Calcular, ajustar y modificar un laser

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Como en el otro hilo empezado, pienso, que es mejor de separar las cosas y hacer un hilo nuevo.

Antes de todo:
Un láser NO es un jugete. El láser puede dañar los ojos, quemar muy profundu hasta los huesos y depende de longitud de onda puede causar quemaduras debajo de piel.
Muchos de este daños son ireparable y pueden (en caso de YAG-láser) hacer necrosis sin notar (a este puedes murir, es una quemadura en ejemplo de periostio).

Trabajar con un láser encendido para ajustar tiene que ser siempre al potencia mínimo, con ropa de protección y gafas de protección.
Siempre, y yo digo siempre!, si trabajas con el láser abierto, tienes que poner gafas de seguridad. Sí, son caros, más para YAG, pero el luz de ojos es insustituible.
Las gafas tienen que ser cerrado por los lados tambíen, que no puede entrar luz por ni un lado.

Aquí los dos gafas que tengo yo, sirven para YAG (1024nm) y CO2 (10,4µm):




y aquí un enlace, dónde pueden comprar muy económico: http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=762

Ojo con las gafas de plástico que se venden por muchos sitios muy baratos! Estos son solo para láser-pointer, no para láser de corte!

Vale - ya empesamos con un poco de teroria. He copiado mi mensaje del otro hilo a aquí:



Calculamos un láser común de 100W chinos.
Que datos tenemos?

longitud de onda= 10,4µm
potencia nominal: 100W
Beam-Quality: M²>=1.25 (depende de la marca)
Beam-diámetro en la salida: 1.9mm

Ya tenemos al mínimo 3 espejos. Este son normalmente en los láser baratos de cristal con una superficie reflexivo muy fino.
Este espejos reflejan solo entre 89 y 93%. Así, despues de los espejos quedan aprox. 70W. Este podemos notar, si despues de uso del láser tocamos un espejo y notamos que esta bastante caliente.

Potencia entrada al lente: 70-80W
longitud focal de la lente: 70mm (puede variar depende del modelo, hay entre 50 hasta 150mm)
Eficiencia lente: depende de modelo 95%
Potencia salida del lente: 66,5-76W

Calculamos ya el diámetro del focos:
Spot Dia = (1.27*f*L*M²)/Beam Dia = 0.60mm

La densidad en el focos: en el óptima 268W/mm²

Ya vemos, que influye el diámetro del focos.
=> que más grande el Beam del láser que más pequeño el focos
=> que más corto la longitud focal que más pequeño el focos
=> que más pequeña el longitud de onda que más pequeño el focos
=> que mejor la calidad del Beam que más pequeño el focos

Los dos últimos no podemos cambiar, pero los otros dos si.

Calculamos mi láser de 40W.
longitud de onda= 10,4µm
potencia nominal: 40W
Beam-Quality: M²>=1.25 (depende de la marca)
Beam-diámetro en la salida: 2.3mm

espejos molibdeno, 25,4mm: 98,5%
Beam-Expander 5x, eficiencia: 98.2%
lente, 25.4mm, F=54mm, eficiencia 98.8%
potencia nóminal despues del óptica: 37W (solo 3 W perdidas)
Beam-Diámetro despues del expandir: 11.5mm

Spot Dia = (1.27*f*L*M²)/Beam Dia = 0.0775mm

La densidad en el focos: en el óptima 8479W/mm²

Y ya? El láser de 40W tiene 31,5 veces más potencia en el punto focal que el láser de 100W.

Pero como puede ser?
Directamente despues de la salida de el rayo del láser esta una óptica que se llama Beam-Expander. En este entra el rayo y sale 5x más gorda. Así tenemos 11.5mm.
Con este diámetro más gordo la densidad de energía en los espejos es menos, suciedad y defectos en la superficie noo molestan tanto. Además los espejos de molibdeno son masizo de este material y tienen una eficaz más alto. En suma tenemos mucho menos perdidas, solo 3W.
Pero solo este no aumenta tanto la potencia. Tenemos un lente con longitud focal más corta, 54mm y además un diámetro mucho más gordo en la entrada del lente.
Así sale un pinto focal mucho más pequeño.

Pero cuidad: Una cosa no hemos visto hasta ya: la longitud focal, el talle.
Para que es importante?
El rayo del láser solo en el punto focal es tan potente y pequeña. Cerca a la lente esta más gorda, y más lejo del punto focal también.
Así tenemos una zona al alrededor del punto focal con bastante densidad de energía - y solo en este zona podemos cortar el material.
La mitad de energía tenemos todavía en un diámetro 1.4x gordo.

Longitud de la talle (DOF)
La longitud DOF es la distancia entre los dos puntos que tienen él diámetro 1.4x más grueso que el punto focal.
El ejemplo del láser de 100W:
DOF= 2.5*L*(f/Beam-Dia)² = 35mm

Así tenemos un rango de 35, sobre la energía esta casi igual y el corte esta limpio. De materiales blandas, como espumas etc. podríamos cortar hasta una altura de 30mm sin problemas.

El ejemplo del láser de 40W:
DOF= 2.5*L*(f/Beam-Dia)² = 0,57mm

Ahí ocurre otra cosa: La talla solo esta casi 0,6mm. No podemos cortar cosas más gordas si necesitamos la entera potencia. Pero para metalles finos, en ejemplo de acero de 0,5mm va bien.
Si no necesitamos la potencia y no molesta la calidad de corte, podemos cortar también materiales más gruesos.

Pero mejor que si tenemos una óptica con cambiador de lentes. Así depende de necesitad podemos elegir la lente correcta, como en la fresadora la fresa.

Un ejemplo todavía tengo:
Tengo un láser ND-YAG de fibra de 60W de potencia.
Probamos que pasa con este láser:
Potencia: 60W
longitud de onda: 1064nm
diámetro de beam: 5mm
calidad M²: <1.05
Lente: f=54mm

Si calculamos este, tengo un diámetro en el focos de 0,016mm, un DOF de 0,31mm y und densidad de energía de 290512W/mm², sí, son 290kW/mm².
Así vemos muy bien comó se cambian los parametros :-)

Calculador online

Ya empezamos con los materiales, tipos de láser etc.

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Empezamos con los tipos de láser. Los dos más comunes para grabar y cortar son los de CO2 y de YAG-ND.

Miramos primero a los de láser tipo YAG.

El Ytrio es un cristal, que hace luz de láser si cargamos con un luz infrarrojo. Hay diferente sistemas, en ejemplo con lamparas y un cristal, o con LEDs.
Aquí un dibujo, para entender mejor:
http://weber-stempel.de/files/trotec/images/ndyvo4_yttrium-vanadat-infografik.png

Por la longitud de onda, que solo es 1064nm, que es casi luz visible, podemos aprovechar materiales como las fibras para transportar el luz.
Aquí os dejo unos fotos de un láser YAG-ND de 70W, cargada con 24 diodes láser de 5W:

Por el cable negro sale el luz y al final tenemos un Beam-Expander (colimador):

Miramos dentro. Aquí vemos unos de diodes láser que cargan al final una fibra dotada con ytrio. De esta fibra sale el láser final.

Este es una de los diodes láser de 5W:

Aquí vemos la salida de fibra, para tener una imaginación que pequeña es, he puesto mi dedo pequeño al lado.

En este dos medidores se miden la potencia y los rayos de reflexión. Más tarde hablamos de este.

Y en esta caja en el medio esta la fibra dotada con yitrio, dónde se hace el luz de láser.


Vale - ya hemos visto un laser de YAG de dentro.
Que ventajes tiene un laser de tipo YAG?

Un láser de fibras tiene su suministro de luz por un cable, en el caso de arriba de 5m. Al final tenemos un colimador que viene directamente al sistema óptica. Así todo el camino de luz esta cerrado, no puede salir luz indeseada, ni puede suciar algo. La calidad de láser esta muy muy bueno, casí mejor que M²<1.05.
Así podemos concentrar el focos a unos puntos muy finos para soldar metales, grabar metales, etc. Por la calidad de los rayos tambíen podemos soldar o cortar a larga distancia.
El consumo eléctrico es muy poco, la eficaz del láser es muy alto. Para una salida de 70W necesitamos solo unos 200W de entrada.

Pero el luz de este láser es casí visible, así no podemos cortar cristal, metacrilato, ni un tipo de material que es transparente.
Por eso el luz no se puede bloquear por un cristal o placa de metacrilato. El luz entra en los ojos, y que es más malo, la lente de ojo hace el foco directamente a la retina.

Láser de tipo CO2:

Este tipo de láser es el más económico (por ahora).
Hay tres tipos, que están interesante para nosotros.
El modelo RF, tubo cerrado.

El fabricante de este tipos más conocido es Synrad.
Este tipos de láser CO2 son muy buenos, tienen una vida muy larga, tienen una alta eficaz (entre los tres tipos de CO2), no necesitan mantenimiento.
Su potencia está entre 5W hasta 100W, en pulsos hasta 400W.

El modelo abierto
Para alta potencia es necesario de renovar el gas siempre. Este tipos de láser tienen una potencia de 300W hasta 10kW o más. Su uso normalmente es para la industría para cortar metales u otro materiales. Este láser necesitan un mantenimiento muy alto, para cambiar filtros, espejos, lentes, necesitan siempre una mezcla de los gases de He, CO2 y N2 muy limpio.


El tubo CO2 cerrado
Este modelos se usan entre 2W hasta 200W. Son muy económicos, no necesitan mucho mantenimiento, pero tienen una muy corta vida. Normalmente entre 500 y 2500 horas.
Y, este modelos tambien pierden su tiempo de vida sin usar. Pq?
El vidrio, los lentes y los accesos de electrodos no son 100% cerrado. El gas que esta dentro puede salir por el tiempo. Además el gas se descomponerse por el uso, especial por alta temperatura.
Los espejos y electrodos se calientan y es necesario de enfriar bien con agua fria.
La calidad de el rayo no esta muy bien, normalmente entre M²=1.15 hasta 1.3, el diámetro depende de modelo y esta entre 1.8mm hasta 4mm.


Este tipos de tubos conocemos de los láser chinos también.
Pero hay mucho diferencia en este tubos, la calidad del vidrio, calidad de espejos etc. No cada tubo es igual.

Ya sabemos más o menos los tipos de láser, que usamos para nuestros trabajos. Pero con el luz que sale de los láser no podemos hacer nada directamente.

Tenemos que mirar a los componentes ópticas.
Los monturas

Los espejos, lentes, ventanas y otras partes ópticas tenemos que fijar con una montura. En los láser chinos hay algunos:



Como podemos ver, son muy mal de fabricación, los espejos están cubierto por la mitad y seguro que hacen defectos a los mismos para fijar dentro.
No son muy estables, si son montado por una chapa tan fino. Cada vibración de motores tenemos en los espejos.




Este dos monturas para espejos o lentes son mucho más rubusto, puedes ajustar muy fino, no hacen vibraciones, los espejos se montan por los cantos, no cubren ni un milímetro de superficie.
Que más estable las monturas y que menos vibraciones en el camino de luz que más fino está al final el punto focal, que más limpio los cantos del corte.

Los espejos



Estos son los lentes y espejos que usan los máquinas de láser chinos. Los espejos son un vidrio con una capa muy fina dorada, que es el espejo.
Os dejo una foto de un espejo chino despues de usar aprox. 1h:


Este foto he hecho con mi microscopo. Todos los puntos dentro de la superficie están seguramente quemaduras por el polvo. No era sucio grave, que vez directamente con tus ojos, solo polvo fino. La superficie se calienta mucho y come la capa dorada. Ya solo tienen una eficaz de 40% :-)

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Vale, para que este nunca pasa, tenemos que hacer dos cosas:
1. usar espejos de calidad y eficaz. Pq no tenemos mucho potencia y no gastamos en calor por todos los sitios.
2. encajar los elementos ópticas y/o usar aire de bloqueo.

Para cada tipo de láser (longitud de onda) hay diferente materiales para espejos, lentes y ventanas.

Hay diferente tipos de espejos para CO2.
1. Cobre pulido con capa de oro duro. 98.5%, Muy delicado, pero económico, bien para alta potencia.
2. Cobre pulido con capa dielectrico, 99.5%, más caro, mejor eficaz, muy bien para alta potencia.
3. Silicio pulido con capa de plata y/o capa dielectrico de plata.
4. Molibdeno, pulido. 98.5%, muy robusto, para alta potencias (60kW/10mm)

A mi me gustan los espejos de molibdeno. Este metal tiene unos ventajas: Es duro y es buen conductor de calor.
Así bien para el hobby. Y sí es sucio solo tenemos que limpiar, con alcohol. No podemos romper ni una capa fina, pq no tiene. Solo es el metal pulido.

Y que son ventanas? Una ventana es algo, por que puedes ver sin molestias - así tambíen el láser. Para CO2 es el material ZnSe, que tiene una transmisión de casí 99.5%.
Así hacemos una caja, dentro el espejo y para la entrada y salida un disco de ZnSe, la ventana. Así nunca puede entrar sucio, vapor de corte, polvo...

Si no queramos hacer con ventanas, hacemos una caja y conectamos un tubo de aire a preción. No falta mucho preción, solo un poco, que no entra el sucio.
Así tambíen podemos proteger los espejos.

Que tamaño de espejos necesitamos? Vale, los elementos ópticas tienen una apertura. Este es la zona dónde puede pasar el luz de láser sin efectos segundarios.
Este apertura esta normalmente 90%. Si el rayo de luz tiene un diámetro de 12mm, por un espejo de ángulo de 45°, necesitamos 18,8mm, por eso elegimos al mínimo 20mm.

Ya sabemos algo de los espejos. Al final de este hilo os dejo unas enlaces, dónde pueden comprar el material.

Las lentes



Este es una lente de los chinos. Despues de uso de poco horas. Por la temperatura y el polvo se ha quitado la capa antireflectante.

Hay tambíen para lentes diferente materiales, pero el único que está bien es el ZnSe, que permite con una capa antireflectante casí 99.5% de transmisión.
Así la lente no se caliente y tampoco tenemos perdidas.

Tambien necesitamos protejer la lente contra polva, gases corrosivas, sucio en general. Si cortamos metales tambíen tenemos que protejer contra chispas.
Para el lado del material usamos una boquilla fina y ponemos aire a presión. Por supuesto este aire que usamos en los parte ópticas nunca puede tener aceite o humedad.
Si en ejemplo la humedad se condensa en la lente los resuidios del agua ensucian la lente y se va a romper.
Por el lado de entrada a la lente podemos usar una ventana o bien aire.
El diámetro de la apertura de la lente tiene que ser al mínimo el diámetro del diámetro del rayo.

Las lentes tienen varias longitudes focal. Para cortar o grabar materiales diferentes tenemos cambiar las lentes, como en la fresadora la fresa.
Pero el rayo del láser sale del tubo muy fino del diámetro. Con este no llegamos al resultado deseado. Necesitamos un

Beam-Expander

[kilgore]

TecnoWorld, muy profesional, ademas de dominar la materia, la compartes !Muchas gracias! Seguiré este hilo con muchísima atención.

[TecnoWorld]

Y yo pensaba que a nadie interesa el tema - vale.

[frajagal]

Muchas gracias por la gran explicacion.

Un saludo

[Mig-29]

Gracias por usar tu tiempo en enseñar lo que sabes 

[carpin]

Muchas gracias Ingolf, muy interesante ese hilo

[jmllosa]

Claro que nos interesa , y solo podemos aplaudir  ,  ahora si puedes pon algunos enlaces donde comprar el material para mejorar estos cacharros chinos, lentes , espejos, etc, que mi pobre laser debe estar muy chamuscado ya.

saludos, jOse.

[alberttoy]

Muchas gracias por tu tiempo.
Es muy interesante empiezo a comprender la gran variedad de precios que hay por ahí.

[jmllosa]

si, hay precios que acojonan, jejeje, yo hace poco he pedido precio para un laser de c02 de 200w, para cortar inox de 2mm, y solo el cabezal valia 45000€ , aparte habia que meter la unidad de enfriamiento y no se que mas gaitas, cuando me dijeron el precio tuve un cortocircuito cerebral y deje de entender que decian, solo queria salir corriendo, jajajaja. opte por el plasma, infinitamente mas barato para esos menesteres.

[doscajuan]

Hola Tecnooworld: Muchas gracias por compartir, y ayudarnos a comprender algo de ese mundo tan complejo pero a la vez muy interesante.
Trabajé varios años  en una empresa en la que había varios, unos de corte y otros de grabación y aquello para mi era un misterio, parecía magia.
Gracias.

[TecnoWorld]

Vale, aquí os dejo un video, como puedes cortar con un láser de 40W acero:

https://youtu.be/kOMPdnGivAg

Es chapa de 0.25mm, pero igual - corta bien y limpio. Y NO he instalado un BeamExpander - solo he puesto espejos y lentes correctos y ajustado todo bien.

[Mig-29]

Gracias compañero por compartir conocimientos.

[kilgore]

Pues a mi tienen que haber cosas que se me escapen, tengo un láser de 90w, hasta el momento con todo a las mejores calidades que comentas, perfectamente ajustados y no  he podido cortar chapa, me gustaría  mejorar la maquina en lo que fuera necesario y espero tus consejos “Como agua de mayo”.
Muchas gracias TecnoWorld...