Förstå olika lasereffektnivåer
När man arbetar med lasrar är det viktigt att förstå begreppet lasereffekt. Lasereffekt är en av de viktigaste parametrarna att ta hänsyn till när man väljer laser, eftersom den har stor betydelse för hur effektiva och ändamålsenliga olika laserprocesser är.
Vid lasermaterialbearbetning påverkar lasereffekten exempelvis direkt hastigheten i processer som lasersvetsning, laserrengöring, lasertexturering, laserskärning och lasermärkning. Effekt kan beskrivas på flera olika sätt, vilket lätt kan bli förvirrande.
Låt oss gå igenom allt du behöver veta om lasereffekt.
- Vad är lasereffekt?
- Lasereffekt i kontinuerliga och pulsade lasrar
- Laserparametrar som styr hur lasereffekten används
- Medeleffekt, toppeffekt och effekttäthet: vad är skillnaden?
- Exempel på olika lasereffektnivåer
Vad är lasereffekt?
NIH definierar lasereffekt som ”den hastighet med vilken energi avges från en laser”. Enkelt uttryckt är det ett mått på hur snabbt en laser avger energi.
Lasereffekt anges i watt (W), kilowatt (kW) eller milliwatt (mW). En watt innebär att lasern kan avge en joule energi per sekund. En laser på 100 W kan alltså avge 100 joule energi per sekund.
Lasereffekt ska inte förväxlas med effekttäthet. En laser på 50 W och en laser på 200 W kan fokusera energin på samma sätt och utföra samma arbetsuppgifter. Eftersom lasern med högre effekt avger mer energi under en sekund kan den helt enkelt utföra samma arbete snabbare.
I följande definition av Xometry introducerar de idén att lasereffekt är relaterad till hur energi sprids över ett område (energikoncentration).
”Lasereffekt är den energi som en laserstråle levererar per tidsenhet
och per ytenhet.”
Detta är felaktigt. Lasereffekt handlar endast om hur mycket energi som kan avges under en sekund. Det är allt.
Lasereffekt i kontinuerliga och pulsade lasrar
De två huvudsakliga lasertyperna använder den tillgängliga lasereffekten på olika sätt.
- Kontinuerliga lasrar avger en jämn energimängd över tid. En kontinuerlig laser på 50 W avger exempelvis konstant 50 joule energi per sekund.
- Pulsade lasrar avger energi i separata pulser med korta intervall mellan pulserna. Detta gör att de kan uppnå betydligt högre toppeffekter än kontinuerliga lasrar med samma medeleffekt.
Pulsade lasrar föredras ofta framför kontinuerliga lasrar eftersom de kan generera de höga effekttoppar som krävs för materialablation. Det behövs i processer som lasermärkning, laserrengöring och lasertexturering.
Laserparametrar som styr hur lasereffekten används
Laserparametrarna kan ändras för att styra hur den tillgängliga lasereffekten används. Nedan går vi igenom vanliga parametrar och hur de kan bidra till olika resultat.
Pulsenergi
Varje puls innehåller en viss mängd energi. På Laserax konfigureras våra lasrar vanligtvis för att avge 1 millijoule (mJ) energi per puls. Ibland sänker vi pulsenergin för tillämpningar som kräver mindre energi. Laseranlöpning av rostfritt stål kräver exempelvis att ytan värms upp långsamt, vilket innebär att lägre effekttoppar behövs.
Pulsvaraktighet
Varje laserpuls har en viss varaktighet, vilket gör det möjligt att koncentrera energin till ett kort tidsintervall. Ju kortare pulsvaraktigheten är, desto högre blir toppeffekten. Pulsvaraktigheten kallas även pulslängd.
Femtosekundlasrar har exempelvis fått sitt namn från sin pulsvaraktighet, som sträcker sig från några få till flera hundra femtosekunder. På Laserax är våra lasrar konfigurerade med pulsvaraktigheter från 20 till 500 nanosekunder.
Pulsrepetitionsfrekvens
Pulsrepetitionsfrekvensen är antalet pulser som avges per sekund. Den uttrycks ofta i hertz (Hz) eller kilohertz (kHz), där 100 kHz motsvarar 100 000 pulser per sekund.
Omvandlingstabell för pulsrepetitionsfrekvens
| Pulser per sekund | Hz | kHz |
|---|---|---|
| 100 000 | 100 000 | 100 |
Lasrar med högre effekt kan användas för att avge fler pulser per sekund. En laser på 100 W kan exempelvis avge 100 000 pulser på 1 mJ per sekund, medan en laser på 500 W kan avge 500 000 pulser på 1 mJ per sekund.
För att ytterligare förtydliga detta kan en laser på 100 W också avge 500 000 pulser per sekund, men då måste pulsenergin sänkas till 0,2 mJ. Det beror på att repetitionsfrekvensen styr hur lasereffekten fördelas över tid. Om pulsenergin multipliceras med pulsrepetitionsfrekvensen erhålls lasereffekten.
Exempel på hur laserenergin fördelas
| Lasereffekt | Pulsenergi | Pulsrepetitionsfrekvens |
|---|---|---|
| 100 W | 1 mJ | 100 kHz |
| 100 W | 0,2 mJ | 500 kHz |
| 500 W | 1 mJ | 500 kHz |
För att uppfylla kraven vid en hög repetitionsfrekvens, det vill säga för att producera fler pulser per sekund, krävs ett laserskanningshuvud av hög kvalitet som kan styra om laserstrålen mer effektivt.
Strålpunktens storlek
Laserstrålar kan ha olika former, exempelvis runda, kvadratiska eller rektangulära, och laserenergin kan vara ojämnt fördelad över strålens yta. Strålpunktens storlek anger laserstrålens diameter i det område där energin är som mest koncentrerad. För en gaussisk stråle definieras gränsen vanligtvis där intensiteten har sjunkit till cirka 13,5 procent av toppvärdet.
En mindre strålpunkt innebär en högre energikoncentration. Storleken kan justeras med optiska komponenter som fokuseringslinser och strålexpanderare.
Vissa laserprocesser kräver en mindre strålpunkt. Vid lasermärkning använder vi exempelvis vanligtvis en storlek på 0,125 mm. För processer som kräver djupare bearbetning av materialet använder vi däremot en mindre strålpunkt på 0,075 mm.
Strålprofil
En strålprofil visar hur laserstrålens intensitet eller effekt är fördelad över dess tvärsnitt. Den mäts med hjälp av en strålprofilerare, som ger en grafisk representation enligt bilden ovan. Profilen kan mätas på olika platser längs laserstrålens bana.
I den gaussiska profilen i bilden minskar energinivån ju längre från strålens centrum man kommer. I en flat-top-profil är energinivån däremot konstant. Gaussiska profiler kan uppnå högre toppeffekter och mindre strålpunkter, medan flat-top-profiler utnyttjar den totala energin bättre och kan ge mer precisa resultat, exempelvis renare snitt vid laserskärning.
Flat-top-strålar är mindre kostnadseffektiva än gaussiska strålar eftersom de kräver ytterligare optiska komponenter, exempelvis diffraktiva optiska element som förändrar strålens form. Gaussiska strålar har en naturlig strålform.
Medeleffekt, toppeffekt och effekttäthet: vad är skillnaden?
Låt oss gå igenom några viktiga begrepp för att förstå de effektnivåer som en laserstråle kan uppnå. Som du kommer att se kan en laser på 100 W generera effektvärden som ligger långt över 100 W.
Medeleffekt
Medeleffekten är samma sak som lasereffekten. Den motsvarar laserns genomsnittliga uteffekt under en sekund. En laser på 100 W har en medeleffekt på 100 W, oavsett om den är kontinuerlig eller pulsad.
Toppeffekt
Toppeffekten är den högsta uteffekten som lasern uppnår under ett visst tidsintervall. Enklare uttryckt anger den hur mycket energi en puls innehåller i förhållande till pulsens varaktighet.
När millijoule koncentreras till ett kort tidsintervall uppnås mycket höga effektnivåer. Effekten kan jämföras med att nästan helt blockera munstycket på en vattenslang. Vattnet som kommer ut genom den lilla öppningen får då ett mycket högre tryck. Samma princip gäller när laserstrålens energi koncentreras till ett litet område och ett kort tidsintervall.
Beräkning av toppeffekt
Toppeffekten beräknas genom att pulsenergin i joule divideras med pulsvaraktigheten i sekunder. En puls på 1 mJ med en pulsvaraktighet på 100 ns har exempelvis en toppeffekt på minst 10 000 W.
Effekttäthet
Effekttäthet, även kallad irradians, är en parameter som hjälper oss att förstå energikoncentrationen. Den mäts i W/cm² och visar energiöverföringshastigheten, uttryckt i watt, i förhållande till strålarean, uttryckt i cm².
Effekttätheten kan beräknas genom att lasereffekten divideras med strålarean. Våra lasrar på 100 W med en strålarea på 0,0000679291 cm² genererar exempelvis en effekttäthet på cirka 1 470 000 W/cm².
Exempel på olika lasereffektnivåer
Lasergravering med hög effekt
Detta fiberlasersystem på 500 W avlägsnar material på djupet för att skapa märkningar som tål kulblästring. Lasereffekten är hög jämfört med de flesta tillämpningar inom lasermärkning eftersom högre energinivåer krävs för att effektivt gravera djupt i metallen.
Laseranlöpning med låg effekt
Detta fiberlasersystem med låg effekt är konfigurerat för att långsamt värma upp ytan på rostfritt stål. Uppvärmningen skapar en kemisk reaktion under ytan som möjliggör intern oxidation samtidigt som det skyddande passiverade ytskiktet förblir intakt.
Lasereffekt i industriella tillämpningar
Att förstå hur lasereffekten används är avgörande för att optimera laserprocesser. Kontakta en expert på Laserax om du vill undersöka möjligheterna med lasermärkning, laserrengöring, lasertexturering eller lasersvetsning i en industriell tillämpning. Vi kan erbjuda kompletta laserlösningar och utveckla en laserprocess åt dig.
Catherine har en kandidatexamen i teknisk fysik och en masterexamen i fysik. Hon genomförde sitt examensarbete i samarbete med Laserax för att utveckla industriella lösningar för lasertexturering av metalliska ytor. Hon är nu chef för applikationslabbet på Laserax, där hon leder teamet som testar och optimerar laserprocesser för kunder.