Q – Switch vs. M.O.P.A

Impulsowe lasery światłowodowe od wielu lat zyskują na rynku coraz większe uznanie, wpływa na to ich długa żywotność oraz szeroki zakres zastosowania. Dzięki zamkniętej budowie całego systemu laserowego potencjalne ryzyko uszkodzenia, któregoś z elementów optycznych znacznie się zmniejsza. Lasery światłowodowe wykorzystują emisję wymuszoną promieniowania do generowania skoncentrowanej wiązki laserowej, jednak dzięki przeniesieniu funkcji rezonatora do światłowodu optycznego zwiększa się możliwość swobodnej optymalizacji zarówno pracy urządzenia jak i jego budowy i funkcjonalności. Szczegółowy opis zasady działania laserów światłowodowych znajdziecie w artykule „Zasada działania źródła laserowego”

Coraz większa optymalizacja laserów światłowodowych pozwoliła na rozwój i udoskonalanie wszystkich gałęzi tego typu źródeł, umożliwiając odpowiednią parametryzacje urządzenia w zależności od wymagań procesowych.  Obecnie na rynku wyróżniamy dwa wiodące rozwiązania zwiększające energię wyjściową, zakres częstotliwości padania impulsów oraz czas trwania impulsów emitowanego promieniowania  laserowego.

Pierwszym z nich jest modulacja dobroci rezonatora laserowego z wykorzystaniem, tzw. Q – Switch ( z ang. Quality factor). Dobroć rezonatora laserowego jest miarą strat energii w układzie, im mniejsze jej straty tym większa dobroć całego układu. W tej metodzie cała energia magazynowana jest we wnęce optycznej do momentu aż przełącznik dobroci określa ją na niskim poziomie. Po przełączeniu dobroci do stanu wysokiego następuje uwolnienie całej zmagazynowanej energii w postaci jednego impulsu. Modulatory strat energii rezonatora wykorzystywane są zatem do zwiększania mocy szczytowej wiązki promieniowania laserowego poprzez kontrolowane emitowanie tylko tych impulsów charakteryzujących się największą energią. Źródła laserowe tego typu charakteryzują się dosyć wąskim zakresem czasu trwania oraz częstotliwości padania impulsów emitowanego promieniowania laserowego. Przełączniki Q – Switch umieszczone są zaraz przed światłowodem (Rys.1), można je podzielić na aktywne i pasywne (Rys.5). Aktywnymi modulatorami nazywamy przełączniki mechaniczne (a), elektrooptyczne (b) oraz akustooptyczne (c).

Schematyczna budowa lasera światłowodowego z modulatorem dobroci

a) Do najczęściej wykorzystywanych modulatorów mechanicznych zaliczamy obrotowe pryzmaty lub zwierciadła. Są to mechanicznie obracane elementy optyczne, które działają jako zwierciadło wyjściowe dla padającej na nie wiązki promieniowania laserowego. W momencie przełączania dobroci, zwierciadło lub pryzmat obracany jest mechaniczne umożliwiając emisję światła lasera. Mechaniczne modulatory dobroci wykorzystywane są głównie w laserach dużej mocy o długim czasie trwania impulsu, ze względu na brak konieczności stosowania dodatkowych części oraz solidną konstrukcje.

b) Przełączniki elektrooptyczne należą do grupy modulatorów, które wykorzystują zależność zmiany współczynnika załamania światła od natężenia pola elektrycznego. Najczęściej wykorzystywanymi przełącznikami w tej grupie są komórki Pockels’a lub Kerrer’a. W komórkach tych wykorzystywane są najczęściej dwójłomne kryształy (posiadające zdolność do podwójnego załamywania światła) zorientowane w układzie optycznym w taki sposób aby jego oś optyczna pokrywała się z  osią propagacji światła wyemitowanego z rezonatora. Po przyłożeniu do kryształu pola elektrycznego, jego współczynnik załamania światła ulega zmianie umożliwiając modyfikację dobroci rezonatora.

c) Modulatory akustooptyczne są najczęściej wykorzystywanymi przełącznikami dobroci ze względu na najmniejsze straty transmisyjne podczas modulacji. Kluczowym elementem modulatorów tego typu jest przepuszczalny kryształ lub kawałek szkła, przez który prowadzona jest wiązka promieniowania laserowego. Do kryształu przymocowany jest przetwornik piezoelektryczny, który wzbudza w nim fale akustyczną o bardzo dużej częstotliwości rzędu 100MHz i długości w przedziale od 10 do 100 μm. Wygenerowana fala akustyczna powoduję powstawanie w krysztale ruchomej siatki załamania współczynnika światła wywołanej efektem fotoplastycznym. Światło padające na taki modulator doświadcza dyfrakcji do momentu ustabilizowania częstotliwości fali akustycznej w krysztale.

Osobną grupą modulatorów dobroci są przełączniki pasywne. Są to nasycalne absorbery, które zostają aktywowane wewnętrznie przez światło lasera. Modulator w postaci roztworu chemicznego przepuszcza wiązkę promieniowania dopiero w momencie gdy zostanie odpowiednio nasycony, a straty w układzie optycznym będą odpowiednio niskie. Moc lasera najpierw rośnie stosunkowo wolno, a po osiągnięciu pewnego poziomu absorber staje się nasycony, przez co straty spadają, moc lasera gwałtownie wzrasta, tworząc krótki wysokoenergetyczny impuls.

Drugą metodą optymalizacji promieniowania laserowego, która bezpośrednio wpływa na zwiększenie zakresu częstotliwości padania oraz czasu trwania impulsów emitowanego promieniowania laserowego, jest wzmacnianie boczne wiązki wyemitowanej przez źródło laserowe dodatkowym wzmacniaczem optycznym.  Wzmacniacz optyczny to urządzenie, które odbiera pewien sygnał wejściowy i generuje sygnał wyjściowy o większej mocy optycznej. Sygnałami wejściowymi i wyjściowymi w tym przypadku jest wiązka promieniowania laserowego rozchodząca się we włóknie światłowodu. Wzmocnienie odbywa się w, tzw. medium wzmacniającym, które musi być „pompowane” z zewnętrznego źródła. Medium, które jest nośnikiem wzmocnienia w tym przypadku jest włókno domieszkowane jonami ziem rzadkich takimi jak erb, neodym, iterb, prazeodym lub tul, stanowiące rdzeń zewnętrznie pompowanego światłowodu. Aktywna mieszanka „bombardowana” jest dodatkowym zewnętrznym światłem laserowym, które rozchodzi się dalej w światłowodzie razem z wiązką wydostającą się z głównej diody pompującej.  Źródła wykorzystujące ten sposób wzmacniania wiązki nazywane są potocznie laserami MOPA (ang. Master Oscillator Power Amplifier), co w wolnym tłumaczeniu oznacza Wzmocnienie Mocy Głównego Generatora.  Ze względu na zewnętrzne wzmacnianie wiązki propagującej w światłowodzie, lasery tego typu umożliwiają oddzielne manipulowanie szerokim zakresem czasu trwania oraz częstotliwości padania impulsów promieniowani laserowego. Przekłada się to bezpośrednio na poprawę jakości emitowanej wiązki oraz większą kontrolę nad wielkością strefy wpływu ciepła w naświetlanym materiale.

Oba sposoby modulacji emitowanej wiązki promieniowania laserowego posiadają swoje wady i zalety, które powinny być odpowiednio przeanalizowane pod kątem późniejszego przeznaczenia danego lasera czyszczącego. Źródła wykorzystujące modulację dobroci za pośrednictwem przełączników Q- Switch charakteryzują się węższym zakresem czasu trwania i częstotliwości padania impulsów promieniowania laserowego w stosunku do laserów ze źródeł MOPA. Przedkłada się to na zmniejszoną kontrolę strefy wpływu ciepła, która może powstawać podczas ewentualnego absorbowania promieniowania przez materiał czyszczonego podłoża. Jednak lasery z modulatorami dobroci osiągają większą energię impulsu co wpływa bezpośrednio na zwiększenie wydajności czyszczenia. Źródła laserowe z przełącznikami Q – Switch posiadają mniej złożoną budowę, dzięki czemu charakteryzują się trochę lepszą stabilnością pracy. Czynnikiem wpływającym z kolei na korzyść laserów ze źródłami MOPA jest duży zakres regulacji częstotliwości padania oraz czasu trwania impulsów, co pozwala na dostosowanie gęstości mocy wyjściowej do niemalże każdej powierzchni, dzięki czemu czyszczenie może być przeprowadzone nawet na najdelikatniejszych powierzchniach. Tego typu źródło świetnie sprawdzi się w konserwacji bardzo wrażliwych i delikatnych obiektów. Lasery ze źródłami MOPA w większości przypadków chłodzone są powietrzem co przekłada się na znaczne zmniejszenie gabarytów całego urządzenia czyszczącego i poprawę jego mobilności. Jednak chłodzone powietrzem urządzenia charakteryzują się ograniczonym zakresem energii wyjściowej, który spowodowany jest utrzymaniem odpowiedniej stabilności i jakości emitowanej wiązki promieniowania. Obydwa systemy znajdują swoje zastosowania w szerokim zakresie czyszczenia, są to dwa różne sposoby modyfikacji emitowanej wiązki promieniowania laserowego, który może być optymalnie wykorzystywany w zależności od wymagań procesu.

            Obecnie na rynku jest wiele źródeł laserowych, zarówno z modulatorami dobroci Q- Switch jak i ze wzmacnianiem bocznym MOPA, które umożliwiają szeroką parametryzacje urządzenia czyszczącego, aby zapewnić możliwe jak najlepszą jakość naświetlanej powierzchni. Wybór odpowiedniego systemu czyszczącego obarczony jest wieloma czynnikami, które powinny być przeanalizowane przed ostatecznym wyborem maszyny. W zależności od tego czy potrzebujemy urządzenie, które będzie charakteryzować się niesamowicie dużą wydajnością, aby jak najszybciej oczyszczać najbardziej wymagające powierzchnie, czy szukamy lasera, który poradzi sobie z grubymi powłokami lakierniczymi, lub takiego, który będzie subtelnie oczyszczać wszelkie filigranowe powierzchnie. Przy wybieraniu maszyny czyszczącej należy sugerować się jej przyszłym przeznaczenie, miejscem obróbki i warunkami w jakich będzie wykorzystywana. Należy dobrać optymalne dla danego procesu urządzenie, które pozwoli na zapewnienie możliwie najlepszej jakości oczyszczonej powierzchni. Zachęcamy do kontaktu w celu dobrania odpowiedniego dla Waszych potrzeb urządzenia i jak zawsze do pogłębiania wiedzy zakresu technologii laserowej.

-Karol Woźniak-

Wizyta w Doctor Classic

W poprzednim tygodniu zespół ECL Tech Polska miał przyjemność przeprowadzić prezentację czyszczenia laserowego w szczególnym miejscu jakim jest firma Doctor Classic. To miejsce gdzie spotykają się miłość do samochodów i pełen profesjonalizm. Doctor Classic to rodzinna firma, która od wielu lat zajmuje się renowacją klasycznych modeli samochodów Mercedes, Porsche i Ferrari. Co roku to miejsce opusza kilkanaście aut przywróconych ze stanu, dla niektórych nadających się jedynie na złom, do fabrycznie nowej maszyny. Cały proces renowacji auta jest ogromnie pracochłonny, zaczynając od wyczyszczenia i odratowania jak największego obszaru podwozia i nadwozia, przechodząc przez skrupulatne nanoszenie nowych powłok lakierniczych, kończąc na niesamowicie dokładnym zamontowaniu całego wyposażenia wnętrza. No i oczywiście w między czasie trzeba odrestaurować cały silnik i sprawić żeby funkcjonował bez zarzutów, to leży w rękach fachowców z Doctor Classic.

Wracając do etapu czyszczenia trzeba liczyć się z godzinami pracy nad usuwaniem starych powłok lakierniczych, nawarstwionej przez lata rdzy i osadów w postaci tłuszczów, pyłów i wszystkiego co zdołało osiąść na powierzchni. Należy wykonać całą tą pracę ze szczególną dokładnością, aby odpowiednio przygotować odbudowaną ramę do ponownego malowania, które ma zabezpieczyć auto przed korozją. Do tej pory w procesie technologicznym oczyszczania ekipa Doctor Classic korzystała z konwencjonalnych metod ,piaskowania, szkiełkowania lub po prostu szlifowania, przy pomocy których w sposób mechaniczny usuwane były wszystkie nawarstwienia. Jednak metody takie okazują się niekiedy za mało wydajne lub są po prostu zbyt inwazyjne dla czyszczonych powierzchni, a sam proces bywa czasem zbyt czasochłonny.

Po nawiązaniu kontaktu, spakowaliśmy nasz „kwantowy generator impulsów” i pojechaliśmy sprawdzić jak możemy pomóc usprawnić proces czyszczenia w Doctor Classic. Do naszych celów otrzymaliśmy nadwozie pokryte starymi powłok lakierniczych oraz niezliczonymi warstwami rdzy, tłuszczów i wszystkiego co przez lata osiadło na powierzchni ramy i karoserii auta. Dodatkowo ekipa Doctor Classic dorzuciła kilka pojedynczych elementów aby sprawdzić jak szybko laser usunie nawarstwienia ze starego kolektora, czy dobrze poradzi sobie z niewielkimi elementami jak śruby, sprężyny pokrytymi bliżej niezidentyfikowanymi zanieczyszczeniami.

Po tysiącach wyrzuconych laserowych impulsów, milionach dźwięcznie odparowanych cząsteczek zdołaliśmy usunąć zanieczyszczenia z każdej podsuwanej nam powierzchni, jednak jeśli chodzi o wydajność czyszczenia wiele tu zależy od mocy urządzenia i zakresu jego częstotliwości, którymi jesteśmy optymalnie parametryzować urządzenie aby dostosować je do oczyszczania interesujących nas powierzchni. Ocenę wydajności jaką uzyskaliśmy w procesie pozostawiam po stronie ekipy z Doctor Classic. Cieszymy się, że mogliśmy przeprowadzić prezentację w tak niecodziennym miejscu, kto wie może za jakiś czas po ulicach Krakowa zacznie jeździć odrestaurowane Porsche 911 z laserową wiązką ECL Tech Polska na boku.  

Zasada działania źródła laserowego

W dzisiejszym artykule chciałbym szczegółowo omówić na jakiej zasadzie działa źródło laserowe. W publikacji „Budowa Lasera Czyszczącego” poznaliśmy tajemnice wnętrza urządzenia, dzisiaj chciałbym skupić się na rezonatorze, w którym zachodzi cała akcja laserowa.

Żeby zrozumieć na czym polega kształtowanie promieniowania laserowego musimy skupić się przez chwilę na elementarnych budulcach otaczającego nas świata jakim są atomy. Atom składa się z gęstego jądra złożonego z chmury dodatnich ładunków oraz z otaczających go na różnych orbitach elektronów o ładunkach ujemnych. I to właśnie zachowanie elektronów na poszczególnych orbitach atomu odgrywa najistotniejszą rolę w całym procesie kształtowania promieniowania laserowego.

Rys.1 Budowa atomu

Na początku XX wieku fizyka zakładała istnienie jedynie dwóch zjawisk jakie mogą zajść na orbicie atomu,  pochłanianie energii z otoczenia (absorbcję) oraz spontaniczne emitowanie jej w postaci pojedynczych fotonów.  

W momencie gdy elektrony krążące po orbicie podstawowej pochłoną energie z otoczenia „wskakują” na wyższą orbitę i przechodzą w tzw. stan wzbudzony. Po pewnym czasie powracają na  poprzednią orbitę emitując przy tym foton w losowym kierunku. Emisję takiego fotonu nazywamy spontaniczną, jest ona bezpośrednio odpowiedzialna za świecenie każdego ciała, rozgrzanego gazu, topionego materiału itp.

Rys.2 Schemat emisji spontanicznej: A) elektron w stanie wzbudzonym B) emisja fotonu C) elektron w stanie podstawowym

W 1917 roku Albert  Einstein rozważając teorię spontanicznej emisji promieniowania doszedł do wniosku, że poza procesami absorbcji energii z otoczenia przez elektron i jego spontanicznego powrotu na orbitę podstawową musi jeszcze występować zjawisko, w którym wymuszamy na elektronie przejście do stanu podstawowego. Okazało się, że miał rację i takie zjawisko również występuję w momencie gdy pobudzimy elektron na orbicie wzbudzonej fotonem o podobnej energii. „Przeskakuję” on wtedy na niższą orbitę emitując przy tym dodatkowy foton o takim samym kierunku i parametrach jak foton, którym wzbudziliśmy elektron.

Rys. 3 Schemat emisji wymuszonej: A) elektron w stanie wzbudzonym B) pobudzenie elektronu za pomocą fotonu C) elektron w stanie podstawowym i emisja dodatkowego fotonu

Założenia Einsteina były prawidłowe udowodnił, że poza spontaniczną emisją fotonu istnieje jeszcze zjawisko emisji wymuszonej. Jednak na praktyczne wykorzystanie jego założeń trzeba było czekać około 40 lat aby zbudować urządzenie dziś nazywane LASER, które dokładnie oznacza Light Amplification by Stimuleted Emission of Radioation i można tłumaczyć to jako Wzmocnienie Światła przez Wymuszoną Emisję Promieniowania.

Wiemy już jak przebiega proces emisji wymuszonej, teraz chciałbym omówić w jaki sposób to zjawisko wykorzystywane jest w rezonatorze laserowym i jak przyczynia się do ukształtowania wiązki promieniowania. Zacznijmy od budowy rezonatora laserowego, najważniejszym jego składnikiem jest ośrodek czynny, gdzie następuję pobudzanie atomów w celu zapoczątkowania emisji wymuszonej i wywołania lawiny wygenerowanych tym sposobem jednakowych fotonów.

Atomy w ośrodku czynnym są dobierane w taki sposób aby zapewnić odpowiednią długość fali generowanego promieniowania. Odległość pomiędzy poziomami energetycznymi (podstawowym i wzbudzonym) równa jest długości fali w jakiej pracować będzie dane urządzenie laserowe. Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego lasery możemy podzielić na następujące typy:

NA CIELE STAŁYM, gdzie atomy w ośrodku czynnym mają postać kryształu o konkretnych parametrach.

GAZOWE, gdzie ośrodkiem czynnym jest odpowiednio dobrana mieszanina gazów z odpowiednio reagującymi na emisję światła atomami.

CIECZOWE, które wykorzystują mieszankę barwników i rozpuszczalników do uzyskania odpowiedniego czynnika aktywnego w ośrodku.

PÓŁPRZEWODNIKOWE, gdzie pompowanie odbywa się zazwyczaj za pomocą złączy p-n zasilanych elektrycznie, nazywane również laserami diodowymi.

NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH, gdzie w odróżnieniu od pozostałych typów laserów generowanie promieniowania laserowego odbywa się za pomocą bardzo szybko poruszających się elektronów w specjalnie ukształtowanych polu magnetycznym.

Kolejnym ważnym elementem rezonatora jest tzw. układ pompujący. Jest to system, który zapewnia ciągłe pobudzanie kolejnych atomów w ośrodku czynnym i wywołuję w nich emisję. W rzeczywistości „pompowanie” odbywa się za pomocą lamp błyskowych, wyładowań elektrycznych, szeregu diod laserowych, reakcji chemicznych, a w niektórych urządzeniach przeprowadzane jest z wykorzystaniem innych laserów.

Ośrodek czynny ograniczony jest na swoich końcach dwoma zwierciadłami, jedno z nich całkowicie odbija promieniowanie drugie z kolei jest częściowo przepuszczające, mają one za zadanie zapętlić atomy w ośrodku czynnym do momentu uzyskania odpowiedniego stanu nazywanego inwersją obsadzeń.

Rys. 4 Budowa rezonatora laserowego

W skrócie należy doprowadzić do momentu, w którym większość atomów posiada elektrony na orbitach wzbudzonych. Dzięki temu wyemitowanie przez jeden taki atom fotonu w wyniku emisji wymuszonej doprowadzi do powstania lawiny fotonów o takiej samej energii wyrzucanych przez sąsiadujące atomu. W efekcie dochodzi do powstania ogromnej ilości nowych fotonów o takiej samej energii, kierunku oraz długości fali. To właśnie wtedy rozpoczyna się akcja laserowa.

W ECL Tech Polska do czyszczenia wykorzystujemy laser włóknowy nazywany również fibrowym (ang. fiber = włókno), który jest typem urządzenia półprzewodnikowego. Lasery te cieszą się coraz większą popularnością z uwagi na swoją długą żywotność, która wynika ze specyficznie skonstruowanego ośrodka czynnego. W laserach tego typu jest nim światłowód, który bezpośrednio jest połączony ze źródłem laserowym. Pompowanie odbywa się z wykorzystaniem szeregu diod, które wysyłają kolejne porcje światła bezpośrednio do światłowodu. Składa się on z 4 warstw:

POWŁOKA , która jest ochronną warstwą całego światłowodu. Jest odpowiedzialna za ochronę światłowodu przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Rys. 5 Budowa światłowodu laserowego

BUFOR nie posiada specjalnych własności transmisyjnych, posiada najmniejszy współczynnik załamania światła, jego zadaniem jest uniemożliwienie wydostania się promieniowania na zewnętrze światłowodu.

PŁASZCZ  posiada mniejszy współczynnik załamania światła niż rdzeń, umożliwia on dostanie się promieniowania do najgłębszej warstwy światłowodu i zapewnia optymalnej transmisji energii pompowania rdzenia.

RDZEŃ posiada najwyższy współczynnik załamania światła ponadto domieszkowany jest pierwiastkami ziem rzadkich, w przypadku naszego lasera są to aktywne jony iterbu, którego atomy gwarantują powstanie fali o długości 1064 nanometrów.

Podsumowując, budowa źródła laserowego jest ograniczona do kilku elementów, które spełniają dość proste funkcje jednak parametry urządzenia jakie chcemy uzyskać bezpośrednio wpływają na budowę ośrodka czynnego i sposób w jaki będziemy go pompować.

Opracowanie modelu teoretycznego emisji wymuszonej było niezwykłym osiągnięciem co doprowadziło do powstania wielu odmian urządzeń laserowych, które cały czas są rozwijane. Lasery włóknowe dopiero od jakiejś dekady prężnie zdobywają przemysł, już teraz z roku na rok charakteryzują się znacznie większymi mocami i lepszą stabilnością. Otwiera to wiele możliwości zastosowania tego typu urządzeń. Jedną z nich jest coraz lepiej rozwijane czyszczenie laserowe.

Mam nadzieję, że powyższy artykuł przybliżył was jeszcze bardziej do świata laserów i pokazał, że ta dziedzina techniki ma przed sobą jeszcze wiele do zaoferowania. Wkrótce na stronie pojawi się kolejny artykuł z dziedziny kompendium wiedzy o laserach.

-Karol Woźniak-

Ablacja laserowa i jej wykorzystanie w procesie czyszczenia laserowego

W poniższym artykule postaram się omówić czym właściwie jest ablacja laserowa i w jaki sposób wykorzystywana jest ona podczas procesów czyszczenia laserowego. Ablacja jest terminem, który często można spotkać w kontekście operacji medycznych, inżynierii materiałowej czy chociażby medycyny estetycznej. Zacznijmy od definicji encyklopedycznej: „Ablacja (łac. ablatio = odjęcie) w geologii oznacza stopniowe niszczenie, kruszenie się powierzchni lądu, także lodowca, na skutek działania wody, wiatru i temperatury. W technice lotniczej jest to sposób chłodzenia powierzchni bardzo szybkich statków powietrznych podczas lotu w gęstych warstwach atmosfery przez odparowanie, lub inaczej odsublimowanie (sublimacja oznacza bezpośrednie przejście materiału ze stanu stałego w stan gazowy) niektórych metali lub tworzyw sztucznych stanowiących zewnętrzną warstwę pokrywy tych statków”1. Więc ablacja laserowa nie jest niczym innym jak po prostu odparowaniem cząstek materiału, które pochłonęły padające na nie światło lasera. Jednak aby sama ablacja mogła dojść do skutku musi wpłynąć na to szereg zdarzeń.

Wyobraźmy sobie wiązkę lasera w postaci tysięcy fotonów, które padają na obrabianą powierzchnię. Każdy foton zderza się z powierzchnią materiału powoduje pobudzanie pojedynczych atomów, które zderzając się ze swoimi sąsiadami zwiększając temperaturę, a tym samym energię. W pewnym momencie wytworzona w ten sposób energia przekracza wartość krytyczną zwaną progiem ablacyjnym, dochodzi wtedy do rozerwania połączeń pomiędzy atomami materiału i tym samym oderwania ich z jego powierzchni.

Podczas całego tego procesu dochodzi do rozpylania na powierzchni materiału dużej ilości najróżniejszych elementów jakimi są pojedyncze atomów, elektrony, molekuły itp. Tworzą one „chmurę” elementów na powierzchni materiału, w której powstaje plazma, która przenosi dodatkowe ciepło w głąb materiału. Plazma zawsze pojawia się w miejscach gdzie działają dwa czynniki, duże ilości gazu (w tym przypadku „chmura” powstałych elementów) i wyładowania energii, można ją zauważyć chociażby podczas procesu spawania. Grubość usuniętego materiału w procesie ablacji, skala w jakiej się nagrzeje i stopień zmian jakie zajdą w jego strukturze chemicznej zależy od kilku czynników. Są to:

MOC urządzenia laserowego przy jakiej będziemy przeprowadzać proces ablacji,

CZĘSTOTLIWOŚĆ emitowanych impulsów promieniowania laserowego.

Te dwa parametry bezpośrednio będą kształtować nam tzw. strefę wpływu ciepła w materiale. Jest to wielkość obszaru, w którym będą widoczne zmiany w składzie chemicznym spowodowane wzrostem temperatury w materiale. W zależności od obrabianego materiału ważne jest odpowiednie ustawienie tych dwóch parametrów.

DŁUGOŚĆ FALI jaką charakteryzuję się użytkowane przez nas urządzenie laserowe.

W naszej firmie pracujemy na laserze włóknowym, nazywanym czasem fibrowym (ang. fiber = włókno), który emituję wiązkę promieniowania laserowego o długości 1064 nanometrów. Długość ta należy do spektrum światła podczerwonego, fale w tym zakresie są bardzo słabo pochłaniane przez materiały metalowe. Wynika to z tego, że energia pojedynczej cząsteczki światła, tj. fotonu jest zbyt mała by rozerwać wiązanie pomiędzy pojedynczymi cząstkami materiału. Skutkuję to jedynie tym, że przy dłuższym naświetlaniu jednego miejsca takim laserem możemy doprowadzić do jego znacznego nagrzania, a czasami do przetopienia jego powierzchni.

Rys.1 Absorbcja śwatła laserowego dla wybranych metali

Skoro mamy już obraz tego jak przebiega ablacja laserowa przejdźmy do jej praktycznego wykorzystania w procesie czyszczenia. Wiemy już, że podczas czyszczenia laserowego używamy odpowiedniej długości fali, która jest bardzo słabo pochłaniania przez materiały metalowe, a całkiem dobrze absorbują ją zanieczyszczenia na obrabianej powierzchni. Proces czyszczenia laserowego sprowadza się więc do odpowiedniego sparametryzowania urządzenia w taki sposób aby jak największa część światła, które wydostaje się z lasera zostało pochłonięte przez nawarstwienia znajdujące się na czyszczonej powierzchni.

Czyszczenie laserowe wykorzystuję właśnie te różnicę pochłanialności, która jest zupełnie inna dla metali i zanieczyszczeń składających się najczęściej z powłok lakierniczych, rdzy, tłuszczu, pyłów i wielu innych drobnych cząstek. Proces czyszczenia składa się więc z następujących etapów:

  1. Światło lasera trafia na czyszczoną powierzchnie powodując zwiększanie się energii w nawarstwieniach, dochodzi do przekroczenia progu ablacji w wyniku czego część materiału zostaje odparowana.
  2.  Generowana jest plazma, która przenosi część powstającego ciepła w głąb zanieczyszczeń.
  3. W wyniku nagłego oderwania zanieczyszczeń dochodzi do powstania fali akustycznej, która porusza się w stronę podłoża. Fala akustyczna odbija się od materiału podłoża i zaczyna poruszać się w przeciwną stronę, powoduję przy tym powstawanie dodatkowych sił w nawarstwieniach, które pomagają szybciej rozbijać kolejne warstwy zanieczyszczenia.
  4. Na koniec fala akustyczna wspomaga „wyrzucanie” oderwanych zniszczeń w powietrze, efekt ten można zauważyć oraz usłyszeć podczas każdego procesu czyszczenia laserowego. Drobinki zanieczyszczeń są z dużą prędkością wyrzucane w powietrze i towarzyszy temu „świszczenie”, które niektórzy wykorzystują podczas czyszczenia laserowego. Im głośniejsze „świszczenie” tym lepiej światło lasera jest pochłaniane przez zanieczyszczenia.
Rys.2 Schemat przebiegu czyszczenia laserowego z wykorzystaniem ablacji laserowej

Odpowiednie dobranie parametrów procesu czyszczenia laserowego charakteryzuję się tym, że po usunięciu zanieczyszczeń z powierzchni materiału światło nagle przestaje być pochłaniane, „świszczenie” ucicha, a w powietrze przestają być wybijane cząsteczki. Zupełnie inne parametry będą dobierane dla czyszczenia powierzchni z materiałem podłoża ze stali konstrukcyjnej, inne dla podłoża żeliwnego, a jeszcze inne dla podłoża aluminiowego czy miedzianego. Do tego jeszcze dochodzi rodzaj zabrudzenia i jego grubość. W ECL Tech Polska cały czas badamy nowe sposoby wykorzystania światła do czyszczenia powierzchni starając się stworzyć przy tym schemat doboru optymalnych parametrów dla każdej napotkanej powierzchni.

 Mam nadzieję, że powyższy artykuł chociaż trochę rozjaśnił Wam na czym polega czyszczenie laserowe i pokazał, że w gruncie rzeczy ablacja laserowa brzmi tylko tak poważnie a w rezultacie jest dość prostym procesem, na który składa się kila równie prostych zjawisk. W następnym tygodniu na stronie pojawi się kolejny artykuł jeszcze bardziej przybliżający Was do świata laserów.

1. Encyklopedia fizyki, PWN, Warszawa 1974.

-Karol Woźniak-