CO 2 -lézer

A pumpáló forrás rendszerint elektromos kisülés, amely lehet közvetlen vagy közvetett csatolású. A kisülés a lézer tengelye mentén van. Nagyobb térfogatú gáz egyenletes gerjesztése és ennek megfelelően nagyobb teljesítmény érhető el a lézer optikai tengelyére keresztirányú kisüléssel. Keresztirányú (transzverzális) kisülés alkalmazható atom- és molekuláris lézerek gerjesztésére. Stabil folyamatos kisülésre általában nincs lehetőség, így egyedi vagy ismételt impulzuskisülést alkalmaznak. A gerjesztés elérhető még elektronsugarakkal, kémiai reakciókkal és fúvókán keresztüli tágulásnál előálló hirtelen nyomásváltozás révén.

Nagy teljesítmények eléréséhez hosszú rezonátorokat készítenek, ezekben több részből álló kisülési csöveket alkalmaznak, hogy így a szükséges feszültség elfogadható határok között maradjon. Annak érdekében, hogy a tényleges hosszúság a lehető legkisebb legyen, a csövet többszörösen összehajtogatják párhuzamos vagy szögletes (háromszög, négyszög) csőszakaszokká: az egyes hajtogatásokhoz egyszerű tükröket vagy kettős, ill.

hármas irányforduló reflektorokat tesznek. A kimenet rendszerint folyamatos, de nagy teljesítményű impulzusüzem is lehetséges. Oszcillátor-erősítő konfigurációval sikerült előállítani nagy csúcsteljesítményű impulzusokat is. Kb. 500 W alatti teljesítmények esetén folyamatos áramlású rendszereket alkalmaznak, amelyekben a gáz veszendőbe megy. Nagyobb teljesítményeknél és nagyobb gázáramlási sebességnél gázcirkulációs, zárt rendszereket használnak, ezekben a disszociációs folyamatot katalizátor fordítja vissza.

A CO2-lézer által előállított nyalábot tükrök segítségével térítik el.

2.6.1.1. ábra Forrás: http://www.lasersystems.hu/

Az iparban hegesztésre használt CO2-lézerek általában 4–20 kW teljesítménytartományban egyelőre még domináns szerepet töltenek be, de már megjelentek és egyre terjedőben vannak új, diódagerjesztéses szilárdtestlézerek is, amelyeknek fontos szerepük lesz a jövő lézeralkalmazásaiban. A CO2-lézerek sugárvezetése körülményes, a rézből készült tükrök és az optikai (ZnSe) lencsék meglehetősen robusztus kialakítást igényelnek. A lézersugarat sugárvezető karok (2.6.1.2. ábra) segítségével is lehet irányítani.

A lézerrendszerben alkalmazott anyagok és alkatrészek

2.6.1.2. ábra Forrás: http://www.lasersystems.hu/

Ebben az esetben a csuklókba helyezett tükrök törik meg a sugár irányát. Ezzel a megoldással leggyakrabban kézi lézeres alkalmazásoknál találkozhatunk, például orvosi lézerek esetében.

A síkágyas lézerberendezések alapvető működési elve, hogy a lézernyaláb egy x-y hidas síkágyas rendszeren keresztül jut el a rendeltetési helyére. A nagy, ipari lézervágó berendezések is ezen az elven működnek. A munkaterület felett elhaladó hídon mozog a lézerfej, melyben egy optikai lencse a lézersugarat a munkadarab felületére fókuszálja (2.6.1.3. ábra).

A lézerrendszerben alkalmazott anyagok és alkatrészek

2.6.1.3. ábra Forrás: http://www.lasersystems.hu/

A síkágyas lézerberendezéseknél megadott munkafelület bármely x-y koordinátája elérhető. A rendszer használható vektoros üzemmódban (körvonal követése) és raszteres üzemmódban (soronkénti megmunkálás) is.

A síkágyas lézergépek a galvorendszerű lézergépeknél jóval nagyobb munkaterülettel rendelkeznek. A síkágyas rendszer előnye – a nagy megmunkálási felület mellett – a lézersugár kis foltátmérője, mellyel akár 1 pt (~ 0,2 mm) méretű apró karaktereket is kiváló minőségben gravírozhatunk. A síkágyas rendszereknél a kis foltátmérő eléréséhez rövidebb fókusztávolságú lencséket alkalmaznak, míg a galvorendszereknél főleg nagy fókusztávolságú lencsék terjedtek el. A kis fókusztávolságnak és foltátmérőnek köszönhetően nagyobb az energiasűrűség a fókuszpontban, ezáltal nagy felbontóképesség érhető el, továbbá a nagy energiasűrűségű lézernyalábbal a vágható anyagvastagság is megnő.

A síkágyas rendszer másik nagy előnye, hogy viszonylag kis tömegű a lézerfej, ami lehetővé teszi nagy gyorsulások és sebességek elérését, azaz a gyors anyagmegmunkálást. Az ilyen kialakításnál ügyelni kell a tükrök pontos beállítására. Nagyobb méretek esetén szükséges egy sugárnyaláb-tágító beépítése is, melynek célja a különböző távolságokban észlelhető teljesítménykülönbség és a fókuszpontban mérhető sugárátmérő jelentős változásainak kompenzálása.

Vannak olyan síkágyas rendszerek is – általában nagyobb munkafelületű gépek –, melyeknél a lézerforrás a hídon mozgó kocsira van beépítve (2.6.1.4. kép).

A lézerrendszerben alkalmazott anyagok és alkatrészek

2.6.1.4. ábra Forrás: http://www.weldstart.hu/

Az ilyen kialakítás előnye, hogy a munkafelület minden pontján azonos lesz a lézersugár teljesítménye és foltátmérője.

Hátránya, hogy a hídon mozgó kocsinak nagy a tömege, mivel a lézerforrást is mozgatnia kell. Továbbá ennél a rendszernél a kocsi mozgatásához jóval erősebb mechanikát, komoly, jellemzően nagy teherbírású motorokat kell alkalmazni. Ez a kialakítás a több száz W teljesítményű vágó lézergépeknél terjedt el. Ezek a gépek nagyon kis sebességgel raszteres megmunkálásra is képesek. Ezen az elven működnek a nagyméretű, fémek vágására használt síkágyas lézerberendezések is. A lencsék cserélgetésével oldják meg a különböző vastagságú és anyagú lemezek vágását. A síkágyas lézergépek alkalmasak szinte bármilyen anyag jelölésére, vágására, valamint – a lézerforrástól függően – fémek hegesztésére. Lencseválasztékuk igen nagy, egyes lencsék nagy felbontást eredményeznek, így a vastag lemezeket is könnyen átvágják.

Egy példa kisméretű, síkágyas lézergépre: az 1,5" (38,1 mm) fókusztávolságú lencse a 10.600 nm-es hullámhosszúságú lézersugarat 0,004" (0,101 mm) átmérőre tudja fókuszálni. Ez azt jelenti, hogy az 1,5"-os lencse által fókuszált lézersugár legkisebb átmérője a lencsétől 38,1 mm távolságra van, ezt nevezzük fókuszpontnak. Ezt a pontot úgy kell elképzelni, mint a homokóra közepén lévő szűkületet, ahol a homokszemek átfolynak. A lézersugár fókuszpontja is egy szűkület, ahol a lézersugár áthalad, majd újra széttart.

A szűkület hossza, amit fókuszmélységnek nevezünk, függ a lézersugár és a lencse optikai tulajdonságaitól. A fókuszmélység a 1,5"-os lencse esetében 1,8 mm. Tehát a megmunkálni kívánt anyagot a lencsétől nem kell tized mm pontosságra helyeznünk, mert a fókusztávolságtól az 1,8 mm felével, azaz 0,9 mm-rel felfelé és lefelé is eltérhetünk a fókuszponttól. Jelen esetben 37,2 mm és 39 mm távolságban is ugyanazt a foltátmérőt érjük el.

Természetesen a pontos fókusztávolság beállítását fókuszkulcs vagy szenzoros autofókusz segíti. A kis foltátmérőnek köszönhető a nagyon finom grafikai megjelenítés, ami persze a megmunkált anyag reakcióitól is függ.

A legtöbb síkágyas rendszerben a lézerforrás fix helyre van beépítve. A lézersugarat több tükör segítségével vezetik ki a lézerfejhez, majd a munkafelületre fókuszálják. Gyakori felépítés: az első tükör a lézerforrásból érkező lézersugarat a kettes tükör felé irányítja, mely a lézerfejet tartó híd oldalán helyezkedik el. A kettes tükör a lézersugarat a hídon az x irányban mozgó lézerfejben lévő harmadik tükör felé irányítja, a harmadik tükör

A lézerrendszerben alkalmazott anyagok és alkatrészek

pedig a fókuszlencsére irányítja a lézernyalábot. A lencse és a lézernyaláb optikai tulajdonságaitól függően a fókusztávolság változhat.