Laser Cutting Lenses

कोलिमेटिंग लेंस (collimator)

कोलिमेटर एक स्वतंत्र पैसिव ऑप्टिकल यूनिट है, जो लेज़र बीम को आगे focusing module में पहुँचाने के लिए तैयार करता है। यह body (objective), collimating converging lenses के सेट (biconvex + meniscus), ऊपरी और निचली sealing rings, gaskets और nuts से बना है।

कोलिमेटर एक महत्वपूर्ण घटक है, जो optical light को collimate (एकत्र) करने का काम करता है। यह बीम का "सीधा करने वाला और एकत्र करने वाला" का काम करता है: लेज़र बीम को focusing module तक पहुँचाने के लिए उपयुक्त बनाता है और रास्ते में बीम की उच्च गुणवत्ता बनाए रखता है।

कटिंग लेज़र में collimating lens क्यों ज़रूरी है

Collimating lens अपसारी (diverging) लेज़र बीम को collimated beam में बदल देता है — यानी ऐसा बीम जिसमें सभी photons एक-दूसरे के समानांतर चलते हैं। यह collimated beam फिर optical system द्वारा focusing lenses में भेजा जाता है, जो इसे एक निश्चित focal length पर एक स्पॉट में केंद्रित कर देते हैं। उसी स्पॉट पर लेज़र ऊर्जा का अधिकतम घनत्व — efficient laser cutting के लिए आवश्यक diameter पर — एकत्र होता है।

दूसरे शब्दों में, collimating lenses बीम को संकीर्ण कर सीधा करते हैं: या तो प्रकाश की दिशाओं को अधिक समानांतर बनाते हैं, या बीम के cross-section को घटाते हैं। Laser cutting head का collimator fiber optic cable से निकलने वाले अपसारी बीम को संकीर्ण करता है और दो lenses से बना होता है।

कार्य और गुण:

• Collimating lens सर्वोत्तम optical quality और cutting performance के लिए एक composite lens है।
• High transmittance, ultra-low absorption, 10,000 W से ऊपर की power सहता है, उच्च enthalpy-loss threshold।
• Working-distance consistency 99.5 % से अधिक।
• उच्च laser transmittance, उच्च damage threshold — high-power laser cutting के लिए उपयुक्त।
• अच्छा collimation, wavelength का 1/10 से कम।

Focusing lens

कटिंग हेड में लगा यह lens workpiece पर आवश्यक आकार का लेज़र स्पॉट बनाता है।

Long-focus मॉडल बड़ा spot उत्पन्न करते हैं — यह बेलनाकार सतहों पर "फिसलने" की भरपाई करता है और घुमावदार सतहों, जिसमें cones भी आते हैं, पर बेहतर engraving quality देता है।

लेकिन बड़ा spot बड़े diameter वाले milling tool की तरह काम करता है — महीन image elements को पुनः उत्पन्न करना लगभग असंभव है। इसलिए long-focus lenses का प्रयोग केवल टेक्स्ट और कम detail वाली ग्राफ़िक्स की engraving में होता है।

अन्यथा, short-focus मॉडल लगाना पड़ता है या मशीन की characteristics को पुनः सेट करना पड़ता है (acceleration/deceleration घटाना, head travel speed घटाना, आदि)।

Long-focus lens का मुख्य नुक़सान: ज़रूरी cutting power लगभग दोगुनी हो जाती है। Engraving के लिए (जहाँ rated power का ~30 % तक उपयोग होता है) यह स्वीकार्य है, पर through-cut में उपलब्ध power का 100 % भी काफी नहीं हो सकता।

High-energy laser beam को material surface पर अधिकतम परिशुद्धता से focus करना चाहिए।

Depth of focus focal length के बढ़ने के साथ बढ़ती है और focal length घटने पर घटती है। Laser systems में यह beam waist की लंबाई के बराबर है।

इसलिए:

• पतले और समतल materials के लिए — छोटी focal length वाले lenses, उदाहरण के लिए f′ = 93.75 mm। साफ़ कट, उच्च गति, संकरा kerf और बहुत छोटा heat-affected zone।
• मोटे या असमतल materials के लिए — अधिक लंबी focal length वाले lenses (f′ = 127–190.5 mm)।

Laser beam का focusing

निर्माताओं की राय cutting head की प्राथमिकताओं को लेकर अलग-अलग है। कुछ minimum spot size पर ज़ोर देते हैं; अन्य lens orientation और बीम के सापेक्ष lens axis की perpendicularity पर। व्यवहार में किसी एक को दूसरे से ऊपर नहीं रखा जा सकता — प्रत्येक का महत्व cutting conditions के अनुसार बदलता है। Material में focus position बनाए रखना cutting parameters की reproducibility और निरंतर उच्च edge quality के लिए महत्वपूर्ण है।

मोटे धातु के लिए focusing

20 mm से अधिक sheets के साथ काम करते समय बड़ा melt zone बनाना आवश्यक है — एक गहरा melt pool पाने के लिए, जिसे cutting के दौरान बाहर निकालना होता है। इसके लिए, assist gas के अनुसार, बीम को surface के ऊपर या नीचे focus किया जाता है। मोटे material के लिए surface पर छोटे spot का focusing आमतौर पर कम सफल होता है।

पतले धातु के लिए focusing

1–3 mm की sheets के लिए धातु की surface पर focused point चाहिए — यह बड़े spot की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी है, क्योंकि material हटाने के लिए चौड़े channel की ज़रूरत नहीं।

Laser cutting में assist gas

एक महत्वपूर्ण कारक assist gas है: oxygen, nitrogen या compressed air। हर gas के विशिष्ट गुण होते हैं — combustion को तेज़ करना, melt material को बाहर निकालना, या दोनों।

Assist gases दो में से एक reaction को support करते हैं — exothermic या endothermic। Focusing rules reaction के प्रकार और प्रयुक्त gas पर निर्भर करते हैं।

Exothermic reaction में focusing

जब gas exothermic reaction पैदा करता है, तो cutting तेज़ कर देता है — जैसे oxygen। धातु literally उबलती है, बीम की तीव्र ऊर्जा उसे vaporize करती है, और oxygen पिघले धातु के साथ कुशलता से reaction करता है। यह प्रक्रिया उच्च दाब पर चलती है; oxygen की वजह से base material बहुत अधिक तापमान तक गर्म हो जाता है, metal vapour बनता है और evaporation जारी रहती है।

मोटी sheets काटने के लिए बड़े pierce form की ज़रूरत होती है — production में इसे चौड़ा kerf बनाने और cutting के दौरान melt material हटाने के लिए उपयोग किया जाता है।

Exothermic reactions के लिए focusing rules:

• मोटे materials — focus surface के ऊपर।
• पतले materials — focus ऊपरी surface पर।

जब focus material के ऊपर हो, low pressure और कम gas volume का प्रयोग होता है — liquefaction को बढ़ावा देने और फिर melt material को विस्थापित करने के लिए। बहुत कम material vaporize होता है, क्योंकि oxygen का छोटा volume पूर्ण evaporation सहन नहीं कर पाता।

जब focus surface पर हो, high pressure और बड़ा volume प्रयोग होता है — गहन vaporization को बनाए रखने के लिए पर्याप्त।

इसी कारण मुख्यतः पतले material के लिए उपयोग की जाने वाली cutting tables पर supports लगभग साफ़ रहते हैं; मोटे material वाली tables पर कहीं अधिक मलबा जमा होता है।

Endothermic reaction में focusing

Endothermic reactions inert gases — nitrogen और argon — के साथ होती हैं।

यहाँ gas केवल melt material को कट के माध्यम से बाहर उड़ा देता है। Endothermic process focused beam की प्रारंभिक ऊर्जा पर अत्यधिक निर्भर है — उसी से धातु को तेज़ी से liquid state में लाकर कट बनाना है। High pressure पर inert gas फिर liquefied material को kerf से बाहर धकेलता है और slag के चिपकाव बिना एक साफ़ edge छोड़ता है।

Endothermic reactions के लिए focusing rules:

• Focus material के नीचे (bottom) या थोड़ा और नीचे।
• Focus को material के नीचे रखने से kerf के cross-section में छोटा V-shape बनता है, जिससे high-pressure gas पिघले material को संपीड़ित कर kerf के आधार से उच्च गति में बाहर निकाल देता है।
• Melt को तेज़ी से हटाने के लिए बड़ा volume और high pressure चाहिए।

Compressed air — hybrid case

Compressed air का उपयोग वास्तव में दोनों reactions को एक साथ trigger करता है। चूँकि air अधिकतर nitrogen (≈78 %) से बनी है, reaction मुख्यतः endothermic होती है; oxygen की कम मात्रा (≈20 %) एक समानांतर पर छोटी exothermic reaction पैदा करती है। Oxygen की वजह से base material तेज़ी से पिघलता है। बाकी air बड़े पैमाने पर inert होती है और केवल nitrogen की endothermic reaction में भाग लेती है।

Compressed air से cutting सबसे अच्छे परिणाम तब देती है जब focus material की मोटाई के केंद्र में रहे।

व्यावहारिक अनुप्रयोग

Focus point के projection को प्रभावित करने वाले हर पहलू को नियंत्रित करना ज़रूरी है। Optical resonator का raw beam अच्छी हालत में हो और lens तक सही पहुँचे। सही focal length वाला lens material की melting speed और maximum workable thickness को बदल देता है।

Assist gas focus position तय करता है:

• Oxygen (exothermic) — focus सीधे surface पर या उसके ऊपर। High और low pressure cutting के बीच switching के लिए केवल छोटे adjustments चाहिए — focus हमेशा surface के पास होता है और thickness से लगभग स्वतंत्र।
• Nitrogen (endothermic) — focus position material की thickness पर बहुत निर्भर है, क्योंकि focus bottom के पास होता है।

Focus का सटीक स्थान CNC और autofocus device के माध्यम से बनाए रखा जा सकता है — उदाहरण के लिए adaptive mirror।

Adaptive mirror दर्पण के पीछे दबाव लगाकर surface का आकार बदल देता है। सामान्य अवस्था (बिना दबाव) में mirror की सतह concave होती है। दबाव बढ़ने पर surface flat, फिर convex हो जाती है। Mirror के आकार में बदलाव बीम के wavefront, lens पर बीम के size और material में focus projection को बदलता है।

Autofocus का एक प्रमुख लाभ यह है कि piercing के दौरान focus position को dynamically बदला जा सकता है — इससे material thickness भर ऊर्जा का अधिकतम उपयोग होता है और कुल piercing time घटता है।

Laser cutting technology में प्रगति जारी है, लेकिन मूल बात अपरिवर्तित है: raw beam को सही ढंग से lens तक पहुँचाना और application के अनुसार सही focus position बनाए रखना। यदि material में focus position और bead geometry बनी रहे, तो stable, उच्च गुणवत्ता वाले cut के बाक़ी सभी requirements minimum हो जाते हैं। यह setup time बचाता है और stable throughput बनाए रखता है।

कटिंग लेज़र में focusing lens क्यों ज़रूरी है

Focusing optics लेज़र बीम को nozzle के माध्यम से एक ही spot में एकत्र करती है। यह fused silica (silica) से बना lens हो सकता है या parabolic mirror।

Focusing (converging) lens सही ढंग से लगाया जाना चाहिए: बाहर की ओर मुड़ी हुई सतह को हमेशा converging बीम के शीर्ष की ओर मुड़ा होना चाहिए।

दूषित focusing lens अधिक laser radiation absorb करता है, गर्म होकर deform हो जाता है — focal position ऊपर की ओर खिसक जाती है।

महत्वपूर्ण: भारी contamination खुद lens और पूरे cutting head को नुक़सान पहुँचा सकती है।

Contamination के प्रभाव:

• Cut की लंबाई बढ़ने के साथ burrs बनने लगते हैं; kerf width और surface roughness बढ़ते हैं।
• Carbon steel में craters बनने की प्रवृत्ति।
• अत्यंत स्थिति में part processing के बाद sheet से अलग नहीं होता।

Focal length

Cutting के लिए आमतौर पर 125 mm और 150 mm focal length वाले optical systems प्रयोग होते हैं।

• 125 mm optics केवल छोटी thickness — 1–3 mm — के लिए उपयुक्त है।
• अधिक मोटे materials के लिए 150 mm optics का प्रयोग होता है।

125 mm optics में kerf 150 mm की तुलना में संकरा होता है — यानी समान laser power पर अधिक energy density। इसलिए समान thickness और power पर 125 mm optics के साथ cutting speed थोड़ी अधिक होती है। यदि मुख्यतः पतले material काटे जाते हैं, मितव्ययिता की दृष्टि से 125 mm optics ही उपयुक्त है।

150 mm optics का लाभ अधिक cutting depth है। इसका प्रयोग thickness की बड़ी रेंज में सार्वभौमिक है, पर मुख्यतः मोटे materials के लिए होता है।

Focus position

Focus की सटीक स्थिति अच्छे cutting परिणामों के लिए अनिवार्य शर्त है।

Carbon steel के laser cutting के लिए ये नियम लागू होते हैं:

• लगभग 6 mm तक की sheets — focus की optimal position sheet surface पर (endothermic)।
• 8 mm और उससे अधिक की sheets — focus point को sheet surface के ऊपर रखना चाहिए (exothermic)।
• Stainless steel या aluminum की high-pressure cutting — focus sheet पर।
• अंगूठे का नियम: focus position लगभग sheet thickness की 2/3 गहराई पर, sheet के अंदर सेट की जा सकती है।

इसलिए sheet thickness में हर परिवर्तन का अर्थ आमतौर पर focus position में बदलाव होता है।

Nozzle का centring

Focusing lens इस तरह लगाया जाना चाहिए कि focused laser beam nozzle bore के केंद्र में हो। Focused beam nozzle के सापेक्ष केंद्र से अधिकतम ±0.05 mm ही दूर हो सकता है।

बीम off-centre हो तो cut quality direction पर निर्भर हो जाती है — भले समग्र quality अच्छी हो। अत्यंत स्थिति में एक direction में cut संतोषजनक होता है और अन्य directions में material साफ़ नहीं कटता या अलग ही नहीं होता। Carbon steel की gas-assisted cutting में, जब cut eccentricity के विपरीत दिशा में बढ़ता है, sheet की surface पर sparks दिख सकती हैं।