Co znamená laser?
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Pokud bychom tento název chtěli přeložit do češtiny, znělo by to jako Zesilování Světla Stimulovanou Emisí Záření – ZSSEZ. Jelikož tuto zkratku nikdo nezná, nepoužívá se a nedá se téměř ani vyslovit, přejali jsme z angličtiny slovo LASER.
Laická veřejnost, která čte tento článek a spatří slovo radiation (radiace) automaticky zpozorní. V tomto případě se však jedná o anglický ekvivalent slova pro vyzařování, sálání nebo záření, které probíhá nejen u radioaktivních látek, ale také například u klasické žárovky, která vyzařuje pouze světlo. Takže z pohledu možného radioaktivního ozáření člověk nemusí mít žádný strach.
Jak laser funguje?
Jak už jsme výše psali, laser je založen na vynucené (stimulované) emisi záření. Obsahuje tři nepostradatelné věci:
- Aktivní prostředí (např. krystal syntetického rubínu, plyn apod.)
- Rezonátor (zesilovač)
- Zdroj energie (výbojka, dioda)
Do aktivního prostředí je zdrojem pumpována energie. Tato energie způsobuje, že jsou elektrony aktivního prostředí vybuzeny ze základní energetické hladiny do vyšší energetické hladiny (absorbovaly energii). Na této vyšší hladině se však neudrží příliš dlouho a následně ve velmi krátkém okamžiku sestoupí zpět do základní energetické hladiny. [1]
Energii, kterou elektrony absorbovaly při přechodu na vyšší energetickou hladinu, poté vyloučí ve formě fotonů. Tyto fotony potom interagují s dalšími elektrony a dochází k řetězové reakci a tzv. lavinovému efektu. Výhodou tohoto procesu je, že vždy vznikají identické fotony (v podstatě světlo), které mají stejnou vlnovou délku, velmi malý rozptyl a jsou ve stejné fázi. [1]
V předchozích odstavcích jsme zmínili jak aktivní prostředí, tak zdroj energie, ale prozatím nebyla řeč o tzv. rezonátoru. Pod tímto pojmem si lze představit jakýsi zesilovač. Jedná se o prostor, který je umístěn v aktivním prostředí a je tvořen dvěma zrcadly, z nichž jedno je nepropustné a druhé polopropustné. Díky tomu lze po nějaký čas nahromadit fotony v rezonátoru (díky lavinovému efektu) a jakmile je jich dostatek, polopropustným zrcadlem je vypustit z rezonátoru ven.
Fotony neboli světlo, které z rezonátoru vychází, je vedeno výstupním vychylovacím zrcátkem přímo nebo světlovodem (u vláknových laserů). Dle toho, jaká je vlnová délka fotonů, vycházejících z laseru, dělíme značící lasery na několik typů:
- CO2 lasery – 9300 – 10600 nm
- IR lasery vláknové s fixní délkou pulzu – 1060 – 1080 nm
- IR lasery s proměnnou délkou pulzu (mopa lasery) – 1060 – 1080 nm
- IR lasery pevnolátkové Nodym, YAG – 1064 nm
- Green lasery – 532 nm
- UV lasery 355 nm
Každému typu se budeme věnovat v dalších článcích zvlášť.
Parametry laseru
Kromě výše zmíněných typů laserů je vhodné si popsat i parametry, které se u laserů nejčastěji nastavují.
Výkon laseru
Jinými slovy kolik energie se vyzáří za určitý čas. Tato energie se může projevit na značeném objektu roztavením v místě kontaktu paprsku se značeným předmětem, odpařením, odgravírováním, napěněním, nebo zbarvením značené plochy. Nutno říci, že každý materiál reaguje na laserový paprsek jinak. Obecně však platí, že čím větší výkon zvolíme, tím více práce laser za jednotku času vykoná.
Frekvence laseru
Jelikož se ve většině případů jedná alespoň u značících laserů (CO2 lasery jsou výjimka potvrzující pravidlo) o pulzní lasery, je poměrně důležitým parametrem i frekvence vypouštění jednotlivých pulzů. Ta se udává v HZ a říká nám, kolik pulzů za jednotku času (tedy za jednu sekundu) je laser schopen vyzářit.
Délka pulzu
Tento parametr je u spousty laserů statický. Jak již bylo řečeno v předchozím odstavci, u CO2 laserů je vlastně nastaven na nekonečno, protože laser buď ,,svítí“ a nebo ,,nesvítí“. Situace je však jiná u pevnolátkových laserů a vláknových laserů. U pevnolátkových laserů se setkáváme s poměrně krátkými délkami pulzu (typicky do 30 ns), proto jsou vhodné na značení zejména plastů a pro povrchové značení. Oproti tomu vláknové lasery mají délku pulzu od cca 50 – 250 ns, záleží na výrobci a určení laseru. Díky tomu jsou tyto lasery vhodné zejména pro značení kovů, gravírování a další aplikace. Specifickou skupinou jsou tzv. MOPA lasery. Jsou to vláknové lasery, které umí nastavit specifickou délku pulzu dle aplikace. Rozpětí takového nastavení je řádově od 2 – 500 ns (opět záleží na výrobci a určení laseru). Tyto lasery potom nalézají uplatnění všude tam, kde je třeba vysoká variabilita pro nastavení vhodných parametrů.
Rychlost vychylování paprsku
Asi není překvapením, že paprsek, který z laseru vychází, by byl bez vychylovacího systému k ničemu, protože by značil pouze do jednoho bodu. Proto na závěr cesty laserového paprsku laserem skončí laserový paprsek na tzv. vychylovacích zrcátkách, které ho vychylují v ose X a v ose Y. Na trhu jsou také speciální plotterové lasery, které pohyb v těchto osách realizují pomocí lineárního vedení. Tento typ laseru se však u laserů určených zejména k integraci do produkčních linek nepoužívá. Tento paprsek může nabývat hodnot od 1 mm/s až po 10 000 mm/s. Obvykle se ale při značení používá rozmezí od 200 mm/s do 2 000 mm/s. Čím vyšší rychlost vychylování paprsku je, tím je rychlejší také značení, avšak laserový paprsek nedokáže do jednotky plochy za daný čas přenést tolik energie, a tak značení nemusí být tolik kontrastní. Ve skutečnosti tedy posuzujeme kombinaci výkonu, frekvence, délky pulzu a rychlosti vychylování paprsku.
Překrývání/výplň
posledním parametrem, který se ale při značení nevyužívá vždy je tzv. ,,fill“ parametr. Při značení plných log nebo vyplněných true type fontů se jedná o parametr, který nám říká, jak těsně na sebe mají jednotlivé laserové čáry navazovat, jak daleko od sebe mají být. Obvyklá velikost (průměr) laserového paprsku, který dopadá na značený produkt je u vláknového laseru s čočkou 100 x 100 mm kolem 70 um. Proto, když chceme, aby byl materiál odebíraný konzistentně například v případě gravírování, volíme vzdálenost jednotlivých průchodů laseru právě na číslo blízké nebo stejné průměru paprsku. Volbou čočky můžeme také částečně ovlivnit vzhled značení. Kdybychom totiž u 20W vláknového laseru zvolili čočku s popisovým polem 200 x 200 mm, velikost paprsku by byla 140 um. Zdá se to jako zanedbatelná změna, nicméně díky rozprostření výkonu do větší plochy může laser značit úplně jinak.
Zdroje:
[1] https://www.wikiskripta.eu/w/Laser[2] https://www.optixs.cz/novinky/serial-na-tema-lasery-zakladni-princip-laseru-a-jejich-deleni