Rozdíl mezi kontinuálním a pulzním laserem - teorie laseru

Co je laserová síla?

NIH definuje výkon laseru jako „rychlost, s jakou je energie vyzařována z laseru“. Jednoduše řečeno, jde o míru toho, jak rychle laser energii uvolňuje .  

Výkon laseru se vyjadřuje ve wattech (W), kilowattech (kW) nebo miliwattech (mW). Každý watt udává, že laser může vyzařovat 1 joul energie za sekundu. To znamená, že laser o výkonu 100 W může vyzařovat 100 joulů energie za sekundu.

Výkon laseru nelze zaměňovat s hustotou výkonu. Lasery o výkonu 50 W a 200 W dokáží zaostřit energii stejným způsobem a vykonávat stejné úkoly. Protože lasery s vyšším výkonem vyzařují více energie za jednu sekundu, mohou jednoduše vykonat stejnou práci rychleji.

Výkon laseru je jen o tom, kolik energie lze vyzařovat během jedné sekundy. To je vše.

Kontinuální vs. pulzní laserový výkon

Dva hlavní typy laserů využívají dostupný laserový výkon odlišně.

• Kontinuální lasery  uvolňují v průběhu času konzistentní množství energie. Například kontinuální laser o výkonu 50 W konzistentně uvolňuje 50 joulů energie za sekundu.
• Pulzní lasery  uvolňují energii v pulzech s krátkými pauzami mezi jednotlivými uvolněními energie, aby se energie akumulovala před vyzářením dalšího pulzu. To umožňuje pulzním laserům dosáhnout vyšších energetických špiček.

Pulzní lasery jsou často upřednostňovány před lasery s kontinuální vlnou, protože mohou generovat vysokoenergetické špičky potřebné pro ablaci materiálu, která je nezbytná pro procesy, jako je laserové značení, laserové čištění a laserové texturování.

Parametry laseru, které řídí využití laserového výkonu

Parametry laseru lze upravit tak, aby se řídilo, jak se využívá dostupný laserový výkon. Pojďme si projít běžné parametry laseru, abychom pochopili, jak mohou pomoci dosáhnout různých výsledků.

Pulzní energie

Každý puls obsahuje specifické množství energie. Naše lasery obvykle konfigurovány tak, aby uvolňovaly 1 milijoule (mJ) energie na puls. Někdy energii pulsu snižujeme pro aplikace, které vyžadují méně energie. Například laserové žíhání nerezové oceli vyžaduje pomalý ohřev povrchu, takže jsou potřeba nižší energetické špičky.  

Trvání pulzu

Každý laserový puls má specifickou dobu trvání, což umožňuje koncentrovat energii v krátkém časovém úseku. Čím kratší je doba trvání pulsu, tím vyšší je špičkový výkon. Toto se také nazývá délka pulsu.

Například femtosekundové lasery dostaly svůj název podle doby trvání pulzu, která se pohybuje od několika femtosekund do stovek femtosekund. Naše lasery konfigurovány s dobou trvání pulzu od 20 nanosekund do 500 nanosekund.    

Frekvence opakování pulzů

Frekvence opakování pulzů je počet pulzů za sekundu. Často se vyjadřuje v hertzech (Hz) nebo kilohertzech (kHz), kde 100 kHz je 100 000 pulzů za sekundu.

Převodní tabulka frekvence opakování pulzů

Lasery s vyšším výkonem lze použít k uvolnění více pulzů za sekundu. Například laser o výkonu 100 W dokáže uvolnit 100 000 pulzů o síle 1 mJ za sekundu, zatímco laser o výkonu 500 W dokáže uvolnit 500 000 pulzů o síle 1 mJ za sekundu.

Pro další objasnění tohoto konceptu, 100W může také uvolnit 500 000 pulzů za sekundu, ale k tomu je třeba energii pulzu snížit na 0,2 mJ. Je to proto, že frekvence opakování řídí rozložení laserového výkonu v čase. Pokud vynásobíte energii pulzu frekvencí opakování pulzů, získáte laserový výkon.

Příklady distribuce laserové energie

Pro splnění požadavků na vysokou opakovací frekvenci (tj. produkovat více pulzů za sekundu) je zapotřebí vysoce kvalitní laserová skenovací hlava, která efektivněji přesměruje laserový paprsek.

Velikost bodu

Laserové paprsky mohou mít různé tvary (kulaté, čtvercové, obdélníkové atd.) a laserová energie může být v této oblasti nerovnoměrně rozložena. Velikost bodu představuje průměr laserového paprsku, kde je energie nejvíce zaostřena. U gaussovských paprsků se zastaví tam, kde intenzita laserového paprsku klesne na ~13,5 % jeho maximální hodnoty. 

Menší velikost bodu znamená vyšší energetický vrchol. Lze jej upravit pomocí optických komponent, jako jsou ohniskové čočky a expandéry paprsku.

Některé laserové procesy vyžadují menší velikost bodu. Například pro laserové značení obvykle používáme velikost bodu 0,125 mm. Pro procesy, které vyžadují hlubší pronikání do materiálu, však používáme menší velikost bodu 0,075 mm.

Profil nosníku

Profil paprsku vyjadřuje rozložení energie laserového světla podél průměru laserového paprsku. Měří se pomocí profilovače paprsku, který poskytuje grafické znázornění. Můžeme ho měřit na různých místech podél dráhy laserového paprsku.

Pokud se podíváte na Gaussův profil, čím dále jste od středu paprsku, tím nižší je energetická hladina. Pokud se podíváte na profil s plochým vrcholem, je energetická hladina konstantní. Gaussovské profily mohou dosáhnout vyšších špičkových výkonů a menších velikostí bodů, zatímco profily s plochým vrcholem lépe využívají celkovou energii a mohou dosáhnout přesnějších výsledků (například čistších řezů při laserovém řezání).

Ploché paprsky jsou méně nákladově efektivní než gaussovské paprsky, protože vyžadují dodatečné nastavení (tj. difrakční optické prvky, které modifikují tvar paprsku). Gaussovské paprsky mají „přirozený“ tvar paprsku.

Průměrný výkon, špičkový výkon a hustota výkonu: Jaký je mezi nimi rozdíl?

Pojďme si rozebrat důležité koncepty, abychom pochopili úrovně výkonu paprsku dosahované lasery. Jak uvidíte, laser o výkonu 100 W dokáže generovat výkon výrazně přesahující 100 W.

Průměrný výkon

Průměrný výkon je totéž co výkon laseru. Představuje průměrný výstupní výkon laseru za jednu sekundu. Laser o výkonu 100 W, ať už kontinuální nebo pulzní, má průměrný výkon 100 W.

Špičkový výkon

Špičkový výkon je nejvyšší výstupní výkon dosažený laserem během určitého časového intervalu. Jednoduše řečeno, udává množství energie, kterou puls obsahuje, v porovnání s jeho délkou trvání.

Když se milijouly koncentrují v krátkém časovém úseku, dosahují vysokých energetických hladin. Efekt je podobný, jako když téměř úplně ucpete trysku hadice. Výsledný tlak vody vycházející z malého otvoru je mnohem větší. Totéž platí pro energii laserového paprsku, když je zaostřen na malou plochu a po krátkou dobu.

Výpočet špičkového výkonu

Pro výpočet špičkového výkonu jednoduše vydělte energii pulzu (v joulech) dobou trvání pulzu (v sekundách). Například pulz 1 mJ s dobou trvání pulzu 100 ns má špičkový výkon alespoň 10 000 wattů.

Hustota výkonu

Hustota výkonu, známá také jako ozáření, je parametr, který nám pomáhá pochopit koncentraci energie. Měří se ve W/cm² ^a ukazuje, jaká je rychlost přenosu energie (vyjádřená ve wattech) ve vztahu k velikosti paprsku (vyjádřené v cm² ⁾ .

Pro určení hustoty výkonu můžete laserový výkon vydělit velikostí paprsku. Například naše 100W lasery s velikostí paprsku 0,000 067 929,1 cm² generují  hustotu výkonu ~1 470 000 W/ ^cm² .

Příklady laserových výkonů

Vysoce výkonné laserové gravírování

500W vláknový laserový systém se zarývá hluboko do materiálu a vytváří značení odolné proti tryskání. Výkon laseru použitý k tomuto účelu je ve srovnání s většinou aplikací laserového značení vysoký, protože k efektivnímu zarytí do kovu jsou zapotřebí vyšší úrovně energie.

Nízkoenergetické laserové žíhání

Tento nízkovýkonný vláknový laserový systém je konfigurován tak, aby pomalu zahříval povrch nerezové oceli a vytvořil tak chemickou reakci pod povrchem, což umožňuje vnitřní oxidaci a zároveň zachovává ochrannou pasivovanou vrstvu na povrchu neporušenou.