#технологии

Недавно мы рассказывали про день рождения Чандры Кумара Наранбхая Пателя — инженера-электрика, разработавшего углекислотный лазер (CO₂-лазер). Долгое время этот лазерный источник оставался самым популярным для промышленных станков лазерной резки, но сегодня их все чаще вытесняют волоконные лазеры. Почему так произошло — разберемся по порядку.
У углекислотных лазеров есть ряд недостатков:

Длина волны 10 мкм плохо поглощается некоторыми металлами — например, алюминием и медью;

Мощные газовые модели громоздки и требуют постоянной подачи CO₂, а отпаянные версии ограничены по мощности — не более 1 кВт;

КПД таких лазеров невысок;

Диаметр пятна и ширина реза довольно большие, поэтому для микрообработки они не подходят.
Выход нашли в замене активной среды: вместо газа стали использовать кристалл, но не в виде стержня диаметром 10–15 мм, а в форме тончайшей нити (50–500 мкм) сильно вытянутой в длину. Это и есть оптическое волокно. Так появились волоконные лазеры.
А если подробнее?
Главный параметр любого лазерного оборудования — его мощность. При ее увеличении время на обработку детали сокращается, но увеличивается энергопотребление. Однако высокая производительность часто нивелирует этот параметр. Но не в случае CO₂-лазера: их средняя мощность — 50–150 Вт, а максимальная — 10 кВт. Тот же параметр у волоконного источника в разы выше. Соответственно, возможности резки металла увеличиваются у второго источника.
Но дело не только в мощности.
Длина волны CO₂-лазера составляет 10,6 мкм и оказалась неэффективной для отражающих металлов (алюминий, латунь, медь). Такие материалы (особенно цветные) лучше поглощают волоконный лазер с диапазоном длины волны 1,06–1,08 мкм. Использование CO₂-излучения при обработке этих материалов приводит к перегреву оптики, отражению луча и низкой эффективности технологии.

Отметим, что волоконный лазер эффективнее работает при резке тонкого материала. К примеру, этот источник мощностью 1кВт выиграет в скорости перед углекислотным, если толщина алюминиевого материала будет меньше 2 мм. Скорость резки такой толщины с использованием CO₂-лазера мощностью 3кВт равна 2,2 м/мин, а в первом случае — 2,3 м/мин. А на стали толщиной 1 мм волоконный лазер мощностью 3 кВт развивает скорость 25–30 м/мин против 8–12 м/мин у CO₂ — разница в 2–3 раза, что критически важно при серийном выпуске мелких деталей.

Рынок делает выбор в пользу волоконных лазерных источников. В 2020 году продажи нового оборудования с волоконными лазерами превысили 80% — и мировой тренд только укрепляется.
Причины: высокий КПД (30-40%), компактность, удобство встраивания в технологические комплексы, возможность создавать лазеры, работающие и в непрерывном, и в импульсном режимах, отсутствие расходников (ресурс более 100 тыс. часов), мощность выходного излучения твердотельного лазера, как правило, зависит от мощности оптической накачки, подведенной к активном элементу.
Где еще нас найти