Máy khắc laser fiber và những điều cần biết

Máy khắc laser fiber và những điều cần biết tất tần tật từ A đến Z

Máy khắc laser fiber Laser có mặt ở khắp mọi nơi trong thế giới hiện đại. Do các bước sóng khác nhau mà chúng có thể tạo ra. Do đó chúng được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiệp để thực hiện cắt, đánh dấu, hàn, làm sạch, tạo kết cấu, khoan và nhiều hơn nữa. Chúng cũng được sử dụng trong các lĩnh vực khác như viễn thông và y học. Nào hãy cùng Promaxshop tìm hiểu chi tiết nhất về máy khắc laser fiber và những điều cần biết xoay quanh về dòng máy này nhé!

Máy khắc laser fiber sợi quang sử dụng một sợi cáp quang làm bằng thủy tinh silica để dẫn ánh sáng. Chùm tia laser thu được chính xác hơn so với các loại laser khác vì nó thẳng hơn và nhỏ hơn. Chúng cũng có diện tích nhỏ, hiệu suất điện tốt, bảo trì thấp và chi phí vận hành thấp.

Khi nào máy khắc laser fiber được phát minh?

Elias Snitzer đã phát minh ra laser fiber vào năm 1961 và được trình diễn vào năm 1963. Tuy nhiên, các nhu cầu thực sự và có tính thương mại bắt đầu vào những năm 1990. 

Tại sao lại tốn nhiều thời gian như vậy mới được ưa chuộng? Lí do chính là công nghệ laser fiber sợi quang vẫn còn trong giai đoạn sơ khai. Ví dụ máy khắc laser fiber thời kì đầu chỉ có thể phát ra vài chục Miliwatt trong khi hầu hết các nhu cầu khắc thường yêu cầu ít nhất 20W. Bên cạnh đó thời gian này cũng không có thiết bị nào có thể bơm ánh sáng chất lượng cao vì điốt laze không hoạt động tốt như ngày nay.

Dưới đây là một số thời điểm quan trọng trong lịch sử của công nghệ máy khắc laser fiber sợi quang, bắt đầu từ năm 1917 khi Albert Einstein thiết lập nền tảng của nó.

- 1917 - Phát thải kích thích được phát hiện (Albert Einstein).

- 1957 - Khung lý thuyết cho laser được phát triển (Gordon Gould).

- 1960 - Tia laser đầu tiên - tia laser hồng ngọc - được chế tạo (Ted Maiman).

- 1960 - Thuật ngữ "sợi quang học" được đặt ra (Narinder Kapany).

- 1961 - Chế độ quang học trong sợi thủy tinh được phát minh (Elias Snitzer).

- 1962 - Chuyển mạch Q, một kỹ thuật tạo ra chùm tia laze xung, được trình diễn (Robert W. Hellwarth và R.J. McClung).

- 1963 - Laser sợi quang đầu tiên được trình diễn (Elias Snitzer).

- 1964 - Một phương pháp được phát hiện để loại bỏ tạp chất khỏi sợi thủy tinh, và do đó hạn chế sự mất ánh sáng (Charles Kao và George Hockham).

- 1988 - Laser sợi quang hai lớp đầu tiên được trình diễn (Elias Snitzer).

- 1990 - Rào cản watt bị phá vỡ bằng laser sợi quang pha tạp erbium 4W.

- 2004 - Bộ khuếch đại và chế độ laser sợi silica đơn được phát minh (David N. Payne).

Ngày nay công nghệ máy khắc laser fiber vẫn luôn không ngừng được cải tiến giúp hoạt động hiệu quả hơn, mạnh mẽ hơn  và dễ tiếp cận hơn. Hiện nay còn có thêm một vài ứng dụng sắp được ra mắt bao gồm làm sạch bằng laser và tạo kết cấu bằng laser, hay có thể thay thế các công nghệ gây ô nhiễm môi trường và giúp thế giới xanh hơn.

Máy khắc laser fiber có những loại nào?

Nói chung, máy khắc laser fiber sợi quang có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:

- Nguồn laser: Máy khắc laser fiber sợi quang thay đổi tùy theo vật liệu mà nguồn laser được trộn với nhau. Một số ví dụ bao gồm laser sợi quang pha tạp ytterbium, laser sợi quang pha tạp thulium và laser sợi quang pha tạp erbi. Tất cả các loại laser này được sử dụng cho các ứng dụng và mục đích khác nhau vì chúng tạo ra các bước sóng khác nhau.

- Chế độ hoạt động: Các loại máy laser fiber khác nhau cũng tạo ra chùm laser khác nhau. Các chùm tia laser có thể được tạo xung với tốc độ lặp lại đã đặt để đạt công suất đỉnh cao (laser sợi quang xung), như trường hợp "Chuyển mạch - Q", "Chuyển mạch khuếch đại", và "chế độ khóa" laser. Hoặc chúng có thể liên tục gửi cùng một năng lượng (Laser sợi quang sóng liên tục).

- Nguồn Laser: Công suất laser được biểu thị bằng Watt và biểu thị cho công suất trung bình của chùm tia laser. Ví dụ, nguồn laser fiber 20W, 50W,... Có thể nói laser có công suất cao tạo ra nhiều năng lượng nhanh hơn so với laser công suất thấp.

- Mode: Chế độ đề cập đến kích thước của lõi (nơi ánh sáng truyền qua) trong sợi quang. Có hai loại chế độ: Laser fiber chế độ đơn và fiber laser đa chế độ. Đường kính lõi của chế độ laser đơn nhỏ hơn, thường từ 8 đến 9 micromet, rộng hơn đối với laser đa chế độ, thường là từ 50 đến 100 micromet. Theo nguyên tắc chung, chế độ laser đơn truyền tải ánh sáng laser hiệu quả hơn và có chất lượng chùm tia tốt hơn.

Điểm khác biệt giữa máy khắc laser fiber và laser CO2 là gì?

Điểu khác biệt chính giữa máy khắc laser fiber và laser CO2 đó là nguồn nơi chùm laser được tạo ra. Ở dòng máy khắc laser fiber, nguồn laser là thủy tinh silica trộn với một nguyên tố đất hiếm. Còn ở máy khắc laser CO2, nguồn laser được hòa trộn giữa các khí bao gồm khí CO2.

Do trạng thái nguồn của chúng, máy khắc laser fiber sợi quang được coi là laser trạng thái rắn và laser CO2 được coi là laser trạng thái khí.

Những nguồn laser này tạo ra nhiều bước sóng khác nhau. Đối với máy khắc laser fiber, ví dụ, tạo ra bước sóng ngắn thường nằm trong khoảng từ 780 nm đến 2200 nm. Đối với máy khắc laser CO2 thì ngược lại, tạo ra bước sóng dài điển hình trong phạm vi 9.600 nm và 10.600 nm.

Mỗi máy được sử dụng cho các mục đích khác nhau vì tính chất bước sóng khác nhau. Ví dụ máy khắc laser fiber 1064 nm luôn được sử dụng trong các nhu cầu khắc trên kim loại. Cắt laser là một ngoại lệ đáng chú ý, trong đó laser CO2 thường được ưu tiên để cắt kim loại. Đặc biệt Laser CO2 cũng phản ứng tốt với các vật liệu hữu cơ.

Máy khắc laser fiber là gì?

Khi một hệ thống laser sợi quang được thiết kế thành một giải pháp sẵn sàng sử dụng, giải pháp đó được gọi là máy laser sợi quang. Trong khi hệ thống laser OEM là công cụ thực hiện hoạt động, thì máy laser là nền tảng trong đó công cụ được tích hợp. 

Máy khắc laser có thể đảm bảo được rằng:

- Làm việc với độ an toàn 100% và không gây ra khói.

- Các thành phần cơ khí được bao gồm để tự động hóa các hoạt động hoặc tạo điều kiện thuận lợi cho công việc của người vận hành.

- Quá trình thực hiện của laser dựa trên thiết lập tinh chỉnh cho một hoạt động cụ thể.

Máy khắc laser fiber sợi quang hoạt động bao lâu?

Hầu hết các nguồn sản xuất các máy khắc laser fiber có thể hoạt động kéo dài đến 100.000 giờ trong khi đó dòng máy laser CO2 kéo dài 30.000 giờ. Tuy nhiên điều này cũng không hoàn toàn đúng. Những con số này đề cập đến một giá trị được gọi là "thời gian trung bình giữa các lần hỏng" (MTBF), không giống nhau đối với tất cả các máy laser fiber sợi quang. Trong thực tế, bạn sẽ thấy những con số khác nhau cho các loại máy laser sợi quang khác nhau.

Trong đó, MTBF đo độ tin cậy của tia laser bằng cách cho biết tia laser dự kiến ​​sẽ hoạt động trong bao nhiêu giờ trước khi xảy ra hỏng hóc. Nó thu được bằng cách thử nghiệm nhiều đơn vị laser, sau đó chia tổng số giờ hoạt động cho tổng số lần hỏng hóc.

Mặc dù giá trị này không cho bạn biết chính xác một chiếc máy khắc laser fiber sợi quang có thể tồn tại trong bao lâu, nhưng nó vẫn cung cấp một ý tưởng tốt về độ tin cậy của laser.

Nếu bạn thực sự muốn biết tuổi thọ chính xác của máy khắc laser fiber sợi quang, Quý khách hàng sẽ thất vọng vì không có câu trả lời thực sự. Trên thực tế, máy khắc laser sợi quang có những điểm quan trọng trong thời gian tồn tại của chúng khi chúng có thể bị lỗi.

Dưới đây là những điều Quý khách hàng cần biết nếu trải nghiệm tia laser của Quý khách gặp lỗi tại bất kỳ thời điểm nào sau đây:

- Đầu đời: Nếu một máy khắc laser fiber sợi quang có lỗi do chế tạo, do sản xuất thì máy có thể sẽ sớm bị hỏng. Do đó Quý khách nên đảm bảo rằng có bảo hành khi mua hàng bao gồm các lỗi chế tạo, sản xuấ để laser của Quý khách có thể được thay thế miễn phí.

- Hoạt động bình thường: Khi Quý khách hàng sử dụng máy đã vượt qua giai đoạn quan trọng đầu tiên của giai đoạn đầu đời, giá trị MTBF cung cấp cho Quý khách một ý tưởng tốt về khả năng hỏng hóc của laser. Chỉ tiêu về MTBF cao là một sự đảm bảo tốt rằng mọi thứ sẽ diễn ra suôn sẻ, nhưng không phải là một sự đảm bảo. Quý khách có thể chuẩn bị phòng cho những trường hợp hỏng hóc trong cuộc sống bình thường theo nhiều cách khác nhau: chuẩn bị sẵn một tia laser dự phòng, thuê một chiếc máy laser trong khi máy của Quý khách đang được sửa chữa hoặc có bảo hành mua hàng kéo dài.

- Kết thúc tuổi thọ: Khi máy khắc laser fiber sợi quang gần hết tuổi thọ, khả năng thất bại sẽ tăng lên đáng kể. Tuy vậy với máy khắc laser fiber công nghệ vẫn hoạt động vượt chỉ tiêu MTBF.

Máy khắc laser fiber hoạt động như thế nào và có những thành phần nào?

Máy khắc laser fiber sợi quang sử dụng ánh sáng bơm từ cái được gọi là điốt laser. Các điốt này phát ra ánh sáng được gửi vào cáp quang. Các thành phần quang học nằm trong cáp sau đó được sử dụng để tạo ra một bước sóng cụ thể và khuếch đại nó. Cuối cùng, chùm tia laser được định hình và tạo ra.

Dưới đây là cách sử dụng từng thành phần để thực hiện theo thao tác này:

- Bước 1: Ánh sáng được tạo ra trong điốt laser

Điốt laze biến đổi điện năng thành photon — hoặc ánh sáng — để bơm vào cáp quang. Vì lý do này, chúng còn được gọi là “nguồn bơm”. Để tạo ra ánh sáng, điốt sử dụng hai chất bán dẫn được tích điện khác nhau:

 + Cái đầu tiên mang điện tích dương, có nghĩa là nó cần thêm một electron.

 + Cái thứ hai mang điện tích âm, có nghĩa là nó có thêm một điện tử, hoặc một điện tử tự do.

Khi các điện tích âm và dương gặp nhau, chúng cố gắng kết hợp với nhau. Nhưng để làm như vậy, electron tự do phải được giải phóng dưới dạng một photon. Khi dòng điện chạy qua chất bán dẫn, số lượng photon nhanh chóng tăng lên.

Ánh sáng thu được sẽ được bơm vào cáp quang và sẽ được sử dụng để tạo ra chùm tia laze.

- Bước 2: Đèn bơm được định hướng trong cáp quang

Trong tự nhiên, ánh sáng đi theo mọi hướng. Để tập trung ánh sáng vào một hướng duy nhất và thu được chùm tia laze, cáp quang sử dụng hai thành phần cơ bản: lõi sợi quang và lớp phủ.

  + Phần lõi là nơi ánh sáng truyền đi. Nó được làm bằng thủy tinh silica và là phần duy nhất của cáp bao gồm nguyên tố đất hiếm.

  + Lớp phủ là vật liệu bao quanh lõi. Khi ánh sáng chiếu vào lớp phủ, nó sẽ phản xạ trở lại lõi. Điều này xảy ra vì lớp phủ cung cấp phản xạ toàn phần bên trong.

Phản xạ toàn phần bên trong xảy ra vì lớp phủ có chiết suất thấp hơn lõi. Bạn có thể thấy các hiệu ứng tương tự trong tự nhiên. Ví dụ, nếu bạn nhìn vào các vật thể chìm dưới nước, chúng bị biến dạng. Điều này là do khi ánh sáng truyền từ không khí sang nước, nó chạm vào một chiết suất khác và đổi hướng. Điều tương tự cũng được áp dụng khi ánh sáng truyền từ lõi đến lớp phủ, ngoại trừ sự thay đổi hướng tạo ra phản xạ.

Nếu không có lớp phủ, ánh sáng sẽ đi theo mọi hướng và thoát ra khỏi lõi. Nhưng nhờ chiết suất của lớp phủ, ánh sáng vẫn ở trong lõi và tiếp tục đường đi của nó.

- Bước 3: Ánh sáng được Khuếch đại trong Khoang Laser

Khi ánh sáng bơm truyền qua cáp quang, nó cuối cùng đi vào khoang laser - Một vùng nhỏ của cáp nơi chỉ tạo ra ánh sáng có bước sóng cụ thể. Các kỹ sư vật lý nói rằng loại sợi này bị "pha tạp chất" ở khu vực này vì nó đã được trộn với một nguyên tố đất hiếm. 

Khi các hạt từ sợi pha tạp tương tác với ánh sáng, các electron của chúng tăng lên mức năng lượng cao hơn. Khi trở lại trạng thái cơ bản, chúng giải phóng năng lượng dưới dạng photon hoặc ánh sáng. Các kỹ sư vật lý gọi những hiện tượng này là "kích thích điện tử" và "thư giãn điện tử". 

Khoang laser cũng hoạt động như một bộ cộng hưởng nơi ánh sáng phản xạ qua lại giữa cái được gọi là “cách tử Bragg sợi quang”. Điều này dẫn đến “Khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra kích thích”, hoặc LASER. Nói một cách đơn giản, đây là nơi hình thành tia laze.

Có 2 loại lưới Bragg:

- Đầu tiên hoạt động như một tấm gương, phản chiếu ánh sáng trở lại khoang.

- Tấm gương thứ hai hoạt động như một tấm gương chọn lọc, cho phép một phần ánh sáng thoát ra khỏi khoang, nhưng phần còn lại phản xạ trở lại khoang.

Đây là cách quá trình khuếch đại diễn ra: khi các photon va vào các hạt bị kích thích khác, những hạt này cũng giải phóng photon; vì cách tử Bragg phản xạ các photon trở lại khoang và nhiều ánh sáng bơm hơn được gửi vào khoang, một số photon được giải phóng.

- Bước 4. Tạo ra ánh sáng laser có bước sóng cụ thể

Bước sóng tạo ra bởi sợi pha tạp thay đổi tùy theo phần tử pha tạp của khoang laser. Điều này rất quan trọng, vì các bước sóng khác nhau được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Nguyên tố pha tạp có thể là erbium, ytterbium, neodymium, thulium,... Ví dụ, laser sợi quang pha tạp Ytterbium tạo ra bước sóng 1064 nm và được sử dụng cho các ứng dụng như khắc laser và làm sạch bằng laser.

Các nguyên tố pha tạp khác nhau tạo ra các bước sóng khác nhau vì các hạt cụ thể giải phóng các photon cụ thể. Như vậy, các photon được tạo ra trong khoang laser đều có cùng bước sóng. Điều này giải thích tại sao mỗi loại laser sợi quang tạo ra một bước sóng cụ thể - và chỉ bước sóng đó.

- Bước 5. Tia Laser được định hình và phát ra

Các photon thoát ra khỏi khoang cộng hưởng tạo thành chùm tia laze được chuẩn trực cực kỳ tốt (hoặc thẳng) do đặc tính dẫn ánh sáng của sợi quang. Trên thực tế, nó quá chuẩn đối với hầu hết các ứng dụng laser.

Để tạo cho chùm tia laser một hình dạng mong muốn, có thể sử dụng các thành phần khác nhau, chẳng hạn như thấu kính và bộ mở rộng chùm tia. Ví dụ: laser sợi quang của Promaxshop cung cấp được trang bị ống kính tiêu cự 254 mm cho các ứng dụng laser đi sâu vào vật liệu (tức là khắc laser và tạo họa tiết bằng laser). Điều này là do độ dài tiêu cự ngắn của chúng cho phép chúng ta tập trung nhiều năng lượng hơn vào một khu vực.

Các loại thấu kính khác cung cấp những ưu điểm khác nhau, đó là lý do tại sao các chuyên gia lựa chọn chúng một cách cẩn thận khi tối ưu hóa tia laser cho một ứng dụng cụ thể.

Các thông số của laser là gì?

Không phải tất cả các tia laser và ứng dụng laser đều sử dụng các thông số giống nhau. Ví dụ, những cái khác nhau cần được điều chỉnh để cắt laser và khắc laser. Tuy nhiên, một số thông số được sử dụng cho tất cả các loại laser sợi quang. Dưới đây là những cái bạn có khả năng gặp phải nhất.

- Bước sóng:

Bước sóng do laser sợi quang tạo ra tương ứng với mức bức xạ điện từ của ánh sáng laser. Thông thường, laser sợi quang tạo ra bước sóng từ 780 nm đến 2200 nm, nằm trong quang phổ hồng ngoại và mắt người không nhìn thấy được. Dải ánh sáng hồng ngoại này có xu hướng phản ứng tốt với kim loại, cao su và nhựa, giúp nó hữu ích cho nhiều ứng dụng xử lý vật liệu.

Một số laser sợi quang như laser xanh lá cây tạo ra ánh sáng khả kiến ​​có thể phản ứng tốt với các vật liệu mềm như vàng, đồng, silicone và thủy tinh mềm. Laser sợi xanh cũng được sử dụng để chụp ảnh ba chiều, trị liệu và phẫu thuật, trong số những thứ khác. Những tia laser này yêu cầu các thành phần bổ sung để tạo ra ánh sáng khả kiến.

- Chế độ hoạt động

Phương thức hoạt động là cách thức phát ra tia laze. Laser sợi quang thường hoạt động theo sóng liên tục hoặc ở chế độ xung.

Trong chế độ hoạt động sóng liên tục, chùm tia laser liên tục, không bị gián đoạn được phát ra, rất lý tưởng cho các ứng dụng như hàn laser và cắt laser.

Trong chế độ hoạt động xung, các xung ngắn được giải phóng với tốc độ lặp lại đã đặt. Các chùm tia laser xung đạt công suất đỉnh cao hơn và lý tưởng cho việc khắc laser và làm sạch bằng laser. Chế độ này bao gồm các thông số sau:

- Năng lượng xung: Năng lượng xung là số mili-lít chứa trong mỗi xung. Thông thường, mỗi xung chứa 1 mJ năng lượng.

- Khoảng thời gian xung: Khoảng thời gian xung, còn được gọi là độ dài xung và độ rộng xung, là khoảng thời gian của mỗi xung. Các xung ngắn hơn tập trung cùng một năng lượng trong một thời gian ngắn hơn, và do đó đạt được công suất đỉnh cao hơn. Thời lượng xung có thể được biểu thị bằng micro giây, nano giây, pico giây hoặc femto giây.

- Tốc độ lặp lại: Tốc độ lặp lại xung là số lượng xung phát ra trong một giây. Nó còn được gọi là tần số xung, được biểu thị bằng kHz. 100 kHz tương đương với 100.000 xung mỗi giây.

- Nguồn:

Công suất laser là lượng năng lượng mà laser có thể tạo ra trong một giây. Nó còn được gọi là “công suất trung bình” và “công suất đầu ra”.

Laser xung cũng có thể chỉ ra công suất đỉnh, là một tham số khác. Công suất cực đại là mức năng lượng tối đa mà một xung duy nhất đạt được. Ví dụ, một tia laser sợi quang xung 100W có thể dễ dàng đạt đến công suất cực đại 10.000W. Điều này là do laser xung không phân phối năng lượng đồng đều theo thời gian trái ngược với laser sóng liên tục.

- Chất lượng chùm tia:

Chất lượng chùm tia cho biết mức độ gần của chùm tia với cái được gọi là chùm Gauss. Trong các ứng dụng thực tế, điều này có liên quan vì nó cho biết mức độ hội tụ của chùm tia laze. 

Nói một cách toán học, chất lượng chùm tia hoàn hảo được biểu thị bằng M2 = 1. Các chùm tia laser được hội tụ tốt sẽ tập trung nhiều năng lượng hơn trong một khu vực nhỏ hơn. Chùm tia laser chất lượng cao được yêu cầu cho các ứng dụng như khắc laser và làm sạch bằng laser, trong khi chất lượng chùm tia thấp hơn có thể thích hợp hơn cho các ứng dụng không mong muốn cắt bỏ, chẳng hạn như hàn laser. 

Trên đây là một số thông tin tổng hợp về máy khắc laser fiber kèm những điều Quý khách cần biết để hiểu thêm về máy khắc laser fiber của mình. Promaxshop hi vọng Quý khách hàng có thể thông qua bài viết này có thể lựa chọn máy phù hợp theo nhu cầu của mình cũng như biết cách bảo dưỡng, bảo trì máy để dùng được lâu dài hơn. Mọi thông tin chi tiết khác Quý khách cần được tư vấn và hỗ trợ về máy khắc laser vui lòng liên hệ ngay với Promaxshop để được phục vụ tốt nhất nhé!