Laser światłowodowy - funkcjonalność i obszary zastosowań

• Definicja: Lasery półprzewodnikowe prowadzące światło w światłowodach szklanych, zazwyczaj domieszkowanych pierwiastkami ziem rzadkich. 

• Kluczowe mocne strony: Wyjątkowa precyzja, wysoka wydajność, wszechstronność i wytrzymałość. 

• Zastosowania: Skomplikowane grawerowanie/markowanie 

• Zalety: Kompaktowa konstrukcja, wydajność energetyczna, długa żywotność, niskie koszty utrzymania, bezdotykowa obróbka 

• Ograniczenia: Nie są idealną maszyną do obróbki materiałów organicznych, takich jak drewno albo materiały przezroczyste (przezroczyste szkło)  lub niektóre tworzywa sztuczne. 

Technologia laserowa zrewolucjonizowała obróbkę materiałów podczas fazy produkcji i projektowania. Lasery światłowodowe wyróżniają się wśród wszystkich laserów precyzją, wydajnością i elastycznością zastosowań. Niniejszy przewodnik omawia lasery światłowodowe, ich zalety, typowe zastosowania i ważne kwestie bezpieczeństwa, które są istotne przy wyborze nowego lasera. 

Poznaj maszyny laserowe

Laser światłowodowy to laser półprzewodnikowy, w którym zarówno wiązka generowana przez laser, jak i wiązka generowana przez pompę są prowadzone w szklanych światłowodach. Medium aktywnym lasera jest wewnętrzny przekrój włókna szklanego, często domieszkowanego pierwiastkiem ziem rzadkich takim jak iterb. 

Mówiąc bardziej szczegółowo, diody laserowe wytwarzają energię, dostarczając światło (np. o długości fali 915 nm, 977 nm lub 1064 nm) do domieszkowanego włókna szklanego za pośrednictwem światłowodów. Włókna światłowodowe łączy się poprzez splatanie, będące procesem spawania szkła, który eliminuje otwarte ścieżki wiązki światła generowanego przez pompę lub laser. Dzięki temu lasery światłowodowe są wyjątkowo odporne na zanieczyszczenia i wibracje. 

Większość laserów światłowodowych do znakowania i grawerowania to impulsowe lasery światłowodowe, często wykorzystujące konstrukcję MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Uzyskiwane w jednym przejściu w zwiniętym włóknie światłowodowym wzmocnienie umożliwia osiągnięcie dużego zakresu wzmocnienia o wysokiej wartości przy zachowaniu kompaktowych wymiarów. 

Impulsowe lasery światłowodowe mają zazwyczaj szczytową moc impulsu wynoszącą od 10 kW do 20 kW i średnią moc wyjściową wynoszącą od 10 W do 100 W, dzięki czemu nadają się do różnych precyzyjnych zadań. Wysoka jakość i doskonała ostrość wiązki lasera umożliwiają wiele zastosowań: 

• Skomplikowane grawerowanie i znakowanie: Lasery światłowodowe doskonale nadają się do wykonywania trwałych, kontrastowych oznakowań na metalach, niektórych tworzywach sztucznych i materiałach ceramicznych. Grawerowanie i znakowanie szczegółowych wzorów w wysokiej rozdzielczości jest niezwykle proste, co czyni je idealnymi urządzeniami do grawerowania wzorów, tekstu, logo lub numerów seryjnych. Ponadto lasery światłowodowe świetnie sobie radzą z głębokim grawerowaniem dzięki szczególnie wysokiej gęstość mocy. Dlatego też zastosowania laserów światłowodowych produkowanych przez firmę Trotec obejmują zarówno branżę jubilerską, jak i motoryzacyjną.    
• Dodatkowe zastosowania laserów światłowodowych: Ponadto, niektóre lasery światłowodowe mogą być również wykorzystywane do spawania lub czyszczenia powierzchni, a także znajdują coraz więcej zastosowań w innych obszarach. 

Przy wyborze maszyny laserowej zetkniesz się z różnymi technologiami, a wybór właściwej do danego zastosowania może być nie lada wyzwaniem. Poniższe porównanie przedstawia różnice między typami laserów. 

Laser światłowodowy vs. laser CO2: 

• Szybkość i materiały: Dzięki długości fali 1,064 mikrometra lasery światłowodowe cechuje niezwykle mała ogniskowa, dzięki czemu ich intensywność jest nawet 100 razy wyższa niż w przypadku laserów CO2 o tej samej emitowanej średniej mocy. Dlatego lasery światłowodowe są optymalnie przystosowane do znakowania metali poprzez wyżarzanie, do grawerowania metali i do znakowania tworzyw sztucznych o wysokim kontraście.  

•  Z drugiej strony, lasery CO2 o większej długości fali są idealne do cięcia, grawerowania i znakowania materiałów niemetalicznych, takich jak drewno, akryl, skóra, papier, tekstylia i szkło. 

• Precyzja i jakość wiązki lasera: Lasery światłowodowe zapewniają zazwyczaj wyższą precyzję i lepszą jakość wiązki lasera, co pozwala osiągnąć gładsze krawędzie ciętych metali. 

• Konserwacja i żywotność: Lasery światłowodowe mają generalnie dłuższą żywotność i wymagają niewielkiej konserwacji ze względu na bezdotykowe znakowanie i grawerowanie oraz brak części podlegających zużyciu.

Laser światłowodowy vs. laser Nd:YAG: 

• Zastosowanie: Impulsowe lasery światłowodowe częściowo zastąpiły tradycyjne lasery YAG w wielu zastosowaniach, zwłaszcza przy znakowaniu i grawerowaniu. Lasery światłowodowe są generalnie lepiej przystosowane do przemysłowej obróbki metali i produkcji z dużą prędkością. 

• Impuls: Lasery YAG mogą mieć wyższą moc szczytową impulsu (30-100 kW), w porównaniu do 10 kW-20 kW w przypadku laserów światłowodowych. 

• Użyteczność: Lasery światłowodowe wyróżniają takie zalety jak zwarta konstrukcja, solidność, trwałość i opłacalność. 

Laser światłowodowy vs. laser diodowy  

• Wszechstronność zastosowań i bogata gama materiałów poddawanych obróbce: Lasery światłowodowe zazwyczaj pracują z falą o długości 1064 nm. Fala o tej długości jest silnie absorbowana przez metale, dzięki czemu lasery światłowodowe idealnie nadają się do znakowania metali i niektórych tworzyw sztucznych. Długość fali lasera diodowego wynosi zazwyczaj 450 nm (światło niebieskie) lub czasami około 808 - 980 nm (podczerwień) w zależności od typu diody. Światło z niebieskiej diody (450 nm) jest dobrze pochłaniane przez materiały organiczne, takie jak drewno, skóra i niektóre tworzywa sztuczne, a także przez niektóre metale. Tak więc laser światłowodowy jest używany głównie do specjalnych celów przy znakowaniu metali i tworzyw sztucznych, podczas gdy laser diodowy oferuje szerszą wszechstronność przy obróbce różnych materiałów. 

• Głębokie grawerowanie metali: Lasery światłowodowe nadają się do głębokiego grawerowania metali, podczas gdy lasery diodowe nie mogą osiągnąć tej samej głębokości przy znakowaniu metali. 

• Budżet: Maszyny laserowe z laserem diodowym (takie jak Speedy 100 cross ) często mają większą powierzchnię znakowania przy niższej cenie w porównaniu z wieloma systemami laserów światłowodowych galvo.  

Energia jest dostarczana przez diody laserowe, których światło (często o długości fali 915 nm lub 977 nm) jest doprowadzane do domieszkowanego włókna szklanego za pośrednictwem światłowodów. Włókna światłowodowe są łączone poprzez splatanie (spawanie szkła), dzięki czemu często nie ma otwartych ścieżek dla wiązki emitowanej przez pompę lub lasera (patrz rysunek 1). W rezultacie laser światłowodowy jest stosunkowo niewrażliwy na zanieczyszczenia i wibracje. Ponieważ diody pompy są od siebie oddalone i każda z nich ma własny radiator, żywotność diod pompy jest wysoka. Tak długo, jak długo moc szczytowa impulsów laserowych jest utrzymywana poniżej około 10-20 kW, pozwala to osiągnąć wysoką żywotność wynoszącą kilkadziesiąt tysięcy godzin. Istnieją lasery światłowodowe emitujące światło w sposób ciągły (ang. „cw = continuous wave” - fala ciągła), jak również lasery światłowodowe emitujące impulsy. Poniżej omówione zostaną tylko impulsowe lasery światłowodowe, które znacznie lepiej nadają się do znakowania i grawerowania. Czas trwania impulsu wynosi zwykle około 100 nanosekund - krótsze impulsy o długości kilku nanosekund są osiągalne, ale tylko przy znacznie niższej energii impulsu.

Impulsowe lasery światłowodowe w typu MOPA składają się z głównego oscylatora (zwanego również laserem źródłowym) i sprzężonego ze światłowodem wzmacniacza mocy. Pierwszy z nich to laser diodowy lub chip laserowy o średniej mocy od kilku miliwatów do maksymalnie około 150 mW. Laser emituje impulsy o określonym kształcie. Chip laserowy jest to laser umieszczony na pojedynczym chipie - ośrodek aktywny lasera, reflektory i inne komponenty optyczne są często nie tylko zintegrowane, ale ponadto tworzą monolityczną konstrukcję. Wzmacniacz składa się z włókna szklanego domieszkowanego iterbem, które jest zasilane energią przez sprzężone ze światłowodem diody pompujące. Aby został wygenerowany impuls laserowy, diody pompujące najpierw ładują (inwersja populacji) włókno wzmacniacza. Przed rozładowaniem przez emisję spontaniczną laser emituje impuls, który jest wzmacniany od kilkuset do tysiąca razy, gdy przechodzi przez światłowód. Wzmocnienie odbywa się w pojedynczym przejściu („wzmacniacz jednoprzebiegowy”). Włókno ma często formę cewki - dlatego w małej objętości można uzyskać duży zakres wzmocnienia, a tym samym wysoką jego wartość.

Jedną z istotnych zalet laserów światłowodowych jest ich imponująca trwałość. Oddzielone od siebie diody pompy, każda z własnym radiatorem, przyczyniają się do wysokiej żywotności tych krytycznych komponentów. Lasery światłowodowe charakteryzują się żywotnością wynoszącą od 50 000 do 100 000 godzin pracy przed poważniejszą konserwacją lub znacznym pogorszeniem jakości. Wydłużona żywotność sprawia, że są one mądrą inwestycją długoterminową. 

Lasery światłowodowe mają kilka istotnych korzyści: 

• Szybkie i wysokiej jakości znakowanie, szczególnie na metalach i tworzywach sztucznych 
• Wysoka precyzja również w przypadku drobnych i szczegółowych oznaczeń 
• Kompaktowa i bezobsługowa konstrukcja: Duża powierzchnia i mała objętość włókien szklanych umożliwiają skuteczne chłodzenie, przyczyniając się do powstania kompaktowej, solidnej i praktycznie bezobsługowej konstrukcji. 
• Efektywność energetyczna: Urządzenia te charakteryzują się one wysoką sprawnością elektryczno-optyczną (ponad 20%), co umożliwia redukcję kosztów energii i zmniejszenia ilości ciepła odpadowego podczas pracy. 
• Niższe koszty ogólne: W porównaniu ze starszymi laserami YAG lasery światłowodowe mają znacznie niższe ogólne koszty eksploatacji w podobnych zastosowaniach, co czyni je bardziej ekonomicznym wyborem w dłuższej perspektywie. 
• Odporność na zanieczyszczenia: Wewnętrzne prowadzenie światła emitowanego przez pompę i lasera w światłowodach, które uzyskane zostało dzięki precyzyjnemu połączeniu, eliminuje otwarte ścieżki przebiegu wiązki lasera, dzięki czemu są one w wysokim stopniu odporne na kurz i inne zanieczyszczenia. 

Pomimo swoich ogromnych możliwości lasery światłowodowe mają ograniczenia w zakresie materiałów, które można za ich pomocą obrabiać: 

• Przezroczyste materiały: Materiały takie jak przezroczyste szkło stanowią wyzwanie dla laserów światłowodowych. Fala emitowana przez lasery światłowodowe ma długość, która nie jest łatwo absorbowana przez przezroczyste materiały, co prowadzi do słabych wyników grawerowania/cięcia lub niemożności wykonania takiej obróbki.  
• Drewno: Lasery światłowodowe nie są idealne do cięcia lub głębokiego grawerowania drewna. Organiczna, nierówna struktura drewna często prowadzi do niespójnych rezultatów lub niemożności obróbki. W tym przypadku lasery CO2 są zazwyczaj preferowanym wyborem do cięcia lub grawerowania. 
• Niektóre tworzywa sztuczne: Ogólnie rzecz biorąc, za pomocą lasera światłowodowego można osiągnąć dobre wyniki znakowania tworzyw sztucznych. W tym przypadku pigmenty w tworzywie sztucznym tworzą jaśniejsze lub ciemniejsze zabarwienie w zależności od pigmentacji, przy czym ciemne pigmenty powodują jaśniejsze zabarwienie, a jaśniejsze tworzywa sztuczne uzyskują ciemniejsze zabarwienie. Z drugiej strony, niektóre tworzywa sztuczne nie mogą być znakowane ze względu na ich wrażliwość na ciepło, która zależy w dużej mierze od składu tworzywa sztucznego.   
• Materiały, przy których występuje ryzyko uszkodzenia włókien: Generowanie impulsów o bardzo krótkim czasie trwania i wysokiej energii może tworzyć niezwykle wysokie natężenia szczytowe na małym przekroju włókna szklanego, potencjalnie uszkadzając włókno poprzez tworzenie „centrów kolorów”. 
• Inne nieodpowiednie materiały: Materiałów zawierających chrom (VI), takich jak niektóre skóry, włókna węglowe, PCW, PVB, PTFE (teflon) i tlenek berylu nie wolno poddawać obróbce za pomocą lasera ze względu na uwalnianie toksycznych oparów.

Lasery światłowodowe emitują intensywne promieniowanie, które może być szkodliwe. Dlatego bezpieczeństwo jest najważniejsze podczas obsługi każdej maszyny laserowej. Kluczowe kwestie dotyczące bezpieczeństwa obejmują następujące elementy: 

• Ochrona wzroku i skóry: Bezpośrednia ekspozycja na wiązkę lasera może spowodować poważne i trwałe uszkodzenie oczu lub oparzenia skóry. Mimo to lasery firmy Trotec nie wymagają stosowania dodatkowej ochrony w postaci odpowiednich okularów ochronnych, ponieważ stosowane są wyłącznie lasery klasy 2.  
• Opary i cząstki stałe: Cięcie laserem światłowodowym, zwłaszcza metali, generuje opary, pył i cząstki stałe. Dlatego w celu zapobiegania ryzyku wdychania i utrzymania bezpiecznego środowiska pracy niezbędne są odpowiednia wentylacja i systemy odciągu. 
• Zagrożenie pożarem: Intensywne ciepło może spowodować zapłon palnych materiałów. Dlatego należy upewnić się, że w miejscu pracy nie znajdują się palne materiały. 

Przestrzeganie tych środków ostrożności, a także ścisłych protokołów bezpieczeństwa ma kluczowe znaczenie dla ochrony zarówno operatorów, jak i osób znajdujących się w pobliżu. 

Biorąc pod uwagę ich wysoką wydajność, długą żywotność i wyjątkową precyzję przy obróbce metali i tworzyw sztucznych, lasery światłowodowe są często odpowiednią inwestycją. Korzyści w zakresie szybkości, jakości i wszechstronności często uzasadniają inwestycję w wysokiej jakości laser światłowodowy, zwłaszcza w przypadku firm zajmujących się obróbką metali i realizujących zadania wymagające wysokiej precyzji. 

Jeśli Twoje główne potrzeby obejmują grawerowanie lub znakowanie metali z niezrównaną precyzją i szybkością lub jeśli potrzebujesz solidnego systemu o minimalnej konserwacji i długim okresie eksploatacji, laser światłowodowy jest dla Ciebie odpowiedni. Należy jednak zawsze brać pod uwagę specyficzne wymagania dotyczące materiału i zastosowania. Nasi eksperci zawsze chętnie pomogą w procesie decyzyjnym lub odpowiedzą na wszelkie pytania. 

Skontaktuj się z ekspertem w dziedzinie laserów światłowodowych