Talasne dužine “pumpanja” svetlosti uređaja za ručno lasersko zavarivanje – 976nm vs 915nm
STRION LASER uređaji za ručno lasersko zavarivanje su trenutno najbolji na svetu!
Kao najbolji, pored prednosti i u ostalim aspektima konstrukcije i performansi, pumpaju svetlost na 976nm, za razliku od lasera najniže do srednje klase koji pumpaju na 915nm.
Ovo je vrlo stručno rečeno, pa treba i pojasniti, jer većina kupaca ne razume princip rada lasera.
Evo kratkog objašnjenja:
Laseri niže klase pumpaju svetlost na 915nm, jer širi opseg apsorpcije svetlosti fibera toleriše loše hlađenje tih laserskih izvora niže klase, ali zato se u fiberu stvara toplota pa mora biti duže i većeg prečnika, time i gustina snage zavarivanja manje, a takođe i pouzdanost fibera manja zbog većeg zagrevanja.
STRION LASER-i, najbolji na svetu trenutno, pumpaju svetlost na 976nm, vlakno može biti kraće i manjeg prečnika zbog manjeg toplotnog opterećenja, time i pouzdanost fibera veća jer se manje greje a i gustina snage zavarivanja veća – a time i penetracija u materijal.
Evo dužeg teoretskog objašenjenja:
Uprošćeno rečeno, diode laserskih izvora emituju svetlost talasne dužine 915nm (lošiji laseri ) ili 976nm (laseri vrhunske klasi, kao STRION LASER-i) u stakleno vlakno (fiber).
Pogledajte donju sliku:
“Fiber” je stakleno vlakno malog prečnika, obogaćeno iterbijumom (Yb). I poenta je kako taj iterbijum upija (apsorbuje) svetlost. Sa gornje slike možete videti da iterbijum apsorbuje svetlost u opsegu od oko 915nm (vrlo široka) zona i 976nm (izuzetno uska zona). Emitovanje svetlosti od strane dioda i apsorpcija svetlosti od strane iterbijuma u staklenom vlaknu se žargonski naziva “pumpanjem svetlosti” i “skladištenjem svetlosti”.
Evo koja je suštinska razlika između pumpanja svetlosti na 915nm i 976nm kod fiber lasera.
- Pumpanje na 915nm (na ovoj talasnoj dužini pumpaju svetlost laseri lošeg i srednjeg nivoa kvaliteta).
Iterbijum ima širok spektar apsorpcije oko talasne dužine od 915 nm. Čak i ako radna temperatura lasera oscilira (što menja talasnu dužinu dioda), iterbijum će i dalje upijati svetlost. Zbog toga su ovi laseri veoma tolerantni na temperaturne promene.
Mane pumpanja na 915nm:
Apsorpcija na ovoj talasnoj dužini je relativno slaba (oko 2 do 3 puta manja nego na 976 nm). Zbog toga vlakno mora biti znatno duže kako bi upilo svu energiju. Duže vlakno izaziva nelinearne optičke efekte koji kvare kvalitet zraka. Takođe, razlika između upijene energije (915 nm) i emitovane energije (obično oko 1064 nm) stvara veći „kvantni defekt“, što znači da se više energije gubi i pretvara u beskorisnu toplotu.
Ta toplota zagreva dugo vlakno koje je onda sklono pucanju usled pregrevanja.
A sve to dodatno pri lošem hlađenju, naročito vazdušnom. Recimo ako se vazdušno hlađeni uređaji nalaze na temperaturi okoline preko 30C oni gotovo ne mogu da hlade ni izvor sa didama koji pumpa svetlost niti fiber koji se pregreva.
- Pumpanje na 976nm (na ovoj talasnoj dužini laserski izvori kod STRION LASER-a pumpaju svetlost, kao i drugi vrhunski izvori).
Na 976nm, iterbijum ima visok ali uzak opseg apsorpcije (upijanja/skladištenja) svetlosti. Tada fiber (stakleno vlakno obogaćeno iterbijumom) izuzetno brzo i efikasno apsorbuje/skladišti svetlost – oko 2-3 puta brže nego kod uređaja koji pumpaju na 915nm.
Zbog toga optičko vlakno (fiber) može biti drastično kraće nego kod uređaja koji pumpaju na 915nm. Kraće vlakno znači “čistiji” laserski zrak, manje optičkih gubitaka i izuzetnu optičko-optičku efikasnost.
Sve to takođe podrazumeva da se optičko vlakno uređaja koji pumpaju na 976nm manje zagreva nego kod uređaja 915nm.
Mane pumpanja na 976nm:
Kao što se sa gornje slike vidi, „mana“ je vrlo uska zona apsorpcije svetlosti na 976nm… Da bi uređaj (laserski izvor) pumpao svetlost stabilno na talasnoj dužini 976nm, mora raditi na konstantnoj temperaturi, jer ako temperatura dioda u izvoru varira, onda će i talasna dužina emitovane svetlosti biti manja ili veća a time će i skladištenje svetlosti biti značajno manje.
Ovaj zahtev za konstantnom temperaturom izvora tokom rada, bez obzira na temperaturu okoline i bez obzira na samo zagrevanje uređaja tokom rada NE mogu da ostvare lošiji uređaji.
A STRION LASER uređaji?
Naravno da mogu, jer poseduju jedinstveni i patentirani sistem hlađanja prvobitno primenjen u kosmičkoj industriji.
STRION LASER uređaji jedini na svetu imaju toplotnu pumpu (žargonski “klima uređaj”), sa dva potpuno nezavisna kola, jedno za hlađenje i jedno za grejanje, i mogu raditi istovremeno ako je potrebno.
Radi se danas o daleko najboljem rešenju održavanja konstantne temperature laserskog izvora i iz tog razloga bez ikakvih problema se može pumpati svetlost na 976nm.
Sveukupno: STRION LASER uređaji danas imaju najbolje hlađenje na svetu u klasi fiber laser uređaja za ručno zavarivanje, pumpaju svetlost na 976nm (tamo gde je najveća apsorpcija), zbog toga vlakno može biti znatmo kraće, skladištenje svetlost je brže, a vlakno se manje greje (u odnosu na pumpanje na 915nm),..
I sve to – na bilo kojoj temperaturi okoline od -30C do +60C.
Sad vam je verovatno jasno zašto proizvođači i prodavci konkurenstskih uređaja nigde ne pominju ovu fundamentalnu stvar – na kojoj talasnoj dužini pumpaju svetlost uređaji koje oni prodaju.
(Možda je ružno što ću reći, ali jedan broj prodavaca u Srbiji danas ne bi ni znao šta ga uopšte pitate ako spomenete pitanje – koju talasnu dužinu emituje laserski izvor uređaja koji oni prodaju.
-“Jel’ ovaj laser radi?
– Radi!
– Jel’ jeftiniji od onog tamo?
– Jeste!
– I šta sad ti tupiš sa pitanjima o nekakvim talasnim dužinama i glupostima? Ajde bogati… Kupi i uživaj!)”.
Na kraju evo i tabelarni prikaz svih prednosti STRION LASER uređaja koji pumpaju svetlost na 976nm u odnosu na 915nm.
Elektro-optička konverzija (efikasnost uređaja) u zavisnosti od talasne dužine pumpanja svetlosti (915nm vs 976nm)
Pogledajte ovu sliku:
Pojednostavljeno rečeno, u uređaj ulazi struja (snaga) iz utičnice.
A na izlazu iz pištolja za zavarivanje izlazi laserski zrak određene snage.
Koliki je odnos tih snaga, tj kolika je efikasnost uređaja tj kolika je elektro-optička konverzija snaga?
Ukupna snaga struje koja ulazi u uređaj se grubo rečeno deli na savladavanje nekih otpora (reaktivna snaga, snaga harmonika, toplota sistema…), na napajanje sistema kontrole i hlađenja (procesori, ventilatori, toplotna pumpa, displeji…) i na “korisnu” snagu – pretvaranje struje kroz diode i fiber u laserski zrak.
Koliko se te “korisne” snage struje pretvori u snagu laserskog zraka (fiber lasera)? To se zove elektro-optička konverzija snage sistema (efikasnost uređaja).
Ako laserski izvor pumpa svetlost na 976nm – onda je konverzija čak oko 42%.
Ako laserski izvor pumpa svetlost na 915nm – onda je konverzija oko 30% (još uvek dobra vrednost).
Gde ide ostatak snage? Ide na zagrevanje dioda i na zagrevanje fibera i ostale gubitke.
Ako vam se čini da je ovaj procenat snage od 42% (pri 976nm), tj 30% pri 915nm, mali, onda malo osvrt na istorijski razvoj laserskih uređaja.
Prvi laserski uređaji su bili sa velikim kristalima, uglavnom rubinima i YAG uređaji. I imali su efikasnost od samo 2-3%!
Gasni laseri (uglavnom CO2) su imali efikasnost od samo 10%!
Zato se smatra da su ovi današnji fiber laseri (sa staklenim vlaknima obogaćenim iterbijumom) trijumf inženjerske pameti, jer im je efikasnost nekoliko puta ili nekoliko desetina puta veća od onih starije generacije.
Pa se opet krug zatvara.
Kada uređaj ima rešeno pitanje konstantnog održavanja temperature laserskog izvora, onda izvor može emitovati svetlost talasne dužine 976nm a fiber može mnogo efikasnije apsorbovati tu talasnu dužinu, uz bolju efikasnost sistema (bolju elektro-optičku konverziju) i to u odnosu 42% : 30%.
Sve to podrazumeva manju potrošnju električne energije (zbog bolje efikasnosti od 42%), manje opterećenje strujnih instalacija itd…
I još jednom, STRION LASER uređaji imaju jedinstveno patentirano rešenje sopstvene proizvodnje za održavanje konstantne temperature laserskog izvora, a time i mogućnost stabilnog emitovanja svetlosti na 976nm a to povlači i daleko bolju efikasnost sistema tj bolju elektro-optičku konverziju od oko 42% prema oko 30% u odnosu na uređaje koji pumpaju svetlost na 915nm.
Zašto laserski izvori „pumpaju“ svetlost talasne dužine 976nm (ili lošiji na 915nm) a izlazni laserski zrak je talasne dužine 1064-1080nm?
Da li vas bune ovi brojevi o talasnim dužinama (915/976nm tj 1064-1070-1080nm)…?
U tablicama sa karakteristikama uređaja obično je istaknuto da je „talasna dužina = 1064 do 1080nm.
Zašto sam svo vreme dosad pričao o talasnim dužinama 915/976nm, a to se nigde u tablicama ne spominje, već se spominje samo talasna dužina u opsegu 1064-1080nm.
Ukratko:
Diode laserskog izvora emituju svetlost na talasnim dužinama ili 915nm (lošiji uređaji) ili 976nm (bolji uređaji) i svetlost te talasne dužine ubacuju u fiber, a fiber izbacuje kroz pištolj za zavarivanje svetlost (laserski zrak) talasne dužene od 1064-1080nm.
Prodavci ili ni ne znaju ili ne žele da kupcima kažu da uređaji koje prodaju imaju laserske izvore koji „pumpaju“ svetlost na 915nm, pa to ni ne navode, a takva je većina uređaja danas na tržištu.
Duže teoretsko objašnjenje:
Objašnjenje procesa promene talasne dužine iz 915/976nm koju emituju diode laserskog izvora u talasne dužine laserskog zraka 1064-1080nm leži u kvantnoj fizici i karakterstikama iterbijuma kao kritično bitnog sastojka fibera (staklenog vlakna).
Stakleno vlakno (fiber) je obogaćeno iterbijumom (Yb), koji spada u grupu elemenata „retke zemlje“.
Iterbijum apsorbuje („upija“ / „guta“ / „skladišti“) svetlost na tačno određenim talasnim dužinama (već rečeno ili na 915 nm ili na 976 nm).
To je proces „pumpanja“ – bukvalno laseski izvor „pumpa“ svetlost u fiber a vlakno (fiber) postaje „rezervoar“ svetlosne energije, a onda na pritisak tastera na pištolju, iz pištolja „sune“ laserski zrak velike snage koji topi ili seče metal.
Ali u prirodi ništa nije 100% efikasno. Kada elektron skoči na viši nivo, on tamo nije potpuno stabilan. Pre nego što se vrati na donju stabilnu orbitu, on se „protrese“ i izgubi jedan mali deo te upijene energije kroz vibracije samog staklenog vlakna.
Te vibracije su u stvari toplota (zato se fiberi greju i zato je ona STRION toplotna pumpa o kojoj smo pričali toliko presudna).
Kad se taj elektron vrati u svoje početno, stabilno stanje na donju orbitu on mora da izbaci energiju koju je zadržao. Tako da on izbacuje novi foton (svetlost tj energiju svetlosti).
Međutim, pošto je u prethodnom koraku izgubio malo energije na toplotu, ovaj novi foton ima manje energije od onog početnog koji je upio.
U fizici svetlosti važi strogo pravilo: manja energija = veća talasna dužina.
Pošto je novi foton „slabiji“ (ima manju energiju), njegova talasna dužina se razvlači sa 976nm (ili 915nm) na otprilike 1064 nm do 1080 nm.
Pa kad taj jedan jon iterbijuma izbaci foton na 1080 nm, taj foton putuje kroz vlakno i udara u druge pobuđene jone iterbijuma. Kao što je Ajnštajn teorijski predvideo, ovaj sudar stimuliše i ostale jone da izbace svoje fotone istog trenutka. Svi ti fotoni na 1080 nm se sinhronizuju, kreću se u istom pravcu i stvaraju onaj savršeno usmeren, moćan laserski zrak velike snage koji izlazi iz pištolja za zavarivanje i koji topi/seče metal.
Analogija sa lopticom: Zamislite da bacite tenisku lopticu (foton od 976 nm) jako o zid. Zid (vlakno) apsorbuje deo udarca i blago se zagreje. Loptica koja se odbije nazad ka vama (novi foton) leti malo sporije (ima manju energiju, pa se „rastegne“ na 1080 nm).
Nadam se da vam je sada jasno zašto laserski izvor „pumpa“ svetlost na talasnim dužinama 915nm (lošiji uređaji) ili 976nm (vrhunski uređaji) a na izlazu laserski zrak za zavarivanje ima talasnu dužinu 1064-1080nm i da vam je jasno da nije dovoljno u tablici napisati samo izlaznu talasnu dužinu iz fibera, već je potrebno znati i ulaznu talasnu dužinu u fiber da bi razumeli tehnološki nivo kvaliteta uređaja.