За последние примерно 25 лет промышленные лазеры прошли путь от маркировки пластика до создания трехмерных деталей и цветных отпечатков на металле. А началась вся история в 90-х с создания нашим соотечественником первых волоконных лазеров, которые превосходно управлялись с металлами.
Далее — рассказ про развитие лазерной техники за последние два десятилетия на примере оборудования одного питерского производителя.
Компания называется «Лазерный центр». На ее территории открыта одна из наших Точек кипения Hi-Tech, где проходят мероприятия, а также практика для студентов нескольких питерских вузов.
В Точке есть небольшой музей с лазерными установками, которые отражают определенные этапы эволюции в индустрии. Мой экскурсовод и рассказчик — Иван Фоменко @IvanLaser, инженер по призванию и образованию. Он, кстати, периодически постит на Хабре технические заметки про работу лазерной техники.
Пара слов о принципах работы лазера
Уберу эту часть под спойлер, поскольку нового тут не так много.
Для базового понимания принципов работы лазера достаточно знать, что атомы могут находиться в возбужденном состоянии — это когда электроны располагаются не на нижних, а на более высоких орбитах. Переход электрона на более низкую орбиту (то есть переход атома из возбужденного состояния в основное) сопровождается выделением кванта энергии — фотона.
Переход электрона с нижнего на более высокий уровень возможен, если атом получает извне некоторую энергию — поглощает фотон. Таким образом, с помощью внешнего источника энергии, например газоразрядной лампы, в некоторых веществах можно заставлять значительную долю атомов переходить в возбужденное состояние и оставаться в нем какое-то время. Такие вещества используют в качестве активной среды для лазера. А формируемое состояние называют инверсией населенностей.
Переход атома из возбужденного состояния в основное может произойти спонтанно или вынуждено, если рядом с возбужденным атомом пролетает фотон, созданный источником с определенной длиной волны. В этом случае атом переходит в основное состояние, излучая в том же направлении точно такой же фотон. Таким образом, процесс перехода в основное состояние в активной среде с инверсией населенностей происходит лавинообразно — один фотон вызывает сотни и тысячи переходов других атомов (с излучением аналогичных фотонов).
Идею вынужденного излучения выдвинул Эйнштейн в 1917 году, а первый лазер на кристалле рубина собрал физик Теодор Майман в 1960 году.
В итоге лазер — это устройство, в котором свет усиливается вдоль определенного направления за счет вынужденного излучения. Излучение преобразует энергию внешнего источника («накачки») в пучок излучения определенной длины волны — тонкий и за счет этого очень мощный на единицу площади сечения.
Лазерная техника 90-х
Существуют тысячи типов лазеров, но сегодня в промышленности в основном используются только два — газовые и волоконные. Они различаются активной средой и, соответственно, длиной волны и мощностью излучения. До их появления самые ходовые лазеры были твердотельными.
Станок, что на фото, собрали на базе твердотельного лазера еще в середине девяностых. Его основное предназначение — нанесение изображений или маркировки на какой-либо предмет. Состоит он из двух основных блоков — системы генерации излучения и системы его позиционирования. Плюс схема управления.
В центре блока генерации в закрытом корпусе расположено активное тело в форме стержня. Газоразрядная лампа создает в нем инверсию населенностей, и фотоны, испускаемые спонтанно при возвращении атомов в основное состояние, разлетаются в разные стороны. Корпус активного тела имеет небольшие отверстия с двух сторон по оптической оси устройства. Вылетающие в этом направлении фотоны отражаются от размещенных на той же оптической оси зеркал и возвращаются в активное тело, вызывая цепную реакцию у «накачанных» энергией атомов.
Полученный таким образом луч попадает на внешнюю систему зеркал, управляемых специальными двигателями. Зеркала имеют небольшой угол поворота, но высокую скорость и практически мгновенный разгон — так можно быстро перемещать луч в нужную точку. Эта система позиционирования луча носит название сканатор.
Кстати, у «Лазерных технологий» сохранился рабочий немецкий сканатор, выпущенный в 1995 году. Его когда-то использовали в качестве прообраза для конструирования собственных станков. По современным меркам это довольно громоздкая система, но построена она примерно по тем же принципам, что и современные сканаторы.
После сканатора устанавливают объектив, который фокусирует луч в нужной плоскости.
Если бы мы использовали для фокусировки классическую линзу, точки фокуса луча при разных установках сканатора давали бы сферу, то есть маркировку можно было бы наносить только на сферические объекты, например на ложки. Поэтому используют специально рассчитанные объективы, которые превращают эту сферу в плоскость.
Объективы, используемые в лазерных станках, — это набор специальных линз, рассчитанный на излучение определенного участка спектра. Они носят название F-Theta, или объективы плоского поля. Главная их особенность в том, что блики (паразитное отражение лучей от каждой границы сред) не должны сфокусироваться ни на деталях самого объектива, ни на зеркалах сканатора. Учитывая мощность излучения, понятно, что такой блик быстро прожжет в зеркале дыру, создав «мертвую зону» для станка — область, в которой будет невозможно наносить изображение на поверхность.
С первого взгляда станок кажется довольно кустарным, особенно с поворотником от «Лады» в качестве сигнальной лампы.
Но в девяностые промышленное лазерное оборудование российского производства выглядело именно так — сказывалась практика поиска подходящих решений в смежных направлениях родом из Советского Союза.
Начало 2000-х — промышленный формфактор
В начале нового века появились более современные блоки питания и системы управления, которые стали монтировать в промышленные 19-дюймовые стойки. На фото станок 2005 года с жидкостным охлаждением активной среды.
Излишний неравномерный нагрев был одной из основных проблем станков на базе твердотельных лазеров. Чем большую выходную мощность мы хотим получить, тем больше нагревается активная зона во время накачки.
Создатели использовали разные варианты охлаждения, в том числе водяное, но это не означало, что мощность можно повышать до бесконечности. В то время активным телом была керамика, которая трескалась при возникновении градиента температуры. И принудительное охлаждение помогало лишь до определенного уровня мощности.
Отметим, что здесь мы говорим только о промышленном применении лазеров для резки и маркировки.
Помимо описанной конструкции, на тот момент уже существовали лазеры, в которых активным телом был газ. Они лишены проблемы температурного градиента — активная среда не трескается и не ломается. Но с ними другая проблема.
Наиболее распространенные в промышленности газовые лазеры (CO2) работают на длине волны около 10 микрон, а цветные металлы отражают 90% излучения этого диапазона. Для получения нужного результата при работе с металлами пришлось бы использовать невероятно мощные установки, а их КПД был бы низким. Поэтому для работы с металлами пытались дорабатывать твердотельные установки. А CO2-лазеры остались в нише для работы с пластиковыми и деревянными поверхностями.
Середина 2000-х — революция размеров
Еще в девяностых годах прошлого века российский физик Валентин Гапонцев с коллегами разработал первые волоконные лазеры, активной средой которых было специальное оптоволокно, а для накачки использовали светодиоды. Сам Гапонцев уехал в США, где основал транснациональную компанию IPG Photonics, которая в 2000-х контролировала две трети мирового рынка волоконных лазеров большой мощности.
Компания построила заводы в США, Германии и России (в наукограде Фрязино под Москвой), так что примерно с 2004 года «Лазерный центр» получил возможность закупать для своих станков самые передовые оптические генераторы.
Волоконный лазер оказался лишен недостатков твердотельного.
Сращивая волокна, можно использовать одновременно несколько диодов для накачки, размещая их по всей длине. Это убирает проблему излишнего нагрева в одной точке.
Да и охлаждать волокно легче. Само по себе оно имеет толщину всего 100 микрон, то есть соотношение его площади поверхности и сечения много больше, чем у керамической активной среды. Таким образом, тепло с него снять намного проще.
Волоконные лазеры и станки на их основе оказались супернадежными в эксплуатации. В твердотельном лазере «слабым местом» была лампа накачки. Хорошей наработкой для нее считалось 500 часов. 800 часов — просто отличный срок, после которого она могла взорваться прямо внутри станка из-за перегрева.
Приходилось останавливать работу и заменять ее. А у волоконного лазера срок службы без техобслуживания — 100 тыс. часов. Это 50 лет односменной работы.
В музее нашелся самый первый станок, собранный на базе волоконного лазера, — «МиниМаркер 1».
Это не просто первая модель, а именно первый экземпляр, который был продан заказчику. Компания выкупила его во время очередного обновления оборудования. Станку 18 лет, и он до сих пор работает.
Вот пример того, что можно было сделать с его помощью в 2004 году.
Далее специалисты научились обрабатывать неметаллы.
Сейчас почти все электроприборы маркируют лазером, поскольку стоимость нанесения практически нулевая, а продолжительность процесса — пара секунд. Нет расходников и трафарета, поэтому можно нанести любую информацию, формируемую чуть ли не в момент нанесения.
2010-е. Автономность и безопасность
Волоконные лазеры позволили быстро и дешево наносить изображения. Спрос на эту технологию помог развить всё направление, к которому начали применять новые стандарты автономности и безопасности.
Тут уже присутствует закрывающийся кожух в соответствии с ГОСТами. Он не допускает контакта человека с лазерным излучением, диапазон которого невидим для глаза.
Из прочих интересных моментов — скорость перемещения луча в сотни метров в секунду и микронная точность. Ну и полная автоматизация процесса.
Создание цветных изображений на металле и другие «фокусы»
Градиентные изображения с помощью лазерных станков можно было создавать еще в начале нулевых.
Принцип прост: при контакте лазерного излучения с поверхностью металла на ней образуется оксид. Именно он дает окраску. Меняя мощность излучения, можно получить разные оттенки, но в случае с металлами этот процесс очень сложно контролировать. От максимума до минимума получить, например, 255 полутонов не удастся. Вдобавок при переходе к другому сплаву настройку придется выполнять заново. Поэтому проще играть не с мощностью излучения, а, как в типографиях, управлять плотностью «заливки».
Со временем, погрузившись в лазерную физику, специалисты научились наносить и условно цветные изображения.
В зависимости от температуры на поверхности металла образуется оксид разной толщины. Свет частично проходит через эту пленку, отражается от границы с металлом и интерферирует с волной, отраженной от поверхности оксида (от его границы с воздухом). В результате под разными углами можно увидеть разные цвета. Механизм аналогичен так называемым цветам побежалости, которые появляются на поверхности металла после сильного теплового воздействия.
Корректируя мощность излучения, можно управлять толщиной пленки и таким образом получать цветное изображение, которое будет видно под определенными углами.
Эффект сильно зависит от режима работы и типа сплава. Золото, сколько его ни нагревай, не позволит получить зеленый и красный цвет. Яркие цвета дает титан. А на стали цветные изображения будут тем ярче, чем она более легирована.
Для каждого материала можно построить свою теоретическую модель расчета мощности для создания оттенков, но зачастую проще «распечатать» весь диапазон на небольшом образце и отталкиваться от него.
Пример создания цветного изображения на металле с помощью лазера
Следующий шаг — создание рельефных или трехмерных изображений. Предметы ниже созданы с помощью лазерной эрозионной обработки, которая постепенно, слой за слоем, удаляет материал (минимальная толщина снятия — 0,5 мкм).
Вот ускоренное видео данного процесса:
И разумеется, лазером можно деметаллизировать поверхность, получая рисунок проводников на печатной плате.
«Что же будет с Родиной и с нами?»
В плане технологий — это работа над станками с разрешением менее одного микрона. Нынешняя техника уже вплотную к нему приблизилась. Все это сильно пригодилось бы в микроэлектронике, но, как утверждает Иван Фоменко, спроса пока нет.
Из хороших новостей — завод во Фрязине сохранил свою независимость, то есть у нас есть передовые волоконные лазеры. Профильные вузы все эти годы тоже не стояли на месте, и есть понимание, как с помощью лазера решать самые разные технические задачи. В свою очередь, эти задачи появляются у промышленности. У того же «Лазерного центра» заказчики в 17 странах. Вдобавок в последнее время конкуренция на внутреннем рынке заметно снизилась, что помогает пускать больше денег на НИОКР и эффективно теснить тех же китайцев.
