Длина волны лазера — это расстояние, которое преодолевают частицы во время одного колебания в идентичной фазе. От длины волны зависит цвет лазера и его возможности. Длина волны обозначается в нанометрах (нм), и по ней лазеры делятся на ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные.
В этой статье мы расскажем, на что именно влияет длина волны лазера и почему это важно знать.
Что такое длина волны лазера
Что вообще представляет собой лазер? Лазер — это пучок направленного в одну сторону излучения, которое двигается колебательными движениями, то есть волнами. Далее разберемся, что представляет собой длина волны лазера и как она определяет свойства излучения.
Так как лазер возникает в результате вынужденного изменения энергетических уровней у электронов, длина волны излучения измеряется в нанометрах (нм), где один нанометр равен одной миллиардной метра.
Именно по длине волны лазера ученые классифицируют их в первую очередь.
Существуют:
- Ультрафиолетовые лазеры. У них длина волны равна или меньше 380 нм. Они невидимы для наших глаз и легко могут повредить глаза даже при кратковременном импульсе, если не защищать их.
- Видимые. От 380 до 740-750 нм. Как можно понять по названию, волны этого спектра мы можем видеть, и они имеют цвета, красный, зеленый, фиолетовый и так далее.
- Инфракрасные. Больше 750 нм. И вновь невидимое излучение. Отличительная особенность этих лазеров — это тепловое воздействие, так как у них большой уровень энергии.
Также существуют лазеры, что излучают сразу несколько видов волн. И есть лазерные источники, технология которых позволяет менять длину волны лазера, преобразовывать ее.
Для расчета длины волны лазера используется формула с соотношением частоты v со скоростью света c.
𝝺 = c / v
Сравнительная таблица видов излучений лазера
| Вид лазера | Длина волны, нм | Тип лазера | Материалы | Области применения |
|---|---|---|---|---|
| Эксимерный лазер (ArF, KrF, XeCl, XeF) | 193 (ArF), 249 (KrF), 308 (XeCl), 351 (XeF) | УФ-лазеры (газовые) | Полимеры, фоторезисты, стекло, полупроводники | Микролитография, микрообработка, медицина, лазерная хирургия |
| Рубиновый лазер | 694,3 | Твердотельный | Металлы (ограниченно), диэлектрики, кристаллы | Научные работы, спектроскопия, голография |
| Nd:YAG (неодимовый твердотельный лазер) | 1064, 532, 355, 266 | DPSS, импульсные, Q-switch, волоконные накачки | Металлы, керамика, пластик | Маркировка, сварка, резка, микрообработка, медицина |
| Полупроводниковый диодный лазер | 375–1550 | Диодные лазеры | Пластик, металл (ограниченно), органические материалы | Маркировка, указки, пайка, оптика, волоконная связь |
| Оптоволоконный (эрбиевый, итттербиевый) | 1030–1080, 1530–1565 | Fiber-лазеры | Все металлы, большинство технических сплавов | Резка, сварка, чистка, гравировка, промышленная обработка |
| Гелий-неоновый лазер | 543,5, 593,9, 611,8, 1152, 1523 | Газовый | Оптика, стекло, исследовательские материалы | Лаборатории, калибровка приборов, интерферометрия |
| Александритовый лазер | 700–820 | Твердотельный | Кожа, органика, диэлектрики | Косметология, медицина, спектроскопия |
| Титан-сапфировый лазер | 650–1100 | Твердотельный ультра короткоимпульсный | Лабораторные материалы, биоткани | Спектроскопия, медицина, научные исследования |
| CO2-лазер | 10.6 мкм, 9.3 мкм | Газовый (инфракрасный) | Дерево, акрил, кожа, ткань, пластик, резина | Резка, гравировка, медицина, промышленная обработка |
| Диодный лазер (IR диапазона) | 800–900 | Диодный, накачка для твердотельных лазеров | Органика, пластик, оптика | Подсветка, дальномер, накачка лазеров |
| УФ-лазер (DPSS или диодный) | 266, 355 | DPSS-UV, диодные UV | Пластик, стекло, электроника | Маркировка, микрообработка, резка тонких материалов |
Как длина волны влияет на взаимодействие с материалами
Поглощение и отражение
У каждого материала есть свой предел поглощающей способности, и поэтому они могут как поглощать, так и отражать лазерное излучение, если то не в силах преодолеть этот предел.
- Металлы. из-за специфики поверхности они ведут себя подобно отражающему зеркалу, от которого излучение может отразиться прямо обратно в источник и сломать его. Поэтому к лазерной сварке или резке металлов лазерами подходят аккуратно и чаще всего выбирают лазеры инфракрасного спектра (1064 нм). С резкой, гравировкой и маркировкой металлов эти лазеры справляются быстро и чисто. Однако для маркировки может быть использовано излучение и ультрафиолетового типа.
- Органика восприимчивей к газовым лазерам инфракрасного типа (СО2 лазеры), видимому излучению (зеленые 532 нм) и ультрафиолетовому спектра (355 нм). Все потому, что у большинства органических материалов нет большой отражающей способности.
Глубина проникновения и связь с длиной волны
Чем длиннее волна, тем глубже она может проникать в материал. По этой причине лазеры 1064 нм из инфракрасного спектра могут эффективно резать металлы толщиной 50 мм и больше (зависит от мощности источника), а ультрафиолетовые могут лишь резать фольгу и очень тонкий металл примерно до 1-2 мм.
Зеленые лазеры 532 нм
Их мы решили вынести отдельно по причине отсутствия большого количества материалов по ним.
Этот лазер получается путем пропускания 1064nm излучения через кристалл KTP (кристалл титанил-фосфата калия), после чего он преобразуется в 532nm излучение. Цвет у него зеленый, и этот лазер по своим режущим и гравировально-маркировочным свойствам больше похож на ультрафиолетовый.
Одно из самых главных преимуществ этого лазера — это способность легко резать стекло, что является проблемой для большинства других лазеров. Например, СО2 газовый лазер вовсе не сможет прорезать его.
Длина волны в 532 nm позволяет зеленому лазеру непосредственно сразу воздействовать на стекло. При использовании этого лазера обработка часто производится снизу вверх, то есть смещение фокусной точки идет вверх по оси Z. Такой способ резки дает чистый рез с вертикальными краями.
Также зеленый лазер работает с пластиками: красные и оранжевые поверхности, на которых часто нельзя получить особо контрастные маркировки из-за цвета, легко поддаются обработке этим типом волны.
Вследствие всех этих преимуществ, зеленый лазер часто используется в лазерных маркерах.
Зачем инженеру знать длину волны лазера
- Подбор станка. Понимание того, как длина волны влияет на ту или иную поверхность, поможет правильно подобрать оборудование под материал и задачи производства.
- Подбор линз и зеркал. Каждый тип излучения требует своего набора оптики для исправной работы. Линзу из СО2 лазерной головы нельзя поставить в станок на оптоволокне с инфракрасным излучением, так как она не рассчитана на эту длину волны и мощность. Они даже делаются из разных материалов: например, линзы для оптоволокна зачастую состоят из кварцевого стекла (SiO2), а для СО2 лазера — из селенида цинка (ZnSe).
- Безопасность. Понимание природы лазера в зависимости от длины волны не позволит совершить ошибок, что могут стоить здоровья. Ведь если лазер не видим, это не значит, что можно смотреть на него без очков или подставлять под него руку.
Как определить длину волны на практике
Измерение с помощью дифракционной решетки
Дифракционная решетка разделяет падающий лазерный луч на несколько дифрагированных порядков, отклоненных под разными углами.
Угол отклонения строго связан с длиной волны и периодом решетки:
d⋅sinθ=mλ
где
d — период (шаг) решетки,
m — порядок дифракции,
θ — угол отклонения,
λ — длина волны.
Измерив угол для одного или нескольких порядков, можно рассчитать длину волны с высокой точностью.
Метод широко используется в лабораториях благодаря простоте и надежности.
Определение длины волны с помощью оптического спектрометра
Оптический спектрометр — один из самых точных инструментов для анализа лазерного излучения. Принцип его работы основан на разложении света по спектру с последующей регистрацией интенсивности на разных длинах волн.
Особенности метода:
- подходит для ИК, видимого и УФ-диапазонов;
- обеспечивает высокое спектральное разрешение;
- позволяет анализировать как узкополосные лазеры, так и источники с широким спектром.
Современные спектрометры выводят значение длины волны автоматически, что делает метод быстрым и универсальным
Интерференционные методы
Интерференционные устройства используют фильтры или интерферометры, которые выборочно пропускают или усиливают излучение определенных длин волн. Остальной спектр подавляется.
Типичные реализации:
- Интерференционные фильтры, пропускающие только узкий диапазон;
- Фабри–Перо интерферометры, формирующие интерференционную картину, период которой определяется длиной волны;
- Рефлектометрия, основанная на интерференции отраженных волн.
Интерференционные методы применяются, когда требуется высокая точность и контроль стабильности длины волны у лазеров с очень узкой полосой пропускания.
Вывод
Длина волны лазера определяет то, с какими материалами может работать лазер и как именно он воздействует на них. Зная это, вы сможете правильно подобрать источник для станка. Металлы более восприимчивы к невидимым лазерам из инфракрасного спектра и ультрафиолетового. Органика же более универсальна и может поглощать почти все типы излучения.
Лазерное излучение всех типов используется в лазерных очистках, сварках, резаках и маркираторах. Если вам требуется помощь в выборе такого оборудования — оставьте заявку на нашем сайте или позвоните по номеру 8 (800) 777-17-87. Наши специалисты с удовольствием ответят на все интересующие вас вопросы и помогу сделать правильный выбор.
Частые вопросы
-
В чем измеряется длина волны лазера?
Длина волны лазера измеряется в нанометрах (нм) — для оптических лазеров, или в микрометрах (мкм) — для ИК-диапазона.
-
Как определить длину волны лазера?
Длину волны определяют по технической маркировке лазера или с помощью спектрометра. Для промышленного оборудования обычно достаточно данных производителя.
-
Можно ли изменить длину волны лазера самостоятельно?
Нет. Длина волны определяется типом активной среды и конструкцией лазера. Самостоятельно изменить ее невозможно: для другой длины волны нужен лазер другого класса (CO₂, волоконный, УФ и т.д.).
-
Что важнее для резки — мощность лазера или длина волны?
Оба параметра критичны, но при прочих равных длина волны определяет поглощение материалом. Если материал плохо «видит» лазер, мощность не спасет. Для металлов нужен 1064 нм, для органики — 10,6 мкм.
-
Отличается ли точность гравировки при разных длинах волн?
Да. Более короткие длины волн (УФ, зеленая) дают меньший диаметр лазерного пятна и более высокую детализацию. Длинные волны (CO₂) формируют больший диаметр лазерного пятна, поэтому точность ниже.
-
Как длина волны влияет на качество реза и появление нагара?
При правильной длине волны материал лучше поглощает энергию, рез чище и с минимальным нагаром. Неверная длина вызывает перегрев поверхности, больший термовклад и интенсивное обугливание.
-
Почему зеленый лазер режет стекло, а CO2 — нет?
Зеленый лазер (≈532 нм) хорошо поглощается стеклом, поэтому прогревает материал в толщу. CO₂-лазер (10,6 мкм) отражается от стекла и не создает достаточного теплового проникновения, поэтому рез невозможен.