Kaj je CO2 laser in kako deluje?

Kaj je laser?
Profesionalni CO2 laserBeseda LASER je sestavljena iz začetnic Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, torej ojačevanje svetlobe s spodbujanim sevanjem  valovanja. Ogljikov dioksidni (CO2) laser je bil prvi plinski laser, ki ga je izumil Kumar Patel leta 1964. Je še vedno najbolj uporaben tip laserja. Čeprav je njegova učinkovitost le 20% ima ta tip laserja še vedno najboljše razmerje med napajalno in izhodno močjo. CO2 laser proizvaja žarek infrardeče svetlobe z valovno dolžino okoli 9,4 in 10,6 mikrometrov. Danes se v industriji uporabljata dva tipa laserjev Nd:YAG in CO2. Prednost CO2 laserja je predvsem v tem, da se lahko uporablja na skoraj vseh materialih in ima lahko visoko izhodno moč. Do moči 4 kW se za fokusiranje laserskega snopa na obdelovano snov uporabljajo zbiralne leče, pri višjih močeh (do 50 kW) pa konkavna ogledala, ki so hlajena z vodo. Laser z nižjo močjo uporabljajo predvsem za graviranje in označevanje materialov, medtem ko se močnejši laserji uporabljajo za vrtanje, rezanje in varjenje.

Princip CO2 laserja
Sestava klasične laserske ceviCO2 laser je plinski laser, ki vsebuje mešanico plinov ogljikovega dioksida (CO2), dušika (N2), helija (He) in morda nekaj vodika (H2), vodne pare ali xenona (Xe). Dušik je v mešanici zato, da prenese vibracijsko energijo na CO2 molekule. Helij služi za odvajanje toplote, vodik ali vodna para pa reoksidira ogljikov monoksid v ogljikov dioksid. Pri tem, ko se vzbujen CO2 plin vrne v osnovno stanje, izseva infrardečo svetlobo valovne dolžine 10,6 µm. Ker človeško oko infrardeče svetlobe ne zazna, se v praksi za lažje določevanje položaja dopolnilno uporabljajo nizkoenergijski laserji v vidnem spektru.

Lastnost laserske svetlobe
Stekleno lasersko cev najdemo v cenenih CO2 laserjihLaserska svetloba ima sicer vse običajne fizikalne lastnosti elektromagnetnega valovanja, nekatere pa so še posebej pomembne za uporabo laserjev in sicer: monokromatičnost ali enobarvnost, divergenca, intentizeta ali jakost, usmerjenost žarka, moč. Monokromatičnost pomeni, da ima svetloba zelo oster spekter, divergenca pa je kot, pod katerim se širi svetlobni žarek. Profesionalni resonator laserskega žarkaDivergenčni kot laserskega snopa je majhen, ni pa nič. Najmanjša možna vrednost na osnovi fizikalnega pojava uklona svetlobe. Kot pojav je divergenca pomembna zato, ker želimo energijo laserskega žarka zbrati na najmanjši površini. Majhen divergenčni kot snopa namreč pomeni, da je zbiranje svetlobe enostavno, tudi pri velikih oddaljenostih od izvora svetlobe. Povprečni kot, pod katerim se širi laserski žarek, znaša približno 1 mrad. Moč je glavna in najenostavnejša značilnost določenega laserskega sistema. Laserski sistemi z manjšo močjo bodo za opravljanje določene operacije praviloma potrebovali dalj časa. Običajno večje moči laserjev pomenijo večje rezalne hitrosti s tem pa se zmanjšajo izdelovalni časi. Kot najbolj značilna in najbolj pomembna lastnost laserske svetlobe pa je možnost fokusiranja svetlobe v zelo majhno točko. Za fokusiranje žarka sta pomembna dva pogoja in sicer, da je svetloba monokromatska (enobarvna) in vzporedna.

Ojačitev svetlobe pri laserju
Ključ do laserja je v prisotnosti mnogih atomov v vzbujenem stanju. Izraz laser je povezan z ojačitvijo svetlobe pri stimulirani emisiji. Možne so tri vrste prehodov med energijskimi stanji E1 in E0. Energijska stanja so povezana z orbitalami v atomu, po katerih okrog jedra krožijo elektroni. Če je atom na začetku v nižjem energijskem stanju E0, gre lahko v višje energijsko stanje E1 tako, da absorbira foton z energijo E1-E0=hv. To imenujemo stimulirana absorpcija. Če je atom na začetku v stanju E1, gre lahko v stanje E0 tako, da odda foton z energijo hv. To imenujemo spontana emisija. Einstein je leta 1917 prvi pokazal tretjo možnost-stimulirana emisija. Istočasno, ko zunanji foton zadane atom, se v atomu zgodi prehod med stanjema E1 in E0, tako da tudi atom sam odda foton. Dobili smo torej dva fotona. Delec (foton) si lahko predstavljamo tudi kot valovanje in če sta fotona v fazi, pride do ojačitve svetlobe.

Potovanje laserske svetlobe
Pot laserskega žarka do obdelovancaLaserski žarek je stolpec zelo intenzivne svetlobe določene barve in valovne dolžine. Pri CO2 laserjih je valovna dolžina 10,6 µm kar pomeni da je infra rdečem svetlobnem spektru in zato nevidna za človeško oko. Žarek, ki pride iz laserskega resonatorja ima premer okoli 2 mm. Ta premer je prevelik, da bi lahko rezal v material, zato je treba laserski žarek fokusirati v eno točko. Laserski resonator se nahaja v zadnjem delu stroja, žarek pa potem preko zrcal potuje do rezalne glave, kjer se z zadnjim zrcalom usmeri navpično navzdol. Rezalna glava se Natančnost optike zelo vpliva na kvaliteto obdelaves krmiljenjem motorjev premika vzdolž cele delovne površine v X in Y osi. Na koncu žarek potuje preko leče, ki ga usmeri v eno goriščno točko. Žarek mora biti natančno usmerjen, da je v vseh legah rezalne glave goriščna točka popolnoma okrogla in pravokotna glede na rezalno površino. V goriščni točki ima laserska svetloba veliko gostoto energije, zato omogoči hitro segrevanje, taljenje in delno ali popolno uparjevanje materiala. Žarek v fazi fokusiranja za lečo potuje skozi šobo v kateri se nahaja plin pod tlakom. Ta zagotavlja kakovosten rez in obenem preprečuje onesnaženje leče. Zaradi fokusirane laserske svetlobe je zelo pomembna razdalja med lečo in obdelovancem. Večja ali manjša razdalja zelo vpliva na kvaliteto reza. Največji vpliv na kvaliteto reza pa predstavlja natančnost optike. Pot žarka mora biti preko zrcal popolnoma vsporedna z X in Y osjo. Najmanjše odstopanje privede do velikih odstopanj smeri žarka na rezalno glavo. Kjerkoli na delovni površini se rezalna glava nahaja, povsod mora laserski žarek padati na tretje zrcalo v isti točki. Ta problem je najbolj prisoten pri nizkocenovnih laserskih sistemih.

Rezanje ali graviranje z laserjem
Laserski žarek za zbiralno lečo se stanjša in v fokusni razdalji doseže najmanjši premer. Za to točko se žarek ponovno začne širiti. V točki, kjer ima laserski žarek najmanjši premer ima tudi največ zgoščene energije, zato se mora v tej točki nahajati material za obdelavo. Zelo zgoščena energija svetlobe ustvari visoko vročino in odvisno od materiala le tega stali in/ali upari. Z globino materiala moč laserskega žarka pojenjuje zato je potrebno pri rezanju upoštevati hitrost rezanja.
Dogajanje pri graviranju z laserjemRezanje materialaPri preveliki hitrosti rezanja žarek ne prodre skozi celo globina materiala pač pa le do neke globine. Ta nastavitev je primerna za graviranje. Pri pravilnih nastavitvah hitrosti rezanja laserski žarek upari material skozi celo njegovo debelino. V tem primeru rečemo, da material režemo.

Leče pri CO2 laserjih
Laserski sistemi so ponavadi opremljeni z eno vrsto leče, ki je na splošno dobra za večino graviranja ali rezanja. Taka standardna leča ima goriščno razdaljo 2 inča (50,8 mm). Za boljše rezultate pa se lahko dobijo tudi leče z drugačno goriščno razdaljo, 1,5 in 3 ali 4 inče. Različna goriščna razdalja zbiralne leče ima velik vpliv na širino reza ter debelino rezanja
• 1,5 inčna leča (goriščna razdalja 38,1 mm)
Ta leča je namenjena za visoko ločljivost gravure in za rezanje tanjših materialov do debeline 2 mm. Priporočen raster za graviranje je resolucija nad 600 DPI. Tako visoka resolucija omogoča graviranje zelo majhnih pisav in velikih podrobnosti. Velikost pike laserskega žarka se giblje od 0,03 do 0,076 mm v premeru.

• 2 inčna leča (goriščna razdalja 50,8 mm)
To je standardna leča na večini laserskih sistemov. Je večnamenska za graviranje in rezanje v velikem obsegu materialov. Priporočen raster za graviranje je resolucija od 300 do 600 DPI. Velikost pike laserskega žarka se giblje od 0,07 do 0,127 mm v premeru. Režejo se lahko materiali do debeline 8 mm.

• 3 ali 4 inčna leča (goriščna razdalja 76,2 ali 101,6 mm)
Ta leča proizvede žarek skozi daljšo navpično razdaljo. Običajno se uporabljajo za graviranje v vgradno površino (posodo ali tablico). Lahko se reže debelejše materiale vendar pa je velikost pike dokaj velika, zato laserskemu žarku upade moč.