Лазеры - это удивительные инструменты, которые используются во многих областях: от медицины до производства.
Что делает лазеры такими мощными?
Это связано с двумя основными характеристиками: волновыми и энергетическими. Волновые характеристики описывают геометрию лазерного луча, а энергетические - его способность переносить энергию. Вместе они определяют, насколько лазер подходит для решения производственных задач.
1. Волновые характеристики
Большинство современных лазеров, которые используются для резки, работают в области инфракрасного излучения, которое находится за пределами видимого спектра (1060-1080 нанометров). Три ключевые характеристики, которые интересуют нас, когда мы говорим о волновых характеристиках лазера, это: монохроматичность, расходимость и фокусируемость. О них далее.
1.1. Монохроматичность
Лазерное излучение монохромно, что означает, что оно имеет только одну строго определенную длину волны. На самом деле, как и любое другое излучение, оно имеет некоторый спектр или диапазон длин волн, но его спектр гораздо уже, чем у обычного света.
Мы можем измерить "узость" этого спектра с помощью показателя, который называется монохроматичностью. Это отношение разницы в длинах волн к центральной длине волны. Для лазеров, которые используют оптоволокно, эта разница составляет около 0,1 нм, соответственно, монохроматичность ≈ 10⁻⁴:
1.2. Расходимость
Представьте свет, исходящий из фонарика. Вы заметите, что он не идет прямо, а распространяется в форме конуса. Это потому, что лучи света в любом пучке не идут строго параллельно друг другу. Угол, под которым свет распространяется, называется "расходимостью".
Но вот интересный факт: лазеры имеют очень маленькую расходимость. Это означает, что их световой пучок расширяется настолько медленно, что на коротких расстояниях, которые мы обычно используем в лазерных устройствах, лучи можно считать практически параллельными.
1.3. Фокусируемость
Вы когда-нибудь пытались сфокусировать свет с помощью лупы на одной точке? Теоретически, это должно быть возможно. Но на практике вы всегда получаете небольшое световое пятно, а не точку. Это происходит потому, что разные волны света преломляются по-разному и фокусируются в разных местах.
Интересно, что чем уже спектр света (то есть чем более "чистым" или монохроматическим он является), тем меньше будет диаметр этого светового пятна. Но даже с самым чистым светом, который мы можем создать, диаметр пятна все равно будет немного больше, чем длина волны света. Для лазера, например, этот диаметр будет измеряться десятками микрометров, а не одним микрометром.
2. Энергетические характеристики
Когда мы говорим об энергетических характеристиках лазера, мы обычно говорим о трех вещах: мощности, интенсивности и распределении мощности внутри луча.
2.1. Мощность
Мощность - это как много энергии лазер может передать за определенное время. Это важно, потому что это показывает, насколько мощным может быть лазер. Однако этот параметр – для пользователей. Разработчики больше внимания уделяют другим величинам.
2.2. Интенсивность
Интенсивность - это сколько мощности лазер может передать на определенную площадь, W = P / S. Это важно, потому что показывает, насколько сильно лазер может нагреть металл.
В ясный летний день в Санкт-Петербурге солнечная энергия, которую получает каждый квадратный метр земли, составляет около 1 кВт. Это может нагреть металл на несколько десятков градусов. Но если мы соберем всю эту энергию в одном квадратном сантиметре, то интенсивность увеличится в 10 000 раз, и это уже достаточно для того, чтобы расплавить металлы, такие как свинец и олово. Если мы сделаем это место еще меньше, то интенсивность станет еще больше, и это уже будет достаточно для того, чтобы расплавить сталь.
Следует помнить, что получение светового пятна площадью в десятые и сотые доли квадратного миллиметра возможно лишь при использовании излучения с очень малым показателем монохроматичности. Поэтому для металлообрабатывающего оборудования необходимы именно лазеры. Другие источники не позволяют сформировать световое пятно такой площади, а значит, необходимую интенсивность придётся обеспечивать посредством наращивания энергозатрат.
2.3. Распределение мощности
Вы когда-нибудь задумывались, как распределяется мощность в лазерном пучке? Оказывается, это происходит по определенному закону, который называется гауссовым распределением. Это как если бы вы бросили кучу шариков на пол - большинство из них окажется в центре, а по мере удаления от центра их будет все меньше и меньше.
Но что, если нам нужно изменить форму этого распределения? Вот где вступает в игру оптическая система оборудования. Она может преобразовать гауссово распределение самым радикальным образом. Например, для машин, которые используют лазеры для очистки, "игольчатая" форма пучка совершенно неприемлема. Они нуждаются в пучке, где мощность равномерно распределена. Для этого используются линзы очень специфической формы.
Таким же образом, меняя количество и формы линз, можно получить пучки с самыми разнообразными профилями распределения энергии.
Зачем надо знать все эти параметры лазерного луча?
Лазеры и оптические системы, которые мы используем сегодня, настолько продвинуты, что большинство из нас даже не задумывается о том, как они работают. Все эти сложные вопросы о монохроматичности, расходимости и распределении мощности уже решены учеными и инженерами. Все, что нам нужно делать, это выбрать мощность лазера и начать работу.
Но почему нам стоит знать о всех этих сложных вещах, если мы не можем на них повлиять?
Понимание волновых и энергетических характеристик лазерного излучения как знание основ физики и оптики. Это помогает нам понять, как лазеры взаимодействуют с металлами и какие технические решения позволяют нам контролировать это взаимодействие. Без этого знания мы не сможем полностью использовать потенциал лазерных станков и аппаратов. Поэтому знать эти основы необходимо.
Подобрать лазерное оборудование под ваши производственные цели и задачи помогут сотрудники "Технограв". Более 10 лет мы представляем бренд Senfeng и занимаемся оснащением металлообрабатывающих предприятий необходимым оборудованием.
