Viac ako 16 rokov riešime projekty priemyslového značenia.

Možné delenie typov a druhov laserov

Samozrejme existuje mnoho kritérií pre delenie laserov, my sme si zvolili iba základný prehľad laserov a delenie podľa globálneho použitia a výroby.

Lasery sa dajú deliť podľa materiálu aktívneho prostredia alebo podľa toho, či pracujú nepretržite, stálou emisiou žiarenia alebo v impulzovom režime, pulzné emisie žiarenia. Podľa aktívneho prostredia sa dajú rozdeliť na pevnolátkove (kryštály napríklad rubínu), kvapalinové (farbivové) a plynové (napríklad CO2 lasery). Polovodičové lasery by som zaradil asi do pevnolátkových, pretože laser vzniká v pevnej polovodičovej štruktúre.

laser 6 1

Podľa vlnovej dĺžky

  • 10,6 µm (tiež 9,3 µm alebo 10,2 µm) - typické pre CO2 lasery. Široký rozsah pre značenie etikiet, odoberanie plastových materiálov, farieb, lepidiel, tiež pre rezanie a vŕtanie.
  • 1090 nm - lasery typu YB (Ytterbium), majú veľmi vysoký výkon a excelentnú efektivitu chladenia. Veľmi dobre sa dá ochladiť ich vysoký výkon. Dobré pre značenie kovov a plastov.
  • 1064 nm - Nd:YAG (Yttrium Alluminium Garnet) ktoré sa používajú pre mnoho značení, takýto univerzálny laser pre značenie do kovu alebo plastu. Podobným typom je Nd:YVO4 (Yttrium Vanadate), ktorý má obdobné vlastnosti, ale má omnoho vyšší špičkový výkon a extrémne stabilný výkon lúča. A tiež vláknové lasery, ktoré sa vyznačujú veľmi vysokou životnosťou a kvalitou lúča.
  • 630 nm - červený laser - HeNe - často používaný pre meriace systémy. Môže byť ako polovodičový, tak i plynný laser.
  • 650 – 905 nm polovodičové lasery GaAs, GaAlAs, GaInAs.
  • 532 nm - zelený laser, ide o druhú harmonickú z 1064 nm pro Nd:YAG lasery. Používa sa pre značenie a procesy ako sú silikónové/kremíkové doštičky pri výrobe čipov, značenie plastov, vysoko odrazové materiály a kovy. Novo do tejto skupiny patria i vláknové lasery v zelenom spektre.
  • 488 nm – 514 nm Argónové lasery, teda plynné lasery, primárne použité pre vedecké účely a biomedicínu.
  • 355 nm - UV lasery používajúce sa pre mikrodierovanie, opravu LCD a značenie plastov, kovov a vysoko reflexných povrchov.
  • 330 nm – 1300 nm - kvapalné lasery používané pre vedecké účely. Kvapalina je vybudená často laserovým svetlom a vzniká fluorescencia.
  • 224 nm – 248 nm - lasery typu štvrté harmonické Nd:YAG laseru sú napríklad z NeCu alebo HeAg a sú kvázikontinuálné (quasi CW).
  • 193 nm - Obecne sa im hovorí tiež Deep UV - alebo sú označované ako DUV lasery, pre ktoré je svetlo o vlnovej dĺžke menše ako 200 nm a je problémovo ho preniesť mimo vákuum. ArF (193 nm) a F2 (157 nm) eximer lasery spadajú do tejto kategórie - vákuum ultra fialového svetla. Plynný laser, používa sa kombinácia inertného plynu a vodíku. Vytvárajú sa tak krátke pulzy v UV spektru. Hlavne sa používa pre zdravotný priemysel, presnejšie k odpareniu povrchu zo šošovky ľudského oka (korekcia dioptrií).

Vedeli ste, že....?

Z vlnovej dĺžky a výkonu laseru sa dá spočítať počet fotónov vyžiarených z laseru. Energia jedného fotónu je úmerná jeho frekvencií a Plánkovej konštante. Počet fotónov vyžiarených za sekundu spočítame tak, že vydelíme celkovú energiu vyžiarenú laserom za 1 sekundu (tj. jeho výkon) energiou jedného fotónu. Je tu jeden platný predpoklad, že fotón má nulovú pokojovú hmotnosť a vždy sa pohybuje rýchlosťou svetla. Takže pokiaľ vieme presný výkon, frekvenciu, dostaneme presný počet vyžiarených fotónov.
Pre predstavu laser o vlnovej dĺžke 1064 nm a výkonu 30 W vyžiari 3,517x1024 s-1 fotónov.

laser 6 2

Pevnolátkové lasery

Typickým zástupcom je rubínový laser, ktorý bol vôbec prvý fungujúci laser na svete. Stále používa kryštál syntetického rubínu, nie však tmavo červené farby, ale už farby ružové. Pre vybudenie sa využívajú často xenónové výbojky alebo polovodičové veľkoplošné diódy. Tento laser pracuje spravidla v impulznom režime, kde v milióntine sekundy vyžiari výkon rádovo miliónov wattov. Musíme si uvedomiť, že tak veľký výkon je za veľmi krátkou dobu. Pre značiace účely sú výkony laserov 8 W až 30 W. Pre tak veľmi vysoké je nutné mať chladenie laseru, ktoré je väčšinou vodné. Dnes sa však už moc nepoužíva pevnolátkový rubínový laser, bol nahradený polovodičovými lasermi známymi ako vláknové lasery. Tento laser generuje svetlo vo 2 vlnových dĺžkach 692,9 nm až 694,3 nm (červené svetlo, ako budiace) a druhá vlnová dĺžka 1062 nm, ktorá výkonovo prevláda, je výstupný laser pre značenie. Ďalej je veľmi rozšírený yttriumaluminiový granát s prímesou neodymu, prípadne chrómu (Nd:YAG resp. Cr:YAG). S trochou zveličenia, k čerpaniu sa dá využiť svetlo i obyčajné žiarovky, ale často sa používa xenonová výbojka atp. Dá sa tiež prevádzkovať v kontinuálnom i impulznom režimu. Musí sa však rovnako ako rubínový laser nútene chladiť, pretože pri veľkých čerpacích výkonoch sa kryštál značne zahrieva. Generuje v oblasti IR (1064 nm – infračervené žiarenie). Pre budúcnosť je veľmi perspektívne tiež sklo a dielektrické kryštály. Sklo, nekryštalický materiál sa dá vyrobiť s veľmi vysokou kvalitou a je možné ho dopovať rôznymi prvkami. Často sa dopuje neodymem, vyžaruje tiež v IR (infračervené) oblasti.
Teraz niečo o konštrukčnom usporiadaní. Pevnolátkové lasery sa umiestňujú do odrazovej komory (dutiny) s kruhovým, lepšie eliptickým prierezom. Do jedného ohniska v prípade eliptickej dutiny sa umiestni kryštál, do druhého budiaca lampa (výbojka). Odrazivosť dutiny by mala byť čo možno najväčšia (kvôli stratám). Niektoré lúče z výbojky sa nemusia nikdy dostať do kryštálu, iné sa zase častejšie utlmia. Celková účinnosť týchto laserov je však veľmi malá (0,1 až pár %). Je to dané hlavne kvalitou odrazovej dutiny a tiež značným zahrievaním kryštálu. Ďalšie lasery - Ho:YAG, Er:YAG, Safírový, Alexandritový atp.

laser 6 3

Kvapalinové (farbivové) lasery

Ich obrovskou výhodou je, že sa dajú prelaďovať na iné vlnové dĺžky, teda majú veľmi značné využitie vo spektrometrii. Ako aktívne prostredie kvapalinového laseru sú využívané roztoky organických farbív. Výhodou tohto typu je nastavenie rôznej vlnovej dĺžky od 300 nm do 1500 nm. Ako aktívne prostredie tu slúžia rôzne farbivá, napr. Rhodamin 6G, Rhodamin B, Fluorescein, Alizarin, rôzne Coumariny a ďalšie, rozpustené napríklad v liehu, destilovanej vode. Vrátime sa k pokrokovej myšlienke, že farbivo je možné tiež rozpustiť vo skle, teda vznik „sklenených laserů“. K ich budeniu sa dá využiť svetlo iného laseru, veľmi často sa používa dusíkový laser, ktorý generuje v oblasti UV. Rovnako sa dá využiť svetlo z nejakej výbojky. Podobne ako pevnolátkové lasery sa umiestňujú do odrazovej dutiny, rezonátoru, v prípade budení výbojkou. V prípade budenia iným laserom je usporiadanie trochu iné, čo je skôr pre vedecké účely a použitie. Ako ladiť a prelaďovať tieto lasery ? Je to jednoduché, do rezonátoru sa umiestni difrakčná mriežka. Jej natáčaním sa mení farba, vlnová dĺžka výsledného svetla. Alebo sa difrakčná mriežka môže vynechať, a výstupný lúč laseru jednoducho rozložiť napr. hranolom a potom použiť iba potrebnú časť spektra, kde sa vyberie iba vhodná vlnová dĺžka. Použitie s hranolom je veľmi časté a jednoduché. Z dôvodu degradácie aktívneho prostredia kvôli vnesenému teplu a svetlu pri budení nie je tento typ laseru v priemyselnej oblasti veľmi rozšírený.

Plynové lasery

Existujú rôzne prevedenia týchto laserov. K ich budeniu sa poväčšinou používa vysokonapäťový tlecí elektrický výboj. Existujú samozrejme i výnimky, napr. Argónový laser, ktorý sa budí tiež elektrickým prúdom, ale o malom napätí. Elektródy tohto laseru musia byť veľmi odolné, keďže sú v trubici veľké prúdové intenzity a opotrebovávajú sa. Elektrický prúd predáva svoju energiu neexitovaným atómom – to platí tiež skoro pre všetky plynové lasery. I tu existujú výnimky, napr. ide o expanzný CO2 laser, jeho princíp tu popisovať nebudeme. Veľmi rozšírené sú kontinuálne CO2 lasery, užívané pre rezanie, značenie, vŕtanie atď. V trubici tohto laseru slúži ako aktívne prostredie zmes plynov, a to CO2, He a N v rôznych pomeroch podľa užitia. Trubice musia byť z kremenného skla, pretože sa aktívne prostredie veľmi zahrieva. Chladenie je nevyhnutné – ako chladiace médium sa používa voda, olej, alebo rôzne iné roztoky. Pre malé výkony, povedzme do 100 W, je možné použiť vzduchové chladenie. Lepším riešením je prietok CO2 plynu, potom sa sklenená trubka tak nezahrieva. CO2 lasery dosahujú i v kontinuálnej prevádzke veľké výkony (rádovo kW). V impulznom režime i niekoľko desiatok TW (terawattov). Tento laser svieti infračerveným svetlom o vlnovej dĺžke 10,6 µm, ale používajú sa i lasery na iných vlnových dĺžkach, napríklad 9,4 µm. Ďalšie plynné lasery prebehneme rýchlo – nepoužívajú sa ku značeniu. Jedná sa o napríklad o tzv. HeNe laser. Jeho výhoda je, že má veľmi malú divergenciu (rozbiehavosť) lúča, teda sa hodí na zameriavanie, ale to skôr v skoršej dobe a vo vojenskom priemysle. Dnes ich nahradili polovodičové lasery (viac napríklad v sekcií o vláknových laseroch). Generuje väčšinou v oblasti červenooranžové (632,8 nm), pri ktorom ma výkon v rade desiatok mW. Tiež dokáže svietiť zeleno, žlto, ale opäť i v IR oblasti. V IR oblasti je výkon radu stoviek mW. Všetko záleží na zmesi plynov, tlaku a hlavne na zrkadlách v rezonátore. Aktívne prostredie, ako už sám názov napovedá, je zmes plynov hélia a neónu. Ako aktívne prostredie tu slúži neón, hélium iba podporuje jeho činnosť a slúži ako zásobáreň energie. Tlak v trubici je malý, rádovo desiatky až stovky Pa. Budí sa vysokonapäťovým tlecím výbojom. Existuje veľmi veľké množstvo plynových laserov, pre príklad a všeobecný prehľad niektoré uvediem - Argónový (modrý, zelený), Dusíkový (UV), laser s parami Medi (zelený), Jódový (viditeľné, IR) a mnoho ďalších. Plynové lasery sa dajú rozdeliť na fotodisociačné, atómové, iontové, molekulárne, excimerové, elektroionizačné, plynové-dynamické, chemické.

laser 6 4

Polovodičové lasery

Aktívnym materiálom je vlastný polovodič alebo prímesové polovodiče. Podľa budenia sa dajú lasery deliť na lasery s elektrónovým zväzkom alebo budené s elektrickým prúdom. Aktívne prostredie polovodičových laserov je polovodičový materiál, v ktorom sú aktívnymi časticami nerovnovážne elektróny a diery, to znamená voľné nosiče náboja, ktoré sa dajú injektovať. Vyznačujú sa kompaktnosťou a veľkou účinnosťou, dosahujúcej až 50%. Prednosťou je tiež spektrálne preladenie v širokom pásme (vo vlnových dĺžkach od 0,3 µm do 30 µm). Nevýhodou je rozbiehavosť generovaného lúča a to hlavne na teplote aktívneho polovodičového materiálu. Predstaviteľom polovodičových laserov je laser budený zväzkom elektrónov – nazývaný diódový laser, kde je aktívne prostredie tvorené blokom polovodičov. Aktívne prostredie sú galium arzenid (GaAs), kadmium sulfid (CdS) a kadmium selén (CdSe). Výstupným lúčom diódového laseru sú obdĺžnikové plochy.

Pokiaľ budeme deliť polovodičové lasery ďalej, je tu injekčný polovodičový laser, kde je aktívnym materiálom polovodič P a N. Rezonátor je tvorený vybrúsenými stranami polovodičového materiálu. Odrazom od zrkadiel otvoreného rezonátoru a mnohonásobným prechodom oblasťou prechodu vzniká laserové žiarenie. Najznámejšie je GaAs polovodičový laser.

Vláknové lasery

Ich budiace diódy sú polovodičové, single-mode diode pumping (veľkoplošné MM-multi mode čerpacie diódy), ktoré emitujú výkon (malým optickým vláknom) na stranu optického multi mode vlákna (zloženého vlákna s väčším priemerom - double cladding) a vytvára budiace svetlo, ktoré je absorbované v ytterbium atómoch v single mode optického vlákna - tzv. aktívne optické vlákno.

A teraz laicky povedané – optické vlákno je aktívne, teda neprenáša iba výkon z laserových diód, ale zvyšuje tento výkon. V praxi si môžme predstaviť optické vlákno, ktoré je obklopené druhým vláknom, tak ako by v jednom tučnom vlákne bolo ešte jedno menšie. Budiace diódy svietia do veľkého optického vlákna a svetelný tok pôsobí ako vlákno, ktoré je umiestnené vo vnútri tohto veľkého vlákna. Vnútorné vlákno obsahuje práve aktívny prvok a tým je ytterbium (ako u pevnovláknového laseru, kde je pevná tyčka kryštálu dopovaného tiež ytterbiem). Budiace optické diódy majú inú vlnovú dĺžku – budiaca vlnová dĺžka laseru – než je výsledný lúč laseru, ktorý vznikne v aktívnom vlákne umiestnenom v strede veľkého/tučného vlákna. Viac diód dokáže pumpovať v optickom vlákne vysokú energiu s perfektnou kvalitou lúča. Je tu ešte jeden veľmi dôležitý princíp pre získanie laserového lúča a tým je vysoko výkonný optický zosilňovač. Optický zosilňovač konvertuje malý svetelný signál z budiacich diód do výkonného lúča, často tisíckrát silnejšie, ale identicky ako originál. Zväčšenie výkonu sa taktiež dosiahne použitím viacerých diód. Je zaujímavé, že teplo generované v optickom vlákne je odvádzané veľkou plochou a nie je potreba aktívne chladenie. Pretože aktívne vlákno môže iba podporovať a podporiť prenos laseru, kvalita lúča nie je závislá na pracovnom výkone laseru. Jednoducho povedané, aktívne optické vlákno je obdobou pevného kryštálu a je rovnako tak budené diódami a rovnako tak ako v kryštály vznikne laserový lúč, tak i v aktívnom optickom vlákne vzniká laserový lúč.

laser 6 5

Delenie laseru podľa budenia – Excitácia

Budenie, „pumpovanie“, čerpanie a podobné názvy vyjadrujú druh použitej energie dodanej do aktívneho prostredia, pre spustenie laserového lúča. Okrem uvedených metód k excitácií laserového lúča sa používajú i iné metódy, ktoré patria skôr do laboratórnych podmienok, než do bežného priemyslového použitia – budenie vysoko energetickým elektrónovým zväzkom, expanzia horkého plynu a iné.

Optické budenie
Energia, potrebná ku vzniku laserového žiarenia, sa dodáva vo forme svetelného záblesku. Napríklad v rubínovom laseri je rubínová tyčinka vložená do špirálovej výbojky (prvý typ laseru). Jej zábleskom dôjde k prechodu atómov na vyššiu hladinu, pri jej návrate do základného stavu sa časť tejto energie vyžiari vo forme laserového záblesku. Používa sa u pevnolátkových a kvapalinových laserov. Zdrojom svetelného záblesku môže byť vysokotlaková výbojka alebo blok laserových diód napájaných vysokým prúdom (typicky okolo 80 A). Životnosť takýchto laserov často závisí práve na životnosti optického budenia. Typická doba životnosti pre Lamp pumped laser je asi 3000 hodín. Pre lasery budené diódovým blokom je doba životnosti asi 20.000 hodín.
Pozor na vláknové lasery, ktoré sú budené laserovými diódami, ale ich výkon nie je tak veľký, preto nie sú toľko namáhane a životnosť u vláknových laserov je daná životnosťou laserových diód, čo sa odhaduje až na 150.000 hodín.

Budenie elektrickým poľom
Základom je elektrický výboj, ku ktorému dochádza v plynovej náplni laseru. Lasery pracujú v kontinuálnej prevádzke a ich výkon sa dá meniť zmenou objemu plynu alebo jeho plynulou cirkuláciou. Často býva tento princíp použitý u CO2 laserov, kde sú v trubici umiestnené väčšinou dve elektródy (medené veľkoplošné elektródy), ktoré zapália výboj v CO2 plynu a spustia emitovanie laserového lúča.
V praxi je možné mať laser so stálou náplňou CO2 plynu, ktorá v laserovej trubici zostáva po celú dobu životnosti laseru (8 rokov a viac). Alebo je trubica plnená CO2 
plynom, ktorý prechádza trubicou a zároveň ju chladí. Tu sa ale mení výkon laseru práve prietokom plynu. K zapáleniu sa používa RF generátor.

Chemická excitácia
K čerpaniu energie do aktívneho prostredia sa využíva energia exotermických reakcií. Prvý chemický laser bol skonštruovaný v roku 1965 a využíval reakciu vodíka s chlórom. Neskôr sa začala používať reakcia vodíka s fluórom. U iného typu sa získava energia disociáciou (štiepením) molekúl jódu ultrafialovým žiarením.

Aby sme vám zaistili lepšie užívateľské prostredie, používa tento web súbory cookie. Používaním webu s ich užívaním súhlasíte. Akceptovať