СКВОЗНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТРЕТЬЕЙ ВОЛНЫ: ФОТОНИКА И КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
СОВРЕМЕННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ИВАН ФОМЕНКО
ДИРЕКТОР ПО ИННОВАЦИЯМ ЦЕНТРАЛЬНОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА ЛАЗЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ СКОЛКОВО
А знаете ли вы, в какой стране делают самые современные лазеры? Как лазером мощностью 20 Вт, в 5 раз слабее лампочки накаливания, можно резать металл? Сможете представить себе литейный цех, который выглядит как офисное помещение и по которому все ходят в белых халатах?
создание лазеров
Изобретатель лазера Теодор Харальд Майман, физик из Лос-Анджелеса. Он первым смог продемонстрировать работающий прототип на искусственном гранате. Однако до него другими учеными было сделано немало:
Альберт Эйнштейн в 1916 г. предсказал вынужденное излучение
Поль Дирак в теории, разработанной в 1927—1930 гг., математически описал возможность вынужденного излучения
Рудольф Ланденбург и Ганс Копферманн в 1928 г. подтвердили существование вынужденного излучения экспериментально
Валентин Фабрикант и Фатима Бутаева в 1940 г. предположили, что усилить вынужденное электромагнитное излучение поможет уровень с инверсной населенностью электронов
Альфред Кастлер в 1950 г. предложил создавать инверсную населенность с помощью оптической накачки. За это он получил Нобелевскую премию
Николай Басов, Александр Прохоров и Чарьз Таунс в 1954 г. продемонстрировали генератор микроволн на аммиаке. Они добавили положительную обратную связь в виде резонатора. Это достижение также принесло ученым Нобелевскую премию
Теодор Мейман в 1960 г., наконец, представил первое устройство на искусственном рубине, легированном хромом
В результате появилось устройство, названное лазером. LASER — это аббревиатура: «light amplification by stimulated emisson of radiation», которую стоит понимать как устройство для усиления света за счет вынужденного излучения. На данный момент в русском языке это слово означает:
Лазерный луч
Устройство — источник лазерного излучения
Оборудование, в котором есть источник лазерного излучения
В сфере применения лазерных технологий в промышленности существует большое число лазерных излучателей, которые генерируют разное лазерное излучение, используемое в лазерном оборудовании.
системы лазерной обработки
Любая система лазерной обработки включает в себя несколько основных частей:

Схема системы лазерной обработки
Лазерный излучатель — это сердце системы. От характеристик лазерного излучения зависит, какие материалы мы сможем обрабатывать, какие процессы будут протекать и многое другое. Система перемещения — это скоростные и точные характеристики процесса и пространственная свобода. Кабины, кожухи и прочие конструктивные особенности — это безопасность оборудования, его мобильность, удобство и пр. Специальное оснащение — системы управления газами, системы видеонаблюдения, податчики, системы мониторинга процесса и прочие устройства, не связанные с лазерным излучением, но обязательные для технологического процесса. Преимущества систем лазерной обработки:
Точность
Производительность
Гибкость применения
Долговечность
Стабильность
Практичность
Экономичность
Минимизация доп. обработки
Рассмотрим подробнее состав промышленного лазерного оборудования.
типы лазеров
Существует огромное количество видов и вариантов лазерных излучателей, которые имеют массу сценариев применения. Вот пример классификации наиболее распространенных сценариев применения лазеров. Классификция лазеров по сфере использования:
Промышленные
резка / сварка / маркировка / термообработка
Медицинские
терапия / операции
Измерительные
лидары, радары, уровни, рулетки, угломеры
Бытовые
DVD, оптодатчики, проекторы
Визуальные
световые шоу, охранные системы
Научные
спектроскопия, термоядерные и химические реакции и пр.
Сосредоточимся на промышленном применении. Промышленное применение лазера — это задачи, в которых лазерное излучение используется для обработки различных материалов. Так как эти задачи в основном сводятся к тому, чтобы нагреть материал до температур, при которых происходят требуемые процессы (плавление, испарение и пр.), то описание сценариев использования излучения и параметров, на которые стоит обращать внимание, значительно упрощается.
Первым значимым параметром будет длина волны лазерного излучения. Это тот параметр, который определит, а будет ли вообще происходить взаимодействие излучения с материалом или не будет (как видимый свет в солнечный день проходит сквозь оконное стекло, никак не взаимодействуя с ним).
от чего же зависит длина волны?
Процесс излучения фотонов атомами происходит в результате перехода атома из возбужденного состояния в основное. На рисунке из состояния «б» в «в».

Процессы взаимодействия атома с фотоном:
  1. Поглощение фотона
  2. Спонтанное излучение
  3. Вынужденное излучение
При этом энергия фотона зависит от разницы энергетических уровней и выражается формулами:
hʋ = E1 – E2, где h — постоянная Планка, ʋ — частота волны
а также:
ʋ = c / ʎ, где с — скорость света, ʎ — длина волны
Таким образом, получаем простой вывод: hc / ʎ = E1 – E2. То есть длина волны обратно пропорциональна энергии фотона и зависит от энергетических уровней атома. Стоит отметить, что излучают не только атомы, но и молекулы, но всегда длина волны излучения является индивидуальной особенностью того вещества, которое это излучение генерирует. В целом схема генерации излучения имеет следующий вид:

Схема генерации
Излучающее вещество в лазере принято называть активным телом. Устройство из активного тела, источника энергии и набора зеркал, принято называть резонатором. А в целом устройство, усиливающее свет за счет вынужденного излучения, называют LASER. Существует несколько наиболее распространеных вариантов активных тел, генерирующих лазерное излучение. Классификация лазеров по активному телу:
Твердотельные лазеры. Рубиновый лазер, неодимовые и волоконные лазеры
Газовые лазеры. Гелий-неоновый, аргоновый лазеры и СО2-лазер
Полупроводниковые лазеры
Лазеры на свободных электронах
Рентгеновские лазеры
Химические
Лазеры на центрах окраски
Лазеры на красителях. Жидкостные лазеры
Эксимерные лазеры
какие лазеры на данный момент актуальны больше всего
С появлением систем лазерной обработки промышленность получила новый инструмент, который позволил с высокой точностью обрабатывать материалы. По мере развития лазерных технологий, их заменяют традиционные, как показано на рисунке:
газовый лазер
Для основных технологических процессов лазерной резки и сварки металлов необходимо большое количество энергии «вкачивать» в зону обработки. Для этого процесса требуются источники с излучением, которое хорошо поглощается металлами, и большая мощность излучения. Первые виды твердотельных источников имели длину волны около 1 мкм, которая хорошо поглощалась металлами, но достигнуть высоких мощностей не получалось. Твердые активные тела (рубин, Nd:Yag) разрушаются при увеличении энергий накачки. И даже с использованием систем водяного охлаждения не удается получить мощности излучения больше нескольких сотен ватт.
Тогда увеличение мощностей лазерных промышленных систем пошло по пути развития лазеров СО2. Так как газовая смесь не сломается от лишнего тепла, то принципиально можно получать очень большие энергии лазерного излучения.

Схема отпаянного лазера СО2
Идея лазера СО2 состоит в том, что газы азот и гелий помогают молекуле СО2 излучать, возбуждая верхний уровень Е1 и освобождая место на нижнем уровне Е2. Увеличивая энергии, вкладываемые в возбуждение смеси, улучшая процесс обновления газовой смеси при ее деградации, ученые смогли повысить мощности СО2 лазерных излучателей до десятков киловатт, что в сотни раз превосходило мощности твердотельных излучателей. Несмотря на высокий процент отражения излучения лазера СО2 (10.6 мкм) от металлов, все равно энергии хватало для резки и сварки толстого металла. СО2 лазеры стали драйвером внедрения лазерной обработки в промышленность.
С развитием промышленности запросы технологов все росли. Требовалось резать и сваривать все большую толщину, а при эффективности 10 % лазеров СО2 требовалось очень много энергии. Это никому не нравилось, но приходилось с этим мириться. Развилось много систем контроля состава газовой смеси и множество технологий обработки материалов на базе лазеров СО2.
Но в то время как все мировые лидеры лазерных промышленных систем шлифовали СО2-лазеры, в конце 90-х гг. появился новый вид твердотельных лазеров с большей эффективностью, а главное — с длиной волны около 1 мкм, которая значительно лучше погашается металлами. А в 2000-е гг. эти лазеры произвели революцию и захватили планету. Лидеры мировой индустрии пропустили взлет этих лазеров, которые называются волоконными. Компания, которая производит волоконные лазеры и занимает три четверти мирового рынка, называется IPG-Photonics и является мировой транснациональной корпорацией.

Объем волоконных лазеров и прочих лазеров, применяемых в промышленности
волоконный лазер
История волоконных лазеров — это история компании IPG-Photonics. Вкратце ее можно изложить так:
Год
Что случилось или появилось
1990
IPG впервые предложила решение для мощных волоконных лазеров на конференции OSA
1990
Первый 5 Вт волоконный лазер
1991
Первый 2 Вт одномодовый волоконный лазер
1993
Первое одномодовое решение, работающее на мультимодовых диодах и 200−500 мВт эрбиевом волоконном усилителе
1996
Первый 10 Вт одномодовый волоконный лазер и наносекундный импульсный иттербий-волоконный лазер
2000
Первый 100 Вт одномодовый волоконный лазер
2001
Первый эрбиевый волоконный лазер для медицинских целей
2002
Первые 1 кВт, 2 кВт и 6 кВт волоконные иттербиевые лазеры
2004
Первые 1 кВт одномодовый и 10 кВт многомодовый волоконные лазеры
2005
Первые 2kW одномодовые и 20kW многомодовые волоконные лазеры
2006
Первый трехмодовый волоконно-оптический лазер мощностью 3 кВт
2008
Первый волоконно-оптический лазер мощностью 5 кВт и многомодовый волоконный лазер мощностью 50 кВт
2009
Первый волоконно-оптический лазер с высокой яркостью 100 Вт и одномодовый волоконный лазер мощностью 10 кВт
2010
Первые лазеры QCW с одномодовым качеством луча 1,5 кВт
2013
Первый многомодовый волоконно-оптический лазер мощностью 100 кВт
2014
Волоконные лазеры первого класса с эффективностью > 45 %
2017
Первый многомодовый волоконный лазер мощностью 120 кВт
Идея волоконных лазеров состоит в том, чтобы реализовать все оптические компоненты твердотельного лазерного излучателя внутри единого оптического волокна. Что это нам дает:
Отсутствие подвижных узлов и узлов, которые необходимо юстировать. Беспрецедентная стабильность и надежность
Тонкое многометровое волокно отлично отдает тепло, так как имеет огромную площадь по отношению к сечению. Отсутствие термических деформаций и разрушений
Применение уникальных диодов для накачки позволяет получать оборудование с эффективностью 45 % и сроком службы 100 000 часов

Схема волоконного лазера
На данный момент очевидным стало, что для промышленных применений волоконный лазер выигрывает у любого лазерного излучателя и обеспечивает огромное разнообразие вариантов технологий обработки материалов.
принципиальная схема систем лазерной обработки
Но лазерный излучатель — это еще не готовая система. Подобно хорошему двигателю для автомобиля, лазерный излучатель определяет основные возможности, но не гарантирует конечный результат. Что нужно еще для системы лазерной обработки, помимо лазера? Нужна система перемещения и фокусирования излучения.
Фокусирование излучения
Лазерное излучение имеет свойство фокусироваться в точке с помощью различных оптических приборов. Самым распространеным прибором является линза. Схема фокусирования излучения приведена на схеме:

Схема фокусирования излучения линзами с разным фокусным растоянием (все углы для наглядности утрированы)
Из схемы видны несколько принципиальных фактов:
Чем больше фокусное растояние, тем больше пятно, в котором фокусируется излучение
Чем больше фокусное растояние, тем больше перетяжка. Перетяжкой называют некую дистанцию от фокальной плоскости вдоль оси распространения излучения, в пределах которой размер сфокусированного излучения меняется несильно
Эти факты справедливы для абсолютно одинакового лазерного излучения. Если пучки лазера разные, то зависимости могут поменяться. Таким образом, влияя на оптическую схему, мы можем получать те или иные возможности оборудования (разрешение, глубина резкости и пр.).
Также нужно понимать, что пятно лазера — это не равномерно залитый круг. Если посмотреть сечение лазерного излучения, то мы увидим неоднородное значение энергии. В общем случае хорошим лазерным излучением считается так называемое Гауссовое распределение энергии. При этом распределении большая часть энергии сосредоточена в центре, как на рисунке. Такое распределение позволяет получать минимальные размеры зоны обработки.

Зачем фокусироваться в минимальное пятно? Если у нас есть два лазера, которые фокусируются в два разных пятна, и первое в 10 раз больше второго, то, так как энергия распределяется по всей площади круга и площадь круга пропорциональна радиусу в квадрате, то интенсивность (энергия на единицу площади) уменьшится не в 10, а в 100 раз, что очень сильно скажется на конечном результате.
В случае, когда луч отклоняется зеркалами, применяют не линзу, а набор линз — объектив. Объективы, которые позволяют фокусировать луч на плоскости (а не сфере, как линза) при перемещении луча, называются F-Theta объективы. Схема прохождения излучения через такой объектив:

Так как при отклонении луча свет, фокусируясь, проходит разные условия, то пятно фокусировки излучения в разных частях поля получается различным. Пример распределения интенсивности излучения в разных частях фокальной плоскости:

планшетная система перемещения
Изначально лазерные системы фокусировали излучения на поверхности изделия и, перемещая изделия, мы получали обработку на площади. С появлением ЧПУ-столов этот процесс автоматизировался, и система управляла параметрами лазера и перемещением изделия.

Фотография системы с неподвижной лазерной головой и подвижным столом
Развитие этой системы привело к созданию легких фокусирующих головок, которые быстро перемещались по направляющим. Маленькая масса таких головок обеспечила быстрый разгон и торможение, а размеры осей — большие поля обработки. Такие системы перемещения называют планшетными.

Принципиальная схема планшетной системы перемещения
Планшетные системы могут обеспечить обработку плоских изделий с размерами, измеряемыми метрами, и со скоростями в сотни миллиметров в секунду. Примеры планшетных систем:
сканаторная система перемещения
Параллельно с планшетными системами развились системы перемещения, основанные на отклонении луча поворотным зеркалом. Очевидно, что, вращая зеркало, можно перемещать отраженный луч с огромными скоростями по поверхности материала. Некую сложность представляет обеспечение фокусировки на поверхности изделия, так как простая линза будет фокусировать отклоняемый луч на поверхность сферы (потому что расстояние от точки фокусировки до линзы должно быть одинаковым). Поэтому применяется сложная система линз, которая обеспечивает фокусирование на плоскости.
Сканаторные системы обеспечивают обработку полей, измеряемых десятками миллиметров, но с максимальными скоростями, измеряемыми тысячами мм/сек. На данный момент сканаторный тип системы — это самый скоростной вариант перемещения луча. К примеру, лазерные маркирующие системы, маркирующие бутылки с водой на конвейере, маркируют сотни символов в секунду. Примеры лазерного оборудования со сканаторной системой перемещения:
роботизированная система перемещения
Планшетный и сканаторный типы систем перемещения работают с плоскими изделиями, осуществляя обработку в 2D. Конечно, можно перемещаться по оси Z, углубляясь в изделие или перескакивая со ступеньки на ступеньку, можно добавлять оси вращения для поворота изделия и обработки цилиндрических или конических изделий, но полноценной 3D-траектории это не обеспечит.
Полноценная 3D-обработка стала обычным делом с появлением роботизированных манипуляторов. На эти манипуляторы устанавливается лазерная обрабатывающая головка, обеспечивающая требуемое лазерное излучение. В результате имеем устройство, которое способно обработать любое изделие с качеством и точностями, присущими лазерным технологиям.
МОБИЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОБОРУДОВАНИЯ
Так как наилучшее устройство для 3D-перемещения — это человек, то на рынке также востребован класс ручных систем лазерной обработки. Такие системы состоят из 2 частей:
Основной блок питания и управления
Ручная маркирующая головка
Такие системы используют в ситуациях при обработке крупногабаритных изделий либо в труднодоступных местах. Если проще принести лазер к изделию, чем поместить само изделие в лазер, тогда применяются эти системы обработки. Но при этом в руках оператора находится не просто линза, из которой выходит лазер, а целый комплекс устройств, который обеспечит точность и высокое качество обработки вне зависимости от навыка оператора.
дополнительная информация
Лазерный излучатель и система перемещения позволяют вложить в обрабатываемое изделие определенную энергию в конкретное место и с заданной скоростью. Но, для того чтобы получить профессиональное оборудование, необходимо дооснастить нашу систему еще некоторыми очень важными узлами.
устройства подачи и фиксации обрабатываемых изделий
Для осуществления непрерывного процесса лазерной обработки с большой производительностью изделия необходимо подавать в зону обработки. Для этого используются разные податчики, столы, конвейерные ленты и пр. Примеры:
Обычно для лазерной обработки нет необходимости закреплять обрабатываемые изделия, так как механическое давление минимально. Но для процесса лазерной сварки приходится жестко фиксировать свариваемые изделия. Для этого применяют специальную оснастку.
устройство подачи порошка
Для аддитивных технологий и наплавки необходимо подавать порошок в зону обработки. Для этого применяют разнообразные устройства. Пример:
устройство подачи газов
В процессах лазерной резки и сварки важную роль играют подаваемые в зону обработки газы. Для резки используют кислород и азот. Кислород увеличивает производительность процесса, а азот улучшает качество реза. Для сварки создают атмосферу обработки из инертных газов аргона или гелия, реже — азота или смеси СО2. Задача инертного газа — предотвратить химические взаимодействия нагреваемого материала с воздухом.
защитные кожухи и кабины
Лазерное излучение представляет опасность для человека. А неблагоприятная среда (масляные взвеси в воздухе, пыль, грязь и пр.) представляют опасность для лазерного оборудования. Для того чтобы защитить человека от лазерного излучения, а оборудование — от внешних угроз, применяют защитные кабины и кожухи.
системы охлаждения
Активное тело в лазерном излучателе трансформирует энергию от внешнего источника в лазерное излучение. Чем больше энергии мы хотим получить в лазере, тем больше энергии необходимо вложить. Для того чтобы от больших энергий активное тело не разрушилось, его необходимо охлаждать. Для этого используются различные системы охлаждения. Также необходимо охлаждать оптические элементы, работающие с мощным лазерным излучением. В некоторых случаях эти элементы специально охлаждаются водой (или другим хладогентом), в других случаях — сопутствующими газами.
система видеонаблюдения и мониторинга процесса
При решении задач микроэлектроники масштаб обработки таков, что невооруженным глазом невозможно оценить результат. Поэтому для контроля, позиционирования и прочих задач используются оптические системы, совмещающие микроскоп и видеокамеру. Используя различные объективы, мы контролируем процесс с размерами от метров до нескольких десятков нанометров.
Для оценки качества лазерной сварки применяют различные датчики, фиксирующие параметры плазменного факела в зоне обработки. Существуют решения, которые позволяют анализировать параметры этого факела и оценивать качество лазерной сварки. Если такая система не фиксирует ошибок в процессе сварки, то можно говорить об отсутствии дефектов в сварном шве. А если отклонения зафиксированы, то можно указать место некачественной сварки и исправить сварку в конкретном участке, не переделывая всю деталь.
материалы
В.И. Ефанов. Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2010 г.
В.П. Вейко, Е.А. Шахно. Кафедра лазерных технологий университет «ИТМО», 2014 г.
Компания «Геоскан»
Конференция «Оптика лазеров». Санкт-Петербург, 2018 г.
М.А. Зеленков, М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» Москва, 2015 г.
#новыепроизводственныетехнологии #большиеданные #беспроводнаясвязьиинтернетвещей #трансфертехнологий #проектированиеимоделированиедеятельности #созданиеплатформсетейэкосистем #сборииспользованиеданныхвуправлении #практикиуправленияиорганизациядеятельности #передачакомпетенцийиуправление #квантовыетехнологии #сенсорикаиробототехника #работасбудущим #мышлениеикреативность
Больше лонгридов и заданий доступны при записи на курс
Находясь на сайте, вы даете согласие на обработку файлов cookie. Это необходимо для более стабильной работы сайта
Понятно
Close