Laserové systémy se již delší dobu používají v průmyslu pro řezání, svařování, značení, gravírování, povrchové zpracování, atd. V posledních letech však došlo k rozvoji nových typů laserů a pro některé uživatele, ať stávající či potenciální, nemusí být vůbec jasné, který je který. V tomto článku jsou popsány jednotlivé typy laserů s jejich vlastnostmi a ukázány jejich výhody a nevýhody pro různé aplikace.
Laser obsahuje tři důležité části: aktivní prostředí, čerpání (buzení) a rezonanční kavitu. Typů laserů je mnoho, ale pouze některé se prosadily a jsou používány ve větším měřítku v průmyslu. Právě o takových bude řeč dále.
Lasery můžeme rozdělit podle aktivního prostřední na:
Plynové lasery jsou čerpány výbojem v plynu v uzavřené komoře. Příkladem jsou CO2 a excimerní lasery. Excimerní lasery s vlnovou délkou v ultrafialové oblasti (150-350 nm) se používají například pro mikro-obrábění a plošné zpracování povrchu (např. televize). CO2 lasery s vlnovou délkou ve střední infračervené oblasti (10,6 µm) jsou vhodné na zpracování dřeva, skla, plastů a kovů ve velkých tloušťkách.
Pevnolátkové lasery můžeme rozdělit podle tvaru aktivního média na:
Klasické pevnolátkové lasery (Nd:YAG) používané po desetiletí mají aktivní médium ve tvaru tyčky. Původně se k jejich čerpání používaly výbojky (lampy). S nástupem laserových diod se stále častěji používají diodou čerpané pevnolátkové lasery (DPSS – diode pumped solid state lasers), které dosahují kvalitnějšího svazku. Původní typ s výbojkami ale stále nachází uplatnění, a to hlavně z důvodu nižších pořizovacích nákladů. Účinnost těchto laserů je nízká (cca 2-5%) a výbojky se musejí pravidelně měnit (životnost 1-2 tis. hodin). Diodou čerpané tyčkové lasery (např. Nd:YAG) mají účinnosti také nízkou (5-10%), ale životnost je již lepší (10-35 tis. hod.).
V posledních letech do rodiny pevnolátkových laserů přibyly vláknové a diskové lasery. Oba typy se vyznačují velmi kvalitním svazkem (je možné je zaostřit do velmi malé tečky – průměr 10-50 µm) a jsou čerpány laserovými diodami. Jsou to lasery s vysokou účinností (15% disk, 30% vlákno) a dlouhou životností (35 tis. hod. disk, 100 tis. hod. vlákno). Vláknový laser má aktivní prostředí umístěno v tenkém jádru optického vlákna, které je obklopeno širším jádrem, kudy probíhá čerpací svazek (Obr. 1). Diskový laser obsahuje tenký disk, který je čerpán na relativně velké ploše shora a chlazen zdola. Výsledný svazek směřuje nahoru (Obr. 2). Deskový (slab) laser je tvořen tenkou deskou čerpanou z boku a chlazenou zdola i shora. Výsledný svazek směřuje do boku.
Diodové lasery (laserové diody) používají přímou konverzi elektrického proudu na světlo. Z toho vychází jejich vynikající účinnost (40-50%). Tyto lasery však mají horší kvalitu svazku a proto jejich hlavní použití je na kalení a svařování materiálů a čerpání jiných laserů (pevnolátkových).
Laserový svazek je možné svést do optického vlákna. Toto se požívá pro zdroje na vlnových délkách viditelného a blízkého infračerveného světla (diodové a pevnolátkové lasery), kde jsou k dispozici vhodná vlákna. Lasery tímto získávají vysokou flexibilitu vedení svazku do místa použití. Na druhou stranu fakt, že z laseru vychází optické vlákno, ještě neznamená, že je to vláknový laser, jak se někdo může domnívat. Jde pouze o transportní vlákno a vlastnosti svazku (rozbíhavost, kvalita svazku, vlnová délka, …) a kvalita laseru (účinnost, životnost) závisí hlavně na použitém laserovém zdroji.
Lasery můžeme také rozdělit podle režimu fungování na kontinuální a pulzní. Excimerní lasery pracují v pulzním režimu, diodové lasery typicky v kontinuálním. Pevnolátkové a CO2 lasery mohou pracovat v obou režimech. Laserové pulzy mohou být dlouhé (mili- a mikrosekundy), krátké (nanosekundy) až ultra krátké (piko- a femtosekundy). Lasery s ultra krátkými pulzy mají velkou budoucnost v mikro-obráběcích aplikacích, ale zatím se v průmyslu moc nepoužívají (vysoká pořizovací cena). Pro značení a gravírování se často používají nanosekundové lasery. V současné době se hodně využívají vláknové lasery o průměrném výkonu 10-50 W. Při výhledu do budoucna, pokud bude třeba větší průměrný výkon pro pulzní lasery, se jako vhodnější jeví použití diskových nebo deskových laserů (minimálně pro poslední stádium zesílení). Tyto lasery si zachovávají kvalitní svazek i pro vysoké intenzity výkonu v pulzu z důvodu geometrie a dobrého chlazení aktivního prostřední. Komerčně jsou nyní pulzní lasery k dispozici v průměrném výkonu až 200 W (vlákno), 100 W (disk) a 600 W (deska).
Co se týká kontinuálních laserů s vysokými výkony, dnes se používají CO2, vláknové, diskové, přímé diodové a diodové lasery svedené do vlákna. V poslední době probíhá velký vývoj diodových laserů svedených do vlákna. Kvalita jejich svazku se zlepšuje a je do budoucna možné, že pro kontinuální režim nahradí vláknové a diskové lasery pro většinu aplikací z důvodu nižší ceny a vyšší účinnosti.
Ing. Jiří Martan, Ph.D.
Ve spolupráci Nové technologie – Výzkumné centrum, ZČU Plzeň a firmy Lintech
LINTECH, spol. s r.o.
Chrastavice 3
344 01 Domažlice
Tel.: +420 379 410 201
Fax: +420 379 410 200
info@lintech.cz
www.lintech.cz