Technologia hybrydowa MultiWave łączy wiele wiązek laserowych o różnych długościach fal w jedną współosiową wiązkę laserową. Istnieją systemy wykorzystujące niezależnie dwie różne długości fal lasera, ale jest to pierwsza technologia zdolna do łączenia wielu długości fal w jedną wiązkę. Zapewnia to cenne narzędzie dla opracowywanie nowatorskich technologii przetwarzania materiałów.

Jednym z przykładów istniejącej aplikacji wykorzystującej niezależnie dwie długości fal jest cięcie stali nierdzewnej. W tym zastosowaniu wiązka lasera 1,06 μm jest używana do lokalnego ogrzewania stali, zwiększając w ten sposób jej chłonność optyczną. Po podgrzaniu materiału wiązka lasera 1,06 μm jest wyłączana, a do zakończenia operacji obróbki materiału używany jest laser 10,6 μm, który jest znacznie tańszy w eksploatacji. Dzięki temu jedna długość fali lasera może modyfikować właściwości materiału, dzięki czemu druga długość fali lasera może znacznie wydajniej przeprowadzić operację obróbki materiału.

Technologia MultiWave Hybrid przenosi tę możliwość w nowy wymiar. Umożliwia połączenie wielu wiązek laserowych o różnych długościach fal w jedną wiązkę współosiową. Każdy element tej hybrydowej wiązki laserowej jest niezależnie kontrolowany, aby zapewnić optymalną elastyczność obróbki laserowej dla nieograniczonej liczby materiałów organicznych i nieorganicznych. Ponadto unikalna konstrukcja układu optycznego pozwala na jednoczesne ogniskowanie wszystkich długości fal w tej samej płaszczyźnie. Pozwala to na współpracę różnych długości fal w celu zapewnienia możliwości przetwarzania materiału, które nigdy wcześniej nie były możliwe.

Oddziaływanie energii lasera z materiałami

Wiązka laserowa to fala elektromagnetyczna o charakterystycznej długości fali. Długość fali zależy od rodzaju lasera używanego do generowania wiązki. Rysunek 1 przedstawia fragment widma elektromagnetycznego rozciągającego się od obszaru ultrafioletu po lewej stronie, przez obszar widzialny w środku i do obszaru podczerwieni po prawej. Widmo przedstawia różne typy laserów, każdy na charakterystycznej długości fali. Te pojedyncze lasery mają zastosowania od mikroelektroniki, poprzez optyczne przechowywanie, po laserową obróbkę materiałów.

Technologia MultiWave Hybrid łączy kilka z tych długości fal w jedną wiązkę, aby nadać nowy wymiar sposobowi interakcji energii lasera z materiałami.

Kiedy wiązka laserowa (jak każda fala elektromagnetyczna) przechodzi przez materiał, w pewien sposób oddziałuje z materiałem. Pole elektryczne związane z wiązką lasera powoduje ruch wszelkich naładowanych cząstek w materiale. W strukturze atomowej dowolnego materiału istnieją dwa rodzaje naładowanych cząstek: elektrony i protony. Protony mają stosunkowo dużą masę i są trudne do poruszania. Elektrony mają znacznie mniejszą masę; dlatego mogą się łatwiej poruszać w odpowiedzi na siłę wywieraną przez składową pola elektrycznego wiązki laserowej. Ruch ten jest regularną oscylacją z okresem określonym przez długość fali wiązki laserowej.

Po wprawieniu w ruch przez wiązkę lasera poruszające się elektrony muszą powrócić do stanu równowagi. Osiąga się to za pomocą jednego z dwóch mechanizmów. Elektrony mogą ponownie emitować energię elektromagnetyczną w przypadkowych kierunkach, mówi się wtedy, że wiązka lasera jest odbijana lub transmitowana w zależności od kierunku. Alternatywnie, populacja elektronów oscylujących w tym samym okresie może przenieść swoją energię do sieci materiału. W tym przypadku mówi się, że energia wiązki laserowej jest pochłaniana.

Oddziaływanie energii lasera z materiałami organicznymi

Mówiąc ogólnie, materiały organiczne to łańcuchy atomów węgla z atomami wodoru połączonymi w regularnych odstępach (Rysunek 2). W przypadku organicznych ciał stałych łańcuchy te mogą` mieć długość tysięcy atomów węgla.

Ze względu na regularną strukturę molekularną tych materiałów organicznych mogą one oscylować tylko w określonych modach. Na przykład wiązania węgiel-węgiel mogą rozciągać się i rozluźniać z pewnym charakterystycznym okresem lub mogą obracać się w przód iw tył, ponownie z charakterystycznym okresem. Implikacja dla obróbki laserowej jest taka, że absorbowane są tylko wiązki laserów o długościach fal, które odpowiadają naturalnym okresom oscylacji materiału organicznego. Jeśli długość fali lasera nie odpowiada charakterystycznym okresom oscylacji, wówczas energia lasera zostanie odbita lub przesłana dalej (transmitowana).

Punkt ten ilustruje widmo absorpcyjne akrylu, powszechnego materiału organicznego (Rysunek 3). Z wykresu wynika, że w przypadku lasera 10,6 μm prawie 100% energii lasera jest absorbowane. W przeciwieństwie do tego, absorpcja energii lasera 1,06 μm jest bliska zeru.

Większość organicznych ciał stałych, składających się z długołańcuchowych węglowodorów, ma optyczne widma absorpcji podobne do akrylu. Mają tendencję do bardzo silnego pochłaniania w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni, od około 3 μm do 15 μm długości fali. To wyjaśnia, dlaczego lasery CO2 o długości fali 10,6 μm jest tak skuteczne w przypadku materiałów organicznych.

Oddziaływanie energii lasera z metalami

W przypadku metali elektrony walencyjne nie są ograniczone przez sieć atomową materiału. Zamiast tego tworzą wolną chmurę elektronów. Kiedy wiązka laserowa uderza w metal, powoduje oscylację wszystkich elektronów w chmurze z okresem podyktowanym długością fali wiązki laserowej. Ta oscylacja generuje pole elektryczne przesunięte o 180 stopni w fazie z uderzającą wiązką lasera. To sprawia, że wiązce laserowej bardzo trudno jest wniknąć w metal na więcej niż kilka warstw atomowych.

Aby rozwiązać ten problem, wymagana jest wiązka laserowa składająca się z fotonów o wysokiej energii. Energia wiązki laserowej (lub dowolnej fali elektromagnetycznej) jest odwrotnie proporcjonalna do jej długości fali. Wracając do rysunku 1, lasery po lewej stronie rysunku mają krótsze długości fal, a zatem większą energię fotonów niż lasery po prawej stronie rysunku. Fotony o wyższej energii są w stanie wzbudzić więcej elektronów w rdzeniu, gdzie nadwyżka energii jest łatwiej absorbowana przez materiał.

Przedstawiono to na rysunku 4, który przedstawia współczynnik odbicia stali nierdzewnej jako funkcję długości fali. Na długości fali 10,6 μm odbija się 90% energii. Jednak tylko 60% energii lasera 1,06 μm jest odbijane.

Łączenie wielu długości fal lasera

Jednym z istniejących zastosowań przemysłowych, które wykorzystuje dwie różne długości fal lasera, jest obróbka stali, jak wspomniano we wstępie. Stal odbija wiązki lasera o większej długości fali, jak pokazano na rysunku 4. Dlatego stal jest generalnie przetwarzana za pomocą wiązek lasera o krótszej długości fali (tj. 1,06 μm). Korzyści ekonomiczne uzyskuje się poprzez wstępne podgrzanie stali wiązką laserową o krótszej długości fali, która jest łatwo absorbowana przez stal, a następnie przejście na wiązkę laserową o większej długości fali, która jest bardziej ekonomiczna w eksploatacji.

Ogrzewanie stali wiązką laserową o krótszej długości fali powoduje wzrost drgań sieci (fononów). To z kolei zwiększa prawdopodobieństwo, że wzbudzone elektrony w chmurze przekażą swoją nadwyżkę energii do sieci (tj. Absorpcji), w przeciwieństwie do ponownego emitowania nadmiaru energii (tj. Odbicia). Zjawisko to można rozszerzyć na wiele innych metali, jak wykazali Prokhorov i in.

Na rysunku 5. ta figura pokazuje liniowy wzrost chłonności kilku czystych metali wraz ze wzrostem temperatury. Stopniowy wzrost chłonności, który jest widoczny dla kilku metali, następuje w ich temperaturach topnienia.

Możliwość wykorzystania jednej długości fali lasera do modyfikowania właściwości materiału, umożliwiając w ten sposób bardziej wydajną obróbkę materiału o innej długości fali lasera, jest jedną z kluczowych zalet technologii MultiWave Hybrid. Podstawową zaletą tej nowej technologii jest możliwość łączenia poszczególnych długości fal lasera w jedną współosiową wiązkę laserową. Wprowadza to nowe możliwości, których nie można osiągnąć żadną inną technologią laserową.

Na przykład Ruettimann i in. wykazali, że połączenie wiązki laserowej o długości 532 nm z wiązką laserową o długości fali 1064 nm dało spoinę miedzianą przewyższającą jakąkolwiek spoinę, którą można było uzyskać niezależnie przy każdej długości fali.

W innym przykładzie Klotzbach i wsp. wykazano, że polimerów wzmocnionych włóknem węglowym nie można dokładnie ciąć za pomocą wiązki lasera 10,6 μm lub 1,07 μm; Jednak lepszą jakość cięcia laserowego uzyskuje się, jeśli te dwie długości fal są połączone w jedną wiązkę laserową.

Rysunek 6 przedstawia arkusz Delrin ™ oznaczony przy użyciu trzech różnych technologii laserowych. Znak laserowy na górze obrazu został utworzony przy użyciu lasera o długości fali 10,6 μm. Ten znak ma głębokość 0,003 ”(76 μm), ale nie ma kontrastu. Znacznik laserowy w środku został utworzony przy użyciu lasera 1,06 μm. Ten znak ma kontrast, ale nie ma głębi. Technologia hybrydowa MultiWave stworzyła znak laserowy na dole, używając wiązki lasera o długościach fal 10,6 μm i 1,06 μm. Znak ten ma zarówno kontrast, jak i głębokość 0,003 ”(76 μm). Stanowi to nowy rodzaj znakowania laserowego, który nie był możliwy w przeszłości. Ten nowy rodzaj znaku ma głębokość, która zapewnia trwały znak i kontrast, który pomaga w widoczności.

Innym przykładem zademonstrowanej korzyści technologii MultiWave Hybrid jest cięcie laserowe polimeru wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP). Rysunek 7 przedstawia arkusz materiału CFRP wycięty przy użyciu trzech różnych technologii laserowych. Górne kółko pokazuje próbę cięcia materiału laserem 10,6 µm. W tym przypadku polimer został usunięty z powierzchni CFRP, ale nie ma penetracji przez włókna węglowe. Środkowe kółko wycięto za pomocą lasera 1,06 µm. Ten laser całkowicie przecina CFRP. Jednak prędkość skrawania jest niska i następuje znaczne stopienie polimeru w pobliżu krawędzi cięcia. Przyczyną topienia jest to, że laser 1,06 µm przecina tylko włókno węglowe. Resztkowe ciepło z cięcia włókna węglowego, a następnie topi polimer. Rozcięcie na dole zostało stworzone przy użyciu technologii MultiWave Hybrid. Tutaj dwie długości fal lasera są połączone w celu uzyskania najwyższej jakości cięcia. Laser 10,6 µm usuwa polimer, podczas gdy laser 1,06 µm przecina jednocześnie włókno węglowe. Pozwala to na cięcie CFRP o połowę krócej (w porównaniu z użyciem tylko lasera 1,06 µm), przy znacznie mniejszym stopieniu polimeru. Dwie mikroskopijne wstawki po prawej stronie dodatkowo wskazują, że strefa wpływu ciepła (zaciemniony obszar) jest znacznie mniejsza w przypadku technologii MultiWave Hybrid w porównaniu z samym laserem 1,06 µm.

Przykłady podkreślają korzyści wynikające z połączenia zaledwie dwóch długości fal lasera. Technologia hybrydowa MultiWave przewyższa tę możliwość, umożliwiając łączenie dowolnej liczby różnych długości fal lasera w celu optymalizacji możliwości przetwarzania materiału.

Technologia MultiWave Hybrid łączy wiele długości fal i umożliwia niezależne sterowanie każdą wiązką laserową. Moc szczytową, moc średnią, gęstość mocy, częstość i czas trwania impulsu każdej długości fali wiązki laserowej można indywidualnie kontrolować.

Ponadto można zaprogramować czasowe korekty każdego z tych atrybutów wiązki laserowej, aby zoptymalizować każdy etap operacji obróbki materiału. Otwiera to przed naukowcem niezliczone możliwości zrozumienia natury interakcji energii lasera z różnymi materiałami. Umożliwia rozwój i optymalizację nowych procesów produkcyjnych, które zapewniają jakość i wydajność wyższą niż procesy o pojedynczej długości fali.

Podsumowanie

Firma Universal Laser Systems opracowała unikalną technologię łączenia wielu wiązek laserowych o różnych długościach fal w jedną współosiową wiązkę laserową. Technologia ta umożliwia niezależną regulację każdej składowej długości fali wiązki lasera hybrydowego, aby zapewnić optymalne możliwości obróbki laserowej nieograniczonej liczby materiałów. Technologia MultiWave Hybrid zapewnia wyniki nieosiągalne w przypadku lasera o jednej długości fali.