Принцип работы газового лазера кратко

Обновлено: 07.07.2024

лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в Оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным.

Испущенная в каком-либо месте трубки световая волна при распространении её через газ усиливается за счёт актов вынужденного испускания, порождающих лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично проходит через него. Эта часть световой энергии излучается Г. л. вовне. Другая же часть отражается от зеркала и даёт начало новой лавине фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению распространения. Благодаря этому излучение лазера может обладать чрезвычайно большой монохроматичностью, мощностью и резкой направленностью (см. Лазер, Квантовая электроника).

Первый Г. л. был создан в США в 1960 А. Джаваном. Существующие Г. л. работают в очень широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетового излучения до далёкого инфракрасного излучения — как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В табл. приведены некоторые данные о наиболее распространённых Г. л. непрерывного действия.

Из Г. л., работающих только в импульсном режиме, наибольший интерес представляют лазеры ультрафиолетового диапазона на ионах Ne (λ = 0,2358 мкм и λ = 0,3328 мкм) и на молекулах N₂ (λ = 0,3371 мкм). Азотный лазер обладает большой импульсной мощностью.

В излучении Г. л. наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения (см. ниже) и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность Г. л. С помощью Г. л. возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Открываются новые области применения Г. л., например в космических исследованиях.

Особенности газов как лазерных материалов. По сравнению с твёрдыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе практически не искажается, не рассеивается и не испытывает потерь энергии. В таких лазерах сравнительно просто возбудить только один тип электромагнитных волн (одну моду). В результате направленность лазерного излучения резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией света (См. Дифракция света). Расходимость светового луча Г. л. в области видимого света составляет 10 -5 — 10 -4 рад, а в инфракрасной области 10 -4 — 10 -3 рад.

В отличие от твёрдых тел и жидкостей, составляющие газ частицы (атомы, молекулы или ионы) взаимодействуют друг с другом только при соударениях в процессе теплового движения. Это взаимодействие слабо влияет на расположение уровней энергии частиц. Поэтому энергетический спектр газа соответствует уровням энергии отдельных частиц. Спектральные линии, соответствующие переходам частиц с одного уровня энергии на другой, в газе уширены незначительно. Узость спектральных линий в газе приводит к тому, что в линию попадает мало мод резонатора.

Так как газ практически не влияет на распространение излучения в резонаторе, стабильность частоты излучения Г. л. зависит главным образом от неподвижности зеркал и всей конструкции резонатора. Это приводит к чрезвычайно высокой стабильности частоты излучения Г. л. Частота ω излучения Г. л. воспроизводится с точностью до 10 -11 , а относительная стабильность частоты

Малая плотность газов препятствует получению высокой концентрации возбуждённых частиц. Поэтому плотность генерируемой энергии у Г. л. существенно ниже, чем у твердотельных лазеров.

Одна из особенностей газа (или смеси газов) — многообразие физических процессов, приводящих к его возбуждению и созданию в нём инверсии населённостей. Возбуждение активной среды излучением газоразрядных ламп, нашедшее широкое применение в твердотельных и жидкостных лазерах, мало эффективно для получения инверсии населённостей в Г. л., т. к. газы обладают узкими линиями поглощения, а лампы излучают свет в широком интервале длин волн. В результате может быть использована только ничтожная часть мощности источника накачки (кпд мал). В подавляющем большинстве Г. л. инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразрядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях с частицами газа (электронный удар) возбуждают их, переводя на более высокие уровни энергии. Если время жизни частиц на верхнем уровне энергии больше, чем на нижнем, то в газе создаётся устойчивая инверсия населённостей. Возбуждение атомов и молекул электронным ударом является наиболее разработанным методом получения инверсии населённостей в газах. Метод электронного удара применим для возбуждения Г. л. как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Возбуждение электронным ударом удачно сочетается с др. механизмом возбуждения — передачей энергии, необходимой для возбуждения частиц одного сорта от частиц др. сорта при неупругих соударениях (резонансная передача возбуждения). Такая передача весьма эффективна при совпадении уровней энергии у частиц разного сорта (рис. 1).

В этих случаях создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний лазерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни. Именно по такой схеме осуществляется инверсия населённостей в гелий-неоновом лазере.

неона E₂ и E_3. Уровни обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и инфракрасного излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия. Это позволяет создать необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте.

Основной конструктивный элемент гелий-неонового лазера — газоразрядная трубка (обычно из кварца). Давление газа в разряде 1 мм рт. ст., причём количество Не обычно в 10 раз больше, чем Ne. На рис. 2 приведена конструкция гелий-неонового лазера, разработанная для применения в открытом космосе. Разрядная трубка с внутренним диаметром 1,5 мм из корундовой керамики помещена между полупрозрачным зеркалом и отражающей призмой, смонтированными на жёсткой бериллиевой трубе (цилиндре). Разряд осуществляется на постоянном токе (8 ма, 1000 в) в двух секциях (каждая длиной 127 мм) с общим центральным катодом. Холодный оксиднотанталовый катод (диаметром 48 мм и длиной 51 мм) разделён на 2 половины диэлектрической прокладкой, обеспечивающей более однородное распределение тока по поверхности катода. Вакуумные сильфоны из нержавеющей стали, являющиеся анодами, образуют подвижное соединение каждой трубки с держателями зеркала и призмы. Кожух завершен с левого конца выходным окном. Лазер рассчитан на работу в космосе в течение 10 000 ч.

Мощность излучения гелий-неоновых лазеров может достигать десятых долей вт, кпд не превышает 0,01%, но высокая монохроматичность и направленность излучения, простота в обращении и надёжность конструкции обусловили их широкое применение. Красный гелий-неоновый лазер (λ = 0,6328 мкм) используется при юстировочных и нивелировочных работах (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений). Гелий-неоновый лазер широко применяется в оптической связи и локации, в голографии (См. Голография) и в квантовых гироскопах (См. Квантовый генератор).

Лазер на углекислом газе (К. Пател, США, Ф. Легей, Н. Легей-Соммер, Франция, 1964). Молекулы, в отличие от атомов, имеют не только электронные, но и т. н. колебательные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов, составляющих молекулу, относительно положений равновесия (см. Молекула). Переходы между колебательными уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в которых используются эти переходы, называются молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особенно интересен лазер, в котором используются колебательные уровни молекулы СО₂, между которыми создаётся инверсия населённостей (СО₂-лазер).

В газоразрядных CO₂ -лазерах инверсия населённостей также достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N₂, возбуждаемые, в свою очередь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам CO₂ в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей достигается при добавлении в разрядную смесь Не, который, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO₂. Эффективное возбуждение СО₂-лазеров может быть достигнуто химическими или газодинамическими методами.

Тонкая структура колебательных уровней молекулы C0₂ позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) скачками через 30—50 Ггц в интервале длин волн от 9,4 до 10,6 мкм.

СО₂-лазеры обладают высокой мощностью (наибольшая мощность лазерного излучения в непрерывном режиме) и высоким кпд. При возбуждении молекул CO₂ электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200 м СО₂-лазер излучает мощность 9 квт. Существуют компактные конструкции с выходной мощностью в 1 квт. Кроме высокой выходной мощности, СО₂-лазеры обладают большим кпд, достигающим 15—20% (возможно достижение кпд 40%). СО₂-лазеры могут принципиально эффективно работать и в импульсном режиме. Перечисленные особенности CO₂-лазеров обусловливают многообразие их применения: технологические процессы (резание, сварка), локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с λ = 10 мкм), физические исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (См. Плазма) (высокая мощность излучения), исследование материалов и т. д.

Газоразрядные трубки СО₂-лазеров имеют диаметр от 2 до 10 см, длина их может быть очень большой (рис. 3). Обычно применяются секционные (модульные) конструкции с током разряда до нескольких а при напряжениях до 10 кв на секцию. Т. к. мощность СО₂-лазеров непрерывного действия достигает очень высоких значений, серьёзной проблемой является изготовление достаточно долговечных зеркал хорошего оптического качества. Применяются покрытые золотом сапфировые или металлические зеркала. Вывод излучения зачастую производится через отверстия в зеркалах. В качестве полупрозрачных выходных зеркал применяются пластины из высокоомного германия, арсенида галлия и т. п.

Ионные лазеры (У. Бриджес, США, 1964). В ионных лазерах инверсия населённостей создаётся между электронными уровнями энергии ионизированных атомов инертных газов и паров металлов. Инверсия населённостей достигается выбором пары уровней, для которой нижний лазерный уровень обладает меньшим, а верхний — большим временами жизни. Необходимость создания большого количества ионов приводит к тому, что плотность тока газового разряда в ионных лазерах достигает десятков тысяч а/см 2 Электрический разряд осуществляется в тонких капиллярах диаметром до 5 мм. При больших плотностях тока газ увлекается током от анода к катоду. Для компенсации этого эффекта анодная и катодная области разрядной трубки соединяются дополнительной длинной трубкой малого диаметра, обеспечивающей обратное движение газа.

Ввиду высокой плотности тока для изготовления газоразрядных трубок ионных лазеров применяются металлокерамические конструкции или трубки из бериллиевой керамики, обладающие высокой теплопроводностью. Кпд ионных лазеров не превышает 0,01%. В области видимого света сравнительно высокой мощностью в непрерывном режиме обладают аргоновые лазеры. Аргоновый ионный лазер генерирует излучение с λ = 0,5145 мкм (зелёный луч) мощностью до нескольких десятков вт. Он применяется в технологии обработки твёрдых материалов, при физических исследованиях, в оптических линиях связи, при оптической локации искусственных спутников Земли.

Ионный лазер на смеси ионов аргона и криптона обладает способностью перестраиваться по длине волны (сменой зеркал) во всём видимом диапазоне. Он излучает мощность до 0,1 вт на волнах 0,4880 мкм (синий), 0,5145 мкм (зелёный), 0,5682 мкм (жёлтый) и 0,6471 мкм (красный луч).

Весьма перспективен лазер на парах кадмия, работающий в непрерывном режиме в синей (0,4416 мкм) и ультрафиолетовой (0,3250 мкм) областях спектра и обладающий высокой монохроматичностью. Пары Cd образуются в испарителе, расположенном около анода (рис. 4). Они сильно разбавлены Не. Равномерное распределение Cd в газоразрядной трубке и подбор его концентрации достигаются увлечением паров Cd ионами Не от анода к катоду. Плотность паров Cd определяется температурой подогревателя. В охладителе около катода Cd конденсируется. Трубка диаметром 2,5 мм и длиной 140 см при давлении Не 4,5 мм рт. ст., температуре подогревателя 250 °С, токе разряда 0,12 а и напряжении 4 кв позволяет получить мощность 0,1 вт в синей и 0,004 вт в ультрафиолетовой областях спектра. Кадмиевый лазер применяется в оптических исследованиях (см. Нелинейная оптика), океанографии, а также фотобиологии и фотохимии.

Газодинамические лазеры (В. К. Конюхов и А. М. Прохоров, СССР, 1966). Характерной особенностью газов является возможность создания быстрых потоков газовых масс. Если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через сопло, то его температура резко падает. При внезапном снижении температуры молекулярного газа колебательные уровни энергии молекул могут оказаться возбуждёнными (газодинамическое возбуждение). Существует СО₂-лазер с газодинамическим возбуждением. При газодинамическом возбуждении тепловая энергия непосредственно преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Мощность излучения газодинамических лазеров, работающих в непрерывном режиме, достигает 100 квт.

Химические лазеры. Инверсия населённостей в некоторых газах может быть создана в результате химических реакций, при; которых образуются возбуждённые атомы, радикалы или молекулы. Газовая среда удобна для химического возбуждения, т. к. реагирующие вещества легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Примером химического возбуждения может служить возбуждение при цепной реакции соединения фтора с дейтерием, в результате которой получается возбуждённый дейтерид фтора DF, передающий в дальнейшем энергию своего возбуждения молекулам CO₂. Удаление продуктов реакции обеспечивает непрерывный характер работы этих лазеров.

К химическим лазерам примыкают Г. л., в которых инверсия населённостей достигается с помощью реакций фотодиссоциации (распада молекул под действием света). Это быстропротекающие реакции, в ходе которых возникают возбуждённые радикалы или атомы. Существует лазер на фотодиссоциации молекулы CF_зI (С. Г. Раутиан, И. И. Собельман, СССР). Диссоциация происходит под действием излучения ксеноновой лампы-вспышки. Осколком реакции является возбужденный атомарный ион I +

США

Россия

Украина

Беларусь

Молдова

Газовый лазер — это лазер, содержащий вещество газообразного состояния в стеклянной трубке, имеет низкое давление, создающее активную среду. Трубка находится между двумя зеркалами, через которое выводится лазерное излучение. При этом зеркала должны быть настроены так, чтобы световые лучи были параллельны оси. Возбуждение смеси газов происходит разными видами электрического разряда в газах.

Особенности газового лазера определяются значением свойств активной среды, так как ее плотность может быть разной в широких пределах, но намного меньше, чем конденсированной среде.

Энергетический спектр газа соответствует уровню энергии отдельных частиц, так как в отличие твердой материи, частицы газа взаимодействуют друг с другом исключительно при соударениях в процессе теплового движения. Поэтому газовая активная среда преимущественно прозрачная и имеет узкую линию поглощения и излучения. Такой лазер дает возможность получить максимально узкие, но достаточно стабильные линии генерации.

Газовый лазер может работать в непрерывном режиме, а также в импульсном. Эти режимы сами по себе отличаются по своим характеристикам. Характер возбуждения активной среды газового лазера классифицируется на: газоразрядные, с оптическим возбуждением, возбуждением заряженных частиц, химические лазеры и газодинамические. Типы переходов, на которых возбуждается генерация газового лазера, бывает: ионные лазеры, молекулярные лазеры, эксимерные лазеры. Что особенно характеризует свойства лазерного излучения, так это его высокая направленность и монохроматичность, способность работать в непрерывном режиме.

США

Россия

Украина

Беларусь

Молдова

Сегодня самый практичный газовый лазер — это щелевой СО2 с высокочастотным разрядом. Он сильно отличается от углекислотного своим импульсным режимом излучения. Такое излучение имеет импульсный световой поток с частотой 10 — 20кГц. Газовым лазером производят маркировку широким спектром изделий и материалов с отличным качеством, как на твердых материалах, так и более мягких. Твердые материалы — алюминий, металлы, сплавы металлов, керамика, стекло, твердый пластмасс. Мягкий материал может быть органическим — из бумаги, дерева, акрила, резины, кожи, ткани, картона. Марку СО2 широко используют для резки почти любых металлов и неметаллов. Для резки металлов уровень мощности необходим от 500 Вт, а для резки цветных от 1000 Вт, иногда может быть и больше. Используя эту марку лазера деликатно, можно разрезать металл, так как ширина шва уменьшается, а качество увеличивается. Помимо этого, импульсные лазеры режут сталь, титан и даже более мягкие алюминиевые сплавы.

В зависимости от химического состава, можно резать сплавы на медной основе. Еще такие лазеры используют для гравировки. Существуют лазерные станки, режущие дерево и фанеру. И хотя это сравнительно мягкие материалы, работа с ними сложна и квалификация рабочего должна быть очень высокой. В наше время резка фанеры и дерева считается одним из самых эффективных и высокоточных способов обработки.

Оставьте свой комментарий Отменить ответ

Высокоточное оборудование все чаще встречается в производстве. Даже небольшие компании…

Лазер co2 является одним из первых газовых лазеров. Первый co2 был разработан в 1964 году инженером-электриком Чандра Кумар Наранбхай Патель. На сегодняшний день газовые лазеры являются одними из самых мощных с непрерывной подачей излучения.

Для того чтобы ощутить всю мощность co2, необходимо рассмотреть принцип его работы.

Принцип газового лазера

Передача энергии накачки происходит с помощью молекул N2 (азота) к молекулам co2 (углекислого газа). В качестве активной среды, которая находится в трубке, используют смесь газов, а именно диоксид углерода (co2), азота (N2), гелия (Не), в некоторых случаях водорода (Н2), водяного пара или ксенона (Хе). Принцип работы заключается в том, что с помощью электрической накачки молекулы азота возбуждаются и переходят в метастабильное состояние, в котором передают свою энергию возбуждения молекулам co2. Молекула углерода переходит в возбужденное состояние и испускает на атомном уровне один фотон. Далее данный фотон сталкивается с атомами другой возбужденной молекулы co2, которая испускает уже два фотона. И так, в трубке образуется большое количество фотонов. Другие газы, например, гелий необходим для релаксации молекул и понижения тепла. Водяной пар или водород могут повторно окислить угарный газ, который образуется при разряде, в углекислый газ и реакция начнется заново. Далее, в трубке расположено два зеркала, одно сначала трубки непрозрачное, которое изготавливается, в основном, из меди (Cu), второе на выходе луча, полупрозрачное, изготавливается из алмаза, так как последний имеет высокую прочность, степень прозрачности и обеспечивает сохранность всей системы из-за нечувствительности к тепловым перепадам. Именно оно пропускает фотоны, но не все, а только их часть, чтобы в трубке оставалась другая часть данных частиц для воспроизведения себе подобных. Выходя из полупрозрачного зеркала, фотоны попадают сначала на пространственный фильтр, который очищает лазер от боковых мод, а потом на линзу, которая собирает частицы в прямой луч.

Плюс заключается в том, что все фотоны имеют одинаковую длину волны, движутся параллельно друг другу, поэтому лазерный луч не рассеивается, в отличие от обычного света. Современные лазерные станки co2 являются горизонтальными, поэтому для направления луча на материал используют систему зеркал, которые отражают луч под необходимым углом. Луч попадает на каретку, содержащую последнее зеркало под углом 90 градусов, которое направляет луч уже на материал.

Излучение в co2 происходит на длине волны в 10.6 мкм. Средняя мощность составляет от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт.

Виды газовых лазеров

Непроточные с запечатанными трубками. Его используют для получения мощностей от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. Непроточный лазер отличается от других нем, что газ и весь оптический путь находятся в запаянной трубке. Газовые трубки являются прочными и компактными установками, срок службы которых достигает несколько тысяч часов;

Диффузно-охлаждающие. Газ в данных типах расположен между двух плоских RF-электродов, охлажденных водой. При создании избыточного тепла он передается на электроды путем диффузии. Данный лазер вырабатывает несколько киловатт мощности;

Лазеры, имеющие быстрое осевое и поперечное течение потока. Избыточное тепло в данном лазере поглощается за счет быстрого течения газовой смеси, которая переходит через внешний охлаждающий элемент, например, воду. Указанный вид лазеров выдает мощность в несколько киловатт;

Лазеры, имеющие поперечно возбужденную среду. Он отличается наличием высокого газового давления. Поперечные возбуждения осуществляются с помощью серии электродов вдоль трубки, так как напряжение, которое необходимо для продольного разряда, становится быстро высоким. Так как газовый разряд не может быть стабильным при высоком давлении в трубке, лазер данного вида может работать только в импульсном режиме. Лазер с поперечно возбужденной средой выдает мощность в несколько десятков киловатт;

co2 с мощностью в несколько мегаватт. Они используются в противоракетном оружии. Отличительная особенность таких мощных лазеров заключается в том, что энергия подается не с помощью газового разряда, а посредством химической реакции, что на выходе дает огромную мощность.

Преимущества СО2 лазера

Высокое качество резки и тонкость шва;

Высокая скорость работы. Так как co2 обладают высокой мощностью, работа по резке и обработке материалов происходит быстрее;

Лазерные станки co2 из-за высокой мощности вырабатываемого лазера являются высокопроизводительными;

Так как co2 работают по принципу передачи энергии накачки молекул N2 к молекулам co2, а активной средой выступает газ, то при их использование отсутствуют твердые отходы;

Низкие шумы и вибрации. Лазерные установки co2 практически не производят шума, процесс создания лазерного луча происходит в закрытой трубке, что дополнительно поглощает дополнительные вибрации;

Неподвижность режущего материала. В станках с co2 предусмотрена оптическая система, которая выводит луч на поверхность материала, а каретка, на движущейся части установки, обеспечивает движение лазера в необходимых направлениях и неподвижность режущего материала;

Широкий диапазон обрабатываемых материалов. С помощью co2 можно резать пластик, ткань, кожу, картон, бумагу;

Низкое потребление энергии;

Отсутствие брака. Сo2 оснащены числовым программным управлением (ЧПУ), с помощью которого лазер выполняет точные движения и разрезы, которые соответствуют заданному в программе эскизу;

Универсальность. Программное обеспечение лазерных станков co2 предоставляет возможность выполнить сложную резку, тем самым воплотить в реальность сложную виртуальную модель;

Взаимозаменяемость элементов. Для увеличения мощности установки в лазерах co2 существует возможность замены лазерной трубки без каких-либо последствий для всего станка;

Легкость обслуживания;

Выбор интенсивности излучения. На co2 существует возможность выбора режима изучения, что дает возможность обрабатывать материалы различной природы и создавать углубления различной глубины;

Возможность резки деформируемых материалов. При резке материалов лазером co2 отсутствует соприкосновение поверхности обрабатываемого материала и каретки. Благодаря этому с помощью лазера co2 возможно осуществлять резку бумаги и ткани;

Отсутствие необходимости дополнительной обработки краев изделия. Ввиду большой мощности лазера co2, последний оставляет аккуратный, ровный разрез, который не нуждается в дополнительной шлифовки и обработки;

Компактность. Лазеры co2 имеют компактные модели, которые не занимают много места

Недостатки СО2 лазера

Ограниченный объем газа в газовой трубке, который со временем израсходуется;

Хрупкость газовой трубки. Трубка, которая используется в co2, создается из стекла, которое при неосторожном движении, сильном нажатии и неправильной, небрежной транспортировке может разбиться;

Необходимость постоянного охлаждения. При создании в газовой трубке лазера температура смеси повышается. Для того чтобы лазерный станок не перегрелся и не пришел в негодность необходимо установить систему охлаждения, которая будет постоянно охлаждать газовую трубку;

Различная мощность для различных материалов. Тот момент, когда одно из преимуществ оборачивается недостатком. Так как различные материалы имеют разную природу, для их резки необходимо подбирать соответствующую мощность лазера. В противном случае изделие будет испорчено;

Сбои в работе при низких мощностях;

Ограниченная способность работы с металлом. С помощью co2 возможна только гравировка металла.

Как выбрать лазерный станок

Перед тем, как приобрести станок с co2 необходимо задать себе следующие вопросы:

I. Что вы будете делать?
II. Какой материал вы будете обрабатывать?
III. Какое рабочее поле необходимо?
IV. Какая должна быть комплектация станка?
V. Какое необходимо помещение?

I. Необходимо определить для каких целей станок будет приобретен. Например, для создания какого-либо продукта или оказания услуги. В зависимости от выбранной цели можно выбрать подходящий тип лазера, гравировальный аппарат, в случае если работа заключается в гравировки изделий, нанесение на поверхность материалов рисунков либо раскройщик, если необходима резка деталей. Также нужно определить какой объем производства будет запланирован: крупное производство, либо небольшое дело.

II. Материал. Все материалы имеют свои стандартные размеры. Станки также имеют определенные стандартные размеры. От размера материала напрямую зависит то, какое рабочее поле станка необходимо выбрать.

III. Рабочее поле. Все станки с co2 по размеру разделяются на следующие виды:

Настольные
Рабочая зона – 600х400 мм;
Место - для работы в гараже, в мастерской;
Размер - занимают мало места;
Производительность - позволяет создавать небольшие партии изделий;

Среднеформатные
Рабочая зона – от 600х900мм до 1600х1000мм;
Место - для мастерских, на производствах разного масштаба;
Размер - занимает мало места;
Производительность – позволяет создавать среднее количество изделий для небольшого производства;

Широкоформатные
Рабочая зона – 2000х3000 мм;
Место – на производствах большого масштаба;
Размер – занимают большое пространство в помещении и требуют дополнительное место для размещения материалов и возможность помещения их на станок (для разворота листа материала и расположения его в станке);
Производительность – позволяет обрабатывать и создавать большое количество единиц продукции;
Подходят для резки или гравировки крупных материалов.

III.а. Глубина опускания стола

От глубины опускания стола зависит то, насколько толстый материал необходимо обработать.

Фиксированные. Данный тип стола подходит для плоских материалов, раскроя ткани, гравировки на тонких материалах, так как в данном случае нет необходимости опускать или поднимать стол;

Регулируемые столы. Данные столы предназначены для обработки толстых материалов, например, толстого поролона.

Автоматизированные регулирующие столы необходимы, если осуществляется обработка материалов разной толщины. Данные столы имеют механизм опускания, который может быть оснащен либо ремнем, либо цепным приводом. Большой недостаток ремней заключается в том, что их необходимо постоянно регулировать, так как последние имеют свойство растягиваться;

Ручные – регулируются с помощью механического опускания посредством ручки.

III.б. Виды столов

Столы лазеров co2 делятся на несколько видов:

Ламеливые. Данные столы состоят из ламелий (металлические перегородки), которые расположены параллельно друг другу на равных расстояниях. Указанный стол подходит для обработки только толстых материалов. Если попытаться обработать на данном станке ткань, бумагу, картон или мелкие детали, то материалы провиснут, а детали провалятся внутрь установки, что привет к поломке всего лазера;

Сотовое покрытие стола. За счет данной поверхности возможна обработка бумаги, ткани и других тонких материалов;

Конвейерные столы. Такие столы предназначены для обработки рулонных изделий и представляют непрерывную подачу материала. На данном столе можно обрабатывать бумагу, картон, ткань, кожу.

Качественный станок должен быть выполнен из толстого качественного железа. Если необходимо приобрести напольный станок, то последний должен иметь раму.

IV.а. Лазерная трубка.

От мощности трубки зависит скорость ее работы и толщина материала, который возможно будет разрезать лазером из данной трубки. Мощность трубки co2 может быть от 40 Ватт до 400 Ватт.

В зависимости от мощности и от срока службы трубки разделают следующие станки:

Настольные станки:
Мощность – 40-50 Ватт
Срок службы трубки – 1500-3000 часов

Среднеформатные станки:
Мощность – 60-80 Ватт
Срок службы трубки – 6500-10000 часов

Широкоформатные станки:
Мощность - 100-400 Ватт
Срок службы трубки - 6500-10000 часов

IV.б. Блок высокого напряжения (блок розжига)

Мощность блока розжига должна соответствовать мощности лазерной трубки. То есть, мощность блока розжига должна быть не ниже, чем мощность трубки.

IV.в. Направляющие

Роликовые - используются на небольших станках, например настольных;

Рельсовые - в свою очередь делятся на рельсовые круглые и рельсовые прямоугольные. Данные направляющие используется на больших производственных лазерных станках.

Немаловажный вопрос при выборе лазера co2 - это помещение, в котором будет стоять последний. Более того, помещение должно позволять хранить расходный материал, иметь возможность поместить расходный материал в лазер. Немало важно, что при установке станка в помещение, между станком и стенами помещения должно быть расстояние 0,5 – 1 метра. Таким образом, помещение необходимо выбирать в зависимости от размеров станка.

Резюмируя все вышеизложенное, можно сделать вывод, что лазеры co2 являются одними из самых мощных установок по резке, полировки и иной обработки материалов разной природы. Лазерные станки co2 не производят отходов так как режущим инструментом выступает лазер, образующийся на атомном уровне в газовой трубке. Для приобретения такой высокотехнологичной установки необходимо решить: для каких целей последняя приобретается, что будет обрабатывать станок, каких размеров, в каком объеме, а также заранее выбрать подходящее по размеру помещение.

Основным рабочим компонентом любого лазерного устройства является так называемая активная среда. Она не только выступает источником направленного потока, но и в некоторых вариантах может значительно его усиливать. Именно такой особенностью и обладают газовые смеси, выступающие активным веществом в лазерных установках. При этом существуют разные модели подобных устройств, отличающихся и конструкцией, и характеристиками рабочей среды. Так или иначе, газовый лазер имеет немало преимуществ, которые позволили ему занять прочное место в арсенале многих промышленных предприятий.

Особенности действия газовой среды

Традиционно лазеры ассоциируются с твердотельными и жидкостными средами, способствующими формированию светового луча с необходимыми рабочими характеристиками. При этом газ имеет преимущества в виде однородности и небольшой плотности. Эти качества позволяют лазерному потоку не искажаться, не терять энергию и не рассеиваться. Также газовый лазер отличается увеличенной направленностью излучения, предел которой определяет только дифракция света. По сравнению с твердыми телами взаимодействие частиц газа происходит исключительно при соударениях в условиях теплового перемещения. В результате энергетический спектр наполнителя соответствует энергетическому уровню каждой частицы по отдельности.

Устройство газовых лазеров

Классическое устройство таких аппаратов формируется герметичной трубкой с газообразной функциональной средой, а также оптическим резонатором. Разрядная трубка обычно выполняется из корундовой керамики. Ее размещают между отражающей призмой и зеркалом на бериллиевом цилиндре. Разряд производится в двух секциях с общим катодом при постоянном токе. Оксиднотанталовые холодные катоды чаще всего разделяют на две части посредством диэлектрической прокладки, которая обеспечивает однородность распределения токов. Также устройство газового лазера предусматривает наличие анодов – их функцию выполняет нержавеющая сталь, представленная в виде вакуумных сильфонов. Эти элементы обеспечивают подвижное соединение трубок, призмы и держателей зеркала.

Принцип работы

Для наполнения энергией активного тела в газе применяются электрические разряды, которые вырабатываются электродами в полости трубки прибора. В процессе соударения электронов с газовыми частицами происходит их возбуждение. Таким образом создается основа для излучения фотонов. Вынужденное испускание световых волн в трубке повышается в процессе их прохождении по газовой плазме. Выставленные зеркала на торцах цилиндра создают основу для преимущественного направления светового потока. Полупрозрачное зеркало, которым снабжается газовый лазер, отбирает из направленного луча долю фотонов, а остальная их часть отражается внутрь трубки, поддерживая функцию излучения.

Характеристики

Внутренний диаметр разрядной трубки обычно составляет 1,5 мм. Диаметр оксиднотанталового катода может достигать 48 мм при длине элемента 51 мм. При этом конструкция работает под действием постоянного тока с напряжением 1000 В. В гелий-неоновых лазерах мощность излучения небольшая и, как правило, исчисляется в десятых долях Вт.

Модели на углекислом газе предполагают использование трубок диаметром от 2 до 10 см. Примечательно, что газовый лазер, работающий в непрерывном режиме, обладает очень высокой мощностью. С точки зрения эксплуатационной эффективности, этот фактор иногда идет в плюс, однако для поддержания стабильной функции таких приборов требуются долговечные и надежные зеркала с повышенными оптическими свойствами. Как правило, технологи используют металлические и сапфировые элементы с обработкой золотом.

Разновидности лазеров

Основная классификация подразумевает разделение таких лазеров по типу газовой смеси. Уже упоминались особенности моделей на углекислом активном теле, но также распространены ионные, гелий-неоновые и химические среды. Для изготовления конструкции прибора ионные газовые лазеры требуют применения материалов с высокой теплопроводностью. В частности, используются металлокерамические элементы и детали на основе бериллиевой керамики. Гелий-неоновые среды могут работать на разных длинах волн по инфракрасному излучению и в спектре видимого света. Зеркала резонатора таких аппаратов отличаются наличием многослойных диэлектрических покрытий.

Химические лазеры представляют отдельную категорию газовых трубок. Они также предполагают использование в качестве рабочей среды газовых смесей, но процесс образования светового излучения обеспечивается химической реакцией. То есть газ используется для химического возбуждения. Устройства такого типа выгодны тем, что в них возможен прямой переход химической энергии в электромагнитное излучение.

Применение газовых лазеров

Практически все лазеры такого типа отличаются высокой степенью надежности, долговечностью и доступной ценой. Эти факторы обусловили их широкое распространение в разных отраслях. К примеру, гелий-неоновые аппараты нашли применение в нивелировочных и юстировочных операциях, которые выполняются в шахтных работах, в кораблестроении, а также при строительстве различных сооружений. Кроме этого, характеристики гелий-неоновых лазеров подходят для использования в организации оптической связи, в разработке голографических материалов и квантовых гироскопов. Не стал исключением с точки зрения практической пользы и аргоновый газовый лазер, применение которого показывает эффективность в сфере обработки материалов. В частности, подобные устройства служат в качестве резчика твердых пород и металлов.

Отзывы о газовых лазерах

Если рассматривать лазеры с точки зрения выгодных эксплуатационных свойств, то многие пользователи отмечают высокую направленность и общее качество светового пучка. Такие характеристики можно объяснить малой долей оптических искажений независимо от температурных условий окружающей среды. Что касается недостатков, то для раскрытия потенциала газовых сред необходимо большое напряжение. Кроме того, гелий-неоновый газовый лазер и устройства, работающие на основе углекислых смесей, требуют подключения немалой электрической мощности. Но, как показывает практика, результат себя оправдывает. Применение находят и маломощные аппараты, и приборы с большим силовым потенциалом.

Заключение

Возможности газоразрядных смесей в плане их применения в лазерных установках пока еще недостаточно освоены. Тем не менее спрос на подобное оборудование давно и успешно растет, формируя соответствующую нишу и на рынке. Наибольшее распространение газовый лазер получил в промышленности. Его используют как инструмент для точечной и аккуратной резки твердотельных материалов. Но есть и факторы, сдерживающие распространение такого оборудования. Во-первых, это быстрый износ элементной основы, что сокращает долговечность приборов. Во-вторых, отмечаются высокие требования к обеспечению электрического разряда, необходимого для формирования луча.

Читайте также: