Hlavní typy laserů používaných v průmyslu

Základní přehled průmyslových laserů

V současných průmyslových aplikacích se používá pět hlavních typů laserů, které jsou uvedeny v tabulce níže. Jednotlivé typy se pak dále dělí podle typu buzení, provozního režimu (kontinuální, pulsní) a dalších parametrů. Každý typ má svoje výhody/nevýhody a typické aplikace, pro které je vhodný.

Tabulka udává zcela základní přehled jednotlivých typů laserů a tedy i jednotlivé uvedené parametry je třeba brát s určitou rezervou.

Laser	Vlnová délka (nm)	Buzení	Efek.a	Režimb	Výkon / Energie	Typické aplikacec	Údržba	Život. (h)
Nd:YAG	1064	LD	~7%	CW	až 6kW	Ř,S	ano	~10 000
				pulsní*	~ mJ@ns (~100W)	Z,G
		lampy	~3%	pulsní*	~ J@ms (~600W)	S,V		~1000
CO2	10 600	RF	~10%	CW / pulsní	10-250W	Z,G, Ř nk.	ano	~20 000
					až 5kW (Slab)	Ř,S
		El.	~25%		až 20kW (průtočné)	Ř,S		--
Diskový	1070	LD	~15%	CW	až 16 kW	Ř,S	ano	~10 000
Vláknový	1070	LD	~30%	CW	až 80 kW	Ř,S	ne	~100 000
				QCW	~ J@ms (~1,2kW)	Z,G,M
				Pulsní	~ mJ@ns (~100W)	Z,G,M
Diodový	808-980	El.	~60%	CW	až 10kW	S,K,N	ne	~15 000

Základní přehled průmyslových laserů. 
^a Efektivita (účinnost) přeměny elektrické energie na světelnou (optickou)
^b U pulsních laserů se udává energie v pulsu a doba pulsu, případně střední výkon (v závorce). CW - kontinuální, QCW - kvazi kontinuální.
^c Ř – řezání, S - svařování, Z – značení, G – gravírování, K – kalení, N – nanášení vrstev, M-mikro-obrábění, nk – nekovů.
Buzení: LD - laserové diody, RF - radio frekvenčně, El. - elektricky (výboj, proud).

Nd:YAG, vláknový a diskový laser

Tyto 3 typy laserů mají vlnovou délku ~1µm a patří do třídy pevnolátkových laserů ( solid state ) – aktivní prostředí tvoří matrice umělého YAG krystalu ( ytrium aluminium granát ) dopovaného ionty neodymu (Nd) nebo yterbia (Yb). Hlavní rozdíl mezi těmito typy laserů je v geometrii aktivního prostředí (obrázek níže) – u Nd:YAG laseru je aktivní prostředí tyčinka (délka 15-20cm, průměr ~mm), u diskového je to tenký disk (průměr 10mm, tloušťka 0,25mm) a u vláknového laseru je to dlouhé optické vlákno (délka ~m, průměr 50-300µm).

Ohromnou výhodou těchto tří typů laserů je možnost vést jejich záření s vln. délkou cca 1µm flexibilním optickým vláknem, což velmi usnadňuje „přenos“ záření z laseru do místa procesu (obrábění).

Nd: YAG laser

Z uvedených typů je to historicky nejstarší typ nasazený v průmyslu. Používají se Nd:YAG lasery buzené buď výbojkami (LPSS –  lamp pumped solid state , viz obrázek) nebo laserovými diodami (DPSS – diode pumped solid state ).

LPSS Nd:YAG lasery mají nízkou účinnost přeměny elektrické energie na světelnou, neboť velká část energie výbojky se nevyužije a přemění se na teplo (je nutné chlazení vodou). DPSS Nd:YAG lasery mají vyšší účinnost a lepší kvalitu svazku.

V dnešní době se LPSS Nd:YAG lasery používají zejména v pulsním režimu pro laserové svařování (aplikace s požadavkem hlubokého průvaru a malé teplotně ovlivněné zońy) a vrtání (např. v leteckém průmyslu pro vrtání ušlechtilých ocelí a slitin). Výhodou těchto laserů je vysoká energie v pulsu (až 100J@ms), kterou tyto aplikace vyžadují. Nevýhodou je nízká účinnost, velké nároky na chlazení, vysoké provozní náklady a krátká životnost výbojek (~1000h). Firma IPG Photonics nedávno uvedla na trh alternativu v podobě tzv. kvazi-kontinuálního vláknového laser (QCW, viz tabulka výše), který nabízí shodné parametry a současně mnoho výhod spojených s koncepcí vláknového laserem.

V případě DPSS Nd:YAG laserů se rozlišují dva hlavní typy buzení dle uspořádání rezonátoru - boční (transversální) buzení a zadní buzení (tzv.  end-pumped ) - viz obrázky výše. U zadního buzení se budící záření z laserových diod vede do YAG krystalu optickým vláknem (pozor nejedná se zde o vláknový laser, což je častý omyl) - diody tak mohou být externě mimo rezonátor, což je výhodné. Pokud porovnáme boční a zadní buzení, pak u zadního buzení dosáhneme lepší kvality svazku, ale nižších výkonů, u bočního buzení lze naopak dosáhnout vyšších výkonů, ale kvalita svazku je nižší.

DPSS Nd:YAG laser se používají hlavně v tzv. Q-spínaném pulsním režimu, kdy laser generuje velmi krátké pulsy v řádech ns a průměrný výkon se pohybuje do 100W. Hlavní použití je pro značení a gravírování kovů, plastů a dalších materiálů. V porovnání s LPSS lasery je zde vyšší účinnost, delší životnost a menší nároky na chlazení. Používání těchto laserů nicméně již několik let silně klesá a jsou nahrazovány vláknovými pulsními lasery, které nabízejí v podstatě pouze výhody.

Mezi hlavní světové výrobce průmyslových Nd:YAG laserů patří firma  GSI JK Lasers,  Rofin, Lasag aj.

Diskový laser

Moderní technologie vyvíjená především firmou Trumpf. Princip je podobný jako u Nd:YAG laseru, ale zde aktivní prostředí tvoří malý disk. Výhodou je rovný teplotní profil po celém disku (obrázek výše), který umožňuje dosáhnout vysokých výkonů (až 16kW) s dobrou kvalitou výstupního svazku, což byl právě velký problém u Nd:YAG laserů.

Použití je zejména pro výkonově náročné operace jako je svařování a řezání kovů. Nevýhodou diskový laserů je menší účinnost (15-20%) a nižší životnost než u laserů vláknových.

Vláknový laser

Vláknový (fibre či fiber) laser je technologicky nejmodernější typ pevnolátkového laseru, aktivní prostředí je dlouhé optické vlákno dopované yterbiem (viz  obrázek níže). Buzení z laserových diod je vedeno přes optickou spojku do aktivního vlákna a namísto zrcadel jsou zde Bragovské mřížky, což jsou struktury vytvořené přímo na optickém vlákně. Záření je pak z vlákna „vyvázáno“ pomocí optického kolimátoru.

Vláknové lasery se dále dělí podle pracovního režimu na kontinuální (CW), pulsní nebo kvazipulsní (QCW), hlavní použití těchto typů naleznete v  tabulce výše. Ohromnou výhodou vláknového laseru je jeho jednoduchost (celý laser tvoří vlastně optické vlákno), robustnost a modularita, která je u těchto laserů unikátní – laser je tvořen tzv. laserovými moduly jejichž spojováním se může postupně navyšovat výkon (dnes až 80kW).

Další výhody jsou vysoká účinnost (30-35%), obrovská životnost (až 100 000h), malé prostorové nároky, vysoká kvalita laserového svazku, nejnižší provozní náklady ze všech uvedených typů a téměř nulové nároky na údržbu.

Dominantním světovým výrobcem vláknových laserů je firma  IPG Photonics, mezi další patří  GSI JK Lasers,  Rofin,  SPI Lasers (nedávno zakoupené firmou  Trumpf) a další.

CO₂ lasery

CO₂ lasery patří do skupiny plynových laserů (aktivní prostředí je směs plynů obsahující CO₂). V průmyslu se používají lasery buzené buď radio-frekvenčně (RF) nebo elektrickým výboje (DC –  direct current ). Z hlediska uzavřenosti rezonátoru se dělí na tzv.  sealed off lasery s hermeticky uzavřeným rezonátorem a na tzv. průtočné lasery, kdy plyn rezonátorem neustále proudí (což je nutné u vysokých výkonů ~10kW).

Do výkonů 5kW jsou nejčastěji používány DC RF CO₂ lasery (difúzně chlazené, RF buzené, základní princip viz  obrázek vpravo). Buzení aktivního plynu se provádí radio-frekvenčním vlněním, které probíhá mezi dvěma elektrodami, které současně zajišťují díky svojí velké ploše difůzní chlazení plynu v rezonátoru. Tyto lasery vynikají vysokou spolehlivostí, dlouhou životností a nízkými provozními náklady.

Využití CO₂ laserů je pro značení, gravírování a řezání nekovů (plasty, plexi, kůže, papír, skla, apod.), kdy nelze použít výše uvedené lasery s vlnovou délkou 1µm. Zde se používají výkony do 1,5kW. Další průmyslovou aplikací je řezání a svařování kovů (výkony až do 20kW), kde jsou CO₂ lasery dobře zavedeny.

Na rozdíl od laserů s vlnovou délkou cca 1µm, nelze záření CO₂ laseru (10,6µm) vést optickým vláknem a je nutné pro vedení svazku používat zrcadla, což je velká nevýhoda – optická dráha je složitější, je nutná její pravidelná kalibrace, jsou zde nároky na čistotu a údržbu zrcadel atd.

Hlavními světovými výrobci CO₂ laserů jsou firmy  Coherent,  Rofin,  Trumpf nebo  Synrad.

Publikováno: 15.3.2011
Ing. Miroslav Novák,  novak@lao.cz