Fiber laser và Disk laser là 2 giải pháp của cùng một vấn để. Cả 2 đều phát triển lên từ laser thể rắn (solid state laser) khác với laser thể khí (laser CO2). Nhược điểm của laser thể rắn là chất lượng của chùm tia laser bị giới hạn bởi vấn đề về phát nhiệt trong thanh Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet – Thanh Nhôm pha tạp đất hiếm). Khi chiếu ánh sáng kích thích vào thanh Nd:YAG. Nó sẽ phát ra ánh sáng laser, người ta gọi là laser thể rắn do được phát ra từ tinh thể chất rắn.
Laser Nd: YAG được bơm bằng đèn flash có chất lượng chùm tia hạn chế. Do thấu kính nhiệt của thanh Nd: YAG. Hiệu ứng thấu kính này là do đường dốc nhiệt độ trên mặt cắt ngang của thanh Nd: YAG. Hiệu ứng thấu kính sẽ giảm nếu nhiệt độ trên khối lượng của vật liệu hoạt tính đồng nhất hơn.
Bước đầu tiên trong hướng này được thực hiện bằng cách thay thế đèn flash bằng các thanh diode. Phát ra ánh sáng trong một dải nhỏ hơn nhiều nên chúng sẽ bơm hiệu quả hơn. Và do đó ít nhiệt được tạo ra trong thanh phát laser. Bước tiếp theo là thay đổi hình dạng của thanh này. Vì nhiệt cần phải được thoát ra khỏi bề mặt của vật liệu hoạt tính. Người ta có thể chọn một hình học với tỷ lệ bề mặt / thể tích tăng lên so với thanh truyền thống (kích thước điển hình: đường kính 9 mm, chiều dài 150 mm).
Có hai giải pháp: Một là làm giảm đường kính và tăng chiều dài, dẫn đến giải pháp fiber laser. Hai là tăng đường kính và giảm chiều dài, dẫn đến Disk laser.
Vậy Fiber laser là gì?
Fiber laser là sợi cáp quang trộn với các nguyên tố đất hiếm như. Erbium , ytterbium , neodymium , dysprosium , praseodymium , thulium và holmi. Khi có ánh sáng kích thích từ các diode laser các nguyên tố đất hiếm sẽ phát ra tia laser ngay trong sợi cáp quang. Và được dẫn thẳng đến đầu cắt laser mà không cần qua các gương phản xạ như đối với laser Co2. Cho nên người ta gọi là Fiber laser là vì tia laser được tạo ra trong sợi fiber.
Nói cách khác Fiber laser là một biến thể của laser thể rắn chuẩn. Với môi trường phát laser được bọc trong một sợi quang học chứ không phải ở dạng thanh (như laser thể rắn). Ánh sáng laser được phát ra bởi các nguyên tố đất hiếm trong lõi trung tâm của sợi quang. Và cấu trúc lõi có thể từ đơn giản đến phức tạp. Một yếu tố quan trọng đối với fiber laser là sợi quang có tỷ lệ bề mặt / thể tích lớn để nhiệt có thể dễ dàng tiêu tán.
Disk laser là gì?
Để khắc phục nhược điểm của laser thể rắn, Disk laser được phát triển. Trong đó, thay vì một que tinh thể có tỷ lệ bề mặt và thể tích thấp. Một đĩa tinh thể rất mỏng được sử dụng làm môi trường làm mát. Đĩa tinh thể thường chỉ dày vài trăm micron, nhưng có đường kính nhiều milimet. Được phủ ở một đầu với một bề mặt phản chiếu và được gắn vào bộ tản nhiệt. Độ dày của đĩa rất nhỏ, tiếp xúc với một tản nhiệt lớn. Và thực tế là đường kính của nguồn ánh sáng laser được sử dụng để bơm tinh thể lớn hơn nhiều so với độ dày của đĩa. Do đó, hiệu quả làm mát có thể đạt được. Nhiệt độ trục này làm giảm hiệu ứng thấu kính nhiệt ở mức tối thiểu, do đó tăng cường chất lượng chùm tia tốt.
Ngoài ra, mức bơm (và do đó mức công suất của tia laser được tạo ra) có thể được điều chỉnh thông qua sự thay đổi đồng thời mức công suất bơm. Và diện tích đĩa được bơm. Điều này có nghĩa là tinh thể có thể được bơm ở cường độ không đổi. Bất kể mức công suất, nâng cao hơn nữa chất lượng chùm tia. Chùm tia laze được tạo ra theo trục trong đĩa laser có thể có chất lượng chùm rất cao. Tia laser sau đó cũng được dẫn bằng cáp quang đến thẳng đầu cắt. (Sợi cáp quang này chỉ đơn giản là dẫn tia laser từ nguồn phát đến mỏ cắt, nó khác với sợi cáp quang của fiber laser)
VẬY CÂU HỎI ĐẶT RA LÀ CÁI NÀO TỐT HƠN ? FIBER LASER HAY DISK LASER ?
Thực tế có rất nhiều loại tia laser, nhưng chỉ có một vài loại được sử dụng rộng rãi. Fiber laser ra đời khá sớm từ năm 1961. Tức là chỉ một năm sau khi tia laser đầu tiên được phát minh vào năm 1960. Thời gian đầu fiber laser có nhiều hạn chế do công suất nhỏ, mãi đến năm 2008 mới trở nên phổ biến và được thị trường đón nhận. Có rất nhiều nhà sản xuất Fiber laser như. IPG, Profin của Đức, SPI của Anh, sau nay còn có Raycut và Maxtronics của Trung Quốc…
Disk laser được hãng Trumf của Đức phát triển vào năm 1991. Đây là giải pháp độc quyền của Trumf. Nên ngoài Trumf ra người viết chưa từng nghe có nhà sản xuất khác sản xuất Disk laser.
Một điều thực tế là cả hai giải pháp Fiber laser và Disk laser đang cùng tồn tại song song. Mỗi giải pháp đều có ưu và nhược điểm riêng khó mà nói cái nào tốt hơn cái nào. Tuy rằng các tín đồ của Fiber laser thì ca ngợi fiber laser và chê Disk laser và ngược lại. Cũng giống như để cho fan của Samsung và Apple ngồi lại với nhau. Thì thế nào cũng xảy ra ẩu đả mà không bên nào chịu bên nào.
Về mặt cấu tạo thì Fiber laser có cấu tạo đơn giản hơn Disk laser rất nhiều. Nhưng Disk laser có thể mở rộng công suất dễ dàng hơn so với Fiber laser. Có nghĩa là Disk laser có thể làm được nguồn laser có công suất cao hơn fiber laser.
Về chất lượng chùm tia laser thì theo lý thuyết fiber laser có chất lượng chùm tia cao hơn Disk laser. Nhưng Disk laser có giải pháp chống tia phản xạ tốt hơn Fiber laser.
Còn đây là thực tế mà người viết đã cắt trên một số vật liệu bằng nguồn fiber laser của IPG và nguồn Disk laser (TruDisk) của Trumf:
- Khi cắt thép tấm (sắt): Đường cắt của IPG mượt hơn so với Trumf. Nếu chấm điểm về độ mượt đường cắt nếu IPG 10 điểm thì Trumf được 8 điểm.
- Khi cắt inox, nhôm thì đường cắt của nguồn Trumf mượt hơn so với IPG. Nếu Trumf 10 điểm thì IPG 8 điểm.
- Khi cắt kim loại màu như đồng, thau…hoặc các vật liệu phản quang thì Disk laser trở nên vượt trội hơn hẵn so với Fiber laser. Với cùng công suất Disk laser cắt được độ dày gấp 2 – 3 lần và độ mượt đường cắt cũng tốt hơn so với Fiber laser. Nếu Trumf được 10 điểm thì IPG được 5 điểm.
- Disk laser có thể cắt được phi kim như mica, gỗ… trong khi chúng tôi đã cố gẵng cắt thử các vật liệu này bằng nguồn lase fiber của IPG nhưng không được. Fiber laser dùng để cắt kim loại và phi kim là khác nhau.
Hiện tại, nguồn Fiber laser IPG được sử dụng rộng rãi hơn. Do tính đơn giản dễ sử dụng và dễ bảo trì nên được nhiều nhà sản xuất máy cắt laser ưu chuộn. Còn nguồn Disk laser của Trumf thì khá phức tạp. Hơn nữa Trumf vừa là nhà sản xuất nguồn laser vừa là nhà sản xuất máy cắt laser. Nên họ rất kén chọn khi bán nguồn laser cho các nhà sản xuất máy khác.
Tức là không phải ai cũng có thể mua nguồn laser của Trumf được. Mà Trumf sẽ đánh giá nhà sản xuất có đủ năng lực để tích hợp nguồn laser của họ hay không. Trước khi quyết định bán. Có lẻ họ sợ nếu bán cho nhà sản xuất không đủ năng lực sẽ làm mất uy tín của họ.
Còn một điều nữa là Trumf chỉ sản xuất nguồn laser từ 2kW trở lên. Nên đối với nguồn laser dưới 2 kW thì không phải suy nghĩ nhiều cứ IPG mà xài. Đối với nguồn laser từ 2 kW trở lên thì tùy theo nhu cầu mà chọn lựa. Nếu bạn dự định chuyên cắt kim loại màu thì Trumf có vẽ phù hợp hơn. Còn nếu bạn cắt chủ yếu là sắt thì IPG là lựa chọn hợp lý.
Một vấn đề nữa là do nguồn Fiber laser có cấu tạo đơn giản dễ sử dụng và bảo trì. Tuổi thọ nguồn cao trên 100 ngàn giờ. Còn nguồn Disk laser thật sự rất phức tạp, và nghe đâu tuổi thọ lại không cao bằng so với nguồn Fiber laser. Điều này thì người viết thực sự chưa kiểm chứng được.
Trên đây là những hiểu biết của người viết về nguồn Fiber laser là Disk laser. Hy vọng có thể giải đáp được phần nào các thắc mắc của bạn. Và giúp các bạn có thêm thông tin tham khảo để lựa chọn nguồn laser phù hợp với nhu cầu. Mong các bạn đóng góp ý kiến ở mục comment bên dưới. Để bài viết được hoàn thiện hơn và chia sẻ nó để nhiều người cùng biết hơn.
Tham khảo thêm về công nghệ Laser Fiber: Tại đây
Xin chân thành cảm ơn
Nguyễn Hồng Sơn – GĐ Công ty Cổ Phần Tự Động Hóa Sơn Vũ – Chuyên sản xuất máy cắt plasma cnc và laser cnc.