Что такое лазер: принцип работы, устройство и типы лазеров | Wattsan

Что такое лазер простыми словами: узнайте, как работает лазер, из чего он состоит, какие типы лазеров бывают и чем отличается волоконный от CO2-лазера.

Лазер — это прибор, создающий узконаправленный и высокоэнергетический поток света. Его луч настолько сфокусирован и мощен, что способен проходить через различные материалы, нагревая их или разрезая. Благодаря этим свойствам лазеры широко применяются: для резки металлов, для операций на глазах, для передачи данных по оптоволокну, для противодействия дронам и во многих других сферах.

В этой статье вы узнаете устройство лазера, принцип его работы и основные типы систем. Материал поможет понять, почему волоконные лазеры эффективнее для резки металлов, а CO2-лазеры — для обработки неметаллических материалов: пластика, дерева, акрила, ткани.

Название LASER расшифровывается как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света посредством вынужденного излучения. Излучение лазера отличается от обычных источников тремя свойствами:

• Когерентность — волны распространяются синхронно;
• Монохроматичность — строго одна длина волны;
• Направленность — луч почти не рассеивается.

Современные лазеры охватывают диапазон от ультрафиолета до дальнего инфракрасного, а мощность варьируется от милливатт в указках до сотен киловатт в промышленности.

Теоретическую основу заложил Эйнштейн в 1916 году, описав вынужденное излучение. В 1954 году советские и американские физики создали мазер — предшественник лазера.

Первый лазер построил Теодор Мейман в 1960 году на основе рубинового кристалла. Затем появились газовые, полупроводниковые и волоконные лазеры.

За полвека технология превратилась из научного эксперимента в массовый инструмент для промышленности и медицины.

За полвека технология превратилась из научного эксперимента в массовый инструмент для промышленности и медицины.

Работа лазера основана на преобразовании энергии в направленный поток света. Внутри устройства есть активная среда, где под действием энергии создаются условия для усиления излучения.

1. Создание активного состояния. Система накачки подаёт энергию — световую, электрическую или химическую. Атомы активной среды переходят в возбужденное состояние, накапливая запас энергии.
2. Излучение фотонов. Возбужденные атомы начинают излучать фотоны — частицы света. Каждый фотон вызывает появление новых, полностью совпадающих с ним по направлению и частоте.
3. Усиление излучения. Оптический резонатор отражает свет между зеркалами, заставляя его многократно проходить через активную среду. С каждым циклом излучение усиливается, превращаясь в плотный и мощный луч.

Проще говоря, лазер берёт энергию, заставляет атомы излучать свет и усиливает его до идеально сфокусированного пучка, способного разрезать или испарять материал.

Устройство работы лазера базируется на взаимодействии активной среды, системы накачки и оптического резонатора.

Активная среда — это материал, в котором возникает само излучение. Именно от неё зависит мощность и длина волны лазера.

Система накачки “подпитывает” активную среду энергией — с помощью света, электричества или химической реакции, чтобы атомы начали излучать фотоны.

Оптический резонатор — это пара зеркал, между которыми свет многократно отражается, усиливается и направляется в один мощный луч. Одно из зеркал частично прозрачное, и через него выходит готовое лазерное излучение.

Лазер работает как усилитель света: энергия накачки возбуждает атомы, активная среда превращает эту энергию в излучение, а резонатор фокусирует и направляет его в точный, мощный луч.

Классификация основана на типе активной среды. Каждый вид имеет специфические характеристики и области применения.

Твердотельный лазер

Использует кристаллы с примесью редкоземельных элементов. Наиболее распространен неодимовый лазер на иттрий-алюминиевом гранате (Nd:YAG).

Характеристики:

• Длина волны: 1064 нм (инфракрасный диапазон)
• Мощность: до 10 киловатт в непрерывном режиме
• Применение: резка металлов до 15 мм, маркировка, медицинские операции

Принцип работы твердотельного лазера основан на оптической накачке кристалла. С помощью специальных кристаллов можно получить зеленое излучение 532 нм.

Газовые лазеры

Используют смеси газов, накачка осуществляется электрическим разрядом.

CO2-лазер — один из самых мощных типов непрерывных систем:

• Длина волны: 10,6 мкм (дальний инфракрасный)
• Мощность: до 10 киловатт в стандартных промышленных системах, до 20 киловатт в специализированных
• Применение: резка металлов и неметаллов до 50 мм , сварка, медицина.

Принцип работы CO2 лазера: электрический разряд возбуждает молекулы газа, которые излучают инфракрасный свет.

Эксимерные лазеры

Используют возбужденные соединения инертных газов:

• Диапазон: ультрафиолетовый (193-308 нм)
• Режим: короткие импульсы
• Применение: коррекция зрения LASIK, производство микрочипов

Полупроводниковый лазер (диодный)

Основан на излучении света в полупроводниковом кристалле при прохождении электрического тока.

Как работает диодный лазер: электрический ток возбуждает атомы полупроводника, которые излучают когерентный свет. Длина волны зависит от материала полупроводника.

Преимущества:

• Очень компактные размеры
• Низкое энергопотребление
• Доступная цена
• Диапазон: от 405 нм (синий) до 2000 нм (инфракрасный)

Применение: оптические диски (CD, DVD, Blu-ray), оптоволоконная связь, лазерные принтеры, указки, медицинское оборудование.

Волоконный лазер

Активная среда представляет собой оптическое волокно с добавлением редкоземельных элементов (иттербий, эрбий). Накачка осуществляется лазерными диодами.

Как работает волоконный лазер: диоды подают свет в специальное волокно, возбуждая в нем атомы редкоземельных элементов, которые генерируют мощное лазерное излучение. Более подробно про основные принципы работы волоконного лазера можно прочитать в этой статье.

Преимущества:

• Высокая энергоэффективность
• Отличное качество луча
• Мощность до 100 киловатт
• Долгий срок службы без обслуживания

Иттербиевый волоконный лазер обеспечивает высокую мощность и эффективность благодаря активному волокну с ионами иттербия.

Применение: резка металлов большой толщины, сварка, 3D-печать металлами.

Лазер на красителях

Уникальная особенность — плавная перестройка длины волны в широком диапазоне. Используется раствор органического красителя, который можно менять для получения разных цветов излучения. Применяется в научных исследованиях и медицине.

Виды лазеров оптимизированы для конкретных задач — твердотельные для импульсных применений, газовые для неметаллов, полупроводниковые для электроники, волоконные для промышленной резки металлов.

Свойства лазерного излучения определяют его уникальные возможности:

Когерентность — все световые волны двигаются синхронно. Это позволяет фокусировать луч в точку размером с длину волны и проводить сверхточные измерения.

Монохроматичность — лазер излучает свет строго одного цвета (одной длины волны). Это в миллионы раз чище, чем у обычной лампы.

Направленность — лазерный луч практически не расходится. Луч диаметром 5 мм, пройдя 5 км, расширится всего до 10 мм. Для сравнения: луч прожектора расширяется на несколько метров уже через 100 метров.

Высокая интенсивность — лазер может сконцентрировать огромную энергию в крошечной точке, достаточную для испарения любого материала.

Длина волны лазера определяет, как излучение взаимодействует с материалами:

• УФ-диапазон (100-400 нм): высокая энергия, точная обработка без нагрева
• Видимый диапазон (400-700 нм): работа с полимерами и биологическими тканями
• ИК-диапазон (700-3000 нм): глубокое проникновение в металлы
• Дальний ИК (3000-15000 нм): максимальное поглощение органическими материалами
• Мощность: от 1 милливатта в указках до 100 киловатт в промышленных системах.

Лазерные технологии кардинально изменяют промышленную обработку.

• Волоконные лазеры режут и сваривают сталь, алюминий, нержавейку, медь и их сплавы разной толщины.
• CO2-лазеры обрабатывают неметаллы — дерево, фанеру, пластик, акрил, кожу, ткани, резину и картон.
• Маркировочные системы работают с обоими типами материалов, нанося постоянные метки без использования расходников.

Современные лазерные станки выполняют резку, гравировку, маркировку и сварку, становясь основой производственных процессов по всему миру.

Исключительная точность — лазерный луч фокусируется в точку микроскопического размера, что позволяет выполнять рез строго по заданной траектории без отклонений. Блок числового программного управления контролирует каждое движение, исключая влияние человеческого фактора. Детали после лазерной обработки не требуют дополнительной обработки и сразу готовы к использованию или сборке.

Деликатное воздействие на материал — в отличие от механических методов, где режущий инструмент создает давление и вибрацию, лазер воздействует бесконтактно. Материал не деформируется, не сминается и не покрывается микротрещинами. Зона термического влияния минимальна, поэтому края реза остаются ровными, без прожогов и обугливания даже на деликатных материалах вроде тонкой фанеры или акрила.

Универсальность применения — один станок способен работать с кардинально разными материалами без замены оснастки или инструмента. Утром станок может резать листовую сталь, днем — гравировать логотипы на деревянных изделиях, вечером — маркировать пластиковые детали. Это избавляет от необходимости содержать парк специализированного оборудования под каждую задачу.

Экономия материалов — благодаря минимальной ширине реза и высокой точности позиционирования программное обеспечение размещает детали на листе максимально плотно. Остаток материала сокращается, что напрямую снижает себестоимость продукции. Отсутствие механического износа инструмента также исключает затраты на его регулярную замену.

Высокая производительность — автоматизация процесса позволяет станку работать непрерывно, выполняя сложные операции на высокой скорости. Отсутствие необходимости менять инструмент или переналаживать оборудование между разными задачами сокращает простои. Один оператор может контролировать несколько станков одновременно, что кратно увеличивает выпуск продукции.

Полная автоматизация производства — современные лазерные комплексы интегрируются с системами автоматической загрузки материала, удаления готовых деталей и сортировки. Станок самостоятельно выполняет серийное производство по заданной программе, обеспечивая идентичное качество каждой детали без участия человека. Это открывает возможность круглосуточной работы и масштабирования производства.

Лазерные станки перестали быть привилегией крупных корпораций — современные технологии доступны любому производству. Wattsan предлагает оборудование, созданное с пониманием специфики российского рынка и требований заказчиков. Глобальное обновление модельного ряда принесло рестайлинг всей CO2-линейки и появление Wattsan PRO с улучшенной безопасностью и производительностью.

Перейдите в каталог, чтобы подобрать лазерный станок под конкретные материалы и объёмы производства или оставьте заявку на сайте, чтобы получить подробную консультацию и подобрать оборудование под ваши задачи и технические требования.

Что такое лазер простыми словами?

Лазер — это устройство, создающее зачастую невидимый, сфокусированный луч света, который идет строго в одном направлении и не расходится. Это позволяет сконцентрировать огромную энергию в маленькой точке — достаточную, чтобы разрезать металл или испарить материал.

Какой цвет лазера самый мощный?

Мощность не зависит от цвета излучения. Промышленные лазеры чаще работают в невидимом инфракрасном диапазоне и достигают мощности до 100 киловатт. Цвет определяет лишь то, как излучение взаимодействует с разными материалами.

Для чего нужен лазер?

В промышленности лазеры режут и сваривают металлы, гравируют изделия, наносят маркировку. В медицине проводят операции на глазах и косметологические процедуры. В быту встречаются в проигрывателях дисков, принтерах и сканерах штрихкодов.

В чем разница между волоконным и CO2-лазером?

Волоконный лазер эффективен для резки металлов, потребляет меньше энергии и не требует частого обслуживания. CO2-лазер предназначен для неметаллов — дерева, пластика, акрила, ткани — режет более толстые материалы и обеспечивает чистый край.

Опасен ли лазер для здоровья?

Лазеры классифицируются по степени опасности для глаз и кожи. Большинство бытовых устройств абсолютно безопасны, но промышленное оборудование требует соблюдения мер предосторожности.

Класс 1 — полностью безопасны (CD-плееры, закрытые системы).

Класс 2 — безопасны при коротком взгляде благодаря морганию (указки, сканеры).

Класс 3R — избегать прямого попадания луча (нивелиры).

Класс 3B — опасны для глаз, нужны очки (эпиляция, медицина).

Класс 4 — опасны даже при отражении, требуются строгие меры (резка, хирургия).

Чем выше класс, тем больше защита необходима.