Laser 2007

Při dnešní miniaturizaci výrobní a spotřební elektroniky a mikroelektroniky, procházející napříč celým hospodářským spektrem, patří technologie laserového mikroobrábění ke stěžejním výrobním postupům. Vývoj mikroobrábění laserem se zaměřuje na stále kratší pulzy a kratší vlnové délky až femtosekundových laserů. V tak krátkém pulzu, jehož doba trvání je i pod 100 fs, lze dosáhnout i špičkových výkonů větších než 15 GW a zajistit tak obrobitelnost veškerých materiálů. Letošní mnichovský veletrh laserové techniky LASER 2007 – World of Photonics přinesl opět nový pohled do řady laserových technologií. Objevují se nová konstrukční provedení laserů a do průmyslové praxe se začínají dostávat i takové systémy, které ještě před několika lety byly považované za holou utopii. Všem těmto novým systémům vévodí v souladu s požadavky na náročnější trendy průmyslové výroby snaha o stále vyšší kvalitu laserového paprsku, a tím i vyšší hustotu jeho výkonu. Pokud zůstaneme zatím v tomto článku u laserů, které se v průmyslu ještě nejčastěji vyskytují, tedy u plynových CO2 a pevnolátkových laserů a abstrahujeme od diodových výkonových laserů a laserů excimerových, pak do praxe se dnes stále častěji dostávají dostatečně výkonné typy laserů, označované jako „slab“ a „innoslab“ lasery, kotoučový a vláknový laser. Pro mikroobrábění není přitom primárně důležitá horní výkonová hranice laseru, kdy u některých typů laserů klesá s rostoucím výkonem kvalita paprsku. Pokusme se alespoň v krátkosti podle letošní veletržní prezentace nastínit, jaký je v současné době směr vývoje a dosažená úroveň těchto typů laserů. Všechny, ať už jde o „slab“, „innoslab“, kotoučový nebo vláknový laser, mají své vlastní přednosti a své optimální místo užití, vázané na požadovanou technologii, zpracovávaný materiál, rozsah výroby a další aspekty. Kompaktní „slab“ CO2 lasery s vysokofrekvenčním buzením jsou známé především v provedení od firmy Rofin-Sinar, která je má ve svém programu už od výkonu 100 W. Vysoké kvality paprsku dosahují už způsobem buzení, uspořádáním velkoplošných měděných elektrod a způsobem jejich chlazení. Samotná vysoká kvalita paprsku se projevuje jak lepší jakostí povrchu řezu, tak i nižším tepelným ovlivněním okolní zóny řezu. Při dostatečném výkonu laseru, letos Rofin představil silnější typ DC 050, se navíc přesnost při „mikro“ řezání přenáší i do řezání silnějších plechů. Vyšší výkon laseru přináší i delší ohniskovou vzdálenost, provázenou větší hloubkou ostrosti. Vysoká stabilita procesu a kvalita paprsku (K > 0,9) dávají pak možnost využívat i vyšších řezných rychlostí. Až po uvedení „slab“ CO2 laserů se s obdobnou technologií, tentokrát ale při deskové formě krystalu, začalo zvažovat také u pevnolátkových laserů. Aby se označení pro tento způsob odlišilo od předešlých technologií u CO2 laserů, dostalo se této nové technologii názvu „innoslab“. Desková forma krystalu, obdobně jako u „slab“ laserů forma plošných elektrod, dává dobrou možnost chlazení, nehledě na vhodnost při úpravě celého designu. „Innoslab“ lasery vynikají jakostí paprsku, krátkými pulzy u pulzních typů a kompaktností celého provedení. Preciznost těchto technologií dokumentuje jeden z výrobců, firma Edge Wave, např. na postupu jakostního děrování otvorů tímto paprskem v poměru délky k průměru až 300:1, a to jak při obrábění v kovech, tak i v plastech nebo skle a keramice. S kotoučovými lasery, kde aktivní krystal je na rozdíl od klasických pevnolátkových laserů s válcovitou formou krystalu tentokrát ve tvaru tenkého kotouče o tloušťce desetin mm a průměru až kolem 100 mm, se přišlo před několika lety. Postupně se zvyšoval výkon těchto laserů z úvodního 1 kW až do současného maxima 8 kW. (Pro čerpání aktivního média je u kotoučových laserů podstatný vícenásobný přechod záření od laserové diody přes reflektující vrstvy jedné strany kotouče a okolních reflektorů. Teplo, které u kotoučových laserů vzniká stejně jako u jiných typů laserů, je odváděné napojením druhé strany kotouče na kontaktní chladič a až do velkých výkonů postačí u kotoučových laserů chlazení vzduchem. Malá tloušťka kotouče krystalu a přitom dostatečná velikost přechodu tepla ve směru paralelním s výstupním paprskem příznivě působí na intenzitu chlazení a homogenní rozdělení teploty uvnitř paprsku. Tímto uspořádáním se dosahuje dalšího pokroku v jemnosti zaostření paprsku a růstu jeho hloubky ostrosti. Výhodou diodou čerpaných kotoučových laserů je i skutečnost, že jakost výstupního paprsku tentokrát neklesá s rostoucím výkonem laseru. Užší fokusace paprsku je opět příznivá i pro možnost zvýšení řezné rychlosti, a tím zároveň i snížení tepelného ovlivnění okolí řezu.) Výzkum kotoučových laserů zpočátku probíhal zvláště na stuttgartské univerzitě v kombinaci Yb:YAG,Cr: LiSAF a Cr:LiCAF a u firem Trumpf a Rofin-Sinar, které se zaměřily ale spíše na provedení kotoučových laserů právě o velkých výkonech pro náročné technologie obrábění, často označované symbolikou XXL. Letošní veletrh laserové techniky však představil, a to hned u několika výrobců i nové typy kotoučových laserů speciálně pro mikroobrábění. Na trh se tak dostávají vedle už jmenované firmy Trumpf s kotoučovým laserem TruMicro 7050 o středním výkonu 500 W nové mladé firmy, jakými jsou např. Prenovatec GmbH nebo ELS Elektronik Laser System GmbH s výrobou kotoučových laserů o výkonech přibližně do 100 W a vyzařování v IR a UV oblasti. Nelze opomenout ani specifické místo ve vývoji laserů této třídy na bázi Nd:YAG, Nd:YVO4 nebo Yb:YAG, u známé firmy Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH. Její lasery jsou určené především pro popisování, případně i jemné obrábění, kde výrobce doporučuje zvláště typ Master Oscillator Power Amplifier Design (MOPA) s vlnovým rozsahem od blízké IR 1064 nm až po ultrafialovou oblast 355 nm. Volba vlnového rozsahu laseru už tím, že ovlivňuje absorbování paprsku laseru materiálem, hraje při mikroobrábění mimořádně důležitou úlohu. V poslední době se tak např. osvědčují pro opracování dílů v mikroelektronice na bázi materiálů Cu, Ms, Au, AlN, Si a některých materiálů z technické keramiky, které mají jen malou absorbci v IR části spektra, lasery pracující v zelené části spektra (a obdobně to platí pro téměř všechny transparentní materiály, včetně skla). Zajímavým provedením je svou konstrukcí mezi nimi odlišný kotoučový laser MonoDisk-515 Gemini od firmy ELS s emitováním dvou oddělených paprsků v zelené části spektra. Každý z nich má trvalý výkon 20 W při 516 nm. Současný trend využívat pro mikroobrábění pevnolátkových laserů s vyzařováním v zelené části spektra, přibližně na vlně 516 – 540 nm, podtrhuje skutečnost, že v tomto rozsahu se za jinak stejných podmínek dosahuje oproti standardu na 1064 nm až o 50 % menšího průměru ohniska, a tedy podstatně vyšší hustoty výkonu. S čím však letošní veletrh Laser 2007 – World of Photonics obzvláště překvapil, byl až nečekaně rychlý vývoj už u celé řady firem dříve spíše naznačené myšlenky vláknových laserů, kde ke generování záření dochází v jádru optického vlákna dopovaného prvky ze skupiny lanthanoidů (někdy se označují i jako prvky vzácných zemin). Nejčastěji se užívá erbia nebo ytterbia, případně obou těchto látek společně, častý je i praseodym. U těchto laserů se zatím dosahuje asi nejúčinnějšího chlazení, a to po celé délce vlákna, a tedy opět i vynikající jakosti paprsku. Optické vlákno vláknových laserů tak v podstatě odpovídá svou funkcí úloze krystalu u pevnolátkových laserů (u pevnolátkových a polovodičových laserů se optických vláken užívá naproti tomu jen k přenosu již konečného paprsku od místa jeho zdroje na místo užití). Kompaktní provedení vláknového laseru vyžaduje nízký příkon - jen 1 % oproti požadovanému příkonu u výbojkami čerpaných pevnolátkových laserů a vynikající je i kvalita paprsku. Při 100 W je možné dosáhnout fokusace paprsku pod 5 ?m, což představuje intenzitu záření přes 109 W/cm2. Vedoucí postavení v oblasti výkonových vláknových laserů má pravděpodobně americká firma IPG Photonics Corp., následovaná britskou SPI Southampton Proton Inc. a německou JDS Uniphase GmbH. V poslední době se objevuje pro potřebu mikroobrábění i řada vláknových laserů nižších výkonů od dalších výrobců, jakými jsou např. GSI Lumonics, Toptica, Horiba, Antares Laser, Imra aj. Z oblasti výzkumu a vývoje odvádí zde své pensum už tradičně německá Fraunhofer Gesellschaft, zvláště její ústavy Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF a Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS, spolupracující na tomto poli s Univerzitou v Jeně. Vývoj praktických aplikací vláknových laserů, a to i v oblasti ultrakrátkých pulzních vláknových laserů (délka pulzu 50 fs) probíhá rovněž v Laser Zentrum Hannover. Všechny tyto organizace se vláknovými lasery zabývají přece jen nějakou dobu a ukázky na veletrhu Laser 2007 proto nebyly tolik překvapující. Málokdo však očekával tak rychlý vstup do vývoje a nabídky vláknových laserů i u dvou mamutích výrobců laserové techniky, firem Trumpf, která u svého typu laseru TruFiber jde do výkonu 300 W a Rofin-Sinar s vláknovými lasery řady StarFiber o výkonech 100 a 200 W. Se zajímavým řešením v oblasti vláknových laserů přichází i firma CeramOptec s laserem o výkonu 1,3 kW vyvinutým ve spolupráci s Institutem für Physikalische Hochtechnologie v Jeně, kde se dosahuje i fs pulzů. Takových parametrů se využívá kupř. při zpracovávání nových tepelně citlivých materiálů, materiálů s vysokou tepelnou vodivostí nebo i mikroprvků z paměťových slitin, kde tepelné ovlivnění, byť krátkým pulzem, může vést ke změně struktury, a tedy i ke změně paměťových vlastností materiálů. V Jeně ověřovali tento laser např. při mikroobrábění karbidu wolframu. Obdobnou roli splňují i vláknové lasery pro popisování a gravírování, kde se využívá pulzních laserů s energií v pulzu 0,5 až 2 mJ při délce pulzu 30 až 100 ns. Pro jemné řezy v elektronice nebo u dílů medicíny se volí většinou vláknové lasery o výkonu od 50 do 200 W. /jš/