Již od roku 2002 řešíme Vaše projekty průmyslového značení.

Možné dělení typů a druhů laserů

Samozřejmě existuje mnoho kritérií pro dělení laserů, my jsme si zvolily pouze základní přehled laserů a dělení dle globálního použití a výroby.

Lasery se dají dělit podle materiálu aktivního prostředí nebo podle toho, jestli pracují nepřetržitě, stálou emisí záření (kontinuálně) nebo v impulsním režimu, pulsní emise záření. Podle aktivního prostředí lze rozdělit na pevnolátkové (krystaly například rubínu), kapalinové (barvivové) a plynové (například CO2 lasery). Polovodičové lasery bych zařadil asi do pevnolátkových, protože laser vzniká v pevné polovodičové struktuře.

laser 6 1

Dle vlnové délky

  • 10,6 µm (také 9,3 µm nebo 10,2 µm) - typické pro CO2 lasery. Široký rozsah pro značení etiket, odebírání plastových materiálů, barev, lepidel, také pro řezání a vrtání
  • 1090 nm - lasery typu YB (Ytterbium), mají velmi vysoký výkon a excelentní efektivitu chlazení. Velmi dobře lze uchladit jejich vysoký výkon. Dobré pro značení kovů a plastů.
  • 1064 nm - Nd:YAG (Yttrium Alluminium Garnet) které se používají pro mnoho značení, takový univerzální laser pro značení do kovu nebo plastu. Podobným typem je Nd:YVO4 (Yttrium Vanadate), který má obdobné vlastnosti, ale má mnohem vyšší špičkový výkon a extrémně stabilní výkon paprsku. A také vláknové lasery, které se vyznačují velmi vysokou životností a kvalitou paprsku.
  • 630 nm - červený laser - HeNe - často používaný pro měřící systémy. Může být jak polovodičový, tak i plynný laser.
  • 650 – 905 nm polovodičové lasery GaAs, GaAlAs, GaInAs
  • 532 nm - zelený laser, jde o druhou harmonickou z 1064 nm pro Nd:YAG lasery. Používá se pro značení a procesy jako jsou silikonové/křemíkové destičky při výrobě čipů, značení plastů, vysoce odrazivé materiály a kovy. Nově do této skupiny patří i vláknové lasery v zeleném spektru.
  • 488 nm – 514 nm Argonové lasery, tedy plynné lasery, primárně použité pro vědecké účely a biomedicínu.
  • 355 nm - UV lasery používající se pro mikroděrování, opravu LCD a značení plastů, kovů a vysoce reflexních povrchů.
  • 330 nm – 1300 nm - kapalné lasery používané pro vědecké účely. Kapalina je vybuzena často laserovým světlem a vzniká fluorescence.
  • 224 nm – 248 nm - Lasery typu čtvrté harmonické Nd:YAG laseru jsou například z NeCu nebo HeAg a jsou kvazikontinuální (quasi CW).
  • 193 nm - Obecně se jim říká taky Deep UV - nebo jsou označované jako DUV lasery, pro které je světlo o vlnové délce menší jak 200 nm a je problémové jej přenést mimo vakuum. ArF (193 nm) a F2 (157 nm) eximer lasery spadají do této kategorie - vakuum ultra fialového světla. Plynný laser, používá se kombinace inertního plynu a vodíku. Vytváří se tak krátké pulsy v UV spektru. Hlavně se používá pro zdravotní průmysl, přesněji k odpaření povrchu z čočky lidského oka (korekce dioptrií).

Věděli jste, že ....?

Z vlnové délky a výkonu laseru lze spočítat počet fotonů vyzářených z laseru. Energie jednoho fotonu je úměrná jeho frekvenci a Planckově konstantě. Počet fotonů vyzářených za sekundu spočítáme tak, že vydělíme celkovou energii vyzářenou laserem za 1 sekundu (tj. jeho výkon) energií jednoho fotonu. Je zde jeden platný předpoklad, že foton má nulovou klidovou hmotnost a vždy se pohybuje rychlostí světla. Takže pokud víme přesný výkon, frekvenci, dostaneme přesný počet vyzářených fotonů.
Pro představu laser o vlnová délce 1064 nm a výkonu 30 W vyzáří 3,517x1024 s-1 fotonů.

laser 6 2

Pevnolátkové lasery

Typickým zástupcem je rubínový laser, který byl vůbec první fungující laser na světě. Stále používá krystal syntetického rubínu, ne však tmavě červené barvy, ale již barvy růžové. Pro vybuzení se využívá často xenonové výbojky nebo polovodičových velkoplošných diod. Tento laser pracuje zpravidla v impulsním režimu, kde v miliontině sekundy vyzáří výkon řádově miliony wattů. Musíme si uvědomit, že tak velký výkon je za velmi krátkou dobu. Pro značící účely jsou výkony laserů 8 W až 30 W. Pro tak velké výkony je nutné mít chlazení laseru, které je většinou vodní. Dnes se však již moc nepoužívá pevnolátkový rubínový laser, byl nahrazen polovodičovými lasery známé jako vláknové lasery. Tento laser generuje světlo ve 2 vlnových délkách 692,9 nm až 694,3 nm (červené světlo, jako budící) a druhá vlnová délka 1062 nm, která výkonově převládá, je výstupní laser pro značení. Dále je velmi rozšířen yttriumaluminiový granát s příměsí neodymu, případně chromu (Nd:YAG resp. Cr:YAG). S trochou nadsázky, k čerpání se dá využít světlo i obyčejné žárovky, ale často se používá xenonová výbojka atp. Dá se také provozovat v kontinuálním i impulsním režimu. Musí se však stejně jako rubínový laser nuceně chladit, protože při velkých čerpacích výkonech se krystal značně zahřívá. Generuje v oblasti IR (1064 nm - infračervené záření). Pro budoucnost je velmi perspektivní také sklo a dielektrické krystaly. Sklo, nekrystalický materiál, se dá vyrobit s velmi vysokou kvalitou a je možné jej dopovat různými prvky. Často se dopuje neodymem, vyzařuje též v IR (infračervené) oblasti.
Nyní něco o konstrukčním uspořádání. Pevnolátkové lasery se umisťují do odrazivé komory (dutiny) s kruhovým, lépe eliptickým průřezem. Do jednoho ohniska v případě eliptické dutiny se umístí krystal, do druhého budící lampa (výbojka). Odrazivost dutiny by měla být co možná největší (kvůli ztrátám). Některé paprsky z výbojky se nemusejí nikdy dostat do krystalu, jiné se třeba částečně utlumí. Celková účinnost těchto laserů je však velmi malá (0,1 až pár %). Je to dáno hlavně kvalitou odrazivé dutiny a také značným zahříváním krystalu. Další lasery - Ho:YAG, Er:YAG, Safírový, Alexandritový atp.

laser 6 3

Kapalinové (barvivové) lasery

Jejich obrovskou výhodou je, že se dají přelaďovat na jiné vlnové délky, tudíž mají velmi značné využití ve spektrometrii. Jako aktivní prostředí kapalinového laseru jsou využívány roztoky organických barviv. Výhodou tohoto typu je nastavení různé vlnové délky od 300 nm do 1500 nm. Jako aktivní prostředí zde slouží různá barviva, např. Rhodamin 6G, Rhodamin B, Fluorescein, Alizarin, různé Coumariny a další, rozpuštěné například
v lihu, destilované vodě. Vrátíme se k pokrokové myšlence, že barviva je možné také rozpustit ve skle, tedy vznik „skleněných laserů“. K jejich buzení se dá využít světlo jiného laseru, velmi často se používá laseru dusíkového, který generuje v oblasti UV. Rovněž se dá využít světlo z nějaké výbojky. Podobně jako pevnolátkové lasery se umisťují do odrazné dutiny, rezonátoru, v případě buzení výbojkou. V případě buzení jiným laserem je uspořádání trochu jiné, což je spíše pro vědecké účely a použití. Jak ladit a přelaďovat tyto lasery? Je to jednoduché, do rezonátoru se umístí difrakční mřížka. Jejím natáčením se mění barva, vlnová délka výsledného světla. Nebo se difrakční mřížka může vynechat, a výstupní paprsek laseru jednoduše rozložit např. hranolem a pak použít jen potřebnou část spektra, kdy se vybere pouze vhodná vlnová délka. Použití s hranolem je velmi časté a jednoduché. Z důvodu degradace aktivního prostředí kvůli vnesenému teplu a světlu při buzení není tento typ laseru v průmyslové oblasti příliš rozšířen.

Plynové lasery

Existují různá provedení těchto laserů. K jejich buzení se povětšinou používá vysokonapěťový doutnavý elektrický výboj. Existují samozřejmě i výjimky, např. Argonový laser, který se budí také elektrickým proudem, ale o malém napětí. Elektrody tohoto laseru musejí být velmi odolné, jelikož jsou v trubici velké proudové intenzity a opotřebovávají se. Elektrický proud předává svoji energii neexcitovaným atomům - to platí také skoro pro všechny plynové lasery. I zde existují výjimky, např. jde o expanzní CO2 laser, jehož princip zde popisovat nebudeme. Velmi rozšířené jsou kontinuální CO2 lasery, užívané pro řezání, značení, vrtání atd. V trubici tohoto laseru slouží jako aktivní prostředí směs plynů, a to CO2, He a N v různých poměrech podle užití. Trubice musí být z křemenného skla, protože se aktivní prostředí velmi zahřívá. Chlazení je nezbytné - jako chladící médium se používá voda, olej, nebo různé jiné roztoky. Pro malé výkony, řekněme do 100 W, je možné použít vzduchové chlazení. Lepším řešením je průtok CO2 plynu, pak se skleněná trubka tak nezahřívá. CO2 lasery dosahují i v kontinuálním provozu velkých výkonů (řádově kW). V impulsním režimu i několik desítek TW (terawattů). Tento laser svítí infračerveným světlem o vlnové délce 10,6 µm, ale používají se i lasery na jiných vlnových délkách, například 9,4 µm. Dalšími plynnými lasery proběhneme rychle - nepoužívají se komerčně ke značení. Jedná se například o tzv. HeNe laser. Jeho výhoda je, že má velmi malou divergenci (rozbíhavost) paprsku, tudíž se hodí na zaměřování, ale to spíš dříve a ve vojenském průmyslu. Nyní jej nahradily polovodičové lasery (více například v sekci o vláknových laserech). Generuje většinou v oblasti červenooranžové (632,8 nm), při které má výkon v řádu desítek mW. Také dokáže svítit zeleně, žlutě, ale opět i v IR oblasti. V IR oblasti je výkon v řádu stovek mW. Vše záleží na směsi plynů, tlaku a hlavně na zrcadlech v rezonátoru. Aktivní prostředí, jak už sám název napovídá, je směs plynů helia a neonu. Jako aktivní prostředí zde slouží neon, helium jen podporuje jeho činnost a slouží jako zásobárna energie. Tlak v trubici je malý, řádově desítky až stovky Pa. Budí se vysokonapěťovým doutnavým výbojem. Existuje nepřeberné množství plynových laserů, pro příklad a všeobecný přehled některé uvedu - Argonový (modrý, zelený), Dusíkový (UV), laser s parami Mědi (zelený), Jódový (viditelné, IR) a mnoho dalších. Plynové lasery lze rozdělit na fotodisociační, atomové, iontové, molekulární, excimerové, elektroionizační, plynové-dynamické, chemické.

laser 6 4

Polovodičové lasery

Aktivním materiálem je vlastní polovodič nebo příměsové polovodiče. Podle buzení je lze dělit na lasery s elektronovým svazkem nebo buzené elektrickým proudem. Aktivní prostředí polovodičových laserů je polovodičový materiál, ve kterém jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, to znamená volné nosiče náboje, které lze injektovat. Vyznačují se kompaktností a velkou účinností, dosahující až 50%. Předností je také spektrální přeladění v širokém pásmu (ve vlnových délkách od 0,3 µm do 30 µm). Nevýhodou je rozbíhavost generovaného paprsku a to hlavně na teplotě aktivního polovodičového materiálu. Představitelem polovodičových laserů je laser buzený svazkem elektronů - nazývaný diodový laser, kde aktivní prostředí je tvořeno blokem polovodičů. Aktivní prostředí jsou galium arsenid (GaAs), kadmium sulfid (CdS) a kadmium selen (CdSe). Výstupním paprskem diodových laserů jsou obdélníkové plochy.
Pokud budeme dělit polovodičové lasery dále, je zde injekční polovodičový laser, kde aktivním materiálem je polovodič P a N. Rezonátor je tvořen vybroušenými stranami polovodičového materiálu. Odrazem od zrcadel otevřeného rezonátoru a mnohonásobným přechodem oblastí přechodu vzniká laserové záření. Nejznámější je GaAs polovodičový laser.

Vláknové lasery

Jejich budící diody jsou polovodičové, single-mode diode pumping (velkoplošné MM-multi mode čerpací diody), které emitují výkon (malým optickým vláknem) na stranu optického multi mode vlákna (složeného vlákna s větším průměrem - double cladding) a vytváří budící světlo, které je absorbováno v ytterbium atomech v single mode optického vlákna - tzv. aktivní optické vlákno.
A nyní laicky řečeno - optické vlákno je aktivní, tedy nepřenáší pouze výkon z laserových diod, ale zvyšuje tento výkon. V praxi si lze představit středové optické vlákno, které je obklopeno druhým vláknem, tak jako by v jednom tlustém vlákně bylo ještě jedno menší. Budící diody svítí do velkého optického vlákna a světelný tok působí na vlákno, které je umístěné uvnitř tohoto velkého vlákna. Vnitřní vlákno obsahuje právě aktivní prvek a tím je ytterbium (jako u pevnovláknového laseru, kde je pevná tyčka krystalu dopovaného také ytterbiem). Budící optické diody mají jinou vlnovou délku - budící vlnová délka laseru - než je výsledný paprsek laseru, který vznikne v aktivním vlákně umístěném ve středu velkého / tlustého vlákna. Více diod dokáže pumpovat v optickém vlákně vysokou energii s perfektní kvalitou paprsku. Je zde ještě jeden velmi důležitý princip pro získání laserového paprsku a tím je vysoce výkonný optický zesilovač. Optický zesilovač konvertuje malý světelný signál z budících diod do výkonného paprsku, často tisíckrát silnější, ale identický jako originál. Zvětšení výkonu se dosáhne použitím také více laserových diod. Je zajímavé, že teplo generované v optickém vlákně je odváděno velkou plochou a není potřeba aktivní chlazení. Protože aktivní vlákno může jen podporovat a podpořit přenos laseru, kvalita paprsku není závislá na pracovním výkonu laseru. Jednoduše řečeno, aktivní optické vlákno je obdobou pevného krystalu a je stejně tak buzené diodami a stejně tak jako v krystalu vznikne laserový paprsek, tak i v aktivním optickém vlákně vzniká laserový paprsek.

laser 6 5

Dělení laseru dle buzení - Excitace

Buzení, „pumpování“, čerpání a podobné názvy vyjadřují druh použité energie dodané do aktivního prostředí, pro spuštění laserového paprsku. Kromě uvedených metod k excitaci laserového paprsku se používají i jiné metody, které patří spíše do laboratorních podmínek, než do běžného průmyslového použití – buzení vysoce energetickým elektronovým svazkem, expanzí horkého plynu aj.

Optické buzení
Energie, potřebná ke vzniku laserového záření, se dodává ve formě světelného záblesku. Například v rubínovém laseru je rubínová tyčinka vložena do spirálové výbojky (první typ laseru). Jejím zábleskem dojde k přechodu atomů na vyšší hladinu, při jejich návratu do základního stavu se část této energie vyzáří ve formě laserového záblesku. Používá se u pevnolátkových a kapalinových laserů. Zdrojem světelného záblesku může být vysokotlaká výbojka nebo blok laserových diod napájených vysokým proudem (typicky okolo 80 A). Životnost takových laserů často závisí právě na životnosti optického buzení. Typická doba životnosti pro Lamp pumped laser je asi 3000 hodin. Pro lasery buzené diodovým blokem je doba životnosti asi 20.000 hodin.
Pozor na vláknové lasery, které jsou buzeny laserovými diodami, ale jejich výkon není tak velký, proto nejsou tolik namáhány a životnost u vláknových laserů je daná životností laserových diod, což se odhaduje až na 150.000 hodin.

Buzení elektrickým polem
Základem je elektrický výboj, ke kterému dochází v plynové náplni laseru. Lasery pracují v kontinuálním provozu a jejich výkon se dá měnit změnou objemu plynu nebo jeho plynulou cirkulací. Často bývá tento princip použitý u CO2 laserů, kdy jsou v trubici umístěny většinou dvě elektrody (měděné velkoplošné elektrody), které zapálí výboj v CO2 plynu a spustí emitování laserového paprsku.
V praxi je možné mít laser se stálou náplní CO2 plynu, která v laserové trubici zůstává po celou dobu životnosti laseru (8 let a více). Nebo je trubice plněná CO2 plynem, který prochází trubicí a zároveň ji chladí. Zde se pak mění výkon laseru právě průtokem plynu. K zapálení se používá RF generátor.

Chemická excitace
K čerpání energie do aktivního prostředí se využívá energie exotermických chemických reakcí. První chemický laser byl zkonstruován roku 1965 a využíval reakce vodíku s chlorem. Později se začala používat reakce vodíku s fluorem. U jiného typu se získává energie disociací (štěpením) molekul jódu ultrafialovým zářením.

Máme řešení na míru pro každého!

Elektrotechnika, potravinářství, lahvárenství, automotive, chemie, kosmetika, mlékárenství, zdravotnictví.

Domluvte si schůzku

Abychom vám zajistili lepší uživatelské prostředí, používá tento web soubory cookie. Používáním webu s jejich užíváním souhlasíte. Přijmout