Diyod Pompalı Lazerlerle Markalama, Oyma ve Kaynak İşlemleri
İÇERİK · Giriş · Flash Lamba ile Amplifiye Edilen Lazerler · Diyod Pompalı Lazerler · Temel Fiziksel Prensipler · Diyod-Pompalı Lazerlerin Avantajları · Sonuç
Giriş
Markalama, Oyma ve Kaynak uygulamalarına kazanılım olarak görülen büyük nitel ve teknik avantajlar bütün endüstriyel üretim sektörleri tarafından çok iyi bilinmektedir. Lazer teknolojisine olan eğilim büyümeye devam etmekte ve beraberinde, geleneksel olarak diğer üretim teknikleri için ayrılmış olan uygulamaları kapsayan yeni lazer çözümleri yaratılmaktadır. 35 yıl önce lazer teknolojisinin hayatımıza girişinden bu yana, diyod pompalı lazer sistemlerinin buluşu, lazer dalga teknolojisinin üretilmesindeki en önemli gelişim olma özelliğini korumaktadır. Bir diyod lazer pompası tarafından içerilen Neodyum doyrulmuş Yitriyum Aliminyum Garnet veya kısaca Nd:YAG Kristal Silindiri aktif elemanının kullanımı uzanca zamandır bilinen bir tekniktir. Ancak, son yıllarda dünya piyasalarında diyod pompaların maliyetlerinin düşürülmesi ve yüksek performanslı diyodların geliştirilmesi sonucu bu yöntemde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Öncelikli bir mesele olarak, geleneksel Flash lambası tarafından pompalanan YAG lazer ile yeni jenerasyon diyod pompalı lazerler arasındaki çok önemli farklılıkları anlamamız yerinde olur.
Flash Lambası Tarafından Amplifiye Edilen Lazerler
Şekil 2 de, Nd:YAG Kristal Silindiri, pompa kaynağı ve düşük bir amplifikatör ( mesela optik yansıtıcı) gibi bir kazanç oluşumundan meydana gelen geleneksel bir lazer sisteminin taslağı sunulmaktadır. Böyle bir sistem tarafından üretilen lazer gücü direk olarak absorbe edilen ve sonradan ışın yaratımının elektro-optik dönüşüm sürecinde tüketilen enerji miktarı tarafından belirlenmektedir.
Diyod Pompalı Lazerler
Özellikte lazer markalama sektöründeki diyod laser pompasının kullanımıyla yaratılan devrimi anlamamız için bir flash lambalı lazer tarfından üretilen ışığın farklı renklerini temsil eden dalgaları ve lazer ışınını üreten elektro-optik dönüşüm sürecinin doğasını temsil eden temel fiziksel prensiplerle aşina olmamız gerekmektedir. (Bknz Şekil 3)
Temel Fiziksel Prensipler
Bir ND:YAG lazer kristalini pompalamak için kullanılan flash lambası tarafından üretilmiş ışık spekturumunun analizi, farklı dalga boylarından meydana gelen bir yelpazeyi ve dolayısıyla beyaz renkte görünen bir ışığı üretmek için birbirine karıştırılan renkleri içermektedir. Ancak, sadece 0.808 mikron büyüklüğündeki dalga boyuna sahip bir ışık gücü YAG kristal silindiri içerisinde matrix şeklinde dağılmış Nyodinium atomlarını harekete geçirebilecek uygunluktadır. Diğer bütün dalga boyları silindire ısıdan başka hiç bir şey getirmiyeceği gibi, ısı bir lazer ışınının yaratılımında her hangi bir amaca hizmet etmez. Ancak ısı, lazer ışın yayılımının kalitesini etkiler ve bu yüzden ısı ejanjörleri, pompalar, filtreler vb gibi ekipmanlarla donatılmış kapalı devre di-iyonize su soğutma sistemininin kullanımını gerektirir. Genel olarak, bir flash lambanın optik dönüşüm çıktısı, lamba/lambaları besleyen elektrik gücünün %2 si ile %3 ü arasındadır. Geri kalan %97 ile %98 lik bölüm su soğutma sistemi tarafından sistemden atılır. Diyod pompa evrimi, “Bir diyod lazer önceden tanımlanan ve modülasyon kabiliyetine sahip bir dalga boyuna haiz monokromatik bir ışık kaynağından oluşur.” gerçeğine dayalıdır. Öyleki, bir diyod lazer sadece 0.808 mikron büyüklüğündeki bir dalga boyuna sahip ışığı üretecek şekilde ayarlanabilmektedir. Böyle bir pompalama kaynağına sahip nd:YAG silindiri pompalayarak, optik dönüşüm çıktısı ve lazerleme etkisi %30 ile %40 lık bir aralık içerisinde şimdiye kadar duyulmamış değerlere yükselir.
Diyod Pompalı Lazerlerin Avantajları
Şekil 04 diyod pompalı lazer sisteminin en açık avantajlarını özetlemektedir. · %2 ile %3 den başlayan ve %15 ile 40 değerlerine ulaşan daha yüksek elektriksel çıktı. · Düşük elektrik güç tüketimi · Düşük bakım gereksinimi:Her 600 ile 1000 saatlik kullanım süresi sonunda lambalarının değiştirilmesi zorunlu olan flash lambalı lazerlerle karşılaştırıldığında diyod pompalı lazerler genelde minimum 12,000 saatlik bir çalışma ömrüne sahiptir. (Çalışma ömrünün dahada artırılmasına yönelik çalışmalar halen devam etmektedir.) · Düşük Lazer kaynak boyutları: Düşük boyutlar, diyod pompalı lazerlerin konvansiyonel ünitelere oranla çok daha düşük bir çaba ile üretim hatlarına entegrasyon sürecini kolaylaştırmışır. · Diyod pompalı lazer sistemlerinin mimarisi, M² gibi lazer emisyon mod kalitesini geliştirme amacıyla sürekli olarak evrimleşiyor. Yukarıda bahsettiğimiz avantajlara ve artan çıktı gücüne ek olarak, şunu unutmamalıyız ki, diyod pompalama, filash lamba lazeriyle mümkün olmayan lazer resonator mimarisine izin vermektedir.
Side Pumping - Şekil 5
End Pumping - Şekil 6 ve Şekil 7
Yandaki şekil 8 ile temsil edilen resim lazer ışınının diklik modu kalitesiyle ilgilidir. Bu yeni lazer rezonatör mimarisinin geliştirilmesindeki amaç gerçek tekli mod lazer ışını şeklinde maksimum yoğunluğu elde etmektir. Yani, diğer bir değişle, bir lazer ışınının lazeri terk eden ortalama güçle alakalı olarak muhtemel en düşük M² ye sahip olmasıdır. Düşük bir değerdeki M², lazer ışınının yüksek bir güç yoğunluğuyla daha düşük bir odaklanma noktası yaratarak “Ideal Gaussian Tekli Mod Işına” nekadar yaklaştığını gösterir. Lazer markalamada bu konsept çok önemlidir çünki markalanacak olan malzeme üzerindeki sonucu belirleyen lazer enerjisini (her bir atıştaki jul değeri) ve odak noktasında meydana gelen her mm² deki güç yoğunluğunu temsil eder. O zaman, dikey mod kalitesi şartlarını göz önünde bulundurmadan sadece ortaya çıkan ortalama güç şartlarına bağlı olarak lazer markalamayı tartışmak bizlere tam bir tablo çizemez. Lazer ışını “Tekli Mod”, “Düşük Sıra Modu” veya Gaussian olarak nitelendirilebilir. Belkide “düşük M² değerine sahip” denilebilir. Bütün bu tanımlayıcı terimler benzer iyi ışın kavramını ve böylece ışını ufak bir odak noktasına düşürme kabiliyetini ifade etmek için kullanılabilir.
Şekil 9 yukarda tanımlanan konsepi basit bir şekilde göstermektedir. Şimdi biri diğerine gore daha sivri bir uca sahip 2 çiviyi tahta bir plaka üzerine çakmaya çalışan bir insan düşünelim. Ucu kör olan çivi, bu durumda daha ağır bir çekice, sivri olan ise daha hafifine gereksinim gösterecektir. Örnekten anlaşılabileceği gibi, daha düşük bir odak nokta boyutuna sahip bir lazer ucu sivri bir çivi gibidir. Daha düşük bir lazer gücü ile bile, ortalama ışın kalitesine ve daha büyük bir odak noktası boyutuna sahip olan daha güçlü bir lazere göre daha büyük bir güç yoğunluğu yaratabiliriz.
Sonuç
Diyod pompalama süreci şimdi lazer mimarisinin dizaynında daha büyük bir özgürlüğe izin vermektedir. Diyod teknolojisine sahip “Side Pumping” ortalama %15 ile %20 lik bir elektro-optik verimle yüksek güç çıktıları üretmesine rağmen , Multi-Mod ışın tipleri üreterek klasik bir flash lamba tarafından üretilene oldukça benzer tipte ışın kalitesine yol açar. Bu lazer mimarisini kullanarak, 40 watlık ortalama ışın kalitesinde YAG yaratmak için 200 watlık diyod gücüne gereksinim duyulacaktır. Ancak “End Pumping” tekniği, artan ışın kalitesi ve son derece ufak nokta boyutlarıyla %10 dan %40 akadar elektro-optik verimliliği artırmaktadır. Bu lazer mimarisini kullanarak, düşük modda ve oldukça agresif 12 watlık YAG lazer elde etmek için sadece 30 watlık güce ihtiyaç duyulacaktır. Çok düşük M² ve 5, 10 veya 20 watlık güçlere sahip yeni jenerasyon end pumping diyod pompalı lazerler yanlışlıkla veya çok yüzeysel bir şekilde endüstriyel uygulamalar için çok zayıf olarak analiz edilebilir. Aksine, yüksek ışın kalitesi ve küçük odaklanma nokta boyutu göz önüne alındığında bu lazerler endüstriyel standartlar dahilinde yüksek performans sergilerler. Kompak boyut ve ılımlı güç tüketim avantajları sayesinde bu lazerler endüstriyel uygulamalar için idealdir. Bu veriler ışığında, diyodu her 10,000 veya 15,000 saatte bir değiştirme maliyeti, lazerin düşük enerji tüketimi ve yüksek elektro-optik verimliliği sayesinde büyük ölçüde telafi edilmektedir. Düşük güç ihtiyacı ve end-pumping mimarisine sahip yeni diyod pompalı lazerlerin gelişi, daha önceden mürekkep püskürtme, elektro-kimyasal, nokta vuruş ve diğer konvansiyonel methotları kullanan markalama ve oyma endüstrilerinde yeni lazer uygulamalarının doğuşunu desteklediği açıktır. Uygulama rahatlığı, kullanım kolaylığı ve düşen fiyatlar, endüstriyel standartlar içerisinde, lazer uygulamalarının sadece kullanıcı hayali ile sınırlanabileceği bir ortam doğurmuştur. Saygılarımızla, MARKALAMADÜNYASİ