Tässä artikkelissa käsitellään tasajännitteellä (DC) viritettyjen lasiputkilaserien ja radiotaajuudella (RF) viritettyjen metallikammiolasereiden välisiä eroja. Erityisesti tarkastellaan niiden prosessointikykyä, suhteellista käyttöikää ja kustannuksia.
Prosessointikyky
Useimmissa sovelluksissa laserlaitteen prosessointikyky määräytyy sen keskimääräisen tehon, pulssituskyvyn, säteen laadun ja aallonpituuden perusteella. Nämä parametrit riippuvat lasersädelähteen suunnittelusta. Erityisesti keskimääräinen teho, pulssitusominaisuudet ja säteen laatu vaihtelevat huomattavasti DC-viritettyjen lasiputkilaserien ja RF-viritettyjen metallikammiolasereiden välillä.
Keskimääräinen teho
Laserin keskimääräinen teho määrittää sovelluksen prosessointinopeuden. Siksi tietyssä sovelluksessa tarvittavan miniminopeuden saavuttamiseksi laserin on kyettävä tuottamaan vaadittu ulostuloteho.
DC-viritettyjen lasiputkilaserien tehon skaalautuvuus on rajallinen purkausvirityksen ja siihen liittyvän geometrisen rakenteen vuoksi. Valoa tuottava purkaus syntyy, kun suuri jännite asetetaan katodin ja anodin välille, jotka ovat vastakkaisissa päädyissä. Purkauksen aloittamiseen tarvitaan noin 20kV/m sähkökenttä ja sen ylläpitämiseen noin 13kV/m. Näiden suurjännitteiden turvallinen käsittely on haastavaa ja voi aiheuttaa odottamattomia hankaluuksia. Tehon kasvattamiseksi putken pituutta lisätään; tyypillisesti 0,5–2 metrin pituiset purkaukset tuottavat 20–160 W tehoa. Pitkät purkauspituudet ja suuret kytkentäjännitteet rajoittavat yksittäisen lasiputken tehon skaalautuvuutta. Kahden putken polarisaatioyhdistelmä voi kasvattaa maksimaalisen tehon noin 300 W:iin, mutta tämä tuottaa ristipolarisaation. Jotkin optiset komponentit, kuten säteensuodattimet, akusto-optiset modulaattorit (AOM) ja optiset eristimet, vaativat lineaarista polarisaatiota. Siksi ristipolarisaatio voi rajoittaa sovelluksia, joissa näitä lasiputkia käytetään.
RF-viritetyt lasersädelähteet eivät kärsi samoista rajoituksista. RF-viritys mahdollistaa kaasupurkausten luomisen laajemmalla alueella. Epästabiilit resonaattorit sopivat luonnostaan purkauksen geometriaan, mikä mahdollistaa valon tehokkaan hyödyntämisen koko purkauksesta. Tämän seurauksena RF-virityksen, levymäisten elektrodien ja epästabiilien resonaattorien yhdistelmä tuottaa tehon, joka skaalautuu purkauksen pinta-alan eikä pituuden mukaan, luoden paljon kompaktimman laitteen. Kaupallisesti on saatavilla tällaisia metallikammiosädelähteitä teholuokissa 20 W–1000 W.
Pulssituskyky
Sekä DC-viritetyn lasiputkilaserin että RF-viritetyn sädelähteen keskimääräistä tehoa säädellään pulssittamalla. Lasiputkilaserin pulssituskyky on rajallinen johtuen korkeiden, yleensä yli 10 kV jännitteiden kytkennän haasteista ja matalasta kaasupaineesta, joka tarvitaan purkauksen sytyttämiseen. Alhainen kaasupaine aiheuttaa pitkät syttymis- ja sammumisajat, mikä rajoittaa pulssin toistotaajuutta ennen kuin pulssit alkavat mennä päällekkäin. RF-viritetyssä sädelähteessä pulssittaminen on huomattavasti helpompaa. Matalammat kytkentäjännitteet ja pieni rako elektrodien välillä mahdollistavat korkeammat paineet, jolloin pulssin syttymis- ja sammumisajat ovat lyhyemmät. Näin saavutetaan korkeampi pulssin toistotaajuus ilman päällekkäisyyksiä. RF-viritetty laser voi toimia yksittäisistä pulsseista satojen kilohertsien toistotaajuuksiin. Nopeammat syttymis- ja sammumisajat johtavat pienempään vauriovyöhykkeeseen ja lämpötilan vaikutusalueeseen, mikä mahdollistaa laajemman valikoiman korkeanopeuksisia sovelluksia, kuten kaiverrusta, rei’itystä ja porausta.
Säteen laatu
RF-viritetyt sädelähteet takaavat korkealaatuisen, lähes Gaussisen säteenmuodon yhdistämällä elektodien välillä syntyvän aaltomuodon ja säteen korjauksen. Tällä on suuri merkitys sovelluksille, joissa vaaditaan korkeaa laatua, kapeita leikkuuleveyksiä ja pieniä lämpövaikutusalueita. DC-viritetyillä lasereilla säteen muoto valitaan usein tehon maksimoimiseksi, mikä heikentää laatua RF-viritettyihin lasereihin verrattuna.
Käyttöikä
DC-viritettyjen lasiputkilaserien käyttöikä on rajallinen johtuen ”katodimyrkytyksestä”. Purkauksen aikana syntyneet positiiviset molekyylit reagoivat katodin kanssa, vähentäen elektronien tuotantoa ja siirrettävää tehoa. Tämä heikentää tehoa ajan myötä, kunnes lopulta laserin toiminta lakkaa. RF-viritetyt laserlaitteet eivät kärsi tästä ongelmasta. Vaikka katalyytit ovat parantaneet lasiputkien käyttöikää, niiden elinikä on parhaimmillaankin vain puolet RF-lasereiden kestosta. RF-viritetyt laserlaitteet voidaan usein kunnostaa useita kertoja, vähentäen jätemäärää.
Kustannukset
Hankintahinnan kustannusvertailu osoittaa, että DC-viritetty lasiputkilaser on halvempi kuin RF-viritetty metallikammiolaser. Kuitenkin tämä on usein yksinkertaistettu näkökohta. RF-laserin parempi suorituskyky ja huomattavasti pidempi käyttöikä tekevät siitä monissa tapauksissa elinkaarikustannuksiltaan kustannustehokkaamman ja ainoan teknisesti sopivan valinnan.
Yhteenveto
DC-viritetyt lasiputkilaserit sopivat käyttöön, jossa prosessointinopeus, tarkkuus ja laatuvaatimukset ovat alhaisia. Vaativimpiin sovelluksiin, joissa tarvitaan korkeita nopeuksia, vaativia käyttöolosuhteita ja toistettavan laadukkaita tuloksia, RF-viritetty laserteknologia on parempi vaihtoehto.
KILT Oy myy lasertyöstökoneita kummallakin sädelähdetyypillä ja autamme aina asiakasta valitsemaan oikean sädelähteen kuhunkin aplikaatioon ja tilanteeseen.
