Rozdíly mezi čočkami pro vláknové a CO2 lasery

Úvod: Srdce vašeho laserového systému

V srdci každého vysokopřesného laserového řezacího a svařovacího stroje se nachází klíčová součást: sestava fokusovací čočky. Tento optický systém má za úkol vzít silný laserový paprsek a soustředit jeho energii do mimořádně malého, intenzivního bodu, což umožňuje laseru řezat kov nebo jej svařovat s vysokou přesností. Ne všechny lasery jsou však stejné a ani jejich sestavy čoček nejsou shodné. U čoček pro vláknové lasery mají různí výrobci laserových řezacích hlav odlišný návrh optické dráhy a konstrukce, i když mohou mít stejný průměr a ohniskovou vzdálenost. U CO2 fokusovacích čoček jsou tvarem, průměrem, tloušťkou okraje a ohniskovou vzdáleností klíčové parametry, které musí uživatel znát před nákupem.

Základní rozdíl: Vše začíná vlnovou délkou

Nejdůležitějším faktorem, který tyto dvě čočky odlišuje, je vlnová délka laserového světla, se kterou jsou navrženy pro práci. Vlnová délka, měřená v mikronech (μm) nebo nanometrech (nm), určuje, jak světlo interaguje s hmotou, včetně samotného materiálu čočky.

• CO2 lasery: Tyto lasery pracují na dlouhé vlnové délce 10,6 mikrometrů (μm). Tato délka spadá do středního infračerveného spektra, které je pro lidské oko neviditelné.
• Vláknové lasery: Naopak vláknové lasery produkují světlo na mnohem kratší vlnové délce, obvykle kolem 1,07 mikrometrů (μm) nebo 1064 nanometrů (nm). Tato délka spadá do blízkého infračerveného spektra.

Proč je to důležité? Představte si, že se pokoušíte použít skleněné okno k soustředění tepla z ohně. Sklo může teplo (dlouhovlnné infračervené záření) blokovat, zatímco propouští viditelné světlo. Podobně mohou být materiály, které jsou pro jednu vlnovou délku světla dokonale průhledné, pro jinou vlnovou délku zcela neprůhledné nebo pohlcující. Právě to je hlavním důvodem, proč nelze sestavu čoček vláknového laseru použít v systému CO2 laseru a naopak.

Materiál čočky: Klíč k průhlednosti a odolnosti vůči výkonu

Různé vlnové délky přímo určují materiály, ze kterých musí být jednotlivé optické prvky uvnitř sestavy čoček vyrobeny. Tato volba ovlivňuje náklady, odolnost a výkon, zejména za podmínek vysokého výkonu.

• Čočky pro CO2 lasery: Zlatý standard pro materiál optických prvků v sestavě čoček pro CO2 laser je selenid zinečnatý (ZnSe). ZnSe má mimořádně nízkou míru absorpce pro vlnovou délku 10,6 μm, což umožňuje laserové energii projít s minimálními ztrátami a tvorbou tepla. Další materiály, jako germanium (Ge) a arsenid galitý (GaAs), se používají také pro specifické aplikace s vysokým výkonem nebo specializované účely. Tyto materiály jsou často dražší a mohou být citlivé na tepelný šok.

Čočky pro vláknové lasery: Materiálem volby pro optické prvky ve standardní sestavě čoček pro vláknový laser je tavený křemen nebo syntetický křemen. Tavený křemen nabízí vynikající průhlednost pro vlnovou délku 1 μm, vysokou tepelnou stabilitu a vynikající odolnost proti tepelnému čočkování – jevu, při kterém se čočka ohřívá, mění tvar a rozostřuje svazek. Je také velmi tvrdý a odolný vůči znečištění, což z něj činí trvanlivý materiál pro průmyslové prostředí.

Optický design: Sestava čoček vs. optické prvky

Pro pochopení optického návrhu je třeba rozlišovat mezi kompletní „čočkovou sestavou“ a jednotlivými „optickými prvky“ uvnitř ní. Zaostřovací čočka je systém a její realizace není omezena na jeden typ optického prvku.

CO2 laserová optika: Zaostřovací sestava CO2 laseru může využívat transmisivní (s čočkami) i reflexní (zrcadlové) konstrukce. Zatímco čočky ze ZnSe jsou běžné, při velmi vysokých výkonech (např. několik kilowattů) jsou preferována reflexní zaostřovací zrcadla. Často se jedná o parabolická zrcadla vyrobená z mědi nebo molybdenu. Toto je typický příklad, kdy „zaostřovací sestava CO2 laseru“ nemusí vůbec obsahovat transmisivní čočkový prvek; její hlavní součástí může být reflexní zrcadlo.

Optika vláknového laseru: Moderní řezací hlava s vláknovým laserem je složitý optický systém. Tato čočková sestava obvykle obsahuje několik prvků: skupinu kolimujících čoček, skupinu fokusujících čoček a ochranné okénko. Hlavním fokusujícím prvkem uvnitř této sestavy je nejčastěji křemen (Fused Silica), díky jehož vynikajícím celkovým vlastnostem. Je však důležité si uvědomit, že tento prvek může být jedinou čočkou, dubletem (dvě spojené čočky) nebo dokonce asférickou čočkou, v závislosti na požadovaném výkonu. Vztah mezi „čočkovou sestavou vláknového laseru“ a konkrétním „čočkovým prvkem“ tedy není pevný; jedná se o přizpůsobené řešení.

Zaměření na aplikaci: Proč správná čočka určuje vaše výsledky

Rozdíl ve vlnové délce neovlivňuje pouze čočku; určuje, které materiály lze laserem efektivně zpracovávat.

• CO2 lasery s čočkami ze ZnSe: Vlnová délka 10,6 μm je vynikajícím způsobem pohlcována nekovovými materiály. Díky tomu jsou CO2 lasery spolu s vhodnou sestavou čoček nadřazenou volbou pro řezání a gravírování dřeva, akrylátu, plastů, textilií a keramiky.
• Vláknové lasery s fúzovanými křemičitými čočkami: Vlnová délka 1 μm je mnohem účinněji pohlcována kovy. Sestava čoček pro vláknové lasery proto představuje jádro moderní výroby kovů. Je klíčovou součástí umožňující řezání, svařování a značení oceli, nerezové oceli, hliníku, mosazi a mědi bezkonkurenční rychlostí a energetickou účinností.

V čem spočívají rozdíly v údržbě CO2 optiky a vláknové optiky

Díky jedinečným vlastnostem 1064nm blízké infračervené lasery, jejich základní kvalitě svazku a kompaktnímu provedení, ukázalo řezání vláknovým laserem významné výhody v efektivitě zpracování, přesnosti a nákladové efektivitě. Vzhledem k tomu, že je tato technologie obzvláště vhodná pro aplikace v oblasti kovovýroby, vláknové laserové systémy si v posledních letech rychle dobývají podíl trhu na úkor CO2 laserových řezacích strojů. Ve srovnání s CO2 lasery vyžadují vláknové lasery nižší náklady na údržbu klíčových optických komponent a jejich výměna je jednodušší. Výrobci neustále optimalizují konstrukci řezacích hlav, což umožňuje uživatelům vyměňovat díly včas, aniž by poškodili vnitřní komponenty. Například zásuvka ohniskovací čočky a zásuvka kolimující čočky umožňují uživatelům provádět výměny v čistém prostředí bez potřeby odborné pomoci. Vzhledem ke složité vnitřní struktuře CO2 laseru však musí být výměna všech optických komponent provedena odborníky přímo na místě, což není levné.