Лазерная технология FT не имеет аналогов и может проводиться только на эрбиевых и неодимовых лазерах Fotona! Типы и характеристики лазеров.

ЧПУ лазер является основным элементом всей конструкции станка, с помощью которого и происходит сам процесс обработки материала. На сегодняшний день лазерные станки с числовым программным управлением применяются для производства самых разных товаров, начиная от декоративной продукции и заканчивая крупногабаритными сложными изделиями.

Оптическая составляющая лазерных станков

Перед тем, как подойти к подробному описанию работы лазера, разберем его основные оптические компоненты:

лазерная трубка (она же СО 2 лазер), которая отвечает за генерацию луча;
зеркала-отражатели, которые отражают луч;
головка излучателя, которая подает луч на поверхность обрабатываемой заготовки;
линза фокусировки, название которой говорит само за себя: она отвечает за фокусирование лазерного луча на поверхность материала.

Мощность лазера

Если говорить о материалах, которые можно обрабатывать лазерными машинами, то их довольно большое количество. Мощность лазера должна меняться в зависимости от того, с каким материалом вы собираетесь работать. Давайте разберемся с основными материалами и необходимой мощностью лазера для их обработки:

Мощность 200 мВТ – данный параметр отлично подходит для резки не особо прочных материалов (таких, как тонкая полиэтиленовая пленка). Важно уточнить, что такие лазеры бывают только твердотельными.
Мощность от 300 до 500 мВт – средняя мощность лазера, отлично подходит для гравировки дерева, кожи и пластика. Это наиболее приемлемая мощность для ЧПУ выжигателя.
Мощность в 1000 мВт – подходит для резки тонкой бальзы (самая легкая древесина в мире!). С такой мощностью можно так же осуществлять резку синтетического шпона, но существует вероятность его подгорания.

Необходимо сделать важный вывод: чем мощнее лазер, тем более «плотный» материал можно обработать. То есть, выбирайте мощность лазера исходя из материала, который вы хотите обрабатывать.

Лазерный модуль малой мощности

Принцип работы лазера

Основной принцип работы лазера на станке заключается в том, что лазер не режет, а прожигает. Для того, чтобы получить лазерный луч, нужны следующие элементы:

источник внешней энергии;
активная среда;
оптический резонатор.

Все вышеуказанные элементы работают следующим образом:

Источник внешней энергии несет в активную среду частицы, которые имеют некий заряд. В свою очередь эти частицы притягивают из активной среды подобных себе. С помощью усилителя они начинают двигаться более живо, сталкиваются с атомами среды и выбивают новые кристаллы. Благодаря полупрозрачному стеклу резонатора кристаллы выходят вовне в форме узкого луча.

Этот луч, который фокусируется в одну точку, имеет высокое содержание энергии. Такая энергия достаточна для вхождения в любой вид материала. То место, куда попал луч, плавится или горит.

Важно знать, что при небольшой толщине материала или мощном луче, вы можете совершить даже сквозную резку металла.

Причины исчезновения лазерного луча

При отсутствии излучения в момент запуска станка, первой причиной исчезновения лазера является лазерная трубка. Проблемы и пути их решения с ней мы обсудим подробней немного ниже.

Второй причиной исчезновения может стать повреждение блока розжига. Перед проверкой электронных частей лазерной машины просмотрите индикацию (нормальное состояние – это свет светодиода на блочке питания и пары светодиодов на материнской плате) . Для подтверждения проблемы с блоком розжига можно осуществить такие действия: даете ЧПУ легкую задачу, и если она выполняется, но при этом заготовка остается целой, то можно судить об отсутствии проблем с блоком розжига.

Изделие, изготовленное на настольном лазерном станке

Общие проблемы при работе лазерной трубки

1. Слабая мощность лазерного излучения. Решением такой проблемы может стать следующее: убедитесь нет ли царапин, или грязи на линзах или лазерной трубке; посмотрите на выходной ток, напряжение, скорость и чистоту потока воды; проверьте ровность лазерного луча и др.
2. Электрическое зажигание имеет высокое напряжение. Предлагаем следующее варианты действий: проверка помех возле электрического соединения; убедитесь, что лазерная трубка не находится на маленьком расстоянии возле металлических частей станка; проверьте влажность помещения (высокая влажность может вызвать электрические пробои и помехи); убедитесь в целости всех контактов и замкнутости цепи внутренних соединений.
3. Поломка или растрескивание концов лазерной трубки. Возможно вам смогут помочь следующие действия: проверка температуры воды (норма – 15-25 градусов); убедитесь, что водопроводная трубка не сложена и не прижата чем-либо; убедитесь в отсутствии пузырей в трубке; обратите внимание на воду: на ее расход и циркуляцию (от низкого до высокого).

Способов немало:

Фотодиод (сюда же фотоэлементы и солнечные батареи)
Фотосопротивление - если без экзотики то все сказанное про фотодиод относится и сюда, схема включения, правда, другая.
Термосопротивление (болометр)
Термоэлектрический (Термопарный или Пельтьешный) калориметр.

Есть и другие способы, например пироэлектрический прибор, но обычно такие измерители надо просто покупать, если только не работаете где-нибудь на лазерной или полупроводниковой фирме.
Сам я дома пользуюсь самодельным Пельтьешным калориметром, который и опишу как делать.

Делаем термоэлектрический калориметр

Большинство измерителей мощности, которыми пользуются профессиональные лазерщики построены как раз по принципу термоэлектрического калориметра. Раньше такой прибор собрать дома было почти невозможно (с ума сойдешь пару сотен термопар сварить, установить, сделать электрическую разводку и обеспечить тепловой контакт при этом. Да и на выходе было - единицы милливольт на Ватт. Нужен был очень хороший усилитель. Сейчас в продаже в магазинах радиодеталей появились пельтье-модули, которые как раз и представляют собой такую сборку термопар, да еще и не металлических а полупроводниковых. Сделать термоэлектрический калориметр теперь проще простого.

I. Ресурсы

В качестве исходников нам потребуются:

Вот собственно и все что нужно:

II. Сборка

III. Калибровка

IV. Измерения

V. Комментарии

Примитивно. Зато доступно и эффективно.
Продвинутые в электронике могут заменить мультиметр на небольшую платку с АЦП-чипом и микроконтроллером (PIC или Atmel), организовать вывод данных и управление по USB, написать программку для автокалибровки и анализа ошибок и... и... продавать по 1000 USD как профессиональный прибор. Основной вклад в погрешность дает дрейф нуля. На фотографиях виден дрейф в 0.5мВ, что в пересчете на милливатты дает 3 мВт. То есть указку мощностью в 5 мВт обмерять с помощью такого датчика - слишком грубо. Дрейф нуля идет в основном за счет сквозняков. При измерениях "закройте все окна" и двери, старайтесь не слишком шевелить атмосферу. Если застабилизировать показания не удается - измерьте амплитуду дрейфа нуля (разность между максимальными и минимальными показаниями) и отнесите в погрешность измерения.

Еще имеет свойство "плыть" калибровка самого мультиметра. В особенности если он дешевый. Тут спасает повторение калибровки датчика (раздел III). Перекалибровываться надо при смене батарейки в мультиметре, смене погодных условий, ну и просто время от времени.

Если измерения проводятся не по "сокращенной версии" а по честному - с калибровкой, установлением нуля и с двойным тройным повтором для усреднения результата, то измеренная этим датчиком мощность лазера будет отличаться от измеренной профессиональным прибором не больше чем на 10%-15%. Кстати если есть профессиональный прибор, то можно измерить еще и поправку на не 100%-ный коэффициент поглощения черненой поверхностью. Хотя при хорошем чернении эта поправка невелика и ей можно пренебречь не напрягая себя попусту.

Если жаба не душит - можно на один подходящих размеров радиатор поставить два пельтье модуля (проще - одинаковых) и включить в балансную схему. Один элемент будет измерителем, другой - компенсатором. Сильно поможет в борьбе со сквозняками.

Показания прибора в первом приближении не зависят от точки попадания. Измеренное напряжение равно сумме термо-э.д.с. всех включнееых последовательно пельтье-столбиков в пельтье модуле. Термо-э.д.с. каждого из столбиков равна произведению его удельной термо-э.д.с. ei на разность температур на нем. А разность температур ("холодного" и "горячего" спаев)- произведению теплового сопротивления столбика Rti на тепловой поток через него Wi:

Столбики в Пельтье модуле делаются автоматом из одного и того же материала (пары n-кремний и p-кремний) значит они с высокой точностью одинаковы. После вынесения за скобки ei и Rti получается что измеряемое напряжение прямо пропорционально полному тепловому потоку, как бы он ни был распределен по столбикам.

Для чернения НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ пользОВАТЬСЯ фломастерами, маркерами, чернилами от авторучек и вообще любыми красками кроме туши и сажи. На самом деле краски часто только выглядят черными и запросто могут оказаться вовсе не такими черными именно для той линии спектра, где излучает Ваш лазер. Измерения рекомендуется проводить сидя или лежа, предварительно успокоившись и удалив на безопасное расстояние режущие и колющие предметы. Когда мощность любимого трехсотмилливаттного лазера из дивиди-драйва оказывается всего 120 мВт бывает трудно удержаться от неадекватных действий.

Обзор является продолжением рассказа о практическом применении в домашних условиях лазерного гравировального станка с рабочей площадью формата А3. В прошлый раз речь шла о наборе для самостоятельной сборки, комплектуемом лазером мощностью 2500mW. В этот раз я расскажу о его замене на лазер с заявленной мощностью уже на 5500mW. Из обзора можно будет узнать, за сколько проходов такой лазер способен прожечь 3 мм и 4 мм фанеру, что для этого нужно и главное – что потом с этим делать. Далее - много букв и фото.

Итак, многие наверное помнят данного обзора в которой я постарался рассказать о применении как самого станка так и о работе с программным обеспечением BenBox. В конце обзора я упомянул, что у хозяина устройства появилась идея его модернизировать и установить более мощный лазер.

Основным посылом к модернизации послужило желание вырезания поделок из фанеры. Хотя изначально, перед приобретением первого варианта, существовала необходимость лишь в резке фигурок из фетра, с чем, кстати сказать, предыдущий лазер справлялся отлично, в период проведения тестирования выяснилось, что и фанеру он тоже режет, но для этого требуется сравнительно много времени.

Идея замены витала в воздухе не очень долго и скоро воплотилась в реальный заказ.

Скрин заказа

Лазер поставляется в комплекте с блоком питания.

На корпусе лазера, представляющем собой по сути один сплошной радиатор, присутствует наклейка с указанием необходимого для него напряжения и выдаваемой мощности.

Блок питания рассчитан на 12v и 5А.

Использовать лазер можно «из коробки», т.к. плата управления уже встроена и расположена над кулером охлаждения радиатора. Для включения необходимо лишь подключить блок питания. После этого лазер включится на максимальной мощности. Для включения минимального режима служит одна единственная кнопочка на плате.

Судя по характеристикам, длина волны лазера составляет 450nm, цвет луча – синий.
Совместного фото нового лазера со старым я, к сожалению, не сделал, но если в общем, то в первую очередь разница отчетливо заметна в размерах. Скорее всего, это связано с размером радиатора, который выглядит значительно больше и внушительнее.

Кроме того, размер регулировочной части фокусной линзы также стал примерно в два раза больше.

Вот так выглядит лазер в установленном виде. Здесь же видно, что дополнительный кулер, препятствующий оседанию дыма на линзе лазера все таки был закреплен на каретке и теперь перемещается вместе с лазером. Вес его незначителен и пока это никак негативно не повлияло на работу шаговых двигателей.

Для крепления использована деталька от детского железного конструктора. При достаточной жесткости она довольно пластична, поэтому можно легко подобрать необходимый угол наклона кулера для конкретной ситуации.

Вместе с лазером были заказаны вот такие (10х10 мм) на самоклеющейся основе.

Радиаторы приобретались для установки на двух микросхемках платы лазера, т.к. при работе устройства они довольно ощутимо нагреваются и были опасения за их состояние.

Первые тестовые испытания показали, что лазер действительно мощнее предыдущего, это с учетом одного и того же подхода к процедуре резки. То есть, как это ни странно констатировать, но «на глаз» мощность действительно увеличена примерно в два раза.

Т.е. то, что на лазере в 2500mW резалось за 6-8 проходов теперь режется за 3-4. Но это пока… (об этом чуть позже).

Первой толковой поделкой, по просьбе знакомых, попробовали сделать так называемую «медальницу». Т.е. это вроде тематической вешалки для медалей. Поскольку станку по силам пока только фанера «тройка», то решили сделать две заготовки и затем, склеив их между собой, добиться необходимой прочности.

На фото ниже видно, что первая попытка была не очень удачной, а все потому, что не всегда понятно, прорезалась фигура целиком или нет, к тому же, на это очень сильно влияет изгиб фанеры, которая не всегда является идеально ровной.

В конце концов, со второй попытки желаемое получилось, но суть в данном случае не в этом.

А в том, что устав каждый раз искать, на что положить заготовку, чтобы было видно снизу, насколько хорошо она прорезалась, было принято решение заколхозить какую-нибудь специальную приспособу для этих целей.

Модернизация станка

Исходя из особенностей конструкции рамы станка, отличным вариантом в качестве основания для этого показалось использование двух длинных направляющих, по которым не предусмотрено перемещение механизма. Кроме того, в этих направляющих имеется углубление, за которое можно закрепить приспособу.

Расстояние между серединами направляющих составило 41,5 см.

Широкий профиль для гипсокартона, давно стоявший без дела в углу, отлично подошел для предполагаемых целей. Для этого от него был отрезан кусок необходимой длины и разрезан вдоль – тем самым получилось два уголка с ребром жесткости.

Отрезаем «лишние» кусочки, чтобы одно ребро уголка свободно входило между направляющими, а другое ложилось на них.

Часть уголка загибаем под желобок направляющей с обоих сторон так, чтобы уголок мог двигаться и одновременно не выскакивать из направляющей.

Получается, что теперь мы имеем две поперечины, которые можно свободно перемещать внутри рабочей площади станка и тем самым разместить на них любой кусочек фанеры.

При необходимости их можно просто сдвинуть в любую сторону, чтобы не мешали.

Вот так теперь можно разместить фанерку, при этом расстояние от ее поверхности то линзы лазера составляет около 36 мм.

Но возможно самое важное при таком подходе то, что теперь фанеру можно притянуть к получившимся направляющим в нужных местах хоть саморезами, хоть струбцинками и тем самым обеспечить ее «ровность» по всему периметру предполагаемой поделки.

Ну а вот так получается можно наблюдать в процессе работы лазера, насколько хорошо прорезается деталь и нужно или нет делать дополнительные проходы.

Потренировавшись, еще на предыдущем лазере в вырезании плоских поделок, давно хотелось попробовать сделать что то действительно полезное и интересное, например что то из разряда коробочек-шкатулочек. Но дело это, как Вы понимаете, не совсем простое, то есть конечно принцип тот же самый что и всегда – надо нарезать детальки и потом их соединить, но поскольку деталек получается достаточно много, то точность чертежа должна быть достаточной для того, чтобы по концовке работы не пришлось все выбрасывать, т.к. не получается их состыковать. К тому же, возвращаясь опять же к количеству деталек остро встает вопрос автоматизации резки с точки зрения необходимости выполнения нескольких проходов.

Если Вы читали мой предыдущий обзор, но наверняка помните, что используемая мной программа BenBox лишена возможности задания количества необходимых проходов по картинке и нажимать на кнопку запуска после окончания каждого прохода приходится самостоятельно столько раз, сколько требуется.

Так вот. Оказалось, что все-таки с этой программой не все так плохо как казалось на первый взгляд. Нет, конечно я не нашел в ней секретного поля для задания этого параметра, все немного проще и сложнее одновременно.

BenBox способен получать задания не только в визуальном режиме путем выбора картинки с изображением контура фигуры, но и загрузки в специальное окошко специальной последовательности команд – G-code, и вот в этом самом режиме можно задавать необходимые команды необходимое же количество раз. Т.е. по простому – надо три раза начертить круг, задаем эти команды три раза и станок послушно начертит круг три раза. Правда как всегда «есть парочка нюансов…».

Во-первых, задавать эти команды можно только либо вводя вручную или вставив сразу блоком из памяти (буфера обмена) скопировав их из нужного файла.

Во-вторых, как это ни странно, но нет режима загрузки из файла напрямую, т.е. только вышеописанным способом.

В-третьих, несмотря на то, что этот самый код предусматривает в том числе и задание скорости перемещения лазера, в BenBox эти команды полностью игнорируются и используется единственное значение – установленное в его же специальном поле.

Это что касается Бенбокса. Но необходимо вспомнить, что этот набор команд (G-код) нужно еще как-то получить. А это не совсем просто. Т.е. сам принцип весьма несложен – нужно преобразовать необходимое для вырезания/гравировки изображение в команды, которые потом скормить Бенбоксу. Но вот найти подходящую для этого программу из большого количества существующих, да еще чтобы на выходе получался нужный набор команд – вот это уже сложно.

В этом мне помог разобраться один замечательный человек, также владеющий китайским лазерным гравером, с которым мы переписывались в рамках обмена опытом эксплуатации, за что ему хочется выразить благодарность и сказать большое человеческое «Спасибо».

Итак, для вышеописанного правильного и достаточно удобного преобразования картинок в набор команд для резки/гравировки хорошо подходит программа VCarve Pro. Не буду рассказывать где ее можно скачать – думаю это не проблема для большинства читающих.

Такая конструкция сразу же привлекает внимание тем, что в ней «свободно гнется то, что по определению гнуться не должно». То есть здесь верхняя и нижняя сторона коробочки являются цельными друг с другом, а соединяющая их часть гнется и не ломается при помощи специально нарезанных прорезей, образующих своеобразный книжный переплет.

Давно хотелось посмотреть, как это будет выглядеть на практике, к тому же размеры такой шкатулки сравнительно невелики, поэтому и времени на ее вырезание не должно понадобиться слишком много.

В оригинальном исполнении, как на картинке, шкатулка дополнена гравировкой и имеет странного вида, но весьма интересный замок-задвижку. Я немного упростил конструкцию и подготовил на ее основе вот такой чертежик.

Получаем G-код при помощи VCarve Pro

Запускаем VCarve Pro, загружаем в него наше изображение и выбираем пункт верхнего меню, как показано на картинке. Это необходимо для того, чтобы получить «трассировку» нашего изображения (векторный контур).

В появившемся окошке (2) необходимо выбрать кнопку (Quick Engrave) после чего появится окошко 3. Немного о его элементах.
1 – кнопка выбора виртуального инструмента, с которым мы хотим работать.
2 – переключатель режима работы гравера (внешний контур или заполнение).
3 – поставив галочку, здесь можно указать необходимое количество проходов (да, это то самое!).
4 – любое смысловое название для создаваемого задания.
5 – кнопка, запускающая режим просчета пути движения лазера по указанному контуру.
6 – один из самых важных элементов, менюшка выбора пост-процессора. Т.е. именно здесь выбирается тип необходимого для нас кода.

А теперь по порядку. Сначала нам необходимо задать параметры виртуального инструмента, которым мы планируем работать (кнопка 1 на рисунке выше).

В появившемся окошке необходимо ввести понятное для нас название (1), выбрать тип инструмента – гравер (2), задать максимальную (или желаемую) мощность работы лазера (от 0 до 255), указать единицы измерения именно как мм/мин (4), а также ввести необходимую для этого задания скорость перемещения лазера (от этого зависит глубина реза) и сохранить «инструмент».

Далее, в основном окне программы, на изображении необходимо выбрать контуры, относительно которых будет формироваться задание. Т.е. в данном случае можно сначала к примеру, выбрать внутренние контуры для гравировки, а затем внешние для резки. Если такого не требуется, то правой кнопкой можно при помощи указанного пункта меню просто выделить все контуры, которые есть.

Далее необходимо указать необходимое количество проходов (1) и выбрать нужный пост-процессор (2). Что касается пост-процессора, то для работы с Бэнбоксом в программе не содержится подходящего. Его можно скачать , после чего поместить в папку программы по адресу «C:\Users\All Users\Vectric\VCarve Pro\V6.0\PostP\».

После этого нужно нажать кнопку просчета (3) и в завершение можно как сразу сохранить полученный код в файл, если не нужно формировать несколько заданий, либо закрыть окошко кнопкой «Close».

Сформированные задания отображаются вверху окошка (1). Для сохранения необходимо отметить галочками нужные и нажать кнопку 2. Затем убедиться, что установлена галочка на пункте 3, проверить правильность выбора пост-процессора и сохранить задания в файл кнопкой 4.

В результате мы получаем файлик с расширением.nc который можно открыть простым Блокнотом. Вот так выглядит наш набор команд, который необходимо выделить от первой до последней строчки и скопировать в буфер обмена.

Затем, в Бэнбоксе необходимо заранее указать требуемую скорость перемещения лазера и нажать кнопку, как указано на картинке ниже.

И при помощи комбинации клавиш Ctrl+V или Shift+Insert вставить код из буфера обмена в указанное на картинке поле (меню для вставки правой кнопкой мышки не работает). После нажатия на синюю кнопку с галочкой, программа должна начать посылать команды на станок.

Итак, в результате получаем вот такой набор элементов.

А вот так может теперь изгибаться цельный кусок фанерки.

При сборке нет необходимости использовать клей, т.к. все детали входят очень плотно.

Внутреннее полезное пространство имеет размеры, соответствующие стандартным пластиковым картам.

Никогда такого не делал, но для пробы покрыл коробочку сначала темной морилкой, а затем лаком. С учетом отсутствия опыта в этом направлении считаю, что для первого раза получилось неплохо)).

Коробочка-шкатулка в общем то получилась, вырезалась она за 5 проходов (пятый это на всякий случай, для закрепления так сказать). Но почему то никак не покидало ощущение, что я делаю что то не совсем правильно, т.к. все таки хотелось большей производительности.

Немного поразмыслив в голову пришла одна интересная идея. Возможно скажу давно общепринятый факт, но пока лично не встречал подобного подхода, поэтому прошу заранее извинить.

Фокус про «Фокус»

Итак, давайте вспомним, по какому принципу как правило настраивается фокусировочная линза лазера? При включенном на минимальной мощности лазере необходимо вращать регулировку фокуса линзы добиваясь на предполагаемой к обработке поверхности минимального размера пятна лазера и превращая его в идеале в точку.

В данном случае минимальный размер пятна гарантирует нам максимальную мощность лазера, все казалось бы, правильно. Но наблюдая за процессом резки меня сильно смущало то, что практически идеальный рез вначале процесса, к концу становился каким то слабым, местами даже не дорезая фанеру снизу.

Так вот, если Вы еще не догадались к чему я веду, поясняю.
При углублении лазера в фанеру тем самым получается, что с каждым проходом увеличивается расстояние от лазера до поверхности и при этом происходит что? - расфокусировка луча с неизбежным падением его мощности в конечной точке.

Так и получается: чем глубже, тем хуже. Если так, то тогда напротив, сфокусировав луч немного ниже поверхности реза мы должны добиться увеличения мощности лазера ближе к противоположной поверхности.

Для проверки своей теории я попробовал сфокусировать луч не на самой фанерке, а на поверхности под ней заранее предполагая, что ничего путного их этого не получится, т.к. пятно на фанерке должно было получиться не совсем маленьким и рез поэтому должен по идее сильно обугливаться. Но случилось чудо!

Фанера тройка прорезается за два прохода до состояния «самовываливания», скорость реза при этом, согласно параметрам Бэнбокса составляла значение 150.

Но как всегда что? Не обошлось без нюансов.
Главный из них состоит в том, что фанера должна лежать абсолютно ровно во всей плоскости реза, поэтому ее обязательно нужно притягивать.

Вот в качестве примера два кружка, которые резались при одних и тех же параметрах.
В первом случае фанера, даже при относительной «ровности», не притягивалась к направляющим и получился вот такой ужас.

На этом же кусочке, но уже притянутом струбциной получилось вот так. Процесс данный кстати показан на видео, которое будет в конце обзора.

Удовлетворившись наконец полученным результатом мне захотелось продолжить свои эксперименты в области шкатулкостроения, целью которых является создание какой-нибудь красотищи. Но путь этот надо сказать весьма труден и тернист.

После изготовления шкатулки-книжки я попытался подготовить чертежик под желаемые для себя размеры, но быстро понял, что хотя задача эта вполне себе выполнима, но вот затрачиваемое на это время ну совсем мне не понравилось.

Дело в том, что необходимо очень тщательно подходить к размерам всех деталек чертежа чтобы потом они и стыковались в нужных местах и не вываливались при этом, ну и все это плюс зависит от сложности самой конструкции. В общем повозившись пару дней, я понял, что лень в очередной раз победила и стал искать способы автоматизации данного процесса.

В среде людей, занимающихся вырезанием на мощных лазерных CO2-станках (от 40Вт) большой популярностью пользуется разработка чертежей в Corel Draw для которого существуют специализированные программы-макросы, способные строить различные чертежи коробочек по задаваемым пользователем параметрам. Встречаются как бесплатные так и платные разработки.

Задавшись целью создания красивой резной шкатулки, я быстро понял, что среди бесплатных программ ловить особенно нечего, так как практически все они заточены лишь на простые модельки коробочек. В результате поиска удалось натолкнуться на весьма хорошую разработку под названием «Конструктор Шкатулок».

Конструктор Шкатулок представляет собой макрос под Corel Draw для быстрого проектирования различных объемных конструкций из листового материала (в основном – дерева).
На специализированном форуме данному макросу посвящено , в котором сам разработчик принимает активное участие.

Кстати о разработчике, надо отдать ему должное, т.к. такого подробного и доступного для восприятия , я давно не видел. Достаточно его просто внимательно почитать и уже начинает складываться впечатление, что сам пользуешься этой программой пару недель. Далее я не буду подробно рассказывать, что и для чего предназначено в программе, т.к. сделать это лучше, чем уже описано в руководстве все равно не получится.

Выбрать макрос и списка и нажать кнопку «Run».

Если все сложилось как надо, то на экране появится вот такое окошко.

Для первого раза я решил попробовать сделать простую коробочку, но с открывающейся на петельках крышечкой. Для этого необходимо выбрать желаемый тип изделия из предложенного списка.

Делаем коробочку с крышечкой

Пройтись по вкладкам, заполнив поля с необходимыми размерами и кучей других параметров, характеризующих желаемое к созданию изделие.

После чего, возвратившись в первое окошко программы, нужно нажать на кнопку «Создать чертеж» и вуаля – получите/распишитесь «чертежик по индивидуальному проекту».

После этого я делаю экспорт в формат.bmp и обрабатываю чертеж как мне нужно. К примеру – заливаю его черным цветом для удобства резки.

Собирается все очень плотненько, пришлось даже прибегнуть при помощи небольшого молоточка.

Ну вот, настало наконец время замахнуться на что-то красивое и резное – приступаем к изготовлению шкатулки.

Делаем резную шкатулку

При всей своей предполагаемой сложности процесс создания чертежа не намного отличается от создания простой коробочки. В списке изделий выбираем резную шкатулку.

Так, например, из платиновых нитей диаметром 3…5 мкм можно изготовить решетки с поперечным размером более 10 см и периодом 1 мм. В этом случае общие потери но превышают 4 · 5 · 10 -3 =0.02, а коэффициент пропускания приемного измерительного преобразователя достигает 98%. Постоянная времени прибора не превышает 10 -3 с

Если в ПИП чувствительным элементом является термометр сопротивления, который непосредственно воспринимает оптическое излучение и в нем отсутствует конструктивно развитый приемный элемент, то такой ПИП традиционно называют болометром, а в качестве термометра сопротивления могут использоваться не только проволочные проводники, а и пленочные. Приемно-чувствительные элементы этих приборов часто помещают в вакуумированную оболочку И тогда их называют вакуумными. Глубокоохлаждаемые болометры, работающие при температурах жидкого азота и гелия, используют для измерения сверхмалых потоков излучения (эквивалентную мощность шума можно снизить до 10 -14 Вт · Гц -1/2) либо при стремлении достичь максимального быстродействия (субнаносекундный диапазон)

Калориметры, в которых тепловые процессы не приводят к изменению температуры калориметрического тела (т.е. Т K =T O =const ), ю называются изотермическими калориметрами, или калориметрами постоянной температуры. Принцип действия таких калориметров основан либо на использовании эффектов фазового перехода вещества и состоит в измерении количества калориметрического вещества (льда), перешедшего под действием поглощенной энергии лазерного излучения в другую фазу (воду) при температуре существования фазового перехода (0 °) (калориметры с фазовым переходом), либо на эффекте компенсации в самом калориметре выделенного излучением тепла за счет теплового эффекта с противоположным знаком (компенсационные калориметры и калориметры с предварительным подогревом). Следует отметить, что на практике такие приборы используются редко, за исключением калориметров с предварительным подогревом. В этих приборах калориметрическое тело предварительно (до поступления и ПИП измеряемого излучения) подогревается до некоторой стационарной температуры, превышающей температуру окружающей среды. При подаче лазерного излучения мощность подогрева вручную или автоматически уменьшают ты, чтобы температура калориметрического тела оставалась прежней. Поглощенная ч в калориметре мощность в этом случае равна изменению мощности подогрева. По такому принципу работает образцовый измеритель мощности лазерного излучения ОИМ-1-1, у которого мощность подогрева уменьшается вручную

Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении разрядов на гранях кристалла, перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленные поглощением излучении, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегистрированы. Входное сопротивление пироэлектрического приемника является почти чисто емкостным. Поэтому сигнал на его выходе может появиться только при переменном входном сигнале, что вызывает необходимость модуляции излучения при измерении пироприемником излучения

Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры d(D T)/dt чувствительного элемента, а не величине D T , не на которую реагируют тепловой приемники. Следствием этого является высокое быстродействие приемников (до 10 -8), в также высокая их чувствительность(10 -7 …10 -8 Дж), большой динамический диапазон работы (10 -8 …10 Дж) и широкий спектральный диапазон (0.4…10.6 мкм). Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от колориметрических ПИП(см. рис. 1.2), за исключением самого чувствительного элемента 2 , выполненного из пироэлектрика. Среди промышленных разработок измерения малых (до 10 -9 Вт/см 2) и сверхмалых (до 10 -12 Вт/см 2) потоков излучения наибольшее применение нашли пироэлектрические преемники на основе титаната бария, триглинсульфата и на основе керамики цирконат-титанат бария. Чувствительные элементы таких ПИП представляют собой плоскопараллельную пластину толщиной 20…100 мкм с нанесенными на обе стороны электродами. На облучаемую сторону пластины наносят поглощающее покрытие либо его роль выполняет полупрозрачный электрод. С помощью сравнительно несложной технологии чувствительные элементы можно изготавливать достаточно сложной формы с размерами приемной площадки от 10 -4 до 10 6

Обладая рядом преимуществ перед тепловыми преобразователями, пирозлектрические ПИП находят все более широкое применение для измерения энергетических и пространственно-энергетических параметров лазерного излучения

Фотоэлектрический метод.

Фотоэлектрический метод измерения энергетических параметров лазерного излучения основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни. В качестве фотоэлектрических ПИП используют фотоприемники (ФП), которые делятся на две группы: с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в испускании электронов под действием фотонов в вакуум, внутренний - в переходе электронов из связанного состояния под действием фотонов в свободное, т.е. в возбужденное состояние внутри материала. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми приборами. Энергия электромагнитного излучения в них непосредственно превращается в электрическую, которую затем измеряют. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта

Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал, осуществляемого фотоэлектрическим ПИП, можно записать в следующем виде:

I=I ФП +I Т =S l x P+I T (1.5)
где I - полный ток, протекающий через ФП, А ; I ФП - ток через ФП, вызванный падающим потоком излучения, А ; I Т - темновой ток, А ; S l - спектральный коэффициент преобразования, или абсолютная спектральная чувствительность ФП, А/Вт; P - мощность падающего на ФП излучения, Вт

Ниже кратко рассмотрены основные фотоэлектрические преобразователи, применяемые в средствах измерения мощности и энергии лазерного излучения

Фотопреобразователи с внешним фотоэффектом. Энергия фотоэлектронов, испущенных с поверхности катода под действием электромагнитного излучения, определяется выражением:

W=h n - w (1.6)
где n - частота излучения, Гц ; h - постоянная Планка, (h =6.63 x 10 -34 Дж x с); w - постоянная зависящая от природы материала фотокатода. Испускание электронов имеет место лишь в том случае, когда h n > w = h n О, где n О - пороговая частота, ниже которой фотоэффект невозможен. Длину волны l О =с/ n О называют длинноволновой (красной) границей фотоэффекта. Обычно коротковолновая граница фотопреобразователя ограничивается пропусканием входного окна ПИП

К фотоприемникам на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы: фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители,

Спектральный диапазон вакуумных ФП зависит от материала фотокатода. В настоящее время выпускаемые промышленностью ФЭ и ФЭУ перекрывают диапазон от УФ (0.16 мкм) до ближнего ИК излучения (1,2 мкм - для серебряно-кислородно-цезиевого катода). Абсолютная спектральная чувствительность ФЭ определяется следующим образом:

S l =Q ЭФ x l /1.24 (1.7)
где Q ЭФ - эффективный квантовый выход, l - длина волны излучения, мкм, S l меняется в зависимости от типа и конструкции прибора (10 -3 …10 -1 мА/Вт)

Динамический диапазон, в котором сохраняется линейность преобразования оптического сигнала в электрический, для ФЭ сравнительно большой. Нижний предел ограничен шумами и темновым током ФЭ, верхний - влиянием пространственного заряда и продольным сопротивлением фотокатода, В режиме непрерывного облучения нижний

предел может достигать 10 -14 А, верхний не превышает 10 -4 А. В импульсном режиме верхний предел может быть увеличен до десятков ампер

Шумы и темновые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней оптических сигналов

Современные сильноточные временные ФЭ позволяют получать время нарастания переходной характеристики (между уровнями 0.1 и 0.9 от максимального значения) порядка 10 -10 с

ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (диодной) системы. Если коэффициент вторичной эмиссии i-го диода s i , коэффициент сбора электронов g i , а m - число каскадов усиления, то коэффициент усиления ФЭУ:

(1.8)
абсолютная спектральная чувствительность ФЭУ:

где абсолютная спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ, определяемая аналогично по формуле (1.7)

Чувствительность ФЭУ может достигать ~ 10 5 А/Вт в максимуме спектральной характеристики. В обычных ФЭУ линейность сохраняется до десятков миллиампер, у современных сильноточных - до единиц ампер

При измерениях оптических сигналов большой мощности можно увеличить диапазон линейности ФЭУ для больших потоков частично используя динодную систему и снимая сигнал с промежуточных динодов. Нижний предел динамического диапазона ограничен шумами и темновыми токами ФЭУ, которые обычно составляют 10 -11 …10 -5 А. Быстродействие современных ФЭУ лежит в пределах 30...1 нс (1н=10 -9 с)

К ФП на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, МДП-фотоприемники и другие полупроводниковые ФП. Для измерения энергетических параметров излучения наиболее широкое распространение получили фотодиоды (ФД) и фоторезисторы (ФР)

Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заключающемся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых полупроводниках и диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления и соответственно к увеличению тока, протекающего через фоторезистор

Общее выражение для абсолютной спектральной чувствительности ФР может быть представлено в виде:

(1.10)
где e - заряд электрона; V - объем освещенности части полупроводника; Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта; m - подвижность фотоносителей; t - время жизни фотоносителей; l - расстояние между контактами; u - напряжение, приложенное к ФР

ФР различных типов перекрывают широкий спектральный диапазон(0.4…25 мкм); большинство из них требует охлаждения до температуры жидкого азота или жидкого гелия, что вызывает дополнительные трудности при их использовании в измерительной аппаратуре в качестве ПИП. Кроме того, они обладают большей инерционностью и невысокой чувствительностью, что также ограничивает их применение для измерений энергетических параметров лазерного излучения

Наиболее широкое использование для этих целей имеют германиевые и кремниевые фотодиоды. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через p-n- переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электрического тока в цепи. Фототок в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. Для измерения энергетических параметров излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием), так как при этом диапазон линейности и быстродействие гораздо больше, чем в фотовольтаическом режиме (без питания). Важное значение для работы всех ФП имеет согласование с электронной схемой

Абсолютная спектральная чувствительность ФД:

S l = t x g x Q x l (1- r)/1.24 (1.11)
где t - коэффициент пропускания окна прибора; g - коэффициент

собирания носителей; Q - квантовый выход; l - длина волны излучения; r - коэффициент отражения

В рабочем спектральном диапазоне абсолютная спектральная чувствительность составляет десятые доли А/Вт . Область спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов составляет 0.4…1.2 мкм (максимум около 0,85 мкм), германиевых - 0.3…1.8 мкм (максимум в области 1,5 мкм). Такие ПИП не требуют охлаждения. Темновые токи у кремниевых ФД примерно на порядок ниже, чем у германиевых и достигают 10 -5 …10 -7 А, а при специальной технологии изготовления - 10 -9 …10 -12 А. ФД обладают сравнительно низким уровнем шумов, что в сочетании с высокой чувствительностью делает, их ФП с низким порогом чувствительности. Это позволяет использовать ФД для измерений весьма слабых потоков излучения (до 10 -6 Вт)

Инерционность обычных полупроводниковых ФД составляет 10 -6 …10 -8 с, а временное разрешение Ge и Si лавинных ФД достигает 1…10 нс. ФД изготавливают с размерами фоточувствительной площадки примерно от долей мм до 10 мм, а лавинные ФД - до 1 мм

Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы (ФЭУ), так и полупроводниковые (ФР, ФД) . Для измерения малых потоков требуются приемники с высокой чувствительностью и низким уровнем шума. Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ. Однако ФД обладают низким уровнем шума. Это позволяет применять ФД для измерения малых потоков не непосредственно, а с помощью усилителя. В этом случае ФД вполне могут конкурировать с ФЭУ, а в ряде случаев и превосходить их по характеристикам

Основные преимущества ФД по сравнению с ФЭУ: небольшие габариты, низковольтное питание, высокая надежность и механическая прочность, более высокая стабильность чувствительности, низкий уровень шумов, лучшая помехозащищенность от электрических и магнитных полей

Недостатки ФД по сравнению с ФЭУ: меньшее быстродействие для большинства ФД, более сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора

Для измерения временных параметров лазерного излучения следует применять наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники - ФЭ, для измерения малых потоков - ФЭУ и лавинные ФД

Для измерения мощности лазерного излучения в непрерывном режиме могут быть использованы как вакуумные, так и полупроводниковые ФП, поскольку здесь не требуется их высокого быстродействия

Пондеромоторный метод

В пондемоторных измерителях энергии и мощности лазерного излучения используется эффект П. Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную металлическую или диэлектрическую пластину и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем

Для измерения давления излучения используют различные преобразователи: емкостные, пьезоэлектрические, крутильные весы на механическом и магнитном подвесе, механотроны. Первые два типа большого распространения не получили из-за малого значения коэффициента преобразования, малой помехоустойчивости и сложности системы отсчета и регистрации. Наиболее широко применяются крутильные весы - классический прибор для измерения малых сил. Схема устройства приведена на рис.1.. На растяжках или подвесе 1 укреплено коромысло 2 с приемным крылом 3, противовесом 4 и зеркалом 5, расположенным в вакуумированной камере. При попадании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении оптической мощности или энергии. Крючок 6 предназначен для крепления груза при калибровке весов (определения их момента инерции и жесткости подвеса)

Из решения уравнения движения крутильного маятника можно получить значение угла поворота a приемной пластины 3 при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P

(1.12)
где r - коэффициент отражения пластины; t - коэффициент пропускания входного окна камеры; l - расстояние от оси пучка излучения до оси вращения; j - угол падения излучения на пластину; c - скорость света; K - жесткость подвеса. Аналогичное выражение можно получитъ для максимального угла разворота пластины a max - под действием импульса излучения энергией W u:

(1.13)
где J - момент инерции вращающейся системы. Углы поворота отсчитываются на шкале 8 по отклонению светового пятна от лампочки 7 (рис. 1.4). При известных параметрах системы формулы (1.12) и (1.13) позволяют определить энергию и мощность излучения в абсолютных единицах

В настоящее время в конструкцию пондеромоторных измерителей введено много усовершенствований, которые позволили улучшить их эксплуатационные и метрологические параметры. Прежде всего оказалось возможным отказаться от вакуумирования и использовать атмосферное давление воздуха в камере. Применение в качестве приемных элементов прозрачных диэлектрических пластин вместо отражающих металлических позволило увеличить верхний предел изменения энергии излучения (до 10 4 Дж). Такие устройства позволяют измерять мощность лазерного излучения, начиная с единиц миливатт, и энергию импульсов в десятые доли джоуля

Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостный преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора. При повороте подвижной системы емкость конденсатора, а значит, и частота генератора меняются, изменение частоты измеряется частотным детектором. Чувствительность такой системы очень высока, но сама система громоздка и сложна в настройке и управлении

Другим способом реализации высокочувствительной системы отсчета является схема с двумя фоторезисторами, которые включены вместе с двумя постоянными резисторами в мостовую схему. В положении равновесия мост сбалансирован. При отклонении системы освещенность фоторезисторов меняется, мост разбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток, пропорциональный углу поворота, который регистрирует микроамперметр. Подобные системы индикации используются в гальванометрических фотоусилителях Ф117, Ф120, имеющих чувствительность около 0.1 А/рад, что позволяет измерять минимальный угол отклонения порядка нескольких угловых секунд

Увеличение чувствительности в пондеромоторных измерителях и улучшение развязки подвижной системы от толчков и вибраций достигнуты при помощи бесконтактного подвеса в магнитном поле (рис. 1.5). Подвижная система 1 с приемной пластиной 2, противовесом 3 и ферромагнитным якорем 4 подвешена в магнитном поле соленоида 5 внутри камеры. Ток соленоида регулируется специальной автоматической системой, состоящей из датчика 6, линейного 7 и дифференциального устройства 9. При изменении вертикального положения системы в ответ на сигнал датчика вырабатывается сигнал обратной связи, усиливающий или ослабляющий ток через соленоид и стабилизирующий положение системы. Поперечная устойчивость обеспечивается радиальным градиентом напряженности поля соленоида

Помимо крутильных весов для измерения используются механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемыми электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение одного или нескольких подвижных электродов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока

Рисунок 1 . 6 Схема устройства диодного механотрона

Отечественная промышленность выпускает ряд механотронных преобразователей, оформленных в виде обычных электронных ламп с октальным цоколем (6MXIБ, 6MXЗС и др.) и в миниатюрном оформлении с гибкими выводами (6MXIБ и т.п.). Конструкция этих механотронов показана на рис. 1.6. Сам механотрон представляет собой диод с плоскопараллельными электродами. В стеклянном баллоне 1 находятся неподвижный катод 2 с подогревателем 3 и подвижный анод 4, жестко соединенный со стержнем 5, который впаян в гибкую мембрану 6. Входной механический сигнал (сила F) подается на внешний конец стержня. При этом подвижный анод перемещается относительно неподвижного катода, что приводит к изменению анодного тока и выходного сигнала преобразователя, который для измерения включают в мостовые схемы

Чувствительность механотронов не превышает 10 мА/г (или по мощности 10 -9 А/Вт). Такое значение чувствительности при величине флуктуаций тока 0.1 мкА, вызываемых температурным дрейфом, толчками и вибрациями, дает возможность уверенно измерять давление непрерывного излучения более 1кВт. Если излучение промодули ровать так, чтобы подвижная система механотрона вошла в резонанс, нижний предел измерения может достичь 100 Вт. Поэтому механотронный преобразователь обычно применяют для измерения больших уровней мощности и энергии импульсов лазерного излучения, например непрерывного излучения мощных СО 2 -лазеров и импульсного на стекле с неодимом

Опыт, накопленный при разработке и эксплуатации различных типов измерителей энергии и мощности лазерного излучения, позволяет сделать заключение об областях применения, достоинствах и недостатках различных методов

К достоинствам теплового метода измерения энергетических параметров лазерного излучения относятся широкие спектральный и динамический диапазоны измерения, простота и надежность измерительных средств. В настоящее время в некоторых калориметрических измерителях достигнута наиболее высокая точность измерения, а при использовании пироэлектрических приемников излучения и быстродействующих термоэлементов и болометров удалось получить быстродействие до единиц наносекунд

К недостаткам теплового метода можно отнести малое быстродействие и чувствительность как раз тех тепловых приборов, которые обеспечивают наиболее высокую точность измерения

В приборах, основанных на фотоэлектрическом действии излучения, достигаются максимальная чувствительность и быстродействие; это позволяет использовать их в качестве измерителей формы импульсов и импульсной мощности вплоть до субнаносекундного диапазона. Недостатками таких приборов является сравнительно узкий спектральный диапазон и обычно невысокий верхний предел измерения мощности (энергии), а также большая погрешность измерений (5…30%) по сравнению с тепловыми приборами

Преимущество пондеромоторного метода - высокий верхний предел измерения энергии и мощности излучения при достаточно высокой точности абсолютных измерений. Основной недостаток - жесткие требования к условиям эксплуатации (особенно к вибрации) и, вследствие этого, ограничения к применению в полевых условиях

Измерение основных параметров импульса лазерного излучения

Как известно ряд активных сред в силу принципиальных или технических ограничений обычно работают в импульсном режиме генерации, Сюда в первую очередь относятся лазеры на самоограниченных переходах - азотный лазер, генерирующий в УФ диапазоне (l =337,1 нм), и лазер на парах меди, дающий мощные импульсы зеленого излучения (l =510,5 нм), Еще более широко распространены рубиновые лазеры и лазеры на неодимовом стекле, импульсный характер генерации которых обусловлен прежде всего особенностями системы накачки и охлаждения активной среды. И наконец, в некоторых наиболее ответственных случаях для повышения пиковой мощности излучения некоторые лазеры переводятся в режим управляемой генерации; при этом наиболее часто используются методы управления добротностью резонатора для получения так называемого гигантского импульса и синхронизации продольных мод с целью получения пикосекундных (правильнее - сверхкоротких) импульсов

В результате возникает задача измерения основных параметров генерируемого лазером импульса излучения. Очевидно, что наиболее простым было бы построение измерений по схеме получения абсолютной зависимости мощности излучения от времени P(t) с последующим извлечением из нее всех интересующих величин - обычно это пиковая мощность P u,max =P(t *) , энергия импульса

и его длительность D t. Однако точность таких измерений обычно невелика. Поэтому, как правило, разделяют измерение временных (Р max и t u ) и энергетических (W ) параметров, что кроме повышения точности получаемых результатов позволяет упростить сами измерения. При этом измерение энергии импульса проводится обычно с помощью калориметрического измерителя (см.1.1), обеспечивающего наибольшую точность, или фотодиода с последующим интегрированием фототока, а измерение зависимости Р(t) - с помощью фотоэлектронного приемника с высоким временным разрешением. Именно по такой схеме построены серийные приборы марок ФН и ФУ, рассчитанные на работу в диапазоне 0.4…1.1 мкм при энергии в импульсе 10 -3 …10 Дж и пиковой мощности 10 4 …10 8 Вт; при длительности импульса t u =2.5…5 x 10 -9 с и частотой повторения F < 1 кГц погрешность измерения энергии d E » 20%, а мощность около 25%

Анализ параметров импульса с помощью осциллографа.

Для измерения формы импульса и его временных параметров (в частности, длительность импульса t u , времен нарастания и спада и т.п.) используют быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой характеристики. К ним, в первую очередь, относятся специально разработанные во ВНИИОФИ коаксиальные фотоэлементы серии ФЭК, рассчитанные на нагрузку 75 Ом и напряжение питания 1000 В; их временное разрешение (собственная постоянная времени) колеблется в пределах от 10 -9 до 10 -10 с, и максимальный фототок от 1 до 7 А у разных марок, отличающихся конструкцией и типом фотокатода

Таким образом, вопрос об эффективном преобразовании светового импульса в электрический в первом приближении (по крайней мере для лазеров с "гигантским" импульсом) можно считать решенным. Для исследования формы полученного электрического импульса используются как обычные универсальные осциллографы с полосой пропускания до 10 7 Гц, так и специальные скоростные осциллографы с полосой пропускания 1...5 ГГц и чувствительностью ~ 1 мм/В. Последние обычно не имеют усилителя (вертикального входа), и сигнал в них подается непосредственно на верительные отклоняющие пластины, что и обеспечивает широкую полосу пропускания, но при низкой чувствительности к входному сигналу. Дальнейший анализ осциллограммы проводится по ее фотоснимку, а также при использовании ЭЛТ с длительным свечением люминофора или с накоплением заряда и последующим его многократным считывании

Ввиду плохой воспроизводимости параметров лазерных импульсов использование стробоскопических методов исследования не обеспечивает необходимой точности измерений и потому обычно не практикуется

Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов

Как указывалось в 1.1.2, наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники излучения имеют постоянную времени 10 -10 …10 -9 с, т.е. с их помощью можно надежно исследовать только "гигантские" импульсы, типичная длительность которых составляет 10 -8 с, а времена нарастания и спада могут быть значительно короче. Поэтому при исследовании временных зависимостей в случае наиболее коротких гигантских импульсов и, особенно, пикосекундных импульсов используют косвенные методы, основанные на применении временной развертки, используемой в электронных и оптических осциллографах. В настоящее время принцип сверхскоростной временной развертки реализован как на базе оптико-механической развертки с растрами (кинокамера типа "лупа времени"), Что позволяет зарегистрировать Набор малоинформативных двумерных изображений с частотой съемки 10 5 …10 8 кадр/с, так и на базе непрерывной одномерной (щелевой) оптико-механической развертки (щелевые фоторегистраторы) с временным разрешением от 10 -7 до 3 x 10 -9 с. Таким образом, использование оптико-механической развертки не позволяет сколько-нибудь существенно улучшить временное разрешение, обеспечиваемое малоинерционными фотоприемниками, но позволяет получить набор двумерных (например, распределение по поперечному сечению пучка) или одномерных (одномерное сечение пучка, спектр и т.п.) изображений, правда, только для излучения лазеров УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов, что определяется ограниченным спектральным диапазоном используемых фотопленок

Поэтому в некоторых случаях применяют электронную развертку одно- или двумерных электронных "изображений", поступающих с фотокатода (сурьмяно-цезиевого, многощелочного или кислородно-цезиевого, что оговаривается при заказе конкретного прибора) ЭОПа. В случае использования кислородно-цезиевого фотокатода "красная" граница достигает 1.3 мкм. Однако более существенным преимуществом используемых для высокоскоростной регистрации ОЭПов является значительное усиление яркости регистрируемого изображения - до (10 3 …10 8) х в многокаскадных (2…6) приборах; это важно при регистрации маломощных пикосекундных импульсов. В зависимости от электронной системы развертки можно получить 9…12 отдельных кадров (двумерных изображений) с временем экспонирования до 10 -9 …5 x 10 -13 с, что обеспечивается отдельным электронным затвором, расположенным обычно у фотокатода. Частота смены кадров, обеспечиваемая за счет синхронной работы двух взаимно перпендикулярных систем электростатического отклонения (всего пучка фотоэлектронов), гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики процесса генерации

По этой причине ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования только временных зависимостей интенсивности сфокусированного (монохроматическим объективом) пучка излучения пикосекундного лазера. Применяемая при этом одномерная (обычно линейная) развертка может иметь скорость до 10 10 см/с, что обеспечивает получение на выходном люминесцентном экране (Æ 40 мм) с разрешением от 5…10 лин/мм (в 5-6-каскадных ЭОПах) до 50 лин/мм (в однокаскадных) временной разрешающей способности 10 -11 с. Рекордная скорость одномерной (спиральной) развертки (6 x 10 10 см/с) достигнута в ЭОПе "Пикохрон-1" за счет использования на отклоняющих пластинах СВЧ-напряжения (l = 3 см);

соответственно при разрешающей способности (не экране) 5 лин/мм временное разрешение моют достигать 5 x 10 -13 с, что соответствует временным разбросам пролета электронов в пучке, и поэтому не может быть улучшено повышением скорости развертки. Характерно, что для обеспечения удовлетворительных яркости характеристик выходного сигнала (спирали на люминесцентных экранах) "Пикохрон-1" имеет шестикаскадную систему усиления, в результате чего яркость возрастает в 10 7 …10 8 раз по сравнению с исходной (но существенно падает разрешающая способность выходного "изображения")

Таким образом, вопрос исследования временных зависимостей генерации пико- и даже фемтосекундных импульсов лазерного излучения можно считать в первом приближении решенным. Однако сложность, высокая стоимость, громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания затрудняет в некоторых случаях практическое использование камер с оптико-механической и электронной развертками

Это одна из самых современных технологий, используемых не только на производстве, но и в небольших мастерских. Данный способ при правильном подборе вида оборудования подходит практически для всех металлов, позволяет делать обычную и художественную (фигурную) резку. Чтобы добиться хороших результатов, необходимо ориентироваться в технологиях и принципах работы этого оборудования.

Мощность лазера для раскроя металлических заготовок различной толщины

Резка лучом лазера термическая, дает возможность добиться точности, почти полностью исключающей необходимость в дальнейшей обработке. Чтобы повысить эффективность, применяются различные газы: кислород, углекислый газ, азот, водород, гелий, аргон. Выбор зависит от вида материала, толщины заготовки, планов по поводу последующей обработки. Если для раскроя требуется очень высокая температура, используется кислород. Для работы с цирконием или титаном подходит только аргон.

Любой лазерное оборудование состоит из:

механизма (системы), обеспечивающего подачу энергии;
тела, генерирующего луч (твердого, волоконного, в виде смеси газов);
зеркал (резонатора).

В твердотельное лазерное оборудование размещается диод и стерженек, изготовленный из рубина, неодима или граната. В волоконных лазерах элементом, генерирующим луч, (иногда и резонатором) служит оптическое волокно. В газовом оборудовании используются газы или их смеси. Мощность и сфера применения полностью зависят от вида оборудования:

твердотелые (для латуни, меди, алюминия и сплавов из него) – 1-6 кВт;

газовые – до 20 кВт;

СО 2 -лазеры (для любых тонких металлических заготовок) – 600-8000 кВт;
газодимамические – от 150 кВт.

Для резки металла мощность лазера 450-500 Вт (кроме цветных металлов, для которых требуется от 1 кВт). Наиболее эффективен этот способ при толщине заготовок, толщина которых не превышает 6 мм. При 20-40 мм лазерное оборудование применяется редко. Для металла большой толщины лазерная резка (от 40 мм) почти не встречается.

Зависимость мощности от толщины заготовки

Вид металла	Толщина заготовки (мм)	Мощность (Вт)
Сталь (легированная, углеродистая)




Сталь нержавеющая







Сплавы алюминия

Для обработки легированной и углеродистой стали в качестве вспомогательного элемента используется кислород, для нержавеющей стали – азот с давлением до 20 атмосфер. Цветные металлы и алюминий отличаются высокой теплопроводностью и низким уровнем поглощения лазерного луча. Для раскроя этих материалов используется твердотелый лазер, работающий в режиме импульсов.

Важно! Для резки металла толщиной 1мм выбор мощности лазера зависит от вида материала. Для стали достаточно 100 Вт, для титана необходимо 600 Вт.

Лазерный диод для резки металла

Лазерный диод для резки металла – полупроводниковый лазер, сконструированный по принципу p-n гомоструктурного диода. Полупроводником служит пластина, верхний слой которой создает n-области (отрицательную), нижний — p-область (положительную). Переход p-n сравнительно большой и плоский. Торцы по бокам служат резонаторами. Фотон, который движется перпендикулярно, отражается от торцов несколько раз, только потом сможет выйти.

В процессе прохода вдоль торцов создаются новые фотоны, излучение усиливается, начинается генерация луча. В момент выхода он сильно расходится, поэтому собирается линзами. Лазерные диоды для резки металла с большой мощностью (10 микрометров) дополнительно излучают углекислый газ (CO 2).

Важно! Оборудование этого типа отличается повышенной производительностью, сравнительно низкой стоимостью

СО 2 лазер (углекислый) для раскроя металла

Углекислые лазеры обладают характеристиками, делающими их идеальными для раскроя в промышленности. Первое — длинные инфракрасные волны, идеальные для нагрева. Второе — высокая эффективность (от 30%). Использование углекислого газа делает срез более гладким (если сравнивать с оборудованием со стекловолокном). Расширяется сфера применения, инвестиции быстро окупаются.

Недостаток СО 2 лазер для резки металла – необходимость в оптических зеркалах, оснащенных сапфировыми элементами и золотом. Кроме того, этот вид оборудования требует высокого электрического разряда на этапе формирования луча. Для резки металла (нержавеющей стали, алюминия) толщиной 2 мм достаточно мощности 160 Вт, если применяется лазер этого типа. При повышении мощности до 200 Вт можно резать листы толщиной 3 мм.

Активная среда состоит из смеси углекислого газа, гелия, неона. В зависимости от того, какая для резки металла нужна мощность лазера, может добавляться ксенон или водород. Пропорции тоже меняются, исходя из требований к свойствам луча, но объем СО 2 не превышает 20%. На рынке доступно оборудование этого вида с мощностью 1 кВт, 3-5 кВт и 10 кВт.

Длина волны лазера для резки металла

На поглощение материалом лазерного луча существенно влияют качества волны: длина и спектр. Длина волны лазера для резки металла полностью зависит от вида материала. Если рассматривать волоконный лазер, то один его узел создает луч с волной 1 мкм (миллимикрон). Если требуется более длинный луч, используется сумматор, объединяющий лучи нескольких модулей. Показатели твердотелых моделей отличаются мало – длина волны так же 1 мкм. Эти виды лазеров являются идеальным вариантом для резки практически всех видов металлов (даже благородных). Для резки металла (нержавейки) 20 мм мощность волоконного лазера – от 2 кВт.

В углекислых лазерах длина волны достигает 10,6 мкм, что создает более высокую плотность на обрабатываемой поверхности. Этот вид оборудования применяется для раскроя стекла, древесины, стеклопластика, демонстрируя высокое качество резки даже при большой толщине.

При выборе оборудования мало изучить технические характеристики: тип излучателя, мощность, длину волны, точность и качество реза. Важно точно определить требования конкретного производства. Мощность лазера для резки металла (например, нержавейки) толщиной 3 мм не может быть ниже 500 Вт. В противном случае снизится производительность, материал будет перегреваться. На первый взгляд может подойти СО 2 -лазер требуемой мощности. Но в данном случае необходимо учесть длину волны, которая не совсем подходит для металлических заготовок.

Совет! Чтобы не ошибиться, перед покупкой необходимо все точно рассчитать или посоветоваться с квалифицированным специалистом.

Total: 0
Вконтакте0
Google+0
ОК0
Facebook0