Het is een leuk truukje op beurzen om een augurk te leggen in de laser die RVS en aluminium kan graveren. Ik vraag men te raden wat er met de augurk zou gebeuren en krijg hele verschillende antwoorden. Smelten als een marshmallow, ontploffen als een ei in de magnetron, de meest fantastische antwoorden komen voorbij. Maar niemand raadt het juiste antwoord; er gebeurt helemaal niets. Geen vonkje, geen rookpluim en je proeft er niks van.
Om te begrijpen waarom een augurk geen krimp geeft en metaal wel moeten we naar de basis en afvragen wat materialen nu precies met licht kunnen doen. Ondanks dat Natuur- en Scheikundigen het heel complex kunnen maken is de praktijk redelijk eenvoudig, materiaal heeft maar 3 opties hoe het met licht om wil gaan.
- Reflectie (spiegelen zoals een spiegel)
- Transmissie (doorlaten zoals een raam)
- Absorptie (opnemen zoals je de zon voelt prikkelen op je huid)
De 3 voorbeelden zijn voor iedereen wel duidelijk en goed voor te stellen. Maar ook wat kort door de bocht. Probeer eens vanuit een verlichte kamer naar buiten te kijken als het donker is, het glas lijkt wel een spiegel! En de zaklamp van je mobiel tegen je vinger laat je hele vinger rood opgloeien (transmissie). De allerbeste spiegels reflecteren 99,99% van een specifiek licht, geen enkel materiaal doet 100% van de mogelijke keuzes. En deze spiegels, ter grootte van een Euro, kosten honderden Euro’s.
Wit licht bestaat eigenlijk niet maar is een mengeling van alle kleuren van de regenboog.
Letterlijk, een regenboog ontstaat doordat regendruppels wit licht ‘uit elkaar trekken’. Een glas water in de vensterbank of een prisma kan dit ook. Andersom zou ook kunnen, als alle kleuren licht bij elkaar gestopt worden ontstaat er wit licht. Ieder beeldscherm maakt hier gebruik van! Een groene, rode en blauwe pixel bij elkaar maakt wit.
Terug naar de regenboog, als ik een groen papiertje op deze regenboog zou leggen verdwijnen alle kleuren behalve het groen. Er is geen rood of blauw meer te zien. Dit komt omdat ‘groen’ alle kleuren uit het wit absorbeert en alleen het groene licht reflecteert. En als er geen groen in het licht zit? Dan reflecteert er niets en lijkt het zwart. Zonder reflectie is er immers geen licht meer om te zien en zonder licht is het donker. Net als dat ‘wit licht’ niet bestaat, bestaat ‘zwart’ ook niet. Het is slechts de afwezigheid van licht.
Nu vervangen we het ‘witte’ zonlicht voor het maken van de regenboog door een lantaarnpaal.
Zo’n ouderwetse gelige Natrium-lamp, niet zo’n moderne LED. Met dit licht blijft er van de regenboog 2 dunne gele lijntjes over. (a) Waarom precies deze 2 lijnen heeft met kwantummechanica te maken, voor nu neem aan dat dit zo is.
Want hetzelfde proces kan ook omgedraaid worden wanneer wit licht door natrium-gas wordt gestuurd, op precies dezelfde plek waar eerder de 2 lichtgevende lijnen zaten zitten nu 2 gaten in de regenboog. Natrium heeft hier het licht geabsorbeerd. Ieder materiaal heeft zijn eigen, unieke, ‘streepjescode’. Op deze manier weet men uit welke materialen de zon of sterren zijn gemaakt.
Terug naar lasers
Terug naar lasers. Een laser maakt licht van exact 1 kleur en dankzij de regenboog weten we dat Natrium 2 absorptieplekken heeft. Als het laserlicht een andere kleur heeft dan waar Natrium absorbeert dan doet onze laser helemaal niks. Immers laat Natrium deze kleur, daarmee alle lichtenergie, door. Bij een gele laser absorbeert Natrium al het licht en daarmee alle energie en zet dit om in warmte. Bij genoeg energie (warmte) zal Natrium smelten, verdampen of tot plasma overgaan.
Als we kijken naar de absorptiegraad van aluminium en ijzer (hoofdonderdeel van RVS) voor de beurs-laser (Fiber, golflengte is 1064nm) goed te noemen. Voor ijzer beter dan aluminium, maar voor beide meer dan voldoende om licht om te zetten in warmte en dus te versmelten, verdampen of tot plasma over te gaan. Met goud (Au), zilver (Ag) en koper (Cu) heeft deze laser meer moeite. Terwijl staal (Acier) makkelijker gaat.
Een augurk bestaat voor 95% uit water, en zeker puur water doet heel weinig met het licht uit de metaal-laser. En waar goud het ongebruikte licht reflecteert laat water het licht gewoon door (transmissie). En die laatste 5 procent van de augurk? Een hoop spoorelementen met hoofdzakelijk Natrium. Met voldoende stroom geeft een augurk geel/oranje licht. Als we dat licht meten geeft dat precies dezelfde golflengte als de Natrium-straatlantaarns!
Dit betekend dat een augurk het licht van de metaallaser gewoon doorlaat. De laser ‘ziet’ de augurk niet daarom leg ik voor het truukje altijd een metalen plaat onder de augurk, ik weet dat het laserlicht er dwars doorheen gaat en rustig de bodem van de omkasting begint te graveren! (1)
Absorptie
Absorptie is een belangrijke factor om te bepalen welke laser er nodig is voor het beste resultaat. Zonder absorptie doet het licht immers niks en kan de laser niks uitrichten. Een absorptiegraad mag ruwweg gezien worden als een percentage. Bij 0,20 wordt 20% van het lichtenergie omgezet in warmte. Puur kijkend naar het diagram zou de meest korte golflengte het beste zijn. Met deze gegevens is het eenvoudig te bepalen of een andere laser, met meer of minder vermogen, hetzelfde resultaat kan behalen. Een 60Watt met 10% absorptie is net zo goed als een 30Watt met 20%. Neem de prijs mee in de vergelijking en we weten welke laser financieel het meest interessant is.
De meest gangbare lasers zijn de Fiber en de CO2 lasers. Zoals bij de augurk al is uitgelegd is de absorptiegraad voor een Fiber laser erg laag voor water en niet bestaand voor natrium. Voor het graveren van de meest gangbare metalen is het erg geschikt, ook omdat er steeds krachtigere lasers worden ontwikkeld.
De CO2 laser maakt licht met een golflengte van 10.604nm, of kortweg 10,6um. Dit is licht in het infrarode gedeelte van het licht en infrarood staat beter bekend als warmte. Een infrarode lamp wordt ook wel een warmtelamp genoemd en wordt veel gebruikt bij kuikens, reptielen, warmhouden van eten en spierpijn. Een CO2 laser is feitelijk een hele precieze infraroodlamp.
Dit betekend dus dat mensen, dieren en voedsel infrarood licht kunnen omzetten in warmte, dus absorberen. En dat is wat een laser nodig heeft en voor organische materialen is een CO2 laser heel geschikt. Eigenlijk alles wat uit de natuur komt. Van steen, glas, hout en leer tot groente, fruit en eieren.
*leuk weetje, een Fiber-laser transporteert het laserlicht via een glasvezelkabel van de laserbron naar de spiegels, gezien de absorptiegraad van CO2 op glas kan een Fiber-laser nooit een CO2 laser zijn. De glasvezelkabel is van glas, vandaar de naam, en zou alle lichtenergie absorberen.
Bij Lion Laser Systems is er naast de CO2 (Match/Merlin) en de Fiber (Fiber/Alpha Metal) nog een 3e type laser, de UV. Met een ingenieuze truuk is het mogelijk om de golflengte van de Fiber 3 keer korter te maken, 355nm. (1064/3=354,67) Deze korte golflengte geeft een hele hoge absorptie op metalen en ondanks dat de UV-lasers lang niet zo krachtig zijn als een Fiber compenseert de absorptie hier enorm voor.
De UV-laser kan praktisch elk materiaal aan, ook organische materialen absorberen UV-straling. De reden dat men bruin wordt in de zon is indirect te danken aan de UV-straling. Net als verbranden, wat vreemd genoeg niets te maken heeft met de enorme hoeveelheid infrarode (warmte) straling die de zon ook afgeeft. Maar achter een ruit wordt je niet bruin en inderdaad, graveren op glas gaat heel goed met een UV-laser.
Ook kunststoffen graveren gaat erg goed met een UV-laser. Buiten in de zon verliezen tuinstoelen hun kleur en koplampen van auto’s worden mat-wit. Met de zon kan dit jaren duren, met een UV-laser worden al die jaren in een miljoenste van een seconde op het plastic geschoten en gebeurt er hetzelfde. Alleen met uiterste precisie en nauwkeurigheid. Doorzichtig plastic wordt mat-wit en de gekleurde kunststoffen verliezen hun kleur waarbij het mogelijk is, met de juiste instellingen, het plastic wit, dan wel zwart te ontkleuren. Dit laatste heeft echter meer met de eigenschappen van het kunststof te maken dan met de absorptiegraden. Ook al blijft dat van belang, zonder absorptie kan de laser immers niks.
Ondanks dat de Lion-UV een fantastische allrounder is en met nagenoeg alle denkbare materialen schijnbaar moeiteloos overweg kan is het alleen voor kunststoffen de eerste machine waarop we testen. Het is meestal financieel interessanter om bij metalen de Fiber te nemen en bij organische materialen de CO2.
Legenda
(1) Electric Pickle Demo: Bekijk video