Что такое волоконный лазер и для чего он нужен

Волоконный лазер относится к группе твердотельных лазеров, и активной средой в нём служит оптическое волокно, сердцевину которого легировали редкоземельными элементами. В каталогах и в цеху такой лазер называют также оптоволоконным, речь об одном и том же классе. Разновидностей у класса несколько, и делят их по легирующему элементу, но в серийных станках почти всегда стоит иттербиевый излучатель. Сегодня это привычное оборудование металлообрабатывающего цеха.

Если коротко, работает лазер так. Свет диодов накачки усиливается прямо в сердцевине волокна, а зеркалами резонатора служат решётки, вписанные в то же волокно. На выходе получается луч с рабочей длиной волны 1,064 мкм, который хорошо поглощается металлами. Отсюда и область применения: лазерная резка металла, маркировка, сварка и очистка стали, алюминия, меди, латуни. Акрил, дерево, текстиль и стекло остаются за CO2-лазером.

Как устроен волоконный лазер

Волоконный лазер собран из трёх блоков: модуль накачки, активная среда и оптический резонатор. Соединены они волокном, поэтому свет почти не покидает световод.

Отсюда и свойства класса: юстировать в закрытом тракте нечего, а теплоотвод идёт через поверхность волокна.

Активное волокно и легирующие добавки

Активной средой служит сердцевина из сверхчистого плавленого кварца; применяют также силикатное и фосфатное стекло. В неё вводят редкоземельный элемент: иттербий, эрбий, тулий, неодим. Оптические потери такого материала составляют несколько процентов на километр длины, поэтому усиление набирают на десятках метров.

Промышленные лазеры строят на волокне с двойной оболочкой. Многомодовое излучение накачки идёт по внутренней оболочке, которая окружает сердцевину и работает для него световодом, а одномодовое излучение (луч с одной поперечной модой и наименьшим пятном фокусировки) формируется в самой сердцевине меньшего диаметра.

Длина оптического кабеля от лазера до головы составляет от 2 до 40 м, в отдельных исполнениях до 100 м; чтобы кабель не занимал лишнее место, его укладывают кольцами на раме.

На теплоотвод работает геометрия. У тонкого длинного волокна велико отношение площади поверхности к объёму, поэтому тепловые деформации при длительных циклах, как правило, меньше, чем у альтернатив того же класса мощности.

Модуль накачки на лазерных диодах

Энергию для усиления дают полупроводниковые лазерные диоды, и такую схему называют диодной накачкой.

В мощных системах излучение нескольких диодов сводит в одно волокно соединительный узел, который в каталогах называют комбайнером.

Предел задаёт сам кварц. Волокно выдерживает ограниченную мощность излучения на единицу площади, а выше неё материал разрушается. Для одного канала счёт идёт на киловатты.

Резонатор и брэгговские решётки

Резонатор строят на волоконных брэгговских решётках (FBG). Это участки волокна с периодически изменённым показателем преломления, они отражают свет нужной длины волны и работают зеркалами. Встречаются также резонаторы Фабри–Перо и кольцевые схемы.

Резонатор определяет спектр, поляризацию и направленность излучения.

Когда весь тракт собран на волокне, лазер называют цельноволоконным. Если часть элементов вынесена в дискретную оптику, конструкцию называют волоконно-дискретной, или гибридной.

Принцип работы волоконного лазера по этапам

Путь от розетки до готового луча укладывается в пять шагов.

• Электрическая энергия питает лазерные диоды накачки, и те дают излучение накачки, то есть свет той длины волны, которую поглощает добавка в волокне.
• Излучение накачки вводят в волокно, где его поглощают атомы редкоземельной добавки, и электроны уходят на верхние энергетические уровни.
• Возбуждённых атомов становится больше, чем невозбуждённых. Это и есть инверсия населённости, состояние, когда среда уже не поглощает свет, а усиливает его.
• Электроны возвращаются вниз и испускают фотоны. Пролетающий фотон заставляет соседний атом излучить такой же, и лавина нарастает; это и есть стимулированное излучение.
• Резонатор раз за разом возвращает свет в волокно, пока усиление не перекроет потери, и через выходную решётку луч уходит в кабель к режущей головке станка.

Усиление распределено по десяткам метров волокна, а не сосредоточено в одном кристалле.

Волоконный лазер поэтому держит длительную работу без пауз на остывание оптики, а мощность на выходе меняется плавно, командой с пульта станка. Этим он и отличается от газовых и ламповых предшественников.

Виды волоконных лазеров по легирующему элементу

Основание деления здесь одно, и это редкоземельный элемент, введённый в сердцевину волокна. От него зависит длина волны лазера, а от длины волны зависит то, какие материалы луч поглощают, а какие пропускают почти без нагрева.

• неодим: 780–1100 нм;
• иттербий: 1000–1100 нм;
• празеодим: около 1300 нм;
• эрбий: 1460–1640 нм;
• тулий: 1900–2500 нм;
• гольмий: 2025–2200 нм;
• диспрозий: 2600–3400 нм.

Для покупателя промышленного станка выбор почти всегда сводится к иттербию. Этот элемент легирует волокно в большинстве серийных лазеров для резки, маркировки и сварки, а рабочая длина волны у них составляет 1,064 мкм. Такой луч хорошо принимают стали, алюминий, медь и латунь.

Остальные элементы уводят излучение дальше в инфракрасную область, и эрбиевые с тулиевыми лазерами работают в связи и в медицинской технике.

Режимы генерации от непрерывного излучения до коротких импульсов

Второе основание выбора после легирующего элемента задаёт форма подачи энергии во времени. Один и тот же иттербиевый лазер в непрерывном и импульсном исполнении решает разные задачи.

• При непрерывной генерации луч горит постоянно, энергия идёт в ванну расплава. Это резка листа и сварка.
• Наносекундные импульсы подают энергию порциями с высокой пиковой мощностью. Так делают маркировку и очистку поверхности от ржавчины и окалины.
• У пикосекундных и фемтосекундных импульсов материал испаряется быстрее, чем тепло уходит вглубь, и кромка почти не прогревается. Тонкая гравировка и микрообработка.

Сверх основных режимов существуют специальные исполнения под узкие задачи: однополяризационные лазеры, ВКР-лазеры на вынужденном комбинационном рассеянии, схемы с up-конверсией и лазеры на фотонных кристаллах.

Чем волоконный лазер отличается от CO2-лазера

Разница начинается с длины волны. У волоконного лазера она равна 1,06 мкм, у газового CO2-лазера 10,6 мкм, то есть в десять раз больше. Излучение 1,06 мкм металлы поглощают, а 10,6 мкм в значительной части отражают, и отражённая доля уходит из процесса впустую.

Второе отличие в фокусировке. При равной мощности интенсивность излучения волоконного лазера почти в 100 раз выше, а пятно у CO2-лазера заметно крупнее. Отсюда и ширина пропила, и нагрев кромки.

Параметр	Волоконный лазер	CO2-лазер
Длина волны	1,06 мкм	10,6 мкм
Металл под лучом	поглощает излучение	заметную часть отражает
Пятно и пропил	пятно меньше, рез уже	пятно крупнее, рез шире
Материалы	сталь, нержавейка, алюминий, медь, латунь	акрил, дерево, пластмасса, текстиль, стекло, камень
Обслуживание	юстировать нечего	оптика и газовый тракт требуют внимания

Вывод для покупателя короткий. Металл в любой операции закрывает волоконный лазер, а органика и прозрачные материалы остаются задачей CO2-лазера. Производства с двумя видами материалов ставят два станка.

Преимущества волоконных лазеров на производстве

Экономику решают четыре цифры: КПД лазера, ресурс, точность и потребление энергии.

КПД самого излучателя поставщики оценивают величиной около 70%, а для станка в сборе, с чиллером и приводами, встречается более скромная вилка 30–45%: во втором случае в расчёт входит вся машина. Отдельная метрика у преобразования света накачки в лазерное излучение внутри волокна: там доля полезной энергии доходит до 80–90%. Первые два числа про счётчик в цехе, третье про физику среды.

В паспортах серийных лазеров, которые мы подбираем производствам, ресурс источника накачки заявляют до 100 000 часов. Энергопотребление при сопоставимой мощности указывают на уровне до одной десятой от CO2-машины.

• точность позиционирования порядка ±0,05 мм, а фактический допуск реза зависит от толщины и материала;
• в резонаторе нет зеркал и рабочих газов, расходники сосредоточены в режущей головке: сопло и защитное стекло;
• юстировка тракта не нужна, оптика закрыта.

Ограничения волоконных лазеров и работа с неметаллами

Главное ограничение класса заложено в устройстве, а не в цене или настройке. Пиковая мощность волоконного лазера ограничена, поэтому контрастную метку на пластике получить трудно. Материал успевает проплавиться или загореться раньше, чем появится нужный контраст.

Неметаллы с очень низкой или очень высокой температурой плавления по той же причине обрабатываются плохо.

Акрил, дерево, текстиль, стекло и камень такой лазер, как правило, не обрабатывает, и задачу закрывают CO2-лазером или механическим инструментом.

Второе ограничение касается безопасности. Излучение 1,06 мкм невидимо и опасно для глаз, а классификацию лазерных изделий по степени опасности задаёт ГОСТ IEC 60825-1-2023 «Безопасность лазерной аппаратуры. Часть 1», действующий с 1 сентября 2024 года взамен ГОСТ IEC 60825-1-2013. Класс изделия поставщик указывает в документации.

Мера защиты стандартна: ограждение рабочей зоны, очки под длину волны, обучение оператора. В стоимости комплекса это малая доля, но закладывают её заранее, вместе с вытяжкой, ведь лазерная очистка и резка металла с покрытием дают дым и аэрозоли. Над рабочей зоной ставят местный отсос, а на большой пролёт цеха подбирают мощную вентиляцию.

Где применяют волоконные лазеры

Отрасли, где такой лазер стал рабочим инструментом, объединяет металл в основе изделия: автомобильная и аэрокосмическая промышленность, медицинская техника, электроника, производство полупроводников и ЖК-дисплеев, телекоммуникации, выпуск вагонов и контейнеров.

Задачи производства связаны с классом оборудования напрямую.

• Лазерная резка металла на станках раскроя листа и труб с непрерывным источником.
• Лазерная маркировка и гравировка деталей, шильдиков, инструмента: маркираторы со сканатором, подвижной оптической системой, которая ведёт луч по контуру.
• Лазерная сварка тонкостенных конструкций, где луч подают по кабелю в ручную или роботизированную голову.
• Лазерная очистка от ржавчины, окалины и старой краски перед покраской.
• Сверление отверстий малого диаметра в тонком металле.

Один и тот же лазер закрывает разные операции, если под них подобраны режим и оптика.

Разговор с поставщиком поэтому начинают с детали, а не с названия станка.

Путь волоконных лазеров от идеи до промышленного стандарта

Концепция усиления света в легированном волокне и первые лабораторные образцы относятся к 1960-м годам. Речь шла о десятках милливатт, то есть о лабораторной мощности.

На рынок технология вышла в 1990-е, когда появились надёжные лазерные диоды накачки и волокно с двойной оболочкой.

Дальше мощности росли до киловатта и выше. Волоконный лазер из решения для связи и лабораторий превратился в станок общего пользования, под который есть запчасти, наладчики и понятный регламент обслуживания.

Чек-лист: что сверить перед покупкой лазера

Выбор начинается не с мощности, а с детали, которую предстоит делать серией. Дальше по пунктам сверяют, что лазер и станок эту деталь тянут.

• Материал и его отражательная способность: сталь, алюминий, медь и латунь ведут себя под лучом по-разному.
• Операция: резка, маркировка, сварка, очистка или сверление.
• Режим генерации под операцию и длительность импульса.
• Мощность с запасом на отражающие сплавы и рост толщины.
• Ресурс источника накачки и условие, при котором он заявлен.
• Что из расходников меняют и с какой периодичностью, нужна ли юстировка.
• Как часто проверяют защитное стекло головки и контур охлаждения, раз в смену или по счётчику наработки.
• Сервис, пусконаладка и обучение персонала.

Плохой ответ поставщика узнаётся по двум признакам: цифра без условия и обещание, которого нет в паспорте. Сумма складывается не из одного лазера, а из станка, оснастки, вытяжки, пусконаладки и обучения, поэтому расчёт просят по всей конфигурации сразу.

Когда задача сформулирована деталью и программой выпуска, разбор занимает один разговор. Мы сверяем материал, толщину и требуемую производительность и говорим, какой класс станка её закрывает. Список вопросов выше работает с любым поставщиком.

Вопросы и ответы

Подойдёт ли волоконный лазер для гравировки по дереву и акрилу?

Нет, для этих материалов берут CO2-станок. Дерево и акрил слабо принимают излучение 1,06 мкм, поэтому чистой гравировки не выходит, край подгорает, а глубина плывёт от прохода к проходу.

Волоконный и оптоволоконный лазер — это одно и то же?

Да, это два названия одного класса. В каталогах и объявлениях чаще пишут про оптоволоконный лазер, в технической документации про волоконный, а разницы в конструкции за словами нет.

Опасен ли волоконный лазер для оператора?

Луч длиной волны 1,06 мкм глазу не виден, поэтому работают при закрытой зоне и в очках под эту длину волны. Класс опасности изделия смотрят в паспорте по ГОСТ IEC 60825-1-2023 (он действует с 1 сентября 2024 года взамен редакции 2013 года), а к станку допускают после обучения.

Можно ли резать медь и латунь волоконным лазером?

Да, на 1,06 мкм эти сплавы принимают излучение заметно лучше, чем на 10,6 мкм у газового источника. Мощность берут с запасом, ведь чем выше отражательная способность и толщина, тем больше её требуется.

Сколько часов служит источник волоконного лазера?

В паспортах заявляют до 100 000 часов наработки. Уточняйте условие, относится ли цифра к диодам накачки или к источнику целиком и при какой загрузке она получена.

Непрерывный режим или импульсный: что выбрать под задачу?

Резку листа и сварку закрывает непрерывная генерация. Маркировку и очистку поверхности делают наносекундными импульсами, а для тонкой гравировки без нагрева кромки берут пикосекундные.