Již od roku 2002 řešíme Vaše projekty průmyslového značení.

Princip pevnolátkových Nd:YAG laserů - 1064 nm Infra red

Říká se jim DPSS lasery, tedy Diodově buzený pevnolátkový laser z anglického Diode Pump Solid State laser. Virtuálně jsou to jakékoliv opticky pumpované lasery, ať již diodami nebo lampou (výbojkou), která se používá jen málo.

Z funkčního hlediska se pevnolátkové lasery zpravidla dělí podle aktivního prostředí, v němž vzniká laserový efekt. Mezi laickou veřejností je nejvíc rozšířena představa laserů s krystaly drahých kamenů, např. rubínu nebo safíru. Ano, vyrábí se i tyto lasery, které umožňují dosahovat velkých výkonů, ale pouze v krátkých pulzech, protože spojité záření by krystal zničilo. Tuto nevýhodu nemají lasery, jež jsou založeny na sklech s přídavky vzácných prvků (např. Nd:YAG). Tyto dva druhy laserů se označují jako lasery s pevným prostředím (solid-state).

laser 14 1

Nejpoužívanějším typem pevnolátkového laseru je Nd:YAG laser. Aktivním materiálem je izotropní krystal Yttrium Aluminium Granátu (Y3Al5O12) dopovaný ionty neodymu (Nd3+) a z toho vzniká zkratka pro laser, složená z počátečních písmen chemických prvků. YAG je zkratka pro yttrito-hlinitý granát (Y3Al5O12), což je bezbarvý, opticky izotropní krystal kubické struktury. V současné době je nejdůležitějším krystalem pro granátové lasery, neboť je zvládnuta jeho technika pěstování a opracování do tvarů tyčí při zachování nejvyšší optické kvality.
Dominantní postavení pro svoje laserové vlastnosti má YAG dopovaný ionty Neodymu (Nd3+). Kromě něho bylo docíleno laserové generace i v krystalech YAG dopovaných ionty Erbia (Er3+), Holmia (Ho3+), Ytterbia (Yb3+) a dalšími.
Typická vlnová délka záření emitovaného z Nd:YAG laseru je 1064,1 nm, která je shodná s vlnovou délkou používaných druhou „polovodičovou“ technologií vláknových laserů. S menší účinností však může Nd:YAG laser emitovat i záření o vlnových délkách 940, 1120, 1320 a 1440 nm.

Buzení nebo čerpání laseru

Toto by bylo na samostatnou kapitolu, tedy jen stručně. Čerpání krystalu je prováděno buď kryptonovou výbojkou (lampou - staré a je na ústupu, nepoužívá se) typ Laserscript nebo nověji polem polovodičových diod typ Laserdiode. Jen nastíníme, že buzení může být z boku krystalu, nebo zezadu krystalu (zado-buzené lasery). Budící diody mají vysoký výkon, ale velkou rozbíhavost paprsku, což pro některé typy DPSS laserů není problém, například pro diskové lasery. Ale často se laserový paprsek z budící diody formuje do vlákna a toto nosné vlákno je nasměrováno na zadní část krystalu. Různým typem buzení se dosahují velmi různé vlastnosti DPSS laserů.
Laserový svazek je modulován speciálním krystalem (AOM - acoustooptic modulation) ovládaným RF signálem. Lasery pracují v kontinuálním CW nebo pulzním módu. Typem buzení se výrazně liší životnost laseru, protože výbojku (5.000 hod max.) nebo diody (20.000 hod max.) je potřeba měnit v servisních intervalech. V závislosti na době buzení může generovat záření jak v impulsním, tak i v kontinuálním režimu. Maximální výkon v kontinuálním režimu dosahuje několika stovek wattů. V impulsním režimu se délka impulsu může v závislosti na druhu modulace jakosti rezonátoru pohybovat v rozmezí od mikrosekund až po jednotky pikosekund a tedy i výkon může být velmi vysoký (ale na krátký čas).

laser 14 2

Q-switch

Jde o součástku, která je vložená do rezonančního obvodu a dokáže převést kontinuální mód na pulsní s vysokou energií. Někdy se systém s Q-switch, součástkou nazývá také „quality switch“ zlepšující kvalitu paprsku. Při tomto ovládání laserového zdroje dochází k navýšení výkonu jednotlivého pulsu laseru nad hodnotu, která je daná exitačním výkonem.
Q-switch ovládání je zabezpečené umístěním rychlého pulsního spínače přímo v laserovém rezonátoru. Q-switch se nazývá quality switch a produkuje extrémě vysoké pulzy výkonu řádově až stovky kW, ale v časové délce několika nanosekund, nebo taky výkony GW (giga Watt) v časové délce pikosekund. Frekvence spínání je řádově ve stovkách kHz.
AQ switch - acusto optic metoda Q-switch, mění lomový index světla na základě ultrazvukových vln. Existuje ještě druhá metoda Q-switch a to je Elektro-optic. Q-switch mění refractive index na základě přivedeného napětí. Z principu je možné mít jak pasivní tak aktivní Q-switch. Aktivní lze ovládat elektricky, pasivní mění své vlastnosti v závislosti na výkonu laseru. Nyní k principu. Pokud není aktivní Q-switch aktivován, tak není ovlivněn rezonanční obvod a vytváří se laserový paprsek z emitovaných elektronů. K čemu dojde, když se zapne / aktivuje Q-switch? Po aktivaci zacloníme průchodu fotonů a zrušíme rezonanční obvod. V oblasti, kde se aktivují elektrony, dochází k mnohem větší aktivaci více elektronů, a tedy zvyšují možnost vyzářit více fotonů, tedy více energie. Deaktivujeme Q-switch a rezonanční obvod je otevřen, ale už máme více excitovaných elektronů a vyzáří se tak více fotonů. Zvyšují tedy laserovou energii a rozdělují ji v pulsy, dávky velké energie.
Nyní to popíšeme velmi názorně pro domácí studenty. Je to jako když proud vody z kohoutku představuje proud fotonů. Tento proud „vodních fotonů“ přehradíme svými dlaněmi a nahromadíme energii do dlaní. Dlaně se tak naplní vodou a pak je otevřeme. Vznikne tak mnohem větší energetický náraz, což je právě tok fotonů v pulzích s větší energií - stejný objem vody vyteče za kratší čas a s větší energií.
Nd:YAG má díky vysokému výkonu, jednoduchosti konstrukce a vhodné vlnové délce, řadu uplatnění. Hojně je užíván v technologii např. pro vrtání, sváření, žíhání, řezání a značení. Pro značení je využíván hlavně pro anorganické materiály, jako jsou kovy, plasty. Výkon laserů je odstupňován následovně: 5 W, 20 W, 30 W, 50 W a 75 W a 120 W. Vlnová délka Nd:YAG laseru prochází přes křemenné sklo a neprovádí na něm žádné značení. Dále své uplatnění nalezl i v medicíně, vědě, biologii a ve vojenských aplikacích. K vedení laserového výkonu z Nd:YAG laserového zdroje se používá optického vlákna, které není aktivní, ale pouze přenáší výkon do skenovací hlavy. Mylně se často zaměňuje tento princip s vláknovými lasery (fiber laser), kdy vláknové lasery mají aktivní optické vlákno, zvyšující výkon „polovodičového“ laseru z budících diod. Vláknové lasery pracují na zcela jiném principu, ale rezonátorem je právě aktivní vlákno.
Ve zdravotnictví se Nd:YAG využívá v oftalmologii pro odstranění druhotného šedého zákalu či vytvoření otvorů v duhovce za účelem redukce nitroočního tlaku. Při odstranění druhotného šedého zákalu je laserem vytvořen otvor do zadního čočkového pouzdra.

laser 14 3

Použít vláknový laser nebo Nd:YAG laser?

Je zde několik rozdílů mezi vláknovým laserem a Nd:YAG lasery (dnes používané pevnolátkové lasery pumpované diodami, také ve variantě Nd:YVO4), přesto oba typy laserů pracují na stejné vlnové délce 1064 nm. Ytterbium Fiber Laser má několik variant, které jsou označovány Mopa & Mofa, kde diody pumpují optické vlákno. Tyto lasery mají exklusivní kvalitu laserového paprsku, stabilitu a velmi vysokou účinnost z přívodní energie ze zásuvky, často okolo 30%.
Naopak starší lampou buzené Nd:YAG lasery jsou neefektivní ve výkonové spotřebě a jejich výkonový výstup je v poměru k příkonu někde mezi 2 až 30%. Vláknové lasery jsou virtuálně bezúdržbové a poslední modely laserových budících diod dosahují životnosti až 150.000 hodin, díky pokrokovému snímání teploty na polovodičovém čipu diody. Jediný spotřební materiál u vláknového laseru je elektrická energie. U laseru typu YAG je potřeba měnit diodový blok po asi 10.000 až 20.000 hodinách nebo lampu po 3.000 až 5.000 hodinách. Vláknový laser je extrémně kompaktní a není potřeba nastavovat žádné rezonanční optické části, proto je vláknový laser velmi stabilní, malý a bezúdržbový.
I když má vláknový laser mnoho předností a benefitů, tak přesto není přímou náhradou YAG laserů pro některé aplikace. Před rozhodnutím, jaký typ laseru použít, je nutné provést testy značení na materiál, kdy často plasty dosahují velmi odlišného kontrastu.

YVO4  a Nd:YVO4 lasery v principu zadobuzené

Metoda „zado-buzený“ laser YVO4 je čistě pevnolátkový laser s krystalem YVO4 nazývaným Vanadový. Toto medium je Yttrium Vanadate krystal dopovaný Neodymiem, stejně jako YAG lasery. Metoda zadobuzeného pumpování je jen jednou z možných aplikovaných systémů buzení laserů YVO4. Rezonátor je tvořen párem dvou zrcadel, kdy zadní 100% odrazivé je pro vlnovou délku laseru 1064 nm, ale pro budící laserový paprsek z diody je propustný. V rezonančním obvodu je vložený Q-switch, který zvyšuje energii vycházející z laseru a právě YVO4 krystal dokáže mnohem více zesilovat energii v porovnání s Nd:YAG krystalem, je zde větší zesilovací faktor jak u YAG laseru. Použitím Nd:YVO4 laseru je možné získat stejný výkon jak z Nd:YAG laseru, ale s menší velikostí. Stejný výkon jak z YAG laseru lze získat s menší velikostí krystalu (nižší cena) a menším rezonančním obvodem (malé zástavbové rozměry). Malý rezonanční obvod zabezpečí kratší délku laseru v rezonančním obvodu, což zvyšuje intenzitu laseru. Největší výhodou tohoto laseru je jeho vysoká špička výkonu a krátký puls s větší efektivitou jako YAG lasery. Tvar YVO4 paprsku je mnohem lepší jak pro YAG lasery, kdy středová část má mnohem větší špičku a paprsek je v TEM 00, tedy má jen jednu špičku výkonu, což dělá z tohoto laseru velmi kvalitní výstup. Největšího výkonu se dosahuje při použití YVO4 zdroje, okolo 40-50 kHz. Vyšší frekvence nemá efekt na zvýšení výkonu nebo energie pulsu.
95% dodané energie je právě do budící diody, tedy do PN polovodičového přechodu. Světlo této budící diody je okolo 900 nm (často 880 nm nebo 840 nm, tedy červené světlo). Toto světlo - respektive jeho pulzy - je přiváděno na krystal YVO4, kde se přemění energie dodaná na laserový paprsek o vlnové délce 1064 nm. Velmi důležitá je tepelná stabilita celého systému. Pokud se mění teplota budící diody, mění se i její vyzářená vlnová délka (barva světla), což má za následek nefunkční budící obvod a výsledek nízkého vybuzení krystalu je nižší energie / výkon laseru. Při značení to má za následek neznačení nebo vynechání části značení. Doporučuje se velmi stabilní teplota laserového systému, nezakrývat u vzduchového chlazení otvory, nechat dostatečnou vzdálenost mezi laserem a otvory nasávání a vyfukování vzduchu. Uvnitř laseru je destička korigující teplotu povrchu budící PN diody. Jde o Peltierův jev, který už v roce 1834 objevil Jean C. Peltier. Princip je jednoduchý, dvě destičky, každá z jiného kovu, na každé je přivedena elektroda, a když prochází těmito destičkami z jiného kovu proud, jedna destička se zahřívá a druhá ochlazuje. Tento systém se používá i v počítačích k ochlazování čipů. V laserech se koriguje teplota polovodičových laserových diod a stabilizuje se tak celý laserový systém.

laser 14 4

Porovnání YAG / YVO4 Vanadate / Ytterbium fiber

  • Délka pulsu je největší u vláknového laseru (okolo 20 ns), menší je u YAG laseru a nejkratší doba pulsu (5 ns) je u vanadatového laseru.
  • Velikost špičkového výkonu je nejnižší u vláknového laseru (10 kW) (energie okolo 1 mJ pro značící lasery), střední je u Vanadového laseru a nejvyšší puls výkonu je u YAG laseru (100 kW).
  • Frekvence opakování pulsu je nejvyšší u vláknového laseru (250 kHz), střední u YVO4 Vanadate laseru a poslední je YAG laser (80 kHz).
  • Spodní frekvence opakování pulsu je nejnižší u YAG laseru (5 kHz) a ostatní lasery začínají na 20 kHz, stejně jako vláknový laser. Vláknový laser lze budit i menší frekvencí, okolo 5 kHz, ale pak klesá energie pulsu z 1mJ, často až na polovinu, tedy 0,5 mJ. Stejně je tomu u vláknového laseru na velmi vysokých frekvencích okolo 300 kHz, kdy i zde klesá energie pulsu. Beze změny energie pulsu 1mJ je vláknový laser mezi 20 kHz až 250 kHz.
  • Pro Q-switched lasers, Nd:YVO4 nedovoluje konstrukce takovou energii pulsu jako pro Nd:YAG, protože kapacita uložené energie je nižší pro Nd:YAG z důvodu nižší životnosti a pak i vysoké účinnosti. Na druhou stranu Nd:YVO4 je vhodnější pro vysoké opakování pulsů vyšší frekvence, kde dokáže generovat velmi pěkné krátké Q-switched pulsy s vysokou energií. Nejčastěji je opakovací frekvence laseru řízena s Q-switch módem.
  • Chlazení vzduchem je mnohem levnější. Pokud se použije vláknový laser, tak je chlazen vzduchem a není potřeba vodní chlazení. Rodina YAG laserů je pro velké výkony chlazena vodou, ale pro výkony okolo 20 W je možné mít vzduchové chlazení.

Porovnáme-li výsledek značení s pevnolátkovým laserem YVO4 a vláknovým laserem, tak YAG laser má velmi vysokou špičku výkonu a krátkou dobu trvání. Díky tomu velmi rychle zahřeje materiál tak, že se začne okamžitě odpařovat a po skončení působení pulsu se okamžitě schladí. Dříve než se zahřeje okolí působení laseru, tak je již laserový paprsek vypnutý. Díky tomu nedojde k zahřívání okolí a nedochází také ke kapalné fázi materiálu, ale rychle se odpaří. Naopak vláknový laser působí delší dobu na materiál a tím dojde k roztečení materiálu a ten se pak z tekoucí fáze dostává k odpařování za delší dobu. Tekutá fáze chladne pomaleji a zahřeje okolí působení vláknového laseru. Proto výsledky značení jsou odlišné při použití YVO4 a vláknového laseru.

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