Лазерная обработка излучением с длиной волны 2 мкм

Прецизионная обработка и минимизация площади локального нагрева

Лазерные источники стали неотъемлемой частью обработки материалов и поверхностей в промышленных приложениях. Мощное, когерентное и узкополосное излучение лазерного источника позволяет достигать невероятной точности при обработке любых поверхностей – от прочнейших металлов до тонкого пластика. Высокая скорость обработки в разы увеличивает объем продукции и способствует расширению производственных мощностей.

Благодаря современным технологиям, лазерные источники, предназначенные для обработки материалов, излучают длины волн в диапазоне 1 – 1.5 мкм. Этот стандарт поддерживался долгое время, пока в индустрии не был представлен первый лазер для обработки материалов, излучающий на длине 2 мкм. Помимо беспрецедентно высокой длины волны среди лазеров этой категории, источник высокостабилизирован, не требует особых условий эксплуатации, прост в обслуживании и, несмотря на высокую мощность, особенно популярен при обработке пластиковых и полимерных материалов.

Обработка пластиковых изделий

Лазеры, излучающие на длине волны 2 мкм, идеально подходят для обработки изделий из пластика. Этот неочевидный факт наблюдается из-за уникальных свойств пластмасс к поглощению: в диапазоне длин волн 0.8 – 1 мкм у большинства видов пластика поглощение минимально, а при взаимодействии с излучением с длиной волны 10 мкм достигает пиковых значений. Многочисленные опыты показали, что оптимальной длиной волны для обработки пластика являются 2 мкм.

Необходимо отметить, что в некоторых приложениях используется пластик особой категории, и излучение с длиной волны 2 мкм может быть недостаточно для соблюдения всех требований точности при сварке, резке и гравировке. Прозрачный пластик составляет отдельную категорию материалов, обладающих высоким коэффициентом пропускания в видимом диапазоне и низким поглощением в области 1 мкм. Очевидно, что для обработки материала с такими свойствами мощности излучения с длиной волны 1 мкм недостаточно.

Перед описанием принципиальных отличий и преимуществ лазера, излучающего на 2 мкм, необходимо упомянуть следующие детали:

- Для предотвращения (минимизации) возрастания количества поглощенного лазерного излучения при обработке излучением с длиной волны 1 мкм в пластиковые образцы вводятся дополнительные примеси. Необходимость проведения этого этапа влияет на длительность процесса в масштабах целого производства. В медицине и биологии состав изделий жестко контролируется, и изменения структуры изделий на таком уровне не допускаются.

- Излучение дальней ИК области (10 мкм) также не применимо для точечной абляции, так как тепло рассеивается по всей поверхности образца и не обеспечивает локализованного нагревания.

Многочисленные опыты по изучению взаимодействия излучения с органическими материалами на синтетической основе были направлены на определение оптимальной частоты излучения. Опираясь на результаты проведенных исследований, был разработан источник, излучающий волны с длиной 2 мкм. Эффективности излучения этой длины достаточно для фрезеровки и сварки большинства изделий из пластмасс.  На рис. 1 показана возможность излучения с длиной волны 2 мкм проникать в пластиковый материал на оптимальное расстояние с возможностью ослабления, что в конечном счете приводит к локальному нагреву материала.

Рисунок 1. Лазерная сварка пластмасс

Когда лазерное излучение проходит через слой пропускающего материала, больше всего излучения поглощается на поверхности, меньше всего – внутри объема. К примеру, при лазерной сварке – для простоты рассмотрим части изделия, сопряженные внахлест – наибольшее поглощение демонстрируют места сварных соединений. На рис. 2 представлены еще несколько иллюстраций типов распространенных сопряжений (слева направо): внахлест, Т-образное соединение и стыковое соединение.

Рисунок 2. Виды сопряжений при сварке изделий

Принцип работы источника

Первые источники электромагнитных волн длиной 2 мкм имели крупные габариты и высокую стоимость. Современные разработки значительно более компактны и экономичны, размеры диодных лазеров не превышают и 30 мм в длину. Примечательно, что снижение стоимости производства способствовало росту эффективности – все это во многом благодаря применению волоконно-оптических технологий.

Лазеры коротковолнового ИК диапазона действительно универсальны за счет своей функциональности и низкой стоимости. При этом двух режимов генерации (импульсного и непрерывного) достаточно для проведения множества исследований. При лазерной обработке используется в основном импульсный режим – время воздействия интенсивного излучения сводится к минимуму, не позволяя нижним слоям материала чрезмерно нагреваться. Обработка материалов непрерывным лазером также возможна, но этот режим требует соблюдения дополнительных условий.

Рисунок 3. Применение непрерывного и импульсного лазеров для сварки изделий

Заключение

Разработки источников области ближнего ИК, излучающих на длине волны 2 мкм, актуальны по ряду причин: эта длина волны лучше всего подходит для фрезеровки и сварки изделий из разных видов пластмасс, так как обеспечивает оптимальный расход энергии падающего излучения внутри и на поверхностях объема, зона термического воздействия при работе в импульсном режиме минимальна, излучение стабилизировано. Нельзя не отметить экономичность современных лазерных источников ближнего ИК диапазона благодаря внедрению оптоволоконных компонентов в систему. Не остается сомнений, что в ближайшие годы такие разработки получат еще более широкое распространение и, вероятно, будут применяться в лазерной обработке повсеместно.

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ