Импульсный и постоянный лазеры: я ль на свете всех белее?

Когда-то всех любопытных мальчиков интересовал один архиважный вопрос — кто кого заборет: Робокоп Терминатора или наоборот. Те мальчики уже давно стали взрослыми дядями-инженерами, но вопрос не изменился. Он просто перешел в более практическую плоскость, но не растерял футуристичности: космическими лазерами уже давно никого не удивишь, но некоторые способы их применения продолжают вызывать детские эмоции.

Особенно странное впечатление оставляют самые эффектные их представители — аппараты лазерной очистки. К сварке и резке лазером все давно привычны, но инженер, впервые увидевший чистящий аппарат в действии, ведет себя как сибирский старовер, до которого впервые добрался геолог. Отшельника не удивили радиоприемник с телевизором, так как он вырос на сказке про «яблочко на золотом блюдечке». Зато его поразил полиэтилен:"Ишь ты… стекло, а мнется!«.

Но после wow-эффекта от процесса работы аппарата лазерной очистки инженер поражается во второй раз, уже из-за странного несоответствия в ценах между аппаратом с постоянным и с импульсным источниками излучения. Поскольку эта разница существенная, то неопытный человек склоняется к покупке дешевого и большого ящика. Тем более, что это решение подтверждается поросшей мхом уверенностью, что постоянный лазер намного мощнее импульсного. Такой странный вывод делается из банальной надписи «на борту» аппарата: на большом постоянном ящике указано 3000W, а на маленьком и импульсном — жалкие 500W. При этом маленький ящик нередко бывает дороже большого в три раза!

Необходимо развенчать некоторые заблуждения, связанные с лазерной техникой. Начнем с самого устойчивого и старого из них — мощности, так как с лазерами принцип «сила есть, ума не надо» становится дважды ироничным.

Мощность и потребление

На корпусе аппарата всегда указана средняя мощность лазерного излучения. Для постоянного лазера она же и является рабочей. А также это показатель, на который полезно ориентироваться при оценке реального потребления электричества. Для всех типов современных абляционных устройств такая оценка примерно одинакова: умножайте среднюю мощность на 3, и вы получите грубую оценку прожорливости аппарата. Уже это может смутить тех, кому понравился 3-х киловаттный ящик — его сложно напрямую запитать даже в простом гараже.

При этом компактное устройство с импульсным лазером обеспечивает всплеск мощности в 5, 10 и иногда даже больше раз выше средней. При этом именно пиковая энергия импульса является рабочей: на самом деле лазер с прожорливостью домашнего компьютера и с блоком питания всего лишь в 500W вполне способен выдать 5 кВатт реальной мощности луча! Стоит вспомнить безумные Ватты PMPO на китайских аудиосистемах: на наклейке много чего можно написать, а там…

И это только первый слой заблуждений и рекламных обманок.

Последствия химической атаки

Мощность постоянного лазера имеет одно свойство, которое инженеры-нехимики постоянно упускают из виду, хотя оно очень важно. Если вам необходимо очистить поверхность металла от краски, пластика, эмали или ГСМ, то придется это делать на улице или, как минимум, обзавестись приличным респиратором. С некоторыми видами краски даже противогаз не поможет. А заодно хорошо иметь под рукой углекислотный огнетушитель.

Постоянный лазер излучает мощность постоянно, поэтому пламя, гарь и вонючий дым вам обеспечены тоже постоянно. Поверхность не успевает остыть, поэтому весь процесс чистки будет сопровождаться горением и испарением. Теперь представьте, что под лучом у вас пластик с азотом или хлором в составе: почти все органические соединения с азотом ядовиты, а уж хлор сам по себе первое в мире боевое отравляющее вещество.

В это же время импульсный лазер таким недостатком почти не обладает, так как прогрев происходит только в фокусе луча. Окружающее пространство не прогревается.

Если вы еще не успели обжечь легкие хлором, то вас ждут две неприятности попроще, напрямую затрагивающие качество обработки: местное оплавление, если, конечно, вы его вовремя заметите за дымом, и осаждение продуктов горения от сажи до ржавчины прямо в расплав шва — постоянный лазер этим грешит.

Но если с оплавлением можно было бы легко справиться, но там где дым, там идет конденсирование, причем в том числе из плазменного облака. Ржавчина наполовину состоит из атомов металла подложки, поэтому внутри плазмы полно атомов в виде радикалов. Физические свойства радикалов не отличаются от свойств атомов в виде элемента. Это значит, что под воздействием постоянного излучения лазера плазма начинает активно отражать луч, а дым — поглощать. И плазма, и дым постоянно меняют форму, в то время как энергия луча поступает постоянно, хаотично отражаясь и теряя около половины энергии. Предугадать и даже как-то повлиять на процесс практически невозможно, но в любом случае это чревато резким охлаждением зоны очистки и, как результат, активному оседанию ржавчины прямо в шов, образованию каверн из-за неравномерного охлаждения и комков неравномерной эвтектики… Ждать от такого шва не то чтобы упругости, а даже банальной прочности проблематично!

Именно поэтому результат чистки постоянным лазером выглядит значительно грубее, как будто после обычных абразивных выскребов.

Микрометр против градусов

Нужно понимать, что задача абляционного аппарата — чистка, а не разогрев сверхновой звезды и себя, любимого. Но именно бездумный постоянный луч с нерегулируемой мощностью фактически перерабатывает подаваемое электричество в тепло, причем повсюду: от самого аппарата до обрабатываемой поверхности. До рабочего поля доходит не более 30% энергии в лучшем случае. То есть ваш воображаемый в мечтах аппарат преобразовывает 3 кВт в полезную энергию луча, но это означает, что одновременно он тратит на обогрев Вселенной, то есть впустую в воздух, целых 7 кВт! Для сравнения: прикосновение зимой к прозрачному стеклу уличного однокиловаттного прожектора гарантирует ожог ладони. Показания счетчика электричества окончательно испортят воображаемую картину обладания этим чудо-аппаратом.

В свою очередь импульсный лазер передает 70% энергии лучу. Раскачка внутри рабочего тела лазера теряет только 30% энергии, что как минимум в 2 раза упрощает и облегчает систему охлаждения по сравнению с постоянным лазером. Кроме экономии электричества кардинально уменьшается и вес всего аппарата. Этим и объясняется, что корпус импульсника не впечатляет своими исполинскими размерами, но зато потом радует кошелек.

Каждый импульс минимум в 3 — 5 раз мощнее среднего рабочего уровня энергии постоянного лазера при одинаковых энергиях подпитки, то есть работает избирательнее и мощнее за счет кратковременности. Обычно импульсные абляционные аппараты «снимают» около 1 мкм слоя ржавчины и загрязнений за проход. Поэтому, если вы не обрабатываете прецизионные или ювелирные изделия, вам не приходится слишком следить за тем, как долго луч сфокусирован на одном и том же месте — даже сотня микрометров не испортят тонкий червячный привод для DVD-привода. А если все же обрабатываете, то лучше сразу забыть о постоянных лазерах, которые за один раз могут удалить 0,1 мм, что недопустимо даже для стальных заготовках для автопромышленности!

Импульс есть импульс: его длительность гарантирует, что обрабатываемый участок в фокусе луча успевает прогреться до +1600 ℃, но окружающий материал даже не начнет прогрев. Температура обрабатываемой подложки меняется не более чем на 3 — 5 ℃. А это означает, что кроме металлов импульсный лазер может обрабатывать даже легкие и горючие пластики без риска оплавления.

Более того, постоянным лазером, конечно, руку себе не отрезать, но это действительно опасная вещь. Чтобы заметно обжечься импульсным аппаратом, нужно прицельно светить на руку 5 — 10 секунд. А это очень долгое время.

Погрузка-разгрузка

Счастливые обладатели редко перед покупкой обращают внимание на этот момент, но жалеют позже, когда уже поздно — система охлаждения у лазера должна быть мощной для всех типов. При этом очевидно, что постоянный лазер требует куда более серьезного теплоотвода, чем импульсный. При этом типы охлаждения: пассивный, воздушный или жидкостный совершенно не важны. Жидкостный разве что усложняет даже поверхностный ремонт. Но охлаждение всегда увеличивает объем корпуса аппарата и от души добавляет лишние килограммы.

Лучше всего исходить из расчета, что каждый киловатт может добавить от 10 до 20 кг «лишнего» веса для аппаратов уровня «любитель». «Средние» устройства уже потянут на размер туристического чемодана на колесиках — это условные 500 Вт. Но ящик на колесиках в полцентнера весом уже не покажется мобильным. Однако все познается в сравнении: импульсный аппарат в 100 Вт размером в кирпич и весом в два кирпича вполне выдает импульс в 1 кВт, что с кряхтением под силу постоянному лазеру весом в центнер-полтора!

Подведем баланс

Мы не ставили специальные эксперименты, но наш рабочий опыт подсказывает, что общие оценки выглядит примерно так:

Импульсные 21 звездочка все же лучше 16-ти постоянных. С арифметикой спорить бесполезно.