Modalità di funzionamento del laser
I laser possono emettere un fascio di luce continua: questa modalità è indicata come onda continua (CW) ed è la modalità di funzionamento laser più comune. I laser possono essere utilizzati anche in modalità pulsata. I laser pulsati sono caratterizzati da impulsi al secondo (frequenza di ripetizione), l'energia totale dell'impulso laser (energia dell'impulso), la massima potenza raggiunta dall'impulso (potenza di picco) e la lunghezza di ciascun impulso (durata dell'impulso).
Come i laser CW, anche i laser impulsati sono classificati in base alla potenza media. I laser pulsati, anche quando la loro potenza media corrisponde a quella di un laser CW, agiscono sui materiali in modo diverso. I laser pulsati vengono spesso utilizzati per lavorazioni a basso impatto termico o quando è necessaria una maggiore potenza di picco. I laser a onda quasi continua (QCW) a impulsi lunghi utilizzano impulsi misurati in millisecondi con elevate potenze di picco per emulare l'effetto del laser CW con meno input di calore e con un laser di potenza inferiore. I laser a nanosecondi e ultraveloci (picosecondi/femtosecondi) sfruttano impulsi estremamente brevi per microlavorazioni in cui un eccessivo apporto di calore non è accettabile o quando sono richieste potenze di picco estremamente elevate.
In generale, i laser CW offrono le potenze medie più elevate e, di conseguenza, le velocità di lavorazione più elevate. Ci sono molte considerazioni da fare quando si decide tra un laser CW e un laser pulsato, ma bilanciare la produttività con la qualità dei pezzi è spesso la più importante. Molte applicazioni, come il taglio della lamiera, beneficiano di un laser CW ad alta potenza per velocità di taglio elevate e non hanno bisogno di una qualità impeccabile dei bordi. Quando si tagliano elettrodi di batterie ultrasottili tuttavia, vengono in genere utilizzati laser pulsati a nanosecondi e ultraveloci per garantire un'eccellente qualità dei bordi e ridurre o eliminare gli effetti negativi del calore.
A sinistra: un profilo di fascio multimodale con una dimensione dello spot maggiore. A destra: un profilo monomodale con una dimensione dello spot più piccola.
Dimensione dello spot laser e qualità del fascio
Quando un raggio laser entra in contatto con il materiale target, forma un'area denominata spot. La dimensione dello spot, tipicamente misurata in μm, è un fattore critico nel determinare il modo in cui un laser interagisce con il suo bersaglio. La dimensione dello spot può essere controllata in vari modi, tra cui l'utilizzo di diverse fibre ottiche e lenti di messa a fuoco, la modifica della distanza focale e l'utilizzo di lunghezze d'onda più lunghe o più corte.
La riduzione della dimensione dello spot rende più efficiente l'uso della potenza di un laser concentrando l'energia in un'area più piccola. Una maggiore densità di energia è utile per aumentare la velocità di lavorazione. Le piccole dimensioni degli spot sono essenziali anche per diverse microlavorazioni fini. Per molte applicazioni come la saldatura strutturale, tuttavia, l'aumento delle dimensioni dello spot risulta ottimale.
Beam quality, typically measured in M2 for single-mode lasers (typical spot size: 20 to 50 µm) and Beam Parameter Product (BPP) for multi-mode lasers (typical spot size: 100+ µm), is an important and complex laser parameter that, in practice, represents how much a laser beam can be focused. Lower M2 and BPP values correspond with higher beam qualities. A beam quality of M2 = 1 means that the beam experiences no divergence and is considered perfect. Although this is not quite achievable with actual devices, industrial fiber lasers can reliably achieve beam qualities of M2 =< 1.1. For applications that require strongly focused beams like cutting, drilling, and welding, higher beam qualities improve processing speeds and qualities. Some applications, like wide area laser heat treatment and cleaning, do not require particularly high beam qualities, instead benefitting from less focused laser energy.
