Rosnąca moc lasera i potencjalne problemy

Rosnąca moc lasera i potencjalne problemy Kimla

Rosnąca moc laserów ma w teorii zwiększać wydajność procesów cięcia. Warto jednak mieć świadomość, że może pociągnąć za sobą także pewne problemy. Wraz ze wzrostem mocy lasera bardziej bowiem grzeją się elementy jego optyki, co może wpływać na pracę np. soczewki, która działa poprawnie tylko do pewnej temperatury.

Optyka laserowa, m.in. soczewka lasera, to niezwykle ważny element każdej wycinarki laserowej typu fiber. Z jednej strony odpowiada ona za poprawne formowanie wiązki laserowej, a więc precyzję cięcia. Z drugiej – jest elementem podatnym na uszkodzenia.

Warto wiedzieć, że każdy element optyczny głowicy generuje określone straty. Światło, przechodząc przez ten element, go podgrzewa – przy tym im większa jest moc lasera, tym temperatura osiąga wyższą wartość. A ponieważ soczewki pracują poprawnie tylko do pewnej temperatury, powyżej niej mogą zacząć zachodzić bardzo niekorzystne zjawiska.

Zbyt wysoka temperatura to potencjalne problemy

Po pierwsze, skraca się żywotność soczewki, a wtedy bardziej podatne na uszkodzenia stają się jej warstwy antyrefleksyjne. Co jednak dużo ważniejsze – może wystąpić tzw. thermal lensing. Efekt ten powoduje, że wraz ze wzrostem temperatury soczewki zmienia się długość jej ogniskowej. 

A trzeba wiedzieć, że soczewki, które pracują w głowicach lasera fiber, przez które przechodzi światło, będą się grzać zawsze, niezależnie od ilości przechodzącego przez nie światła. Przy małej mocy lasera ten wzrost temperatury na poziomie kilku, kilkunastu stopni nie wpłynie znacząco na proces cięcia. Jeśli jednak soczewka lasera rozgrzeje się o 50–70ºC, parametry cięcia mogą się pogorszyć.

Jeśli zaczniemy cięcie z ustawioną poprawną długością ogniskowej, to po przekroczeniu określonej temperatury soczewki, już po kilku minutach cięcia, ogniskowa może zmienić swoje pierwotne ustawienia nawet o 2 mm. Nawet tak niewielkie przesunięcie może spowodować, że znacząco pogorszy się jakość cięcia. 

Oczywiście nie od razu musi to oznaczać usterkę lasera. Może to wynikać ze złego zaprojektowania procesu cięcia, źle dobranych soczewek, niewzięcia pod uwagę czynników, które mogą się okazać istotne przy długotrwałej pracy lasera z dużą mocą.

Tańsze soczewki sferyczne

W ofercie producentów optyki laserowej dostępne są różne rodzaje soczewek. Większość soczewek optycznych to jednak soczewki sferyczne, które są tańszym rozwiązaniem. Wynika to z tego, że są one stosunkowo łatwe w produkcji. Powierzchnię takiej soczewki, która jest wycinkiem sfery, łatwo się szlifuje i poleruje inną sferą. 

Proces produkcji soczewek znany jest od dawna i jest stosunkowo dobrze dopracowany. Na rynku jest więc wiele firm, które oferują taką soczewkę za stosunkowo niewielkie pieniądze. Soczewki sferyczne charakteryzują się jednak tym, że mają aberrację sferyczną. To swego rodzaju wada soczewki polegająca na tym, że promienie, które przechodzą przez soczewkę blisko jej krawędzi, skupiają się nieco bliżej soczewki niż promienie, które przechodzą bliżej środka soczewki. 

W przypadku wycinarki laserowej wada ta polega na tym, że cała wiązka, która przechodzi przez soczewkę, nie jest skupiona w jednym punkcie. Brak jednoznacznie zdefiniowanego punktu koncentracji mocy lasera będzie skutkował złą pracą lasera, możliwością pozostawienia jakiegoś gradu lub przegrzaniem się soczewki.

Dlatego też w przypadku soczewek sferycznych niezbędne jest skompensowanie aberracji sferycznej poprzez złożenie kilku soczewek. Tworzy się tzw. dublety – zespoły składające się z  dwóch soczewek, które mają różne krzywizny i tak dobrane promienie krzywizn, żeby te aberracje z  obu soczewek się wzajemnie znosiły. De facto więc soczewka skupiająca i soczewka kolimatora to zespół co najmniej dwóch soczewek. Problem polega na tym, że dwie soczewki oznaczają dwukrotnie większe straty. 

Jeśli bowiem mamy element, który się grzeje, to kiedy światło przechodzi przez dwie powierzchnie, element ten grzeje się dwukrotnie bardziej. Jeżeli do tego dojdą jeszcze szkiełka zabezpieczające i inne powierzchnie, przez które przechodzi światło, straty mogą być już bardzo duże.

Generalizując, można powiedzieć, że rozwiązania, które bazują na soczewkach podwójnych i  są tańsze w produkcji (choć w każdym module mamy dwie soczewki), są odpowiednie w laserach o  mocy do ok. 4–6 kW. Przy większej mocy lasera dublety grzeją się już w takim stopniu, że nie nadają się do użytku.

Bardziej zaawansowane soczewki asferyczne

Należało więc podjąć jakieś działania, żeby wyeliminować ten problem. Najbardziej oczywistym rozwiązaniem było zastosowanie soczewki asferycznej – czyli takiej soczewki, której powierzchnia nie ma kształtu sfery (np. elipsa, parabola). Takie rozwiązanie zapewnia promień skupienia wiązki lasera w jednym miejscu. 

Problemem jest niestety dużo wyższy koszt wyprodukowania takiej soczewki. Nie da się bowiem stworzyć jej metodą analogiczną do tworzenia soczewki sferycznej, tylko należy ją wyprodukować na maszynach CNC. Trwa to dość długo, skomplikowany jest też proces polerowania powierzchni soczewki – całość trwa nawet 10 razy dłużej niż wyprodukowanie soczewki sferycznej. Nie było jednak wyjścia, jeśli chcieliśmy przejść na wyższe moce laserów.

Warstwy antyrefleksyjne

Pozbycie się dubletów z soczewek sferycznych i zastąpienie ich soczewkami asferycznymi było konieczną zmianą przy przejściu na lasery powyżej 6 kW. To jednak nie wszystkie potencjalne problemy związane z soczewkami w laserach fiber. 

Promieniowanie świetlne, które pada na powierzchnię soczewki (przy każdym przejściu z powietrza do szkła i na odwrót), częściowo się od niej odbija, co powoduje straty mocy (odbija się ok. 4% światła). W głowicy lasera światłowodowego jest wiele powierzchni szklanych (soczewki, kolimator, fokus, dwa szkiełka zabezpieczające, powierzchnia wyjściowa kwarcu światłowodu), przez które musi przejść światło. W normalnych warunkach w głowicy może się więc odbić nawet ponad 30% światła, co równa się utracie analogicznej ilości mocy lasera.

Rozwiązaniem tego problemu są specjalne warstwy antyodblaskowe, które zmniejszają odbicie od pojedynczej powierzchni nawet do 0,2%. Bardzo dużym wyzwaniem przy projektowaniu optyki laserów jest więc wybór warstw antyrefleksyjnych do soczewek. 

Okna ochronne soczewki są wykonane w technologii cienkich warstw, które są nakładane próżniowo w bardzo zaawansowanych urządzeniach. Różne technologie nakładania tych warstw i różne rodzaje materiałów, z których wykonuje się te warstwy, sprawiają, że dostępne są różne kombinacje warstw antyrefleksyjnych – choć nie wszystkie zapewniają odpowiednią ochronę.

Ostatni rozwój laserów fiber o dużych mocach jest ściśle powiązany właśnie z rozwojem warstw antyrefleksyjnych. W soczewce bowiem główna strata energii, która objawia się grzaniem soczewki, wynika właśnie z tego przejścia przez warstwę antyrefleksyjną. Samo szkło, jako takie, nie generuje aż tak dużych strat jak warstwy antyrefleksyjne i to właśnie ich dotyczy kolejny etap rozwoju głowic laserowych po zastosowaniu soczewek asferycznych.

Przy obecnym poziomie technologii laserowych na świecie stabilna praca wycinarki laserowej typu fiber – w której temperatury soczewek nie rosną do momentu, w którym już się pojawia efekt thermal lensingu (czyli uciekania ogniskowej ze względu na ich rozgrzewanie) – jest możliwa przy laserach o mocy do ok. 15 kW.

Co się więc dzieje, kiedy niektórzy producenci oferują lasery o mocy 20–30 kW? Istnieje duże ryzyko przegrzania się soczewki, uciekania fokusa i niestabilnej pracy lasera. Bardzo często operator, widząc, że proces cięcia nie przebiega poprawnie, zmniejsza moc pracy lasera np. o połowę. Urządzenie tnie wolniej, ale jednak tnie. Warto jednak zadać pytanie, po co kupować laser o takiej mocy, skoro będzie ona wykorzystywana tylko w połowie.

Tu pojawia się konieczność zastosowania kompensacji tego efektu. Możliwość kompensacji zależy jednak od precyzyjnego pomiaru temperatury powierzchni soczewek – ale to już temat na kolejny artykuł

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę