Báze znalostí: vláknový laser

Princip, výhody a průmyslové využití

Vláknové lasery jsou dnes považovány za jednu z nejpokročilejších a nejefektivnějších technologií v oblasti průmyslového značení a zpracování materiálů.

Co je vláknový laser
Jak funguje
Běžné vlnové délky
Kterou vlnovou délku použít
Vláknový vs co₂ laser
Gravírování nebo řezání odpařováním
Srovnání vláknových a jiných laserů
Typy vláknových laserů
Jaké materiály lze značit
Životnost vláknových laserů
Významní výrobci

1. Co je to vláknový laser?

Vláknový laser je typ pevnolátkového laseru, ve kterém dochází ke generování laserového záření v jádře optického vlákna dopovaného prvky ze skupiny lanthanoidů (vzácné zeminy).

Vlákno je tvořeno křemičitým nebo fosfátovým sklem a dopované například erbiem, ytterbiem nebo praseodymem. Výsledkem je vysoce koncentrovaný laserový paprsek s vysokou kvalitou a stabilitou.

V některých aplikacích laserového značení se používá také neodym, což je typické zejména pro speciální typy vláknových laserů.

Dopovaná optická vlákna mohou být navíc přizpůsobena různým aplikacím (např. různé vlnové délky pro různé materiály).

2. Jak vláknový laser funguje?

Vláknové lasery fungují na principu stimulované emise záření v optickém vlákně dopovaném vzácnými zeminami. V tomto procesu se světelná energie z laserových diod, tzv. budicího světla, absorbuje v jádře optického vlákna a transformuje se do laserového paprsku s přesně definovanou vlnovou délkou.

Proces generování laserového paprsku ve vláknovém laseru probíhá v několika fázích:

Vytvoření budicího světla: Elektrická energie je transformována na světelnou energii pomocí laserových diod.
Sběr a vedení do optického vlákna: Světlo z více diod se sbírá a vede do optického vlákna.
Průchod budicího světla optickým vláknem: Světlo prochází jádrem optického vlákna a je odráženo od pláště.Díky fenoménu totální reflexe zůstává světlo uvnitř jádra.
Stimulovaná emise v laserové dutině: Světlo dosáhne dopované části vlákna (laserové dutiny), kde interaguje s atomy vzácných zemin a excituje jejich elektrony na vyšší energetickou hladinu. Při návratu na nižší energetickou hladinu elektrony emitují fotony specifické vlnové délky.
Zesílení laserového světla: Světlo se zesiluje pomocí Braggových mřížek, které fungují jako selektivní zrcadla. Zesílené světlo se formuje do laserového paprsku s vysokou kvalitou a stabilitou. Braggovy mřížky také zajišťují zpětnou vazbu v laserové dutině a selektivně vybírají určitou vlnovou délku.

3. Vlnové délky běžně generované vláknovými lasery

Vlnová délka: ~1064 nm

V průmyslu nejpoužívanější vlnová délka. Generují ji ytterbiem dopované vláknové lasery. Výsledkem je paprsek v blízké infračervené oblasti.

Tato vlnová délka má vysokou absorpci ve většině kovů a některých speciálních plastů, což z ní činí nejvhodnější volbu pro průmyslové aplikace.

Mezi cílové materiály patří ocel (včetně nerezové), hliník, měď, titan, mosaz a bronz.

Kromě kovů dokáže 1064 nm účinně značit i některé typy plastů, zejména pokud obsahují laserové aditiva nebo pigmenty absorbující infračervené záření.

Ytterbiem dopované vláknové lasery na této vlnové délce jsou ideální pro aplikace jako gravírování, řezání nebo svařování kovových materiálů.

Vláknové lasery s touto vlnovou délkou mají velmi úzký paprsek a vysokou hustotu energie. To umožňuje precizní značení i jemných detailů (např. QR kódy, loga) a hlubší gravírování.

Vlnová délka: ~1550 nm

Tato vlnová délka se nachází v bezpečné oblasti pro lidské oko, což z ní činí ideální volbu pro aplikace, kde je potřeba minimalizovat riziko zranění. Generují ji Erbiem dopované vláknové lasery.

Typické aplikace zahrnují telekomunikace (přenos dat optickými vlákny), medicínu (např. dermatologie, oční chirurgie) a speciální gravírování na citlivé materiály.

Vlnová délka: ~1940–2000 nm

Tato oblast vlnových délek má vysokou absorpci ve vodě, proto je vhodná pro medicínské aplikace a zpracování materiálů obsahujících vlhkost. Generují ji Thuliem dopované vláknové lasery.

Díky této vlastnosti jsou tyto lasery ideální pro aplikace, kde je třeba minimalizovat tepelný dopad na okolní materiál, například při zpracování plastů nebo dřeva.

Vlnová délka: ~2100 nm

Generují ji Holmiem dopované vláknové lasery. Používají se v medicíně, zejména pro chirurgii a rozrušování kamenů v urologii. V průmyslových aplikacích nachází tyto lasery uplatnění při práci s organickými materiály. Lze je použít ke gravírování nebo jemnému řezání dřeva s vysokým obsahem vlhkosti, aniž by došlo k tepelnému poškození materiálu, nebo ke zpracování kůže a textilií.

4. Kterou vlnovou délku použít ?

Delší vlnové délky (např. 1550 nm nebo 2000 nm) mají větší absorpci ve vodě a organických materiálech, což je výhodné pro medicínu nebo zpracování plastů.

Kratší vlnové délky (např. 355 nm, generované UV lasery) jsou lepší pro velmi jemné značení plastů nebo skla.

Vlnové délka 1064 nm, kterou generují Ytterbium vláknové lasery, nabízí ideální rovnováhu univerzálnosti a výkonu. Proto je nejběžnější volbou v průmyslu. Podobnou vlnovou délku generují lasery dopované Neodymem (Nd:YAG lasery), ale Ytterbium je vhodnější, protože nabízí vyšší účinnost, nižší tepelné ztráty a jednodušší konstrukci vláken.

5. Vláknový laser vs CO₂ laser

Vláknové lasery a CO₂ lasery se liší především v aktivním médiu, kde je laserový paprsek generován. Vláknové lasery využívají optické vlákno dopované vzácnými zeminami, CO₂ lasery využívají směs plynů s oxidem uhličitým jako hlavní složkou.

Výhody vláknových laserů oproti CO₂ laserům:

Vyšší efektivita
Vláknové lasery dosahují účinnosti přeměny energie (až 75 %, běžně kolem 30–50 %), CO₂ lasery pouze okolo 20 %.

Vyšší kvalita paprsku
Vláknové lasery umožňují zaostřit do menšího bodu, a tedy i dosažení vyšší intenzity záření. Úzký paprsek umožňuje jemné a detailní značení. Výstup paprsku je stabilní i při dlouhodobém používání.

Všestrannost materiálů
Vláknové lasery jsou vhodné ke značení širokého spektra materiálů: kovy (hliník, ocel, titan), plasty, keramiku. Bez problému zvládají náročné materiály, jako je nerezová ocel a tvrdé slitiny.

Delší životnost
Vláknové lasery mají životnost až 150 000 hodin, CO₂ lasery okolo 30 000 hodin.

Nižší provozní náklady
Vláknové lasery nemají lampy ani zrcadla, která by se musela měnit, což minimalizuje provozní náklady. Oproti tomu CO₂ lasery vyžadují spotřební díly. Zrcadla a čočky se časem opotřebovávají nebo poškozují vlivem tepla a znečištění a laserové trubice mají omezenou životnost a musí se pravidelně měnit (obvykle po 10 000–30 000 hodinách).

Kompaktní design
Vláknové lasery jsou díky absenci složitých optických soustav (zrcadla, externí rezonátory) a využití vláknové technologie většinou malé a snadno integrovatelné do průmyslových linek nebo přenosných zařízení. Vyžadují méně prostoru než CO₂ lasery, což snižuje nároky na instalační zázemí.

Vysoká rychlost značení
Vláknové lasery umožňují rychlé značení díky rychlému přenosu energie a přesnému zaostření paprsku. To umožňuje značení textů, kódů nebo grafiky během sekund, a to i při sériové výrobě. Tento výkon minimalizuje prostoje a zvyšuje produktivitu bez kompromisu na kvalitě značení.

CO₂ lasery jsou však stále lepší volbou pro řezání tlustších materiálů nad 5 mm.

Nevýhody vláknových laserů oproti CO₂ laserům:

Vyšší pořizovací náklady
Počáteční investice bývá u vláknových laserů vyšší ve srovnání s CO₂ lasery. Vláknové lasery jsou ekonomičtější při dlouhodobém provozu, ale pro menší firmy může být vstupní cena překážkou.

Omezené použití na některé materiály
Vláknové lasery nejsou ideální ke značení organických materiálů (dřevo, sklo, papír) nebo průhledných plastů, kde CO₂ lasery excelují. Vlnovou délku ~10,6 µm CO₂ laserů lépe absorbují organické materiály (dřevo, sklo, kůže, papír), a některé kovy s povrchovou úpravou (např. lakovaná ocel).

Omezená hloubka gravírování
Vláknové lasery jsou primárně navrženy pro precizní povrchové značení tvrdých materiálů (např. kovů) a technických plastů, zatímco CO₂ lasery excelují v hlubokém gravírování díky schopnosti intenzivně působit na organické a některé anorganické materiály. Hluboké gravírování kovů vláknovými lasery je možné, ale časově a energeticky náročné.

Menší pracovní plocha
Ve srovnání s CO₂ lasery bývá pracovní plocha vláknových laserů menší, což může být omezení u velkoformátových aplikací.

Výběr správného typu laseru závisí na požadavcích na hloubku gravírování, materiál a rychlost procesu.

6. Gravírování nebo řezání odpařováním

Vláknové lasery se používají ke gravírování i řezání materiálů. Oba procesy fungují na principu odpařování materiálu pomocí koncentrovaného laserového paprsku.

Při gravírování se materiál odpařuje pouze do určité hloubky, čímž se na povrchu vytváří požadovaný reliéf.

Gravírování vláknovým laserem je možné realizovat jak povrchově, tak hluboko. Pro hlubší gravírování je potřeba zvýšený výkon nebo více průchodů.

Při řezání laserový paprsek prochází materiálem skrz naskrz, čímž se materiál rozděluje na požadovaný tvar.

Gravírování i řezání vláknovým laserem nachází uplatnění ve všech odvětvích, kde je klíčová preciznost, trvanlivost a estetika zpracování.

Gravírování vláknovým laserem: příklady aplikací

Značení QR kódů a čárových kódů: Tato aplikace vláknových laserů nachází využití v logistice, skladování a průmyslové výrobě. Gravírované kódy jsou odolné proti opotřebení a umožňují spolehlivou identifikaci výrobků, jako jsou automobilové díly nebo lékařské nástroje.

Značení log a firemních značek: Vláknový lasery je skvělý pomocník při personalizaci a brandování produktů. Příkladem aplikace může být gravírování loga na nerezové láhve, hodinky nebo elektronické zařízení.

Gravírování sériových čísel a identifikátorů: Tato aplikace je klíčová v automotive a aerospace průmyslu, kde zajišťuje zpětnou sledovatelnost jednotlivých komponent. Laserové gravírování se používá na motory, kovové konstrukce nebo elektronické součástky.

Řezání vláknovým laserem: příklady aplikací

Výroba tenkostěnných komponent: Vláknové lasery se používají při precizním řezání kovů (např. nerezové oceli, mosazi) pro elektroniku nebo jemné mechanické součástky.

Zpracování šperků: Laser dokáže vytvářet jemné detaily, které by tradiční metody jako rytí nedokázaly dosáhnout s podobnou přesností. Příkladem je vyřezávání složitých vzorů do drahých kovů, jako je zlato, stříbro nebo titan. Tvrdé slitiny lze laserem snadno řezat do složitých tvarů bez deformací. Vysoce přesný paprsek laseru zajišťuje, že odpad je minimální, což je při práci s drahými kovy ekonomicky výhodné.

Mikrořezání v medicíně: Vláknové lasery jsou klíčové při výrobě chirurgických nástrojů nebo implantátů díky vysoké přesnosti a minimálnímu tepelnému dopadu. Laser generuje lokální teplo pouze v místě zpracování, což zabraňuje deformacím nebo poškození okolního materiálu.

7. Srovnání vláknových laserů s jinými typy laserů

Vláknový laser vs. CO₂ laser

Výhody vláknového laseru: Excelují v aplikaci na kovy, mají vyšší rychlost a nižší provozní náklady.
Výhody CO₂ laseru: Vhodné pro organické materiály, kde mají vyšší absorpci, a pro aplikace s velkou pracovní plochou.

Vláknový laser vs. Nd:YAG laser

Výhody vláknového laseru: Nižší náklady na údržbu, delší životnost, vyšší účinnost.
Výhody Nd:YAG laseru: Výkonnější při některých specializovaných aplikacích, jako je hluboké gravírování.

8. Typy vláknových laserů

Členění laserů dle různých kritérií pomáhá definovat, který typ laseru je vhodný pro konkrétní aplikaci:

1. Dle režimu provozu:

Pulzní vláknové lasery:
• Emitují krátké impulzy světla s vysokým špičkovým výkonem.
• Využití: Gravírování jemných detailů (QR kódy, sériová čísla), mikroobrábění nebo laserové čištění.

Kontinuální vláknové lasery:
• Emitují nepřetržitý paprsek o konstantní intenzitě.
• Využití: Řezání kovových plechů, svařování nebo výroba chirurgických nástrojů.

2. Dle dopovacího prvku:

Ytterbiem dopované vláknové lasery:
• Nejčastější typ, generující paprsek o vlnové délce ~1064 nm.
• Využití: Gravírování a řezání kovů, značení plastů.

Erbiem dopované vláknové lasery:
• Emitují světlo o vlnové délce ~1550 nm, bezpečné pro lidské oko.
• Využití: Telekomunikace a medicínské aplikace.

Thuliem dopované vláknové lasery:
• Produkují světlo o vlnové délce ~2000 nm.
• Využití: Chirurgie a zpracování organických materiálů.

3. Dle kvality paprsku:

Single-mode vláknové lasery:
• Mají úzký paprsek s vysokou kvalitou, vhodné pro precizní značení a mikroobrábění.

Multi-mode vláknové lasery:
• Produkují širší paprsek s vyšším výkonem, ideální pro rychlé řezání a svařování.

4. Dle výkonu:

Nízký výkon (do 50 W): Gravírování plastů, značení menších kovových dílů.
Střední výkon (50–500 W): Gravírování hlubších struktur a lehké řezání.
Vysoký výkon (nad 500 W): Průmyslové řezání a svařování kovů.

9. Jaké materiály lze s vláknovým laserem značit?

Vláknové lasery s vlnovou délkou 1064 nm jsou vhodné pro značení kovů jako ocel, hliník, mosaz, měď, titan, zlato nebo stříbro, a plastů, jako ABS, polykarbonát, nylon nebo akryl.

Typické aplikace vláknových laserů zahrnují:

gravírování a značení kódů (QR, čárové kódy, sériová čísla),
výrobu elektroniky (značení desek plošných spojů),
automotive průmysl (značení dílů a nástrojů)
medicínský průmysl (značení nástrojů, implantátů).

10. Jaká je životnost vláknových laserů?

Životnost vláknového laseru se udává jako MTBF (Mean Time Between Failures), což je průměrná doba mezi poruchami. MTBF vláknových laserů je až 150 000 hodin. V praxi se však životnost může lišit v závislosti na typu laseru, provozních podmínkách a údržbě. CO₂ lasery mají MTBF okolo 30 000 hodin.

Platí, že ne všechny lasery prodávané jako "vláknové" skutečně využívají princip generování laserového paprsku v aktivním optickém vlákně. Je nutné se ujistit, že laser skutečně obsahuje aktivní optické vlákno, nikoliv pouze pasivní vlákno pro přenos laserového paprsku z jiného zdroje.

11. Nejvýznamnější výrobci vláknových laserů

Vedoucí postavení v oblasti vláknových laserů má americká firma IPG Photonics Corp., která zaujímá přibližně 70 % trhu. Tento výrobce nabízí širokou škálu pulzních a kontinuálních laserů s výkony od od 10 W do více než 100 kW.

Pro evropské zákazníky dávají smysl místní výrobci, kteří nabíuejí kvalitní produkt a k němu lokální technickou podporu. Patří mezi ně britská firma SPI Lasers jako součást německé skupiny Trumpf, a francouzská společnost ES Laser, která již 30 let dodává vláknové a CO₂ lasery pro precizní značení, gravírování, mikroobrábění a svařování.