👋🏽 🍋 🏨 سر الحياة من الليزر النقاشون 🏊 🗼 🌌

على الرغم من أننا لا نراهم في كل زاوية ، إلا أن نتائج عملهم تحيط بنا في كل مكان. تبقى جودة وسرعة التشغيل التي توفرها آلات الليزر في العديد من الصناعات غير قابلة للتحقيق لطرق المعالجة التقليدية. علامات الليزر ، النقاشون ، آلات اللحام والقطع المعدنية ، إلخ. القائمة ضخمة حقًا ولا يزال الليزر يسيطر على العالم.

ولكن ، Petka ، هناك فارق بسيط (ق). مثل كل القصص عالية التقنية ، تمكنت تقنية الليزر بالفعل من تنمية ما يكفي من الشائعات والأساطير حول إمكانياتها غير المحدودة. هناك بالفعل احتمالات وجود سيارة (أو اثنتين) ، ولكن لا أحد ألغى الفيزياء.

مسلحين برغبة شديدة في معرفة كيف يعمل كل هذا ، فقد تقرر الذهاب للتعليق على مكتب سانت بطرسبرغ التابع لشركة Laser Center. لقد قاموا بتطوير آلات النقش والليزر لمدة 15 عامًا وربما يفهمون شيئًا عنها.

الكثير من الصور تحت القص.

انظر الجذر

يجب أن نتذكر على الفور أهم شيء في كل تاريخ النقش والوسم: لا يمكن إلا لنا الليزر الليفي أن يعطينا المعايير اللازمة للتطبيقات الصناعية في معالجة المعادن. لا يوجد بديل حقيقي لهم حتى الآن. الغاز والحالة الصلبة وأشعة الليزر الأخرى تعمل بشكل جيد ، ولكن في التطبيقات الأخرى.

السؤال الذي يطرح نفسه: لماذا الليزر الليزري لافت للنظر؟ أولاً ، هذه نوعية ممتازة من الإشعاع البصري. بعد 100000 ساعة من التشغيل ، سيكون التغير في أداء الليزر ضئيلًا أم لا. رغم أن هذا لا يعني أنه لا يمكنك متابعته على الإطلاق.

مصغرة ماركر 2. آلة الليزر مركز الأكثر شعبية. يتم إخفاء الليزر في مربع أحمر أدناه.

ولكن الشيء الرئيسي هو الطول الموجي للإشعاع المتولد وكيف يتفاعل مع المواد. يعمل ليزر ثاني أكسيد الكربون الكنسي بأطوال موجية تتراوح ما بين 9.6 و 10،6 ميكرون. تمتص المادة العضوية هذه الإشعاع تمامًا ، لذا فهي مناسبة للاستخدام الطبي أكثر من الليزر الليزري الذي يعمل عند حوالي 1-1.5 ميكرون. بالمعنى الدقيق للكلمة ، فإن الطول الموجي ، مثل جواز السفر ، هو مستند تعريف به ليزر. اعتمادا على الطول الموجي ، تتفاعل المواد بشكل مختلف مع الإشعاع. لا يوجد سوى ثلاثة خيارات: يمكن امتصاص الإشعاع أو انعكاسه أو تخطيه. مثال على كتاب مدرسي هو الزجاج الذي يمتص موجات الأشعة فوق البنفسجية ولكنه ينقل الطيف المرئي بشكل مثالي. البديل الذي نحن مهتمون به: يتم امتصاص الإشعاع بطول موجي قدره 1.064 ميكرون تقريبًا بالكامل بواسطة الصلب ، وبطول موجي 10.6 ميكرومتر ينعكس. وإذا أخذنا زجاج شبكي ، فكل شيء سيكون عكس ذلك تمامًا (10.6 - تمتصه 1.064 - يمر).

اللوحة التجريبية للآلة Mini marker 2. تم تصميم هذه اللوحات لإظهار أقصى إمكانات الجهاز (جودة الصورة ، العمل بالألوان ، وما إلى ذلك) وهي مصنوعة معك مباشرةً.

والمعلمة الهامة الثالثة هي القطر الموضعي في بؤرة التشعيع. بنفس القوة المشعة والبعد البؤري ، فإن ليزر الألياف لديه بقعة أصغر ، وبالتالي تكون كثافة الطاقة الممتصة أعلى بنحو 100 مرة (مساحة الدائرة ${R ^ 2}$ ) من ${CO_2}$ الليزر. وبالتالي راحة أكبر للعمل مع المعادن.

حسنا ، في النهاية - الأبعاد الصغيرة للجسم المشع. خاصة عند مقارنتها مع أشعة الليزر الغازية.

ومن أجل استكمال المقدمة على أساس كبير وإثارة فخر لمواطنينا: الشركة الرائدة في صناعة تطوير وإنتاج ألياف الليزر هي IPG Photonics Corporation ، التي أنشأها طالب الدراسات العليا في MIPT V.P. Gapontsev. بشكل عام ، يمكنك أن تقبل بشكل افتراضي: ترى الليزر ، ابحث عن أثر الفيزيائيين الروس =)

عملية النقش للوحة من الصورة السابقة. يتم ذلك في بضع دقائق.

بالمناسبة ، يقدر الآن سوق ليزر الألياف بنحو 2 مليار دولار ، منها 1.5 IPG. وتحتل قطعة صغيرة من هذه الشركة NTO "IRE-Polyus" ، التي بدأ منها الليزر الليفي ، المركز العاشر بين المصدرين من غير الموارد في روسيا. التاسع - Rosoboronexport. ارسم استنتاجاتك الخاصة.

عتاد

الآن دعونا نفهم ما هي ألياف الليزر.

عندما يتعلق الأمر ${CO_2}$ ، روبي ، ألياف أو أي ليزر آخر ، يشير إلى الوسيط النشط الذي يولد إشعاع الليزر. ثلاث دقائق حول ماهية الليزر نفسه.

يمكنك قطع هذه الأشياء اللطيفة من الخشب والبلاستيك بالليزر

في عام 1964 ، حصل العالمان السوفيتي نيكولاي باسوف وألكساندر بروكهوروف ، بالتعاون مع تشارلز تاونز الأمريكية ، على جائزة نوبل لإنشاء ليزر. اكتشفوا أنه في بعض المواد ، عندما يتم تشعيعها بالطاقة الكهرومغناطيسية ، تبدأ الإلكترونات في الانتقال إلى مدارات طاقة أعلى. وعند الانتقال العكسي إلى مدار منخفض الطاقة ، تنبعث منها الفوتونات مع طاقة مقدارها واحد. وما هو الكم؟ هذه هي طاقة فوتون واحد =) يحدث السحر الأساسي: إذا أصاب الفوتون الطائر إلكترونًا آخر على مستوى عالٍ من الطاقة ، يتم إنشاء فوتون جديد مماثل تمامًا للفوتون الذي يأتي ، وسوف يطير في نفس الاتجاه. ثم قام هذان الفوتونان بطرد أربعة ، ثم ضربا ثمانية ، وهكذا ، حتى يتم فتح مصراع ما يسمى عند حدود المادة الفعالة ، وتدفق إشعاعي يتكون من نفس الفوتونات بالضبط يطير من المادة. كل هذا يحدث بسرعة الضوء ، لذلك ، في الليزر الحديث ، يمكن قياس مدة النبضة في بيكو وفيمتوثانية (هذه -12 و -15 درجة ، على التوالي).

بيع أول آلة نقش (حرفيًا). سعى على وجه التحديد واشترى.

الآن الرياضيات قليلا. لنفترض أن لدينا ليزر ليفي متوسط الطاقة 10 واط مع عرض نبضي قدره 100 نانو ثانية (-9) وتردد نبضي قدره 20 كيلو هرتز. طاقة نبضة واحدة 1 mJ. قطر البقعة هو 50 ميكرون.

وإذا نظرت بعناية إلى هذا الدافع ، فقد ظهر ${10 ^ {- 9}}$ ثانية. قمنا بنقل 1 مللي جول. وإذا كنت تعمل بهذه الطريقة دون توقف لمدة ثانية ، فسنحصل على 10.000.000 (مرة) عند 0.001 J (هذه طاقة). إجمالي 10000 واط. يمكنك أن تتخيل شعورك عند ضخ 10 كيلوواط في كل 50 ميكرون.

هنا تم تصميم تقنية النقش العميق للحصول على صور حجرية ذات وضوح مذهل. وهناك نوع من طابعة 3D على العكس. يمكن أن تستمر العملية عدة أيام ، خلالها يجب ألا يتم لمس المنتج. لذلك ، في المختبر تكون ثقيلة قدر الإمكان.

الآن تذكر الليزر الصيني ، الذي يعطي المكان عدة مرات. إذا كان نصف قطر البقعة أكبر بثلاث مرات ، مساحتها أكبر تسع مرات ، اتضح أنه ، مع كل الأشياء المتساوية ، فإن الليزر الصيني لن يعمل 10W ، ولكن ~ 1W (هذا لا يزال سيناريو إيجابي).

الآن قليلا عن الليزر الألياف نفسها. ليس من الصعب تخمين ذلك ، هنا يلعب دور الجسم المشع قطعة طويلة من الألياف. ليس الأمر الذي تعمل الإنترنت تجاهك الآن تمامًا ، ولكن الجوهر هو نفسه ، فقط بنية الألياف مختلفة تمامًا. ما هو جمال ألياف الليزر - التبريد الأولي للوسيط النشط. بينما يحير المهندسون من مهمة التبريد الموحد لقارورة غاز أو بلورة كاملة ، لا توجد مشكلة في سلسلة البصريات على الإطلاق. في الواقع ، يمكنك فقط تعليقها حول قطعة مستديرة من الألومنيوم ، قائلة إنها مشع ، وهذا يحل مشكلة التبريد.

ما يحدث في النهاية. لا يمكن للكاميرا أن تنقل درجة تفاصيل الصور ، لكن صدقوني - العين تقلل حرفيًا حدتها المثالية.

هناك مشكلة أخرى يمكن حلها بسهولة وهي ضخ الإشعاع. يتم لحام LED للألياف ، من خلال المقرنة - واحد آخر ، ثم آخر وأكثر ، وهكذا عدة مرات كما تريد ، حتى نحصل على الدفق المرغوب.

قضية المال

لماذا بالضبط النقاشون الليزر يسبب أقصى قدر من الاهتمام بين أصحاب الإنتاج؟ الغريب في الأمر ، لكن الناس لديهم كمية محدودة من المال وأقصى فائدة هي دائماً أرخص تكنولوجيا تعطي نتيجة مقبولة. لذلك ، إذا أخذنا آلاف آلات الليزر التقليدية ، فستكون 900 آلة للتمييز و 100 فقط للتقطيع واللحام والتقنيات المضافة الأخرى.

آلة القطع بالليزر في العمل. المنتج النهائي ليس شبكة شعرية ، ولكن ما كان في خلايا فارغة.

كما اتفقنا في وقت سابق ، على الأرجح ، وحدات ليزر من الكل من مصنع واحد. لذلك ، يبقى أن نتعلم كيف نستفيد منها. للقيام بذلك ، نحتاج إلى تجميع جهاز ، وهو حقل علامة وشريط عمودي يتحرك به النظام البصري (يطلق عليه مجتمعة نظام الماسح الضوئي). هناك حاجة إلى هذا التنقل لضبط التركيز. بدلاً من ذلك ، يكون تركيز النظام ثابتًا ، لكن المنتجات المميزة لها سماكات مختلفة ، ويجب أخذ ذلك في الاعتبار.

لماذا لا إصلاح البصريات في وقت واحد؟ الجواب مرة أخرى في المال - من الأسهل بكثير صنع قضيب بمحرك بدلاً من ابتكار عدسة تكبير / تصغير. يمكن إخفاء مصدر الطاقة والليزر عند قاعدة الجهاز ، وبعد ذلك يكون صغيرًا - قم بتغيير جميع التفاصيل عدة مرات من أجل الجمع بين أفضل البرامج وكتابة البرامج (لوحة السخرية).

مثال من الدواء. يتم تثبيت دبوس في الحامل ، حيث يتم نقش عليه microrelief خاص جدا ، بحيث خلايا الأنسجة المحيطة بها يجعل من السهل إصلاحه. هذا التلاعب في بعض الأحيان يزيد من فعالية دبوس.

في حالة أجهزة الليزر المركز ، كل شيء مكتوب تحت ويندوز ، ل تعمل معظم الصناعات على تقنيات Microsoft ولا توجد رغبة في ترتيب حرب على التنسيق معها. قرر السوق كيفية التحدث الآن.

مسألة الأسطح المنحنية

سوف يسأل القارئ اليقظ سؤالًا - تقول إن المنتج يجب أن يكون في بؤرة الاهتمام. لذلك ، ينبغي أن يكون سطحه أملس جدا. لكن انظر إلى القلم العادي ، إنه مستدير! كيفية وضع نقش على هذا السطح المنحني؟
بالتأكيد السؤال الصحيح!

لقد نسيت تماما ما يسمى هذا الشيء ، ولكن هنا كل شيء واضح. باستخدام الطرق التقليدية ، هذا طويل جدًا ومكلف وصعب.

للقيام بذلك ، نحن بحاجة إلى النظر في كيفية عمل الجزء البصري من حفارة. إذا وضعنا عدسة عادية في العدسة ، سيتم تركيز الحزمة في الكرة. من حيث المبدأ ، يجب أن يكون هذا معروفًا للجميع من خلال دورة الفيزياء المدرسية. لكن ما لا يقولونه في المدرسة هو أنه من الممكن تصميم العدسة بطريقة تبدأ الحزمة في التركيز في الطائرة. بالطبع ، أقرب إلى حواف الطائرة ، سوف تخرج الحزمة عن البؤرة قليلاً ، دون هذا بأي شكل من الأشكال. ولكن هذا هو بالفعل محادثة حول التسامح والأخطاء. يمكنك محاربة هذا من خلال إنشاء عدسات أكثر وأكثر تعقيدًا ، ولكن هذا غير مبرر اقتصاديًا (ليس مرة أخرى ، ولكن مرة أخرى).

فوهة بلاستيكية عالية التقنية للتركيز. أفضل وأسهل في العالم لم يخترع بعد. على محمل الجد.

كيف إذن التعامل معها؟ لا مفر! شعاع ليزر جيد في التركيز يتيح لنا تحقيق قرب دقة ميكرون. حتى إذا انخفضت هذه الدقة إلى بضعة ميكرومترات إلى حدود مجال العمل ، فلن نراها بدون مجهر. لذلك ، إذا كنا بحاجة إلى دقة عالية حقًا ، فيمكننا الحد من حجم حقل العمل بشكل مصطنع بحيث تظل الحزمة ضمن الأخطاء اللازمة. هذا استنتاج مهم: يمكن للآلة أن تتمتع بدقة عالية ، أو تعمل بطائرات منحنية. حصادات التي تعرف جيدا كيف ثم ثم لم يخترع بعد.

تأتي جميع الآلات الصناعية مع سريرها ، حيث يتم دمج مصدر الطاقة غير المنقطع بالضرورة. لديه مهمة واحدة بالضبط: أن يتذكر الإجراء الأخير وإيقاف تشغيل الجهاز. عند إرجاع الطاقة ، ستستمر المعالجة من نفس النقطة.

نقطة أخرى مهمة هي حجم بقعة الليزر. بغض النظر عن مدى روعة إعدادنا للبصريات ومصدر إشعاع الليزر ، فلن نحصل أبدًا على نقطة صغيرة بلا حدود. ستكون دائمًا بقعة ، يعتمد حجمها على النظام البصري ، وطول موجة الليزر وجودة باعث الليزر نفسه. هذا هو السبب في أن IPG Photonics أصبحت تقريبًا محتكرًا في السوق. تمكنوا من صنع أشعة ليزر يمكن أن تكون فيها البقعة أصغر بعشرات المرات من نظيراتها الصينية. بقعة أصغر - مزيد من الطاقة في منطقتها ، وكفاءة أعلى ، إلخ. علاوة على ذلك ، فإن توزيع الطاقة في الموقع ليس منتظمًا ، ولكن وفقًا لتوزيع Gaussian ، ولكن هنا نخاطر بالسقوط في البراري التي لم تعد هناك حاجة إليها.

أحد مختبرات الإنتاج. لقد غادر الناس بالفعل ، لكن بعض النقاشين كانوا مشغولين بعملهم. العمل لعدة أيام دون انقطاع لهم في الوضع الطبيعي.

لذلك ، باستخدام القلم (وغيره من الأسطح المنحنية بشكل غير نقدي) ، يكون كل شيء بسيطًا - بدون مجهر لن نرى أن حواف النقش على المنحدر سيتم طمسها أكثر قليلاً من الجزء العلوي ، حيث يتم ضبط البؤرة. في العامية من الليزر ، يُطلق على هذا السحب - اختلاف الارتفاع الذي يمكن أن تعمل به هذه الماكينة. وهناك منتجات (على سبيل المثال ، أرقى الشباك المستخدمة في جراحة الأوعية الدموية ، وتسمى الدعامات) ، حيث دقة أمر بالغ الأهمية ويتم قطع هذه المنتجات حصرا من الفراغات المسطحة. هناك العديد من الفروق الدقيقة المحددة: إذا عملنا مع الأجهزة الإلكترونية متعددة الطبقات ، حيث يصل سمك الطبقة إلى 10 ميكرون ، فحتى مادة السطح التي توجد عليها قطعة العمل يجب أن تؤخذ في الاعتبار. مع تمدد حراري يبلغ 2 مم لكل متر لكل 20 درجة ، تعتبر مادة الركيزة غير مناسبة. لذلك ، يمكن استخدام لوح الجرانيت (نوع معين من الجرانيت) كركيزة: معامل حراري ممتاز ومقاومة اهتزاز معينة.

مثال على آلة تم تجميعها على سرير من الغرانيت.

حول المواد

إذا نظرت إلى عبوة أي شيء تم تصنيعه في المصنع تقريبًا ، فستجد على الأرجح آثار علامة الليزر. وعلى الأرجح ، سيكون رمزًا أبجديًا باللون الأسود. هل هذا يعني أنه عند وضع علامة على الليزر يحترق الطبقة العليا من المواد ، تاركًا وراءه رمادًا وتسوسًا وكآبة؟ لا. إذا افترضنا أن الأمر كذلك ، فمن الممكن أن تمحى هذه النقوش بسهولة ، لكنها تمسك مثل القفازات. دعونا معرفة ما يحدث.

عند تطوير التقنيات التي تتطلب دقة ميكرون ، يتم التحكم في كل شيء بواسطة المجهر.

في الفقرة السابقة ، ذكرنا بالفعل حجم بقعة الليزر. كل شيء يبدو بسيطا هنا. إذا كنت تريد المزيد من القوة - قم بإنشاء بقعة صغيرة ، فأنت لا تحتاج إلى طاقة كبيرة - يمكنك القيام بذلك. لكننا ننسى ، لسبب ما ، المواد التي يتفاعل بها الليزر ، والعمليات التكنولوجية ، التي يوجد منها العديد منها: التبخر ، إعادة التدفق ، إلخ. لكن الآن نحن مهتمون فقط بشيء واحد - تغيير في بنية المادة.

عدد الوفيات - يوكاريوت يده اليمنى تحت شعاع الليزر. ومع ذلك ، لم يتم قطع اليد ، ولم يتم حرقها ، ولم يحدث أي شيء على الإطلاق: الإشعاع خارج التركيز ، وبالتالي فإن قوته منتشرة على سطح كبير. ولكن إذا كان قد خفض يده ...

بينما يبحث الفيزيائيون عن حجم البقعة ، وينظرون إلى التوزيع الغوسي (نعم ، مرة أخرى هو) ، فإن أخصائيي البصريات قاموا ببساطة بتعيينه. حيث يقع الإشعاع في ${e ^ 2}$ مرات ، وهي حدود شعاعنا البصري. لكن للناس العاديين هذا ${e ^ 2}$ ركب مرة واحدة يصب بأذى. من المهم بالنسبة لنا أن نحدد ببساطة المكان (وحدوده) حيث تجري عمليتنا. وهنا كل الانتباه إلى الكائن الذي نشرق عليه. تتفاعل كل مادة بشكل مختلف مع أطوال موجية مختلفة وقدرة الإشعاع. على سبيل المثال ، إذا تمت إضافة صبغة تم تنشيطها بواسطة طول موجة محدد إلى البلاستيك (الطلاء ، إلخ) ، فإن لها خاصية مثيرة للاهتمام. إننا نضع هذا المنتج تحت الليزر ، ولا تتفاعل المادة الرئيسية مع الإشعاع الوارد ، ويتم "تنشيط" الصباغ مباشرة داخل المادة ، أي نحن نعمل فقط معه. في الخرج ، سيكون منتجنا دون مخالفة للتكامل ، ولكن مع نقش مدمج في بنية المادة نفسها. هذا موضع تقدير كبير في الصناعات ذات البيئة العدوانية ، حيث يمكن مسح النقش بالطلاء ، ويصبح الختم متسخًا حتى يصبح غير قابل للقراءة. في الصورة ، على سبيل المثال ، علامة لبقرة. حتى تنهار العلامة نفسها ، سيبقى النقش مقروءًا. إنه مصنوع من مادة البولي بروبيلين ، والتي تتفاعل بشكل سيء للغاية (اقرأ بأي شكل) مع ليزر ليفي ، ولكن المواد المضافة فيه تنتظر فقط للتشعيع. يأخذون كل الطاقة التي يتم نقلها إلى مادة البولي بروبيلين. يتم الحصول على نوع من الوسيط.

هذه العلامات نفسها للأبقار مع صورة لا تمحى وغيرها من المنتجات البلاستيكية.

واجهت القصة العكسية كل من قام بإزالة الوشم بالليزر: إشعاع الليزر يخترق الجلد عملياً دون أن يتفاعل معه ، لكن الطلاء يمتصه ويدمره. على شفافية الجلد لأطوال موجية معينة ، يعتمد الاستخدام الكامل لليزر في التجميل والجراحة وغيرها من الأدوية.

ألوان تلون

تطبيق آخر مثير للاهتمام لنحات الليزر هو إنشاء رسومات ملونة على المعدن. تعتمد التقنية على درجات الألوان ودعونا نفهم ما هي عليه.

كما نعلم جميعًا ، تحب المعادن التفاعل مع الغلاف الجوي - وهذا ما يسمى الأكسدة. تتأكسد بعض المعادن بسرعة ، بعضها ببطء ، ولكن إذا تم تسخينها ، فسيحدث الأكسدة دائمًا هنا والآن.

مثال على الألوان الممكنة على منتج معين.

مع تداخل الضوء الأبيض على أفلام الأكسيد الرقيقة ، يبدو لنا أن السطح قد تغير لونه. التأثير معروف للجميع تمامًا الذين قاموا على الأقل بتسخين أي قطعة من الحديد أو نظروا إلى عامل لحام جديد: ظهرت بقع قوس قزح على المعدن. يعتمد اللون مباشرة على سماكة غشاء الأكسيد ، مما يعني أنه إذا علمنا خصائص المعدن وعند درجة حرارة فيلم يتكون من سماكة ، ثم رتبنا التدفئة المحلية وجمع النقاط الملونة ، يمكننا إنشاء صور ملونة بطريقة طابعة نفث الحبر. , .

, - . , .