Industriell laserskärmaskin

En laserskärare fungerar genom att rikta en högenergiljusstråle med mycket liten diameter vertikalt ner på ett ark eller en platta av material för att skära den till en 2-dimensionell profil genom att flytta lasern i X- och Y-riktningarna längs maskinbädd. Denna stråle smälter eller brinner genom materialet i ett mönster som bestäms av en uppsättning datorgenererade instruktioner som kallas G-kod. En högtrycksström av gas används ibland för att blåsa ut det smälta materialet från botten av materialet som skärs. Denna process görs för att avfallsmaterialet inte ska stanna kvar i det skurna området och stelna efter att balken har gått vidare. I andra fall förångar laserstrålen helt enkelt materialet. Metoden för att generera laserstrålen skiljer sig åt mellan olika tekniker, men i princip följer de alla stegen nedan:

Steg 1: Generering av G-kodfil
Innan någon skärning utförs måste G-koden genereras för skärjobbet. G-kod är en uppsättning maskinläsbara instruktioner som talar om för maskinen vart laserskärhuvudet ska flyttas. Operatören kan generera instruktionerna för hand för enkla former. Mer komplexa former kräver CAM-programvara (computer-aided manufacturing) för att automatiskt generera denna G-kod från en medföljande CAD-fil (computer-aided design). Denna G-kod måste sedan skickas till maskinen via en Wi-Fi-anslutning eller med en USB-enhet.

Steg 2: Generering av laserstrålar
Laserstrålen genereras inuti resonatorn. Olika lasertekniker använder olika medier för att generera lasern. Fysiken för strålgenerering är dock densamma för de olika laserteknologierna.
När en elektron stimuleras av en foton absorberar den sin energi för att flytta till ett högre energitillstånd. En exakt mängd energi från en foton krävs för att energisätta en elektron till ett specifikt energitillstånd. Denna process är känd som stimulerad absorption.

Elektronen kommer att sönderfalla till en lägre orbital efter en mycket kort tidsperiod. Detta förfall orsakas av små fluktuationer i kvantvakuumet som gör att det faller tillbaka till ett lägre energitillstånd. Vid sönderfall kommer den att avge en foton. Denna process är känd som spontan emission.

Spontan emission av en foton kan inte användas för att skapa en laserstråle eftersom de emitterade fotonerna kommer att vara osammanhängande när de rör sig i slumpmässiga riktningar. De kommer också att falla ner till marktillståndet för snabbt. Lasrar kommer runt detta problem genom att använda material med ett metastabilt tillstånd. Denna process gör att elektronen kan förbli i ett semi-exciterat tillstånd under längre tid jämfört med tidsskalan involverad med spontan emission (dvs. millisekunder vs. nanosekunder).

När en foton interagerar med en redan exciterad elektron i dess metastabila tillstånd kan det få elektronen att falla tillbaka ner i en orbital med lägre energi. När elektronen gör detta frigörs en foton med samma egenskaper som den foton som först störde den (dvs samma frekvens, fas och polarisation). Denna process kallas stimulerad emission och är den mekanism som används för att skapa en laserstråle. När processen väl startar, orsakar det att en kaskad av fotoner frigörs som sedan färdas ner i röret.

Steg 3: Laserförstärkning
När den inledande fasen av spontan emission inträffar kommer fotonerna att skjuta iväg i slumpmässiga riktningar. Vissa kommer dock att vara vinkelräta mot de två speglarna på vardera änden av lasermediet. Denna situation skapar två ljusvågor (en färdas åt vänster och en färdas åt höger i mediet) som skapar en stående våg bestående av konstruktiv och destruktiv interferens. När dessa stående vågor produceras kallas detta för resonans. Ljusets intensitet ökar till den punkt där den halvreflekterande spegeln släpper igenom lite ljus och genererar en koherent stråle av laserenergi. Det återstående ljuset fortsätter att reflekteras i lasermediet för att fortsätta den stimulerade emissionen av fotoner. Olika laserteknologier producerar lasrar med olika våglängder.

Steg 4: Strålriktning och fokusering
När strålen lämnar lasermediet efter förstärkning, riktas den antingen genom en fiberoptisk kabel (i fallet med en fiberlaser) eller via en serie speglar (för CO2- och Nd:YAG-lasrar). Strålen riktas ner i arkmaterialet genom en lins som fokuserar laserenergin till en mycket liten diameter för att skapa en lokaliserad högenergipunkt. Observera att lasern bara har en enda fokuspunkt med hög intensitet; hela strålen har inte samma skärintensitet. Skillnaden i intensitet är anledningen till att laserskärare är begränsade i tjockleken på material de kan skära, eftersom laserintensiteten sjunker över och under fokuspunkten.

Steg 5: Materialskärning
När strålen har fokuserats kommer den att börja smälta eller förånga materialet. När det gäller icke-smältande material, som trä, kommer lasern att bränna igenom materialet. Med metaller kommer laserstrålen att smälta materialet, och en högtrycksstråle av gas kommer att blåsa bort det smälta materialet från snittet. Gasen kan antingen vara inert kväve eller argon eller så kan det vara syre som används för att påskynda skärprocessen av stål.