saaste kontroll optika ümbruses
- Tagasipeegelduse kaitse
- Optika ja jahutussüsteemide pidev hooldus
Kiudlaseri ohutus
Tööstuslikud ütterbiumkiudlaserid töötavad lähi-infrapunases spektris, mis on inimese silmale nähtamatu, kuid võib siiski põhjustada tõsiseid silma- ja nahavigastusi. Nähtava valguse puudumine ei tähenda ohtliku kiire puudumist, ning peegeldused metallpindadelt võivad jääda ohtlikuks isegi pärast otsese kiiretee blokeerimist.
Järgige laseriklassi, kaitsekorpuse ja lukustusseadmete nõudeid, kontrollitava ala eeskirju ning konkreetse seadme jaoks määratletud isikukaitsevahendite spetsifikatsioone ja kohaldatavaid kohalikke eeskirju. Enamikus jurisdiktsioonides järgitakse laserite ohuklasside määramisel standardit IEC 60825-1 või sellega samaväärset ANSI Z136 standardite seeriat.
- Valige kaitseprillid lähtuvalt allika konkreetsest lainepikkusest ja nõutavast optilisest tihedusest – mitte üldised „laserprillid”.
- Määrake enne töötlemist kindlaks materjal ja võimalikud pinnakatted ning tagage piisav suitsu ja osakeste eemaldamine.
- Ärge käsitlege PVC-d või muid klooritud materjale laseriga töötlemist rutiinse toiminguna. Kui sellist ülesannet üldse kaalutakse, nõuab see materjali identifitseerimist, dokumenteeritud riskihindamist ning seadme- ja eemaldussüsteemi tootjate kinnitust – auru eemaldaja üksi ei tee protsessi ohutuks.
Järeldus
Kiudlaser genereerib ja võimendab valgust haruldaste muldmetallidega legeeritud optilise kiu sees, kasutades selleks pumbadioode, dopeeritud südamikku ja optilist resonaatorit, mis koos moodustavad kontrollitud kiire. Allika konstruktsioon määrab lainepikkuse ja kiire omadused, samas kui töörežiim – pidev (CW) või impulssrežiim – ning järgnev masinaoptika kohandavad seda kiirt lõikamiseks, märgistamiseks, keevitamiseks või puhastamiseks. Allika ja seadme vahelise erinevuse mõistmine on iga kiudlasersüsteemi hindamise alus.
Korduma kippuvad küsimused kiudlasertehnoloogia kohta
Miks seda nimetatakse kiudlaseriks?
Seda nimetatakse kiudlaseriks, sest optiline kiud ise on aktiivne keskkond, mis tekitab ja võimendab valgust, mitte lihtsalt kaabel, mis kannab valmis kiirt. Kiudude südamik on legeeritud haruldaste muldmetallide ioonidega, mis neelavad pumbavalgust ja tekitavad võimendatud valgust stimuleeritud emissiooni kaudu.
Kas kiudlaser on sama mis laserlõikur?
Ei. Kiudlaser on valgusallikas, samas kui laserlõikur on terviklik masin, mis kasutab valgusallikat – sageli kiudlaserit – koos liikumissüsteemide, lõikepea, abigaasi ja juhtimisseadmetega materjali töötlemiseks. Valgusallikas on üks komponent valmis masina sees.
Millist lainepikkust kasutab kiudlaser?
Kõikidel kiudlaseritel ei ole ühtset lainepikkust; see sõltub kasutatud lisandist. Ytterbiumiga lisandatud süsteemid, mis on tööstuslikus metallitöötluses kõige levinum valik, kiirgavad valgust tavaliselt vahemikus umbes 1030–1100 nm, sageli nimetatakse 1064 või 1070–1080 nm, sõltuvalt valgusallika konstruktsioonist.
Kas kiudlaseriga saab lõigata mittemetallilisi materjale?
See sõltub lainepikkusest ja sellest, kui hästi materjal seda neelab. Tavalised ütterbiumiga süsteemid on optimeeritud peamiselt metallide ja mõnede plastide jaoks, samas kui puitu, läbipaistvat akrüüli ja klaasi töödeldakse tavaliselt teiste lasertüüpidega, näiteks CO₂-süsteemidega, mitte tavaliste kiudlaserallikatega.
Kas kiudlaseriga saab lõigata peegeldavaid metalle, nagu vask või messing?
Kaasaegsed, asjakohaselt konfigureeritud süsteemid suudavad töödelda peegeldavaid metalle, nagu vask ja messing, kuid selleks on vaja allika ja protsessi ühilduvust ning tagasipeegelduse kaitset. Tulemus sõltub võimsusest, materjali paksusest, sulami koostisest ja protsessi seadistustest.
Mis on erinevus impulss- ja pidevlainelise kiudlaseri vahel?
Pidevlaineline (CW) kiudlaser annab välja stabiilset võimsust, mis sobib suure tootlikkusega lõikamiseks ja keevitamiseks. Impulss-kiudlaser annab energiat eraldiseisvate impulssidena, millel on kõrge tippvõimsus ja paremini kontrollitav soojuskoormus, mis sobib märgistamiseks, graveerimiseks ja täppispuhastamiseks.
Kas kiudlaser vajab hooldust?
Suletud kiudlaserallikas ise vajab sageli vaid vähest rutiinset reguleerimist. Seadme fookustamisoptika, jahutussüsteem, väljatõmbesüsteem ja mehaanilised komponendid vajavad siiski regulaarset hooldust, et kogu süsteem töötaks usaldusväärselt.
Kui kaua kiudlaserallikas kestab?
Ei ole ühtset garanteeritud näitajat, mis kehtiks iga allika puhul. Tootjad avaldavad komponentide töökindluse testidel põhinevaid MTBF-hinnanguid, kuid tegemist on statistilise näitajaga, mitte kindla kasutusaja garantiiga – tegelik kasutusiga sõltub konkreetsest allikast, töötingimustest ja hooldustavadest.
