г. Санкт-Петербург
ул. Боровая, д. 51, Лит А

Принцип работы лазерной трубки

Новости Torden.ru
Принцип работы лазерной трубки

Лазерная трубка СО2 внешне представляет собой колбу из стекла, которая в свою очередь также состоит из нескольких внутренних стеклянных полостей. Всего лазерная трубка имеет 3 стеклянных контура. При этом газовая смесь располагается только в центральной колбе, которая также называется газоразрядная трубка, и во внешней колбе. Контур стекла вокруг газоразрядной трубки предназначен для протока охлаждающей жидкости. Кстати, из-за наличия катализатора внутренняя газоразрядная трубка окрашена в бледно-фиолетовый цвет.


электроды
С внешней стороны лазерной трубки выведены электроды – высоковольтный и низковольтный контакты.


Они необходимы для подключения к ним проводов, которые соединят трубку с блоком розжига. При этом некоторые лазерные трубки СО2, например трубки компании SPT, имеют уже впаянные провода в заводских условиях. Другие же производители, например RECI, имеют винтовой способ подключения проводов. То есть провода от блока розжига необходимо обмотать вокруг соответствующего винта и надежно вкрутить винт в отведенную резьбу. При этом высоковольтное соединение обязательно необходимо изолировать специальной высоковольтной изолентой, один слой которой защищает на пробой 10 кВ. Также на рынке встречаются лазерные излучатели низкого ценового сегмента, электроды которых выведены в виде оголенных контактов на 5-10 мм от стеклянной колбы. Соответственно, оператору станка необходимо будет самостоятельно при помощи паяльника и мягкоплавкого припоя припаять провода высоковольтного блока питания к этим электродам, стараясь не повредить стекло и не отломить электрод. Надо сказать, что мы крайне не рекомендуем к покупке такие трубки с оголенными электродами.

штуцеры
На внешней стеклянной колбе лазерной трубки СО2 расположено два штуцера.

Они сообщаются с внутренним стеклянным контуром охлаждения, который расположен между внешней колбой и внутренней газоразрядной трубкой. Штуцеры предназначены для входа и выхода охлаждающей жидкости. Вход воды осуществляется через штуцер, расположенный у положительного электрода – анода. Выход воды – с противоположной стороны, у наконечника трубки.

Что касается наконечников лазерных трубок СО2 – они бывают разных типов. Самые дешевые – стеклянные, посаженные на клей, который нередко рассыхается, что приводит к отслоению наконечника, и выходу трубки из строя. Кроме стеклянных есть множество вариаций металлических наконечников, которые являются более надежным решением.

Устройство лазерной трубки – что внутри? Какой газ?


Схема

Каждая лазерная трубка СО2 имеет внутри закачанный в заводских условиях газ. Однако, это не просто газ СО2, а специальная газовая смесь, где углекислый газ является лишь одним из компонентов. Как правило, большинство производителей используют трехкомпонентную газовую смесь. Это CO2-N2-He. То есть, углекислый газ, азот и гелий. Пропорции газовой смеси каждый производитель лазерных трубок СО2 подбирает сам. Однако газовая смесь лазерной трубки СО2 может включать в себя и дополнительные вещества – например, ксенон (Xe) или водород (H2).

При этом, у каждого элемента газовой смеси есть своя задача.

СО2 (углекислый газ) – основной элемент, который отвечает за выделение энергии в виде фотонов.

N2 (азот) – отвечает за запуск процесса колебания молекул СО2. Другими словами, приводит их в движение и заставляет работать.

He (гелий) – увеличивает ресурс газовой смеси, так как обладает высокой теплопроводностью и позволяет эффективно поддерживать низкую температуру газа.

Кроме газовой смеси внутри лазерной трубки СО2 находятся оптические элементы: внутреннее отражающее зеркало и выходное полупрозрачное зеркало.

Таким образом, оптический резонатор в лазерной трубке СО2 составляет газ CO2-He-N2, внутреннее зеркало и зеркало в наконечнике лазерной трубки. При этом качество зеркал напрямую определяет качество лазерного излучения.



Безопасна ли газовая смесь, если трубка лопнула прямо перед вами?

Да, если лазерная трубка разбилась при вас, то газовая смесь рассеется в окружающей атмосфере и концентрации ни одного из элементов газовой смеси не будет достаточно для нанесения какого-либо вреда здоровью.


Как работает лазерная трубка СО2?

Физика процесса такова, что для извлечения лазерного луча из лазерной трубки СО2 необходимо подать электрический ток через электроды. Ток подается блоком высокого напряжения – он же высоковольтный блок питания, он же блок розжига. Задача блока розжига состоит в том, чтобы создать инверсную заселенность газовой смеси. Другими словами, принцип работы состоит в том, чтобы привести газ в возбужденное состояние, при котором атомы осуществляют колебания, достаточные для генерации лазерного излучения.

При этом на розжиг газовой смеси влияют такие характеристики, как сила тока и напряжение. Для корректной ионизации газовой смеси конкретной модели лазерной трубки важно, чтобы блок питания подавал строго необходимое количество кВ напряжения для первичного розжига, а затем поддерживал состояние ионизации смеси правильным количеством кВ напряжения удержания. Что же касается силы тока, то, можно сказать, она напрямую влияет на выдаваемую мощность лазерной трубки. То есть, чем большую силу тока (в мА) мы подаем на трубку, тем большую мощность лазерного луча получаем на выходе. Каждая модель лазерной трубки имеет свои параметры по току розжига, току удержания и рекомендуемой силе тока. Таким образом, заявленный ресурс трубки может достигаться только при соблюдении как минимум этих требований по силе тока и напряжению.



Что представляет собой лазерный луч?



Выстрел

Лазерный луч, генерируемый лазерными трубками СО2, является потоком фотонов. То есть, по сути, мы имеем луч тепла. Именно поэтому лазерное излучение СО2 невидимо для спектра человеческого зрения, а при случайном попадании на кожу, луч лазера приводит к ожогу.

Длина волны луча лазера, выходящего из стеклянной лазерной трубки СО2 – 10.6 мкм. Это дальний инфракрасный диапазон (LWIR) по общепринятой схеме обозначения. Также есть лазерные СО2 излучатели с длиной волны 9,6 мкм, но такая длина волны применима скорее к RF-излучателям, а не стеклянным трубкам.


Многомонодвый или одномодовый режим работы?

Важно отметить, что лазерные трубки СО2 работают в многомодовом режиме. Что это означает? Модой лазерного излучения в нашем случае можно упрощенно назвать форму пятна, которую оставляет лазерный луч при попадании на поверхность материи. При подаче на лазерную трубку рекомендуемой производителем силы тока, качественная лазерная трубка СО2 покажет рисунок моды луча ТЕМ00. Это ровный сплошной круг, равномерно заполненный фотонами лазерного излучения.

Пятно

 Однако при подаче силы тока меньше рекомендуемой (например, 5 мА при рекомендуемых 20 мА) мы увидим, что мода луча не соответствует рисунку ТЕМ00. То есть, лазерный луч СО2 может иметь различную моду в процессе наращивания мощности – это происходит и-за того, что разная сила тока создает разную степень ионизации газовой смеси.

Можно сказать, что излучение лазерной трубки СО2 стремится к одномодовому режиму излучения и получению моды ТЕМ00 при соблюдении рекомендуемой производителем силы тока для конкретной модели лазерной трубки. Таким образом, проверку моды луча трубки корректно производить только при номинальной силе тока, подаваемого с высоковольтного блока питания.

Если у вас остались вопросы по принципу работы лазерной трубки СО2 или вам необходимо подобрать правильную модель излучателя для вашего лазерного СО2 станка – обращайтесь к нам, в компанию TORDEN. Лазерные трубки СО2 у нас всегда в наличии на складе. А перед отгрузкой клиенту каждый излучатель у нас проходит строгую проверку и контроль качества с использованием американского и немецкого оборудования.

Заявка на обратный звонок