- ما هو الليزر؟
الليزر عبارة عن شعاع ضوئي عالي التركيز، أحادي اللون، والموجة. يعمل على إثارة مواد محددة وتوليد حزم فوتونية عالية الطاقة. خلال عملية القطع بالليزر، وبعد تركيز شعاع الليزر، تكون كثافة طاقته عالية للغاية، مما يسمح بتسخين المادة فورًا إلى درجة انصهارها أو غليانها، أو تحويلها إلى غاز، أو تبخيرها، أو حرقها، وبالتالي تحقيق هدف القطع.
- أنواع الليزر الصناعي:
الليزر الصناعي ليس نوعاً واحداً، بل ينقسم إلى عدة أنواع رئيسية تختلف باختلاف الوسط الفعّال (غاز، صلب، ألياف، أشباه موصلات) والطول الموجي. لكل نوع ميزاته وتطبيقاته في (القص، اللحام، النقش، الحفر، المعالجات السطحية والطباعة ثلاثية الأبعاد). فيما يلي أربعة من أكثر أنواع الليزر شيوعاً:
1. ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO₂ Laser)
الوسط الفعال: خليط من الغازات في أنبوب محكم، يتكوّن أساساً من جزيئات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) مع غازي النيتروجين (N₂) والهيليوم (He). يتم الإثارة عادةً عن طريق التفريغ الكهربائي.
الطول الموجي: ينتج ليزر CO₂ ضوءاً بطول موجي رئيسي 10.6 ميكرومتر (ضمن منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة)، مع خطوط فرعية محتملة حول 9.4 و10.2 ميكرومتر.
قدرة خرج الليزر : من 10 واط إلى 20 كيلو واط.
المميزات: كفاءة تحويل كهروضوئية جيدة (10-20%) مقارنة بأنواع الليزر الغازي الأخرى. و امتصاص عالٍ جداً في معظم المواد غير المعدنية (الزجاج، الخشب، البلاستيك، المنسوجات، المطاط) وفي الماء.
أبرز التطبيقات: قص ونقش المواد غير المعدنية (خشب، أكريليك، جلد، زجاج، أقمشة) بكفاءة عالية، وأيضاً قطع الصفائح المعدنية السميكة نسبياً (باستخدام غاز الأكسجين المساعد). كان المعيار الذهبي لقطع المعادن قبل انتشار ليزر الألياف Fiber Laser.
2. ليزر الألياف (Fiber Laser)
- الوسط الفعال: : يُعدّ ليزر الألياف نوعًا خاصًا من ليزرات الحالة الصلبة، ويُصنّف ضمن فئة مستقلة. في ليزرات الألياف، يكون وسط التضخيم عبارة عن ألياف بصرية (زجاج السيليكا) ممزوجة بعناصر أرضية نادرة (غالباً الإيتربيوم Yb) .
- الطول الموجي: الطول الموجي الأساسي يقع بين 1060 و1080 نانومتر (منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة). يمكن مضاعفة التردد للحصول على أطوال موجية في المجال الأخضر أو فوق البنفسجي، ولكن التكوين الأساسي يصدر عند 1064-1080 نانومتر تقريباً.
- قدرة خرج الليزر: من 20 واط إلى 60 كيلو واط فأكتر.
- المميزات: كفاءة تحويل طاقة عالية جداً (تتجاوز 30%)، جودة شعاع ممتازة، صيانة شبه معدومة، حجم صغير، وعمر افتراضي طويل.
- أبرز التطبيقات: قطع المعادن بسرعة فائقة (حديد، ستانلس ستيل، ألمنيوم، نحاس)، لحام دقيق وعميق، و نقش المعادن والبلاستيك.
3. ليزر الأشعة فوق البنفسجية (UV Laser)
- الوسط الفعال: ينتسب ليزر الأشعة فوق البنفسجية إلى عائلات مختلفة، لكن النوع الأكثر شيوعاً في الصناعة هو ليزر الحالة الصلبة المضاعف التردد، والذي يستخدم بلورة مثل Nd:YAG أو Nd:YVO₄ مولّدة لموجة 1064 نانومتر، ثم تُمرَّر عبر بلورات لاخطية لمضاعفة التردد حتى الوصول إلى فوق البنفسجية .
- الطول الموجي: 355 نانومتر (أشعة فوق بنفسجية قريبة – UVA) باستخدام التوليد التوافقي الثالث، وهو الأوسع انتشاراً.
- قدرة خرج الليزر: تتراوح من 3 واط إلى 20 واط
- المميزات: دقة فائقة وامتصاص ممتاز في معظم المواد بما فيها البلاستيك الشفاف، الزجاج، وأشباه الموصلات، بينما لا تمتصها ليزرات الأشعة تحت الحمراء بسهولة.
- أبرز التطبيقات: التأشير والنقش الدقيق على الزجاج، السيراميك، المواد البلاستيكية،. و تقطيع وتشكيل رقائق أشباه الموصلات واللوحات المطبوعة المرنة (PCB).
4. ليزر الحالة الصلبة التقليدي (Nd:YAG)
الوسط الفعال: بلورة من عقيق الألومنيوم والإيتريوم المشابة بالنيوديميوم (Nd³⁺:Y₃Al₅O₁₂)، تُضخ ضوئياً بواسطة مصابيح ومضية تقليدية أو ثنائيات ليزرية. يُرمز له اختصاراً بـ Nd:YAG.
الطول الموجي: الطول الموجي الأساسي: 1064 نانومتر (تحت الحمراء القريبة).
قدرة خرج الليزر: يتراوح متوسط الاستطاعة من 100 واط إلى 6 كيلو واط.
المميزات: طاقات نبضة عالية جداً وقدرة ذروة ممتازة، مما يجعله مثالياً للحفر العميق وقطع المعادن السميكة بالنبضات.
أبرز التطبيقات: لحام المعادن الدقيق (إلكترونيات، أجهزة طبية)، النقش، القطع الخفيف، وفي أنظمة الليزر القديمة. بدأ يحل محله ليزر الألياف تدريجياً في القطع، لكنه لا يزال مستخدماً في اللحام النبضي.
