Узнать подробнее об эволюции лазеров, с чего все начиналось, можно по ссылке: https://dzen.ru/a/ZYqt5gCn0lgyr2o2
Лазер МОРА
Лазер МОРА (Master Oscillator Power Amplifier - задающий генератор-усилитель мощности) считается «подвидом» волоконного. Такая установка имеет двухкамерную конструкцию, в которую входит задающий генератор и усилитель мощности. Задающий генератор в виде диодного лазера создает узкий луч небольшой мощности, который затем попадает в усилитель, где излучение усиливается до заданного уровня с сохранением его основных параметров. Усилитель представляет собой оптическое волокно с покрытием из эрбия, неодима, иттербия и других редкоземельных элементов. Это волокно позволяет регулировать выходную мощность луча в широком диапазоне.
Плюсы МОРА-лазеров:
- Возможность регулировать ширину импульса под разные материалы и задачи.
- Высокая частота повторений — 1-2700 кГц;
- Регулирование энергии импульса в широком диапазоне;
- Использование задающего пучка небольшой мощности позволяет добиться минимальной ширины импульса;
- Не вызывает термической деформации материала.
Минусы MOPA-лазеров:
- Сложность конструкции по сравнению с волоконными лазерами;
- Довольно высокая цена, обусловленная сложностью;
- Узкая сфера применения: тонкая обработка материалов, качественная маркировка.
Принципы работы лазеров МОРА делают их самыми гибкими в плане настроек мощности и ширины импульса. По этой причине их часто используют для маркировки алюминия, стали, пластика, очистки тонких листов металла, в производстве микроэлектроники и полупроводников. Такие аппараты не подходят для резки и сварки металла.
Далее мы подробнее рассмотрим виды волоконных лазеров и современные тенденции в их развитии.
Виды волоконных лазеров
В современном производстве все чаще встречаются пико- и фемтосекундные лазеры. Это связано с их способностью генерировать сверхкороткие и точно направленные импульсы. Кроме этого, такие устройства компактны, их можно легко переместить в другое место.
Пикосекундные лазеры
Пикосекундные лазеры генерируют сверхкороткие импульсы, длительность которых не превышает нескольких пикосекунд (10-12с), а частота повторений достигает 80 МГц и выше. При этом энергия импульса достигает 200 мкДж. За счет этого материал в месте воздействия мгновенно испаряется либо нагревается в зависимости от поставленной задачи, а тепловое разрушение соседних (необрабатываемых) областей минимально, т.к. длительность импульса в них меньше, чем время, за которое рассеивается тепло. По этой причине лазеры этого типа используются для обработки высокоточных и ответственных деталей, которые нельзя сильно нагревать.
Основные сферы применения:
- прецизионная лазерная сварка;
- высокоточная обработка металла и неметаллических материалов: стекла, композитов;
- обработка твердых и тугоплавких металлов;
- очистка поверхностей от различных загрязнений, таких как ржавчина, окалина и тому подобное;
- в порошковой металлургии для селективного спекания порошков, например, в производстве твердосплавных инструментов;
- резка и сварка композитных материалов, в том числе термостойких.
Еще одна особенность пикосекундных лазеров — возможность холодной обработки деталей. Благодаря этому они подходят для пленочных материалов и производства полупроводников, гравировки стекла, а также других хрупких материалов.
Фемтосекундные лазеры
Отличаются еще меньшей длительностью импульса — (10-15с), а также высокой выходной мощностью — до 1 МВт и частотой повторения, которая может достигать 100 МГц и более.
Такие аппараты обладают заметными преимуществами, такими как минимальный нагрев заготовки и отличное качество обработки разных материалов, включая неметаллические. Благодаря этому они нашли применение в высокоточном производстве:
- раскрой полимерных пленок;
- производство микроэлектроники и дисплеев;
- резка стекла и других хрупких материалов;
- нанесение фотоэлектрических изображений;
- обработка «чувствительных» материалов, таких как графен;
- резка и сварка сверхтонких листов металла и микроскопической проволоки.
Фемтосекундный лазер в производстве микросхем частично заменяет обработку плат кислотами и другими агрессивными химикатами. Ожидается, что в будущем удастся полностью уйти от «мокрых» технологий и заменить их оптическими на 100%. Это оправдано с экономической точки зрения, так как лазеры, работающие на сверхкоротких импульсах, позволяют выполнить обработку деталей быстрее, следовательно их применение позволит увеличить объемы выпуска продукции.
Основное направление в развитии пико- и фемтосекундных лазеров — это увеличение мощности, которое сталкивается с препятствием в виде нагрева заготовки, которое неизбежно возникает при увеличении энергии импульса. Пока что сверхмощные волоконные лазеры этого типа существуют в условиях испытательных лабораторий и по отзывам ученых можно надеяться, что они появятся и в промышленном исполнении.
Новые волоконные лазеры могут показаться слишком сложными и дорогостоящими. Но на самом деле это не так. Компания “Технограв” поставляет волоконные лазерные комплексы Senfeng, которые стоят сопоставимо с другими видами лазеров.
