Различия между линзами волоконного и CO2-лазера

Введение: сердце вашей лазерной системы

В основе каждой высокоточной машины для лазерной резки и сварки лежит критически важный компонент: сборка фокусирующей линзы. Эта оптическая система отвечает за преобразование мощного лазерного луча и концентрацию его энергии в чрезвычайно малом, интенсивном пятне, что позволяет лазеру с такой точностью резать металл или осуществлять сварку. Однако не все лазеры одинаковы, и, соответственно, их сборки линз также различаются. Для линзы волоконного лазера разные производители лазерных головок имеют различные конструкции оптического пути и структуры, даже если диаметр и фокусное расстояние могут быть одинаковыми. Что касается фокусирующей линзы CO2, то форма, диаметр, толщина края, фокусное расстояние являются ключевыми параметрами, которые пользователь должен знать перед покупкой.

Основное различие: всё начинается с длины волны

Самый важный фактор, отличающий эти две линзы, — это длина волны лазерного света, для работы с которой они предназначены. Длина волны, измеряемая в микронах (мкм) или нанометрах (нм), определяет, как свет взаимодействует с веществом, включая материал самой линзы.

• Лазеры СО2: Эти лазеры работают на длинной волне 10,6 микрометра (мкм). Это диапазон среднего инфракрасного спектра, невидимый для человеческого глаза.
• Волоконные лазеры: Напротив, волоконные лазеры генерируют свет на значительно более короткой длине волны, обычно около 1,07 микрометра (мкм) или 1064 нанометров (нм). Это диапазон ближнего инфракрасного спектра.

Почему это важно? Представьте, что вы пытаетесь использовать стеклянное окно, чтобы сфокусировать тепло от костра. Стекло может блокировать тепло (длинноволновое инфракрасное излучение), пропуская при этом видимый свет. Аналогичным образом материалы, полностью прозрачные для одной длины волны света, могут быть совершенно непрозрачными или поглощающими для другой. Именно по этой причине объектив для волоконного лазера нельзя использовать в системе CO2-лазера и наоборот.

Материал линзы: ключ к прозрачности и способности выдерживать мощность

Различные длины волн напрямую определяют материалы, из которых должны изготавливаться отдельные оптические элементы внутри линзовой сборки. Этот выбор влияет на стоимость, долговечность и производительность, особенно в условиях высокой мощности.

• Линзы для CO2-лазеров: золотым стандартом материала для оптических элементов в сборке линз CO2-лазера является селенид цинка (ZnSe). У ZnSe чрезвычайно низкий коэффициент поглощения на длине волны 10,6 мкм, что позволяет лазерной энергии проходить с минимальными потерями и выделением тепла. Другие материалы, такие как германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs), также используются в специфических приложениях с высокой мощностью или особыми требованиями. Эти материалы зачастую более дорогие и могут быть чувствительны к термическим ударам.

Линзы для волоконных лазеров: материалом выбора для оптических элементов в стандартной сборке линз волоконного лазера является плавленый кварц (силика) или синтетический кварц. Плавленый кварц обладает превосходной прозрачностью на длине волны 1 мкм, высокой термостойкостью и отличной устойчивостью к термолинзированию — явлению, при котором линза нагревается и изменяет форму, вызывая расфокусировку луча. Он также очень твёрдый и устойчивый к загрязнениям, что обеспечивает долговечность в промышленных условиях.

Оптический дизайн: сборка линз против оптических элементов

Понимание оптической конструкции требует различения между полной «сборкой линзы» и отдельными «оптическими элементами» внутри неё. Фокусирующая линза — это система, и её реализация не ограничивается одним типом оптического элемента.

Оптика для CO2-лазера: фокусирующая сборка CO2-лазера может использовать как преломляющие (с использованием линз), так и отражающие (с использованием зеркал) конструкции. Хотя линзы из ZnSe являются распространенными, на очень высоких уровнях мощности (например, несколько киловатт) предпочтительнее становятся отражающие фокусирующие зеркала. Обычно это параболические зеркала, изготовленные из меди или молибдена. Это яркий пример того, когда «фокусирующая сборка линзы CO2-лазера» вообще не обязательно содержит преломляющий линзовый элемент; её основным компонентом может быть отражающее зеркало.

Оптика волоконного лазера: современная головка для резки волоконным лазером представляет собой сложную оптическую систему. Эта линзовая сборка обычно содержит несколько элементов: группу коллимирующих линз, группу фокусирующих линз и защитное окно. Основной фокусирующий элемент внутри этой сборки чаще всего изготавливается из плавленого кварца благодаря его превосходным эксплуатационным характеристикам. Однако важно понимать, что этот элемент может представлять собой одиночную линзу, дублет (две склеенные линзы) или даже асферическую линзу — в зависимости от требуемой производительности. Таким образом, взаимосвязь между «линзовой сборкой волоконного лазера» и конкретным «элементом линзы» не является фиксированной; это индивидуальное решение.

Фокус на применении: почему правильный выбор линзы определяет ваш результат

Различие в длине волны влияет не только на линзу; оно определяет, какие материалы лазер может эффективно обрабатывать.

• CO2-лазеры с линзами из ZnSe: длина волны 10,6 мкм отлично поглощается неметаллическими материалами. Это делает CO2-лазеры в сочетании с соответствующей оптической системой предпочтительным выбором для резки и гравировки дерева, акрила, пластика, тканей и керамики.
• Волоконные лазеры с линзами из плавленого кварца: длина волны 1 мкм значительно эффективнее поглощается металлами. Именно поэтому оптическая система волоконного лазера является сердцем современного металлообрабатывающего производства. Это ключевой компонент, обеспечивающий резку, сварку и маркировку стали, нержавеющей стали, алюминия, латуни и меди с беспрецедентной скоростью и энергоэффективностью.

В чем разница в обслуживании CO2-оптики и волоконной оптики

Благодаря уникальным свойствам ближнего инфракрасного лазера с длиной волны 1064 нм, высокому качеству основного пучка и компактной конструкции, лазерная резка с использованием волоконных лазеров демонстрирует значительные преимущества в эффективности обработки, точности и экономичности. Особенно подходящие для применения в металлообработке, волоконные лазерные системы в последние годы быстро захватывают долю рынка у машин для резки с CO2-лазерами. По сравнению с CO2-лазерами, волоконные лазеры требуют более низких затрат на обслуживание основных оптических компонентов и их проще заменять. Производители постоянно совершенствуют конструкцию резонаторов, что позволяет пользователям оперативно заменять детали, не повреждая внутренние компоненты. Например, блок фокусирующей линзы и блок коллимирующей линзы выдвижной блок фокусирующей линзы и выдвижной блок коллимирующей линзы позволяют пользователям выполнять замену в чистой среде без необходимости обращения к профессиональной помощи. Однако из-за сложной внутренней структуры CO2-лазера замена всех оптических компонентов должна выполняться специалистами на месте, что недешево.