Параметры импульсного лазерного очистителя: частота, энергия импульса, длительность и скорость сканирования

Из чего складывается режим

Пять величин делятся на две группы. Источник задаёт частоту, длительность и предельную энергию импульса. Оптика и оператор задают диаметр пятна, скорость и шаг. Мощность в этом списке производная: она получается как энергия импульса, умноженная на частоту.

Для импульсного источника важны частота импульсов, энергия импульса, длительность импульса и пиковая мощность. Для сканера, который разворачивает луч в линию или фигуру, добавляются скорость и ширина развёртки. Устройство описано в определении гальваносканера.

Энергия импульса и частота

При фиксированной средней мощности частота и энергия импульса меняются в обратной пропорции. Возьмём источник 200 Вт с максимальной энергией 5 мДж, как у JPT серии CL2 (модуль YDFLP-CL2-200-5-A, паспорт JPT: частота 1–3000 кГц, длительность 13–500 нс). Пиковая мощность в таблице оценена как энергия, делённая на длительность 100 нс, то есть для прямоугольного импульса.

Ниже 40 кГц средняя мощность этого модуля уже не достигает 200 Вт, потому что энергия упёрлась в потолок 5 мДж. Для других мощностей граница своя: 100 Вт с энергией 1,5 мДж выходят на полную мощность с 67 кГц, 300 Вт с энергией 15 мДж с 20 кГц. Это расчёт по паспортным значениям, а не измерение.

Выбор частоты заметен по результату. В опыте на углеродистой стали Q235B с оксидной плёнкой до 12 мкм (JPT на 200 Вт, ширина линии 50 мм, скорость 15 мм/с) масса снятого оксида менялась с частотой немонотонно (Zhang и др., Materials, 2025):

Максимум пришёлся на 500 кГц. Авторы объясняют это произведением двух величин: масса снятого оксида равна числу импульсов в секунду, умноженному на массу, которую снимает один импульс. На 100 кГц импульс большой, но его энергия уходит на углубление кратера в металле, а не на плёнку. При росте частоты кратеры мельчают, а импульсов становится больше. Выше 500 кГц энергии одного импульса уже не хватает, и снятие падает. Шероховатость при этом убывала с ростом частоты, потому что большие импульсы выбивают более глубокие кратеры.

Плотность энергии: почему мДж без пятна ничего не значат

Энергию сравнивают на площади. Два исследования по стали дают хорошую иллюстрацию.

Плотность энергии в обоих случаях одного порядка, а энергия импульса различается в 150 раз. В первой строке плотность энергии указана в статье, во второй рассчитана нами по приведённым в ней мощности, частоте и диаметру пятна. Отсюда практический вывод: аппарат с энергией 1,5 мДж не слабее аппарата с 15 мДж, если у первого пятно в десять раз уже. Но с узким пятном шире придётся вести линию, поэтому производительность упадёт.

Для ручного очистителя это значит, что в паспорте надо искать диаметр пятна или фокус и ширину развёртки. Допустим, нужно получить 7,64 Дж/см² от модуля на 5 мДж. Площадь пятна равна 0,005 Дж ÷ 7,64 Дж/см² = 0,00065 см², диаметр около 0,29 мм. Для 5 Дж/см² и 2 мДж диаметр 0,23 мм. Если развёртка растянута линией шириной в десятки миллиметров, плотность энергии падает, и слой перестаёт сниматься. Это согласуется с опытом Zhang 2025: при ширине линии 10, 30, 50, 70 и 90 мм масса снятого оксида составила 1,6; 2,8; 3,7; 2,4 и 2,3 мг. Узкая линия давала переплав подложки, широкая не доходила до порога.

Скорость и перекрытие пятен

Пятна ложатся по линии с шагом, равным скорости, делённой на частоту. Перекрытие вдоль линии считают так:

Перекрытие, % = (1 − v ÷ (D × f)) × 100

где v в мм/с, D в мм, f в Гц. Число импульсов на одну точку равно D × f ÷ v. Эти же формулы использует Zhang 2026: при v = 5000 мм/с, D = 1 мм и f = 10 кГц шаг между пятнами 0,5 мм, перекрытие 50 %. Второе перекрытие, между соседними линиями развёртки, задаёт шаг линий. В статье про снятие толстой краски с судовой стали оно названо отдельно: при слишком большом шаге остаются полосы и периодические борозды, а полное снятие дали шаги 0,35–0,45 мм при диаметре пучка 460 мкм (Materials, 2026).

Пример расчёта. Wang 2024 получил оптимум при v = 3852 мм/с, f = 116 кГц и диаметре пятна 0,1 мм. Шаг между пятнами 33 мкм, перекрытие около 67 %, в каждую точку попадает 3 импульса. Теперь возьмём модуль на 200 Вт и 40 кГц из таблицы выше с диаметром пятна 0,29 мм. Для перекрытия 50 % скорость должна быть 0,5 × 0,29 × 40 000 = 5800 мм/с. При паспортной скорости 30 000 мм/с шаг между пятнами равен 0,75 мм, то есть на 160 % больше диаметра: металл покроется цепочкой точек с промежутками. Паспортная скорость сканера задаёт потолок, а рабочая скорость на порядок ниже.

Есть ограничение с другой стороны. Слишком высокое перекрытие накапливает тепло: Zhang 2026 отметил, что рост частоты увеличивает число пятен на единице площади и приводит к тепловому накоплению. В опыте на хромированных шинных формах на 500 Вт трещины в покрытии появлялись, когда в одну точку попадало больше трёх импульсов (Ren и др., Coatings, 2025). Подробнее о формах написано в статье про очистку пресс-форм.

Длительность импульса и MOPA

Длительность определяет, какая часть энергии уходит в тепло. При той же энергии короткий импульс даёт более высокую пиковую мощность и меньше греет основу, длинный действует мягче по пиковой мощности, но сильнее прогревает слой. Такое управление есть у источников MOPA, об их отличии от Q-switch рассказано в статье про MOPA-лазер. У JPT серии CL2 диапазон 13–500 нс, у водяных CL на 500–1000 Вт от 30 до 500 нс.

В обзорах по очистке порог плотности энергии растёт с длительностью. Так, для титанового сплава Ti–3Al–2.5V при частотах 30–80 кГц пороги нашли в пределах 0,55–0,80 Дж/см², а выше 1,75 Дж/см² возникали ямы (работа Kumar и др., пересказана в Zhang 2025). Цифры относятся к титану, на стали порог выше, но порядок «десятые доли джоуля, а повреждение при единицах» полезно держать в голове.

Как подобрать режим на пробе

Производительность в м²/ч считают отдельно по энергии на мм² и средней мощности, формула и таблица есть в статье про ржавчину и окалину.

Что смотреть в паспорте очистителя

Из того, что встречается в линейках ручных аппаратов, для импульсной очистки на 100–300 Вт типичен набор у Wattsan PA. Ниже параметры из карточки производителя на 3 октября 2026 года.

Для расчёта в карточке не хватает диаметра пятна, без которого плотность энергии не получить, поэтому его стоит запросить у продавца. Минимальная длительность 2 нс в карточке не совпадает с паспортом JPT серии CL2, где нижняя граница 13 нс. Просите точное обозначение модуля источника, а в нём проверяйте энергию импульса, как разобрано в обзоре PA 200. Для сравнения подходов к выбору между импульсным и непрерывным источником смотрите статью импульсная или непрерывная очистка.