الاختلافات بين عدسات الألياف وCO2 الليزرية

مقدمة: مركز نظام الليزر الخاص بك

في صميم كل آلة قطع ولحام بالليزر عالية الدقة تكمن مكوّن حاسم: وحدة العدسة المركّزة. هذه المنظومة البصرية مسؤولة عن استقبال شعاع الليزر القوي وتركيز طاقته في بقعة صغيرة جدًا وشديدة الكثافة، وهي التي تمكّن الليزر من قطع المعادن أو لحامها بدقة عالية. ومع ذلك، ليست جميع أشعة الليزر متماثلة، وبالتالي فإن وحدات عدساتها ليست متماثلة أيضًا. بالنسبة لعدسة الليزر الليفي، فإن مصنعي رؤوس القطع بالليزر المختلفة لديهم تصاميم مختلفة لمسار الشعاع البصري والبنية، حتى لو كانت الأقطار والطول البؤري متماثلين. أما بالنسبة لعدسة التركيز CO2، فإن الشكل والقطر وسمك الحافة والطول البؤري هي المعايير الأساسية التي يجب على جميع المستخدمين معرفتها قبل الشراء.

الاختلاف الأساسي: يبدأ الأمر كله من الطول الموجي

أهم عامل واحد يُميز هذين العدستين هو الطول الموجي للضوء الليزري المصممة للعمل معه. ويحدد الطول الموجي، الذي يُقاس بالمايكرون (μm) أو النانومتر (nm)، كيفية تفاعل الضوء مع المادة، بما في ذلك مادة العدسة نفسها.

• ليزر CO2: تعمل هذه الليزرات عند طول موجي طويل يبلغ 10.6 مايكرومتر (μm). وتقع هذه القيمة ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وهي غير مرئية للعين البشرية.
• ليزر الألياف (Fiber Lasers): على النقيض من ذلك، تُنتج ليزرات الألياف ضوءًا بطول موجي أقصر بكثير، وعادةً ما يكون حوالي 1.07 مايكرومتر (μm) أو 1064 نانومتر (nm). ويسقط هذا الطول الموجي ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.

لماذا يهم هذا؟ تخيل محاولة استخدام نافذة زجاجية للتركيز على حرارة نار المخيم. قد يحجب الزجاج الحرارة (الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة) مع السماح بمرور الضوء المرئي. وبالمثل، يمكن أن تكون المواد شفافة تمامًا لطول موجي معين من الضوء، بينما تكون معتمة أو ماصة تمامًا لطول موجي آخر. ولهذا السبب الأساسي لا يمكن استخدام مجموعة عدسات الليزر الليفي في نظام ليزر CO2، والعكس بالعكس.

مادة العدسة: المفتاح للشفافية وقدرة التحمل على القدرة العالية

تؤثر الأطوال الموجية المختلفة بشكل مباشر على المواد التي يجب تصنيع العناصر البصرية الفردية داخل مجموعة العدسات منها. ويؤثر هذا الاختيار على التكلفة والمتانة والأداء، خاصة في الظروف عالية القدرة.

• عدسات الليزر CO2: المادة القياسية الذهبية للعناصر البصرية في وحدة عدسة الليزر CO2 هي سيلينيد الزنك (ZnSe). تتميز سيلينيد الزنك بامتصاص منخفض استثنائي لموجة الطول 10.6 ميكرومتر، مما يسمح لطاقة الليزر بالمرور مع فقدان ضئيل وتولد حراري قليل. تُستخدم مواد أخرى مثل الجرمانيوم (Ge) والزرنيخيد الغاليومي (GaAs) أيضًا في تطبيقات محددة ذات طاقة عالية أو متخصصة. غالبًا ما تكون هذه المواد أكثر تكلفة ويمكن أن تكون حساسة للصدمات الحرارية.

عدسات الليزر الليفي: المادة المفضلة للعناصر البصرية في وحدة عدسة الليزر الليفي القياسية هي السيليكا المصهورة أو الكوارتز الصناعي. توفر السيليكا المصهورة شفافية ممتازة لموجة الطول 1 ميكرومتر، واستقرارًا حراريًا عاليًا، ومقاومة ممتازة لظاهرة العدسة الحرارية — وهي ظاهرة تسخن فيها العدسة وتتغير شكلاً، مما يؤدي إلى تشتيت الشعاع. كما أنها صلبة جدًا ومقاومة للتلوث، ما يجعلها متينة في البيئات الصناعية.

التصميم البصري: وحدة العدسة مقابل العناصر البصرية

يتطلب فهم التصميم البصري التمييز بين "تجميع العدسة" بالكامل وعناصر "العناصر البصرية" الفردية الموجودة بداخله. تعد العدسة البؤرية نظامًا، ولا يقتصر تنفيذها على نوع واحد من العناصر البصرية.

مكونات الليزر CO2: يمكن لتجميع عدسة تركيز الليزر CO2 استخدام تصميمات ناقلة (باستخدام العدسات) وعاكسة (باستخدام المرايا). وعلى الرغم من شيوع عدسات ZnSe، إلا أن المرايا العاكسة المستخدمة في التركيز تُفضل عند مستويات الطاقة العالية جدًا (مثل عدة كيلوواط). وغالبًا ما تكون هذه المرايا عبارة عن مرايا مكافئة مصنوعة من النحاس أو الموليبدنوم. ويُعد هذا مثالاً بارزًا حيث لا يحتوي "تجميع عدسة تركيز CO2" بالضرورة على عنصر عدسة ناقل على الإطلاق؛ فقد يكون المكون الأساسي فيه مرآة عاكسة.

عدسات الليزر الليفي: يعد رأس قص الليزر الليفي الحديث نظامًا بصريًا معقدًا. وعادةً ما تحتوي مجموعة العدسات هذه على عدة عناصر: مجموعة عدسة تجميعية، ومجموعة عدسة بؤرية، ونافذة واقية. ويُصنع العنصر البؤري الأساسي داخل هذا التجميع غالبًا من السيليكا المُنصهرة نظرًا لخصائصه الممتازة بشكل عام. ومع ذلك، من الضروري فهم أن هذا العنصر قد يكون عدسة واحدة، أو عدستين ملتصقتين معًا (Doublet)، أو حتى عدسة غير كروية (Aspherical)، وذلك حسب الأداء المطلوب. وبالتالي، فإن العلاقة بين "مجموعة عدسات الليزر الليفي" و"عنصر عدسي" محدد ليست علاقة ثابتة؛ بل هي حل مخصص.

التركيز التطبيقي: لماذا تُحدد العدسة الصحيحة نتائجك

الفرق في الطول الموجي لا يؤثر فقط على العدسة؛ بل يُحدد المواد التي يمكن لليزر معالجتها بكفاءة.

• أشعة الليزر CO2 مع عدسات ZnSe: يتم امتصاص الطول الموجي 10.6 ميكرومتر بكفاءة عالية بواسطة المواد غير المعدنية. ويجعل هذا من أشعة الليزر CO2، عند استخدامها مع تجميعة العدسات الصحيحة، الخيار الأفضل لقطع ونقش الخشب والأكريليك والبلاستيك والمنسوجات والسيراميك.
• ألياف الليزر مع عدسات السيليكا المنصهرة: يتم امتصاص الطول الموجي 1 ميكرومتر بكفاءة أعلى بكثير بواسطة المعادن. ويجعل هذا من تجميعة عدسات الليزر الليفي قلب التصنيع الحديث للمعادن. وهي المكون الرئيسي الذي يمكن من قطع ولحام ووضع العلامات على الفولاذ والفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والنحاس الأصفر والنحاس بسرعة وكفاءة في استهلاك الطاقة لا تضاهى.

ما الفروقات في صيانة عدسات CO2 وعناصر البصريات الليفية؟

وبسبب الخصائص الفريدة لليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة 1064nm ، ونوعية شعاعها الأساسية ، وتصميمها المدمج ، أظهرت قطع الليزر بالألياف مزايا كبيرة في كفاءة المعالجة والدقة والفعالية من حيث التكلفة. تُعد أنظمة الليزر المصنوعة من الألياف مناسبة بشكل خاص لتطبيقات تصنيع المعادن، وقد اكتسبت حصة سوقية سريعة من آلات قطع ليزر ثاني أكسيد الكربون في السنوات الأخيرة. مقارنة بليزر ثاني أكسيد الكربون، تتطلب الليزر الليزرية الألياف تكاليف صيانة أقل لمكوناتها البصرية الأساسية وأسهل في الاستبدال. يقوم المصنعون باستمرار بتحسين تصميمات رؤوس القطع، مما يتيح للمستخدمين استبدال الأجزاء بسرعة دون إتلاف المكونات الداخلية. على سبيل المثال، التركيز درج العدسات المزدوجة ودرج العدسات المزدوجة تمكين المستخدمين من إجراء عمليات الاستبدال في بيئة نظيفة دون الحاجة إلى مساعدة احترافية. ولكن، بسبب البنية الداخلية المعقدة لليزر CO2، يجب أن يتم استبدال جميع المكونات البصرية من قبل متخصصين في الموقع، وهي عملية ليست رخيصة.