Różnice między soczewkami do laserów światłowodowych a CO2

Wprowadzenie: Serce Twojego systemu laserowego

W centrum każdego precyzyjnego urządzenia do cięcia i spawania laserowego znajduje się kluczowy element: zestaw soczewek skupiających. Ten system optyczny ma za zadanie przejęcie potężnej wiązki laserowej i skoncentrowanie jej energii w niezwykle małym, intensywnym punkcie, co pozwala laserowi precyzyjnie przecinać metal lub spawać go. Jednak nie wszystkie lasery są jednakowe, a tym samym ich zestawy soczewek również się różnią. W przypadku soczewek do laserów światłowodowych różne producenci głowic tnących stosują różne rozwiązania pod względem ścieżki optycznej i konstrukcji, nawet jeśli posiadają one ten sam średnicę i ogniskową. W przypadku soczewek skupiających CO2 kształt, średnica, grubość krawędzi oraz ogniskowa to kluczowe parametry, które użytkownicy muszą znać przed zakupem.

Podstawowa różnica: Wszystko zaczyna się od długości fali

Najważniejszym czynnikiem, który odróżnia te dwie soczewki, jest długość fali światła laserowego, dla której zostały zaprojektowane. Długość fali, mierzona w mikrometrach (μm) lub nanometrach (nm), określa sposób oddziaływania światła na materię, w tym na sam materiał soczewki.

• Laser CO2: Te lasery działają przy długiej długości fali równej 10,6 mikrometra (μm). Odpowiada to średniej części spektrum podczerwieni, niewidocznej dla ludzkiego oka.
• Laser włóknowy: W przeciwieństwie do nich, lasery włóknowe wytwarzają światło o znacznie krótszej długości fali, typowo około 1,07 mikrometra (μm) lub 1064 nanometrów (nm). Odpowiada to bliskiej części spektrum podczerwieni.

Dlaczego to ma znaczenie? Wyobraź sobie, że próbujesz użyć szklanego okna, aby skupić ciepło z ogniska. Szkło może blokować ciepło (podczerwień daleką), przepuszczając jednocześnie światło widzialne. Podobnie materiały całkowicie przezroczyste dla jednej długości fali światła mogą być zupełnie nieprzezroczyste lub je pochłaniać przy innej długości fali. To właśnie jest głównym powodem, dla którego zestaw soczewek do lasera światłowodowego nie może być używany w systemie CO2, i odwrotnie.

Materiał soczewki: klucz do przezroczystości i odporności na moc

Różne długości fal bezpośrednio decydują o materiałach, z których muszą być wykonane poszczególne elementy optyczne w zestawie soczewek. Ten wybór wpływa na koszt, trwałość i wydajność, szczególnie w warunkach wysokiej mocy.

• Obiektywy laserowe CO2: materiałem wzorcowym dla elementów optycznych w zestawie obiektywów CO2 jest selenek cynku (ZnSe). ZnSe charakteryzuje się wyjątkowo niskim współczynnikiem absorpcji dla długości fali 10,6 μm, co pozwala energii laserowej przechodzić przez materiał przy minimalnych stratach i ogrzewaniu. Inne materiały, takie jak german (Ge) czy arsenek galu (GaAs), są również stosowane w specyficznych zastosowaniach wysokomocowych lub specjalistycznych. Materiały te są często droższe i mogą być wrażliwe na szok termiczny.

Obiektywy laserowe światłowodowe: materiałem preferowanym dla elementów optycznych w standardowym zestawie obiektywów lasera światłowodowego jest krzemionka stopiona lub kwarc syntetyczny. Krzemionka stopiona oferuje doskonałą przejrzystość dla długości fali 1 μm, wysoką stabilność termiczną oraz doskonałą odporność na efekt soczewkowania termicznego – zjawisko, w którym obiektyw nagrzewa się i zmienia kształt, powodując rozogniskowanie wiązki. Jest również bardzo twarda i odporna na zanieczyszczenia, co czyni ją trwałą w warunkach przemysłowych.

Projekt optyczny: zestaw obiektywów vs. elementy optyczne

Zrozumienie projektu optycznego wymaga rozróżnienia między kompletnym „zespołem soczewek" a pojedynczymi „elementami optycznymi" w jego wnętrzu. Soczewka skupiająca jest systemem, a jej realizacja nie musi być ograniczona do jednego typu elementu optycznego.

Optyka laserów CO2: Zespół skupiający lasera CO2 może wykorzystywać rozwiązania transmitcyjne (z użyciem soczewek) oraz odbiciowe (z użyciem zwierciadeł). Chociaż soczewki ZnSe są powszechne, przy bardzo wysokich mocach (np. kilka kilowatów) preferowane są odbiciowe lustra skupiające. Często są to lustra paraboliczne wykonane z miedzi lub molibdenu. Jest to doskonały przykład sytuacji, w której „zespół skupiający lasera CO2" wcale nie musi zawierać elementu soczewki transmitcyjnej; jego podstawowym komponentem może być lustro odbiciowe.

Optyka laserów światłowodowych: Nowoczesna głowica do cięcia laserem światłowodowym to złożony system optyczny. Zespół soczewek zawiera zazwyczaj wiele elementów: grupę soczewek kolimujących, grupę soczewek skupiających oraz okno ochronne. Główny element skupiający w tym zestawie jest najczęściej wykonywany z krzemionki stopionej ze względu na doskonałe właściwości użytkowe. Jednakże ważne jest, aby pamiętać, że ten element może być pojedynczą soczewką, dubletem (dwie sklejone ze sobą soczewki) lub nawet soczewką asferyczną, w zależności od wymaganej wydajności. W związku z tym zależność między „zestawem soczewek lasera światłowodowego” a konkretnym „elementem soczewki” nie jest stała; jest to rozwiązanie dostosowane do potrzeb.

Zastosowanie i fokus: Dlaczego odpowiednia soczewka decyduje o wynikach

Różnica długości fali wpływa nie tylko na soczewkę, ale również określa, jakie materiały mogą być efektywnie przetwarzane przez laser.

• Laser CO2 z soczewkami ZnSe: Długość fali 10,6 μm jest doskonale pochłaniana przez materiały niemetaliczne. Dzięki temu lasery CO2 w połączeniu z odpowiednim zestawem soczewek są najlepszym wyborem do cięcia i grawerowania drewna, akrystaliku, tworzyw sztucznych, tekstyliów i ceramiki.
• Laser włóknowy ze stopioną krzemionką: Długość fali 1 μm jest znacznie skuteczniej pochłaniana przez metale. Dlatego zestaw soczewek lasera włóknowego stanowi serce współczesnej obróbki metali. Jest kluczowym elementem umożliwiającym cięcie, spawanie i oznaczanie stali, stali nierdzewnej, aluminium, mosiądzu i miedzi z niezrównaną szybkością i efektywnością energetyczną.

W czym różni się konserwacja optyki CO2 i optyki włóknowej

Dzięki unikalnym właściwościom laserów bliskiej podczerwieni o długości fali 1064 nm, ich wysokiej jakości podstawowej wiązki oraz kompaktowej konstrukcji, cięcie laserem światłowodowym wykazuje znaczące zalety pod względem efektywności procesu, precyzji i opłacalności. Szczególnie odpowiednie do zastosowań w obróbce metali, systemy laserów światłowodowych w ostatnich latach szybko zwiększają swój udział w rynku kosztując maszyny do cięcia laserem CO2. W porównaniu z laserami CO2, lasery światłowodowe wymagają niższych kosztów utrzymania kluczowych komponentów optycznych i są łatwiejsze w wymianie. Producenci ciągle optymalizują konstrukcje głowic tnących, umożliwiając użytkownikom szybką wymianę części bez uszkadzania komponentów wewnętrznych. Na przykład, szuflada soczewki skupiającej i szuflada soczewki kolimującej pozwala użytkownikom na wykonywanie wymian w czystym środowisku bez potrzeby korzystania z pomocy specjalistów. Jednak ze względu na skomplikowaną wewnętrzną strukturę lasera CO2, wymiana wszystkich komponentów optycznych musi być przeprowadzona przez profesjonalistów w miejscu instalacji, co nie jest tanie.