Hlavní typy laserů používaných v průmyslu
Lasery se staly neodmyslitelnou součástí výrobního procesu v mnoha průmyslových odvětvích. Používají se ke značení, svařování, řezání, k výrobě štítků. V mnoha případech nahrazují klasické technologie, např. v obrábění, svařování, dělení nebo značení. V průmyslu se můžete setkat s těmito hlavními typy laserů:
|
Laser |
Buzení | Efek. | Režim | Výkon/Energie | Typické aplikace | Údržba | Životnost (h) |
|
Nd:YAG |
LD | ~7% | CW | až 6 kW | řezání, svařování | ano | ~10 000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| pulsní | mJ@ns (~100W) | značení, gravírování | |||||
| lampy | ~3% | pulsní | J@ms (~600W) | svařování, kalení | ~1 000 | ||
|
CO2 |
RF | ~10% | CW/pulzní | 10 – 250 W |
značení, gravírování, řezání nekovových mat. |
ano | 20 000 |
| až 5 kW | řezání, svařování | ||||||
| El. | ~25% | až 20 kW průtočné | řezání, svařování |
pokud je plyn neomezená |
|||
|
Diskový |
LD | ~15% | CW | až 16 kW | řezání, svařování | ano | ~10 000 |
|
Vláknový |
LD | ~30% | CW | až 80 kW | řezání, svařování | ne | ~100 000 |
| QCW | J@ms (~1,2 kW) |
značení, gravírování, mikroobrábění |
|||||
| pulzní | mJ@ms (~100 W) |
značení, gravírování, mikroobrábění |
|||||
|
Diodový |
El. | ~60% | CW | až 10 kW |
svařování, kalení, nanášení vrstev |
ne | ~15 000 |
Nd:YAG, vláknový a diskový laser
Tyto 3 typy laserů mají vlnovou délku cca. 1000 nm a patří k tzv. pevnolátkovým laserům (solid state) – aktivní prostředí tvoří YAG krystal (yttrium aluminium granát), dopovaný ionty neodymu (Nd) nebo ytterbia (Yb). Hlavní rozdíl mezi těmito typy laserů je v uspořádání aktivního prostředí – u Nd:YAG laseru je aktivní prostředí tyčinka (délka 15-20 cm, průměr cca. 1 mm), u diskového je to tenký disk (průměr 10 mm, tloušťka 0,25 mm) a u vláknového laseru je to dlouhé optické vlákno (délka cca. 1 m, průměr 50-300 µm). Velikou výhodou pro instalaci těchto tří typů laserů je možnost vést jejich záření flexibilním optickým vláknem, což velmi usnadňuje vedení záření z laseru do místa procesu.
Nd: YAG laser
Je to historicky nejstarší typ nasazený v průmyslu. Používají se Nd:YAG lasery buzené buď kryptonovými výbojkami (LPSS – lamp pumped solid state) nebo laserovými diodami (DPSS – diode pumped solid state).
Lampami buzený Nd:YAG laser
Lampami buzený Nd:YAG laser
LPSS Nd:YAG lasery mají nízkou účinnost přeměny elektrické energie na světelnou, protože velká část energie výbojky se nevyužije a přemění se na teplo (je nutné chlazení vodou). DPSS Nd:YAG lasery mají vyšší účinnost a lepší kvalitu svazku.
V dnešní době se LPSS Nd:YAG lasery používají zejména v pulzním režimu pro laserové svařování (aplikace s požadavkem hlubokého průvaru a malé teplotně ovlivněné zóny) a vrtání (např. v leteckém průmyslu pro vrtání ušlechtilých ocelí a slitin). Výhodou těchto laserů je vysoká energie v pulsu (až 100J@ms), kterou tyto aplikace vyžadují. Nevýhodou je nízká účinnost, velké nároky na chlazení, vysoké provozní náklady a krátká životnost výbojek (~1000h).
Laserovými diodami buzený Nd:YAG laser.
Diodami buzený Nd:YAG laser
Diodami buzený Nd:YAG laser se zadním buzením (end-pumped)
V případě DPSS Nd:YAG laserů se rozlišují dva hlavní typy buzení dle uspořádání rezonátoru – boční (transversální) buzení a zadní buzení (tzv. end-pumped ). U zadního buzení se budící záření z laserových diod vede do YAG krystalu optickým vláknem (pozor nejedná se zde o vláknový laser, což je častý omyl) – diody tak mohou být externě mimo rezonátor, což je výhodné. Pokud porovnáme boční a zadní buzení, pak u zadního buzení dosáhneme lepší kvality svazku, ale nižších výkonů, u bočního buzení lze naopak dosáhnout vyšších výkonů, ale kvalita svazku je nižší.
DPSS Nd:YAG lasery se používají hlavně v tzv. Q-spínaném pulzním režimu, kdy laser generuje velmi krátké pulsy v řádech ns a průměrný výkon se pohybuje do 100W. Hlavní použití je pro značení a gravírování kovů, plastů a dalších materiálů. V porovnání s LPSS lasery je zde vyšší účinnost, delší životnost a menší nároky na chlazení. Používání těchto laserů nicméně již několik let silně klesá a jsou nahrazovány vláknovými pulzními lasery, které nabízejí v podstatě pouze výhody.
Diskový laser
Rezonátor diskového laseru.
Moderní technologie vyvíjená především firmou Trumpf. Princip je podobný jako u Nd:YAG laseru, ale zde aktivní prostředí tvoří malý disk. Výhodou je rovný teplotní profil po celém disku, který umožňuje dosáhnout vysokých výkonů (až 16kW) s dobrou kvalitou výstupního svazku.
Použití je zejména pro výkonově náročné operace, jako je svařování a řezání kovů. Nevýhodou diskových laserů je menší účinnost (15-20%) a nižší životnost než u laserů vláknových.
Vláknový laser
Vláknový (fiber) laser je technologicky nejmodernější typ pevnolátkového laseru, aktivní prostředí je dlouhé optické vlákno dopované ytterbiem. Buzení z laserových diod je vedeno přes optickou spojku do aktivního vlákna a namísto zrcadel jsou zde tzv. Braggovské mřížky, což jsou struktury vytvořené přímo na optickém vlákně. Vlákno je pak ukončeno optickým kolimátorem.
Princip vláknového laseru.
Vláknové lasery se dále dělí podle pracovního režimu na kontinuální (CW), pulsní nebo kvazipulsní (QCW). Ohromnou výhodou vláknového laseru je jeho jednoduchost (celý laser tvoří vlastně optické vlákno), robustnost a modularita, která je u těchto laserů unikátní – laser je tvořen tzv. laserovými moduly, jejichž spojováním se může postupně navyšovat výkon (dnes až 80kW).
Další výhody jsou vysoká účinnost (30-35%), obrovská životnost (až 100 000h), malé prostorové nároky, vysoká kvalita laserového svazku, nejnižší provozní náklady ze všech uvedených typů a téměř nulové nároky na údržbu.
Dominantním světovým výrobcem vláknových laserů je firma IPG Photonics, mezi další patří GSI JK Lasers, Rofin, SPI Lasers Trumpf a další.
CO2 lasery
CO2 lasery patří do skupiny plynových laserů, kde aktivní prostředí je směs plynů obsahující CO2. V průmyslu se používají lasery buzené buď radio-frekvenčně (RF) nebo elektrickým výbojem (DC – direct current ). Z hlediska uzavřenosti rezonátoru se dělí na tzv. sealed off lasery s hermeticky uzavřeným rezonátorem a na tzv. průtočné lasery, kdy plyn rezonátorem neustále proudí (což je nutné u vysokých výkonů ~10kW).
Princip CO2 laseru.
Princip CO2 Slab laseru.
Do výkonů 5kW jsou nejčastěji používány DC RF CO2 lasery (difúzně chlazené, RF buzené). Buzení aktivního plynu se provádí radio-frekvenčním vlněním, které probíhá mezi dvěma elektrodami. Tyto lasery vynikají vysokou spolehlivostí, dlouhou životností a nízkými provozními náklady.
Využití CO2 laserů je pro značení, gravírování a řezání nekovů (plasty, plexi, kůže, papír, skla, apod.). Zde se používají výkony do 1,5kW. Další průmyslovou aplikací je řezání a svařování kovů (výkony až do 20kW), kde jsou CO2 lasery dobře zavedeny.
Na rozdíl od Nd:YAG, diskových nebo diodových laserů, nelze záření CO2 laseru (10,6µm) vést optickým vláknem a je nutné pro vedení svazku používat zrcadla, což je velká nevýhoda – optická dráha je složitější, je nutná její pravidelná kalibrace, jsou zde nároky na čistotu a údržbu zrcadel atd.
Hlavními světovými výrobci CO2 laserů jsou firmy Coherent, Rofin, Trumpf nebo Synrad.
Diodové lasery
Princip diodového laseru
Aktivním prostředím diodového laseru je elektricky čerpaná polovodičová dioda. Diodové lasery se pohybují od výkonu v mW až do kW. Tyto lasery mají vysokou účinnost, ale trpí nízkou kvalitou výstupního svazku. Mohou mít miniaturní rozměry a nízký výkon a používají se např. v CD/DVD přehrávačích, laserových tiskárnách apod. Diodové lasery s vysokým výkonem se v průmyslu používají zejména pro svařování kovů i plastů a kalení.
Aplikace diodového laseru v DVD mechanice