Plynové lasery pro průmyslové využití

Transkript

1 Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.3 Plynové lasery pro průmyslové využití Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

2 Využití plynových laserů v průmyslových aplikacích Atomární - He-Ne jako justážní a pilotní laser Iontové - Ar 2+ laserová litografie Molekulové - CO 2 - makro zpracování materiálů excimery mikro aplikace

3 Helium-neonový laser Aktivní prostředí atomy neonu ve směsi s heliem, v poměru : He:Ne = 5 15 : 1 tlak až 300 Pa čerpání : Buzení helia doutnavým (i neonu) výbojem (U = 1000 V) proud do 30 ma a rezonanční přenos energie mezi atomy He(2) a Ne(10) nejvíce používaná vlnová délka λ = 632,8 nm

4 Helium-neonový laser Konstrukce: Rezonátor vnitřní nebo vnější (Brewsterova okna), L = 15 cm 50 cm (Anoda, válcová katoda, vnitřní kapilára, pavouk, uzavřená skleněná trubice) Výkony: několik miliwattů TEM 00 Gauss Chlazení : pasivní vzduchem

5 Technické provedení a významní výrobci: Helium-neonový laser Melles-Griot: Newport: Spectra-Physics:

6 Helium-neonový laser Holografie Interferometrie Čtení čárových kódů Pilotní laser u IČ laserů

7 Argonový laser Aktivní prostředí ionty argonu, možnost volby z 9 vlnových délek (zelených): Buzení: Silnoproudý el.výboj (Proudová hustota: A.cm -2) - nepružné srážky elektron atom Stupňovité buzení: 1) ionizace Ar 2) excitace Ar 2+ Výkony od 15 mw ( U = 110 V, chlazení vzduchem) Od 15 mw do 50 W ( U = 440 V, chlazení vodou)

8 Argonový laser Použití: Medicína: např. léčba tkání fotokoagulací Průmysl : lithografie Věda: čerpání jiných laserů

9 Kryptonový laser Aktivní prostředí ionty kryptonu Použití: vědecký výzkum laserová show oční lékařství

10 CO 2 laser Aktivní prostředí molekuly kysličníku uhličitého ve směsi dusíku, helia v poměru 1 : 2 : 8 (1 : 4 : 5) Buzení elektrický výboj nebo HF proudy, nepružné srážky elektronů s CO 2 + rezonanční přenos excitační energie N 2 CO 2 kmitavé módy molekuly CO 2 vibrační asymetrický ohybový vibrační symetrický

11 CO 2 laser Konstrukce průmyslových laserů - 3 základní typy podle směru čerpání a zdroje plynové směsi : 1) Podélné proudění (fast axial flow) 1- zadní zrcadlo 2 - laserový svazek 3 - výstupní zrcadlo 4 radiofrekvenční buzení 5 - rovinné zrcadlo Výkony 10 W až 20 kw, s vysokou kvalitu svazku (K > 0,4) pro řezání. Buzení stejnosměrným DC napětím až do výkonu 10 kw, elektrický výboj probíhá souběžně s osou trubice, kterou proudí plyn vysokou rychlostí. Pro výkony od 10 kw nutné vysokofrekvenční buzení RF, kdy výboj probíhá kolmo k ose rezonátoru. Směs CO 2 : N 2 :He kontinuálně doplňována z externího zásobníku.

12 2) Příčné proudění (cross flow) CO 2 laser 1 - laserový svazek, 2 - vývěva, 3 - směr proudění plynu, 4 - výměník tepla, 5 - zadní zrcadlo, 6 - odrazné zrcadlo, 7 - vysokofrekvenční elektroda, 8 - výstupní zrcadla, 9 výstupní okénko Výkon až 10 kw. Plynová směs proudí malou rychlostí kolmo k ose rezonátoru, buzena je vysokofrekvenčními (HF) proudy. Kvalita svazku je nižší (K > 0,14) a proto jsou tyto lasery vyhovující pro svařování, povlakování a kalení materiálů. Vzhledem k nízké spotřebě plynů a elektrické energie jsou jejich provozní náklady mnohem nižší než u laserů s podélným prouděním.

13 Příklady technického provedení průmyslových CO 2 laserů : CROSS flow laser ROFIN x Fast axial flow Rofin, Trumf Parametry viz.

14 3) SLAB laser deskový CO 2 laser 1- laserový svazek 2 - tvarování svazku 3 - výstupní zrcadlo 4 - výstup chlazení 5 - radiofrekvenční buzení 6 - vstup chlazení 7 - zadní zrcadlo 8 radiofrekvenční výboj 9 - vlnovodné elektrody Výkony 1 až 2,5 kw, nejnovější typ průmyslových CO 2 laserů. Nepotřebují vnější zdroj plynové směsi, zásobník o obsahu 10 litrů vystačí na 12 měsíců nepřetržitého provozu, směs se obnovuje po 72 hodinách provozu. Difusní chlazení znamená rozptyl tepla na vodou chlazených vysokofrekvenčních elektrodách. Nestabilní rezonátor je tvořen dvěma válcovými zrcadly a generovaný svazek má obdélníkový průřez. Vnější, vodou chlazená jednotka jej transformuje na rotačně symetrický svazek s vysokou kvalitou(k > 0,8).

15 CO 2 laser 3) SLAB - deskový Varianta SEALD-OFF (kompaktní) vestavěný zásobník s plynovou směsí vydrží hodin, výkony W. Flexibilní možnost upevnění na rameno robota, součást laserových popisovačů

16 Excimerové lasery EXCIMER = excitovaný dimer = nestabilní dvouatomová molekula vzácného plynu, později i sloučeniny vzácného plynu s fluorem (halogenidy), kyslíkem (oxidy) a chlórem (chloridy). (též exciplex, Aktivní prostředí: plynná směs 1 % excimeru, 99 % pomocných plynů He,Ne rezonanční přenos energie, chlazení Buzení: elektrický výboj, svazek rychlých elektronů před-ionizace excimeru rentgenovým zábleskem Životnost excitovaného stavu: 0,1 ns Generace záření: při rozpadu molekuly 126 nm 351 nm Režim pulsní nanosekundové pulsy Frekvence několik kilohertz

17 Excimerové lasery Rezonátor: boční strany válcové plynové komory s možností přeplnění (7 různých směsí plynů), účinnost 0,2 2 % Tvar svazku: obdélníkový dle tvaru elektrod s možností fokusace na stopu až 0,01 mikronů Princip interakce s materiálem: Studená ablace vytrhávání částic fotony o vysoké energii Použití: mikro-obrábění, litografie, mikro-vrtání, oční lékařství Více příkladů viz:

18 Excimerové lasery Parametry laseru PSX 100 (MPB Technologies Inc.): Náplň F 2 ArF KrCl KrF XeCl N 2 XeF λ (nm) E(mJ) 0,5 3,5 0,5 5,5 3,0 0,3 2 P(W) Vrtání keramiky průměr otvoru 25 µm (E = 2 mj, t = 2 ns, P peak = 10 6 W)

19 Excimerové lasery v lékařství LASIK (laser-assisted in situ keratomileusis) 0,25 µm tkáně/puls

20 Excimerové lasery v průmyslu Lidský vlas 2 D matice v kontaktních čočkách