Лазерные маркировщики на ванадатовом кристалле

Твердотельный лазер для гравировки — излучатель, использующий для формирования луча твердую активную среду. Такой средой могут выступать кристаллы с включением активирующих добавок, в том числе алюмо-иттриевый гранат, искусственный рубин, стекло с добавкой неодима.

Кристаллы выращиваются искусственно, поскольку природные кристаллы для изготовления лазера не подходят. При искусственном выращивании добиваются максимальной однородности самого кристалла и распределения примеси по его телу. Введение энергии в такой кристалл возможно только под воздействием света. Для накачки используются непрерывные или импульсные лампы, диоды, другие лазеры.

Основные особенности

В отличие от газовых моделей твердотельные лазеры для гравировки металла отличаются повышенной производительностью. Этот тип лазера хорошо подходит для решения достаточно сложных производственных задач.

Применение твердотельных лазерных граверов демонстрирует высокую экономическую эффективность на промышленных объектах, оснащенных оптоволоконными лазерами. К основным преимуществам относятся:

• значительный срок эксплуатации — до 100 тысяч часов непрерывной работы;
• высокая степень качества лазерного луча;
• значительная степень точности фокусирования — до нескольких мкм;
• работа на значительной мощности;
• компактные размеры, удобство размещения и транспортировки.

Пусконаладка при вводе в эксплуатацию твердотельных лазеров отличается простотой и скоростью, аппаратура не требует юстировки.

Виды лазеров

Сегодня в промышленности чаще всего применяют два вида лазеров твердотельного типа: волоконные и ванадатовые граверы. Рассмотрим подробнее оба типа твердотельных лазеров для гравировки.

I. Волоконные модели

В граверах этой категории активной средой выступает оптическое волокно. Для его изготовления применяется кварцевое стекло с включением редкоземельных элементов. Это химические соединения, которые нечасто встречаются в природ и отличаются повышенной тугоплавкостью. Так, к редкоземельным относятся элементы иттириевой группы.

Волоконный твердотельный лазерный гравер — это система, которая включает лампы накачки с оптоволоконным кабелем. На конечной части стержня расположены специальные насечки, отражающие световой поток. Иттеробитиевое функциональное покрытие вступает в действие при запуске светодиодов. В результате начинается генерирование ионов. За счет надсечек внутри постоянно сохраняется часть энергетического потока. Другая его часть направляется наружу в форме лазерного излучения высокой мощности.

Этот тип граверов отличается повышенной устойчивостью к воздействиям, которые вносят диссонанс — удары, вибрации и т.д. Это делает их особенно эффективными для применения в производственных условиях.

Еще один важный плюс волоконной лазерной аппаратуры состоит в высокой стойкости к износу. Это связано с тем, что принцип действия такого оборудования позволяет преобразовывать почти 90 % выделяемого излучения в лазер. В результате минимизируется выделение теплоты. Именно эксплуатация при значительном нагреве является одной из частых причин выхода из строя лазерной аппаратуры.

II. Ванадатовые граверы

Основу системы этого типа составляет кристалл, который делают из ванадия с включением неодима. Это одна из современных разработок в сфере лазерного оборудования. Твердотельный лазер для гравировки металла этого типа отличается исключительной точностью и качеством луча. Ванадатовый кристалл позволяет генерировать лазерный луч, выполняющий гравировку чрезвычайно тонкими линиями. Он может использоваться для обработки разнородных материалов. По сравнению с системами первого типа ванадатовые лазеры отличаются увеличенной мощностью и значением глубины фокуса.

Сравнение параметров волоконных и ванадатовых лазеров

Для оценки лазерного аппарата одним из ключевых показателей является качество луча M2. Его оптимальное значение равняется единице, но оно недостижимо для реального оборудования. Фактическое значение этого параметра всегда превышает 1,00. Чем больше приближено это значение к единице, тем более качественным является луч. Параметр M2 определяет площадь пятна, которое оставляет лазерный луч. Значение M2 граверов ванадатового типа YVO4 и YAG составляет 1,3. У волоконного гравера сопоставимого уровня качества этот показатель составляет порядка 1,7.

Меньшая площадь пятна характеризует лучшую эффективность использования мощности лазерного луча для гравировки. При малом значении M2 гравировка детали лазером с меньшей мощностью будет лучше, чем даже более мощным аппаратом, но с большим уровнем M2.

Например, ванадатовый лазер модели Nd:YVO4 EV15 мощностью 15 Вт гравирует не хуже или лучше модели волоконного типа мощностью 20 Вт за счет меньшей M2.

При меньшей величине M2 лазер характеризуется меньшей площадью пятна, что дает более высокое разрешение луча и увеличивает его полезную мощность в точке воздействия. Кроме этого увеличивается и такой важный показатель как глубина фокуса.

Длина импульса

Еще один ключевой показатель — длина импульса. У моделей серии EV, относящиеся к ванадатовому типу работают с чрезвычайно малой длиной импульса. Она при частоте 10 кГц составляет <20нс. Волоконные лазеры характеризуются намного большей длиной импульса. Как правило, при 10 кГц она составляет >100 нс.

Такое расхождение вызвано тем, что в системах волоконного типа показатель искусственно увеличен. Это решение связано с тем, чтобы предотвратить работу оборудования с чрезмерной пиковой мощности, что может вызвать дефекты оптоволокна, в котором происходит формирование луча.

При большей длине большее количество энергии расходуется, не достигая того уровня эффективной мощности, при котором возможно нанесение гравировки на поверхность. В результате при избыточной длине лазерных импульсов происходит нагрев периферийной области.

При коротких лазерных импульсах больше полезной энергии идет именно на гравировку. Значительно меньше ее тратится на нагревание периферийной зоны.

Минусы

К недостаткам систем этого типа относится увеличенная расходимость лазерного луча. Поэтому твердотельные лазеры хуже подходят для обработки неметаллических материалов. При эксплуатации такого гравера для оптимального результата важно, чтобы поверхность обрабатываемой детали была максимально ровной. Это осложняет обработку деталей с поверхностью значительной площади. Как правило, аппараты твердотельного типа оснащаются столами малого размера.

Выбор твердотельных лазеров

В линейке бренда Telesis представлен большой выбор лазеров разного типа, в том числе:

• твердотельные модели Nd:YVO4;
• волоконные приборы Yb;
• газовые СО2;
• модели с УФ и зеленым излучением.

Модели твердотельного типа серии EV построены на ванадатовом кристалле с включением неодима Nd:YVO4. Они подходят для малого производства или домашней мастерской. Они обеспечивают высокий уровень контраста изображения на поверхностях материалов, которые нельзя гравировать традиционными волоконными лазерами. Это достигается за счет показателя M2=1,2, короткого импульса (порядка 20 нс), значительной фокусной глубине, моде TEM00.

Лазерный гравер Telesis — станок с числовым программным управлением, комплект которого включает следующие элементы:

• Лазер — главный функциональный элемент. В аппаратах твердотельного типа лазер основан на специальных кристаллах.
• Резонатор — специальная оптическая система, которая обеспечивает многократное прохождение луча через кристалл, что позволяет достичь высокой мощности потока излучения.
• Охладительная система — включает кулеры и радиаторы для отведения избыточной теплоты.
• Каретка — подвижная основа, на которой закреплен лазер.
• Рама, которая задает направление перемещений каретки.
• Двигатель для привода каретки.
• Корпус и стол.
• Блок питания.
• Приборы коммуникации и т.д.

Область применения

Лазерные граверы твердотельного типа имеют широкую сферу применения, несмотря на ряд ограничений. Они применяются для работы с таким материалами, как:

• углеродистая и нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, медь, другие металлы, в том числе драгоценные;
• керамика;
• драгоценные и полудрагоценные камни;
• кремний.

Твердотельные модели наносят гравировку отличного качества на материалы высокой прочности с глянцевой поверхностью. Они подходят для изготовления ювелирной продукции, бижутерии, металлических изделий, вывесок, табличек. Также их применяют в электронике для изготовления деталей из кремния, в том числе диодов, микросхем, транзисторов. Оборудование широко применяется в автомобильной промышленности, авиастроении, ракетостроении, судостроении, робототехнике и в других отраслях.