Scatti di una testa laser vista dall’interno
I laser sono ovunque intorno a noi. Dal mondo industriale (automotive, utensileria, oleodinamica, elettrodomestico), a quello medico a quello estetico, oggi i laser vengono utilizzati praticamente in ogni ambito perché sono versatili e in grado di effettuare diverse lavorazioni: taglio, saldatura e marcatura laser, rimozione dei tatuaggi, interventi agli occhi, depilazione eccetera.
Naturalmente, i laser non sono tutti uguali e, in base all’applicazione, si sceglie quello più adatto con la sorgente più consona alla finalità.
I laser si classificano in cinque categorie:
Inoltre, questi cinque tipi di laser possono essere suddivisi in sottocategorie in base alla loro modalità di funzionamento: laser a onda continua e laser pulsato. Inoltre, ci sono anche diversi tipi di laser pulsati. Lo stesso laser a fibra dedicato alla marcatura può avere la durata dell’impulso variabile (versione MOPA) per marcare le plastiche senza sbavature e bruciature. Prima di approfondire le diverse tipologie di laser, definiamo che cos’è un laser e come funziona.
Un laser è un dispositivo che genera luce sotto forma di raggio laser. Un raggio laser è diverso da un raggio di luce in quanto i suoi raggi sono monocromatici (un unico colore), coerenti (della stessa frequenza e forma d’onda) e collimati (che vanno nella stessa direzione). I laser forniscono queste “informazioni perfette”, ideali per applicazioni che richiedono un’elevata precisione. In questo articolo abbiamo parlato della Storia del laser, da Einstein a Gordon Gould. Andiamo a vedere tecnicamente i componenti di un laser. In un laser troviamo tre componenti principali:
La fonte di energia pompa la luce in un medio attivo (il medio attivo è la risultante dall’emissione stimolata di fotoni attraverso transizioni elettroniche o molecolari a uno stato di energia inferiore da uno stato di energia superiore precedentemente popolato da una sorgente). Varia a seconda del tipo di laser. Potrebbe essere un diodo laser, una scarica elettrica, una reazione chimica, una lampada flash o altre tipologie.
Il medio attivo emette un raggio di luce di una lunghezza d’onda specifica quando eccitato dalla luce. Si dice che sia la fonte del guadagno ottico. I laser prendono in genere il nome dal loro mezzo di guadagno. In un laser CO2, ad esempio, il mezzo di guadagno è il gas CO2.
Il risonatore amplifica il guadagno ottico attraverso specchi che circondano il mezzo di guadagno. Questi includono specchi sfusi nei laser a stato solido, sfaccettature tagliate o rivestite nei diodi laser e riflettori Bragg nei laser a fibra.
Il laser Nd: YAG è stato introdotto sul mercato quasi 30 anni fa ed è forse quello più famoso e conosciuto del settore. Questo a causa della grande quantità di applicazioni che copre. Originariamente questi laser erano pompati da lampade. Successivamente si sono evoluti, sostituendo le lampade con i diodi. I sistemi basati su diodi sono robusti con un eccellente vita attesa. Un vantaggio dei laser Nd: YAG è la qualità del raggio laser. Ciò è dovuto alla ridotta dimensione dello spot. Questo, associato agli impulsi brevi, produce un’elevata potenza di picco che può essere utile nell’incisione profonda con segni nitidi e chiari e caratteri piccoli.
Il laser vanadato può emettere a tre diverse lunghezze d’onda: 1064, 532 (verde) e 355 nm (blu). I laser Vanadati sono anche pompati a diodi e sono particolarmente adatti per il processo di ablazione e per le applicazioni di zone interessate dal calore. Uno dei maggiori campi di applicazione del laser vanadato sono le Marcature Day&Night. In questo caso il laser rimuove il rivestimento superficiale del componente (solitamente sono pulsanti interni delle automobili) esponendo la superficie sottostante con l’indicatore funzionale.
Essendo questi pulsanti retro-illuminati, il loro effetto è quello che conosciamo tutti sulla pulsantiera dello stereo, dei finestrini, dell’aria condizionata.
Con l’avvento del laser a Fibra, c’è stata una vera rivoluzione nel mondo del laser e della marcatura. Il laser a fibra è diventato il centro di ogni applicazione ed è stato testato e perfezionato per adattarsi a quasi tutte le richieste del mercato.
La sua efficacia è notevole soprattutto nella marcatura laser dei metalli.
Una cosa da tenere a mente è che la potenza di uscita di tutti i laser a stato solido si degrada nel tempo, ma è possibile calibrare il sistema per mantenere la stessa potenza nel laser del giorno in cui ha lasciato la fabbrica. Ciò consentirà al laser di mantenere la stessa qualità e velocità del segno del giorno in cui è arrivato ed è stato messo in produzione.
La lunghezza d’onda del laser a Fibra è di 1064 µm, con un diametro focale estremamente piccolo. Questo porta a un aumento dell’intensità, che è 100 volte maggiore rispetto a quella dei laser a CO2, a parità di potenza media d’uscita.
Un raggio gaussiano ha un M² di 1 e consente di avere uno spot più piccolo in relazione alla lunghezza d’onda e all’ottica utilizzata. La migliore qualità del raggio possibile nei sistemi di marcatura laser Nd: YAG e vanadato ha un M² di 1.2. I sistemi basati su fibra hanno in genere un M² valore di 1,7. Questo significa una dimensione dello spot maggiore e una minore densità di potenza. Una migliore qualità del raggio è sinonimo di linee più sottili, contorni più nitidi, maggiore velocità di marcatura (per la maggiore densità di potenza) e incisione più profonda.
I laser YAG e vanadato sono molto diversi dal laser a fibra per quanto riguarda la potenza di picco e la gamma di frequenza di ripetizione dell’impulso. La durata dell’impulso può essere regolata nel caso sistemi in Fibra particolari quali il laser MOPA.
Il Laser industriale a CO2 è un laser in cui una corrente elettrica viene inviata attraverso un gas per generare luce attraverso un processo noto come inversione di popolazione. Esempi di laser a gas includono laser ad anidride carbonica (CO2), laser elio-neon, laser ad argon, laser al krypton e laser ad eccimeri.
I laser a gas sono utilizzati in un’ampia varietà di applicazioni, tra cui olografia, spettroscopia, scansione di codici a barre, misurazioni dell’inquinamento atmosferico, lavorazione dei materiali e chirurgia laser.
I laser a CO2 sono probabilmente i laser a gas più conosciuti e sono utilizzati principalmente per la marcatura laser, il taglio laser e la saldatura laser. LASIT, con il FlyCO2, realizza marcature su materiali organici quali legno e bambù, particolarmente utili nel settore Promozionale.
Il laser a stato solido è un laser il cui mezzo attivo è un cristallo o un vetro drogato con ioni, differenziandosi così dal laser a coloranti che usa un colorante organico, solitamente in soluzione liquida, come mezzo di amplificazione della luce, e dal laser a gas, in cui viene prodotta una scarica elettrica attraverso un gas opportuno (ad esempio elio-neon) per produrre la luce coerente.
Un laser a fibra è un tipo speciale di laser a stato solido che è una categoria a sé stante. Un laser a fibra è un dispositivo in cui “il mezzo di guadagno attivo è una fibra ottica drogata con elementi di terre rare come erbio, itterbio, neodimio, disprosio, praseodimio, tulio e olmio”.
Le proprietà di guida della luce della fibra ottica sono ciò che rende questo tipo di laser così diverso: il raggio laser è più piccolo rispetto ad altri tipi di laser, il che lo rende più preciso. I laser a fibra sono anche rinomati per il loro ingombro ridotto, buona efficienza elettrica, bassa manutenzione e bassi costi operativi.
I laser a fibra sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui la lavorazione dei materiali (pulizia laser, testurizzazione, taglio, saldatura, marcatura), medicina e armi a energia diretta. In questo articolo parliamo dei vantaggi del laser a Fibra per la marcatura laser, mentre in questo articolo approfondiamo la differenza tra un laser a Fibra e la sua versione a durata di impulso variabile (MOPA).
Oggi il laser a fibra è quello più utilizzato per le applicazioni di marcatura e incisione laser. Questo perché ha un effetto duraturo e di alta qualità su tutti i metalli e su quasi tutte le plastiche. Con questa tipologia di sistema siamo anche in grado di garantire marcature nerissime e senza riflesso, richieste soprattutto in ambito medicale (per ragioni di sicurezza) e in ambito Home appliance e Gioielleria (per ragioni estetiche).
Un’altra tipologia di laser che si distingue per la durata del suo impulso è il laser Picosecondo. Con il FlyPico riusciamo ad ottenere delle marcature nerissime ad alto contrasto e senza riflesso. Questo è particolarmente utile nel mondo medico (per ragioni di sicurezza) e nel mondo home appliance e gioielleria (per ragioni estetiche).
I laser liquidi utilizzano un colorante organico in forma liquida come mezzo di guadagno. Sono anche conosciuti come laser a colorante e sono utilizzati nella medicina laser, nella spettroscopia, nella rimozione delle voglie e nella separazione degli isotopi.
Uno dei vantaggi dei laser a colorante è che possono generare una gamma molto più ampia di lunghezze d’onda, rendendoli buoni candidati per essere laser sintonizzabili, il che significa che la lunghezza d’onda può essere controllata durante il funzionamento.
Nella separazione degli isotopi laser, ad esempio, i laser sono sintonizzati su specifiche risonanze atomiche. Vengono quindi sintonizzati su un isotopo specifico per ionizzare gli atomi, rendendoli neutri anziché caricati negativamente o positivamente. Vengono quindi separati con un campo elettrico, ottenendo quella che viene chiamata separazione isotopica.
Un diodo laser (o LD, da Laser Diode in inglese) è un dispositivo optoelettronico in grado di emettere un fascio laser emesso dalla regione attiva del semiconduttore con cui viene realizzato il dispositivo stesso. La struttura del semiconduttore è molto simile a quella impiegata nella realizzazione di LED (Light Emitting Diode).
Un diodo laser, come molti altri dispositivi elettronici, è composto da materiale semiconduttore drogato presente su uno strato molto sottile sulla superficie di cristallo. Il cristallo viene drogato per produrre una regione di semiconduttore di tipo n e una regione di semiconduttore di tipo p, una sopra l’altra, per ottenere una giunzione PN, cioè un diodo.
Come in altri tipi di diodi, quando la struttura viene polarizzata direttamente, le lacune provenienti dalla regione p vengono iniettate nella regione n, dove gli elettroni sono i portatori maggioritari di carica. Analogamente, gli elettroni dalla regione n sono iniettati nella regione p, dove le lacune sono i portatori maggioritari. Quando un elettrone e una lacuna sono presenti nella stessa regione, possono ricombinarsi per emissione spontanea, cioè l’elettrone può rioccupare lo stato energetico della lacuna, emettendo un fotone con un’energia uguale alla differenza tra gli stati dell’elettrone e della lacuna coinvolti.
Questi elettroni e lacune iniettati rappresentano la corrente di iniezione del diodo, e l’emissione spontanea dà al diodo laser sotto la soglia laser proprietà simili a un LED. L’emissione spontanea è necessaria per iniziare l’oscillazione laser, ma è causa di inefficienza una volta che il laser è in oscillazione.
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