پرتوهای لیزر (تقویت نور با انتشار تحریک شده تشعشع) پرتوهای نور بسیار متمرکز با فرکانس بالا هستند. این منجر به یک پرتو پرانرژی نور می شود که می تواند روی یک منطقه کوچک متمرکز شود. هرگاه پرتو لیزر بر روی ماده ای متمرکز شود، به سرعت ناحیه متمرکز را گرم می کند و انرژی نور را به انرژی گرمایی تبدیل می کند. مواد گرم شده ذوب می شوند و از بین می روند و در نتیجه سوراخ می شوند. برش لیزری به شما این امکان را می دهد که انواع مختلفی از مواد را با استفاده از پرتوهاي ليزر برش دهید، از یک ورق کاغذ نازک تا حتی یک صفحه فلزی ضخیم. با این حال، انواع مختلف لیزرها می توانند نتایج متفاوتی را در مواد مختلف به همراه داشته باشند. از بین سه نوع لیزر اصلی که برای برش لیزری موجود است، پرکاربردترین آنها لیزرهای فایبر و CO2 است. عامل متمایز بین اینها، محیط بهره فعال استفاده شده در آنها است. لیزر فایبر از یک محیط حالت جامد مانند فیبر نوری استفاده می کند، در حالی که لیزر CO2 از گاز CO2 استفاده می کند.
در این مقاله، ما به اصول اولیه دو نوع لیزر می پردازیم و تفاوت های بین آنها را مورد بحث قرار می دهیم.
عناصر اصلی که برای ایجاد پرتو لیزر استفاده می شود عبارتند از:
- یک منبع انرژی: منابع انرژی مانند لامپ های فلاش، تخلیه الکتریکی و چراغ های قوس الکتریکی برای تامین انرژی (فوتون ها در نور) به سیستم لیزر استفاده می شود.
- یک محیط افزایش (همچنین محیط لیزر فعال): یک محیط افزایش، عامل اصلی تمایز در بین انواع مختلف پرتوهای لیزر است. یک لیزر فایبر از یک محیط افزایش حالت جامد و یک لیزر CO2 از یک محیط افزایش حالت گاز استفاده می کند. این محیط خواص مختلف پرتوهای لیزر تولید شده را تعیین می کند.
- تشدید کننده نوری: این مجموعه ای از آینه های بسیار بازتابنده است که پرتو لیزر را بیشتر تقویت می کند. پرتو نور قبل از اینکه از سیستم خارج شود به طور مکرر بین آینه ها از طریق محیط افزایش می پرد. این عمل، لیزر را قادر می سازد تا قبل از خروج از حفره تا حد ممکن انرژی داشته باشد.
اکنون ما شروع به درک مخفف “لیزر” می کنیم. نور (تابش) از منبع در یک محیط تحریک می شود که با استفاده از یک تشدید کننده نوری بیشتر تقویت می شود.
لیزر CO2:
در لیزرهای CO2، از گاز CO2 به عنوان یک محیط افزایش در سیستم لیزر، استفاده مي شود. یک لوله گاز مهر و موم شده با بازتابنده در دو انتها، ستون فقرات هر دستگاه لیزر مبتنی بر CO2 را تشکیل می دهد. این لوله با مخلوطی از گازهای نیتروژن، دی اکسید کربن، هیدروژن، هلیوم و گازهای زنون پر شده است. یک تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالا از لوله عبور می کند که یک واکنش زنجیره ای را در مخلوط گاز شروع می کند و یک پرتو لیزر پرانرژی ایجاد می کند. با این حال، در ماشین های جدیدتر، حتی یک ژنراتور فرکانس رادیویی (RF) می تواند به عنوان منبع تغذیه استفاده شود.
یک دستگاه لیزر CO2 می تواند حدود 10 تا 20 درصد از توان الکتریکی ورودی را به توان نوری قابل استفاده تبدیل کند و نسبت به سایر لیزرهای گازی امتیاز کارایی بالاتری به آن بدهد. همچنین دارای طول موجی بین 9 تا 11 میکرومتر است که اکثر ماشین‌های تجاری موجود از لیزر CO2 با طول موج 10.6 میکرومتر استفاده می‌کنند. این کار باعث می شود که پرتو لیزر CO2 توسط بیشتر مواد موجود در خارج، از پلاستیک و چوب گرفته تا حتی برخی از فلزات، جذب شود.
از آنجایی که لیزر CO2 یکی از اولین پرتوهای لیزر مبتنی بر گاز بود، بسیاری از صنایع به آسانی توسعه آن را پذیرفتند. شما می توانید ماشین های CO2 را از توان خروجی 50 وات تا 4.5 کیلو وات پیدا کنید. توان خروجی یک دستگاه CO2 با اندازه لوله گاز مشخص می شود. از این رو، اندازه ماشین‌های CO2 می‌تواند از یک دستگاه رومیزی تا بزرگی یک SUV متغیر باشد.
لیزر فایبر:
برخلاف لیزرهای CO2 مبتنی بر گاز، لیزر فایبر از یک کابل فیبر نوری جامد (به عنوان رسانه بهره خود) تشکیل می شود. کابل فیبر نوری با فلزات خاکی کمیاب مانند اربیوم، ایتربیوم، نئودیمیم، دیسپروزیم، پراسئودیمیم، تولیوم و هولمیوم دوپ شده است. منبع انرژی مورد استفاده برای این لیزرها یک دیود لیزری جامد جفت شده با فیبر است که نور را به کابل نوری می رساند.
طول موج لیزر فیبر به ترکیب عناصر خاکی کمیاب که با آن دوپ شده است بستگی دارد. لیزر ایتربیوم دارای طول موج 1.064 میکرومتر است که به آن امکان برش و حکاکی فلزات مختلف و حتی غیر فلزات را می دهد. لیزرهای فیبر همچنین می توانند تا 35 تا 50 درصد از ورودی الکتریکی خود را به نور نوری تبدیل کنند. به عنوان مثال، یک لیزر فیبر 18 کیلوواتی می تواند نتایج مشابهی را با یک لیزر پرقدرت 70 کیلوواتی CO2 ارائه دهد.
بسته به قدرت لیزرهای فایبر، می توان آنها را بیشتر براي برش مواد استفاده کرد. نیروی دریایی ایالات متحده یک سیستم لیزر فایبر 33 کیلوواتی را برای استفاده در کاربردهای دفاعی توسعه داد. این هواپیما توانست در بخشی از آزمایشات خود یک هواپیمای بدون سرنشین را با موفقیت سرنگون کند. در صنعت پزشکی، عمل لیزیک معمولاً با استفاده از پرتو لیزر فایبر انجام می شود. حفاری سوراخ در بتن و طیف‌سنجی نیز از کاربردهای مهم سیستم‌های لیزر فایبر هستند.
این کاربردها نگاهی اجمالی به طیف وسیعی از کاربردهای لیزرهای فیبر دارند. با این حال، در سطح سرگرمی، تفاوت فاحشی بین این سیستم لیزر و CO2 وجود دارد. اکنون که اصول هر کدام را فهمیدیم، درک تفاوت‌های بین این دو آسان‌تر می‌شود.
تفاوت ها:
طبیعتاً تفاوت های چشمگیری بین این دو نوع لیزر وجود دارد. در اینجا برخی از تمایزات کلیدی آورده شده است.
1) منبع لیزر:
لیزر CO2 از یک لامپ فلاش یا یک ژنراتور RF به عنوان منبع انرژی و یک مخلوط گاز در یک لوله برای تولید و تقویت پرتوهای لیزر استفاده می کند. بنابراین سیستم لیزر CO2 به عنوان یک سیستم لیزر مبتنی بر گاز طبقه بندی می شود. هرچه لوله CO2 بزرگتر باشد، پرتو لیزر قدرتمندتر است.
لیزر فایبر از فیبر نوری دوپ شده در فلزات خاکی کمیاب برای تقویت پرتو لیزر استفاده می کند. از آنجایی که یک رشته جامد از فیبر برای تولید پرتو لیزر پرانرژی استفاده می شود، لیزر فایبر به عنوان لیزر حالت جامد طبقه بندی می شود. شدت پرتو لیزر به منبع انرژی و طول فیبر نوری بستگی دارد.
2) مصرف برق:
لیزرهای CO2 می توانند تبدیل فوتوالکتریک حدود 10-15٪ را به دست آورند. بنابراین، برای یک لیزر 50 وات، باید منبع برق حداقل 500 وات داشته باشید. این به معنای افزایش کلی هزینه عملیات برای ماشین‌ها است. لوله های CO2 برای خنک کردن لوله ها به تجهیزات خنک کننده اضافی نیاز دارند که باعث افزایش بیشتر مصرف برق ماشین ها می شود.
لیزرهای فیبر می توانند بازده انرژی 35-50٪ را به دست آورند. بنابراین، یک سیستم لیزر فایبر 50 وات تنها به یک منبع تغذیه 100-150 وات نیاز دارد. این امر هزینه کلی عملیات را به شدت کاهش می دهد و منجر به صرفه جویی زیادی در انرژی می شود. همچنین، دستگاه‌های لیزر فایبر کم مصرف می‌توانند بدون خنک‌کننده اضافی به خوبی کار کنند.
3) طول موج ها:
یک لیزر CO2 دارای طول موج تقریباً 10 میکرومتر است. این امر موادی را که می‌تواند با آن کار کند محدود می‌کند و مواد بسیار بازتابنده را نمی‌توان با لیزرهای CO2 پردازش کرد زیرا نمی‌توانند این طول موج نور را جذب کنند و بنابراین تحت تأثیر آن قرار نمی‌گیرند. بنابراین، فلزات براق مانند آلومینیوم، فولاد، مس و برنج را نمی توان به راحتی با استفاده از لیزرهای کم مصرف CO2 برش داد.
لیزر فایبر دارای طول موج بسیار کوتاه تری در 1.04 میکرومتر است که به آن اجازه می دهد تا در اکثر مواد نفوذ کند. و مواد گوناگون می توانند به راحتی این پرتو لیزر را جذب کنند. بنابراین، لیزر فایبر را می توان بر روی طیف گسترده ای از مواد استفاده کرد.
4) سرعت:
به طور کلی، لیزرهای CO2 سرعت برش کمتری دارند. در ضخامت کمتر از 4 میلی متر، یک لیزر CO2 با انرژی مشابه در مقایسه با لیزر فایبر، سه برابر کندتر است. این به دلیل ویژگی های طول موج و به دلیل منطقه تمرکز گسترده تر پرتو لیزر است. انرژی کلی پرتو لیزر CO2 در یک منطقه بزرگتر پخش می شود و لیزر نیز توسط قابلیت جذب مواد محدود می شود.
در مقابل، لیزرهای فایبر به دلیل طول موج کمتر، پرتو لیزر بسیار متمرکزتری دارند. این امکان گرم شدن سریع مواد را در ناحیه فوکوس فراهم می کند و می توان به سرعت های برش بالاتری دست یافت. با این حال، نکته قابل توجه این است که فراتر از ضخامت 8 میلی متر، هر دو لیزر دارای سرعت برش مشابهی هستند.
5) ساخت و ساز:
یک سیستم لیزر CO2 باید از پیکربندی پیچیده ای از آینه ها و عدسی ها برای انتقال و تمرکز پرتو لیزر استفاده کند. نیاز به نگهداری بیشتری دارد، مانند تمیز کردن منظم آینه ها و لنز و چیلر.
از آنجایی که لیزر فایبر از یک رشته فیبر نوری انعطاف پذیر در هسته خود استفاده می کند، عملاً نیاز به آینه برای انتقال پرتوهای لیزر را از بین می برد. یک غلاف روکش دوبل می تواند برای محافظت از فیبر در برابر محیط خارجی استفاده شود و به مراقبت زیادی نیاز ندارد. به طور کلی، ساخت دستگاه ساده تر و نسبتاً بدون تعمیر و نگهداری است.