Вопросы по лазерам разных типов и идеям

Привет. Форум полуживой, но все же рискну спросить, поскольку попытки найти ответы в интернете не дали результата. Изначально хотел для cnc приделать хоть какой-то лазер, чтоб упростить жизнь по резке тонкой электротехнической стали (в том числе импульсами дырявить), потом увлекся и изучаю тему более широко. Основная задача где-то получать 20-100 Дж в импульсе, должно хватить. Кпд важно, ибо одинаково погано за электричество кучу денег или резку на заказ у черта на рогах.

1) Возможно ли и целесообразно ли использование призм вместо глухого зеркала импульсного лазера видимого диапазона или ближнего ик? Зеркала посеребреные якобы 94% максимум отражают, а внутреннее полное отражение это 100%, потери лишь на отражение от первой поверхности (и отраженный свет заходит в аэ, что есть хорошо) и из-за прозрачности среды призмы, которая для чистого кварца шикарна, судя по гуглю (не помню цифры, кажется на 5% потери на 1 км). Если так, то наверно нагрева не будет, кроме как в местах шероховатостей. Заодно, вместо полупрозрачного зеркала можно использовать кварцевую пластинку, которую ставить под углом, чтоб угол к лучу давал френнелевское отражение, вполне себе контролируемое. Это где-то используется и я просто не могу найти или как?

2) На красителях все что встречал инфу, нужно короткий и мощный импульс (азотник, например) или очень высокую плотность луча для непрерывного режима. А какие есть красители или другая химия, которую можно эффективнее накачивать и более длительно, чем родамин? Лампами накачки, светодиодами (лазерными не вариант по деньгам).

3) Где-то прочитал, что родамин один из самых устойчивых к деградации. Если его смешать с кристально чистой эпоксидкой, можно ли сделать аэ и будет ли он более живучий, чем жидкий раствор, в импульсе или малой длительности непрерывной накачки? Или может какой-то другой краситель есть для такого? Или вообще не реализуем "твердотельник" из-за быстрой деградации красителя?

4) Энергия лазера на красителях вроде как может быть вполне неплохой, если удастся накачивать правильно и прогонять раствор быстро. Но почему нет примеров таких лазеров с большой поверхностью, чтоб луч был линией и потом цилиндрической линзой в точку сводить? Самое первое решение для повышения мощности, которое лезет в голову.

5) Какой из твердотельников лучше всего по кпд (и возможно изготовить лазер самостоятельно) для импульсного режима или непрерывного (квази?), учитывая современный прогресс в материалах.

6) Видел в разных местах продают стержни 30 и 60см из неодимового стекла от советских лазеров ГОС-1 и ГОС-6 кажется, какой-то смысл брать из-за дешевизны есть? Или кпд совсем дрянь, частота импульсов (инфа всплывала, мол раз в несколько минут разряд допустим) и прочие трудности тех лет? По слухам якобы надо немало энергии накачать, чтоб получить генерацию. Но с другой стороны, в статьях нахваливают Nd:Glass для мощных импульсников.

7) CO2 с продольным разрядом можно ли сделать из последовательных сегментов электродов, скажем вместо 25 киловольт на 1 метр два электрода, сделать с чередованием десяток и запитывать с 2.5 кв каждую пару, упростив схему питания и вероятно заодно шнур плазмы будет более равномерен между каждым электродом (исключая пустоты самих электродов). Почему это не применяется?

8) CO2 можно ли повысить кдд, если облучать свч, магнетроном микроволновки, например? Если можно, то тогда и давление может повыше можно сделать, чтоб мощность повысить, будет ли работать или что-то другое всплывет? Читал, что есть вч накачка безэлектродная, но технической информации нет или она крайне скупа, надо знать практическую возможность.

9) CO2 излучение хорошо отражают металлы, а если покрасить маркером, это поможет или после выгорания краски все равно пойдет отражение? На сколько мощнее нужно такой лазер, чем yag и все что до зеленого спектра?

Вроде все, надеюсь хоть на какие-то вопросы получить ответы. Заранее спасибо.

 

Да, давненько не видел здесь столь длинного поста... Но давайте по поряду.

Резать тонкую (толщина?) сталь и дырявить её 20-100 Дж импульсами - это две плохо согласующиеся в одном лазере задачи. В одну телегу впречь неможно вола и трепетную лань.
1. использовать призмы в качестве глухого зеркала приходилось на заре лазерной эры, когда ещё не умели делать нормальные диэлектрические зеркала (говорим только о видимом и ближнем ИК; в среднем/дальнем ИК - металлические). Это неудобно. Никаких металлических, серебрянных в частности, зеркал в современных конструкциях просто НЕ БЫВАЕТ.
2-4. Даже писать лень. Лазеры на красителях прижились только для очень специфических задач. Навскидку - у спектроскопистов. Но там энергия/мощность не нужна от слова совсем. Другое востребовано. А попытки засунуть краситель в твердофазную матрицу предпринимались многократно. Но давно это было. В полиметилметакрилат (не в эпоксидку, так проще), в пористое стекло. Но всё равно на выходе получалось гуано и это забросили.
5. твердотельник для чего? Ответ будет зависеть от задач(и). Если для резки тонкой стали, то волоконный лазер на сегодняшний день - это самое то. Но бросьте идею сделать это у себя на кухне/ в гараже/ даже каком-то предприятии. НЕ ПОЛУЧИТСЯ.
6. лазеры на стекле для технологии - фигня. такое только в давние советские годы было. От того, что не было боле ничего.
7. В СО2 лазерах проще перейти к поперечной геометрии разряда. В мощных системах сильно всё упрощается с прокачкой газа, напряжением на разряде и пр.
8. КПД повысить нельзя, если совсем кратко. Любой генератор ВЧ/СВЧ тоже ведь устройство с этим самым КПД < 100%. Сложно и дорого. Хотя Вы правы, иногда применяется в специфических случаях.
9. Сегодня для задач реза/сварки металлов СО2 (за исключением очень-очень специфических задач) 1 мкм не конкурент ни разу. Вам резать тонкий стальной лист - см. выше. СО2 - для резки неметаллических материалов: бумага/картон/фанера/дерево/тряпки... и далее по списку. Авообще-то это почти идеальный инструмент для молекулярной фотохимии. Но кто ею занимается в нашей стране?

 

Спасибо за ответ! Про волоконный лазер не писал, потому что знаю о сложностях его конструкции и стоимости, если пытаться собирать из покупных деталей. Насчет резки, проблема в отсутствии нужной электротехнической (трансформаторной) стали у практически всех фирм, которые предоставляют услуги лазерного раскроя. Я упарился искать и не представляю себе возможным доставать и транспортировать листы к лазерщикам в Москву, хотя мне каждый раз нужно совсем малый объем работ (занимаюсь экспериментами по созданию эффективных электродвигателей малых размеров). Резать ножницами по металлу не вариант, ибо надо ровные листы получать и сложных форм. Я думал, что можно подобно использованию дрели, делать мелкие дырки в материале импульсами и из них собирать линии отреза, либо где-то использовать расширение пучка в линию и сразу отрезать много. Долгий процесс, но и объем работ каждый раз всего лишь метра 4. Думал даже светодиодами или лазерными диодами и волноводами собирать в один, но это для приемлемой мощности уже такие деньги, что лучше рассматривать тт или со2 готовые трубки (не говоря уж о пытках свести лучи, просто фантастика). Как еще выкрутится из ситуации - не знаю. 5 ваттным диодным из Китая не продырявить сталь, тем более, что нужно не оплавленные края чересчур, ибо тонкий материал и особо его не обработаешь, не погнув. Я даже уже думал загонять свет от ламп накачки напрямую, но по расчетам там 0.02 Дж лишь из-за малюсенькой дырки (после которой линза), а городить сложные волноводы опять же дорого и не сильно выше эффективность.

 

Еще несколько вопросов появились. Раз наиболее реалистичный вариант это CO2, то есть ли где таблицы, какую мощность лазера такого типа надо для резки разных металлов (со скоростью реза видимо тоже)? И смотрю, что трубки по 40 ватт дешевые, а 150 ватт непропорционально золотые, а последовательно несколько 40 ваттных соединять наверно плохая идея, генерация может вообще не возникнуть из-за трудностей юстировки и прочих оптических погрешностей. Да и я сомневаюсь, что даже 150 ватт хватит, если металлы в 10мкм отражают неплохо. Тогда вопрос, а реально ли сделать самодельный с более экзотичной формой, но получить достаточно высокий кпд и мощность, но не тупо длиннющий с продольным разрядом? Слишком много переменных, типа чистоты газовой смеси, пропорций, давления, юстировки (и с поперечным разрядом еще куча), не уверен, что можно сравниться с заводскими, где все эксперименты давно отточены в готовую продукцию. Пытался книжки и патенты читать, но там сплошная вода и размусоливание ни о чем, политики писали. Даже не смог найти, будет ли лучше качество и объем разряда, если помещать рядом радиоактивные материалы (например, чтоб сделать продольный разряд в толстой трубе).

 

Про Nd:YVO нашел информацию, мол накачивать диодами хорошо и кпд высокий. В этом направлении имеет ли смысл смотреть или сложно, не надежно и дорого?

 

Еще вопросы появились.
1) ГЛС неодимовые стекла можно ли использовать в непрерывном режиме (криптоновыми ДНП лампами качать), но короткими отрезками времени, типа пол секунды работает и потом отдыхает несколько секунд под водой? Если стержень потоньше и длиннее, то охлаждать может реально?
2) Кто-нибудь пытался накачивать твердотельники фитодиодами (они же "фитодиоды полного спектра")? Спектр излучения вроде бы достаточно неплох в районе 808 нм (если не врут рекламные картинки). Или в непрерыве порог генерации у советского неодимого стекла слишком высок, чтоб светодиодами накачать?

 

Стекло в непрерыве порвет. Фитодиоды имеют настолько смешную энергию и настолько хреново фокусируются, что ...

 

Что-то задача сложная получается. Nd:YVO кристаллы найти в продаже даже в Китае и на Ebay не смог, только какие-то огрызки 3 с хреном миллиметра. Стержни Er:YAG, Yb:YAG тоже черт знает где достать, а на них слюни текут, ибо есть 940нм светодиоды относительно дешевые (808 модули вряд ли осилю по деньгам, хочу в 50к влезть на всю оптику/лазеры). Пишут, что можно нарыть Er активные волноводы по телекоммуникациям, но можно ли их использовать в качестве лазеров высокой мощности для реза? Типа намотать кучу слоев, освечивать поперечно моток и получать луч с двух сторон, без зеркал. Все равно тонкое волокно и линза даст не сильно больше размер пятна при фокусировке. Только возможно ли это без резонатора и не с продольной накачкой? У меня уже совсем идей не осталось. Делать дома CO2 с продольным разрядом на пол киловатта+ или сводить свет от светодиодов/лазерных диодов волноводами в жирную точку и обрезать луч диафрагмой - бред же не эффективный и мучительный. Может есть медтехника, взять что-то бушное и переделать? Хоть какие-то есть способы решить задачу?

 

Для Ваших задач, а именно резки тонкого стального листа, за сумму < US$ 1000 твердотел с диодной накачкой НЕ ПОЛУЧИТСЯ. Как выражается современная молодёжь "Перестаньте насиловать труп"!
Если взять одномодовые световоды с Er (почему не Yb ? и зацените только сначала, по чём за метр,) то можно сделать лазер. Мощность на выходе будет ~10 мВт. А у телекоммуникационщиков обычное пасcивное волокно, SMF-28(E). Достать нетрудно, но лазер из него сделать невозможно никакой. Волоконник для Ваших задач хорош, но активные волокна там совсем другие.
И ещё: чтобы самому ваять волоконные лазеры, надо иметь необходимую обвязку. А именно сварочник, скалыватель, (термо)стриппер. Вы знаете сколько это стоит?
Реальная перспектива только СО2. И почему 500 Вт? 100 тоже будет резать с кислородом. Но медленно. А Вам особо быстро, как я понял, и не надо. Единственный вопрос - какова будет зона термовлияния? Х.З.

 

Спасибо за ответ. Смотрел спектры поглощения и на этом форуме вычитал, что Er волокно используется, вот поэтому про него спросил. Но Yb или Er одинаково хороши для накачки 940нм светодиодами, а не Nd с дорогущими лазерными на 808нм (если не запамятовал, 10 ваттные сборки из 9 кристаллов по 300 рублей). Нашел сейчас стоимость волокна за метр и резко расхотелось думать в этом направлении.
Насчет CO2 и 500 ватт. Когда считал, сколько джоулей надо на выпаривание стали (до 5000 градусов, чтоб наверняка), на кубический миллиметр 20 джоулей примерно, что в импульсе сделать не проблема. Но в статье про лазерную сварку нашел пример, где одномодовое волокно 500 ватт с очень тонким лучом проплавляет 1.5 мм сталь при скорости 7.5 м/с, а многомодовое при жирном луче 0.25 мм диаметром, только на половину проплавляет при мощности 1000 вт и скорости 2 м/с. Это получается во много раз хуже теоретического просчета, видимо из-за отражения от металла и теплопроводности (хоть поток воздуха будет выдувать расплавленный металл, но и остужать тоже). А раз вы сказали, что CO2 не эффективен из-за длинны волны для резки стали, значит все еще хуже и от балды появляется цифра 500 ватт и скрещенными пальцами. Не нужна большая скорость реза, но рез должен быть достаточно качественным, чтоб не висели сопли, которые потом стачивать и деформировать пластинки 0.35 и 0.5 мм толщиной.

Еще идея. Можно ли взять неодимовое стекло, скажем ГЛС6 (кажется 10*240мм), поставить в кватрон лампу непрерывной накачки и импульсной, сперва короткое время (миллисекунды?) на малой мощности непрерывно накачивать, а потом пыхнуть импульсной, чтоб перейти порог генерации, но не используя чемодан конденсаторов для импульсной, а лишь достаточного количества для генерации? Нагрузка на лампы будет незначительной, можно часто пыхать, если стекло выдержит (если правильно понял, то 15 джоулей на кубический сантиметр допустимо накачивать). Или вообще ничего толкового из советского стекла не сделаешь, кроме как монетки с лезвиями пробивать?

 

НЕ выдержит стекло перегрева - вы представляете, сколько тепла дает непрерывная лампа и в каком объеме?

 

Так ведь криптоновая лампа не будет работать непрерывно, фактически тот же импульсный режим, только длительность выше и не через конденсаторы разряжать, сэкономив на их стоимости и габаритах. Мне интересно принцип такой будет работать или нет, если верхний уровень имеет несколько сотен миллисекунд время жизни, нельзя же осветить стержень и через несколько секунд чтоб сгенерировал излучение. Но может там есть что-то особое в таком способе накачки, что он сработает. В одной статье западной читал, что подобное делали и накачивали галогенкой+импульсной, но Nd:YAG кристалл.
Хорошо, может тогда кто-то подскажет где искать повторяемую конструкцию для мощного CO2 с поперечным ВЧ разрядом (или какие-то нестандартные продольные на большую мощность и не огромные)? Или это не для домашней сборки (ну и всякие там фрезерные работы на заказ) из-за сложности настройки и кучи всяких факторов?

 

Где, скажите, где Вы такое увидели/прочли/услышали? Вы ошиблись на три порядка! Например, для Nd:YAG при стандартном легировании время жизни верхнего уровня ~270 микросекунд. Ещё раз предлагаю перестать фантазировать по поводу лазерных стёкол. Не верите мне и другим участникам форума - возьмите книгу А.А. Мак и др "Лазеры на неодимовом стекле", в Сети валяется. Артур Афанасьевич - крупнейший специалист по мощным лазерам не стекле как раз. Возможно, его аргументы Вас убедят.

Я Вам словами бабелевского героя скажу: "Бросьте Вы этих глупостей. Лучше пейте и закусывайте". Сами по себе мощные ВЧ (кстати, сам термин ВЧ лукав, есть люди, для которых 100 кГц уже ВЧ, а есть те, для которых 30 МГц ещё мало) источники накачки газового разряда - специфические изделия сильноточной электроники. Люди жизнь кладут на то, чтобы в этом разобраться. И никто за просто так своими наработками делиться не станет. На коленке не сделать. IMHO, конечно же, но единственный сколь-нибудь приемлемый для Вас вариант (в смысле финансовых затрат) - китайская труба ватт на 100.
И ещё одно IMHO. Вы с этим утверждением не согласились, но резка на заказ для Ваших объёмов (Вы изволили написать, что для одного мотора заготовки - это два листа формата А4) будет дешевле и, самое главное, безгеморройнее.

 

Извините, имел ввиду микросекунды, рассеянный я очень человек. А насчет вч, я радиолюбитель уже лет 20, так что ни разу не проблема сделать. Кстати сказать еще физфак в прошлом, но ничего уже оттуда не помню. Насчет стоимости реза, все очень плохо. Минимальная стоимость заказа 2000 рублей, многие вообще не берутся за мелкие заказы. Я не могу постоянно таскать лист на резку. Сроки исполнения тоже слишком длинные, а надо нарезать, соединить, проверить, измерить, потом скорректировать форму и опять отрезать, соединить, проверить. Это муторная задача и растягивать ее русской спецификой оказания услуг по железу - дело гиблое. Сначала думал сделать сразу как можно больше вариантов возможных, но это не движение вперед, а разбрасывание денег в неверных направлениях, с надеждой хоть что-то будет правильно. Китайские моторчики для моделек самолетов, квадрокоптеров и т.п. имеют низкое качество, их делали троечники птушники. Я не хочу положить несколько лет на эти эксперименты, уже на симуляцию несколько месяцев потратил. И я надеюсь, что моя работа все таки принесет пользу, потому что там реально куча мощи вхолостую уходит, потому что тупо натыкать неодимовые магниты недостаточно. Я могу попытаться поискать еще фирмы резки в моем городе, но даже когда в Питере жил, не смог найти (фанеру и пластик там режут кому хочешь), а в Воронеже и подавно.

 

Не, CO2 большой мощности это фантастика не для домашнего изготовления. Вся информация встречаемая насчет поперечного разряда большой мощности это все равно низкий кпд, а значит надо киловатты тепла как-то отводить и вся бандура будет огроменной. Если советские лазеры такого типа были с пол бульдозера, то глупо думать о более мелком варианте. И 100 ватт трубка не осилит, везде цифры люди пишут гораздо выше для стали тонкой. В общем я полностью застрял и решения не вижу (не лазерными диодами же собирать свет в точку).

 

О как. А насколько сильный поток тогда надо? Читал, что кислород надо весьма чистый для алюминия, но про сталь не видел. Хз сколько расход и сколько стоит баллон, пока первые мысли использовать электролиз воды, но кпд у него совсем мизерное. Может есть какой-то диапазон волн, на которых сталь лучше режется и можно чего-то дешевое из полупроводников набрать тогда, в том числе с подачей кислорода?

 

Кислород в 40л баллоны (и в более мелкие) льют на любой газостанции - он в сварке и резке металлов активно используется.

 

Так, пока что идея с кислородом наиболее интересная, стоимость заправки устраивает. Но как узнать, какую мощность CO2 надо? Притом чтоб не соплями резал, а достаточно качественный шов. Если полупроводниковые с более высокой эффективностью для реза металла, то не окажется ли, что обдувая кислородом можно сопоставить <50 ватт светового или ближнего ик диапазона к CO2? Сегодня на одном из форумов промелькала информация, что вроде на 2мм сталь с кислородом надо 300 ватт CO2 и 700 ватт без кислорода (если не забыл). Поскольку резать 0.35 и 0.5мм, сотни ватт должно хватить, но ведь такое шкалирование нельзя использовать, потому что скажем лазер на 10 ватт не может резать фольгу. Как быть уверенным, что купив трубку на 100 ватт я не встряну? Брать на 150 это уже цена бредовая, как стоимость аквариумов, в литрах считают.