Что такое длина волны лазера и за что она отвечает

Определение и физический смысл длины волны

Длина волны лазерного излучения – это расстояние между соседними гребнями световой волны. Она напрямую связана с частотой и энергией фотона: чем короче волна, тем выше энергия света. Лазер даёт очень узкий спектр (практически одноцветный свет). Длина волны определяет «цвет» лазера или его положение в инфракрасном/ультрафиолетовом диапазоне. Например, 532 нм – это зелёный свет, а 1064 нм – ближний инфракрасный свет.

Длина волны соответствует особенностям среды лазера. Например, YAG-лазер с неодимом даёт излучение 1064 нм, CO2-лазер – около 10,6 мкм, полупроводниковые диоды – 808–980 нм. Разные длины волны означают разный фотонный «цвет» и разную энергию фотонов, что влияет на способность проникать в материал. Физически длина волны связана с частотой излучения и энергией фотона: чем короче , тем больше энергия одиночного фотона (E = hc/).

Влияние длины волны на взаимодействие с материалами

Ключевое значение в том, как излучение взаимодействует с обрабатываемым материалом, имеет его спектральный диапазон. Вот основные процессы:

• Поглощение: разные материалы по-разному поглощают свет. Например, многие пластики и органика сильно поглощают инфракрасное излучение (980–1064 нм, 10,6 мкм), но хорошо прозрачны для видимого света. Металлы, наоборот, отражают большую часть инфракрасного и лучше поглощают короткие волны. Чем сильнее материал поглощает лазер, тем эффективнее идёт нагрев и обработка. Если материал содержит добавки или окраску, это также влияет на поглощение (например, чёрный пигмент усиливает абсорбцию по сравнению с прозрачным материалом).

• Отражение: особенно важно для металлов. Металлические поверхности часто действуют как зеркала и отражают большую часть света. Обычно металлы плохо поглощают инфракрасное излучение и лучше поглощают короткие волны. Если луч в основном отражается, эффективность резки и сварки сильно падает. Для отражающих металлов могут выбирать лазеры с более короткой волной или применять специальные технологии (насыщение газами, изменение угла падения луча). В практике добавление защитного газа (аргон, неон) и изменение угла облучения помогают уменьшить потери на отражение.

• Проникающая способность: определяет глубину, на которой лазерный луч передаёт энергию материалу. Более длинные волны обычно проникают глубже (до момента поглощения), короткие действуют поверхностно. Например, волна 1064 нм создаёт глубокий прогрев металла, позволяя получить глубокие резы или сварные швы. Волна 10,6 мкм сильно нагревает лишь тонкий поверхностный слой. Это важно учитывать в задачах сварки толстых деталей: при глубокой сварке предпочитают лазеры 1064 нм.

• Рассеяние: если материал неоднороден или поверхность шероховата на размер порядка длины волны, луч рассеивается. Короткие волны (например 532 нм) рассеиваются сильнее, чем длинные (1064 нм, 10,6 мкм). Это важно в прозрачных или волокнистых материалах: сильное рассеяние может снизить глубину проникновения и равномерность воздействия. Например, в поликарбонате или стекловолокне короткий свет быстро рассеивается внутри, а инфракрасный проходит дальше.

В совокупности длина волны определяет, сколько энергии будет передано материалу, насколько глубоко луч проникнет и какое будет качество реза или маркировки. При прочих равных коротковолновый лазер даёт более мелкую точку фокусировки (высокую точность), а длинноволновый – более широкий тепловой эффект. Короткая волна обеспечивает тонкий разрез или чёткую гравировку, тогда как длинная волна может дать более широкий пропил и большую зону нагрева за счёт рассеяния и отражения.

Примеры лазеров с разной длиной волны

• 1064 нм (волоконный/твердотельный лазер). Ближнее инфракрасное излучение. Хорошо фокусируется в малую точку и эффективно нагревает большинство металлов. Широко используется для резки и сварки стали, алюминия, нержавеющей стали. Волоконные лазеры на 1064 нм дают узкий пропил с минимальными зонами нагрева по краям. Современные волоконные станки способны резать листовую сталь толщиной в десятки миллиметров и быстро выполнять сварку автомобильных кузовов.

• 10,6 мкм (CO2-лазер). Длинноволновой инфракрасный лазер. Его излучение очень хорошо поглощается многими неметаллическими материалами (деревом, пластиком, бумагой, тканями). Оборудование на CO2 идеально подходит для раскроя и гравировки неметаллических материалов. При работе с металлом, особенно полированным, эффективность значительно снижается из-за сильного отражения излучения с длиной 10,6 мкм. Такой тип установки формирует относительно широкий пропил и создаёт заметную зону теплового воздействия. Чаще всего его используют для резки акрила и нанесения рисунков или надписей на деревянные поверхности.

• 532 нм (зелёный лазер). Видимый зелёный свет. Очень короткая волна, дающая маленькую точку фокусировки и высокую точность. Многие материалы хорошо поглощают зелёный свет, поэтому его используют для сверхточной гравировки и цветной маркировки. Например, этим лазером гравируют микросхемы, драгоценные камни и наноразмерные структуры, где требуется высокая детализация и контрастные метки.

• 808–980 нм (полупроводниковые диоды). Типичные длины волн мощных полупроводниковых лазеров. Эти лазеры относительно компактны и дешевы. Их часто используют для сварки и резки пластика (многие полимеры поглощают эти волны) и для нагрева материалов. Например, мощными диодными модулями 808 нм нагревают окрашенное стекло или сваривают пластиковые детали автомобилей. Также 808 нм и 980 нм служат для накачки твердотельных и волоконных лазеров. Сами по себе диодные лазеры применяются в задачах, где не нужна сверхточная фокусировка, а важны надёжность и простота.

Значение длины волны при выборе лазера

Выбор оборудования для обработки материалов всегда зависит от характеристик излучения и его свойств. Ниже приведены основные причины, почему этот параметр имеет решающее значение:

• Материал и поглощение. Длина волны должна хорошо поглощаться обрабатываемым материалом. Например, сталь и большинство металлов хорошо поглощают ИК-лазеры (1064 нм), поэтому для их резки и сварки часто выбирают такие лазеры. Алюминий и медь сильно отражают 1064 нм, поэтому для них применяют специальные модификации (например, коротковолновые лазеры или легирующие добавки). Стекло, оргстекло и многие пластики сильно поглощают 10,6 мкм, что делает СО2-лазеры предпочтительными для резки пластиков и неметаллов. При неподходящей длине волны луч будет отражаться или проходить через материал, и эффективность обработки падает.

• Качество обработки. Более короткая длина волны позволяет сфокусировать луч в меньший диаметр, обеспечивая высокую точность и тонкий рез. Зелёный или ультрафиолетовый лазер дают очень мелкую фокусировку для детальной гравировки. Длинная волна (например, 10,6 мкм) создаёт более широкий пропил и большую зону термического воздействия, что важно учитывать при выборе.

• Глубина погружения. Определяется тем, как глубоко лазерный луч проникает в материал перед поглощением. Волновые длины около 1064 нм создают глубокий нагрев и позволяют получить большие глубины реза или сварного шва. Длинная волна 10,6 мкм действует в основном поверхностно, поэтому она даёт меньшую глубину проникновения. Это критично при сварке толстых деталей: для глубокого шва выбирают инфракрасные лазеры 1064 нм.

• Тип обработки. Выбор длины волны зависит от задачи: для маркировки и гравировки часто выбирают короткие волны (532 нм), потому что они дают яркие контрастные метки. Для резки и сварки металлов обычно применяют инфракрасные лазеры 1064 нм. Пластмассы хорошо режутся лазером 808–980 нм, который глубоко поглощается полимерами. Оптимизация по типу обработки повышает производительность и качество.

• Практические соображения. Разная длина волны влияет на конструкцию лазерной системы. Волоконный лазер (1064 нм) легко передаёт луч по гибкому оптоволокну, упрощая монтаж. CO2-лазеру требуются отражающие зеркала и просторная оптическая схема, поскольку его нельзя провести по обычному волокну. Зелёный лазер генерируется удвоением частоты 1064 нм и обычно дороже в установке. CO2-лазеры обычно громоздче и требуют мощного охлаждения. Также учитывают безопасность: ИК-луч невидим глазу, поэтому нужны специальные очки и защитные экраны.

В итоге длина волны – одна из ключевых характеристик лазера, определяющая эффективность обработки. Правильный выбор длины волны в сочетании с мощностью и другими параметрами даёт оптимальные результаты резки, сварки или маркировки, и важно учитывать её роль при проектировании лазерных систем.