A szálas és CO2 lézerlencsék különbségei

Bevezetés: A lézerrendszer szíve

Minden nagy pontosságú lézeres vágó- és hegesztőberendezés központi eleme egy kritikus alkatrész: a fókuszáló lencse egység. Ez az optikai rendszer felelős a nagy teljesítményű lézersugár energiájának egy rendkívül kicsi, intenzív foltba való koncentrálásáért, amely lehetővé teszi a lézer számára, hogy olyan pontossággal vágjon vagy hegesztsen fémeket. Ugyanakkor nem minden lézer egyforma, így azok lencseegységei sem. A szálas lézerlencsék esetében a különböző lézeres vágófej gyártók eltérő tervezést alkalmaznak az optikai útvonal és szerkezet tekintetében, még akkor is, ha az átmérőjük és fókusztávolságuk megegyezik. A CO2 fókuszáló lencsék esetében a forma, átmérő, peremvastagság és fókusztávolság azok a fő paraméterek, amelyeket minden felhasználónak ismernie kell a vásárlás előtt.

Az alapvető különbség: mind a hullámhosszal kezdődik

A két lencsét leginkább meghatározó tényező az a lézerfény hullámhossza, amelyhez tervezték őket. A hullámhossz, mikronban (μm) vagy nanométerben (nm) mérve, meghatározza, hogy a fény hogyan hat kölcsön az anyagokkal, beleértve magát a lencseanyagot is.

• CO2 lézerek: Ezek a lézerek hosszú, 10,6 mikrométeres (μm) hullámhosszon működnek. Ez a középső infravörös tartományba esik, amely az emberi számára láthatatlan.
• Szál lézerek: Ezzel szemben a szállézerek lényegesen rövidebb hullámhosszú fényt állítanak elő, általában körülbelül 1,07 mikrométeres (μm) vagy 1064 nanométeres (nm) hullámhosszon. Ez a közel-infravörös tartományba esik.

Miért fontos ez? Képzelje el, hogy egy sátorláng hőjét próbálja egy üvegablakon keresztül fókuszálni. Az üveg blokkolhatja a hőt (hosszúhullámú infravörös), miközben átengedi a látható fényt. Hasonlóképpen, az anyagok, amelyek egy bizonyos fényhullámhosszra teljesen átlátszóak, lehetnek teljesen átlátszatlanok vagy elnyelők más hullámhosszakra. Ez az elsődleges oka annak, hogy egy szálas lézer lencséjét nem lehet CO2 lézerrendszerben használni, és fordítva.

Lencse anyaga: A kulcs az átlátszósághoz és a teljesítménykezeléshez

A különböző hullámhosszak közvetlenül meghatározzák azokat az anyagokat, amelyekből a lencserendszeren belüli egyedi optikai elemeket gyártani kell. Ez a választás hatással van az árra, a tartósságra és a teljesítményre, különösen nagy teljesítményű körülmények között.

• CO2 lézerlencsék: Arany standard anyag a CO2 lencseegység optikai elemeihez a cink-szelenid (ZnSe). A ZnSe kivételesen alacsony abszorpciós rátával rendelkezik a 10,6 μm-es hullámhosszon, így a lézerenergia minimális veszteséggel és hőtermeléssel haladhat át rajta. Más anyagok, mint például germánium (Ge) és gallium-arszenid (GaAs) is használatosak speciális, nagy teljesítményű alkalmazásokhoz. Ezek az anyagok gyakran drágábbak, és érzékenyek lehetnek termikus sokkra.

Szálas lézerlencsék: A szabványos szálas lézerlencse-összeállítás optikai elemeinek kiválasztott anyaga az olvasztott szilícium-dioxid vagy szintetikus kvarc. Az olvasztott szilícium kiváló átlátszósággal rendelkezik az 1 μm-es hullámhosszon, magas termikus stabilitással bír, és kitűnően ellenáll a termikus lencsézésnek – egy jelenségnek, amely során a lencse felmelegszik és megváltoztatja alakját, ezzel elmosódott fókuszt okozva. Emellett nagyon kemény és szennyeződésálló, így tartós az ipari környezetekben.

Optikai tervezés: Lencseegység vs. Optikai elemek

Az optikai tervezés megértéséhez el kell különíteni a teljes „lencseegyüttest” és azon belüli egyedi „optikai elemeket”. Egy fókuszáló lencse rendszer, amelynek megvalósítása nem kötődik kizárólag egyetlen típusú optikai elemhez.

CO2 lézeroptika: Egy CO2 lézer fókuszáló egysége áteresztő (lencséket használó) és visszaverő (tüköreket használó) tervezést is alkalmazhat. Bár a ZnSe lencsék elterjedtek, nagyon magas teljesítményszinteknél (pl. több kilowatt) inkább visszaverő fókuszáló tükröket használnak. Ezek gyakran rézből vagy molibdénből készült parabolikus tükrök. Ez kiváló példa arra, hogy egy „CO2 fókuszáló lencseegység” egyáltalán nem feltétlenül tartalmaz áteresztő lencseelemet; alapvető komponense lehet egy visszaverő tükör.

Szálas lézer optika: A modern szálas lézeres vágófej egy összetett optikai rendszer. Ez a lencserendszer általában több elemet tartalmaz: kolimáló lencsecsoportot, fókuszáló lencsecsoportot és védőablakot. Ennek az egységnek a központi fókuszáló eleme leggyakrabban kvarcüvegből (Fused Silica) készül, tekintettel kiváló össztulajdonságaira. Ugyanakkor fontos megérteni, hogy ez az elem lehet egyetlen lencse, duplett (két összeragasztott lencse), vagy akár aszferikus lencse is, attól függően, milyen teljesítményre van szükség. Ezért az „szálas lézeres lencserendszer” és egy adott „lencseelem” közötti kapcsolat nem rögzített; inkább testreszabott megoldásról van szó.

Alkalmazásközpontúság: Miért határozza meg az eredményeket a megfelelő lencse

A hullámhossz-különbség nemcsak a lencsét érinti; meghatározza, hogy a lézer mely anyagokat tud hatékonyan feldolgozni.

• CO2 lézerek ZnSe lencsékkel: A 10,6 μm-es hullámhossz kitűnően elnyelődik a nemfémes anyagokban. Ezért a CO2 lézerek a megfelelő lencserendszerrel párosítva kiváló választást jelentenek fa, akril, műanyagok, textíliák és kerámiák vágásához és gravírozásához.
• Szálas lézerek olvasztott kvarclencsékkel: Az 1 μm-es hullámhossz sokkal hatékonyabban nyelődik el a fémekben. Ezért a szálas lézer lencserendszere a modern fémszerkezetek gyártásának központi eleme. Ez az alapvető komponens teszi lehetővé acél, rozsdamentes acél, alumínium, réz és bronz vágását, hegesztését és jelölését páratlan sebességgel és energiahatékonysággal.

Miben állnak a különbségek a CO2 és a szálas optikák karbantartásában

A 1064 nm-es közeli infravörös lézerek egyedi tulajdonságai, alapvető nyalábtulajdonságai és kompakt kialakítása miatt a szálas lézeres vágás jelentős előnyöket mutat a feldolgozási hatékonyság, pontosság és költséghatékonyság terén. Különösen alkalmas fémgyártási alkalmazásokhoz, és az elmúlt években a szálas lézeres rendszerek gyorsan növelik piaci részesedésüket a CO2 lézeres vágógépek rovására. A CO2 lézerekhez képest a szálas lézerek alacsonyabb karbantartási költségeket igényelnek maguk az optikai alkatrészek tekintetében, és cseréjük is egyszerűbb. A gyártók folyamatosan optimalizálják a vágófejek tervezését, lehetővé téve a felhasználók számára, hogy időben lecserélhessék az alkatrészeket anélkül, hogy károsítanák a belső komponenseket. Például a fókuszáló lencsefióka és a kolimáló lencsefióka lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy tisztán tartott környezetben végezzék el a cseréket anélkül, hogy szakmai segítségre lenne szükségük. A CO2 lézer azonban összetett belső szerkezete miatt olyan optikai alkatrészek cseréjét igényli, amelyeket csak szakemberek végezhetnek helyszínen, ami nem olcsó.