CO₂ лазерлік белгілеу машинасының жұмыс істеу принципі қандай?

CO2 лазерінің пайда болуы: газдың ынталануы және 10,6 мкм фотон шығарылуы

Популяцияның инверсиясын қамтамасыз ету үшін CO–N–He газдарының қоспасының рөлі

Лазерлердің жұмыс істеуін қамтамасыз ететін негізгі құбылыс — популяциялық инверсия, ол газдар арасындағы энергияның белгілі бір қоспаларда өте дәл берілуі нәтижесінде пайда болады. Азот молекулалары электр тогымен соқтығысқан кезде олардың артық энергиясы кездейсоқ молекулалық соқтығысулар кезінде көмір қышқылы молекулаларына беріледі. Бұл CO₂ молекулаларын ғалымдар «жоғарғы лазерлік деңгей» деп атайтын, нақтырақ айтқанда, 00°1 күйіне көтереді. Гелий бұл процесте екі маңызды рөл атқарады. Біріншіден, ол CO₂ молекулаларының төменгі энергетикалық деңгейінен (яғни 10°0 деңгейінен) тезірек салқындатуына көмектеседі, сондықтан энергия қорланып қалмайды немесе жүйе «тұрып қалмайды». Екіншіден, гелий лазерлік трубканың ішіндегі реакция аймағынан шығатын жылуды шығарып тастайды. Бұл температураны тұрақты ұстайды және жалпы жүйенің қызмет ету мерзімін ұзартады, яғни оның алмастыруға қажеттілігі кешігеді. Көптеген лазерлік орнатуларда қоспада шамамен 10–20 пайыз CO₂, тағы да 10–20 пайыз азот және қалған бөлігін гелий құрайды — ол қоспаның 60–80 пайызын құрайды. Халықаралық электротехникалық комиссия (IEC) қабылдаған IEC 60825-1 стандарттарына сәйкес, бұл қоспа тәжірибелік қолданыста жоғары сапалы лазерлік шығыс алуға және ұзақ уақыт қызмет етуге мүмкіндік береді.

Электр разряды арқылы ынталандыру және 10,64 мкм-де стимулданған шығу

Жоғары кернеулердің тұрақты тогы немесе радиожиілікті разряды газ қоспасы арқылы өткенде, ол энергиялық электрондардың тобын тудырады. Бұл электрондар азот молекулаларын олардың v=1 тербеліс күйіне дейін көтеруге ұмтылады, бұл күй ұзақ уақыт бойы сақталады. Келесі қандай құбылыс болады? Ал, азот молекулаларының көтерілген күйі мен көмірқышқыл газы молекулалары арасындағы соқтығысу кезінде энергия беріледі, нәтижесінде CO₂ молекулалары 00°1 энергетикалық деңгейіне көтеріледі. Бұл CO₂ молекулалары 10°0 деңгейіне түскен кезде, олар шамамен 10,64 микрометр толқын ұзындығында фотондар шығарады. Бұл нақты толқын ұзындығы мүлдем кездейсоқ емес, ол молекуланың тербелістері мен айналыстарының өзара әрекеттесуінен туындайды. Лазерлік резонатор ішінде екі ұшындағы айнада бұл фотондар кері-алға шағылысады, бұл қосымша сәулеленулерді тудырып, жарық интенсивтілігін арттырады. Бұл лазерлермен жұмыс істейтін көптеген адамдар 9,2–10,8 микрометр аралығындағы басқа сызықтардың ішінде 10,6 микрометрлік сызықтың ерекше басым екенін байқайды. Неге? Себебі қалыпты жұмыс жағдайларында бұл нақты толқын ұзындығы ең жоғары күшейту коэффициентіне ие. Бұл органикалық материалдарға қатысты өнеркәсіптік белгілеу жұмыстары сияқты қолданыстар үшін өте тиімді болады, өйткені бұл толқын ұзындығындағы жарықты органикалық заттар өте жақсы сіңіреді.

СО2 лазерлік белгілеу машиналарында сәуле беру және дәл фокустау

Гальванометрлік сканерлеу жүйелері мен тұрақты оптика: жылдамдық, дәлдік және қолдануға сәйкестік

Гальванометрлік жүйелер лазер сәулесін жұмыс беттері бойынша секундына 10 метрден астам жылдамдықпен бағыттау үшін сервомоторлармен басқарылатын айнаны қолданады. Бұл материалға тиіп көрмей-ақ күрделі дизайндар мен тығыз DataMatrix кодтарын тез белгілеуге мүмкіндік береді. Жүйе орындарды 0,01 мм дәлдікпен қайталай алады, сондықтан электроника өндірісінде, имплантацияланатын медициналық құрылғыларда және сезімтал пленкалық орау қолданбаларында қажетті өте кішкентай белгілерді қоюға өте қолайлы. Тұрақты оптика толығымен басқаша тәсілді қолданады. Бұл машиналар лазер сәулесін тұрақты ұстап, ал объектіні қозғалысқа ұшыратады; бұл шойын металдарға терең гравюралау немесе үлкен таңбалар жасау сияқты қиын жұмыстар үшін механикалық тұрақтылықты жақсартады. Гальванометрлік жүйелер жылдамдық пен универсалдық ең маңызды болған кезде анық жеңіске жетеді, бірақ тұрақты оптика температураның өзгеруіне байланысты идеал тегіс емес немесе тұрақсыз беттерде фокустың тереңдігін тұрақты ұстайды. Сондықтан көптеген өндірушілер дәл орналасу маңызды болған кезде, жұмыстың қаншалықты тез атқарылуы емес, қолданбалар үшін тұрақты оптиканы қолдануды ұсынады.

F-Theta линзасының дизайны және 10,6 мкм толқын ұзындығы үшін дақтың өлшемін оптималдау

F-Theta линзасы гальванометрлік CO2 лазерлік жүйелермен жұмыс істеген кезде белгілеу аймағының барлық жерінде біркелкі фокусты қамтамасыз ету үшін өте маңызды рөл атқарады. Бұл арнайы линзалар жұмыс бетіндегі жарықтың фокусына қайда түсетіні мен айнашалардың қандай бұрышқа бұрылуы арасында түзу қатынасты сақтай отырып, өрістің иілуі мен деформациясы сияқты мәселелерді шешеді. Бұл лазерлік дақтың белгіленетін аймақтың ортасында немесе шетінде орналасқанына қарамастан, оның өлшемі мен интенсивтілігі шамамен бірдей қалатынын білдіреді. Көптеген заманауи F-Theta линзалары 10,6 микрометрлік инфрақызыл толқын ұзындығын өңдеуге арналып жасалған және цинк селениді немесе галлий арсениді негізіндегі көп қабатты құрылымға ие. Сонымен қатар, олар жұмыс істеген кезде керексіз шағылулар мен жылулық деформацияларды азайтатын арнайы қаптамалармен жабылады. Барлығы дұрыс жұмыс істеген кезде бұл линзалар диаметрі шамамен 90 микрометрге дейінгі лазерлік дақтарды құруға қабілетті. Бұл дәлдік деңгейі 2D кодтарды оқу, күрделі электр схемаларын белгілеу және миллиметрден кіші мәтіндерді анық, шағылуларсыз (шашырау немесе «гало» эффектісінен арылған) белгілеу үшін өте маңызды.

Материалдардың өзара әрекеттесуі: CO2 лазерлі белгілеу машиналары беттерді қалай өзгертеді

Органикалық материалдарда (полимерлер, ағаш, тері, мата) күшті инфрақызыл сіңіру

10,6 микрондық толқын ұзындығында жұмыс істейтін CO2 лазерлері көптеген органикалық қосылыстардағы негізгі тербеліс үлгілеріне – атап айтқанда, көміртекті заттарда кеңінен таралған C=O, O-H және C-O байланыстарына – өте жақсы сәйкес келеді. Сондықтан осы лазерлер материалдарға өте күшті сіңіріледі. Мысалы, полимерлерге келсек: акрил, ABS пластик және полипропилен осы толқын ұзындығындағы келетін лазерлік энергияның 60%-дан шамамен 100%-ға дейінін сіңіреді. Ал табиғи материалдар жағдайында нәтиже тағы да жақсырақ болады. Ағаш, дері және мақта мата селлюлоза мен ақуыздардың көптігі салдарынан 80%-дан астамын сіңіреді. Келесі болатын нәрсе өте қызықты. Лазер материалға түскен жерде интенсивті жылу пайда етеді, ал кейде температура бірнеше мыңдық секунд ішінде 3000 °C-тан жоғары көтерілуі мүмкін. Бірақ осы процестің ақылды жағы мынада: осы жылудың көпшілігі өте жұқа қабатта – әдетте 0,1–0,5 мм тереңдікте – қалады. Бұл өндірушілерге беткі қабаттардың сыртқы түрін немесе химиялық қасиеттерін физикалық қысым қолданбай-ақ өзгертуге мүмкіндік береді. Нәтижесінде – дәстүрлі әдістермен әдетте зақымданатын сезімтал бөлшектерге таза және тұрақты белгілер қойылады.

Жылу өңдеу режімдері: Гравюралау, Жылумен өңдеу, Көпіршіктелу және Түс өзгерісі

CO2 лазерлі белгілеу машиналары әртүрлі көріністік және функционалды нәтижелерге қуат тығыздығын, импульс ұзақтығын және сканерлеу жылдамдығын реттеу арқылы — әртүрлі жылулық механизмдерді іске қосу арқылы қол жеткізеді:

Гравюра жұмыс істейді, ол материалды сублимация арқылы алып тастайды, бұл өнімдерде көбінесе кездесетін тактильді тереңдіктерді құрады, кейде тереңдігі шамамен 1 мм-ге дейін жетеді. Содан кейін аннелинг бар, онда беттің төменгі қабатында бақыланатын тотығу процесі жүреді. Бұл әдіс негізінен коррозияға төзімді белгілерді құру үшін, әсіресе шымыр болат немесе титан сияқты материалдармен жұмыс істеген кезде кеңінен қолданылады, сонымен қатар визуалды түрде ерекшеленеді. Көпіршіктену процестері полимерлік матрицаларды кеңейтеді, нәтижесінде жарық түсті, көтерілген элементтер пайда болады, олар саусақтардың ұшында өте жақсы сезіледі және өте жақсы тактильді кері байланыс қамтамасыз етеді. Түс өзгерістері туралы айтқанда, өндірушілер материалдар ішіндегі бояғыштар мен толтырғыштардың фотожоғарылау өзгерістеріне сүйенеді. Бұл тәсіл беттен ешқандай материалды алып тастамай-ақ, мата мен инженерлік пластиктер сияқты заттарға тұрақты брендтік белгілерді қалдырады. Барлық бұл әртүрлі әдістер бір нәрсені ортақ ұстанады — олар барлығы бірдей 10,6 микрометрлік фотондық көзбен жұмыс істейді. Алайда, олардың ерекшелігі — әрбір материалдың жылу порогына әртүрлі реакция беруінде. Сондықтан да бұл жүйе медициналық құрылғыларды өндіруден аэроғарыш компоненттерін шығаруға дейін, дәлдік ең маңызды болатын әртүрлі салаларда өте универсалды қалып тұрады.

Сұрақтар мен жауаптар бөлімі

CO₂ лазерінде популяциялық инверсия дегеніміз не?

Популяциялық инверсия — бұл бөлшектердің көпшілігі төменгі энергетикалық деңгейлерге қарағанда қозған күйде болатын күй. CO₂ лазерінде бұл қозған күйге CO–N–He газдарының қоспасы арқылы энергия алмасу жолымен жеткізіледі, ол лазерлік белсенділікті тиімді қамтамасыз етеді.

CO₂ лазерлерінде 10,6 микрометр толқын ұзындығы неге маңызды?

10,6 микрометр толқын ұзындығы ең жоғары күшейту коэффициентіне ие болғандықтан маңызды, сондықтан ол әсіресе осы толқын ұзындығында жарықты сіңіретін органикалық материалдармен жұмыс істейтін өнеркәсіптік қолданбалар үшін өте тиімді.

CO₂ лазерлік белгілеу машиналарында гальванометрлік сканерлеу жүйелері қозғалмайтын оптикалық элементтерден қалай ерекшеленеді?

Гальванометрлік сканерлеу жүйелері лазер сәулесін жылдам және күрделі белгілер қою үшін басқарылатын айнадан өткізеді. Ал қозғалмайтын оптикалық элементтер лазер сәулесінің орнын өзгертпей, өңделетін бұйымды стационар сәулеге қатысты қозғайды, бұл гравюралық жұмыстар үшін тұрақтылықты жақсартады.

Қандай материалдар CO₂ лазерлік энергиясын жоғары дәрежеде сіңіреді?

Полимерлер (мысалы, акрил, ABS пластик), ағаш, тері және мата сияқты материалдардың CO₂ лазерлік энергиясын сіңіру қабілеті жоғары, өйткені олардың органикалық қосылыстары лазердің толқын ұзындығымен сәйкес келеді.

CO₂ лазерлік белгілеу машиналарында қандай жылулық өңдеу режімдері қолжетімді?

Негізгі жылулық өңдеу режімдеріне гравюрлау, тұрақтандыру, көбіктену және түс өзгерісі жатады; әрқайсысы қуат тығыздығы мен жылулық механизмдеріне байланысты ерекше көрініс береді және функционалды нәтижелер береді.