Soczewki, czyli ważny i wrażliwy element optyki lasera

Soczewki, czyli ważny i wrażliwy element optyki lasera Kimla

W wycinarkach laserowych typu fiber soczewki laserowe są niezwykle ważnym komponentem systemu optycznego, ponieważ odpowiadają za formowanie wiązki laserowej. Jednocześnie jednak należą do najbardziej narażonych na ryzyko uszkodzenia elementów optyki lasera. Co zatem warto wiedzieć o soczewkach laserowych, żeby to ryzyko jak najbardziej zminimalizować?

W laserach światłowodowych (fiber) czynnikiem, który może generować sporo problemów, jest optyka głowicy. Źródła lasera bowiem osiągnęły już taki poziom, że są praktycznie bezobsługowe i nie wymagają wymiany części eksploatacyjnych. W przypadku głowicy sytuacja wygląda jednak nieco inaczej. Może wystąpić zużycie soczewek i dlatego należy je co jakiś czas wymieniać.

W laserach CO2 operator był w stanie samodzielnie wykonać proste naprawy czy też wymienić elementy układu optycznego. W laserach fiber jest to jednak niemożliwe, co wynika z budowy obu rodzajów laserów. Lasery CO2 emitują bowiem światło o długości fali rzędu 10 μm, podczas gdy w laserach fiber jest to zaledwie 1 μm. 

Co oznacza ta różnica? Laser, który ma krótszą długość fali, „widzi” mniejsze zanieczyszczenia. W efekcie dla lasera CO2 większość zanieczyszczeń w powietrzu jest po prostu niewidoczna. Łatwiejszy był więc serwis takiego lasera (np. czyszczenie soczewki).

Gdyby taki sam proces czyszczenia soczewki zastosować w laserze fiber, bardzo szybko doszłoby do jej uszkodzenia i nadawałaby się już tylko do wymiany. Zanieczyszczenia w postaci drobinek pyłu i kurzu, które osiadają na powierzchniach soczewek, wtapiają się bowiem pod wpływem światła lasera w ich powierzchnie. Degradują wówczas ich właściwości i pogarszają jakość cięcia, aż do całkowitego zniszczenia soczewki.

Ryzyko uszkodzenia soczewki lasera fiber

Mimo że w wycinarkach laserowych typu fiber do ochrony soczewek stosuje się specjalne okna ochronne (zabezpieczające m.in. przed odpryskami stopionego metalu), nigdy nie ma pewności, że nie dojdzie do uszkodzenia tego elementu. Uszkodzenia optyki głowicy mogą bowiem wynikać z bardzo różnych czynników – po części z praw fizyki, korpuskularno-falowej natury światła, z interferencji modów w laserze lub z czynników, które wynikają z ogromnej mocy lasera.
 
Niestety mamy tu pewnego rodzaju losowość, na którą nie ma wpływu ani sprzedawca, ani użytkownik. To sytuacja analogiczna do uszkodzenia przedniej szyby w aucie na skutek uderzenia kamykiem. Można nawet kilkanaście lat jeździć bez żadnego uszkodzenia, a można wyjechać nowym samochodem prosto z salonu i już na pierwszym kilometrze uszkodzić szybę.

Jednym z czynników, który wpływa na żywotność soczewki, jest moc lasera. Im jest większa, tym częściej optyka lasera wymaga wymiany, ponieważ procesy degradacji przy wyższej mocy zachodzą szybciej. 

Drugim czynnikiem, jaki może wpływać na żywotność soczewki, jest jakość optyki. I nie chodzi tylko o jakość konkretnej części, ale także o jakość montażu czy warunki, w jakich np. elementy układu optycznego były wymieniane. Można spotkać się z sytuacjami, w których serwisanci dokonują wymiany soczewki na miejscu, często w „warunkach polowych”. Nie oznacza to zawsze, że taka optyka nie będzie działać od razu. Trudno jednak oczekiwać, żeby dobrze funkcjonowała przez dłuższy czas.

Oznaki uszkodzenia soczewki lasera

Większość producentów wycinarek laserowych nie stosuje układów, które monitorują zużycie soczewek. Nie ma więc wówczas możliwości ciągłej i dokładnej oceny stanu optyki lasera. Są jednak pewne symptomy, których nie można lekceważyć

Jeśli wyraźnie pogarsza się jakość cięcia albo jakość cięcia zmienia się niedługo po rozpoczęciu wycinania, powinien to być dla nas sygnał, że z soczewkami może dziać się coś niedobrego. Na skutek uszkodzenia albo zanieczyszczenia soczewka może się nadmiernie nagrzewać, przez co powstaje przesunięcie punktu skupienia (focus shift). Najczęściej skutkuje to niestabilnością procesu cięcia, pogorszeniem jakości cięcia, a w skrajnych przypadkach może wręcz całkowicie uniemożliwić użytkowanie lasera.

Po dostrzeżeniu powyższych oznak należy jak najszybciej przerwać proces cięcia. Jeśli po krótkiej przerwie i ponownym wznowieniu cięcia jego jakość się poprawia, ale tylko na chwilę, bo po niedługim czasie znowu się pogarsza, możemy przyjąć, że przyczyną jest uszkodzona optyka w głowicy. W takiej sytuacji bezwzględnie należy wymienić soczewkę, ponieważ kontynuowanie cięcia z pewnością doprowadzi do poważniejszych awarii lasera (np. uszkodzenia światłowodu).

Systemy pomiaru temperatury

Wspomniany wzrost temperatury soczewki może wprawdzie ostrzegać o jej uszkodzeniu, jednak rozwiązania do pomiaru temperatury soczewki wciąż są rzadkością albo nie w pełni spełniają swoje zadanie. W takich sytuacjach, kiedy soczewka zaczyna się już psuć, użytkownik lasera często nie ma o tym pojęcia. Natomiast kiedy zauważa pierwsze niepokojące sygnały, często jest już za późno na jakiekolwiek działania, gdyż uszkodzenia są już dość poważne i konieczna jest np. wymiana całej głowicy za ogromne pieniądze.

W niektórych sytuacjach przeprowadzane są wprawdzie pomiary temperatury, jednak mierzona jest temperatura na obudowie soczewki, a nie w samej soczewce. Problem w tym, że szkło kwarcowe, z którego jest wykonana soczewka, ma stosunkowo niską przewodność ciepła.

Może więc mieć miejsce wręcz taka sytuacja, że wnętrze soczewki będzie już stopione i powstanie w niej wytopiony otwór, podczas gdy jej krawędź przez jakiś czas może być jeszcze zimna. Zanim obudowa soczewki się nagrzeje, a czujnik wykryje wzrost temperatury i maszyna zostanie zatrzymana, będzie już za późno.

W odpowiedzi na ten problem firma Kimla opracowała rozwiązanie, które wykorzystuje system pomiaru bezpośredniego temperatury soczewki za pomocą mikrokamer na podczerwień. Sprawdzają one termiczne promieniowanie soczewki z jej środka – w miejscu, w którym ta temperatura powstaje.

Rozwiązanie to pozwala bardzo szybko wykryć wzrost temperatury w soczewce i zatrzymać proces cięcia, żeby nie zniszczyć całej głowicy. Pomiar temperatury dokładnie tam, gdzie ona powstaje, może pomóc także kompensować tzw. efekt thermal lensingu. Otwiera to możliwość do zwiększania mocy lasera w sposób bardziej bezpieczny i kontrolowany.

Zużywanie się soczewek może być także następstwem przedostawania się mikrozanieczyszczeń do samej głowicy. Różnego rodzaju pyłki osiadają na powierzchni soczewki i przyspieszają jej zużycie. Przyczyną takiego zanieczyszczenia może być nawet układ napędu ruchu soczewki (najczęściej jakiś rodzaj śruby lub paska), który na skutek poruszania się generuje mikrozanieczyszczenia. 

Również w tym przypadku firma Kimla dostrzegła problem i opracowała rozwiązanie. Do wnętrza głowicy wbudowano napęd liniowy magnetyczny do poruszania soczewką. Napęd działa bezdotykowo, ponieważ pole magnetyczne porusza element mechaniczny – nie ma więc elementów, które się stykają, ani tarcia, które mogłoby powodować powstawanie mikrozanieczyszczeń.

Wymiana soczewki tylko w warunkach laboratoryjnych

Wymianę (ale również czyszczenie) soczewki i innych elementów optyki lasera należy zawsze przeprowadzać w warunkach laboratoryjnych. Idealne warunki do wymiany zapewnią tylko odpowiednio przygotowane do tego celu pomieszczenia, niemal jak na sali operacyjnej (m.in. clean room, strefy czystego powietrza). Odpowiednio zabezpieczeni muszą być także operatorzy – muszą mieć specjalistyczne narzędzia, materiały do czyszczenia oraz sprzęt niezbędny do sprawdzania poprawności działania i kalibracji optyki.

Kalibracja optyki jest bardzo ważna, ponieważ soczewki nie są idealnie takie same. W procesie produkcji zawsze występują pewne tolerancje, które powodują, że długości ogniskowych różnią się w poszczególnych egzemplarzach soczewek. Wymiana soczewki w głowicy z pominięciem procesu kalibracji najczęściej skutkuje tym, że wszystkie tablice parametrów cięcia trzeba ustawiać od nowa (co jest bardzo uciążliwe).

Jak widać, jest to na tyle skomplikowany proces, że wymiana soczewki na miejscu u klienta jest niemożliwa. Najczęściej serwisant przyjeżdża do klienta, zabiera od niego całą głowicę, a następnie wysyła ją bezpośrednio do producenta (nierzadko za granicę), który ma odpowiednie warunki do przeprowadzenia czynności serwisowych. Cała procedura trwa jednak stosunkowo długo, a przez ten czas wycinarka laserowa stoi w fabryce nieużywana.

Zdecydowanie bardziej korzystnym rozwiązaniem z punktu widzenia przedsiębiorcy jest wymiana głowicy na miejscu podczas czynności serwisowych. Niektóre firmy oferują głowicę tymczasową, która jest demontowana z serwisowanej maszyny po naprawie pierwotnej głowicy. Najkorzystniejsze jest jednak rozwiązanie, w którym serwisant montuje głowicę z nową optyką, a starą głowicę zabiera. Wtedy przedsiębiorca może niemal od razu kontynuować cięcie wycinarką laserową.

Tagi artykułu

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę