CO2 laser SOLARIS od Leonardo technology je na vlnových délkách okolo 10μm, což je infrared IR spektrum. Vlnová délka CO2 laseru je 10x vyšší jak vlnová délka Nd:YAG nebo Nd:YVO4 nebo vláknový laser. Jméno tohoto laseru přišlo z použitého plynu v laseru. CO2 lasery lze značit do plastu, dřeva, transparentních materiálů jako je sklo, PET materiál. Plyn použitý v laseru je velmi stabilní a uzavřený v hliníkovém pouzdru. Není potřeba žádný externí zdroj plynu. Dříve byla rezonanční komora CO2 laserů provedená ze skla, která měla životnost plynu cca 3 měsíce a budila se elektrickým výbojem v trubici se směsí plynů. Používal se vysokonapěťový zdroj (1000 – 1700 V) o proudu 30 až 50 mA. Dnes se používá plyn zapouzdřen v hliníkové rezonanční komoře, kdy je životnost laseru cca 8 let (cca 50.ooo hodin) bez výměny plynu. Plyn je v komoře o nízkém tlaku, okolo <100 torr. Hliníkové zapouzdření CO2 laseru je možné chladit jak vodou tak i vzduchem. Aktivace plynu se dnes provádí Radio frekvenčně (RF generátor), což zvyšuje životnost laseru a usnadňuje jeho obsluhu. RF generátor vytvoří radiofrekvenční pole a bezkontaktně se přenese rádiový impuls do uzavřené trubice laseru, kde jsou příjímací antény.
Laser je koherentní záření a tím se odlišuje od běžného světla.
Základem každého laseru je tzv. aktivní prostředí, což může být krystal, keramika, kapalina, plyn nebo jiné látky. Toto aktivní prostředí je tvořeno atomy, které se za normálních okolností, tzn. za stavu termodynamické rovnováhy, nachází na základní energetické hladině E0. Zde pak může dojít k absorpci záření, které je v našem případě reprezentováno tokem fotonů o definované energii.
Princip hladinového laseru
Nechci hluboce zasahovat do kvantové fyziky, ale pouze nastínit několik zajímavých vlastností principu laseru. Základní vlastností elektromagnetického vlnění, základu světla, je, že s rostoucí energií vyzářených fotonů se bude zkracovat vlnová délka.
Jinak řečeno nejmenší fotonovou energii má největší vlnová délka radiové vlny. Potom směrem od nejmenší k největší jsou vlny mikrovlnné, sub-milimetrové, infračervené, viditelné, ultrafialové, rentgenové a gama paprsky (s největší fotonovou energií a nejkratší vlnovou délkou). To je vysvětlení, proč na značení s CO2 lasery potřebujeme například 50W výkonu, ale na UV lasery je to jen 5W výkonu, nebo i méně.
Principem je dostat elektron z jedné valenční vrstvy 1 na vyšší 3. Tím získá energii a sám nechce zůstat na této úrovni, držíme ho zde buzením plynu. Následně při klesání z vyšší valenční vrstvy 3 do vrstvy 2 se vyzařuje energie ve formě fotonu. To je to světlo vycházející z laseru. Fotony se řadí k sobě a my nechceme mít spontánní emisi fotonů, ale zcela řízenou kontrolu nad emisí fotonů, abychom mohli ovládat laser.
Zde je důležitý poznatek, že podle energie fotonů buď paprsek vidíme nebo ne (je v jiném pásmu, infračervené, ultrafialové apod.). Jdeme-li do důsledku, pak závisí i barva paprsku na vlnové délce. Paradoxně nejmenší energii a tedy nejblíže k infračervené oblasti má barva paprsku červená, největší má fialová (nejblíže ultrafialovému záření).
U CO2 laseru následně fotony směřujeme v rezonanční dutině mezi dvěma zrcadli tak, aby se energie koncentrovala a stala se koherentní. V rezonančním obvodu se zesílí tok fotonů a překoná polopropustné zrcadlo (odrazivost okolo 99,9%). Zajímavostí je, že směr prvního fotonu určuje směr následujícího fotonu (dle matematicko fyzikální teorie je znám směr budoucího fotonu ještě před tím než sám foton vzniknul). Tím, že se fotony mají tak rádi a následují svoji společnou cestu, dochází k jejich stejnoměrnému nasměřování, tedy koherenci. Koherentní paprsek má minimální rozbíhavost, to znamená, že na velmi velkou vzdálenost má stále skoro stejný průměr (průměr se téměř nezvětšuje). Tato koherence má velmi velkou energii, kterou lze pomocí optiky vhodně koncentrovat do malého bodu, což se pak nazývá spot laseru. Excelentní koherence paprsku, mono chromatičnost paprsku, jediný směr záření, toto jsou vlastnosti, které lze využít pro zaostření paprsku do velmi malého bodu a tedy koncentrovat energii. Vytváří se světelná energie s vysokou hustotou na malém bodě. Je možné tak koncentrovat laserové záření přes optiku, téměř na difrakčním limitu, což u přírodního světla nelze. Difrakční limit zde existuje, protože lze koncentrovat optikou světlo menší jak je jeho vlnová délka. U CO2 laserů pro značení dosahuje hodnoty okolo 0,2mm u vláknových laserů je zaostřený bod (ve fokusaci) 0,01mm, čímž docílím velkou koncentraci výkonu na malý bod. Kompaktní lasery jsou také nazývány slab CO2 lasery s vysokofrekvenčním RF buzením a velkoplošnými měděnými elektrodami.
Aktivní CO2 plyn je o nízkém tlaku <100 torr a tvoří jej:
- Oxid uhličitý (CO2) – kolem 10–20 %
- Dusík (N2) – kolem 10–20 %
- Vodík (H2) a/nebo xenon (Xe) – několik procent; obvykle používaný jen v zatavené trubici (nebo hliníkových blocích).
- Helium (He) – zbytek směsi plynu
Vzájemné poměry těchto prvků se mohou u jednotlivých CO2 laserů lišit. Ke stimulované emisi dochází pouze v molekulách CO2, ostatní plyny zlepšují podmínky vzniku inverzní populace. Vlastnosti plynu, ty jsou neuvěřitelné, protože CO2 laser nemá velké nároky na čistotu plynu a příměsi plynů jako xenon, helium a vodní pára jeho výkon ještě zvyšují.
Teplo, které vzniká mezi elektrodami, se musí odvádět a tedy chladit. Do výkonu 55 W je chlazení většinou vzduchem, ale výkony nad 100 W už mají chlazení vodou. Vyšší teplota by poškodila rezonanční komoru, hlavně polohu a zakřivení odrazivých zrcátek a tím pádem by klesnul výkon laseru. Plyn v SOLARIS laserech od Leonardo technology, tedy systémy pro značení o výkonech 10 W až 150 W se nemění, zůstává stejný od výrobce a vydrží běžně v laseru 8 až 10 let.
I když princip laseru je značně složitější než zde popisujeme, tak jednoduše jde o trubici s vhodným aktivním prostředím, většinou CO2 plynem. Konce trubice jsou doplněny o dvě rovnoběžná zrcadla. Vzdálenost mezi zrcadly tvoří tzv. rezonátor, mezi nímž je aktivní prostředí. Jedno ze zrcadel je polopropustné. Nyní spustíme laser. V aktivním prostředí první inicializační spontánní foton strhne při srážce s atomem nebo molekulou k hromadné indukované emisi. Atomy padají na nižší energetickou hladinu, což má za následek emitaci fotonů, tedy vyzáření energie. Nyní pomáhá optika zrcadel a odráží fotony zpět do aktivního prostředí a s každým průchodem strhne další řadu fotonů. Fotony šířící se jiným směrem než v ose rezonátoru opouští systém, zanikají. Tím tedy dojde ke koherenci paprsku fotonů a polopropustným zrcadlem na jednom konci opouštějí systém v téměř nerozbíhavém svazku. To je náš CO2 laserový paprsek ke značení.
Popsaný princip CO2 laseru se hodí spíše pro CW - continuous wave - kontinuální lasery, kdy paprsek stále vystupuje se stejnou intenzitou. Ale v průmyslu se častěji používají pulsní lasery s velkou výstupní energií a krátkým pulsem. Toho je dosaženo širším pásmem pro rezonanční komoru a více frekvencemi v pásmu. Jednotlivé frekvence musí být ve fázi s hlavní frekvencí. Následně dochází ke sčítání více frekvencí tak, že vzniká puls o vyšší energii a krátkém trvání. Takto jednoduše popsáno vznikne pulsní laser. Pokud chceme ještě vylepšit kvalitu pulsu, použije se součástka nazývaná Quality switch nebo taky Q-switch.
Trubice s aktivním plynem CO2 je o průměru asi 10 až 20 mm, její délka je okolo 0,5 až 1 m. Je možné také použití dvou rovnoběžných trubic poloviční délky, na jednom konci spojené zrcadly pod úhlem 45°. Sníží se tím konečná délka laserové trubice téměř na polovinu. Paprsek bývá většinou infračervený (10,6 µm, ale i 9,3 µm nebo 10,2 µm apod.) a trvalý výkon je běžný do 200 W. Pro značení se používá nejčastěji 10 W nebo 30 W výkonu, ale i CO2 lasery o výkonu 55W, 100W a 150W. Neopomeňme vlastnosti plynu, ty jsou neuvěřitelné, protože CO2 laser nemá velké nároky na čistotu plynu a příměsi plynů jako xenon, helium a vodní pára jeho výkon ještě zvyšují. Nejčastěji se používá z větší části Helium (dobře vede teplo) a pak se přidává CO2 plyn jako aktivní prvek a dále dusík. V tomto mixu plynů dochází k výboji, který přesune elektrony do excitovaného stavu. Vlnová délka nejčastěji pro značení je 10,6 µm nebo také 9,3 µm pro CO2 laser. Největšími výrobci zapouzdřených laserů v hliníkovém monobloku jsou Synrad a Coherent, laserové zdroje od těchto výrobců používá SOLARIS laser od Leonardo technology. Elektrická efektivita je 10 až 20%, což znamená, že zbytek elektrické energie se přemění na teplo a je nutné jej odvádět. CO2 lasery patří mezi nejvýkonnější typy laserů vůbec (dosahují výkonu až 20 kW). CO2 laser je velmi rozšířený v průmyslu, a to hlavně při zpracování plechů, kdy je díky své vlnové délce 10,6 µm a možnosti svařování či řezání oceli (až 45 mm) téměř nenahraditelný. Používá se zde stále protékající aktivní CO2 plyn přes rezonanční optický obvod a je zde tedy velká spotřeba plynu. Díky své vlnové délce je při dobré absorpci často využíván při zpracování organických (kůže, papír, dřevo atd.) či polymerních materiálů. Nevýhodou vlnové délky je vedení laserového paprsku, kdy nelze využít vlákno, které se velmi hojně využívá na robotických aplikacích a vláknových laserech. U CO2 laserů se k vedení používá jen zrcátek. Aplikace, kdy můžeme efektivně umístit CO2 laser na robotické rameno již existují, ale vlivem vláknových laserů se k této aplikaci přistupuje jen ve velmi specifických případech (velmi hladký 3D řez). Vedení paprsku je pak dutou vysoce odrazivou "hadicí" nahrazující vlákno. Nepočítá se, že by toto problémové vedení nahradilo vláknové lasery.
Skenovací hlava a vychylování laserového paprsku
Vychylovací systém je tvořen soustavou dvou zrcadel umístěných tak, aby docházelo k vychylování v obou osách (XY). Tomuto způsobu se říká PEN TYPE (jako psaní tužkou). Tento princip byl představen v roce 1969, ale až v 80. letech byl představen s CO2 kontinuálním laserem, tedy laser co má stálý výkon po celou dobu jeho pracovního cyklu, tedy žádné krátké pulsy s velkými časovými mezerami.
Princip je jako kreslení perem, tedy laser značí přesně, jako když kreslíme perem, při přemístění na jinou polohu pero nadzvedneme a zde laser vypneme a zapneme jej až s „dotykem pera" povrchu a zase značíme a to vektorově, tedy plynule ve dvou osách díky vychylovacím zrcátkům pro každou osu. Za vychylovací soustavou zrcátek je optika, která soustřeďuje laserový paprsek do ohniska. Volbou typu optiky měníme velikost značeného povrchu a také i vlastnosti značení (tloušťka čáry a krok, neboli vzdálenost mezi další čárou, něco jako rozlišení). Skenovací hlavě s dvěma galvo motory / aktuátory se říká vektorová skenovací hlava, nebo rozmítaná skenovací hlava. Navádění paprsku se děje po vektorech s velmi vysokou přesností a rychlostí. Princip je znám jako Steered Beam Lasers. Výhodou je velmi kvalitní značení do velikosti 820x500 mm. Protože je zaostřen paprsek přes optiku a v jejím ohnisku dosahuje maximální intenzity, tak není nutné použít laser o velmi velkém výkonu. Proto systému stačí relativně levná laserová trubice s výkonem 10 až 100 W a vzduchem chlazený systém.
Optický systém laseru a rezonanční komora CO2 laseru s RF generátorem
Jako optiky pro laserové stémy CO2 se nejčastěji používají ZnSe (zirkon selenidové) optické prvky. Tyto zirkonovo selenidové, (někdy ZnFe optiky) využívány v CO2 laserech, protože jsou vhodné pro vlnové délky okolo 10,6 μm.
Optický rezonátor může být tvořen jako jedna trubice, válec, ale byl by velmi dlouhý a proto se zalamuje optická komora a známe tak V shape nebo Z shape optické rezonanční komory pro plynové CO2 lasery. Proto jsou CO2 lasery malé na své zástavbové rozměry, naopak jsou pak náročné na jejich chlazení. Dle tvaru rezonanční komory a počtu rezonančních zrcátek nazýváme V shape nebo Z shape CO2 lasery. Pokud je rezonanční komora prodloužena dalším zrcadlem, tak dojde k jejímu zkrácení a tím i menším zástavbovým rozměrům. Naopak je potřeba takto malý prostor odchladit. Pokud je rezonanční obvod mezi zrcadly, z nichž poslední (výstupní) je polopropustné a pustí laserový paprsek, jen jakmile překoná určitou mez, tak hovoříme o opticky stabilním rezonančním obvodu. Pokud je ale soustava zrcadel 100% odrazivá a je navržena tak, že paprsek na konci mine poslední zrcadlo (respektive není zde poslední zrcadlo), tak nazýváme tuto soustavu opticky nestabilní. Nestabilní optický rezonátor (používají SYNRAD a COHERENT výrobci laserů) je velmi náchylný na přesné polohování zrcátek a tak je velmi citlivý i na tepelnou stabilitu. Tato soustava je častěji použitá u RF generátorů CO2 laserů s měděnými elektrodami v systému SLAB než u DC (stejnosměrným proudem) buzených CO2 laserů. V průmyslových aplikacích, kde je vyžadována velká stabilita a dlouhodobá odolnost, tak je nutné zabezpečit konstantní teplotu laseru, bez velkých výkyvů.
Tvar paprsku z rezonančního obvodu je často čtvercový (obdélníkový) a je optickým systémem transformovaný na kruhový s požadavkem nejvyššího výkonu ve středu paprsku (gaussové rozložení výkonu). Rezonanční obvod má různé tvary odrazivých zrcadel od rovinných až po vypouklé (používají se častěji). Laserový paprsek může být polarizovaný nebo může mít náhodnou polarizaci (výhodné pro řezání a dělení materiálů). Kvalita paprsku závisí jak na kvalitě laserového zdroje, tedy tam, kde se paprsek vytváří (dutina s optickým rezonátorem, tvořená odrazivými zrcadly), ale také na způsobu vytvořené rezonanční dutiny. Zrcátka mohou být rovnoběžná nebo zakřivená. Následně optika upravuje vlastní paprsek do požadovaného průměru a vlastností. Lze tak mít rozbíhavý paprsek nebo velmi úzký a koncentrovaný paprsek, vše dle aplikace. Laserový paprsek pak jde na výstupní optiku, která je tvořena čočkami ze ZnSe materiálu, často s nažloutlým povrchem. Některé optiky jsou zcela mléčné a neprůhledné pro lidské oko a viditelné spektrum (pro 10,6 µm jsou zcela transparentní). Tato výsledná optika zaostří paprsek do nejmenšího místa a bod / spot / je okolo 0,2 mm pro CO2 značící lasery. Existuje základní pravidlo pro návrh rezonančního obvodu ve vztahu k jeho tepelné stabilitě. Čím je větší průměr paprsku, tím je menší tepelné namáhání optického systému. Výsledkem je delší životnost laseru. Současně je další pravidlo - používejte v laseru co nejméně zrcátek a tím pádem bude systém levnější a stabilnější a bude mít i delší životnost. Rezonanční obvod nedávejte do skleněné trubice (Asijské lasery), ale do hliníkového monobloku a zvýší se tak životnost, díky snadnému odvádění tepla.
RF buzení CO2 laserů
Jeden ze způsobů přenosu energie do plynu je přes radio frequency RF. Ve většině RF laserů je výboj kolmý k ose rezonátoru. Tyto lasery lze regulovat modulací v širokém rozsahu výkonu a s pulzy s vysokou opakovatelností. Základní nevýhodou je snížená účinnost, ale to je stále přijatelné, zejména pro lasery vyšších výkonů, hlavně v porovnání s opotřebením stejnosměrných měděných DC elektrod (toto je jiný způsobu buzení, kdy výboj vzniká mezi dvěma měděnými elektrodami, bez RF generátoru). Starší RF generátory se skládají z oscilátoru, který generuje frekvenci zesilovacího válce. Moderní generátory jsou koncipovány jako self-oscilátory a sestávají se pouze z RF zesilovacího válce. Díky své jednoduchosti, ve srovnání s oscilátor / zesilovač generátory, RF generátory poskytují zvýšenou spolehlivost s nízkými nároky na údržbu a dosažení vyšší účinnosti buzení s nízkými provozními náklady.
Existují systémy jako například od firmy Synrad, které kombinují dva polarizované laserové zdroje 25 W do jednoho laseru. Na výstupu je tak deklarovaný výkon 50 W a to s náhodnou polarizací, která je velmi výhodná například pro řezání materiálu. Jde o unikátní systémy, které se vyznačují malými rozměry, ale přitom vysokým výkonem. Zajímavostí je také oddělená elektronika, což má výhodu, když odejde jedna část ovládání trubice, tak druhá část může fungovat jako nouzový režim a pak je tedy i nouzově poloviční výkon laseru (nedojde k úplnému odstavení systému). Napájení bývá okolo 30 V DC pro laserovou trubici, ale proud pro 50 W laser je už 28 A, takže je potřeba odchladit 800 W, tedy už je nutné použít vodní chlazení. Náporové chlazení s ventilátory by to nezvládly při plném chodu a plné vytíženosti. 10 W laser má napájení také okolo 30 V DC, ale proud jen 7 A.
A jak to bylo v Čechách? Rychlé a jen dva roky po prvním laseru.
Tak nejdříve jsme v té době byli Československo. První He-Ne lasery v ČSSR vznikaly v instituci s názvem Ústav přístrojové techniky ČSAV (ÚPT) a existovala v Brně již od 1. 1. 1957 a vznikla přejmenováním Vývojových dílen ČSAV s osmdesáti třemi zaměstnanci. Jeho jednotlivá pracoviště však byla po Brně dislokována na pěti místech, a proto byla v roce 1960 zprovozněna nová budova o podlahové ploše 5000 m2 za 14 mil. Kčs. Současně byly od 1. 1. 1960 k ÚPT přidruženy i dvě menší pracoviště: Laboratoře elektronové (dříve krátkovlnné) optiky ČSAV a Laboratoře průmyslové elektroniky ČSAV. Takto rozšířený ÚPT byl vybaven velkými a moderními dílnami a působilo v něm sto čtyřicet zaměstnanců.
Ve světě byl představen první plynový He-Ne laser v lednu 1961, který pracoval na pěti infračervených vlnových délkách v rozmezí 1118–1207 nm. Po poměrně krátkém experimentování s optimálním tlakem plynů v trubici, kterou vyrobili společně s Ústavem pro výzkum optiky a jemné mechaniky v Přerově, dosáhl vědecký tým dne 16. 10. 1963 v 16:00 stimulované emise na vlnové délce 1150nm. Jednalo se o první laser v ČR, který vyzařoval nepřetržitý laserový svazek (pracoval v tzv. kontinuálním režimu). V relativně rychlém sledu následovaly úspěchy i na dalších vlnových délkách, 27. 2. 1964 dosáhli stimulované emise na 3390 nm a dne 8. 4. 1964 na viditelné vlnové délce 632,8 nm, tedy pouhé dva roky po jeho světové premiéře plynového laseru.
Pomůžeme vám s lasery
Nevíte v jakém stavu je váš laser? Nechte si změřit výkon laseru našimi techniky. Zkontrolujeme optiku laseru a případně ji vyčistíme. Volejte servisní oddělení Leonardo technology 533 44 55 66.
Objevte, jak lasery SOLARIS od Leonardo technology mohou pozitivně transformovat vaše výrobní procesy. Náš profesionální tým laserových odborníků z Leonardo technology je připraven ukázat vám cestu k vyšší efektivitě, nižším nákladům a novým možnostem aplikací laserů ve vaší výrobě.
Více nejen o CO2 o laserech najdete na stránce co2laser.cz
Veškerou nabídku laserů najdete na našem webu.