Viac ako 16 rokov riešime projekty priemyslového značenia.

Princíp pevnolátkových Nd:YAG laserov - 1064 nm Infra Red

Hovorí sa im DPSS lasery, teda diódovo budený pevnolátkový laser z anglického Diode Pump Solid State laser. Virtuálne sú to akékoľvek opticky pumpované lasery, nech už diódami alebo lampou (výbojkou), ktorá sa používa len málo.

Z funkčného hľadiska sa pevnolátkové lasery spravidla delia podľa aktívneho prostredia, v ktorých vzniká laserový efekt. Medzi laickou verejnosťou je najviac rozšírená predstava laserov s kryštálmi drahých kameňov, napr. rubínu alebo safíru. Áno, vyrábajú sa aj tieto lasery, ktoré umožňujú dosahovať veľké výkony, ale iba v krátkych pulzoch, pretože spojité žiarenie by kryštál zničilo. Túto nevýhodu nemajú lasery, ktoré sú založené na sklách s prídavkami vzácnych prvkov (napr. Nd:YAG). Tieto dva druhy laserov sa označujú ako lasery s pevným prostredím (solid-state).

laser 14 1

Najpoužívanejším typom pevnolátkového laseru je Nd:YAG laser. Aktívnym materiálom je izotropný kryštál Yttrium Aluminum Granát (Y3Al5O12) dopovaný iónmi neodymu (Nd3+) a z toho vzniká skratka pre laser, zložená z počiatočných písmen chemických prvkov. YAG je skratka pre yttrito-hlinitý granát (Y3Al5O12), čo je bezfarebný, opticky izotropný kryštál kubickej štruktúry. V súčasnej dobe je najdôležitejším kryštálom pre granátové lasery, pretože je zvládnutá jeho technika pestovania a opracovania do tvaru tyčí pri zachovaní najvyššej optickej kvality.
Dominantné postavenie pre svoje laserové vlastnosti má YAG dopovaný iónmi Neodymu (Nd3+). Okrem neho bola docielená laserová generácia aj v kryštáloch YAG dopovaných iónmi Erbia (Er3+), Holmia (Ho3+), Ytterbia (Yb3+) a ďalších.
Typická vlnová dĺžka žiarenia emitovaného z Nd:YAG laseru je 1064,1 nm, ktorá je zhodná s vlnovou dĺžkou používaných druhov „polovodičov“ technológiou vláknových laserov. S menšou účinnosťou však môže Nd:YAG laser emitovať aj žiarenie o vlnových dĺžkach 940, 1120, 1320 a 1440 nm.

Budenie alebo čerpanie laseru

Toto by bolo samostatnou kapitolou, teda len stručne. Čerpanie kryštálu je prevádzané buď kryptónovou výbojkou (lampou – staré a na ústupe, nepoužíva sa) typ Laserscript alebo novším poľom polovodičových diód typ Laserdiode. Len načrtneme, že budenie môže byť z boku kryštálu, alebo zozadu kryštálu (zado-budené lasery). Budiace diódy majú vysoký výkon, ale veľkú rozbiehavosť lúčov, čo pre niektoré typy DPSS laserov nie je problém, napríklad pre diskové lasery. Ale často sa laserový lúč u budiacej diódy formuje do vlákna a toto nosné vlákno je nasmerované na zadnú časť kryštálu. Rôznymi typmi budenia sa dosahujú veľmi rôzne vlastnosti DPSS laserov. Laserový zväzok je modulovaný špeciálnym kryštálom (AOM - acoustooptic modulation) ovládaným RF signálom.
Lasery pracujú v kontinuálnom CW alebo pulznom módu. Typom budenie sa výrazne líši životnosť lasera, pretože výbojku (5.000 hod max.) alebo diódy (20.000 hod max.) je potrebné meniť v servisných intervaloch. V závislosti na čase budenia môže generovať žiarenie jak v impulznom, tak aj v kontinuálnom režime. Maximálny výkon v kontinuálnom režime dosahuje niekoľko stoviek wattov. V impulznom režime sa dĺžka impulzu môže v závislosti od druhu modulácie akosti rezonátora pohybovať v rozmedzí od mikrosekúnd až po jednotky pikosekunde a teda aj výkon môže byť veľmi vysoký (ale na krátky čas).

laser 14 2

Q-switch

Ide o súčiastku, ktorá je vložená do rezonančného obvodu a dokáže previesť kontinuálny mód s vysokou energiou. Niekedy sa systém s Q-switch súčiastkou nazýva tiež „quality switch“ zlepšujúci kvalitu lúča. Pri tomto ovládaní laserového zdroja dochádza k navýšeniu výkonu jednotlivého pulzu laseru nad hodnotu, ktorá je daná excitačným výkonom.
Q-switch ovládanie je zabezpečené umiestnením rýchleho pulzného spínača priamo v laserovom rezonátore. Q-switch sa nazýva quality switch a produkuje extrémne vysoké pulzy výkonu rádovo až stovky kW, ale v časovej dĺžke niekoľko nanosekúnd, alebo tiež výkony GW (giga Watt) v časovej dĺžke pikosekúnd. Frekvencia spínania je rádovo v stovkách kHz.
AQ-switch – acusto optic metóda Q-switch, mení lomový index svetla na základe ultrazvukových vĺn. Existuje ešte druhá metóda Q-switch a to je Electro-optic. Q-switch, mení refraktívny index na základe prevedeného napätia. Z princípu je možné mať ako pasívny tak aktívny Q-switch. Aktívny sa dá ovládať elektronicky, pasívny mení svoje vlastnosti v závislosti na výkone laseru. Teraz k princípu. Pokiaľ nie je aktívny Q-switch aktivovaný, tak nie je ovplyvnený rezonančný obvod a vytvára sa laserový lúč z emitovaných elektrónov. K čomu dôjde, keď sa zapne /aktivuje Q-switch? Po aktivácii zacloníme priechod fotónov a zrušíme rezonančný obvod. V oblasti, kde sa aktivujú elektróny, dochádza k väčšej aktivácii viac elektrónov, a teda zvyšujú možnosť vyžiariť viac fotónov, teda viac energie. Deaktivujeme Q-switch a rezonančný obvod je otvorený, ale už máme viac excitovaných elektrónov a vyžiari sa tak viac fotónov. Zvyšujú teda laserovú energiu a rozdeľujú ju v pulzy, dávky veľkej energie.
Teraz to popíšeme veľmi názorne pre domácich študentov. Je to ako keď prúd vody z kohútika predstavuje prúd fotónov. Tento prúd „vodných fotónov“ prehradíme svojimi dlaňami a nahromadíme energiu do dlaní. Dlane sa tak naplnia vodou a potom ich otvoríme. Vznikne tak omnoho väčší energetický náraz, čo je práve tok fotónov v pulzoch s väčšou energiou – rovnaký objem vody vytečie za kratší čas a s väčšou energiou.
Nd:YAG má vďaka vysokému výkonu, jednoduchosti konštrukcie v hodnej vlnovej dĺžke, radu uplatnení. Hojne je využívaný v technológách napr. pre vŕtanie, zváranie, žíhanie, rezanie a značenie. Pre značenie je využívaný hlavne pre anorganické materiály, ako sú kovy, plasty. Výkon laseru je odstupňovaný nasledovne: 5 W, 20 W, 30 W, 50 W, 75 W, 120 W. Vlnová dĺžka Nd:YAG laseru prechádza cez kremenné sklo a neprevádza na ňom žiadne značenie. Ďalej svoje uplatnenie našiel aj v medicíne, vede, biológii a vo vojenských aplikáciách. K vedeniu laserového výkonu z Nd:YAG laserového zdroja sa používa optické vlákno, ktoré nie je aktívne, ale iba prenáša výkon do skenovacej hlavy. Mylne sa často zamieňa tento princíp s vláknovými lasermi (fiber laser), kedy vláknové lasery majú aktívne optické vlákno, zvyšujú výkon „polovodičového“ laseru z budiacich diód. Vláknové lasery pracujú na úplne inom princípe, ale rezonátorom je práve aktívne vlákno.
V zdravotníctve sa Nd:YAG využíva v oftalmológii pre odstránenie druhotného šedého zákalu či vytvorení otvorov v dúhovke za účelom redukcie vnútroočného tlaku. Pri odstránení druhotného šedého zákalu je laserom vytvorený otvor do zadného šošovkového puzdra.

laser 14 3

Použiť vláknový laser alebo Nd:YAG laser?

Je tu niekoľko rozdielov medzi vláknovým laserom a Nd:YAG lasermi (dnes používané pevnolátkové lasery pumpované diódami, tiež vo variante Nd:YVO4), napriek tomu oba typy laserov pracujú na rovnakej vlnovej dĺžke 1064 nm. Ytterbium Fiber Laser má niekoľko variant, ktoré sú označované Mopa alebo Mofa, kde diódy pumpujú optické vlákno. Tieto lasery majú exkluzívnu kvalitu laserového lúča, stabilitu a veľmi vysokú účinnosť z prívodnej energie zo zásuvky, často okolo 30 %.
Naopak staršie lampou budené Nd:YAG lasery sú neefektívne vo výkonovej spotrebe a ich výkonový výstup je v pomere k príkonu niekde medzi 2 až 30 %. Vláknové lasery sú virtuálne bezúdržbové a posledné modely laserových budiacich diód dosahujú životnosť až 150. 000 hodín, vďaka pokročilému snímaniu teploty na polovodičovom čipe diódy. Jediný spotrebný materiál u vláknového laseru je elektrická energia. U laserov typu YAG je potrebné meniť diódový blok po asi 10.000 až 20.000 hodinách alebo lampu po 3.000 až 5.000 hodinách. Vláknový laser je extrémne kompaktný a nie je potrebné nastavovať žiadne rezonančné optické časti, preto je vláknový laser veľmi stabilný, malý a bezúdržbový.
Aj keď má vláknový laser mnoho predností a benefitov, tak napriek tomu nie je priamou náhradou YAG laserov pre niektoré aplikácie. Pred rozhodnutím, aký typ laseru použiť, je nutné previesť testy značení na materiál, kedy často plasty dosahujú veľmi odlišný kontrast.

YVO4  a Nd:YVO4 lasery v princípe zadobudené

Metóda „zado-budený“ laser YVO4 je čisto pevnolátkový laser s kryštálom YVO4 nazývaným Vanadový. Toto médium je Ytterium Vanadate kryštál dopovaný Neodýmiom, rovnako ako YAG lasery. Metóda zadobudeného pumpovania je len jednou z možných aplikovaných systémov budení laserov YVO4. Rezonátor je tvorený párom dvoch zrkadiel, kedy zadné 100% odrazové je pre vlnovú dĺžku laseru 1064 nm, ale pre budiaci laserový lúč z diódy je priepustný. V rezonančnom obvode je vložený Q-switch, ktorý zvyšuje energiu vychádzajúcu z laseru a práve YVO4 kryštál dokáže omnoho viac zosilňovať energiu v porovnaní s Nd:YAG kryštálom, je tu väčší zosilňovací faktor ako u YAG laseru. Použitím Nd:YVO4 laseru je možné získať rovnaký výkon ako z Nd:YAG laseru, ale s menšou veľkosťou. Rovnaký výkon ako z YAG laseru sa dá získať s menšou veľkosťou kryštálu (nižšia cena) a menším rezonančným obvodom (malé zástavbové rozmery). Malý rezonančný obvod zabezpečí kratšiu dĺžku laseru v rezonančnom obvode, čo zvyšuje intenzitu laseru. Najväčšou výhodou tohto laseru je jeho vysoká špička výkonu a krátky pulz s väčšou efektivitou ako YAG lasery. Tvar YVO4 lúča je omnoho lepší ako pre YAG lasery, kedy stredová časť má omnoho väčšiu špičku a lúč je v TEM, teda má len jednu špičku výkonu, čo robí z tohto laseru veľmi kvalitný výstup. Najväčší výkon sa dosahuje pri použití YVO4 zdroja, okolo 40-50- kHz. Vyššia frekvencia nemá efekt na zvýšenie výkonu alebo energie pulzu.
95% dodanej energie ide práve do budiacej diódy, teda do PN polovodičového prechodu. Svetlo tejto budiacej diódy je okolo 900 nm (často 880 nm alebo 840 nm, teda červené svetlo). Toto svetlo –respektíve jeho pulzy- je privádzané na kryštál YVO4, kde sa premení energia dodaná na laserový lúč o vlnovej dĺžke 1064 nm. Veľmi dôležitá je tepelná stabilita celého systému. Pokiaľ sa mení teplota budiacej diódy, mení sa aj jej vyžiarená vlnová dĺžka (farba svetla), čo má za následok nefunkčný budiaci obvod a výsledok nízkeho vybudenia kryštálu je nižšia energia / výkon laseru. Pri značení to má za následok neznačenie alebo vynechanie časti značenia. Odporúča sa veľmi stabilná teplota laserového systému, nezakrývať pri vzduchovom chladení otvory, nechať dostatočnú vzdialenosť medzi laserom a otvormi nasávania a vyfukovania vzduchu. Vo vnútri laseru je doštička korigujúca teplotu povrchu teplotu povrchu budiacej PN diódy. Ide o Peltierov jav, ktorý už v roku 1834 objavil Jean C. Peltier. Princíp je jednoduchý, jedna doštička sa zahrieva a druhá sa ochladzuje. Tento systém sa používa aj v počítačoch k ochladzovaniu čipov. V laseroch sa koriguje teplota polovodičových laserových diód a stabilizuje sa tak celý laserový systém.

laser 14 4

Porovnanie YAG / YVO4 Vanadate / Ytterbium fiber

  • Dĺžka pulsu je najväčšia u vláknového laseru (okolo 20ns), menšia je u YAG laseru a najkratšia doba pulzu (5ns) je u vanadového laseru.
  • Veľkosť špičkového výkonu je najnižšia u vláknového laseru (10 kW)(energia okolo 1mJ pre značiace lasery), stredná je u Vanadového laseru a najvyšší pulz výkonu je u YAG laseru (100 kW).
  • Frekvencia opakovaní pulzu je najvyššia u vláknového laseru (250 kHz), stredná u YVO4 Vanadate laseru a posledná je YAG laser (80 kHz).
  • Spodná frekvencia opakovaní pulzu je najnižšia u YAG laseru (5 kHz) a ostatné lasery začínajú na 20 kHz, rovnako ako vláknový laser. Vláknový laser sa dá budiť aj menšou frekvenciou, okolo 5 kHz, ale potom klesá energia pulzu z 1mJm často až na polovicu, teda 0,5 mJ. Rovnako je tomu u vláknového laseru na veľmi vysokých frekvenciách okolo 300 kHz, kedy aj tu klesá energia pulzu. Bez zmeny energia pulzu 1mJ je vláknový laser medzi 20 až 250 kHz.
  • Pre Q-switched lasery, Nd:YVO4 nedovoľuje konštrukcia takúto energiu pulzu ako pre Nd:YAG, pretože kapacita uloženej energie je nižšia pre Nd:YAG z dôvodu nižšej životnosti a potom aj vysokej účinnosti. Na druhú stranu Nd:YVO4 je vhodnejší pre vysoké opakovania pulzov vyššej frekvencie, kde dokáže generovať veľmi pekné krátke Q-switched pulzy s vysokou energiou. Najčastejšie je opakovacia frekvencia laseru riadená s Q-switch módom.
  • Chladenie vzduchom je omnoho lacnejšie. Pokiaľ sa použije vláknový laser, tak je chladený vzduchom a nie je potrebné vodné chladenie. Rodina YAG laserov je pre veľké výkony chladená vodou, ale pre výkony okolo 20 W je možné mať vzduchové chladenie.

Keď porovnáme výsledok značenia s pevnolátkovým laserom YVO4 a vláknových laserom, tak YAG laser má veľmi vysokú špičku výkonu a krátku dobu trvania. Vďaka tomu veľmi rýchlo zahreje materiál tak, že sa začne okamžite odparovať a po skončení pôsobenia pulzu sa okamžite ochladí. Skôr než sa zahreje okolie pôsobenia laseru, tak je už laserový lúč vypnutý. Vďaka tomu nedôjde k zahriatiu okolia a nedochádza tiež ku kvapalnej fáze materiálu, ale rýchlo sa odparí. Naopak vláknový laser pôsobí dlhšiu dobu na materiál a tým dôjde k roztečeniu materiálu a ten sa potom z tečúcej fáze dostáva k odparovaniu za dlhšiu dobu. Tekutá fáza chladne pomalšie a zahreje okolie pôsobenia vláknového laseru. Preto výsledky značenia sú odlišné pri použití YVO4 a vláknového laseru.

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