Импульсные и непрерывные лазеры — это две разные технологии подачи луча в зону обработки: импульсные дают короткие всплески энергии для прецизионных операций (точечная сварка, маркировка), непрерывные создают стабильный луч обеспечивающий высокую мощность и глубину проплавления для резки, сварки и равномерной обработки материалов.
В статье разбираем, чем отличаются эти режимы, как они работают и в каких задачах каждый из них эффективнее.
Что такое импульсный и непрерывный режимы работы лазера
Непрерывный режим
В непрерывном режиме лазер излучает свет с постоянной мощностью — средняя и мгновенная мощность не меняются. Излучение поддерживается за счет постоянного возбуждения активной среды.
Важно различать непрерывную генерацию и непрерывную накачку — эти два режима не зависят друг от друга
Например, для генерации фемтосекундных импульсов используется непрерывная накачка.
Импульсный режим
В импульсном режиме энергия подается порциями — короткими импульсами. Это позволяет накопить энергию между импульсами и выдать высокую пиковую мощность, превышающую среднюю в десятки и сотни раз. В импульсных системах контролируют:
- Длительность импульсов;
- Частоту повторения;
- Пиковую мощность.
Ключевое различие двух режимов
— Непрерывный режим — стабильное воздействие с
фиксированной мощностью.
— Импульсный режим — серия коротких энергетических всплесков с
высокой пиковой мощностью при низкой средней мощности.
Как работает импульсный лазер
Посмотрим поближе на принцип генерации этого типа. Есть два основных вида.
Q-switching
Этот метод также называют модуляцией добротности. Он работает за счет затвора и накопления энергии в активной среде. Сам процесс обычно разделяется на два этапа:
Первый этап. Внутри резонатора начинается накачка активной среды. Сам этот резонатор изначально имеет низкий показатель добротности (обозначается Q, откуда и название метода). То есть он специально ослаблен, чтобы накопленная мощность не переходила в излучение сразу же.
Второй этап. Накачка прекращается и происходит резкое повышение добротности. Это получается за счет того, что убирается затвор, который не позволял энергии выходить. Из-за этого та система, что ранее находилась в равновесии, выходит из него и выделяет излучение. Из-за этого импульс получается, как его называют, гигантским.
Собственно, из-за этой смены добротности метод и называют модуляцией добротности.
Есть три способа выстроить эту систему:
- с помощью вращающегося зеркала;
- диска с прорезями;
- электрооптического затвора;
- акустооптического модулятора.
Однако этот метод не позволяет регулировать длину импульса, так как во время изменения добротности меняется не только мощность, но и все остальные основные параметры лазера, включая его длину.
MOPA
Второй метод работает за счет задающего генератора и усилителя мощности, от названия которых на английском и получил свое название MOPA, то есть Master Oscillator Power Amplifier. Как это работает? Здесь тоже есть два этапа образования лазера.
Первый этап. Резонатор генерирует излучение, которое имеет небольшую мощность и малую длительность импульса.
Второй этап. Полученное излучение проходит через усилитель, который меняет лишь показатель мощности, а все остальные оставляет без изменения.
Подобная технология позволяет разделить мощность, длительность импульсов и частоту их повторения на три отдельных параметра, которыми можно управлять независимо и комбинировать с помощью электрических сигналов. Благодаря этому можно подстраивать лазер под работу с куда большим количеством материалов, чем с Q-switch технологией.
Про импульсные источники вообще можно говорить много и долго, особенно если затронуть тему так называемых flat-top лазеров. Но это тема для отдельной статьи.
Типы импульсных лазеров по длительности импульса
- Миллисекундный. Это самая большая величина, которая равна одной тысячной секунды, и поэтому такие источники имеют самые малые показатели энергетических пиков.
- Микросекундный. Подобный лазер применяется довольно часто, длительность его импульса составляет одну миллионную секунды. Но он не самый точный, и применяется в основном не для лазерных ЧПУ станков вроде маркеров, а для удаления волос и тд.
- Наносекундный. Вот эта длительность уже самая распространенная в сфере ЧПУ, а также в зондировании или при измерении расстояний. Ее длина равна одной миллиардной секунды, и она выдает точный и мощный результат.
- Пикосекундный. Одна триллионная секунды, что довольно сложно представить. Самая короткая (хотя есть еще фемтосекундный лазер), и называется такие импульсы ультракороткими, а сами лазеры — сверхбыстрым. Сочетание самого точного результата и самого малого термического воздействия дает пользователю возможность получать очень тонкие (0.2–2.1 мм в зависимости от источника) и аккуратные гравировки. Или же применять подобные лазеры для хирургии глаз или микроскопии.
Преимущества и ограничения импульсных лазеров
| Преимущества импульсных лазеров | Ограничения импульсных лазеров |
|---|---|
|
Высокая пиковая мощность. Позволяет испарять материал точно и без избыточного нагрева. Подходит для деликатных и чувствительных материалов (металлы толщиной до 0.03 мм, стекло, полимеры). |
Низкая средняя мощность. Производительность ниже, чем у непрерывных лазеров при обработке толстых материалов (например, сталь от 4 мм и толще). |
|
Точность и контроль термического воздействия. Зона нагрева — 5–50 мкм (до 3 мкм для пикосекундных источников). Обеспечивает чистую кромку без побежалости и деформации, результат не требует постобработки. |
Медленная работа на больших площадях. Средняя мощность импульсных лазеров ниже (20–50 Вт против 500–2000 Вт у непрерывных), поэтому при гравировке или очистке крупных поверхностей время обработки может быть больше в 10–30 раз. |
|
Идеальны для гравировки, маркировки и очистки. Погрешность обработки — до ±0,01 мм, ширина линий 20–50 мкм - это обеспечивает высокую точность мелких деталей и работу с хрупкими поверхностями. |
Ограничения в резке и сварке. Для этих задач чаще выбирают непрерывный лазер, т.к. импульсный лазер не обеспечивают постоянного тепловложения, необходимого для образования устойчивой ванны расплава. |
Как работает непрерывный лазер
Принцип работы относительно прост. У непрерывного лазера тоже имеется резонатор, который постоянно накачивается, находясь в усиливающей среде. Благодаря этому излучение выделяется возбужденными частицами непрерывно.
Особенности взаимодействия с материалами
Непрерывные лазеры имеют более сильное термическое воздействие на заготовки. Из-за этого излучение может проникать глубже в материал, а нагреваемая зона куда шире, чем при работе импульсного лазера.
Из-за этого он намного лучше и быстрее справляется с задачами по резке. Или сварке, так как постоянно может поддерживать оптимальную температуру для образования сварочной ванны.
Преимущества и ограничения непрерывного лазера
| Преимущества непрерывных лазеров | Ограничения непрерывных лазеров |
|---|---|
|
Резка и сварка на высоких скоростях. Стабильное излучение обеспечивает постоянное тепловложение и позволяет выполнять резку металлов толщиной до 20 мм и сварку до 10 мм при мощности 1–3 кВт. |
Повышенное тепловое воздействие. Постоянное излучение создает большую зону термического влияния (100–300 мкм), что ограничивает работу с чувствительными и тонкими материалами. |
|
Высокая производительность на больших площадях. Подходит для массовой обработки листов, корпусов и профилей — площадь очистки > 2 м², рабочие зоны резки до 2 × 3 м. |
Не подходит для материалов, плохо переносящих нагрев. Постоянное тепловложение может вызвать обугливание или деформацию дерева, пластика и полимеров. |
|
Стабильное качество шва и кромки. Непрерывный луч формирует устойчивую ванну расплава, что повышает однородность проплавления и прочность соединений. |
Ограниченная точность мелких деталей. Из-за постоянного тепловложения трудно удерживать размеры и чистоту края при микрообработке и гравировке. |
Как работает квази-непрерывный лазер
Этот тип является комбинацией непрерывного и импульсного режимов работы. Как это работает?
Генерация лазера происходит по принципу непрерывного источника, то есть излучение всегда есть. Однако сама эта генерация производится с крайне короткими интервалами, что могут быть равны микро или миллисекундам. Это урезает среднюю мощность источника, но очень сильно увеличивает пиковую, иногда до десяти раз.
Также это позволяет частично решить проблему непрерывных лазеров с излишним нагревом заготовок, так как тепловой эффект снижается, при этом стабильность работы сохраняется.
Квазинепрерывные лазеры применяются не столь часто, пусть и являются балансом скорости, точности и мощности
Сейчас их можно встретить в основном в медицине, науке и обороне
Сравнение импульсных и непрерывных лазеров
| Параметр | Импульсный лазер | Непрерывный лазер (CW) |
|---|---|---|
| Тип излучения | Короткие импульсы 1–500 нс, частота повторения 20–2000 кГц | Непрерывный луч, без прерываний |
| Средняя выходная мощность | 20–500 Вт | 1–20 кВт (промышленные), до 40 кВт (тяжелая резка) |
| Пиковая мощность | 5–50 кВт (в импульсе) | Пиковая = средней, т.к. CW |
| Энергия импульса | 0,1–2 мДж | — |
| Длина волны | 1064 нм (чаще всего) | 1064 нм, 1070 нм |
| Точность обработки / размер пятна | До 5–20 мкм при использовании MOPA/M² <1.5 | 50–200 мкм в зависимости от оптики |
| Допуск по точности обработки | ± 0,01–0,03 мм | ± 0,05–0,2 мм |
| Тепловое влияние (HAZ) | 2–15 мкм (минимальное) | 50–200 мкм (выраженное) |
| Скорость обработки | Маркировка: 1 000–8 000 мм/с Очистка: 50–150 мм²/с Микросварка: 3–20 мм/с | Резка: 10–40 мм/с Сварка: 20–150 мм/с (до 6 мм металла за проход) |
| Толщина металла для сварки | До 1 мм (прецизионная сварка) | 0,5–25 мм (в зависимости от мощности) |
| Глубина фокусировки | Короткая (0,1–0,4 мм) | Глубокая (0,5–1,5 мм) |
| Качество шва / линии | Максимальная точность, почти без наплывов, малая зона термического влияния | Высокая прочность, возможны наплывы без настройки; более широкая зона расплава |
| Материалы, где используется оптимально | Алюминий, медь, латунь, нержавеющая сталь, пластики, композиты | Черные и нержавеющие стали, алюминий (высокие мощности), медь (с высокими требованиями к настройкам) |
| Типичные задачи | Прецизионная сварка тонких металлов, маркировка, травление, очистка, удаление покрытий, микрообработка | Сварка корпусов и рам, резка листового металла, пайка, наплавка, глубокий проплав |
| Ограничения | Не подходит для резки толстого металла; меньше производительность при объемных работах | Не подходит для ультратонкой обработки, высокие тепловые деформации |
Применение импульсных и непрерывных лазеров
Лазерная очистка
Лазеры используются для удаления загрязнений
с различных материалов. В этом деле очень важно произвести
тепловое воздействие только на загрязнение, но не на поверхность.
Самую аккуратную работу произведет импульсный лазер.
Он может работать с такими поверхностями, как дерево, что
очень чувствительны к высоким температурам. Однако
импульсный будет не столь хорош при работе
с большими поверхностями.
Непрерывный режим работы лучше использовать для
больших областей загрязнения, так как он быстрее справится с задачей. Однако он может работать только с металлами и всегда имеет шанс повредить или немного деформировать заготовку (особенно, если она тонкая).
Непрерывная лазерная очистка выбирается, если нужно работать с загрязнениями на больших площадях. Но постоянная чистка работает только с металлами. Импульсная лазерная очистка щадит поверхность и может работать с металлами и неметаллами, и другими материалами.
Лазерная резка
Мощность и стабильность в вопросе резки играют ключевую роль. Именно по этой причине непрерывные лазеры практически всегда выбираются для выполнения этой работы.
Малейшее колебание может привести к деформации вырезаемой фигуры или бракам на краях реза, которые имеют формы “монетного реза”, грата, шероховатостей, оплавления и так далее. Или же полное прорезание может и вовсе не случиться.
Импульсные источники же могут быть применены для микрорезки отдельных элементов макета, для которых требуется высочайшая точность выполнения.
Лазерная сварка
Выполняться может обоими типами генерации лазера.
Непрерывный режим работы подходит для работы с листами малой и средней толщины и позволяет с большой скоростью и за один проход выполнить соединение. Постоянное воздействие на материал образует сварочную ванну, что дает сделать качественный и надежный шов.
Воздействие импульсной сварки же более точечно, и такой тип лазера подходит для прецизионной сварки, в особенности на тонких листах, которые легко деформировать излишним воздействием тепла.
Если разграничивать по сферам применения, то лазерное сварочное оборудование с непрерывным режимом вы можете увидеть в автомобильной промышленности, при строительстве или изготовлении наружной рекламы, а импульсную — при изготовлении медицинского оборудования или микроэлектронике.
Как выбрать подходящую технологию
- Во-первых, определяются материал и его толщина, из которых будут вычисляться основные параметры нужного вам лазерного источника.
- Во-вторых, нужно узнать точность и производительность, что вам нужны.
Например, если вы будете очищать балки, внешний вид которых не очень важен, то подойдет лазерная чистка непрерывного типа. Если же предстоит работа с двигателями автомобилей, где важно сохранить целостность поверхности, то выбирается импульсный источник.
Вывод
Импульсный лазер имеет более высокую пиковую мощность и уменьшенную зону термического воздействия, тогда как непрерывный лазер отличается стабильной работой на протяжении всего времени использования и средней, постоянной мощностью. Из-за этого они имеют разные сферы применения.
Импульсные источники подходят для аккуратной очистки, маркировки и прецизионной сварки, тогда как непрерывные лазеры — для серийной резки, сварки и пайки.
Если вам требуется помощь в выборе такого оборудования — оставьте заявку на нашем сайте или позвоните по номеру 8 (800) 777-17-87. Наши специалисты с удовольствием ответят на все интересующие вас вопросы и помогу сделать правильный выбор.
Частые вопросы
-
Можно ли преобразовывать непрерывный лазер в импульсный?
Да, сейчас существует ряд технологий, которые позволяют преобразовывать один тип излучения в другой. Некоторые лазерные станки благодаря этому имеют функцию переключения режима работы, как Wattsan 5в1, например.
-
Сколько составляет длительность импульса лазера?
Она может разниться в зависимости от конструкции, но основные виды длины лазера — это миллисекундный, микросекундный, наносекундный, пикосекундный и фемтосекундный.
-
Отличается ли обслуживание импульсных и непрерывных лазеров?
Да. Импульсные источники требуют более точной проверки электроники, генератора и охлаждения. Непрерывные — контроля стабильности луча, мощности и чистоты оптики при высокой тепловой нагрузке.
-
Можно ли сочетать оба режима в одном процессе?
Да, если оборудование поддерживает переключение. Обычно импульс используют для точных зон, а непрерывный — для объемной обработки.
-
Влияет ли выбор оптики на качество обработки в импульсном и непрерывном режимах?
Сильно. Для импульсных важна чистота и быстрота реакции оптики, чтобы не искажать короткие импульсы. Для непрерывных — термостойкость и стабильность фокусировки при длительном нагреве.