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-

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-