Диаграмма луча связана с его фокусирующей способностью и чем-то похожа на остроту режущей кромки механического инструмента для раскроя металла. Основная мода лазера - это мода низшего порядка (TLM), а энергия в пятне - гауссова. Теоретически луч может сфокусироваться до минимального размера, например, до нескольких микрон в диаметре. В этом случае образуется резкая высокая плотность энергии, которая распределяется на конце луча. Фокусное расстояние линзы луча высокого порядка (одномодового или многомодового) взаимосвязано и с фокусным пятном, и с глубиной фокуса. Если фокусное расстояние короткое, фокусное пятно мало; если фокусное расстояние большое, фокусное пятно также велико. То же самое верно и для изменения фокусной глубины, когда фокусное расстояние объектива увеличивается. Удвойте размер фокусного пятна, то есть от Y до 2*Y, глубину фокусировки можно увеличить в 4 раза, то есть с X до 4*Х.
В практических условиях резки металла следует учитывать оптимальный размер пятна в зависимости от толщины разрезаемого материала. Если стальной лист режется с одинаковой выходной мощностью лазерного луча, а толщина листа увеличивается, то для получения наилучшего качества резки размер пятна также следует соответствующим образом увеличить.
Мода лазера относится к способности внутрирезонаторного лазера совершать колебания по одному или нескольким каналам, параллельным оси резонатора. Основная мода означает, что лазерное излучение действует только вдоль оси резонатора. При одинаковой общей выходной мощности плотность мощности в фокальной точке пучка одномодового лазера на два порядка выше, чем у многомодового пучка. Луч основной моды киловаттного уровня может получить такое пятно плотности и мощности в фокусной точке с помощью телеобъектива с фокусным расстоянием 63,5 мм, какого будет достаточно для испарения металла с высокой температурой плавления, например, вольфрама. Для резки пучок основной моды конденсируется в меньшее пятно для получения высокой плотности мощности, что более выгодно, чем пучок с модой более высокого порядка.
Эксперименты показали, что качество резки тонких металлов с помощью CO2-лазера одномодового вида намного лучше, чем у многомодового лазера. Даже если мощность лазера основной моды (500 Вт) намного ниже, чем мощность многомодового (1500 Вт), ширина реза намного меньше. Данное отличие объясняется плотностью мощности лазера, в одномодовом лазере она выше. Но когда он используется для резки материалов, могут быть получены узкие прорези, прямые кромки и небольшие зоны термического воздействия, при этом переплавленный слой в зоне резания является самым тонким, а шлак, налипающий на нижней стороне, является самым мелким, или вовсе отсутствует.
Чем ниже режим работающего луча, тем меньше размер сфокусированного пятна, больше удельная мощность и тем выше производительность резки. При резке низкоуглеродистой стали используется базовый режим TFM (общая фокусировка). Скорость резки на 10% выше, чем в режиме одной моды, при приемлемой шероховатости поверхности реза. Более сложный и недорогой лазерный режим используется только для резки некоторых неметаллических материалов.
Поляризация лазерного луча
Почти все мощные лазеры, используемые для резки, имеют плоскую поляризацию, то есть электромагнитные волны излучаемого луча колеблются в одной плоскости. Электромагнитная волна колеблется в плоскости или поверхности, перпендикулярной заготовке, и разница при внесении корректировок энергии мала. В области обработки поверхностей и сварки поляризация луча вообще не важна.
Но (!) в процессе резки металла луч постоянно отражается от режущей поверхности, и если луч вибрирует в направлении прорези, луч может лучше поглощаться. Поляризация луча тесно связана с качеством реза. Изменения реальной ширины реза, шероховатости поверхности резки и перпендикулярности реза к плоскости, которые происходят при реальной резке, все тесно связаны с поляризацией луча. Как и любая другая форма передачи электромагнитных волн, лазерные лучи имеют векторы электрических и магнитных составляющих, которые перпендикулярны друг другу и расположены под прямым углом к прямой силе луча.
В оптическом поле направление электрического вектора традиционно используется в качестве направления поляризации луча. Режим включает в себя способность внутрирезонаторного лазера совершать колебания по одному или нескольким каналам, параллельным оси F-резонатора.
В 1981 году, когда ученые из Института обработки материалов Технологического университета Даньмэй использовали CO2-лазер мощностью 500 Вт для резки стального листа толщиной 0,7 мм, они обнаружили, что скорость резки в одном направлении вдвое превышала скорость резки в вертикальном направлении. Особенно при использовании высокоскоростной резки с ЧПУ направление скорости резания меняется очень заметно. В результате поляризации поверхность среза в нижней части щели перекосится, что приводит к перекосу щели, вызванному поляризацией. Это соотношение между положением поляризации луча и качеством резки, а рабочая сила обрабатываемой детали параллельна направлению поляризации луча, в результате чего получается узкая плоская режущая кромка.
Когда заготовка движется под углом к поляризации луча, поглощение энергии уменьшается, оптимальная скорость резания уменьшается, щель становится шире, а режущая кромка становится шероховатой, а не прямой.
