Новости лазерных технологий.

SLAB СО2-лазеры — гибкое и испытанное средство. Статистические данные подтверждают их высокую надёжность и минимальные затраты на техобслуживание.

Современное эффективное производство невозможно представить без лазеров и лазерных процессов. С самых первых дней СО2-лазеры доминировали на рынке непрерывной резки и сварки благодаря своей высокой мощности и эффективности с точки зрения потребления электроэнергии, надежности и рентабельности.
В материале Шаймарданова Р. (ООО «ДЕГ-РУС») рассмотрены параметры качества луча, необходимые для сравнения между собой аналогичных лазерных устройств, особенности систем охлаждения лазеров и вопросы безопасности работы с ними. Основным сегментом лазерного рынка является лазерная резка не только металлов, но и дерева, пластика, текстиля и компаундов.
На втором месте после резки стоит лазерная сварка. За счет образования малой ванны расплавленного металла лазерная сварка является высокоэффективной. Она обеспечивает высокие скорости сварки и низкую тепловую нагрузку на сваренный участок и, как следствие, низкую степень тепловой деформации.
Примерами лазерной сварки может служить сварка компонентов силовых цепей, инжекторных систем, корпусов датчиков и нагнетательных насосов для воздушных подушек и, кроме того, деталей корпусов автомобилей, нестандартных заготовок, труб и профилей с проплавлением от 0,5 до 15 мм. Сильные стороны использования данных технологий раскрываются благодаря возможности локализовать в малом фокусном пятне лазерное излучение среднего и высокого качества.
Тем самым достигается высокая плотность мощности лазерного пучка, которую удобно контролировать. В выборе лазеров для конкретного применения важную роль кроме мощности и длины волны излучения играет качество самого луча и способность лазерной системы к его фокусировке.
Все лучи лазерного пучка распространяются не параллельно, они расходятся и следуют по так называемой каустике распространения: диаметр пучка изменяется с расстоянием от выходного окна по гиперболической функции, описываемой радиусом перетяжки луча (мм) и расходимостью поля (мрад). Произведение этих параметров определяет качество лазерного луча, единица измерений, в которой оно выражается в мм-мрад. Эту величину используют для описания распространения лазерного луча, величины диаметра фокусной перетяжки и глубины фокуса. Если при аналогичных условиях сравнить фокусировку двух лазеров с одинаковыми длинами волн, то надо обратить внимание на их качество луча. Допустим, они различаются между собой по качеству луча в два раза, тогда мы получаем, что величины фокусов также отличаются в два раза.
Если пятна, в которые сфокусированы их лучи, имеют одинаковые размеры, то значения величины глубины фокуса для них будут отличаться: луч с более низким показателем произведения имеет большую глубину фокуса. Этот факт надо учитывать при резке и сварке толстых материалов.
Параметры фокусировки, размер и глубина фокуса должны выбираться с учетом конкретного применения. Самое малое фокусное пятно при резке или сварке не всегда является лучшим решением производственной проблемы. Типичные размеры фокусного пятна, используемые в макроприменениях, лежат в пределах 0,1 — 0,6 мм. Глубина фокуса должна быть порядка 1 мм для обеспечения достаточных допусков в процессе производства и достигать половины толщины материала для получения требуемых форм реза или профиля сварки.
Эти величины легко достижимы, если использовать лазер с качеством луча в 3,5 мм-мрад. Это качество соответствует основной моде СО2-лазера с параметром М2=1. Более высокие значения качества луча, как правило, и не требуются.
В 80-е годы был разработан принцип пластинчатой конфигурации СО2-лазеров. Его предложили независимо друг от друга два изобретателя: профессор Оповер из немецкого города Штутгарта и профессор Тулип из Канады.
Суть его заключается в том, что газовый разряд возбуждается между двумя плоскими электродами с зазором всего в несколько миллиметров.
Так как диффузионное охлаждение молекул высокоэффективно для небольших расстояний, то, следовательно, резко возрастает возможность теплоотъема.
Охлаждаемые водой медные электроды соединяют в себе три элемента: стены резонатора, электроды для ВЧ-разряда и теплообменник для охлаждения газа.
На основе данной конструкции получены отпаянные лазеры с выходной мощностью до 600 Вт и лазеры мощностью 1,000 — 8,000 Вт с интегрированным газовым баллоном, питающим лазер газом до одного года работы.
Адаптация оптического резонатора к данному SLAB-принципу была решена с помощью устройства так называемого гибридного резонатора. Одна ось предназначена для формирования основной моды в пределах небольшого интервала между электродами.
Другая ось — с большой апертурой. Она образуется параллельно к поверхности электрода и используется в неустойчивом резонаторе, который формирует основную моду из крупных поперечных сечений.
Поскольку качество луча обоих типов резонаторов определяется основной модой низшего порядка, то можно спроектировать простую оптику. В ее состав входят элементы, фокусирующие лазерные лучи в двух резонаторах до одного и того же размера при аналогичной плоскости распространения. Данная конструкция позволяет получать хорошо коллимированный луч высокого качества. Пространственный фильтр, применяемый у промежуточного фокуса оси неустойчивого резонатора, очищает луч от боковых мод неустойчивого резонатора, обеспечивая генерирование луча СО2-лазера очень высокого качества. Профиль лазерного луча имеет гауссову форму (то есть законы гауссовой оптики описывают его распространение и фокусировку), поэтому качество луча близко к единице.
Для областей применения, требующих более крупных размеров фокуса, за пределами резонатора можно генерировать донатову (кольцевую) моду.
Данная мода имеет распределение интенсивности ТЕМ01 и параметры качества луча: К=0,45 или М2=2,2. Поскольку резонатор не использует какое-либо полупрозрачное зеркало, то зеркала резонатора (их всего два) можно изготовить из меди.
Это обеспечит устройству надежность и долгий срок службы. Компоненты резонатора, в данном случае, более не являются запчастями! Отпадает необходимость замены выходных зеркал и окон и не требуется проводить после каждой замены перенастройку резонатора, на которую может затрачиваться много времени.
Тем не менее, для выхода лазерного излучения из вакуумной камеры необходимо иметь прозрачный компонент — окно, функционально несвязанное с резонатором. Окно изготовлено из алмаза, выращенного синтетическим способом. Данный материал обладает высокой степенью прозрачности, очень высокой теплопроводностью и высокой прочностью. Такой тип окна был применен в более чем 6000 SLАВ СО2-лазерах высокой мощности (1,000 — 8,000 Вт) и день за днем, год за годом демонстрирует свою надежность.
Вся конструкция нечувствительна к тепловой нагрузке и это обеспечено, не в последнюю очередь, благодаря алмазному окну.
У многих классических лазеров существует зависимость между размером пучка, положением перетяжки и мощностью излучения. Происходит это из-за того, что выходное зеркало меняет свои оптические свойства в зависимости от пропускаемой мощности. У SLАВ СО2-лазера, благодаря использованию в конструкции исключительно отражательных элементов и алмазного окна, параметры распространения луча постоянны и почти не зависят от излучаемой мощности.
Простая конструкция SLАВ СО2-лазера упрощает его эксплуатацию и техобслуживание.
Интервал замены газа из внутреннего баллона — 72 ч. Отсутствует внешний подвод газа.
Статистические данные по опыту эксплуатации этих систем подтверждают минимальные затраты по расходу газа, по техобслуживанию, а также длительные сроки службы.

Источник: www.degrus.ru

.