Light Ampliplification by Stimulated Emission of Radiation = LASER. Laser je monochromatické a koherentné svetelné žiarenie

Transkript

1 Spracovanie pomocou laserového lúča Light Ampliplification by Stimulated Emission of Radiation = LASER Zosilnenie svetla s využitím stimulovanej emisie žiarenia Laser je monochromatické a koherentné svetelné žiarenie

2 Princíp vzniku laserového lúča 1 nepriepustné zrkadlo 2 polopriepustné zrkadlo a čerpanie aktívneho prostredia b atómy aktívneho prostredia emitujú fotóny rôznymi smermi c fotóny v aktívnom prostredí vybudia ďalšie atómi, fotóny neletiace kolmo na zrkadlá sú stratené d časť fotónov odchádza ako lúč, ostatné (inverzná populácia) sa vrátia do aktívneho prostredia

3 Delenie laserov podľa aktívneho prostredia, podľa spôsobu čerpania, podľa vlnovej dĺžky vyžarovaného svetla, podľa pracovného módu kontinuálny, pulzný.

4 Delenie laserov podľa aktívneho prostredia pevnolátkové (napr. rubínové, neodýmove,...) kvapalinové plynové: molekulárne (napr. excimerový laser, CO2), neutrálne plynové lasery (He Ne), iónové lasery (ióny Ar, Xe, Kr), polovodičové

5 Delenie laserov podľa spôsobu čerpania opticky výbojkou, iným laserom, slnečným svetlom,... elektricky elektrickým výbojom, zväzkom nabitých častíc, chemicky chemické alebo fotochemické reakcie, chemická väzba, termodynamicky ohriatie a ochladenie zmesi plynov, jadrovou reakciou jadrový reaktor, jadrový výbuch,...

6 Delenie laserov podľa vlnovej dĺžky vyžarovaného svetla infračervená oblasť, oblasť viditeľného svetla, ultrafialová oblasť, röntgenová oblasť.

7 Podmienky vzniku laserového žiarenia Možnosť vynútenej emisie veľkosť budiacej energie musí byť vyššia ako prah vybudenia, Vhodný materiál aktívneho prostredia: vhodná sústava energetických hladín (min. 3 vrstvy), široké absorpčné pásy, vhodná doba života elektrónov (krátka na absorpčných a dlhá na metastabilných energ. hladinách), vhodná hustota aktívnych iónov (väčšia emisia energie), úzku metastabilnú energ. hladinu (vysoká monochromatičnosť), dobrú tepelnú vodivosť (chladenie lasera)

8 Zrkadlá optického rezonátora Sú to dve zrkadlá obrátené oproti sebe odrazovou časťou. Ich úlohou je odrážať jednotlivé fotóny inverznej populácie späť do aktívneho prostredia. Odrazivosť nepriepustného zrkadla sa blíži k 100%. Odrazivosť druhého polopriepustného zrkadla sa pohybuje od 8 do 50% pre impulzných laseroch až po 90% pri kontinuálnych laseroch. Vyrábajú sa naparovaním niekoľkých vrstiev s rôznymi indexmi lomu svetla vo vákuu. Hrúbka vrstvy je 50% vlnovej dĺžky použitého lasera.

9 Pevnolátkové lasery Aktívne prostredie je tvorené matricou (opticky priepustná pevná látka), ktorá je dotovaná iónmi zo skupiny prechodových prvkov (Cr 3+, Nd 3+ ) kryštály: oxidy (Al2O3), granáty (Y3Al5O12 YAG, Y3Ga5O5 YGAG), alumináty (YAlO3 YALO), iné (fluoridy, wolframáty,...), sklá: neodýmové sklo keramika

10 Rubínový laser Aktívne prostredie Al2O3 + 0,05% Cr3O2 (Cr mu dáva červenú farbu) vlnová dĺžka 693,4 nm stredný výkon 1W pulzný výkon okolo 100W dĺžka impulzu 1ms účinnosť 0,1% použitie meranie, holografia,

11 Neodýmový laser Nd YAG Aktívne prostredie ytrium hlinitý granát Y3Al5O12 (YAG) dopovaný neodýmom Nd 3+ vlnová dĺžka 1,06 m stredný výkon 600 W pulzný výkon kw dĺžka impulzu 10 ms účinnosť viac ako 10% použitie rezanie, zváranie, vŕtanie,...

12 Plynové lasery Aktívnym prostredím je plyn, alebo zmes plynov. Na čerpanie takýchto laser zvyčajne postačuje dostatočne intenzívny elektrický výboj. V technickej praxi sa najčastejšie využívajú molekulárne lasery (CO 2 a excimerové)

13 CO 2 lasery Aktívne prostredie zmes plynov CO 2, N 2, He plnená v kremíkovej trubici pod nízkym tlakom vlnová dĺžka 10,6 m spôsob čerpania vysokofrekvenčný výboj výkon desiatky kw dĺžka impulzu 10 ms účinnosť viac ako 15% použitie rezanie, zváranie, vŕtanie,...

14 Excimerový laser Aktívne prostredie excimer nestabilná molekula plynu (halogény, diméry, oxidy vzácnych plynov) vlnová dĺžka nm spôsob čerpania elektrický výboj, elektrónový lúč, výkon desiatky W dĺžka impulzu 10 ns účinnosť 2% budený výbojom, 10% budený elektrónovým lúčom použitie medicína, jemné presné obrábanie len impulzný režim práce

15 Spôsoby spracovania materiálu pomocou lasera rezanie, zváranie, vŕtanie, sústruženie, tepelné spracovanie, gravírovanie a značkovanie

16 Materiály vhodné na spracovanie laserom malá tepelná vodivosť, malá tepelná kapacita, malá odrazivosť v oblasti vlnovej dĺžky použitého lasera, Kovy majú vo všeobecnosti vysokú odrazivosť a preto je treba použiť vhodnú povrchovú úpravu (pieskovanie, náter,...). Po natavení sa odrazivosť zlepší. Dobre obrábatelné sú plasty, drevo, keramika,...

17 Rezanie materiálu laserom 1 rezaný materiál, 2 laserový lúč, 3 smer pohybu, 4 prúd rezného plynu, 5 roztavená oblasť, 6 častice vyfúknutého materiálu, 7 odparený materiál.

18 Rezanie materiálu laserom Výhody: vysoká kolmosť rezu, vysoká rýchlosť rezania (0,5 až 10 m/sec), jednoduché vytváranie aj zložitých krivkových rezov, vysoká rozmerová presnosť, úzky rez, rez bez pôsobenia mechanických síl, malá tepelne ovplyvnená oblasť,

19 Rezanie materiálu laserom Metódy rezania: tavné roztavený materiál je vyfukovaný prúdom inertného plynu, ktorý sa na rezaní nepodieľa. Kvalita reznej plochy je horšia. Vznikajú ostrapky. oxidačné materiál je ohriaty na zápalnú teplotu a v prúde aktívneho plynu je spálený. Oxidácia zlepší absorpciu laserového lúča a exotermická reakcia napomáha rezaniu. sublimačné materiál je ohriaty na teplotu vyparovania, prúd inertného plynu odstraňuje výpary. Vysoká kvalita rezu. Tenké materiály, len impulzné systémy.

20 Vŕtanie pomocou lasera Nd YAG otvory priemeru nad 5 m, prakticky do každého materiálu, CO 2 zvyčajne len vŕtanie nekovových materiálov, Excimerové lasery vŕtanie kovov, jemná štruktúra, zaostrovať v rozsahu 1 m, rubínový laser tenké fólie, otvor priemeru 3 m,

21 Vŕtanie pomocou lasera Spôsoby vŕtania laserom: jednoimpulzné vŕtanie otvor sa vyrába na jeden laserový impulz. Používa sa Nd YAG laser, L/D < 10, priemer otvoru nad 5 m percusové vŕtanie niekoľko posebe idúcich impulzov (0,1 ms), trepanácia otvor sa do obrobku vyrezáva, môže mať zložitý tvar

22 Vŕtanie pomocou lasera

23 Značenie, popisovanie a gravírovanie pomocou lasera Podľa účinku lasera na povrch predmetu môže nastať: farebná zmena povrchu bez jeho natavenia, natavenie povrchovej vrstvy, odparenie povrchovej vrstvy, odparenie povrchovej vrstvy a súčasná farebná zmena.

24 Značenie, popisovanie a gravírovanie pomocou lasera Povrchové značenie hĺbka ovplyvnenej oblasti tisíciny až stotiny mm. Použitie na označovanie ložísk, dekoratívne popisovanie, identifikačné štítky,...

25 Značenie, popisovanie a gravírovanie pomocou lasera Hĺbkové značenie (gravírovanie) vzniká drážka s hĺbkou až 1mm a šírkou niekoľko desatín mm. Používa sa na stupnice, nápisy...

26 Sústruženie laserovým lúčom

27 Sústruženie laserovým lúčom

28 Tepelné spracovanie laserovým lúčom Bez natavenia povrchovej vrstvy povrchová vrstva sa ohreje nad teplotu fázovej premeny, tepelnou vodivosťou a tepelnou kapacitou súčiastky nastane prudké ochladenie, po ochladení v tejto vrstve vznikne tvrdá metastabilná fáza (cementit)

29 Tepelné spracovanie laserovým lúčom S natavením povrchovej vrstvy: glazzing povrchová vrstva sa nataví po ochladení vznikne jemnozrnná štruktúra na povrchu. cladding povlakovanie povrchu vrstvou iného kovu. Povrchová vrstva sa nataví len do tej miery, aby mohol prebehnúť difúzny proces a spojenie oboch materiálov. alloying legovanie povrchu zákadného materiálu. Povrch materiálu sa roztaví, pridávaný materiál sa tiež úplne roztaví, nastane premiešanie týchto materiálov v povrchovej vrstve.

30 Zváranie pomocou laserového lúča Nenastane odparovanie základného materiálu, iba jeho natavenie. Teplo sa vnáša rýchlo a presne malá teplom ovplyvnená oblasť. Najčastejšie použitý CO 2 laser, ochranný plyn Ar, He, N 2 Nd YAG laser sa používa na zváranie v jemnej mechanike.

31 Zabezpečenie relatívneho pohybu

32 Zariadenie s pohyblivým stolom (X) a s pohyblivou optikou (Y)

33 Zariadenie s pohyblivou optikou (XY)

34 Zariadenie s pohyblivou optikou (YZ)

35 Príklady zariadení

36 Príklady zariadení

37 Príklady zariadení