Category Archive : Teorie

Typy laserových zářičů

Oblast laserového gravírování patří mezi velmi rozvinuté technologie. Její využití lze najít ve všech typech průmyslu, zakázkové výrobě i umělecké tvorbě. Zkratka LASER je odvozena z „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, což v překladu znamená „zesilování světla stimulovanou emisí záření“. Světlo laseru je generováno ve formě velmi úzkého svazku. Takto získané světlo je monochromatické a koherentní.

Průmyslové lasery jsou obvykle klasifikovány aktivním médiem. Existuje více typů aktivního média, mezi nejpoužívanější patří médium plynné, kapalné, polovodičové a pevnolátkové.

Rozdělení typů laserů dle skupenství.

Průmyslové lasery jsou obvykle klasifikovány aktivním médiem. Existuje více typů aktivního média, mezi nejpoužívanější patří médium plynné, kapalné, polovodičové a pevnolátkové (4). Nedlouho poté, co Heinrich Rudolf Hertz experimentálně ověřil Maxwellovy a Faradayovy teoretické předpoklady o generování elektromagnetických vln pomocí vysokonapěťové indukční cívky, bylo zřejmé, že záření může být vyrobeno v různém rozsahu elektromagnetického spektra. Spektrum se dělí na několik částí v závislosti na vlnové délce. Rádiové vlny popisují nízkou frekvenci, malou energii, dlouhou vlnovou délku a jsou generovány anténami. Mikrovlny vznikají elektrickými oscilátory a infračervené záření vzniká v důsledku elektronických přechodů a molekulárních vibrací v materiálech. Specifickou částí spektra je viditelné světlo. Jedná se o elektromagnetické záření v rozsahu vlnových délek 390-780 nm. Dle charakteristiky lidského oka je dále děleno na rozsahy vlnové délky, které odpovídají jednotlivým barvám lidského zraku. První z barev viditelného světla je fialová (380-450 nm), následuje modrá (450-495 nm), zelená (495-570 nm), žlutá (570-590 nm), oranžová (590-620 nm) a červená (620-780 nm) (16). Další částí elektromagnetického spektra je oblast ultrafialového záření. Tato oblast má nižší vlnovou délku než viditelné světlo a díky tomu i větší energii. Proto je UV záření schopno ionizace, při které dochází k porušení chemických vazeb elektronů a jejich atomů. Další částí je rentgenové a gama záření. Tyto vlny mají vysoký kmitočet, krátké vlnové dálky a vysokou energii. Gama záření je vyráběno radioaktivním rozpadem. Pro aplikace průmyslové výroby jsou nejpoužívanější především infračervené, viditelné a ultrafialové části elektromagnetického spektra.

Laserové světlo je generováno přechody elektronů mezi základními a vyššími energetickými hladinami v různých médiích. K první části tohoto přechodu dochází například přísunem světla (energie) v laserech s pevným aktivním médiem, nebo kolizí elektronů v plynných laserech. Takto postupně dojde k excitaci velké části elektronů. Tyto částice se pak spontánně vrací zpátky na nižší energetickou hladinu rovnovážné polohy, kdy dojde k vyzáření (emisi) kvanta energie ve formě fotonů. Takto vyzářené fotony pak dále v aktivním médiu interagují s ostatními elektrony na vyšší energetické hladině. Díky tomu dochází k uměle stimulované emisi fotonů, které mají stejnou frekvenci a fázi jako ty, které ji spouštějí. Díky speciální konstrukci tzv. rezonátoru dochází k odrazu fotonů mezi dvěma zrcadly. Tímto způsobem pak může vyvolaný foton nesčetněkrát projít aktivním médiem a stimulovat emisi dalších fotonů. Paprsek fotonů pak dále opouští rezonátor skrze výstupní polopropustné zrcadlo. 

Laserové zářiče využívají systému tří základních částí. První část je aktivní prostředí, druhá výše zmíněný rezonátor a třetí je zdroj energie. V praxi se běžně využívá celá řada fyzikálních způsobů, jak vytvořit laserový paprsek. Většina zářičů se liší především typem aktivního média.

CO2 lasery

Plyny disponují vlastnostmi, které je předurčují k využití pro generování laserového paprsku. Plynné médium může být excitováno přímým elektrickým proudem, je homogenní, může být jednoduše škálováno a nebrání šíření laserového paprsku. Mají však nižší hustotu aktivních částic. Toto je příčinou větších konstrukčních rozměrů plynových zářičů. Výstupní emise plynného laseru jsou rozloženy do tří samostatných částí elektromagnetického spektra. Jedná se o složky ultrafialového, viditelného a infračerveného záření. Plynové lasery se dále dělí na základě způsobu vzniku fotonů v aktivním médiu. Jedná se o lasery atomární, iontové a molekulové.

Neutrální (atomární) plynové lasery využívají jako své aktivní médium vzácné plyny jako jsou xenon, krypton, argon, neon a jejich směsi. Tyto média produkují světlo v rozsahu mezi středně ultrafialovým až krátkým infračerveným zářením. Jejich využití leží v oblasti jemného zpracování materiálu při nízkém výkonu.

Dalším typem jsou iontové plynové lasery. Ty vyžadují větší budící energii, než je tomu u laserů neutrálních. Produkují záření s kratší vlnovou délkou, a to v rozsahu mezi ultrafialovým až viditelným spektrem. Vyšší hustota elektrického proudu je zapotřebí, jelikož první část energie je spotřebována na tvorbu samotného iontu. Zbylá část energie pak způsobuje samotné buzení. Vyšší budící energie zároveň generuje větší teplo. Zařízení pracující na tomto principu vyžaduje výkonné chlazení. Nabízí však vyšší výstupní výkon a kratší vlnovou délku. V praxi se nejvíce osvědčily opět média vzácných plynů, a to především argon a krypton.

Molekulární plynové lasery produkují relativně dlouhé vlnové délky. Jejich rozsah se pohybuje mezi viditelným až infračerveným zářením. Nejčastěji jsou využívány molekuly oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého. Dvouatomové molekuly jsou méně vhodné pro využití v CW (continous wave), neboli kontinuálním módu, oproti impulsnímu módu. Vyšší hustoty elektrického proudu jsou zapotřebí, avšak při větších objemech jsou dosaženy značné výstupní výkony. CO2 lasery prošly značným vývojem pro dosažený vysokých výkonů. Dnešní zářiče s tímto médiem dosahují výkonu až několik kilowatt.

Plyn CO2 je v samotné laserové trubici přítomen z 1-9 %. Zbytek objemu vyplňuje hélium (60-85 %), vodík (13-35 %) a malé množství dalších plynů. Přesný poměr závisí na individuálním návrhu laserové trubice. Pro dostatečnou kvalitu buzení a stimulaci záření je zapotřebí plynů s vysokou čistotou a to až 99.995 %. Přítomnost vodíku v aktivním médiu zvyšuje účinnost buzení, jelikož je energeticky úspornější vybudit molekulu oxidu uhličitého pomocí vybuzeného vodíku. Hélium je přidáno pro zrychlení procesu chlazení CO2 molekul. Vybuzené CO2 molekuly ztrácejí energii ve formě tepla kolizí s héliovými atomy. Ztracená energie je dostatečně velká na to, aby se vybuzená CO2 molekula vrátila do své základní energetické úrovně. Molekula je pak velmi rychle připravena k dalšímu vybuzení. Vyšší teplotní vodivost hélia (6x větší než CO2 a N2) umožňuje odvod energie z místa výboje. Díky tomu lze v laserové trubici vytvářet stabilnější a rovnoměrnější výboje, což umožňuje využití většího pracovního tlaku a zároveň vyššího výkonu paprsku. Oxidy dusíku, vytvořeny reakcemi mezi rozděleným vodíkem a kyslíkem jsou značně nebezpečné při probíhajících reakcích v zářiči. Kyslík v trubici vzniká rozpadem CO2, na CO a O2 Malé množství vodní páry je přidáno do trubice, které snižuje rozpad CO2. Takto je možno významně zvýšit životnost plynu v trubici. Do směsi plynu se přidává i malé množství xenonu, které zvyšuje výkon a účinnost, díky jeho příznivému efektu na excitaci CO2 a N2 molekul.

Z důvodů větších rozměrů laserového zářiče jsou CO2 laserové zařízení konstruovány se statickým umístěním laserové trubice. Výstupní paprsek je pak veden do pracovní hlavy sérií přesných zrcátek, které je třeba citlivě zkalibrovat. Pro odraz silného laserového paprsku je zapotřebí speciálních materiálů. Jedním z nejpoužívanějších řešení pro povrch s takovými požadavky je křemíkový povlak. Materiál čočky pro zaostření laserového paprsku na povrch gravírovaného materiálu je sulfid zinečnatý. Kouř vytvořený během gravírovacího procesu může narušit kvalitu paprsku. Pracovní hlavy gravírovacích strojů k tomu využívají mířený proud vzduchu, který zajistí odvod sublimátu z dráhy zaostřeného paprsku. Mimo jiné je třeba ochránit i dráhu laserového paprsku vedeného do pracovní hlavy. Proto je nezbytné vybavit i nízko výkonové CO2 laserové zařízení silným odsáváním, a to ve spodní části stroje.

Polovodičové lasery

Polovodičové laserové diody zaznamenaly dramatické zlepšení v posledním desetiletí. Byla to dlouhá cesta od prvních testů, kterých bylo dosaženo na více místech najednou již v roce 1962 (1). Mezi první aplikace historicky patřily komunikace optických vláken a ukládání dat na celou řadu datových nosičů a zařízení. Tyto aplikace a jejich neustále vzrůstající požadavky umožnily rozvoj diodových zářičů, jak je známe dnes. Tento jev je úzce spojen se škálováním výpočetní síly procesorů, kterou velmi přesně předpověděl Gordon E. Moore (2). Ten stanovil již v roce 1965 trend, který každým rokem zdvojnásobil počet tranzistorů na čipu. Díky tomu rostl výkon výpočetní techniky a s ním samozřejmě i potřeba žádaná data ukládat a sbírat. S rostoucím počtem dat roste i čas jejich přenosu, takže vzrůstaly požadavky na přenosovou rychlost mezi nosiči, jejich zápis a čtení. V těchto aplikacích nacházely uplatnění již zmíněné polovodičové diody. Jejich aktuální rozvoj však způsobil postupné nasazování i do celé řady nových aplikací. Vývoj totiž umožnil zvýšit spolehlivost, výstupní výkon a rozšířil možnosti výstupní vlnové délky. Navíc potenciál polovodičových laserů ještě zdaleka není využit naplno, což se o řadě dosavadních zářičů již nedá říci (1), (3). Tyto vlastnosti pak předurčily polovodičové lasery i do dalších aplikací, ve kterých je vidíme dnes a uvidíme i v budoucnu. Díky vyššímu výkonu je možné polovodičové lasery používat v aplikacích zpracování materiálu, v zobrazovací technice, metrologii, medicíně a komunikaci (1).

Využití polovodičových laserů stoupá každým rokem a jsou nejvíce využívaným typem laserového zářiče na světě. K tomu dochází právě díky výše zmíněné škále využití. Celkový světový obrat z prodeje laserových zářičů v roce 2016 byl 10,4 miliard dolarů (3). Z toho 45 % patřilo právě prodeji polovodičových laserů. (4)

Struktura laserové diody je tvořena polovodičovými materiály využívající p-n přechodu. Okolí přechodu vytváří aktivní prostředí, ve kterém dochází k injekci děr a elektronů. Aktivní prostředí je dopováno vedlejším elektrickým zdrojem pro vytváření a udržování nerovnovážného rozdělení nábojů (díry a elektrony). Tyto odlišné náboj se velmi rychle spojí za vzniku a vyzáření fotonu. Fotony můžou vznikat náhodně s různou fází a různým směrem vyzáření, nebo stimulovaně se specifickou fází a směrem vyzáření. Pokud je do prostředí vypuštěn foton, který má energii rovnou rozdílu příslušných energetických hladin elektronu, dokáže pak stimulovat tento elektron k přechodu do nižší energetické hladiny za vzniku fotonu se stejným směrem fáze i polarizace. Stimulovaná emise se v polovodičové diodě dosahuje překonáním prahového proudu. Při nižších hodnotách proudu dochází k emisi spontánní a laserový paprsek je tak nekoherentní. Výstup koherentního paprsku získáme při vyšších proudech. Prahový proud značně závisí na teplotě prostředí polovodiče. Každý stupeň zvýší prahový proud až o 15 %. I z tohoto důvodu jsou polovodičové lasery velmi závislé na teplotě prostředí a s rostoucí teplotou dochází k jejich nadměrnému opotřebení, snižování životnosti, či rovnou poruše.

Obdobně jako u CO2 laserů i polovodičové lasery využívají optického rezonátoru. Jedná se o zařízení, skládající se z dvou krajních zrcadel. U diodových laserů jsou však tyto konstrukce velmi miniaturní. Často se jedná o kousky krystalů, nebo difrakční mřížky. Výstup vyzářených fotonů prochází optickým rezonátorem, kde se odráží od krajních zrcadel a opakovaně prochází aktivním prostředím. Takto dochází ke stimulované emisi Vlny fotonů se postupně skládají a vzniklé vlnění se ustaluje v kmitavých módech. Těch se vleze do rezonátoru konečné množství a přetrvají pouze takové, které se přesně vlezou do dutiny rezonátoru. Násobek poloviny vlnové délky je pak roven šířce rezonátoru. Takto lze geometrií rezonátoru ovlivňovat výstup polovodičového zářiče. Na základě šířky rezonátoru existují singlemode (jedno-módové) a multimode (více-módové) laserové paprsky. Paprsky s jedním módem mají lepší kvalitu výstupního záření, naopak lasery s více módy dosahují větších výkonů (6), (7), (8).

Obecně je výstupní paprsek polovodičové diody nesymetrický a rozbíhavý. Pro zaostření a vedení paprsku se pak využívá čočka, nebo soustava čoček. Výstupní paprsek má pak eliptický průřez. Pokud daná aplikace vyžaduje symetrický paprsek kruhového průřezu, využívá se cylindrických čoček.

(1) Majer, Dušan. Komunikace přes paprsky X. místo neznámé : Kosmonautix.cz, 2019.

(2) Caristan, C. L. Laser cutting guide for manufacturing. Dearborn : MI: Society of Manufacturing Engineers, 2014.

(3) Claire. A Guide to Buy Your First CO2 Laser Engraving and Cutting Machine. [online] : StyleCNC, 2018.

(4) Baranov, Alexei a Tournié, Eric. Semiconductor Lasers. Oxford : oodhead Publishing Limited, 2013

(5) Cramming more components. Moore, Gordon E. volume 38,, 19. Duben 1965, Electronics

(6) Siegman, A. E. Lasers. California USA : Univ. Science Books Mill Valley, 1986.

(7 )Buus, J., Amann, M. C. a D. J. Blumenthal. Tunable laser diodes and related optical sources 2nd ed. Hoboken : N.J.: John Wiley, c2005

(8) Epperlein, P. W. Semiconductor laser engineering, reliability, and diagnostics: a practical approach to high power and single mode devices, 1st ed. Chichester, West Sussex, United Kingdom : Wiley, 2013.