Лазерный мир

Хоть мы и не видим их на каждом углу, результаты их труда окружают нас повсеместно. Качество и скорость работы, обеспечиваемые лазерными станками, на многих производствах остаются недостижимыми для традиционных методов обработки. Лазерные маркёры, гравёры, аппараты сварки и резки металлов и т.д. Список действительно огромен и лазеры продолжают захватывать мир.

Но, Петька, есть нюанс(с). Как и все наукоёмкие истории, лазерная техника уже достаточно успела обрасти слухами и мифами о своих безграничных возможностях. Возможностей там действительно вагон (или два), но физику никто не отменял.

Вооружившись острым желанием узнать, как это всё работает, было принято решение направиться за комментариями в питерский офис компании «Лазерный Центр». Они занимаются разработкой лазерных граверов и маркёров уже 15 лет и, вероятно, что-то в них понимают.

Зри в корень

Сразу надо запомнить самое важное во всей этой гравировочно-маркировочной истории: необходимые параметры для промышленного применения в металлообработке нам могут дать только волоконные лазеры. Реальной альтернативы им пока не существует. Газовые, твердотельные и прочие лазеры работают отлично, но в других сферах применения.

Возникает вопрос: чем же так замечательны волоконные лазеры? Во-первых, это отличное качество оптического излучения. Через 100 000 часов работы изменение характеристик лазера будет или пренебрежимо мало, или вообще не будет. Хотя это и не значит, что за ним можно совсем не следить.

Мини Маркер 2. Самый популярный станок Лазерного Центра. Лазер спрятан в красном ящике снизу.

Но главное – это длина волны генерируемого излучения и как она взаимодействует с материалами. Каноничный углекислотный лазер работает на длинах волн 9,6-10,6 мкм. Такое излучение отлично поглощается органикой, поэтому для медицинского использования они подходят лучше, чем волоконные лазеры, работающие на примерно 1-1,5 мкм. Строго говоря, длина волны – это, как паспорт, идентификационный документ у лазера. В зависимости от длины волны материалы по-разному взаимодействуют с излучением. Варианта всего три: излучение можно поглотить, отразить или пропустить. Хрестоматийный пример — это стекло, которое поглощает УФ волны, но отлично пропускает видимый диапазон спектра. Интересующий нас вариант: излучение с длиной волны 1,064 мкм сталью практически полностью поглощается, а с длиной волны 10,6 мкм – отражается. А если берём оргстекло, всё будет ровно наоборот (10,6 – поглощается, 1,064 – проходит насквозь).

Демо-пластинка станка Мини маркер 2. Такие пластинки призваны показать максимум возможностей станка (качество изображения, работа с цветом и т.д.) и делаются прямо при вас.

И третий важный параметр — диаметр пятна в фокусе облучения. При одинаковой излучаемой мощности и фокусном расстоянии у волоконного лазера пятно меньше, и, следовательно, плотность поглощаемой энергии примерно в 100 раз выше (площадь круга R2), чем у CO2-лазера. Отсюда ещё большее удобство работы с металлами.

Ну и в завершении — небольшие габариты излучающего тела. Особенно, если сравнивать с газовыми лазерами.

И чтобы завершить вступление на мажорной ноте и вызвать гордость за соотечественников: лидером в отрасли разработки и производства волоконных лазеров является корпорация IPG Photonics, созданная аспирантом МФТИ В.П. Гапонцевым. Вообще, можете принять по дефолту: видишь лазер, ищи след русских физиков =)

Процесс гравировки пластины с предыдущей фотографии. Делается буквально за пару минут.

К слову, рынок волоконных лазеров сейчас оценивается примерно в 2 миллиарда долларов, из которых 1,5 – это IPG. А небольшой кусок этой корпорации НТО «ИРЭ-Полюс», с которого и начались волоконные лазеры, занимает десятое место среди несырьевых экспортёров в России. Девятое — Рособоронэкспорт. Выводы делайте сами.

Матчасть

Теперь давайте разбираться, что же такое волоконный лазер.

Когда говорится про CO2, рубиновый, волоконный или любой другой лазер, имеется в виду активная среда, которая генерирует лазерное излучение. Три минуты про то, что же такое сам лазер.

Из дерева, и пластика, лазером можно вырезать вот такие милые штуки

В 1964 году советским учёным Николаю Басову и Александру Прохорову в соавторстве с американцем Чарльзом Таунсом, вручили Нобелевскую премию за создание лазера. Они открыли, что в некоторых веществах при облучении их электромагнитной энергией, электроны начинают переходить на более высокие энергетические орбиты. А при обратном переходе на более низкую энергетическую орбиту они излучают фотоны с энергией в один квант. А что такое один квант? Это энергия одного фотона =) Далее происходит основная магия: если летящий фотон попадает в другой электрон, находящийся на высоком энергетическом уровне, происходит выработка нового фотона, полностью идентичного попавшему, и лететь он будет в том же направлении. Далее эти два фотона выбивают четыре, те выбивают восемь и так далее, пока на границе активного вещества не откроют так называемый затвор, и из вещества вылетает поток излучения, состоящий из абсолютно одинаковых фотонов. Всё это происходит на скорости света, поэтому в современных лазерах длительность импульса может измеряться в пико- и фемтосекундах (это -12 и -15 степени, соответственно).

Самый первый (буквально) проданный гравировочный станок. Его специально искали и выкупили обратно.

Теперь немного математики. Предположим, у нас стандартный волоконный лазер средней мощности в 10 Вт с длительностью импульса 100 наносекунд (-9) и частотой импульсов 20 кГц. Энергия одного импульса 1 мДж. Диаметра пятна 50 мкм.

И если внимательно посмотреть на этот импульс, то получается за 10−9 сек. мы передали 1 мДж. А если так работать без остановки целую секунду, то получаем 10.000.000 (раз) по 0,001 Дж (это энергия). Итого 10 000 Вт. Можете себе представить каково материалу, когда в каждые 50 мкм вкачивают 10 КВт.

Здесь отрабатывается технология глубинной гравировки для получения объёмных изображений поразительной чёткости. Этакий 3D принтер наоборот. Процесс может длится несколько дней, в течении которых изделия нельзя трогать. Поэтому в лаборатории они максимально тяжёлые.

Теперь вспоминаем китайские лазеры, дающие пятно в несколько раз больше. Если радиус пятна больше в три раза, его площадь больше в девять раз, получается, что при прочих равных китайский лазер будет работать не как на 10Вт, а как ~1Вт (это ещё позитивный сценарий).

Теперь немного про сам волоконный лазер. Как не трудно догадаться, здесь роль излучающего тела играет длинный кусок оптоволокна. Не совсем того, по которому к вам сейчас бежит интернет, но суть та же, просто структура волокна сильно другая. В чём прелесть волоконного лазера — элементарное охлаждение активной среды. Пока инженеры ломают голову над задачей равномерного охлаждения колбы с газом или целого кристалла, со струной оптики такой проблемы нет совсем. Фактически, её можно просто намотать на круглый кусок алюминия, сказать, что это радиатор, и на этом проблема охлаждения решена.

Читать всю статью в источнике: https://habr.com/ru/post/462455/