Принцип работы лазера: основные типы и применение в промышленности

[Liza]

Лазер — это устройство, которое генерирует мощный направленный световой пучок. В этой статье разберём, как он работает, и рассмотрим ключевые типы лазеров. Это поможет выбрать подходящую модель для резки металлов или других задач в производстве.

Знание принципа работы лазера упрощает выбор оборудования. Вы поймёте, почему один тип лучше режет сталь, а другой — пластик. Такие знания решают проблемы с низкой эффективностью станков и высокими затратами на обслуживание.

Принцип работы лазера

Лазер создаёт свет через процесс стимулированной эмиссии. Активная среда — газ, кристалл или полупроводник — сначала возбуждается энергией: электрическим током, светом или разрядом. Атомы переходят на высокий энергетический уровень, а потом возвращаются, испуская фотоны. Эти фотоны сталкиваются с другими возбуждёнными атомами, вызывая цепную реакцию — лавину одинаковых фотонов.

Резонатор усиливает пучок: два зеркала отражают свет туда-сюда, пока он не выйдет узким лучом. Этот луч когерентный (волны в фазе), монохроматический (одна длина волны) и направленный. Пример: в CO2-лазере электрический разряд возбуждает молекулы углекислого газа, генерируя инфракрасный свет для резки дерева или акрила. Такой подход обеспечивает точность до микрон и минимальный нагрев.

Вот этапы работы лазера:

• Накачка: подача энергии в активную среду для создания населённости верхних уровней.
• Генерация: спонтанное излучение запускает стимулированную эмиссию.
• Усиление: резонатор многократно усиливает пучок до выхода.

Этап	Описание	Пример
Накачка	Возбуждение атомов	Электрический разряд в газе
Генерация	Выпуск фотонов	Столкновение фотонов в среде
Усиление	Отражение в резонаторе	Зеркала фокусируют луч

Основные типы лазеров

Тип лазера определяется активной средой, которая влияет на длину волны и применение. Газовые лазеры хороши для неметаллов, волоконные — для металлов. Выбор зависит от материала: сталь требует ИК-диапазона для глубокого проникновения, пластик — видимого света.

CO2-лазеры излучают в инфракрасном диапазоне (10,6 мкм), идеальны для резки пластика, дерева, ткани. Электрический разряд возбуждает смесь CO2, N2 и He. Они мощные, но требуют газового обслуживания. Пример: гравировка на акриле или резка фанеры на станках ЧПУ.

Сравнение популярных типов:

Тип	Активная среда	Длина волны	Применение
CO2	Газ (CO2)	ИК (10,6 мкм)	Пластик, дерево, ткань
Волоконный	Оптическое волокно	ИК (1 мкм)	Металлы: сталь, алюминий
Диодный	Полупроводник	Видимый/ИК	Гравировка, медицина

• Газовые лазеры: Высокая однородность, для резки неметаллов. Минус — обслуживание газа.
• Эксимерные: УФ-излучение для микрочипов и коррекции зрения.
• Полупроводниковые: Компактные, КПД до 50%, для электроники.

Газовые и твердотельные лазеры

Газовые лазеры используют газы вроде CO2 или He-Ne. Разряд создаёт плазму, атомы излучают свет. Они мощные для промышленной резки: CO2 режет до 20 мм пластика за проход. He-Ne — для указок и голографии, низкая мощность, но стабильны.

Твердотельные лазеры имеют кристалл с примесями (рубин, неодим). Фотонная накачка лампами возбуждает ионы. Пример: Nd:YAG для сварки металлов. Они компактны, работают в импульсном режиме, подходят для ЧПУ-станков. Волоконные — подтип твердотельных, с волоконной средой для высокой эффективности (КПД 30%).

Ключевые различия:

• Газовые: дешёвые в производстве, но газ улетучивается.
• Твердотельные: долговечные, меньше потерь энергии.

Свойство	Газовые	Твердотельные
Мощность	Высокая	Средняя-высокая
Обслуживание	Газ пополнять	Минимальное
Материалы	Неметаллы	Металлы

Волоконные и диодные лазеры

Волоконные лазеры усиливают свет в оптическом волокне с редкоземельными ионами (иттербий). Диоды накачивают волокно, пучок выходит сфокусированным. Они режут металл на 50% быстрее CO2, срок службы 100 000 часов. Применение: автопром, металлообработка.

Диодные (полупроводниковые) — самые компактные. Ток через p-n-переход генерирует свет. Длина волны от УФ до ИК, регулируется материалом (GaAs для ИК). Идеальны для портативных гравёров и принтеров. Нюанс: чувствительны к перегреву, нужен охлаждение.

Преимущества волоконных:

• Высокий КПД (до 50%).
• Минимальные расходы на эксплуатацию.
• Точность резки ±0,01 мм.

Преимущества диодных:

• Низкая цена.
• Компактность.
• Быстрый запуск.

Где лазеры незаменимы

Лазеры решают задачи от резки до маркировки, но выбор типа определяет успех. Остались детали по импульсным режимам и классам безопасности — от I (безопасный) до IV (опасный для кожи). Стоит изучить, как ЧПУ интегрируется с лазером для автоматизации.